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Revista Facultad de Ingeniería, Universidad Señor de Sipán, Octubre 2024. Influence of Recycled Polypropylene Fiber on the Properties of Concrete Influencia de la fibra de polipropileno reciclada en las propiedades del hormigón. Peralta Aguilar, Roberto Fabrizzio Puémape Purihuamán, Juan Carlos Barrera Díaz, Luz Daniela Romero Eneque, Alexander Nizama Aquino, Renzo Gianmarco Céspedes Rimarachín, Juan Pablo Facultad de ingeniería, carrera de ingeniería civil, Universidad Señor de Sipán km. 5 Carretera Pimentel. Chiclayo, Perú. KEYWORDS Recycled Polypropylene fiber - Concrete –properties Physical-mechanics PALABRAS CLAVES Fibra de polipropileno reciclada – Hormigón – Propiedades físico-mecánicas ABSTRACT: The main focus of this research was to evaluate the physical and mechanical properties of concrete with the addition of recycled polypropylene fiber (RPPF). An applied research study with an experimental and quantitative approach was developed. The methodology included 40 samples, of which 36 were test specimens for compression testing (with curing times of 7, 14, and 28 days) and 4 beams for flexural testing (with a single 28-day curing period), using simple random sampling. The dependent variables were the physical and mechanical properties of the concrete, and the independent variable was the percentage of RPPF. The most important results revealed that the mix design of the control concrete (f'c = 210 kg/cm²) met the resistance standards, reaching values of 225 kg/cm² in compression and 35. kg/cm² in flexion. However, with the addition of RPPF at percentages of 0.3%, 0.5%, and 0.8%, significant negative changes were observed in the properties of the concrete. It was concluded that the use of RPPF is not optimal due to the material's characteristics, which negatively affect the cohesion and strength of the mix. The 0.3% percentage did not generate substantial improvements, and the 0.5% and 0.8% percentages caused notable deterioration in the physical and mechanical properties of the concrete. RESUMEN: En enfoque principal de esta investigación fue evaluar las propiedades físicas y mecánicas del concreto con la adición de fibra de polipropileno reciclada (FPPR). Se desarrolló una investigación aplicada con un enfoque experimental y cuantitativo. La metodología incluyó 40 muestras, de las cuales 36 fueron probetas para el ensayo de compresión (con un fraguado de 7, 14 y 28 días) y 4 vigas para el ensayo de flexión (un fraguado único de 28 días), utilizando un muestreo aleatorio simple; las variables dependientes fueron las propiedades físico-mecánicas del concreto, y la independiente fue el porcentaje
de FPPR. Los resultados más importantes revelaron que el diseño de mezcla del concreto patrón (f'c= kg/cm²) cumplió con los estándares de resistencia, alcanzando valores de 225 kg/cm² en compresión y 35.4 kg/cm² en flexión. Sin embargo, con la adición de FPPR en porcentajes de 0.3%, 0.5% y 0.8%, se observaron cambios negativos significativos en las propiedades del concreto. Se concluyó que el uso de FPPR no es óptimo debido a las características del material, que afectan negativamente la cohesión y resistencia de la mezcla. Los porcentajes de 0.3% no generaron mejoras sustanciales y los de 0.5% y 0.8% provocaron un deterioro notable en las propiedades físico-mecánicas del concreto.
