21
Cevallos, Almache, Tapia
MEJORA DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS
DE UN SISTEMA COMPUESTO CEMENTICIO MEDIANTE
EL USO DE UN TEJIDO DE SISAL DISEÑADO
Improvement Of The Mechanical Properties of A Cementitial
Composite System Using A Designed Sisal Fabric
Oscar-A. Cevallos*, Cristian Marcillo, Andrea Miño
Universidad Nacional de Chimborazo, Facultad de Ingeniería, Carrera de Ingeniería
Civil, Av. Antonio José de Sucre km 1 ½ vía a Guano, Riobamba, Ecuador.
*ocevallos@unach.edu.ec
R
esumen
A
bstract
En los últimos años, los materiales compuestos FRCM (fabric-reinforced cementitious matrix com-
posites) producidos con tejidos de bras naturales se han convertido en potenciales sustitutos de sis-
temas compuestos de bras sintéticas o minerales. La eciencia de los materiales compuestos FRCM
depende, entre otras cosas, de su capacidad de adherencia y transmisión de los esfuerzos internos
entre sus componentes. En esta investigación se diseñó un sistema FRCM cementicio reforzado con
tejidos de sisal para que alcance niveles satisfactorios de adherencia y resistencia. Para mejorar sus
propiedades mecánicas y obtener un sistema adecuado para el reforzamiento de elementos de hormi-
gón armado, fue necesario el diseño y fabricación de tejidos de sisal de características geométricas
particulares, favorables a la penetrabilidad. El comportamiento mecánico del sistema FRCM diseña-
do en este estudio se vericó llevando a cabo pruebas de corte SLS (Single Lap Shear test) y prue-
bas pull-off. Los resultados se compararon con aquellos obtenidos probando materiales compuestos
FRCM producidos con tejidos no diseñados de sisal.
In recent years, FRCM (fabric-reinforced cementitious matrix) composites produced with fabrics of
natural bres have become potential substitutes for composite systems produced with synthetic or
mineral bres. The efciency of FRCM composites depends, among other things, on their ability to
bond and transmit internal stresses between their components. In this research, a cementitious FRCM
system reinforced with sisal fabrics was designed to achieve satisfactory levels of bond and strength.
To improve the mechanical properties of the material and obtain a proper method for strengthening
reinforced concrete elements, sisal fabrics with particular geometrical characteristics, favourable
to penetrability, were designed and manufactured. The mechanical behaviour of the FRCM system
developed in this study was veried by performing SLS (Single Lap Shear) and pull-off tests. The
results were compared with those obtained by testing FRCM composite materials produced with
non-designed sisal fabrics.
Palabras claves: materiales compuestos, ensayo de materiales, bras naturales.
Keywords: composite materials, materials testing, natural bres.
Fecha de recepción: 30-05-2018 Fecha de aceptación: 11-07-2018
22
Revista Cientíca
ISSN 2477-9105
Número 20 Vol. 2 (2018)
I. INTRODUCCIÓN
Los sistemas de reforzamiento a base de materiales com-
puestos nacieron como una alternativa para incrementar
la capacidad de carga y niveles de servicio de una estruc-
tura, mejorando además, sus deciencias constructivas.
Durante las últimas décadas, los sistemas compuestos
FRP (ber-reinforced polymer composites) producidos
a base de bras sintéticas, metálicas o minerales embe-
bidas en una matriz polimérica han sido extensamente
estudiados. Estos sistemas han probado ser ecaces, pero
poseen ciertas desventajas, tales como: su inaplicabili-
dad en ambientes húmedos o a bajas temperaturas, pobre
compatibilidad térmica con un sustrato de hormigón y
susceptibilidad a la radiación (1). Además de los sistemas
FRP, surge otra solución tecnológica a base de hormigón
reforzado con textiles, conocida como TRC (textile-rein-
forced concrete). Este material ofrece la posibilidad de
construir elementos estructurales esbeltos reforzados con
varias capas de textiles y mortero (2). Los materiales
compuestos FRCM (fabric-reinforced cementitious ma-
trix composites) se consideran un tipo particular de TRC,
en los cuales se aplican bras a una estructura a través
de un mortero de cemento, y se utilizan especícamente
para el fortalecimiento de estructuras. Sus propiedades
mecánicas dependen de la unión entre las bras y la ma-
triz cementicia. Este material exhibe varias ventajas ta-
les como: una mayor resistencia a altas temperaturas y a
radiaciones ultravioletas, mayor permeabilidad al vapor,
menores costos de producción y aplicación y una rever-
sibilidad completa de la instalación, aumentando la resis-
tencia a la tracción de los elementos reforzados (3).
