DETERMINACIÓN DEL LÍMITE A FATIGA EN HORMIGONES RECICLADOS DE APLICACIÓN ESTRUCTURAL

Anales de Mecánica de la Fractura 26, Vol. 1 (2009)

DETERMINACIÓN DEL LÍMITE A FATIGA EN HORMIGONES RECICLADOS DE APLICACIÓN ESTRUCTURAL C. Thomas, I. Carrascal, J. Setién y J. A. Polanco Departamento de Ciencia e Ingeniería del Terreno y de los Materiales, E.T.S. de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos, Universidad de Cantabria, Avda Los Castros s/n, 39005 Santander, España. E-mail: [email protected]

RESUMEN El propósito de la presente investigación es valorar la influencia que supone utilizar áridos reciclados en el comportamiento a fatiga de hormigones elaborados con ellos. El objetivo final es proponer un grado de sustitución óptimo a la hora de diseñar hormigones de aplicación estructural. En este trabajo, se han estudiado reemplazos del 0% (hormigón patrón), 20%, 50% y 100% del árido grueso natural calizo, de un hormigón convencional, por áridos gruesos reciclados. La técnica experimental utilizada se ha desarrollado a partir de la propuesta por Locati. En cuanto a los resultados obtenidos, en primer lugar, se ha encontrado una mejora en las resistencias a compresión y el módulo elástico dinámico de los hormigones con mayor grado de sustitución, se han determinado las energías disipadas y almacenadas, encontrándose, no obstante, que para el caso de los hormigones con sustitución total de árido reciclado, la rigidez se ve reducida y la resistencia frente a cargas cíclicas aumenta. ABSTRACT The purpose of this research is the evaluation of the influence that involves the use of recycled aggregate in the fatigue behaviour of recycled concrete. The ultimate objective is to propose an optimal degree of substitution in the design of structural recycled concrete. In this work replacements of 0% (standard concrete), 20%, 50% and 100% of natural coarse limestone aggregate, of the conventional concrete, for recycled coarse aggregates have been studied. The experimental technique used was developed from the proposal by Locati. With regard to the results obtained, firstly, an improvement in the resistance to compression strength of the concrete with a higher degree of substitution has been identified and found the stored energy and the dynamic elastic modulus. Nevertheless, for the case the concrete with 100% recycled aggregate of, the stiffness is reduced and resistance to cyclic are reduced. PALABRAS CLAVE: Hormigón reciclado, fatiga, RCD. en su mayor parte, por el machaqueo de residuos de hormigón estructural procedentes de derribo [1].

1. INTRODUCCIÓN El hormigón reciclado es aquél en el cuál se realiza una sustitución parcial o total de los áridos que conforman su esqueleto pétreo, por otros materiales susceptibles de ser reutilizados.

La técnica experimental utilizada se ha desarrollado a partir de la propuesta por Locati [2], en la que se aplican cargas crecientes hasta que los parámetros medidos indiquen que se ha superado el Límite a Fatiga. La metodología recoge la realización de un ensayo, sobre una única probeta, con intervalos de cargas suficientemente pequeños, a fin de desarrollar, en torno al escalón de rotura, una metodología que permita determinar, con mayor rigor, mediante el método Staircase el límite a fatiga correspondiente.

Se entiende por árido reciclado el árido obtenido mediante el procesamiento de residuos de construcción y demolición (RCD). En función de la naturaleza de los residuos de origen, los áridos reciclados se pueden clasificar en áridos reciclados procedentes de hormigón, áridos reciclados cerámicos o áridos mixtos, cuando proceden de una mezcla de residuos de distinta naturaleza.

Se han fabricado 56 probetas cilíndricas normalizadas que se dividen en las 4 dosificaciones analizadas. Todas las probetas han sido refrentadas, con mortero de azufre, e instrumentadas, con dos galgas extensométricas a 180º, a fin de llevar a cabo 8 ensayos de compresión simple y 12 ensayos bajo cargas de

En concreto, en este trabajo, se han estudiado reemplazos del 0% (hormigón patrón), 20%, 50% y 100% del árido grueso natural calizo, de un hormigón convencional, por áridos gruesos reciclados obtenidos,

283

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compresión cíclicas escalonadas según el método Locati y 32 según el método Staircase.

resultados de las prestaciones mecánicas con el hormigón de referencia, se definieron partiendo de una sustitución de grava y gravilla en unas proporciones que mantuvieran la granulometría del conjunto invariante y sustituyeran la misma cantidad en volumen de árido natural por reciclado [Tabla 2].