1. INTRODUCCIÓN El concreto es fundamental en la construcción por su resistencia, capacidad de compresión y costo accesible. Sin embargo, tiende a presentar fisuras durante el fraguado, afectando su durabilidad. La rotura por cortante es un modo de fallo crítico, especialmente en elementos sin armadura transversal. Hasta ahora, la mayoría de estos avances se han logrado utilizando fibras de acero. Sin embargo, en años recientes, las fibras sintéticas han ganado terreno en el mercado y se están empleando en aplicaciones estructurales de hormigón [1]. Las fibras de polipropileno (PP) crean canales que liberan la presión interna, reduciendo el riesgo de fisuras y mejorando las propiedades mecánicas del concreto, lo que sugiere una solución para mejorar su durabilidad y sostenibilidad [2]. Se ha comprobado que la incorporación de fibras de PP mejora la resistencia del hormigón en un 25% [3], y las microfibras sintéticas ayudan a minimizar la formación de fisuras, crucial en diversas condiciones climáticas [4]. Además, el uso de fibras, tanto artificiales como naturales, potencia el desempeño del hormigón, ofreciendo mejoras en propiedades como resistencia a la tensión, flexión, fatiga e impacto [5]. Uno de los desafíos en la ingeniería civil es la falta de estudios comparativos sobre las propiedades mecánicas del concreto modificado con polipropileno, lo que destaca la necesidad de una revisión exhaustiva [6]. Finalmente, es fundamental revisar cómo las microfibras afectan la resistencia a la flexión para aplicaciones estructurales [7]. La acumulación de residuos plásticos ha generado una preocupación ambiental significativa, ya que su reciclaje es complicado y su producción contribuye a la emisión de CO2 durante la fabricación de cemento [8]. En este contexto, se ha investigado la incorporación de residuos plásticos en mezclas de concreto, destacando el uso de fibras de polipropileno, que mejora las propiedades físico-mecánicas del material y ayuda a mitigar problemas como la fisuración [9]. Investigaciones han demostrado que la inclusión de fibras de polipropileno puede aumentar la resistencia a la compresión del concreto, alcanzando mejoras de hasta el 13.32% en mezclas específicas [10]. Además, se ha evidenciado que el uso de cenizas y fibras permite la producción de materiales sostenibles, los cuales poseen características destacables, como ser fuertes, livianos, económicos y ecológicos [11]. La combinación de fibras de polipropileno y cenizas, como la cáscara de arroz y las cenizas volantes, influye positivamente en la resistencia del concreto, alcanzando valores que oscilan entre 231 y 700 kg/cm² [12]. Por otro lado, se ha resaltado la importancia de las propiedades mecánicas del concreto, priorizando características como la resistencia a la compresión y a la tracción, que se ven beneficiadas por la incorporación de fibras de polipropileno [13]. Este artículo se centra en analizar el impacto de la fibra de polipropileno en la mejora de las propiedades del concreto y su potencial para contribuir a la sostenibilidad en la construcción [14]. La incorporación de fibras de polipropileno en hormigón es una solución eficaz para mejorar sus propiedades mecánicas. Estas fibras, con superficies texturizadas, optimizan el anclaje en la matriz del
Los agregados, que incluyen piedra triturada, grava y arena, son partículas individuales que refuerzan el concreto, mejorando su resistencia. Se clasifican en dos tipos: agregados gruesos, compuestos por roca o piedra triturada obtenida de canteras o ríos, y agregados finos, formados por partículas naturales que varían entre 0.006” y 3/16” de diámetro [23]. Los agregados gruesos representan entre el 60% y el 70% del volumen del concreto, siendo esenciales para proporcionar un relleno económico al material aglutinante y ofrecer resistencia a cargas, abrasión, filtración de humedad y condiciones climáticas adversas. Agua El agua es un componente esencial en la elaboración del concreto, cumpliendo dos funciones clave: en el amasado, facilita la reacción química entre el cemento y los otros componentes, mejorando la resistencia y trabajabilidad de la mezcla; en el curado, aporta la humedad necesaria para que el concreto alcance su resistencia máxima y reduzca el riesgo de fisuras. 2.3. Propiedades 2.3.1. Propiedades Físicas Asentamiento (Slump): La consistencia y trabajabilidad del concreto fresco son evaluadas mediante ensayos de asentamiento, que miden el desplazamiento de una muestra tras ser vertida en un cono de Abrams [24]. Este ensayo se realiza inmediatamente después de mezclar el concreto, llenando el cono en tres capas compactadas. Al retirar el cono, se mide la diferencia de altura, indicando la trabajabilidad: un mayor desplazamiento sugiere mayor fluidez, mientras que un menor desplazamiento indica una mezcla más rígida [25]. Contenido de aire: El ensayo busca determinar el contenido de aire atrapado en una mezcla de concreto fresco, esencial para la calidad del material. Se realizará según la norma ASTM C 173 utilizando un equipo tipo B (olla Washington), que mide directamente el contenido de aire en porcentaje y consiste en un recipiente de acero de al menos 6 litros con tapa hermética [26]. 2.3.2. Propiedades Mecánicas Resistencia a la compresión: La resistencia de un material se evalúa principalmente mediante ensayos de compresión, donde se aplica una fuerza axial para observar la deformación y eventual ruptura del material. La prueba incluye la preparación de la muestra, su colocación en un dispositivo de ensayo y la aplicación gradual de la fuerza, mientras se recopilan datos [27]. Resistencia a la flexión: Los elementos estructurales que soportan cargas verticales, como pavimentos rígidos, losas y vigas, son esenciales en ingeniería civil, donde la resistencia a la compresión es clave para evaluar su resistencia a la flexión. Se establece una relación empírica entre ambas resistencias, siendo el módulo de rotura un aspecto crítico [28]. Para concreto de peso normal, este módulo es menor que la carga axial prefijada, y su determinación sigue la norma NTC 2871, con ensayos realizados conforme a la norma NTP 339.078.
