Optimización del comportamiento sísmico en residuos de hormigón reforzado con fibra por el método TOPSIS

Jun 13, 2023

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 8204 (2023) Citar este artículo

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Para un medio ambiente sostenible y para abordar el problema de la contaminación, los desechos industriales se pueden utilizar en materiales compuestos de hormigón. Esto es especialmente beneficioso en lugares propensos a la tierra quack y temperatura más baja. En este estudio, se usaron cinco tipos diferentes de fibras de desecho, como desechos de poliéster, desechos de caucho, desechos de lana de roca, desechos de fibra de vidrio y desechos de fibra de coco, como aditivos en 0,5 %, 1 % y 1,5 % en masa en la mezcla de concreto. Las propiedades relacionadas con el comportamiento sísmico de las muestras se examinaron mediante la evaluación de la resistencia a la compresión, la resistencia a la flexión, la resistencia al impacto, la resistencia a la tracción dividida y la conductividad térmica. Los resultados mostraron que la resistencia al impacto del hormigón mejoró significativamente mediante la adición de refuerzo de fibra en el hormigón. La resistencia a la tracción dividida y la resistencia a la flexión se redujeron significativamente. La conductividad térmica también estuvo influenciada por la adición de residuos fibrosos poliméricos. Se realizó un análisis microscópico para examinar las superficies fracturadas. Para obtener la relación de mezcla óptima, se utilizó la técnica de optimización de respuesta múltiple para determinar el nivel deseado de resistencia al impacto a un nivel aceptable de otras propiedades. Se encontró que los residuos de caucho eran la opción más atractiva seguida de los residuos de fibra de coco para la aplicación sísmica de hormigón. La importancia y la contribución porcentual de cada factor se obtuvieron mediante el análisis de varianza ANOVA (α = 0,05) y un gráfico circular que mostró que el factor A (tipo de fibra de desecho) es el principal contribuyente. Se realizó una prueba confirmatoria sobre el material de desecho optimizado y su porcentaje. Se utilizó la técnica de similitud de preferencia de orden a la solución ideal (TOPSIS) para muestras desarrolladas para obtener la solución (muestra) que es más cercana al ideal según el peso y la preferencia dados para la toma de decisiones. La prueba confirmatoria da resultados satisfactorios con un error del 6,68%. Se estimó el costo de la muestra de referencia y la muestra de concreto reforzado con caucho de desecho, lo que mostró que se logró un volumen 8% mayor con el concreto reforzado con fibra de desecho a aproximadamente el mismo costo que el concreto puro. El concreto reforzado con contenido de fibra reciclada es potencialmente beneficioso en términos de minimizar el agotamiento y el desperdicio de recursos. La adición de desechos de fibra polimérica en el compuesto de concreto no solo mejora las propiedades relacionadas con el desempeño sísmico, sino que también reduce la contaminación ambiental del material de desecho que no tiene otro uso final.