Desde un punto de vista ecológico, el uso de bras natu-
rales para producir sistemas compuestos FRCM podría
ayudar signicativamente a resolver varios problemas
ambientales y a dar sostenibilidad en la industria de la
construcción. Razón por la cual, varios investigadores
han dirigido su atención hacia el estudio de nuevos ma-
teriales basados en bras naturales y recursos renova-
bles. Los sistemas de reforzamiento FRCM mejoran el
comportamiento de los elementos estructurales frente a
solicitaciones de exión y tracción (4-6). Sin embargo,
la falta de adherencia entre la matriz y el tejido afecta
frecuentemente el comportamiento de materiales FRCM
producidos a base de tejidos de bras naturales, causan-
do principalmente, fallas en el sistema conocidas como
debonding. Este fenómeno ha sido observado en inves-
tigaciones previas (7,8) en las cuales se concluye que la
poca separación entre los hilos del tejido afecta la adhe-
rencia entre los estratos o capas de los componentes del
material. De esta manera, los problemas
en el comportamiento mecánico de los
materiales FRCM producidos con bras
naturales han limitado su uso para el re-
forzamiento de estructuras.
Por otro lado, en Ecuador no existe ac-
tualmente un tejido de sisal que favorez-
ca la adherencia en aplicaciones FRCM,
siendo la geometría de los tejidos el
principal problema. Al considerar los te-
jidos de sisal que se comercializan en el
país, la adherencia entre la matriz y el
tejido y entre la matriz y el sustrato de
hormigón se ve afectada principalmente
por el excesivo número de hilos trans-
versales (8), mismos que no contribuyen
a aumentar la resistencia del material, y
en ciertos casos, incluso podrían causar
que las tensiones internas no se distribu-
yan adecuadamente entre los estratos de
tejido y se separen prematuramente sus
componentes (7).
Sobre la base de los problemas antes
mencionados, el objetivo de este traba-
jo es mejorar el comportamiento de un
material compuesto FRCM de sisal me-
diante el diseño de sus tejidos de refuer-
zo y se presentan los resultados de un
extenso estudio experimental de las pro-
piedades físicas y mecánicas del sistema
FRCM. Adicionalmente, se presentan
los resultados de pruebas de corte SLS
(Single Lap Shear tests) y pull-off lleva-
das a cabo para evaluar la ecacia del
reforzamiento.
II. MATERIALES Y MÉTODOS
Materiales
En este estudio se analizaron dos tipos
de tejidos de sisal que se comercializan
en los mercados de la ciudad de Rio-
bamba. Al analizar muestras de bras en
un microscopio electrónico de barrido
(SEM) se pudo observar la morfología
y la estructura interna de los hilos. En la
gura 1a, se muestra un hilo de sisal de
diámetro 1456,72 μm y se observa que
23
Cevallos, Almache, Tapia
su conformación se logra mediante el
hilado de múltiples lamentos. Por otro
lado, la estructura interna de las bras
de sisal se caracteriza por la presencia
de agujeros de lumen en toda la sección
transversal, limitados por paredes celu-
lares bien denidas (ver gura 1b).
El primer tejido analizado se presenta en
forma de rollos de manufactura ecuato-
riana y tiene un proceso de fabricación
manual. La manera como se cruzan los
hilos de la urdimbre en este tejido es de
tipo tafetán (ver gura 2a); esta estruc-
tura se caracteriza por formar un patrón
simple de punto cruz. El tejido de rollos
generalmente se utiliza para realizar
arreglos ornamentales y se lo encuentra
en presentaciones de 100 m de longitud.
El diámetro promedio de sus hilos es de
2 mm y la separación entre hilos longi-
tudinales y transversales es de 3,5 mm.
También se usó en este estudio un tejido
que se comercializa en forma de sacos.
Este tejido se usa generalmente para el
transporte de productos agrícolas. Es
de manufactura colombiana y su fabri-
cación es parcialmente industrializada.
Al igual que el tejido de rollo, tiene una
estructura tipo tafetán (ver gura 2b).
El diámetro promedio de sus hilos es de
2 mm y la separación entre hilos longi-
tudinales y transversales es de 2 mm.
El mortero usado para preparar la ma-
triz del material FRCM fue elaborado
con cemento portland puzolánico (tipo
IP) proveniente de la empresa Cemen-
to Chimborazo. Como agregado no se
utilizó arena de río de una mina ubicada
en el cantón Penipe. La arena fue tami-
zada por una malla No. 20. El mortero se
diseñó para que se alcance una resisten-
cia de 45 MPa a los 28 días.
Para realizar las pruebas SLS y pull-off,
las muestras de materiales compuestos
se aplicaron sobre prismas y losas de
hormigón, respectivamente. El hormi-
gón fue elaborado con el mismo tipo
de cemento y agregado no usados en
la fabricación de la matriz de mortero,
y como agregado grueso, se utilizó ripio
(a)
(b)
Figura 1. Análisis microscópico SEM: (a) Hilos de sisal,
(b) Sección transversal de una fibra de sisal
24
Revista Cientíca
ISSN 2477-9105
Número 20 Vol. 2 (2018)
(a)
(b)
Figura 2. Tejidos de sisal usados en la investigación: (a) tejido de rollo,
(b) tejido de saco
triturado proveniente de la Mina “Cerro
Negro”, ubicada en el cantón Riobamba.
