Un grupo de investigadores publicó un artículo en la revista Additive Manufacturing que demostró los cambios en el comportamiento del hormigón de ultra alto rendimiento (UHPC) preparado con la tecnología de impresión tridimensional (3D) después de temperaturas elevadas en el contexto de la seguridad de la construcción.

Fuente: AZO Materials

La resistencia al fuego del hormigón, un material de construcción crucial, tiene un impacto directo en la seguridad del edificio. Sin embargo, el hormigón posee una resistencia limitada y su resistencia se degrada a temperaturas elevadas. Por lo tanto, UHPC se utiliza cada vez más para la reducción y prevención de desastres.

Varios estudios han investigado la resistencia al fuego del UHPC. Por ejemplo, los resultados de un estudio que investigó la resistencia al fuego del UHPC con una resistencia a la compresión de 100-180 MPa demostraron que las vigas de UHPC con un 4% en volumen de fibra de acero tienen un menor grado de desconchado en comparación con las vigas con un 2% en volumen de fibra de acero.

La fibra de acero proporcionó adherencia y resistencia a la tracción en la matriz de UHPC, lo que disminuyó el desconchado cuando el hormigón se expuso al fuego. Otro estudio demostró que el UHPC mezclado con fibra de acero industrial ordinaria tipo gancho final, posee la mayor resistencia al estallido a temperaturas elevadas.

Cómo cambian las temperaturas más altas las propiedades del hormigón impreso en 3D

En los últimos años, la tecnología de impresión 3D, una tecnología de creación rápida de prototipos que extruye materiales a través de una boquilla de impresora y replica la sección transversal de objetos 3D capa por capa para crear objetos 3D sólidos, ha ganado prominencia en en sector construcción.

La tecnología de impresión 3D de hormigón puede completar de manera eficiente la creación de estructuras homogéneas, entregar componentes personalizados a tiempo, reducir costos y conservar los materiales de construcción. Sin embargo, la impresión de hormigón y refuerzo con tecnología de impresión 3D sigue siendo un gran desafío.

El UHPC es más adecuado para la impresión 3D debido a su buena tenacidad y alta resistencia. En UHPC impreso en 3D (3DP-UHPC), las fibras de acero se distribuyen direccionalmente y no hay conexión de fibra de acero entre las capas de impresión.

Esta microestructura distinta de 3DP-UHPC puede afectar potencialmente su resistencia al fuego, lo que requiere la investigación de la resistencia al fuego de 3DP-UHPC. Además, hasta ahora, no se han realizado estudios que determinen el comportamiento del 3DP-UHPC después de altas temperaturas.

El Estudio

En este estudio, se investigó el comportamiento del 3D-UHPC a temperatura ambiente y después de temperaturas elevadas en el rango de 200-500o C. Específicamente, los investigadores analizaron los efectos de las temperaturas objetivo de 500o C, 400o C, 300o C , 200o C, y 20o C, direcciones de carga “X”, “Y” y “Z”, fibras de acero de 6 mm y 10 mm de diámetro y tira de unión sobre la resistencia al fuego 3DP-UHPC.

Las variaciones en la composición mineral y la microestructura de 3DP-UHPC después de varias temperaturas elevadas se evaluaron utilizando un espectrómetro de dispersión de energía (EDS) y microscopía electrónica de barrido (SEM). Además, la resistencia a la compresión y la tasa de pérdida por ignición del 3DP-UHPC se midieron después de las temperaturas elevadas.

Las desventajas y ventajas del 3DP-UHPC se analizaron y compararon con especímenes de referencia, incluido el hormigón de ultra alta resistencia (UHSC) 3DP, el UHSC moldeado en molde (MC-UHSC) y el UHPC moldeado en molde (MC-UHPC). Finalmente, se propuso por primera vez el modelo compresivo constitutivo del 3DP-UHPC después de temperaturas elevadas para promover el uso del 3DP-UHPC en el campo de la seguridad contra incendios.

Inicialmente, la celulosa pesada, el nanocarbonato de calcio, la arena de cuarzo, las cenizas volantes, el humo de sílice y el cemento se mezclaron durante cinco minutos con el mezclador de mortero UJZ-15 para garantizar una distribución uniforme de todos los materiales. Posteriormente, superplastificante de policarboxilato y agua se vertieron sucesivamente en el mezclador y se agitó durante 10 min.

La fibra de acero se dispersó uniformemente en el mortero preparado y se mezcló completamente con el mortero. Posteriormente, el mortero fresco se vertió en la tolva de la impresora 3D y se extruyó desde la boquilla de la impresora. El mortero extruido formó un hilo de impresión que se tendió a lo largo de la dirección X.

La impresora 3D de concreto de escritorio HC1008 se utilizó para la impresión 3D de UHPC. Se preparó una gran muestra cúbica de 3DP-UHPC usando la impresora 3D antes de preparar las muestras de prueba. También se prepararon las muestras de referencia, manteniendo idénticas las proporciones de mezcla de MC-UHPC y 3DP-UHPC y las de MC-UHSC y 3DP-UHSC. Las muestras de UHSC no contenían fibras de acero.

Se utilizó un horno eléctrico de caja de calentamiento rápido de 1400° C para calentar en el estudio, y se utilizó el estándar internacional ISO834 para simular la situación real de un incendio. Los investigadores realizaron la prueba de compresión estática después de enfriar naturalmente las muestras calentadas a temperatura ambiente utilizando una máquina de prueba mecánica de rocas RMT-150C.

Observaciones

Las muestras de 3DP-UHPC se prepararon con éxito utilizando el método de impresión 3D. El método de impresión 3D utilizado para la preparación de UHPC y la inclusión de fibras de acero en el hormigón tuvieron un impacto positivo en la resistencia al fuego de las muestras de UHPC 3D. Las muestras de 3DP-UHPC mostraron una resistencia a la compresión de 32,7-48,1 MPa incluso después de 500o C, lo que indica la notable resistencia al fuego del hormigón.

Además, el 3D-UHPC preparado también mostró una mayor resistencia al estallido a temperatura elevada en comparación con el MC-UHPC debido a la débil interfaz de la tira de unión que ayudó a que el vapor de agua escapara a lo largo de la interfaz de unión durante el calentamiento, lo que retrasó la aparición del estallido. 

El 3DP-UHPC mostró el mejor comportamiento de compresión después de 300o C. Aunque esta temperatura afectó la resistencia de la muestra de 3DP-UHPC, el efecto de la temperatura fue insignificante en la diferencia de resistencia entre cada dirección de carga de 3DP-UHPC.

La resistencia a la compresión del 3DP-UHPC después de 400o C fue menor en comparación con la resistencia observada después de 300o C debido a la expansión de la grieta en la unión de la matriz y la fibra de acero y la descarburación y oxidación de la fibra de acero.

No se observó un impacto significativo de la fibra de acero en la tasa de pérdida por ignición cuando la muestra no se agrietó. La tasa de pérdida por ignición de las muestras aumentó sustancialmente a 500° C debido a la pérdida causada por el desconchado local de 3DP-UHPC y la deshidratación y descomposición del hidróxido de calcio (Ca(OH) 2 ) y el gel de hidrato de silicato de calcio (CSH). .

El modelo constitutivo de compresión propuesto en el estudio para 3DP-UHPC después de las temperaturas elevadas se puede utilizar para predecir de manera efectiva el comportamiento de compresión de 3D-UHPC a varias temperaturas.

En conjunto, los hallazgos de este estudio demostraron efectivamente la eficacia de 3DP-UHPC para aumentar la seguridad contra incendios de los edificios.

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