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Refuerzo de suelos con fibras sintéticas asociación técnica de carreteras comité de geotecnia vial carlos Fernández Calvo José Manuel Martínez Santamaría José María Thode Mayoral Palabras Clave: refuerzo, suelos, fibras resumen


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REFUERZO DE SUELOS CON FIBRAS SINTÉTICAS

ASOCIACIÓN TÉCNICA DE CARRETERAS

COMITÉ DE GEOTECNIA VIAL

Carlos Fernández Calvo

José Manuel Martínez Santamaría

José María Thode Mayoral

Palabras Clave: refuerzo, suelos, fibras

RESUMEN

Desde la antigüedad se han utilizado fibras naturales para la mejora de las propiedades de los materiales que intervienen en la construcción. En la actualidad se están empezando a emplear fibras artificiales que se obtienen como excedente de procesos industriales y son susceptibles de ser utilizadas como mejora de diferentes materiales, entre otros el suelo.

El Comité de Geotecnia Vial de la Asociación Técnica de Carreteras ha venido desarrollando un conjunto de trabajos con relación al empleo de fibras en el refuerzo de suelos.

Estos trabajos, básicamente, han consistido en realizar una revisión de las publicaciones más significativas que, con relación a este tema, ha tenido acceso el Comité y por otro en la ejecución de una serie de ensayos de laboratorio con diferentes muestras de suelos mezclados con distintos tipos de fibras.

A efectos de facilitar la redacción del artículo, éste se ha dividido dos partes: una primera, en la que se incluye una descripción de las características y propiedades de las fibras y una segunda parte en la que se incluyen las experiencias de laboratorio realizadas con suelos procedentes de Andalucía y de Castilla y León.

Con relación a la segunda parte de experiencia de ensayos, ésta se ha estructurado recogiendo por un lado la descripción de las fibras utilizadas, coincidentes en el conjunto de suelos ensayados, y por otro la descripción de los ensayos y los resultados obtenidos en los mismos tanto con suelos andaluces como con suelos de Castilla y León.



PARTE I: PROPIEDADES Y CARACTERÍSTICAS DE LAS FIBRAS

I-1.- GENERALIDADES

Las fibras pueden ser de origen natural o de origen artificial o sintético. Las fibras naturales de origen animal y vegetal son biodegradables y se usan sólo en los casos que se requiera dicha cualidad.

Las fibras naturales minerales (amianto, asbesto) tienen diferentes usos industriales que hoy tienen prohibido su uso por ser cancerígenas. Otras fibras derivadas de metales (alambres) no se usan solas para refuerzo. Algunas como las de vidrio, podrían usarse pero son muy quebradizas y tienen una superficie muy lisa, por lo que su uso se restringe también a aplicaciones especiales.

En cuanto a fibras sintéticas, sería muy largo enumerarlas todas, por lo que se va a mencionar las más usadas en el mercado, las de mayor producción.

Estas fibras son:


  • Poliacrilonitrilo PAN (estándar y alta tenacidad)

  • Poliamidas (Varios tipos de poliamida)

  • Poliéster PES (estándar y alta tenacidad)

  • Polietileno PE (Varios tipos)

  • Polipropileno PP (atáctico, isotáctico: estándar o alta tenacidad)

Todas ellas, además, pueden tener tratamientos antibacterias y antimoho, así como otras características diferenciadas tanto físicas como químicas.

Cabe mencionar también que, dado que la investigación no cesa, todos los años salen nuevas fibras, o nuevas familias de polímeros o nuevos tratamientos o modificaciones, por lo que la lista que se encuentra en este artículo se debe considerar como orientativa a día de hoy y naturalmente variará en el futuro.



I-2.- CARACTERÍSTICAS DE LAS FIBRAS

    1. Propiedades mecánicas y características físicas

  • Tenacidad (N/tex). Deben tener una tenacidad suficiente y siempre mayor que el esfuerzo que deben soportar.

  • Alargamiento (%). Para una misma tenacidad, cuanto menos alargamiento mejor, o lo que es lo mismo, a mayor módulo de elasticidad (N/tex), mejor es la fibra para refuerzo.

  • Densidad o peso específico de la fibra (g/cm3). Cuanto menor sea, mayor será la superficie de fibra para un mismo peso dado.

  • Diámetro (µm). Cuanto menor sea el diámetro mayor será la superficie específica para un mismo peso.

  • Título (dtex). Peso en gramos de 10.000 m lineales de fibra o filamento.