Este material fue tamizado por una ma-
lla de abertura 3/8”. La dosicación del
hormigón fue diseñada para obtener una
resistencia de compresión de 21 MPa.
Antes de la preparación de las muestras
de material compuesto, los tejidos se
impregnaron con resina poliéster para
evitar que las bras de sisal entren en
contacto directo con el mortero y estas
se envejezcan prematuramente (9). El
material compuesto se preparó con tres
estratos de tejido de sisal mediante un
proceso de moldeo manual, luego de lo
cual se curaron por 28 días.ç
Caracterización de los hilos y tejidos
Para la caracterización física del tejido,
se realizaron ensayos de densidad, den-
sidad lineal (TEX) y masa por unidad
de área, de acuerdo a procedimientos
especicados en normas ASTM e ISO.
Un equipo Humboldt Master Loader
HM-3000 fue utilizado para estudiar las
propiedades mecánicas a tracción de los
hilos y tejidos. La velocidad de aplica-
ción de las cargas de tracción fue de 250
mm/min, para los hilos, y de 20 mm/
min, para los tejidos.
Diseño del tejido de sisal
El objetivo del diseño del tejido fue el de
obtener un material de refuerzo del sis-
tema FRCM que proporcione una mayor
capacidad de penetración de la matriz y
que se alcancen niveles de resistencia
comparables a los alcanzados con un ma-
terial compuesto preparado con tejidos
no diseñados. Analizando los resultados
obtenidos en las pruebas mecánicas de
los hilos de rollo y de saco, se diseñó
una primera propuesta de tejido con una
urdimbre tipo semi-esterila (10), con las
dimensiones y geometría indicadas en la
gura 3. Los rollos de hilos de sisal usa-
dos en la confección del tejido fueron de
procedencia ecuatoriana, y el tejido fue
25
Cevallos, Almache, Tapia
manufacturado en una fábrica artesanal, ubicada en el ca-
tón Otavalo, Ecuador.
En Ecuador, las técnicas de elaboración de tejido de sisal
no son industrializadas. En consecuencia, los hilos longi-
tudinales de este primer tejido diseñado no se tejieron de
una manera apropiada para trasmitir uniformemente los
esfuerzos de tracción. El principal problema en la manu-
factura de este tejido fue la presencia de un gran numero
de hilos no tensados o que se encontraban trenzados entre
sí, tal como se observa en la gura 3. Por este motivo, se
decidió descartar este diseño de tejido y además, buscar
otro fabricante con procesos de manufactura no artesanal.
Para facilitar el proceso de producción del tejido, se propu-
so un nuevo diseño con una urdimbre tipo tafetán, y se so-
licitó a la fábrica Fideca, ubicada en la ciudad de San José,
Colombia, que confeccione el nuevo diseño (ver gura 4).
Para la caracterización del tejido diseñado, se usaron las
mismas normas y procedimientos usados en la caracteriza-
ción del tejido de rollo y de saco. Los resultados obtenidos
en la caracterización de los hilos y tejidos se presentan en
la tabla 1. En esta tabla se incluyen también los coecien-
tes de variación de los resultados (valores entre paréntesis)
como un indicador estadístico de su variabilidad. Estos
coecientes, expresados en porcentaje, fueron calculados
dividiendo la desviación estándar para el promedio.
