Los Materiales Compuestos.
Lo primero que debemos hacer es definir los términos del título.
CFRP es la sigla en inglés de Carbon Fiber Reinforced Polymer que en castellano sería Polímero Reforzado con Fibras de Carbono.
De igual manera CFRCM es la sigla en inglés de Carbon Fiber Reinforced Cement Matrix y que en castellano sería Matriz de Cemento Reforzada con Fibras de Carbono.
Ambos materiales entran dentro del campo de los materiales compuestos (composite material en inglés) y para desmitificar un poco esa categoría diremos que esos materiales compuestos abundan en nuestro medio: el hormigón, el hormigón armado, la madera, nuestros huesos, son todos ejemplos de materiales compuestos desde un punto de vista macroscópico.
La naturaleza crea los materiales compuestos para aprovechar eficientemente las características propias de cada material. El ser humano, que también es naturaleza, hace lo mismo, la diferencia está en que el ser humano tiene conciencia de lo que hace. Así, toma una fibra extraordinariamente resistente, vale decir, alrededor de diez veces la resistencia del acero y la combina con una matriz polimérica en el caso del CFRP o con una matriz de cemento con el caso del CFRCM.
La matriz, en ambos casos, mantiene unida las fibras, aporta protección contra agentes externos del ambiente y transfiere las fuerzas de las fibras de manera que todas aporten al conjunto del material compuesto.
La fibra (de carbono) como dijimos, aporta resistencia. Tiene un módulo de elasticidad de 240,000 Mpa, un poco mayor que el módulo de elasticidad del acero que es de 210,000 Mpa; pero alcanza, en el rango elástico, una deformación unitaria que ronda el 1.5%, es decir, ef=0.015 lo que le permite tener un esfuerzo último de alrededor de 3,600 Mpa; mucho mayor que el esfuerzo de fluencia del acero grado 60, que es de 420 Mpa que se corresponde con un deformación unitaria de fluencia de alrededor de 0.2%, es decir es =0.002.
El resultado es un material compuesto que puede ser adherido a la superficie del hormigón para aumentar la resistencia nominal, para mejorar la prestación o para aumentar la rigidez del elemento estructural que se refuerza.
Los constituyentes.
La fibra de carbono, sin entrar en detalles químicos que desconozco, es una fibra resultado de un calentamiento iterativo y controlado del carbono. Ese proceso permite que la molécula de carbono sea cada vez más intrincada, sus enlaces más íntimos y su resistencia a la tracción más alta.
La matriz polimérica, en el caso del CFRP, es una matriz formada por cadenas de monómeros. Básicamente el polímero es un compuesto orgánico formado por largas cadensa de moléculas constituidas por pequeñas y repetidas unidades llamadas monómeros.
Existen dos tipos de polímeros, los Thermoplastics y los Thermosetting. Los primeros son los plásticos de amplios usos, muy conocidos y muy resistentes en la dirección de las cadenas de monómeros, pero cada cadena de monómeros está unida a la más cercana por fuerzas de Van Der Waals que son interacciones débiles entre dipolos moleculares. En resumidas cuentas, son materiales que pueden ser ablandados por calor y sus macro moléculas pueden ser deslizadas una sobre la otra, por eso no pueden ser utilizados como matrices de un refuerzo estructural.
Los “Thermosetting” por su lado, son polímeros con enlaces químicos cruzados entre cadenas. No pueden ser ablandados por calor, se deterioran irreversiblemente a altas temperaturas y sus macro moléculas no se deslizan entre si, por eso pueden ser utilizados como matrices de un refuerzo estructural.
En el caso de la matriz de cemento, es oportuno establecer que no se trata de una matriz de cemento convencional, sino de un cemento especial, con aditivos particulares, capaces de establecer uniones químicas, además de las mecánicas, entre el sustrato y la fibra de refuerzo.
Cuándo y dónde utilizar esta tecnología.
Principalmente, cuando y donde se necesite aumentar la resistencia nominal de un elemento estructural, puede ser considerada la aplicación de la tecnología que estamos presentando.
También cuando y donde se necesite mejorar la prestación, o como comúnmente se dice, la serviciabilidad, que no es palabra castiza, o cuando y donde se necesite aumentar la rigidez de algún elemento estructural, puede ser considerada la tecnología que estamos presentando.
La más común de las intervenciones es la de aumentar la resistencia nominal de un elemento estructural. Es, de todas las intervenciones presentadas, la que más eficientemente utiliza esta tecnología.
Las estructuras que, debido a un cambio de uso, requieran adecuarse a las nuevas cargas, pueden ser resueltas utilizando esta tecnología.
Las estructuras que debido a cualquier deficiencia en los materiales constituyentes (baja resistencia del hormigón, baja cantidad o calidad del acero de refuerzo, etc), tengan necesidad de mejorar su resistencia, pueden encontrar en esta tecnología una solución adecuada.
El CFRP y el CFRCM pueden ser utilizados para reforzar elementos sometidos a tracción simple, para reforzar elementos sometidos a flexión, para elementos sometidos a cortante y también para elementos sometidos a compresión; esta última se logra vía el confinamiento del elemento, ya que el refuerzo CFRP o el CFRCM por si mismos no resisten compresión.
Diferencias entre ambas tecnologías.
La principal ventaja del CFRP como material compuesto es que tiene mayor resistencia nominal, puede llegar a tener una deformación unitaria de 1.5%, es decir, ef=0.015 lo que le permite tener una esfuerzo último a tracción que ronda los 3,600 Mpa.
El CFRCM como material compuesto puede llegar a tener una deformación unitaria de 0.8%, es decir ef=0.008 lo que le permite tener un esfuerzo último a tracción que ronda los 1920 Mpa.
La principal ventaja del CFRCM es que tiene una resistencia al fuego similar a la del hormigón, mientras que el CFRP se descompone a temperaturas tan bajas como 100 grados Celsius.
Otra ventaja es el tiempo de vida de la matriz (Pot Life) que en el caso de el CFRP es, a lo sumo, de 30 minutos, en el caso del CFRCM es la misma del mortero de cemento, de manera que puede llegar a ser de 75 minutos.
Accediendo a nuestra página de Internet www.ruredil.com.do puede el lector encontrar información adicional acerca de esta tecnología, así como también detalles de proyectos en los cuales se ha utilizado.
Notas:
- Donde se encuentran expresiones como ef=0.008 debe entenderse que e corresponde a la letra griega épsilon, que por razones propias del formato permitido por el blog no es posible su escritura.
- Este texto sirvió de base para una entrevista que aparecerá en una revista dedicada al tema de la construcción y la ingeniería.
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