  • Forma. Debido a las características de cada polímero y a la forma de obtención de las fibras y los dispositivos empleados, las fibras pueden tener diferentes formas:





Cilíndricas Arriñonadas Otras formas



  • Superficie (mm2/m). También en función del polímero y de su forma de obtención, la superficie puede ser lisa o rugosa, con lo cual la superficie específica será superior en este segundo caso y por tanto mayor el rozamiento con otros materiales.

  • Resistencia a la compresión. Es la fuerza de rotura en relación con la sección en un ensayo de compresión.

  • Módulo de cizallamiento. Es el módulo de elasticidad medido en un ensayo de torsión.

  • Rizado (ondas/cm y amplitud de las ondas). Las fibras sin rizado no “enlazan” entre ellas. Las fibras con rizado pueden quedar retenidas unas con otras.



    1. Propiedades químicas y medioambientales.

    • Resistencia a los ácidos

    • Resistencia a los álcalis

    • Resistencia a los disolventes

    • Resistencia a los rayos UV y a la intemperie

    • Resistencia a los microorganismos

    • Tasa de humedad

    • Biodegradabilidad

I-3.- ELECCIÓN DE LAS FIBRAS ADECUADAS PARA CADA APLICACIÓN

Como se puede imaginar y conocer, por las características intrínsecas de cada polímero, de la forma de obtenerlo (proceso) y de los posibles aditivos que se le hayan podido incorporar, se encuentran en el mercado una variedad enorme de fibras de diferentes características que, si bien en un principio fueron concebidas para ser empleadas en la industria textil, hoy en día ya se están fabricando para diferentes ramos de la ingeniería.

El factor o característica dominante a la que, al final, se debe remitir la selección es el coste final de la fibra en la proporción adecuada para cumplir con unas especificaciones o expectativas dadas.

Si lo que se quiere es que la superficie específica de la fibra sea elevada, pues su misión ofrecer resistencia al deslizamiento, se eligirá una fibra de pequeño diámetro y a ser posible de sección no circular y rugosa para ofrecer una mayor superficie por unidad de peso.

Si lo que se pretende es que sea biodegradable, se usarán fibras naturales animales o vegetales o sintéticas con diferentes componentes químicos que hagan descomponer a la fibra a lo largo de un cierto tiempo, ya sea por sí solas o en contacto con ciertas sustancias o con ciertos medios.

Si estas fibras deben estar en contacto con microorganismos, ácidos o álcalis, productos oxidantes, etc., se deberá revisar su comportamiento frente a estas sustancias.

Todas estas premisas o pre-elecciones de fibras deben estar contrastadas por su coste y su facilidad de obtención en el mercado.

Generalmente, las fibras reprocesadas o regeneradas (que son las fibras que se vuelven a procesar después de haber sufrido uno o más procesos de fabricación) se encuentran en el mercado a precios inferiores a los de las fibras vírgenes, pero suelen tener mermadas alguna de sus características, especialmente en lo que se refiere a su tenacidad.

Como se ha dicho, existen unas fibras que, por su proceso de obtención (por ejemplo, haberlas pigmentado y no haber logrado el color deseado) no son aptas para lo que fueron fabricadas, pero siguen siendo vírgenes para otras funciones: refuerzo de tierras, de hormigones, asfaltos, fabricación de Geotextiles, etc.

En el caso de seleccionar una fibra para que sujete o arme tierras, cemento o asfalto, además de la compatibilidad o resistencia a los diferentes agentes que pueden atacarla o perjudicarla, tiene que tener una buena superficie específica y una tenacidad suficiente, o dicho de otro modo, tener un módulo adecuado, facilidad en encontrar cantidades suficientes en el mercado y precios o costes asequibles.

Cuando se dice que una tenacidad o módulo de elasticidad es adecuada, lo que se quiere decir es que las fibras deben ser más tenaces que los materiales que deben armar. No es necesario que sean mucho más tenaces, ya que sólo se aprovecha la tenacidad compatible con el rozamiento, es decir, a mayor rozamiento mayor será la tenacidad necesaria para que las fibras no se rompan ni que el material se disgregue.

La gran mayoría de fibras sintéticas tiene suficiente tenacidad para cumplir con los requisitos necesarios para su uso en refuerzo, incluso las fibras reprocesadas, si es que no se han degradado mucho al procesarlas una o más veces, suelen tener la tenacidad suficiente para la mayoría de aplicaciones.



I-4.- FIBRAS PARA EL REFUERZO DE TIERRAS

Como se ha visto en el apartado anterior, se deben elegir las fibras en función de sus características técnicas y también en función de su facilidad de servicio y su coste.