2. MATERIAL Cada dosificación se ha estudiado edades superiores a los 365 días, cuando las propiedades mecánicas supuestamente han dejado de evolucionar.

Tabla 2. Dosificación por m³ para los distintos grados de sustitución de RCD del hormigón H25.

2.1. Materiales de amasado El primer paso fue la caracterización granulométrica de cada uno de los áridos, todos ellos, salvo el RCD, procedentes del machaqueo de roca caliza. El RCD utilizado procede de la trituración de residuos clasificados de demolición de hormigones estructurales que fueron procesados con trituradoras y eliminadas la mayor parte de impurezas [Figura 1].

Sustitución:

0%

20%

50%

100%

Cemento [kg]:

275

275

275

275

Agua [kg]:

179

179

179

179

Arena [kg]:

843

878

849

868

Grava [kg]:

752

565

350

0

Gravilla [kg]:

226

170

105

0

La granulometría del RCD (entre 2 y 20 mm) es la adecuada para realizar la sustitución de una parte de gravilla (entre 2 y 16 mm) y otra de grava (entre 8 y 20 mm).

RCD [kg]:

0

184

455

830

% Yeso; 0,64

2.3. Probetas de ensayo Como ya se ha indicado, se han fabricado 56 probetas de hormigón cilíndricas normalizadas, de 15 cm de diámetro por 30 cm de altura, repartidas en 4 dosificaciones con distintos grados de sustitución de árido grueso por árido reciclado. Sus propiedades físicas se muestran en la Tabla 3.

% Ladrillo; 1,39

% Finos; 0,43

% Asfalto; 1,58

% Conglomerado y mortero; 51,54

% Grava y gravilla; 44,41

Tabla 3. Propiedades físicas del hormigón reciclado según el grado de sustitución.

Figura 1. Componentes y proporciones encontradas en los RCDs utilizados en la fabricación del hormigón.

Sustitución:

Paralelamente, se midieron las densidades, coeficientes de absorción y porosidades de los áridos reciclados para compararlas con las que presentan los áridos gruesos naturales que van a sustituir en el hormigón reciclado. Como puede comprobarse en la Tabla 1, la porosidad del árido reciclado es muy superior a la de los áridos naturales, y este hecho tendrá una importancia crucial en las propiedades finales de la pasta de cemento hidratada [3].

0%

20%

50%

100%

Densidad [kg/m3]:

2.292

2.254

2.233

2.194

Coef. Abs. [% Peso]:

4.842

5.555

5.612

5.683

Porosidad [% Vol.]:

11.662

13.256

13.278

13.221

6

6

5

Tabla 1. Propiedades físicas del RCD frente a la grava y la gravilla naturales.

5

4 0 4

Propiedad

RCD

Grava

20

Gravilla

50 3

Densidad [kg/m3]:

2242

2716

2693

Coef. Absorción [% Peso]:

5.1

1.5

1.5

Porosidad [% Vol.]:

11.1

3.6

3.6

100

3 0

5

10

15

20

25

30

35

40

Edad [días]

Figura 2. Evolución de la resistencia a compresión de los distintos hormigones objeto de estudio.

2.2. Dosificaciones

Como se observa en la Figura 2, la resistencia a compresión [4], [5], [6] del hormigón reciclado obtenido es claramente superior a la resistencia del

Las diferentes dosificaciones de los hormigones reciclados, con el objetivo de poder comparar los

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hormigón de referencia, aumentando proporcionalmente a la cantidad de árido sustituido debido, principalmente, a que la relación agua/cemento efectiva de la matriz cementicia se ve reducida, también proporcionalmente, a causa de la mayor porosidad y absorción que posee el RCD [4]. Sin embargo, como se verá, la resistencia a fatiga de los mismos se ve disminuida con la aplicación de cargas cíclicas en intervalos por debajo de la resistencia a compresión. 3. PROGRAMA EXPERIMENTAL La técnica experimental de caracterización empleada para determinar el límite a fatiga de las probetas fue por un lado, el método Locati, que establece una propuesta de ensayo sobre probeta única y el Staircase, que requiere la utilización de varios ensayos para determinar la resistencia a fatiga de un componente estructural, y por otro lado la técnica Staircase que proporciona un valor más preciso del límite a fatiga [5].