Las preocupaciones ambientales y la eficiencia energética son los dos temas principales de la era actual. El hormigón es el segundo material más utilizado en el mundo1. Según un informe del consejo empresarial mundial, se utilizan 3,8 toneladas de hormigón por persona al año2. El uso de cemento en grandes cantidades tiene graves efectos sobre el medio ambiente porque la producción de material de hormigón provoca la emisión de dióxido de carbono (CO2) y el cemento tiene un alto nivel de toxicidad, que es perjudicial para la vida humana. La fabricación de cemento causa el 7% de las emisiones globales totales de CO2 provocadas por el hombre en todo el mundo3. Debido a la naturaleza no ecológica del cemento, los investigadores están investigando materiales alternativos que puedan ser sostenibles. Hay muchos intentos de superar este problema. Una de las opciones es reemplazar completamente el componente de concreto por otros materiales, pero el reemplazo completo no es posible porque el concreto tiene ventajas indiscutibles. El reemplazo parcial del componente de concreto con otros materiales amigables con el medio ambiente es una solución práctica a este problema. El concreto también tiene otros inconvenientes, como grietas, derrames y fragilidad, además de no ser ecológico. El concreto puro es débil en resistencia a la tracción, aunque tiene una alta resistencia a la compresión. Para evitar el desastre ambiental que surge debido al uso a gran escala del cemento, las industrias del hormigón se han interesado en reducir las emisiones de CO2, reciclar recursos y desarrollar materiales duraderos alternativos. El hormigón reforzado con fibra (FRC) es uno de los métodos más baratos y duraderos para la industria de la construcción moderna, ya que las fibras de desecho se utilizan para reemplazar parcialmente el cemento para proporcionar el rendimiento sísmico requerido y minimizar los costos. El uso de fibras/residuos conduce a la reducción del consumo de cemento, lo que ayuda a la construcción de viviendas asequibles. Las industrias producen muchas toneladas de residuos que no tienen un uso final. La descomposición natural de estos materiales de desecho lleva mucho tiempo, y este tipo de residuos quedan como vertederos. Dichos desechos industriales incluyen poliéster, caucho, algodón, plástico, lana de roca, fibras de vidrio, nailon, etc. La descomposición del poliéster demora entre 20 y 200 años, la del caucho entre 50 y 80 años, la lana de roca entre 1 y 5 años y la del vidrio las fibras tardan entre 4000 y 5000 años. Este tipo de residuos industriales se pueden utilizar como refuerzo en las industrias de la construcción. El uso de residuos en la construcción es un buen paso hacia la construcción ecológica. Muchos investigadores están trabajando en el uso de este tipo de residuos en la industria de la construcción4,5,6.

Los terremotos ocurren en todo el mundo y conducen a desastres. Las estructuras de edificios que no están reforzadas o están reforzadas con acero colapsan cuando se someten a una carga sísmica debido a una ductilidad y resistencia insuficientes. El colapso de las estructuras de los edificios causa lesiones, pérdida de vidas y pérdidas económicas. La estructura del edificio debe ser lo suficientemente fuerte para soportar el terremoto tanto como sea posible. Por lo tanto, es necesario utilizar aquellos materiales de refuerzo que aumenten la resistencia, la ductilidad y la deformación lateral del edificio durante la carga sísmica. Los investigadores están tratando de encontrar el material de construcción o refuerzo que pueda soportar la carga sísmica7,8,9. El hormigón reforzado con fibra o residuos poliméricos es una tecnología emergente para salvar la estructura del edificio durante la carga sísmica o desastres relacionados con terremotos, ya que tienen suficiente resistencia y ductilidad para soportar la carga sísmica. Las fibras se agregan como reemplazo parcial del cemento, el acero y los agregados gruesos. Algunos investigadores utilizaron alambres de acero para reforzar las estructuras de hormigón, lo que aumenta la durabilidad y reduce la formación de grietas en la superficie, pero este método no ha mejorado significativamente las propiedades de carga sísmica de las estructuras de hormigón armado10,11. Otro estudio encontró que el uso de barras de acero como refuerzo en el hormigón puede aumentar la capacidad de carga de la columna, pero no lo suficiente para soportar la carga sísmica12. Además, uno de los inconvenientes de usar alambre de acero es que es propenso a oxidarse además de aumentar el peso estructural y causar un efecto de bola. Los diversos tipos de fibras utilizadas como refuerzo en FRC son fibra de carbono, fibra de vidrio, fibra de aramida, fibra de yute y fibra de polipropileno, etc. El uso de fibras de alto rendimiento en el hormigón aumenta la resistencia a la compresión, la respuesta al endurecimiento por deformación y la resistencia a la flexión del hormigón. edificios de hormigón. La capacidad sísmica de la edificación aumenta cuando se utilizan fibras de alto rendimiento como refuerzo en el hormigón13. Las láminas de fibra de carbono se utilizan principalmente para edificios resistentes a terremotos. Las estructuras de construcción hechas de fibras de carbono son muy caras. Los investigadores estudiaron diferentes porcentajes de fibra de yute y diferentes tipos de suelos en el hormigón para hacer edificios resistentes a terremotos. Llegaron a la conclusión de que al cambiar el tipo de suelo y la adición de fibra de yute en el hormigón aumenta la ductilidad del hormigón. Otros investigadores utilizaron fibras de yute y sisal en edificios de hormigón para la resistencia a los terremotos y compararon la resistencia con el hormigón reforzado con fibra de carbono. Las columnas de hormigón para edificaciones de alturas relativamente menores, con yute y fibra de sisal lograron una resistencia igual a la lámina de fibra de carbono con un costo 35% menor14,15.