Caracterización del material compuesto FRCM
La densidad del material compuesto fue una de las pro-
piedades físicas consideradas en este estudio. Tomando
como referencia la norma ASTM C642 (11), se ensaya-
ron seis muestras y se evaluó su densidad usando la si-
guiente ecuación:
Figura 3. Tejido diseñado de urdimbre
tipo semi-esterila
Figura 4. Tejido diseñado de urdimbre
tipo tafetán
δ =
S
R-T
dónde: δ = Densidad del material compuesto, expresado
en g/cm
3
, S = Peso del material compuesto seco, expre-
sado en gramos, R = Peso del recipiente más el agua en
la segunda lectura, expresado en gramos y T = Peso del
recipiente más agua en la primera lectura, expresado en
gramos. Además de la densidad del material compuesto, el
porcentaje de absorción se consideró como otra propiedad
física de importancia para el estudio. Tomando como guía
la norma ASTM C642 se evaluó el porcentaje de absor-
ción de seis muestras, de acuerdo a la siguiente ecuación:
(1)
(2)
% adopción =
W-D
D
* 100
26
Revista Cientíca
ISSN 2477-9105
Número 20 Vol. 2 (2018)
Propiedades Unidad Tejido de Rollo Tejido de Saco Tejido Diseñado
Hilos
longitudinales
Densidad de la bra g/cm
2
1,44 (1,39%) 1.43 (1.40%) 1.47 (4.08%)
Masa por unidad de área g/m
2
287,10 (4,14%) 400.50 (2.10%) 278.40 (3.14%)
Densidad lineal Tex g/km 679,50 (11,43%) 773.33 (3.59%) 778.67 (3.54%)
Esfuerzo máximo a tracción MPa 382,37 (16,83%) 278.29 (12.28%) 293.96 (15.04%)
Carga máxima a tracción N 180,48 (16,83%) 155.42 (12.28%) 155.80 (15.04%)
Deformación unitaria máxima (tracción) mm/mm 0,04 (23,74%) 0.04 (9.914%) 0.04 (11.30%)
Módulos de elasticidad MPa 8778,82 (5,062%) 7311.74 (5.97%) 7939.17 (5.06%)
Hilos
transversales
Densidad de la bra g/cm
2
1,44 (1,39%) 1.43 (1.40%) 1.47 (4.08%)
Masa por unidad de área g/m
2
287,10 (4,14%) 400.50 (2.10%) 278.40 (3.14%)
Densidad lineal Tex g/km 846,67 (3,91%) 821.43 (12.71%) 824.29 (11.05%)
Esfuerzo máximo a tracción MPa 259,33 (22,47%) 303.51 (17.15%) 304.64 (16.10%)
Carga máxima a tracción N 144,01 (22,47%) 174.22 (17.15%) 170.90 (16.10%)
Deformación unitaria máxima (tracción) mm/mm 0,05 (21,87%) 0.05 (9.36%) 0.05 (7.80%)
Módulos de elasticidad MPa 4835,73 (11,61%) 6232.09 (9.18%) 6262.26 (32.09%)
Tejidos
(sentido
longitudinal)
Esfuerzo máximo a tracción MPa 118,30 (8,51%) 306.77 (5.02%) 321.64 (10.88%)
Carga máxima a tracción N 558,38 (8,51%) 1990.77 (6.56%) 2045.66 (10.88%)
Deformación unitaria máxima mm/mm 0,04 (9,08%) 0.05 (5.02%) 0.05 (13.72%)
Módulo de elasticidad MPa 3771,60 (22,13%) 6629.38 (2.60%) 7195.33 (12.48%)
Tejidos
(sentido
transversal)
Esfuerzo máximo a tracción MPa 130,94 (17,62%) 275.40 (22.51%) 267.133 (26.44%)
Carga máxima a tracción N 611,40 (17,62%) 1898.34(22.51%) 599.445 (26.44%)
Deformación unitaria máxima mm/mm 0,03 (11,24%) 0.05 (10.69%) 0.047 (21.68%)
Módulo de elasticidad MPa 5387,36 (19,64%) 5662.59 (19.64%) 6314.948 (15.76%)
Tabla 1. Caracterización de hilos y tejidos de sisal
dónde: W= peso de la muestra en estado SSS (satura-
do supercialmente seco), expresado en gramos y D=
peso de la muestra seca, expresado en gramos. Pruebas
de tracción y exión se llevaron a cabo para estudiar el
comportamiento mecánico de los materiales compuestos.
En el caso de la prueba de tracción, los procedimientos
usados se basaron en las recomendaciones de la norma
ASTM D3039 (12). Para proveer un mecanismo de su-
jeción efectiva durante las pruebas de tracción, en los
extremos de las muestras se jaron placas de acero (ver
gura 5). Para este ensayo se utilizó un equipo de prueba
Humboldt Master Loader HM-3000, con una velocidad
carga de 0,5 mm/min.
El comportamiento mecánico de las muestras de materia-
les compuestos se vericó también por medio de pruebas
de exión (ver gura 6). Para esta prueba se adaptaron
procedimientos descritos en la norma ASTM C78 (13). La
velocidad de ensayo usada fue de 0,5 mm/min. Tanto en
los ensayos de exión y de tracción se registraron automá-
ticamente los desplazamientos y las deformación con la
ayuda de un transductor de deformación.
Los resultados obtenidos en la caracterización de los ma-
teriales compuestos se presentan en la tabla 2. De la mis-
ma manera que en la tabla 1, aquí se pre-
sentan entre paréntesis los coecientes
de variación (expresados en porcentaje),
que fueron calculados dividiendo el co-
eciente de variación para el promedio.
Prueba de corte SLS
La prueba SLS (Single Lap Shear
test) se realizó sobre la base de pro-
cedimientos descritos en la norma
ASTM D5868-01 (14) y en el trabajo
presentado por Oliveira et al. (15).