Hoy por hoy, las fibras sintéticas de mayor producción en el mercado, las más utilizadas y también las de menor coste (posiblemente por ser las que se producen a mayor escala) son PAN, PA 6.6, PA 6, PES, PE, PP.

Sus precios no varían mucho de unas a otras, son fáciles de encontrar en el mercado en grandes cantidades y se pueden conseguir también reprocesadas.



Por todo ello, se muestra a continuación la siguiente Tabla con las características representativas de estas fibras para estos usos:

Fibra




p.e.

Tenac*

A.Rot

Forma

Resistencia a




SIM

g/cm3

N/tex

%

Secc.

Ácidos

Álcalis

UV

Microorg.

Poliacrilonitrilo

PAN

1.17

0,2-0,4

17-45

Riñón

+++

++

++++

++++

Poliamida 6

PA6

1.12

0,4-0,57

18-30

Circular

++

++

++

+++

Poliamida 6.6

PA66

1.14

0,4-0,44

15-42

Circular

+

+++

+

++

Poliéster

PES

1.38

0,37-0,50

13-40

Circular

+++

++

+++

+++

Polietileno

PE

0,95

0,5

18-30

Circular

++++

++++

++

++++

Polipropileno

PP

0,91

0,4

20-25

Circular

++++

++++

+

++++

*Nota: Las mismas fibras en alta tenacidad (HT ó AT) aumentan su tenacidad un 70-80 %.

Desde el punto de vista de la fabricación, aunque todas ellas pueden, en teoría, fabricarse a diámetros muy pequeños, en la práctica resulta que, por ejemplo, las fibras PE y PP no se fabrican a menos de 3 dtex mientras que las demás se fabrican normalmente hasta 1,5 dtex.



En principio, todas ellas deben ser válidas para el refuerzo de suelos, pero para hallar una relación entre diámetro y superficie específica, se muestra la siguiente tabla:

Fibra




1,65 dtex

3,3 dtex

6,6 dtex

SIM

Φ

Superfi

Φ

Superfi

Φ

Superfi







µm

m2/Kg

µm

m2/Kg

µm

m2/Kg

Poliacrilonitrilo

PAN

12

300.000

19

200.000

26

150.000

Poliamida 6

PA6

13

290.000

20

176.00

27

131.000

Poliamida 6.6

PA66

13

270.000

20

177.000

27

131.000

Poliéster

PES

11

260.000

17

170.000

25

116.000

Polietileno

PE

14

300.000

21

200.000

29

145.000

Polipropileno

PP

15

290.000

22

199.000

30

146.000

Como puede observarse, la superficie específica es muy similar de una fibra a otra y, realmente, la diferencia está más en el diámetro o finura que en la clase de polímero.

Otra cosa a contemplar puede ser la posible compatibilidad / incompatibilidad de las fibras con el medio a reforzar por el hecho de que algunas (PAN) son susceptibles de hacer ciertas uniones físico-químicas mientras que otras como el PP, PE y PES no tienen tantas posibilidades.

También, desde el punto de vista de “manejabilidad” o práctica de uso, las fibras como el polipropileno son mucho más “volátiles” que las demás, lo cual requiere ciertos cuidados cuando hay que colocarlas con viento.

En cuanto a la longitud de las fibras se puede admitir que fibras cortas y largas sirven para refuerzo y que las muy cortas sólo para refuerzo, mientras que las largas pueden ejercer también funciones de retención o filtro. El uso, pues, de unas o de otras, o de ambas, dependerá de las funciones que queramos que realicen.

También se puede “fabricar in situ” una especie de Geotextil: bastará esparcir por la superficie del suelo una capa de fibras que pueden ser cortas si sólo tenemos que reforzar el terreno o cortas y largas o sólo largas si además queremos que hagan funciones de filtro (o hasta drenaje y protección). A continuación podemos poner la siguiente capa o tongada de tierra.

Por orden creciente de precios las fibras usadas, así como sus correspondientes fibras reprocesadas, son:



  • PP

  • PES

  • PAN

  • PE

  • PA

Para elegir la longitud de las fibras para “armado”, deberemos tener en cuenta la granulometría del suelo. Así, por ejemplo, una fibra de 4 mm de longitud no puede “armar” áridos de más de 50 mm de diámetro, ni al contrario, no se puede armar un árido fino de 2 mm con una fibra de 100 mm puesto que lo más fácil es que se apelmace y que se hagan “pelotas” de fibra. Las longitudes “estándar” que se encuentran en el mercado son 25mm, 60mm, 80mm, 110mm, si bien, pueden conseguirse longitudes menores y mayores para casos especiales.