3. METODOLOGÍA
Esta investigación aplicada, de enfoque experimental, evalúa el efecto de añadir fibra de polipropileno al concreto (en proporciones de 0.3%, 0.5%, y 0.8%) sobre su resistencia a la compresión y flexión. [20] La población de estudio incluye 40 probetas de concreto con diferentes proporciones de fibra de polipropileno (0.3%, 0.5%, y 0.8%). Cada grupo para el ensayo de compresión consta de 9 probetas, mientras que se elaboraron 4 muestras para el ensayo de flexión, fraguando todas a 28 días. Las probetas se fabricaron con una mezcla de concreto estándar para garantizar la homogeneidad en los ensayos. [21] Este estudio utiliza un muestreo probabilístico aleatorio simple, lo que asegura que cada probeta de concreto tenga la misma probabilidad de ser seleccionada para determinar sus propiedades mecánicas. Esto implica que todos los individuos de la población objetivo y accesible tienen la misma oportunidad de participar en la investigación. [21]
Tabla 1. Población y muestras de concreto 210 kg/cm2.
Ensayo % aditivo Días de fraguado TOTAL DE 7 14 28 MUESTRAS Resistencia a la compresión CP 210 0 % 3 3 3 36 CP 210+VT 0.3 % 3 3 3 0.5 % 3 3 3 0.8 % 3 3 3 Resistencia a la flexión CP 210 0 % - - 1 CP 210+VT 0.3 % - - 1 4 0.5 % - - 1 0.8 % - - 1 Total de muestras de 210 kg/cm2 40 Nota. Creación de los autores En la tabla 1 se muestra la distribución de muestras de concreto con resistencia de 210 kg/cm² para los ensayos de compresión y flexión, según diferentes porcentajes de aditivo y tiempos de fraguado (7, 14 y 28 días). En total, se utilizarán 40 muestras, permitiendo evaluar el efecto del aditivo en la resistencia del concreto a lo largo del tiempo. Así mismo el proceso de la investigación se muestra detallado en la figura 1.
Cantidad de materiales por (^) m^3 Cemento 429.94 (^) kg / m^3 Portland Tipo I Agua 305 L Agua potable del laboratorio Agregado fino 885.35 (^) kg / m^3 Ferretería distribuidora Agregado grueso 1082.80 (^) kg / m^3 Ferretería distribuidora Dosificación Cemento Arena Piedra Agua Unid. Proporción en peso 1.0 1.94 2.51 ------ (^) Lts/ (^) pie^3 Factor cemento por (^) m^3 de concreto 10.1^ Bolsas/ (^) m^3 Relación a/c 0. Se detalla en la tabla 2 la cantidad de materiales a utilizar para la producción de concreto de 210 kg / cm (^2) , en tal sentido se visualiza la cantidad de cemento, agua, áridos finos y gruesos, además de la cantidad en proporción del peso, el factor del cemento por cada (^) m^3 de concreto y finalmente la relación a/c, que se utilizó para la ejecución de las muestras de concreto necesarias para determinar cada uno de los objetivos planteados en la presente investigación. 4.3. INFLUENCIA DE LA FPPR EN LAS PROPIEDADES FÍSICO-MECÁNICAS DEL CONCRETO. PROPIEDADES FÍSICAS Ilustración 2. Asentamiento del CP y CP+FPPR Slump 0
1
2
3
4 4.5 4.