Algunos estudios encontraron que la adición de un 1% de caucho de desecho en el hormigón ayuda a aumentar la ductilidad del hormigón, lo que aumenta la resistencia a los terremotos de los edificios16,17,18,19. Otros estudios encontraron que diferentes porcentajes de fibras de vidrio como refuerzo en el concreto mejoran el desempeño general del concreto, como la resistencia mecánica y la propiedad de resistencia al fuego20,21,22,23. Algunos investigadores utilizaron diferentes porcentajes de lana de roca reciclada y de desecho en el hormigón para aumentar la resistencia térmica de los edificios24,6,25. Algunos estudios encontraron que un menor porcentaje de residuos de fibra de coco en la leva de hormigón mejora la resistencia mecánica y reduce el peso, lo que tiene un efecto positivo durante las cargas sísmicas. La adición de fibra de coco en el hormigón tiene un efecto positivo en la resistencia a la compresión y un efecto negativo en la resistencia a la flexión26,27,28,29. Se utilizaron como refuerzo diferentes tipos de desechos industriales y domésticos, como botellas de PET, mascarillas, pajitas de plástico, etc., que aumentan la ductilidad del hormigón y reducen la resistencia a la compresión y la capacidad de carga del hormigón30,31,32,33 .

Aunque se utilizaron diferentes tipos de materiales de desecho para producir hormigón liviano y materiales de construcción, aún es un desafío producir edificios livianos con mayor capacidad de carga a un costo asequible. Hay pocas o ninguna investigación reportada sobre el estudio combinado de la mejora de las propiedades mecánicas y el aislamiento térmico del material de hormigón utilizando residuos industriales.

El objetivo general de este estudio es producir materiales de construcción sostenibles de mayor capacidad de carga, de bajo costo y energéticamente eficientes mediante la adición de residuos fibrosos industriales en el hormigón como refuerzo. Los resultados obtenidos también se comparan con muestras de hormigón simple (PC) y se presenta un estudio completo de mejora en el aislamiento térmico y la resistencia mecánica. Un tema importante en la ingeniería de materiales es encontrar una muestra óptima de FRC con la calidad deseada del concreto para aplicaciones particulares. Mediante la adición de material de desecho/fibras, se mejoran algunas propiedades, mientras que otras muestran un efecto negativo. Por ejemplo, mediante la adición de fibras de vidrio en el hormigón, se reduce la resistencia mecánica pero mejora el aislamiento térmico34. Para obtener las propiedades deseadas en concreto, se utilizaron diferentes métodos de optimización de respuesta múltiple. Los investigadores utilizaron un modelo matemático de segundo orden para el diseño óptimo de hormigón con fibra de acero como refuerzo35. Otros utilizaron el método de la superficie de respuesta para contar el contenido de ligante en el hormigón armado con hormigón armado de ultra altas prestaciones36. Algunos de los problemas de toma de decisiones que tienen múltiples respuestas no pueden optimizarse a la vez porque múltiples objetivos entran en conflicto entre sí. Algunas de las respuestas tienen efectos positivos y otras negativos sobre las propiedades deseadas. Para ello, se utilizan métodos de optimización de respuesta múltiple. Los investigadores utilizaron la Técnica de orden de preferencia por similitud con la solución ideal (TOPSIS) para obtener el porcentaje deseado de mezcla de polímeros reforzados en el hormigón37. Otro investigador utilizó el Proceso de Jerarquía Analítica (AHP) para definir el rango de la matriz de decisión y calcular el peso de los criterios de la matriz38,39. La técnica de similitud de preferencia de orden con la solución ideal (TOPSIS) se utiliza para muestras desarrolladas con el fin de obtener la solución (muestra) más cercana a la ideal según el peso y la preferencia dados para la toma de decisiones. En este trabajo, se utilizó el método TOPSIS para obtener el material y el porcentaje óptimos para el refuerzo que se puede utilizar posteriormente para aplicaciones sísmicas. Esta investigación aborda los problemas ambientales importantes en términos de emisión de CO2 debido a la fabricación de cemento, el consumo de energía y la eliminación de desechos40. La importancia de la investigación es que se utilizan diferentes tipos de materiales de desecho industrial como reemplazo parcial del cemento, lo que redujo el consumo de cemento. Este enfoque reduce las emisiones de CO2 al reducir la producción de cemento. Optimiza la gestión de residuos que, de lo contrario, permanecerían en vertedero durante varios años. Se logró una solución sostenible para la construcción sismorresistente de bajo costo.

