Funcionalización de fibras metálicas aplicadas a materiales cementicios de ultra-alta resistencia

Abstract

El hormigón es el material más utilizado en nuestro país para la fabricación de estructuras debido a su bajo coste en el mercado y a la facilidad para disponer de las materias primas que lo componen. Esto ha permitido que durante los últimos años se haya podido investigar la utilización de otras tipologías de hormigón no tan extendidas como el hormigón armado convencional. Entre esas otras tipologías se encuentra el HRF que permite optimizar el diseño de estructuras de hormigón ya que las fibras proporcionan al material resistencia residual tras la fisuración, mejorando así su ductilidad. Además, dependiendo de la cuantía de fibras y tipología de éstas, el elemento fabricado podría emplearse con fines estructurales. Así pues, la adición de fibras en la matriz del hormigón convencional mejora las propiedades del material. Si esta matriz es de un HUAR, que se caracteriza por presentar resistencias mecánicas a compresión superiores a 120 MPa, se obtiene un HUARRF que resulta ser el hormigón objeto de estudio del presente trabajo. Gracias a la adición de fibras, el HUARRF también deja de presentar un comportamiento marcadamente frágil para pasar a presentar propiedades de ductilidad. Sin embargo, la interfase fibra-matriz continúa presentando poca resistencia mecánica, lo que favorece la propagación de fisuras. El presente trabajo pretende mejorar las características de la interfase mediante la funcionalización con silano. Esta técnica consiste en aumentar la superficie específica de las fibras por deposición de sustancias, lo que incrementa la rugosidad de las fibras y mejora la adherencia entre la fibra y la matriz. Si la funcionalización se ejecuta bien y resultara ser efectiva, se podría controlarla fisuración y las propiedades mecánicas del HUARRF mejorarían a largo plazo. El tratamiento diseñado se divide en cuatro etapas. En la primera de ellas, la fibra de acero se baña en acetona para dejar la superficie libre de grasa y residuos orgánicos adheridos durante la fabricación. La segunda etapa consiste en activar la superficie de las fibras mediante un baño en NaOH. De esta manera, se aumenta la concentración de hidroxilas en la superficie metálica para facilitar el posterior recubrimiento de silano. En la tercera etapa se realiza la funcionalización donde las fibras se introducen en una disolución de silano para ser revestidas. Por último, las fibras se sumergen en una disolución de Ca(OH)2 para que la capa de silano reaccione y propiciar así afinidad entre la fibra y la matriz. Para evaluar la eficiencia del tratamiento, se fabrican diferentes HUARRF utilizando de refuerzo las fibras metálicas tratadas. En primer lugar, se realiza una campaña experimental preliminar donde se acotan las variables del tratamiento, como por ejemplo la concentración óptima de silano. En segundo lugar, se realiza una campaña experimental específica donde se estudia en profundidad las características de los HUARRF fabricados. Cabe mencionar que la metodología todavía está en fase de desarrollo pero los resultados hasta ahora obtenidos sugieren que la implantación a gran escala podría ser factible.

Concrete is the most used material to build structures in our country, due to its low market price and the ease to get its primary components. That encouraged, in the last years, the research regarding the use of other typologies of concrete that are less extended than the conventional reinforced concrete. One of those new typologies is the FRC, which advantage is the optimization of the design of concrete structures. That is due to the fact that the fibres provide the material with residual resistance after cracking, leading to an improvement on its ductility. Moreover, depending on the amount of fibres and their types, the built element could be used for structural purposes. Therefore, the addition of fibres to the matrix of the conventional concrete improves the properties of the material. If that matrix is from an UHPC, characterized by having a mechanical resistance to compression higher than 120 MPa, an UHPFRC will be obtained. HUARF is the main subject of the present study. Because of the addition of the fibres, the HUARF also changes from a mainly fragile to a ductile behaviour. However, the interphase fibre-matrix keeps having a low mechanical resistance, which favours the propagation of fissures in the material. The current report aims to improve the features of the interphase by using the silane functionalization. This technique consists of increasing the specific surface of the fibres by substances deposition. That increases the rugosity of the fibres while improving the adherence between the fibre and the matrix. If the technique is executed properly and it results effective, the cracking would be controlled and the mechanical properties of the UHPFRC would be improved in a long term. The designed treatment is divided in four different stages. In the first stage, the steel fibre is soaked in acetone to keep the surface free from oils and organic residues stick on it during the manufacture process. The second stage consists in activating the surface of the fibres by soaking them in NaOH. Doing that, the concentration of hydroxyl groups in the metallic surface will increase, making easier the subsequent recoating with silane. In the third stage the functionalization is carried out, introducing the fibres in a silane dissolution to cover them. Finally, the fibres are soaked in a solution of Ca(OH)2 to make the layer of silane react and provide the affinity between the fibre and the matrix. In order to evaluate the treatment, different UHPFRC are built using the treated metallic fibres as a support. Firstly, a preliminary experiment is developed to define the different variables of the treatment, such as the optimal concentration of silane. After that, a specific experiment is done in order to exhaustively study the features of the HUARF produced. It is important to mention that the methodology is still in a development phase. However, the results that have been obtained until now suggest that the implementation of this technique at a large scale could be feasible.