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

El paulatino envejecimiento del parque edificado español, unido al gran patrimonio arquitectónico existente, origina la necesidad de estudios encaminados a su conservación y restauración. De forma más específica, resulta fundamental la búsqueda de materiales con propiedades mejoradas para su empleo en la rehabilitación de estas construcciones. En intervenciones sobre edificios históricos, uno de los materiales de reparación más utilizado es el mortero de cemento Portland. El empleo de adiciones ha permitido, además, modificar y mejorar sus características físico-mecánicas, así como su durabilidad. No obstante, el uso de morteros de cemento ha originado, en ocasiones, la aparición 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 interés en el empleo de morteros de cal aérea, al considerarse materiales más adecuados en intervenciones sobre fábricas históricas. Sin embargo, dichos morteros presentan limitaciones como, por ejemplo, su escasa resistencia mecánica a corto plazo y la dificultad de carbonatación del conglomerante en determinadas circunstancias. Por esta razón, se ha intensificado el uso de cal hidráulica en intervenciones de edificios pertenecientes al patrimonio histórico, por tratarse de un material “puente” entre la cal aérea y el cemento Portland. El principal inconveniente de los morteros, tanto de los de cemento como de los de cal hidráulica, es su comportamiento relativamente frágil cuando están sometidos a solicitaciones mecánicas. Su baja capacidad de absorción de energía 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 adición de fibras a la matriz conglomerante contribuye a mejorar sus propiedades mecánicas y su comportamiento post-fisuración. La investigación desarrollada en esta tesis doctoral tiene como objetivo contribuir al conocimiento del comportamiento de los morteros de cemento y de cal hidráulica con adición de fibras. Se ha evaluado la influencia de la incorporación de distintas cantidades de fibras de vidrio, carbono y basalto en las propiedades de los morteros, haciendo especial hincapié en el análisis de la capacidad de absorción de energía de estos materiales. Se ha llevado a cabo una extensa campaña experimental dividida en tres fases. En primer lugar, se evaluó la influencia de diferentes cantidades de fibras sobre las propiedades de los morteros (en estado fresco y endurecido), estableciendo el porcentaje óptimo que proporcionaba los mejores resultados. En la segunda fase, se determinaron las resistencias mecánicas de los morteros con fibras seleccionados teniendo en cuenta la influencia de la geometría de las probetas. Además, se realizaron ensayos adicionales sobre dichos morteros (resistencia a tracción indirecta, resistencia a impacto, etc.). En la tercera fase, se evaluó el comportamiento a largo plazo del material mediante ensayos de envejecimiento acelerado. Los resultados muestran una notable mejora en el comportamiento mecánico de los morteros cuando se añaden fibras. En particular, es destacable el aumento de la capacidad de absorción de energía de estos materiales. Mediante los ensayos, se ha puesto de manifiesto la influencia de la naturaleza y la cantidad de fibra añadida y de la geometría de la probeta empleada en los resultados obtenidos. También 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 fábrica 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 mampostería en edificios antiguos. Se diseñaron diferentes recubrimientos de morteros con fibras con el propósito de comprobar su eficacia para confinar el muro sometido a carga de compresión diagonal. Los resultados demuestran la viabilidad de estos morteros como refuerzo, mejorando la resistencia al corte, aumentando la capacidad de deformación, evitando la rotura frágil 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