Antes de esta prueba, se aplicaron
materiales compuestos sobre la su-
perficie de prismas de hormigón y
posteriormente fueron curadas por 28
días. Se realizaron 12 pruebas SLS
en especímenes reforzados con ma-
teriales FRCM de tejido diseñado y
12 pruebas SLS en especímenes re-
forzados con materiales FRCM de te-
jido no diseñado. Para analizar si la
27
Cevallos, Almache, Tapia
Figura 5. Ensayo de tracción de material compuesto
FRCM reforzado con tejido de saco y tejido diseñado.
Propiedades Unidad Tejido no diseñado (3 estratos) (a) Tejido diseñado (3 estratos)
Densidad en estado endurecido g/cm
3
1.829 1.786 (2.20%)
Absorción en estado endurecido % 12.322 14.231 (2.38%)
Esfuerzo máximo de tracción MPa 7.625 12.003 (9.96%)
Carga máxima de tracción N 6104.892 5281.120 (9.96%)
Deformación unitaria máxima de tracción mm/mm 0.047 0.070 (24.75%)
Módulo de elasticidad de tracción MPa 581.007 567.963 (9.71%)
Esfuerzo máximo de exión MPa 13.846 26.959 (7.74%)
Carga máxima de exión N 590.759 573.789 (7.75%)
Deformación unitaria máxima de exión mm/mm 0.386 1.973 (16.44%)
Deexión Máxima de exión mm 7.78 18.786 (7.75%)
Módulo de Young a exión MPa 785.13 597.961 (24.23%)
(a) Datos referenciados del estudio llevado a cabo por Cevallos et al. (8)
Tabla 2. Caracterización del material compuesto FRCM de sisal
Figura 6. Ensayo de flexión en el material compuesto FRCM reforzado
con tejido de saco y tejido diseñado
longitud de pegado del material compuesto produce
algún efecto en el comportamiento mecánico de las
muestras, se consideraron en este estudio diferentes
longitudes de pegado. De esta manera, se ensayaron
tres especímenes para cada longitud de pegado, y las
longitudes fueron: 10, 15, 18 y 20 cm. En este ensa-
yo, un configuración clásica push-pull fue adopta-
da, en la cual, las fibras fueron sometidas a tracción,
mientras que el prisma de hormigón se restringió
para evitar su rotación (ver figura 7). La velocidad
de ensayo fue de 0,3 mm/min.
28
Revista Cientíca
ISSN 2477-9105
Número 20 Vol. 2 (2018)
Prueba de pull-off
Esta prueba se llevó a cabo en losas de hormigón que fue-
ron reforzadas con los materiales compuestos FRCM de
sisal. El material compuesto fue aplicado usando un es-
trato de tejido recubierto con resina poliéster. Para veri-
car la ecacia del material, las losas se dividieron en dos
partes, y se aplicó, en la primera mitad de la losa, el sis-
tema FRCM de tejido diseñado y en la segunda mitad, un
material compuesto de tejido no diseñado. Luego de 28
días y con la ayuda de un dispositivo para extracción de
núcleos de 5 cm de diámetro, se realizaron 30 perforacio-
nes para obtener las muestras de ensayo. Posteriormente,
se pegaron placas metálicas sobre el material compuesto
usando una resina de polímero termoestable. Las prue-
bas se llevaron a cabo usando un equipo LOK-TEST DK
2400 (ver gura 8), mismo que permitió aplicar una car-
ga de desprendimiento sobre el material compuesto. Las
pruebas pull-off se realizaron de acuerdo a procedimien-
tos descritos en la norma ASTM D4541 (16).
Los tipos de fallas que se observan en las muestras en-
sayadas con este método se ilustran en la norma ASTM
D4541, de los cuales se pueden destacar las fallas tipo
“A” (falla en el sustrato), tipo “B” (falla en la interface
del sustrato y la matriz), tipo “C” (falla en la interface del
tejido-matriz) y tipo “D” (falla en la matriz cementicia
antes de llegar al tejido de refuerzo).
Análisis y validación de resultados
Los resultados obtenidos se analizaron y validaron usan-
do un modelo ANOVA de una vía. Los resultados de este
análisis se presentan más adelante al comparar las me-
Figura 8. Configuración de la prueba de pull-off.
dias de muestras ensayadas en las prue-
bas SLS y pull-off. El método ANOVA,
al ser muy exible, permitió construir
modelos estadísticos para el análisis de
contraste de medias de los resultados
experimentales con un 95% de conabi-
lidad. Cuando no fue posible asumir que
las varianzas poblacionales eran iguales,
se utilizó una prueba robusta de Welch.
III. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Características mecánicas
del tejido de sisal diseñado
Al comparar los resultados presenta-
dos en la tabla 1, se puede notar que las
características mecánicas del tejido di-
señado y tejido de saco no presentaron
diferencias signicativas entre sí. Esto
puede atribuirse a que, en ambos tejidos,
el número y diámetro de los hilos lon-
gitudinales fue el mismo; mientras que,
el tejido de rollo, al tener un menor nú-
mero de hilos longitudinales, exhibió ni-
veles de resistencia menores; razón por
la cual se descartó su utilización en las
etapas posteriores del estudio.
Ventajas de la arquitectura
del tejido de sisal diseñado
La arquitectura del tejido diseñado ofre-
ció mayor penetrabilidad que el tejido
de saco. La capacidad de penetración del
mortero entre las aberturas de las mallas
es una característica muy importante en
los tejidos usados para producir siste-
mas FRCM con nes de reforzamiento
estructural; tal es el caso de las bras
sintéticas que se comercializan actual-
mente (por ejemplo: PBO, carbono, vi-
drio, basalto, entre otras), mismas que
se caracterizan por poseer una estruc-
tura abierta (17,18). En investigaciones
previas (8), se vericó que la resistencia
de materiales compuestos producidos
con tejidos de saco (no diseñados) fue
los suciente alta para mejorar el com-
29
Cevallos, Almache, Tapia
portamiento mecánico de columnas y
vigas de hormigón. Por este motivo, el
tejido diseñado debía garantizar niveles
iguales o superiores de resistencia del
sistema FRCM. En la Tabla 2 se puede
observar que los esfuerzos de tracción
de los materiales compuestos de tejidos
250
200
150
100
50
0
0 2 4 6 8 10 12
Deslizamiento (mm)
Esfuerzo (MPa)
1 = 10 cm
1 = 15 cm 1 = 18 cm
1 = 20 cm
Figura 9. Curvas del comportamiento mecánico durante las pruebas SLS: Esfuerzo vs. Deslizamiento de muestras FRCM
de tejido diseñado, con longitudes de pegado (l) de 10 cm, 15 cm, 18 cm y 20 cm.
diseñados fueron mayores a los esfuerzos de materiales
compuestos de tejidos no diseñados. Es necesario acla-
rar que las cargas máximas alcanzadas por los FRCM de
tejidos no diseñados fueron mayores debido a la mayor
sección transversal de los especímenes. De la misma ma-
nera, se observa en la tabla 2 que los resultados de los
esfuerzos a exión de los materiales FRCM de tejidos
diseñados son hasta 94,71% mayores a los obtenidos con
muestras FRCM de tejidos no diseñados. Esto podría
atribuirse a la mayor capacidad de adherencia entre ma-
triz y tejido, alcanzada gracias a la mayor supercie de
contacto entre los estratos de mortero.
Pruebas SLS
Como se mencionó anteriormente, las pruebas SLS se
realizaron en muestras FRCM adheridas a prismas de
hormigón con diferentes longitudes de pegado; esto per-
mitió una mejor valoración de los efectos de la arquitec-
tura del tejido sobre el desarrollo de resistencia o meca-
nismos de falla de las muestras. Con los resultados se
obtuvieron curvas del comportamiento. En la gura 9 se
presentan las curvas de esfuerzo vs. deslizamiento de las
muestras FRCM de tejido diseñado.
Al analizar estas curvas se observan resistencias y desli-
zamientos comparables entre grupos (coeciente de va-
riación de 6.93%); por lo que, el comportamiento de las
muestras FRCM de tejido diseñado no depende de la lon-
gitud de pegado del material compuesto. El mecanismo
de falla en estas muestras se caracterizó por la rotura del
tejido en su extremo libre (ver gura 10); y esto podría
atribuirse a que la capacidad de adherencia desarrollada
por el sistema fue mayor a la resistencia del tejido.
Figura 10. Ensayo SLS: Mecanismo de falla de
las muestras FRCM con tejido diseñado;
falla por rotura del tejido
30
Revista Cientíca
ISSN 2477-9105
Número 20 Vol. 2 (2018)
Por otro lado, al observar los resultados de las pruebas
SLS realizadas en muestras FRCM de tejido no diseñado
que se presentan en la gura 11, se puede notar cómo el
comportamiento entre grupos sí presenta diferencias, y se
comprueba que estas diferencias son signicativas al rea-
lizar el análisis ANOVA de una vía, en el cual se obtuvo
un p valor de 0,013; valor que está por debajo del nivel de
signicancia del 5%. La longitud de pegado, en este caso,
sí afectó la capacidad resistente del sistema. Es así que,
con longitudes cortas de pegado, como es el caso de las
muestras FRCM de 10 y 15 cm, se produjo el despren-
dimiento del material antes de alcanzar los niveles de re-
sistencia que se obtuvieron con longitudes de pegado de
18 y 20 cm. Esto podría atribuirse a que la arquitectura
del tejido no diseñado afectó la capacidad de adherencia
del sistema y que las longitudes de pegado mayores (18
y 20 cm) desarrollaron resistencias mas altas debido a la
fricción entre matriz y tejido. En este caso, el coeciente
de variación (desviación estándar/promedio) de los resul-
tados de esfuerzos máximos entre grupos fue de 24,43%.
