Compuesto cementoso de ingeniería - Engineered cementitious composite

El compuesto cementoso de ingeniería (ECC), también llamado compuestos a base de cemento de endurecimiento por deformación (SHCC) o más popularmente como concreto flexible , es un compuesto a base de mortero fácilmente moldeable reforzado con fibras cortas al azar especialmente seleccionadas, generalmente fibras de polímero . A diferencia del hormigón normal , el ECC tiene una capacidad de deformación en el rango de 3 a 7%, en comparación con el 0,01% de la pasta, el mortero o el hormigón de cemento Portland ordinario (OPC). Por lo tanto, ECC actúa más como un material metálico dúctil que como un material de vidrio frágil (como lo hace el hormigón OPC), lo que da lugar a una amplia variedad de aplicaciones.

Desarrollo

ECC, a diferencia del hormigón reforzado con fibra común , es una familia de materiales diseñados micromecánicamente . Siempre que un material cementoso se diseñe / desarrolle en base a la teoría de la micromecánica y la mecánica de la fractura para presentar una gran ductilidad a la tracción, se puede llamar un ECC. Por lo tanto, ECC no es un diseño de material fijo, sino una amplia gama de temas en diferentes etapas de investigación, desarrollo e implementación. La familia de materiales ECC se está expandiendo. El desarrollo de un diseño de mezcla individual de ECC requiere esfuerzos especiales mediante la ingeniería sistemática del material a escalas nano, micro, macro y compuestas.

El ECC es similar al concreto ordinario a base de cemento Portland, excepto que puede deformarse (o doblarse) bajo tensión. Varios grupos de investigación están desarrollando la ciencia de la ECC, incluidos los de la Universidad de Michigan , la Universidad de California, Irvine , la Universidad Tecnológica de Delft , la Universidad de Tokio , la Universidad Técnica Checa , la Universidad de Columbia Británica y la Universidad de Stanford . La falta de durabilidad del hormigón tradicional y las fallas bajo tensión, ambas derivadas del comportamiento frágil, han sido un factor determinante en el desarrollo de ECC.

Propiedades

ECC tiene una variedad de propiedades únicas, que incluyen propiedades de tracción superiores a otros compuestos reforzados con fibra , facilidad de procesamiento a la par del cemento convencional, el uso de solo una pequeña fracción de volumen de fibras (~ 2%), ancho de fisura estrecho y un falta de planos anisotrópicamente débiles. Estas propiedades se deben en gran parte a la interacción entre las fibras y la matriz de cementación, que puede personalizarse mediante un diseño micromecánico. Esencialmente, las fibras crean muchas microfisuras con un ancho muy específico, en lugar de unas pocas grietas muy grandes (como en el concreto convencional). Esto permite que el ECC se deforme sin fallas catastróficas.

Este comportamiento de microfisuración conduce a una resistencia superior a la corrosión (las grietas son tan pequeñas y numerosas que es difícil que los medios agresivos penetren y ataquen el acero de refuerzo) así como a la autocuración. En presencia de agua (durante una tormenta, por ejemplo), las partículas de cemento sin reaccionar que se han expuesto recientemente debido al agrietamiento se hidratan y forman una serie de productos ( silicato de calcio hidratado , calcita , etc.) que se expanden y rellenan la grieta. Estos productos aparecen como un material de "cicatriz" blanco que llena la grieta. Este comportamiento de autocuración no solo sella la grieta para evitar el transporte de fluidos, sino que recupera las propiedades mecánicas. Esta autocuración se ha observado en una variedad de cementos y hormigones convencionales; sin embargo, por encima de un cierto ancho de grieta, la autocuración se vuelve menos efectiva. Son los anchos de grietas estrictamente controlados que se ven en ECC los que aseguran que todas las grietas sanen completamente cuando se exponen al entorno natural.

Cuando se combina con un material más conductor, todos los materiales de cemento pueden aumentar y usarse para detectar daños. Esto se basa esencialmente en el hecho de que la conductividad cambiará a medida que se produzcan daños; la adición de material conductor tiene como objetivo elevar la conductividad a un nivel en el que dichos cambios se puedan identificar fácilmente. Aunque no es una propiedad material de ECC en sí, se están desarrollando ECC semiconductores para detección de daños.

Tipos

Hay varias variedades diferentes de ECC, que incluyen:

  • Se han desarrollado ECC livianos (es decir, de baja densidad) mediante la adición de huecos de aire, burbujas de vidrio, esferas de polímero y / o agregados livianos. Comparado con otros hormigones ligeros, el ECC ligero tiene una ductilidad superior. Las aplicaciones incluyen casas flotantes, barcazas y canoas.
  • "Hormigón autocompactante" se refiere a un hormigón que puede fluir por su propio peso. Por ejemplo, un material autocompactante podría llenar un molde que contenga un elaborado refuerzo de acero preposicionado sin necesidad de vibraciones o sacudidas para garantizar una distribución uniforme. El ECC autocompactante se desarrolló mediante el uso de aditivos químicos para disminuir la viscosidad y mediante el control de las interacciones de las partículas con la mezcla proporcional.
  • El ECC pulverizable, que se puede pulverizar neumáticamente desde una manguera, se ha desarrollado utilizando varios agentes superplastificantes y aditivos reductores de la viscosidad. En comparación con otros compuestos reforzados con fibra pulverizables , el ECC pulverizable tiene una capacidad de bombeo mejorada además de sus propiedades mecánicas únicas. El ECC pulverizable se ha utilizado para trabajos de actualización / reparación y revestimientos de túneles / alcantarillas.
  • Un ECC extruible para su uso en la extrusión de tuberías se desarrolló por primera vez en 1998. Los tubos ECC extruidos tienen mayor capacidad de carga y mayor deformabilidad que cualquier otro tubo compuesto reforzado con fibra extruida.