3 CP FPPR 0.3% FPPR 0.5% FPPR 0.8% En la ilustración 2, el concreto patrón (CP) tiene un asentamiento de 4.2 pulgadas, mientras que con 0.3%, 0.5% y 0.8% de fibra de polipropileno reciclada (FPPR) disminuye a 3.9, 3.4 y 3.0 pulgadas,
respectivamente. La adición de FPPR reduce el asentamiento, indicando mayor cohesión y menor fluidez del concreto. Ilustración 3. Peso Unitario del CP y CP+FPPR Peso unitario 2310 2315 2320 2325 2330 2335 2340 2345 2340 2332 2335 2323 CP CP+0.3% FPPR CP+0.5% FPPR En la ilustración 3, el peso unitario del concreto disminuye al agregar fibra de polipropileno reciclada: de 2340.24 kg/m³ en el concreto patrón a 2332.21 kg/m³, 2335.73 kg/m³ y 2323.75 kg/m³ con 0.3%, 0.5% y 0.8% de fibra, respectivamente. Ilustración 4. Contenido de aire del CP y CP+FPPR Contenido de Aire 0
1
2
3
3 CP FPPR 0.3% FPPR 0.5% FPPR 0.8% En la ilustración 4, el contenido de aire aumenta al incorporar fibra de polipropileno reciclada: del 1.2% en el concreto patrón a 1.8%, 2.4% y 3.0% con 0.3%, 0.5% y 0.8% de fibra, respectivamente. Esto sugiere que la fibra introduce más espacios de aire, afectando la durabilidad y resistencia, pero mejorando la trabajabilidad en algunas aplicaciones.
5. DISCUSIONES
- Las fibras recicladas (0.31 mm, 0.1158 kg/m³) presentan peor dispersión y cohesión que las comerciales debido a su mayor tamaño y rigidez, lo que afecta negativamente la resistencia y durabilidad del concreto.
- El diseño patrón con f’c = 210 kg/cm² logró 225 kg/cm² en compresión y 35.4 kg/cm² en flexión, superando los requisitos. Además, presentó un contenido de aire de 1.2%, un asentamiento de 4. pulgadas y un peso unitario de 2340 kg/m³, cumpliendo con la normativa peruana.
- El porcentaje óptimo de FPP es entre 0.2% y 0.4%, mejorando la resistencia a flexión hasta un 23.8%. Carhuapoma [31] encontró incrementos en compresión de 12.03% y 13.32% con dosificaciones de 9 kg/m³ y 5 kg/m³. En esta investigación, las proporciones de FPPR (0.3%, 0.5%, 0.8%) no mejoraron la compresión, aunque sí hubo una mejora en flexión, posiblemente debido a las propiedades de la FPPR utilizada.
- Los resultados muestran que la adición de FPPR afecta la resistencia del concreto según la proporción utilizada. Se reportan mejoras de hasta 12.6% con FPP, en este estudio, el concreto patrón alcanzó 225 kg/cm², pero con 0.3%, 0.5%, y 0.8% de FPPR, la resistencia fue menor, llegando a 200 kg/cm² y disminuyendo aún más con mayores proporciones. La diferencia se debe a las propiedades de la FPPR utilizada. -Los resultados de flexión muestran que el concreto patrón alcanzó 35.4 kg/cm², mientras que con 0.3%, 0.5%, y 0.8% de FPPR, la resistencia disminuyó a 33.3 kg/cm², 27.7 kg/cm² y 25.5 kg/cm². A diferencia de Reyes [12], quien reportó mejoras con 0.2% de fibra, en este estudio la FPPR afectó negativamente la cohesión y distribución de esfuerzos, reduciendo la capacidad de resistir flexión. -Este estudio observó una disminución en la trabajabilidad, un ligero aumento en el contenido de aire y una reducción en el peso unitario, a diferencia de investigaciones previas que no destacaron estos efectos. Las fibras recicladas aumentan la cohesión de la mezcla, dificultando su manejo y generando vacíos, lo que afecta la densidad y calidad del concreto. 6. CONCLUSIONES -La caracterización del agregado fino y grueso del material obtenido de distribuidoras de agregados pétreos mostró que el agregado fino alcanzó un módulo de finura (MF) de 2.89, mientras que la grava tuvo un tamaño máximo nominal (TMN) de 1/2"; ambas según la N.T.P 400.012. Y se escogieron por tener mejores características en su calidad mediante los ensayos realizados, cumpliendo con la normativa peruana N.T.P 400.022. -El análisis de las características físicas de la fibra de polipropileno reciclada (FPPR) mostró una geometría de 0.31 mm de diámetro y un peso unitario compactado de 0.1158 kg/m³. Estas propiedades presentan diferencias significativas respecto a fibras de polipropileno comerciales. Esto confirma que la geometría y el peso unitario de la FPPR influyen en su dispersión y cohesión dentro de la mezcla, afectando las propiedades finales del concreto tanto en propiedades físicas como mecánicas.