Las muestras de hormigón se prepararon con cemento Portland ordinario, arena con módulo de finura de 2,42, relación agua:cemento de 0,55, áridos gruesos de 4 mm de tamaño y cinco tipos de residuos fibrosos en 3 porcentajes diferentes cada uno. Estos residuos de materiales fibrosos eran tanto de origen natural como sintético. El coco y la lana de roca son de origen natural, mientras que el poliéster, el vidrio y el caucho son de origen sintético. Las fibras de refuerzo se utilizaron con 0,5%, 1% y 1,5% del peso de cemento.

Las fibras de coco se extraían de los desechos de la industria de las esteras o cuerdas. Se recolectaron los desechos de poliéster que se producen durante el proceso de corte de las telas tejidas. Las fibras de vidrio de desecho se recolectaron de los filtros de la planta de agua de ósmosis inversa (OI). El caucho de desecho, que se utiliza en la maquinaria de torneado textil, se recolectó del mercado de trapos. La lana de roca de desecho se tomaba de calderas inservibles. Todos los materiales son residuos que, de otro modo, permanecerían como vertederos y no tendrían otro uso final. Todas las fibras de desecho se cortaron en una longitud de 70 mm como se muestra en la Fig. 1.

(G) Residuos de vidrio, (C) Residuos de coco, (R) Residuos de caucho, (P) Residuos de poliéster, (w) Residuos de lana de roca.

La resistencia de las fibras se evaluó utilizando Universal Testing Machine, según la norma ISO 5079. Las propiedades de las fibras se dan en la Tabla 1.

Para preparar las muestras de concreto puro (muestra de referencia), se utilizó la relación de mezcla 1:2:3 (cemento: arena: agregado grueso), con agua al 55% en masa. Se agregaron cinco desechos industriales diferentes, es decir, desechos de fibra de coco, desechos de fibra de poliéster, desechos de fibra de vidrio, desechos de fibra de lana de roca y desechos de caucho, como refuerzo en la mezcla para hacer FRC. Se utilizaron tres proporciones diferentes, es decir, 0,5%, 1% y 1,5% de cada material de desecho sobre el peso del cemento para hacer las muestras de hormigón. Todos los materiales se mezclaron como se muestra en la Fig. 2. Luego, la mezcla se vertió en diferentes moldes para diferentes pruebas de acuerdo con los estándares como se muestra en la Fig. 2. Se moldearon un total de 48 muestras durante 28 días para cada prueba. Se prepararon tres réplicas de cada muestra para asegurar la repetibilidad de las pruebas realizadas. El diseño del experimento y los detalles de la muestra se muestran en las Tablas 2 y 3.

(a,b) Mezclado de hormigón (c–e) Moldes.

El hormigón durante su vida útil pasa por diferentes tipos de carga, que producen grietas tanto en la superficie como en la parte interior. Las cargas mecánicas son de diferentes tipos y la formación de grietas se puede controlar mejorando las propiedades requeridas. Las grietas que se producen en la superficie del pavimento rígido se deben a una menor resistencia a la flexión. Del mismo modo, el fenómeno de desconchado del hormigón se puede controlar mejorando la resistencia a la tracción. La resistencia contra la carga de impacto se puede mejorar mejorando la propiedad de absorción de energía del hormigón. La propiedad de impacto es muy importante con respecto a las voladuras, la colisión de vehículos, especialmente en puentes y durante terremotos. Todas las muestras se ensayaron con una réplica de 3 para los tres porcentajes de fibra diferentes para cada tipo de fibra de desecho como refuerzo en el hormigón.