Pruebas de pull-off
Mediante las pruebas de pull-off se pudo evaluar la re-
sistencia al desprendimiento del material compuesto
FRCM aplicado sobre un sustrato de hormigón. Adicio-
nalmente, los resultados fueron evaluados en función del
mecanismo de falla de los especímenes. Bajo esta con-
sideración, las muestras reforzadas con tejido no diseña-
do, presentaron un 100% de fallas tipo “D” (falla en la
matriz cementicia antes de llegar al tejido de refuerzo);
mientras que, en las muestras reforzadas con tejido dise-
250
200
150
100
50
0
0 2 4 6 8 10 12
Deslizamiento (mm)
Esfuerzo (MPa)
1 = 10 cm
1 = 15 cm 1 = 18 cm
1 = 20 cm
Figura 11. Curvas del comportamiento mecánico durante las pruebas SLS: esfuerzo vs. deslizamiento de muestras FRCM
de tejido no diseñado, con longitudes de pegado (l) de 10 cm, 15 cm, 18 cm y 20 cm
ñado, el 53.33% presentó fallas tipo “D”
y el 46.67% de fallas tipo “C” (falla en
la interface del tejido-matriz). Los resul-
tados obtenidos con las muestras FRCM
reforzadas con el tejido no diseñado po-
drían atribuirse a la poca penetrabilidad
entre hilos de las malla, misma respon-
sable del desprendimiento casi inme-
diato del primer estrato de mortero, sin
llegar a niveles de carga elevados. En el
caso de las muestras FRCM reforzadas
con el tejido diseñado, también se ob-
servó la falla tipo “D”, pero esta ocurrió
a niveles de carga mucho mayores a los
obtenidos con las muestras FRCM de
tejido no diseñado, lo que signicaría
que la resistencia de la adherencia entre
el FRCM y el sustrato de hormigón fue
mayor a la resistencia a tracción de la
matriz. Las fallas tipo “C” observadas
en las muestras FRCM de tejido dise-
ñado podrían haberse producido debido
a que las mallas dentro de las matrices
forman puntos de discontinuidad entre
los estratos de mortero, llevando a la fa-
lla de las muestras en la interface de los
componentes. En la tabla 3 se presentan
los resultados de las pruebas de pull-off.
Al comparar los resultados obtenidos
entre las muestras FRCM de tejido dise-
ñado y aquellas de tejido no diseñado, se
puede notar que la variación de resisten-
cias es signicativa (Análisis ANOVA
31
Cevallos, Almache, Tapia
con un p valor igual a 5,516x10-25). Es
así que, los resultados de las muestras
reforzados con tejidos diseñados alcan-
zaron valores hasta 700% mayores que
los obtenidos con las muestras FRCM
de tejido no diseñado.
IV. CONCLUSIONES
Este artículo describe los resultados de
una investigación experimental realizada
para mejorar el comportamiento mecáni-
co de un material compuesto FRCM de
sisal mediante el diseño de un tejido de
refuerzo que benecie la capacidad del
sistema para el fortalecimiento de ele-
mentos de hormigón armado. Sobre la
base de los resultados de este estudio, se
presentan a continuación las siguientes
conclusiones:
- Los materiales compuestos cementi-
cios reforzados con bras de sisal ofre-
cen excelentes propiedades mecánicas a
tracción y exión.
Muestra
Tejido no diseñado Tejido diseñado
Tipo de falla Carga (N)
Resistencia
(MPa)
Tipo de falla Carga (N)
Resistencia
(MPa)
1 D 674.172 0.343 D 3745.4 1.908
2 D 743.264 0.379 C 4645.4 2.366
3 D 524.356 0.267 D 3745.4 1.908
4 D 425.448 0.217 D 3545.4 1.806
5 D 656.172 0.334 C 3645.4 1.857
6 D 639.426 0.326 C 3365.4 1.714
7 D 659.080 0.336 C 3295.4 1.678
8 D 677.426 0.345 C 3565.4 1.816
9 D 693.080 0.353 D 3465.4 1.765
10 D 627.372 0.32 D 3485.4 1.775
11 D 659.772 0.336 C 3665.4 1.867
12 D 641.818 0.327 D 3775.4 1.923
13 D 645.218 0.329 D 3795.4 1.933
14 D 597.618 0.304 C 3515.4 1.79
15 D 618.372 0.315 D 3435.4 1.75
Media 632.173 0.322 3646.067 1.857
Desviación estándar 74.646 0.038 315.786 0.161
Coeciente de variación (%) 11.808 11.804 8.661 8.664
Tabla 3. Resultados del ensayo de pull-off en materiales compuestos reforzados con el tejido no diseñado y el tejido diseñado
- La arquitectura del tejido de sisal diseñado favoreció la
capacidad de penetración de la matriz.