Escalón [j]

Carga mínima [kN]

Carga máxima [kN]

Nivel medio [kN]

Amplitud

1

-50

-250

-150

200

2

-50

-300

-175

250

3

-50

-350

-200

300

4

-50

-400

-225

350

5

-50

-450

-250

400

6

-50

-500

-275

450

7

-50

-550

-300

500

8

-50

-600

-325

550

9

-50

-650

-350

600

10

-50

-700

-375

650

∆σj [kN]

De este modo, el método permite de forma rápida, y sin un coste elevado de material, alcanzar el objetivo propuesto, dado que, con una sola probeta se puede tener una buena aproximación al límite a fatiga del material. Sin embargo, no proporciona un valor preciso de dicho límite y, por ello, el procedimiento debe validarse con otras metodologías que consiguen afinar más en la obtención de la carga límite a fatiga.

3.1. Montaje experimental Se utilizó, en la ejecución de los ensayos, una prensa servohidráulica universal de ± 1000 kN de carga máxima. Las probetas fueron dispuestas sobre un utillaje de acero a fin de garantizar la correcta posición de las mismas bajo el actuador. La cara refrentada se situó en la parte inferior y sobre la cara opuesta se dispuso un disco, también de acero, al cual se conectaba una rótula a fin de garantizar la correcta distribución de las cargas en el seno del material. Finalmente, la rótula se vinculaba directamente con el actuador de la máquina.

3.3. Método Staircase El ensayo consiste en realizar una fatiga monótona con los parámetros del escalón de rotura Δσ j , aplicando el número de ciclos acordado N, como representativo de la “vida infinita” del hormigón [7], N = 2·106 ciclos en este caso. A continuación, se repetirá el ensayo sobre otra probeta con otro nivel tensional. El segundo intervalo de ensayo estará determinado por el resultado del primero. Si la primera probeta supera los N ciclos sin romper, se pasará a un intervalo superior Δσ i+1 con

3.2. Método Locati Este método requiere la aplicación de trenes de ondas de carga, de compresión en este caso, de amplitud (∆σ) constante durante un número determinado de ciclos, transcurridos los cuales se incrementa ∆σ en una cantidad preestablecida conservando el resto de parámetros [2]. Este suceso se repite hasta que se produzca la rotura o deterioro excesivo del hormigón.

un aumento

δ

del valor superior de carga, σ i+1 ,

manteniendo invariable la carga inferior

σ0 .

A continuación, para determinar el límite a fatiga, se realizan los siguientes cálculos. SMF

Ésta metodología permite aproximar el intervalo de cargas donde se sitúa el límite de fatiga del hormigón estudiado, utilizando una única probeta. Para ello, se fija el valor de la carga σ0 correspondiente al límite inferior y se varía, escalonadamente, σj (j = 1, 2, 3…), el límite superior del intervalo de carga. En cada escalón de carga, se aplica un número estipulado de ciclos de fatiga, 1·105 ciclos en este caso [Tabla 4].

Δσ 0

En general, los límites de carga estarán referidos a la resistencia a rotura del material, previamente medida.

Se define como el suceso menos frecuente, es decir, SMF es VÁLIDO si entre todos los ensayos ha habido mayor número de ellos que han superado el número de ciclos establecido y toma el valor de NO VÁLIDO si ha habido mayor número de ensayos que no han superado los ciclos como consecuencia de la rotura de la probeta. Se asigna el valor de i=0 al menor valor de

Δσ i en el que aparece el suceso menos frecuente, SMF.

Tabla 4. Programa de escalones Locati.

Para cada nivel o escalón i estudiado: i

285

Es el número de nivel desde Δσ 0

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Es el número de SMF del nivel i-ésimo

A

=

N

=

B

=

1600

∑ i·ni ∑ ni

Def Max 0%

1400

Def Max 20%

∑ i ·n 2

i

El límite a fatiga se obtiene a partir de la expresión: ⎛A 1⎞ Δσ LF = Δσ 0 + δ ⎜ ± ⎟ ⎝ N 2⎠

Def Max 50%

1200

Deformacion [md]

ni

Def Max 100% 1000

(1)

800

600

Se tomará “+” si SMF es VÁLIDO y “-“ si SMF es NO VÁLIDO.