Aplicaciones de campo

ECC ha encontrado uso en una serie de aplicaciones a gran escala en Japón, Corea, Suiza, Australia y los Estados Unidos [3]. Éstos incluyen:

  • La presa de Mitaka, cerca de Hiroshima, se reparó utilizando ECC en 2003. La superficie de la presa de 60 años de antigüedad resultó gravemente dañada, mostrando evidencia de grietas, desconchados y algunas fugas de agua. Se aplicó una capa de ECC de 20 mm de espesor mediante pulverización sobre la superficie de 600 m 2 .
  • También en 2003, se reparó un muro de contención de tierra en Gifu, Japón, utilizando ECC. El cemento Portland ordinario no se pudo utilizar debido a la severidad del agrietamiento en la estructura original, lo que habría causado un agrietamiento reflectante. ECC tenía la intención de minimizar este peligro; después de un año solo se observaron microfisuras de ancho tolerable.
  • El edificio de apartamentos de gran altura Glorio Roppongi de 95 m (312 pies) en Tokio contiene un total de 54 vigas de acoplamiento ECC (dos por piso) destinadas a mitigar los daños causados ​​por el terremoto. Las propiedades de ECC (alta tolerancia al daño, alta absorción de energía y capacidad de deformarse bajo cizallamiento) le otorgan propiedades superiores en aplicaciones de resistencia sísmica en comparación con el cemento Portland ordinario . Estructuras similares incluyen la Torre Nabeaure Yokohama de 41 pisos (cuatro vigas de acoplamiento por piso).
  • El puente Mihara de 1 km (0,62 millas) de largo en Hokkaido , Japón, se abrió al tráfico en 2005. El lecho de la carretera reforzado con acero contiene casi 800 m3 de material ECC. La ductilidad a la tracción y el comportamiento estricto de control de grietas de ECC llevaron a una reducción del 40% en el material utilizado durante la construcción.
  • De manera similar, en 2005 se completó una plataforma de puente ECC de 225 mm de espesor en la carretera interestatal 94 en Michigan. Se utilizaron 30 m 3 de material, entregados en el sitio en camiones de mezcla estándar. Debido a las propiedades mecánicas únicas de ECC, esta plataforma también usó menos material que una plataforma propuesta hecha de cemento Portland ordinario. Tanto la Universidad de Michigan como el Departamento de Transporte de Michigan están monitoreando el puente en un intento de verificar la durabilidad superior teórica de ECC; después de cuatro años de seguimiento, el rendimiento no disminuyó.
  • El primer parche de reparación de ECC autocompactante y de alta resistencia inicial se colocó en Ellsworth Road Bridge sobre la US-23 en noviembre de 2006. El ECC de alta resistencia inicial puede alcanzar una resistencia a la compresión de 23,59 ± 1,40 MPa (3422,16 ± 203,33 psi ) en cuatro horas y 55,59 ± 2,17 MPa (8062,90 ± 315,03 psi) en 28 días, lo que permite una reparación rápida y la reapertura de la sesión al tráfico. La reparación ECC de alta resistencia inicial ha demostrado una durabilidad superior a largo plazo en condiciones de campo en comparación con los materiales típicos de reparación de concreto.

Comparación con otros materiales compuestos

Propiedades FRC HPFRCC común ECC
Metodología de diseño N / A Utilice alto Vf Basado en micromecánica, minimiza Vf por costo y procesabilidad
Fibra Cualquier tipo, Vf generalmente menos del 2%; df para acero ~ 500 micrómetros Principalmente acero, Vf generalmente> 5%; df ~ 150 micrómetros Fibras poliméricas hechas a medida, Vf generalmente menos del 2%; df <50 micrómetros
Matriz Agregados gruesos Áridos finos Controlado por dureza de matriz, tamaño de defecto; arena fina
Interfaz No controlado No controlado Uniones químicas y por fricción controladas por propiedades de formación de puentes
Propiedades mecánicas Ablandamiento de la tensión: Endurecimiento por deformación: Endurecimiento por deformación:
Deformación por tracción 0,1% <1,5% > 3% (típico); 8% máximo
Ancho de fisura Ilimitado Normalmente varios cientos de micrómetros, ilimitado más allá del 1,5% de deformación Normalmente <100 micrómetros durante el endurecimiento por deformación

Nota: FRC = cemento reforzado con fibra. HPFRCC = Compuestos cementosos reforzados con fibra de alto rendimiento

Ver también

Referencias

enlaces externos