Morteros con propiedades mejoradas de ductilidad por adición de fibras de vidrio, carbono y basalto

El paulatino envejecimiento del parque edificado espanol, unido al gran patrimonio arquitectonico existente, origina la necesidad de estudios encaminados a su conservacion y restauracion. De forma mas especifica, resulta fundamental la busqueda de materiales con propiedades mejoradas para su empleo en la rehabilitacion de estas construcciones. En intervenciones sobre edificios historicos, uno de los materiales de reparacion mas utilizado es el mortero de cemento Portland. El empleo de adiciones ha permitido, ademas, modificar y mejorar sus caracteristicas fisico-mecanicas, asi como su durabilidad. No obstante, el uso de morteros de cemento ha originado, en ocasiones, la aparicion de lesiones en los edificios debido a su incompatibilidad con los materiales existentes. Las inconveniencias presentadas por el uso de morteros de cemento han derivado en un creciente interes en el empleo de morteros de cal aerea, al considerarse materiales mas adecuados en intervenciones sobre fabricas historicas. Sin embargo, dichos morteros presentan limitaciones como, por ejemplo, su escasa resistencia mecanica a corto plazo y la dificultad de carbonatacion del conglomerante en determinadas circunstancias. Por esta razon, se ha intensificado el uso de cal hidraulica en intervenciones de edificios pertenecientes al patrimonio historico, por tratarse de un material “puente” entre la cal aerea y el cemento Portland. El principal inconveniente de los morteros, tanto de los de cemento como de los de cal hidraulica, es su comportamiento relativamente fragil cuando estan sometidos a solicitaciones mecanicas. Su baja capacidad de absorcion de energia supone un problema en determinadas situaciones. Por ejemplo, en caso de sismo, se puede producir con relativa facilidad la rotura y el desprendimiento del revestimiento. En este contexto, la adicion de fibras a la matriz conglomerante contribuye a mejorar sus propiedades mecanicas y su comportamiento post-fisuracion. La investigacion desarrollada en esta tesis doctoral tiene como objetivo contribuir al conocimiento del comportamiento de los morteros de cemento y de cal hidraulica con adicion de fibras. Se ha evaluado la influencia de la incorporacion de distintas cantidades de fibras de vidrio, carbono y basalto en las propiedades de los morteros, haciendo especial hincapie en el analisis de la capacidad de absorcion de energia de estos materiales. Se ha llevado a cabo una extensa campana experimental dividida en tres fases. En primer lugar, se evaluo la influencia de diferentes cantidades de fibras sobre las propiedades de los morteros (en estado fresco y endurecido), estableciendo el porcentaje optimo que proporcionaba los mejores resultados. En la segunda fase, se determinaron las resistencias mecanicas de los morteros con fibras seleccionados teniendo en cuenta la influencia de la geometria de las probetas. Ademas, se realizaron ensayos adicionales sobre dichos morteros (resistencia a traccion indirecta, resistencia a impacto, etc.). En la tercera fase, se evaluo el comportamiento a largo plazo del material mediante ensayos de envejecimiento acelerado. Los resultados muestran una notable mejora en el comportamiento mecanico de los morteros cuando se anaden fibras. En particular, es destacable el aumento de la capacidad de absorcion de energia de estos materiales. Mediante los ensayos, se ha puesto de manifiesto la influencia de la naturaleza y la cantidad de fibra anadida y de la geometria de la probeta empleada en los resultados obtenidos. Tambien se ha demostrado el buen comportamiento de los morteros con fibras a largo plazo. Finalmente, y de forma complementaria, se ha estudiado el comportamiento a cortante de muros de fabrica reforzados mediante revestimiento de mortero con fibras. Para fabricar los muros se han utilizado ladrillos macizos y mortero de juntas de baja resistencia con el objeto de emular las construcciones de mamposteria en edificios antiguos. Se disenaron diferentes recubrimientos de morteros con fibras con el proposito de comprobar su eficacia para confinar el muro sometido a carga de compresion diagonal. Los resultados demuestran la viabilidad de estos morteros como refuerzo, mejorando la resistencia al corte, aumentando la capacidad de deformacion, evitando la rotura fragil y por lo tanto evitando el desprendimiento de fragmentos. ----------ABSTRACT---------- The gradual ageing of building stock in Spain, together with its great existing architectural heritage, has resulted in the need for studies to be carried out with a view to its conservation and restoration. More specifically, the search for materials with enhanced properties for its use in the restoration of these constructions is fundamental. In interventions on historical buildings, one of the repair materials most commonly used is Portland cement mortar. Furthermore, the use of additions has altered and enhanced its physical-mechanical properties, as well as its durability. However, the use of cement mortars has occasionally led to the appearance of damages on buildings due to their incompatibility with the existing materials. The problems associated with the use of cement mortars have stimulated a growing interest in the use of aerial lime mortars, as they are considered more suitable for use on historical structures. However, these mortars have limitations, such as their limited mechanical resistance in the short-term and the difficulty in carbonating the conglomerant under certain conditions. For this reason, the use of hydraulic lime has increased in interventions in buildings that are part of Spain’s historical heritage, as it is a “bridging” material between aerial lime and Portland cement. The main disadvantage of mortars (whether made from cement or from hydraulic lime) is that they are relatively brittle when subject to mechanical loads. Under certain conditions, their limited energy absorption capacity can be a problem. In the event of an earthquake, for example, the rendering can break up and come loose with relative ease. In this context, the addition of fibres to the matrix binder helps improving its mechanical properties and post-fissure behaviour. The aim of the research outlined in this doctoral dissertation is to contribute to the knowledge of the behaviour of cement and hydraulic lime mortars when reinforced with fibres. The influence of the addition of different amounts of glass, carbon and basalt fibres on the properties of mortars has been assessed, with special emphasis on the analysis of the energy absorption capacity of these materials. An extensive experimental campaign has been conducted, divided into three phases. First of all, the influence of different amounts of fibres on the properties of mortars (when fresh and hardened) was assessed and the optimal percentage that provided the best results was determined. In the second phase of the campaign the mechanical resistance of the mortars with fibres selected was determined, taking the influence of the geometry of the cylinders into account. Additional tests were conducted on these mortars (resistance to indirect traction, impact resistance, etc.). In the third phase, the long-term behaviour of the material was assessed by way of accelerated ageing tests. The results show a significant improvement in mortars’ mechanical behaviour when fibres are added. In particular, there is a significant increase in the energy absorption capacity of these materials. Tests have revealed the influence of the nature and quantity of fibre added and of the geometry of the cylinder used on the results obtained. Fibre-reinforced mortars have also been shown to perform well in the longterm. Finally, and as a complement to the above, research has been conducted into the shear behaviour of masonry walls reinforced with rendering made from fibre-reinforced mortars. To produce the walls, solid bricks and low-resistance mortar joints have been used to emulate the masonry constructions used in old buildings. Different fibrereinforced mortar coatings were designed to test their effectiveness in confining the wall subject to diagonal compression load. The results show the viability of these mortars as reinforcement, improving the shear resistance, increasing the deformation capacity, preventing its fragile break and, as a result, preventing fragments from coming loose.