Al tratar este tema hemos entrado también en la capacidad de dispersión y repartido de la fibra en el suelo. Las fibras se apelmazan y forman grumos o pelotas. Deben tener un tratamiento superficial para que se dispersen bien. A ello ayuda el que la fibra sea mejor o peor conductora de electricidad. Una fibra mala conductora se electriza más fácilmente.

Para repartir en la tierra, las fibras que mejor se reparten son las de PAN, seguidas de las de PES y las de PP.

I-5.- CONCLUSIONES Y COMENTARIOS (PARTE I)

A partir de los datos de los apartados anteriores y del análisis de las publicaciones revisadas, incluidas como bibliografía, se considera que, entre otras, pueden hacerse las siguientes apreciaciones con relación a las fibras.



  1. Existen diferentes fibras que pueden ser utilizadas en el refuerzo de suelos. Las más comunes para usar en estos momentos son las acrílicas poliacrilonitrilo, las de poliéster y las de polipropileno.

  2. No todas las fibras producen los mismos efectos de refuerzo. Los efectos de refuerzo para tierras los producen más las fibras de mayor superficie específica (más finas, sección no redonda, superficie rugosa).

  3. Las características intrínsecas de cada fibra son las que pueden determinar su mejor o peor comportamiento.

  4. Existe una relación directa entre la superficie específica de cada fibra y su capacidad de refuerzo. (A mayor superficie específica, mayor refuerzo)

  5. Las fibras cortas refuerzan, pero no hacen una función marcada de filtro o retención.

  6. Las fibras largas pueden hacer también la función de filtro (efecto de retención de finos), pero son más difíciles de mezclar y conseguir una mezcla uniforme. El rizado de las fibras ayuda a que éstas se “líen” unas con otras y se acentúe su acción de filtro, minimizando la infiltración del agua.

  7. Existen aparatos de laboratorio y normas para ensayos de medida de finuras, longitudes, tenacidades, etc., por lo que pueden determinarse estos valores a priori y relacionarlos con los ensayos de tierras “cargadas” con fibra.

  8. De forma general parece que las aplicaciones se centran en inestabilidades superficiales, que pueden alcanzar algunos metros, siendo una alternativa a la solución de retaluzar con menos pendiente, al conseguirse una mejora de la resistencia al corte, mejorándose, además, el comportamiento frente a la erosión de los taludes tratados.

  9. El procedimiento de reparación exige una excavación del material inestabilizado por debajo de la superficie de rotura. La geometría de la excavación (mediante bermas horizontales y retaluzado) debe facilitar la posterior colocación del material, que puede ser el mismo o bien de préstamo según los casos, una vez mezclado con las fibras.

  10. El mezclado de las fibras con el suelo se realiza con máquinas del tipo “mezcladoras a rotación o gradas rotatorias (rotary mixer, roto-till pulverizer)”.

  11. Una vez realizada la mezcla del suelo con las fibras, el material se extiende y compacta con medios convencionales, que deben especificarse en proyecto. No obstante, parece recomendable alcanzar, salvo criterios específicos de la obra, densidades del orden del 95 % del Proctor Normal, siendo preferible el uso de compactadores de pata de cabra, con espesores de tongada limitados por la longitud de los dientes.

  12. Las dosificaciones se realizan en función del peso seco del material, pudiendo estar en el orden del 0,2-0,4 %. El control de la dosificación se puede hacer en función de las bolsas de fibras necesarias por capa para una correcta dosificación.

  13. La longitud de las fibras a utilizar está asociada con la granulometría del material a tratar, aunque los artículos no recogen criterios con relación a este parámetro.

  14. De forma general, parece que los materiales más usados en las fibras para refuerzo de suelo son el polipropileno y el poliéster.

  15. La mejora que se obtiene se asocia a un aumento de la resistencia al corte, cuya cuantificación en ensayos puede llegar a ser importante. En este sentido, cabe indicar que las mejoras de resistencia que se consiguen son altas, pareciendo que en el caso de la cohesión la mejora se puede asociar con un aumento de la cohesión aparente por efecto de las fibras, en cuanto a los ángulos de rozamiento los valores que se obtienen, en determinados casos, parecen excesivamente altos (hasta 54º), y de difícil justificación. Los ensayos realizados son en general triaxiales, aunque en algún caso también se habla de ensayos de corte directo.

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