Estudio de la interfaz fibra-matriz en compuestos de matriz cementícia reforzada con fibras metálicas

Abstract

La principal cualidad del hormigón es su excelente resistencia a la compresión, sin embargo, tiene una baja resistencia a tracción y un comportamiento frágil y brusco en el momento de la rotura. Por lo cual, cuando el hormigón es sometido a fuerzas de tracción se fisura casi inmediatamente. Debido a ello, en el diseño de piezas para uso estructural se debe recurrir al refuerzo con barras de acero. El hormigón reforzado con fibras de acero cortas distribuidas aleatoriamente se presenta como una oportunidad para mejorar su desempeño frente a esfuerzos de tracción, evitando o retardando la propagación de fisuras y distribuyéndolas de una manera uniforme. Por lo cual, como todo material compuesto su buen desempeño está estrechamente ligado a la unión o interfaz entre la fibra y la matriz (F-M). El objetivo propuesto en el presente trabajo de investigación, fue analizar la interfaz F-M en compuestos de matriz cementícia reforzados con fibras metálicas de manera de identificar los parámetros y propiedades que gobiernan la unión entre ambos materiales, en busca de mecanismos que mejoren dicha unión. La metodología adoptada consistió en utilizar dos matrices correspondientes a un microhormigón de resistencia normal (40 MPa – MH1) y un microhormigón de alto desempeño (60 MPa – MH2), con incorporación de cuatro contenidos de microfibra polimérica (0%, 0,05%, 0,10% y 0,15% MF), y macrofibras fibras de acero con extremos rectos y con gancho. Se realizó un análisis a diferentes escalas de la interfaz F-M. A escala macroestructural, mediante la evaluación del comportamiento mecánico de ambos tipos de fibras a través del ensayo de pullout, en base a las dos configuraciones diferentes “single-sided test” con una fibra aislada (D1) y “doble-sided test” con un conjunto de 16 fibras (D2). Donde a través del análisis de la relación entre la carga de pullout vs. el desplazamiento de la/s fibra/s, se evidencian los diferentes mecanismos de unión de la interfaz F-M (adherencia química, fricción, anclaje mecánico). A escala microestructural, se realizaron y analizaron imágenes obtenidas con Microscopio Electrónico de Barrido (MEB) del surco dejado por la fibra en la matriz una vez arrancada, de la superficie de la fibra, y de la zona de transición (ZdeT) entre F-M. Finalmente, se estableció una correlacionan entre ambas escalas de análisis. Los resultados obtenidos muestran una fuerte incidencia del tipo de matriz en los diferentes mecanismos de unión de la interfaz F-M, para ambos tipos de fibra y configuraciones de ensayo (D1 y D2). Las mezclas de la matriz MH2 presentan mejores resultados frente a las mezclas MH1, en cuanto a la adherencia química F-M, anclaje mecánico, fuerza de fricción y energía de pullout. La incorporación en la matriz de un 0,15% de microfibras poliméricas, mejoró las prestaciones en los mismos mecanismos de unión señalados, e incluso con 0,10%MF presentó mejoras en algunos casos particulares. Además, el análisis realizado permitió identificar diferentes etapas del comportamiento de extracción por pullout y los mecanismos de unión de la interfaz F-M asociados a ellas, según el tipo de fibra de acero utilizada. En particular, en cuanto a los resultados encontrados relativos al mecanismo de adherencia química entre F-M, se vieron reafirmados con las evidencias encontradas en el análisis a escala microestructural de las imágenes MEB.