-La elaboración del diseño de mezclas para el concreto con una resistencia 210 kg/cm² se logró de manera exitosa, obteniendo resultados satisfactorios en cuanto a compresión y flexión. El diseño alcanzó un valor de compresión de 225 kg/cm², superando el requisito mínimo, y una resistencia a flexión de 35.4 kg/cm², también por encima del valor estándar exigido. Estos resultados demuestran que el diseño de mezcla alcanzó los objetivos establecidos y cumple con los requerimientos de resistencia para su aplicación en estructuras de concreto.
- La fibra de polipropileno fue aplicada en porcentajes de 0.3%, 0.5% y 0.8% como reemplazo del agregado fino en el diseño de mezcla. -Las propiedades físicas y mecánicas del concreto con fibra de polipropileno reciclada fueron evaluadas, demostrando que la adición de fibra influye en la resistencia y las características del material, con variaciones dependiendo del porcentaje de fibra incorporado. El porcentaje de 0.3% de fibra de polipropileno reciclada no mostró cambios significativos en las propiedades del concreto, manteniéndose por debajo de los requisitos establecidos. Sin embargo, los porcentajes de 0.5% y 0.8% generaron cambios drásticos, lo que indica que este material reciclado no es óptimo para su utilización en el concreto. 7. RECOMENDACIONES -Se recomienda realizar un estudio exhaustivo de diversas canteras para asegurar la calidad de los materiales, lo cual permitirá obtener un diseño de mezcla óptimo y resultados confiables. -Es esencial mantener un control estricto sobre la dosificación de agua en las mezclas, ya que este componente afecta considerablemente la trabajabilidad y consistencia del concreto, especialmente cuando se utiliza fibra de polipropileno. -Se tiene que considerar que todas las muestras sean sometidas a las mismas condiciones de curado, incluyendo tiempo y humedad, para garantizar la comparabilidad y consistencia de los resultados obtenidos. -Es fundamental analizar las características y conocer el tipo de fibra de polipropileno deseada antes de su adición al concreto, y asegurar que se utilice en proporciones adecuadas. REFERENCIAS [1] F. Ortiz Navas, J. Navarro-Gregori, A. Conforti, y P. Serna, “Revisión del estado del arte sobre el uso de fibras sintéticas como refuerzo a cortante en elementos de hormigón”, hya, vol. 75, n.º 302-303, pp. 147-156, mar. 2023. [2] Zhuoyang Jin, Hongxiang Tian, Bo Liang, Minghou Li, Sizhe Du, Gang Ma, Yu Zhang, Xinyu Zhao, “Exploring the synthesis effects of glazed hollow beads and polypropylene fibers on the strength retention of ultra-high performance concrete after fire exposure using X-Ray computed tomography”, Case Studies in Construction Materials, Volume 21, 2024. [3] M.F., Costella, “Hormigón permeable: estudio de dosificación y adicción de fibras de polipropileno”, Rev. IBRACON Estrut. Mater., vol. 12, no. 1, pp. 101–121, 2019.
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