- La longitud de pegado del material compuesto no inu-
yó en el comportamiento de las muestras de materiales
FRCM reforzados con tejidos diseñado al someterlas a
pruebas SLS.
- La resistencia al desprendimiento de las muestras
FRCM de tejidos diseñados observada en las pruebas de
pull-off fue hasta siete veces mayor a la resistencia de las
muestras FRCM de tejidos no diseñados.
- La limitada capacidad de penetración de los tejidos de
sisal no diseñados ocasionó problemas de adherencia en-
tre la matriz y el tejido y produjo mecanismos de falla no
deseables en las muestras.
- Se requieren investigaciones futuras que aborden, desde
un punto de vista teórico, el comportamiento mecánico
de materiales compuestos FRCM reforzados con tejidos
de sisal diseñados.
V. AGRADECIMIENTOS
Los autores agradecen al personal técnico del Laborato-
rio de Control de Calidad de Materiales de la UNACH
por toda la ayuda brindada en cada etapa de la fase expe-
rimental de este estudio.
32
Revista Cientíca
ISSN 2477-9105
Número 20 Vol. 2 (2018)
R
eferencias
1. Nanni A. Flexural Behavior and Design of RC Members Using FRP Reinforcement. J Struct Eng.
1993;119(11): 3344–3359.
2. Hartig J, Häußler-Combe U, Schicktanz K. Inuence of Bond Properties on The Tensile Behaviour of Textile
Reinforced Concrete. Cem Concr Compos, 2008; 30:898–906.
3. Ombres L. Analysis of The Bond Between Fabric Reinforced Cementitious Mortar (FRCM) Strengthening
Systems and Concrete. Compos Part B Eng. 2015; 69:418–26.
4. Carozzi FG, Colombi P, Fava G, Poggi C. A cohesive interface crack model for the matrix-textile debonding
in FRCM composites. Compos Struct. 2016; 143:230–41.
5. Nanni A. Concrete Repair with Externally Bonded FRP Reinforcement. Concr Int. 1995; 17(6):22–6.
6. Trapko T. Conned Concrete Elements with PBO-FRCM Composites. Constr Build Mater. 2014; 73:332–8.
7. Cevallos OA, Olivito RS. Effects of Fabric Parameters on The Tensile Behaviour of Sustainable Cementi-
tious Composites. Compos Part B Eng. 2014; 69:256–66.
8. Cevallos OA, Almache C, Tapia D. Desarrollo de un material compuesto sostenible con adherencia mejorada
para el reforzamiento de estructuras de edicación. Perles. 2017; 18(2): In Press.
9. Menna C, Asprone D, Durante M, Zinno A, Balsamo A, Prota A. Structural Behaviour of Masonry Panels
Strengthened With an Innovative Hemp Fibre Composite Grid. Constr Build Mater; 2015; 100:111–21.
10. M. Santiago Poveda. Lecturas complementarias - Materiales compuestos. Mater compuestos. 2000; 123–
139, Vol 1.
11. ASTM. ASTM C642: Standard Test Method for Density, Absorption, and Voids in Hardened Concrete.
West Conshohocken, PA; 2013.
12. ASTM. ASTM D3039/D3039M-14: Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Com-
posite Materials. West Conshohocken, PA; 2014.
13. ASTM. ASTM C78/C78M-02: Historical Standard: Método de Ensayo Normalizado para la Determina-
ción de la Resistencia a la Flexión del Concreto (Utilizando Viga Simple con Carga en los Tercios del Claro).
West Condhocken, PA; 2002.
14. ASTM. ASTM D5868-01: Standard Test Method for Lap Shear Adhesion for Fiber Reinforced Plastic
(FRP) Bonding. West Conshohocken, PA; 2014.
15. Oliveira D V., Ghiassi B, Lourenço PB. Bond Behaviour and Durability of FRP Composites Applied Exter-
nally to Masonry Structures. 9th Int Mason Conf. 2014.
16. ASTM. ASTM D4541: Standard Test Method for Pull-Off Strength of Coatings Using Portable Adhesion
Testers. West Condhocken, PA; 2017.
17. Sika. Concrete SikaFiber ® Technology Fibers Improve Your Concrete And Your Structure - Fiber Reinfor-
cement; 2017. p. 9. Disponible en: https://www.sika.com/en/solutions_products/construction-markets/sika-tun-
neling-mining/mining-solutions/bers.html
18. Ruredil. Mesh, X C; 2017. p. 8. Disponible en: http://english.ruredil.it/Ruredil_Prodotti_chimici_per_edili-
zia/cataloghi.asp