400 0

1 10

5

5

5

2 10

3 10

La desviación típica se expresa por: ⎛ B·N - A 2 ⎞ + 0,029 ⎟⎟ S = 1,62·δ ⎜⎜ 2 N ⎝ ⎠

5 10

5

5

5

6 10

7 10

Asimismo, no se detecta diferencia en el comportamiento de los hormigones de referencia y 20 % de sustitución hasta el nivel de colapso, momento en el cual la pendiente de la deformación máxima se hace insostenible para el hormigón con áridos reciclados en comparación con el hormigón de referencia.

(3)

La formula es válida solo si se verifica que:

B·N - A 2 > 0,3 N2

5

Figura 3. Deformación máxima de los hormigones de referencia y reciclados ensayados según la propuesta de Locati.

(2)

Finalmente, el límite a fatiga del material se expresa como: Δσ LF ± S [MPa]

4 10

Ciclo

El hormigón con sustitución total de árido grueso reciclado (100%) presenta una deformación notablemente superior, proporcional al grado de sustitución, al resto de los hormigones analizados, debido a la mayor deformabilidad que, a su vez, poseen los áridos reciclados frente a los áridos naturales y a la presencia de un número mayor de macroporos.

(4)

4. RESULTADOS 4.1. Límite a fatiga según el método Locati

Por otro lado, véase cómo en el caso de la evolución frente al número de ciclos de la deformación máxima en el último escalón forma una cuasi-recta hasta el momento de la rotura.

En la Figura 3 se muestra la deformación máxima, expresada en microdeformaciones, de todos los escalones, antes del colapso, de los ensayos realizados sobre las probetas de hormigón reciclado y de referencia.

0,01

Se puede observar, en primer lugar, cómo la deformación máxima aumenta progresivamente dentro de cada uno de los escalones, siendo ésta cada vez más pronunciada a medida que aumenta el escalón o nivel de carga. En particular, se debe prestar atención al último de los escalones ya que en todos los demás el máximo de deformación, a lo largo de los ciclos, forma una curva, más o menos lineal y poco pronunciada que, como los anteriores escalones, acaba estabilizando.

Pendiente de deformacion maxima

0,008

H25 0% H25 20%

0,006

H25 50% H25 100% 0,004

0,002

0

En cuanto a las conclusiones que pueden ser extraídas de la deformación máxima del último de los escalones, en primer lugar, nótese que la pendiente aumenta considerablemente respecto del anterior escalón y, en segundo lugar, el número de ciclos que es capaz de resistir el hormigón en estas condiciones es inversamente proporcional a la pendiente de la deformación máxima en ese mismo escalón.

10

15

20

25

30

35

Carga [MPa]

Figura 4. Evolución de la pendiente de deformación máxima de cada uno de los escalones respecto del nivel de carga aplicada.

Se ha realizado un ajuste lineal de la deformación máxima frente al número de ciclos en cada uno de los

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escalones, en todos los casos con una correlación (R) de ajuste mayor de 0.98 para el último escalón, a fin de obtener el valor de la pendiente en cada uno de los niveles, representada frente a la carga aplicada en ese intervalo, y mostrada en la Figura 4. Las curvas obtenidas permiten identificar el momento de colapso del hormigón, pudiéndose identificar así el Límite a Fatiga mediante un simple ensayo Locati.

propagación de una microfisura a partir de un poro de aire ocluido.

En cuanto a la microestructura [Figuras 5 y 6], en hormigones con alto grado de sustitución la pasta de cemento se muestra más compacta, aunque se observa una macroporosidad, también, mayor que en los hormigones con baja proporción de árido reciclado. Esta diferencia en la estructura podría ser el origen de la propagación de las fisuras.

Como se ha comentado, la deformación sufrida por los hormigones con alto grado de sustitución, para el mismo intervalo de cargas, es notablemente superior. De ello se deduce que, a pesar de que el hormigón con alto grado de sustitución presentaba una mejor resistencia a la compresión simple, en el caso de la fatiga no sucede lo mismo. Este efecto detectado tiene un origen que debe buscarse en la estructura interna del material y por ello se ha procedido, también, a la caracterización microestructural de las muestras ensayadas a fatiga, utilizando un microscopio electrónico de barrido.

Se debe tener en cuenta que el agregado reciclado, menos denso y más deformable, introduce en la estructura del hormigón reciclado una serie de patologías en forma de microfisuras, sufridas en la demolición de las estructuras o durante la trituración de los RCD para producir el árido reciclado proveniente de hormigón, que no tienen un efecto detectable en los ensayos de resistencia a compresión simple y sí son determinantes en cuanto a los ensayos de cargas cíclicas o fatiga, ya que suponen, tales patologías, el origen de las fisuras que ocasionan el colapso del material. 4.2. Límite a fatiga según el método Staircase

A fin de encontrar una relación entre la pendiente del ajuste lineal de la deformación máxima frente al número de ciclos obtenido por el método Locati, y el Límite a Fatiga del material, se han llevado a cabo ensayos del tipo Staircase, ya que éste proporciona un valor más exacto que el primero, sobre 6 probetas de hormigón reciclado 100%. En la Tabla 5 se muestran los resultados obtenidos para las 6 probetas seleccionadas. En la siguiente tabla “X” hace referencia a rotura de la probeta antes de los 2·106 ciclos y “O” la no rotura. Tabla 5. Resultados de la batería de ensayos Staircase.

Figura 5. Micrografía del hormigón de referencia, 0% de sustitución en el que puede observarse la propagación de una fisura a través de la interfase pasta de cemento-árido.

Escalón Δσ j j

[MPa]

1

28.2

2

25.4

3

22.6

4

19.8

Probeta 1

2

3

4

5

6 X

X

0 X

0 0

Tabla 6. Cálculo de parámetros para la determinación del Límite a Fatiga. i

ni

i·ni

i2·ni

2

1

2

4

1

1

1

1

0

Figura 6. Micrografía del hormigón completamente reciclado, 100% de sustitución, donde se observa la

287

1

0

0

N=3

A=3

B=5

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En este caso especial, puesto que el número de ensayos es un número par, se puede calcular estadísticamente el Límite a Fatiga para dos suposiciones:

Asimismo la deformación máxima sufrida por los hormigones reciclados es mayor que la de los hormigones de referencia.

1er SUPUESTO, SMF: X

El valor obtenido del Límite a Fatiga por el método Staircase puede identificarse en las curvas de pendiente de la deformación máxima frente a carga obtenidas mediante el método Locati, validando de esta forma esta metodología

El límite a fatiga resulta:

(5) AGRADECIMIENTOS

La desviación típica:

Se agradece al Ministerio de Medio Ambiente la financiación, así como la coordinación por parte del CEDEX, del proyecto RECNHOR (Expediente 111/2006/2-3.2).

(6) Finalmente, el Límite a Fatiga del material, para el supuesto 1, se expresa como:

REFERENCIAS

(7)

[1] COMISIÓN 2 DEL GRUPO DE TRABAJO 2/5 “HORMIGÓN RECICLADO” (sept. 2006). Utilización de árido reciclado para la fabricación de hormigón estructural. Monografías M-11, ACHE.

2º SUPUESTO, SMF: O: El límite a fatiga:

[2] Locati, L. Programed Fatigue test, Variable Amplitude Roat. Metalurgia Italiana, Vol 44, nº 4, pp. 135-144. 1952

(8)

[3] Rakesh Kumar, B. Bhattacharjee, “Porosity, pore size distribution and in situ strength of concrete”, Cement and Concrete Research 33 (2003) 155-164.

Y la desviación típica:

[4] Thomas, C., Setién, J., Polanco, J.A., “Comparación de las prestaciones mecánicas entre hormigones reciclados con residuos de construcción y demolición (RCDs) y hormigones convencionales” Materiales Compuestos 07 AEMAC, (2007) 221228.

(9) Finalmente, el límite a fatiga del material, para el segundo supuesto, se expresa como:

[5] UNE-EN 1936:1999. Cálculo de las densidades y porosidades para hormigones endurecidos.

(10) 5. CONCLUSIONES

[6] UNE-EN 12390-3:2003. Resistencia a compresión de probetas cilíndricas de hormigón.

En los ensayos de fatiga Locati, se detecta un aumento de la deformación máxima en cada uno de los niveles, aumentando la pendiente de la recta de cada uno de los escalones hasta el momento del colapso.

[7] prEN 14587-1. Railway applicatios – Track – Flash butt welding of rails – Part 1: New 220 and 260 Grade Rails in afixed plant. 2002

Además, se puede relacionar la pendiente de la deformación máxima con el número de ciclos para los cuales el hormigón es competente. El hormigón reciclado presenta mejores prestaciones mecánicas frente a los ensayos de compresión simple, debido a las mejores características de la pasta de cemento. Sin embargo, esta particularidad no se ve reflejada en los ensayos mecánicos de fatiga a compresión debido a la naturaleza de los áridos reciclados y al tamaño de los poros de la pasta de cemento nueva.

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