La resistencia a la compresión de las muestras de concreto de dimensiones 100 mm × 100 mm × 100 mm se midió utilizando una máquina de prueba universal hidráulica (UTM) con pantalla digital (Modelo: Beijing Sino encontró WES-100) como se muestra en la Fig. 3. Para la prueba de compresión , se prepararon un total de 48 muestras con 3 repeticiones para cada muestra. Cada espécimen se colocó verticalmente entre las mordazas para que actúe como un prototipo de miembro de compresión o una columna. En esta prueba, las muestras de hormigón se colocaron entre dos mordazas, una móvil y la otra estacionaria. Cuando la carga se aplica a través de las mordazas, el punto en el que ocurre la falla de la muestra de concreto se muestra como una lectura digital, que es la resistencia total a la compresión de la muestra de concreto.

Instrumentos de prueba.

La prueba de flexión/flexión de las muestras de concreto se llevó a cabo con dimensiones, 150 mm de ancho × 150 mm de profundidad × luz de 500 mm, utilizando una máquina de prueba universal hidráulica con pantalla digital (Modelo: Beijing Sino encontró WES-100). Se utilizaron los estándares de prueba para la resistencia a la flexión ASTM C78/C78M-2141. Para medir la resistencia a la flexión del hormigón se prepararon un total de 48 muestras con 3 repeticiones. Para medir la resistencia a la flexión del hormigón, las muestras se colocaron en dos varillas con la misma distancia desde los bordes, es decir, 75 mm y una varilla estaba en el lado opuesto en el centro de las muestras, como se muestra en la Fig. 3.

Debido a la falta de disponibilidad de un estándar específico para determinar las propiedades de impacto del hormigón mediante la prueba de caída de peso, se utilizó el método adoptado por otros investigadores42. Las dimensiones de la muestra tomadas fueron (L × W × T) 125 mm × 100 mm × 50 mm. En este método, se tomó una bola de acero de 1,8 kg de peso y se dejó caer desde una altura fija de 889 mm sobre la muestra de ensayo. La prueba continuó hasta que ocurre la falla en la muestra como se muestra en la Fig. 3c. Se prepararon un total de 48 muestras para la prueba de impacto. La energía de impacto de las muestras se calculó multiplicando la masa de la bola, la altura de caída de la bola, la aceleración de la gravedad y el número de golpes necesarios para la muestra antes de la fractura. La energía de impacto se calculó utilizando la Ec. (1)43.

donde, E es la energía de impacto total en el fallo de la muestra; N es el número de golpes al fallar la muestra; m es la masa de la pelota que es de 1,8 kg; h es el peso de la caída de la bola, que es de 889 mm; y g es la aceleración de la gravedad, es decir, 9,81 m/s2.

Se utilizó una máquina de ensayo universal hidráulica (serie IBMU4) para realizar el ensayo de resistencia a la tracción dividida de las muestras de hormigón ligero como se muestra en 3(d). Se colocaron especímenes cilíndricos entre las placas de prueba para realizar la prueba de tracción por división. Para la prueba de la muestra, se utilizó el tamaño estándar de la muestra (H × D) de 250 mm de altura y 150 mm de diámetro.

Un edificio/construcción actúa como envoltura/barrera externa que separa los entornos exterior e interior, y protege a los habitantes del entorno exterior. Reducir el coste de calefacción/refrigeración del edificio contribuye directamente a la eficiencia energética y la sostenibilidad.

Debido al creciente uso de la termografía infrarroja en el sector de la construcción, para la detección de grietas, etc., se adoptó un nuevo método para medir la conductividad térmica44. Las propiedades térmicas de las muestras se determinaron utilizando una cámara termográfica CANTRONIC System Inc. (Canadá) y las muestras se calentaron con una pistola de aire caliente como se muestra en la Fig. 3e.

Solo FRC con 1% de materiales de desecho y la muestra de referencia se midieron usando una cámara termográfica. Se prepararon muestras cúbicas con dimensiones alto/espesor 50 mm, ancho 100 mm y largo 125 mm. Primero, las muestras se colocaron correctamente durante 4 minutos para generar un flujo constante de calor. La potencia del aparato se fijó en 10 vatios y se registraron las temperaturas de ambos lados de la muestra. Luego, después de 5 min, se tomaron nuevamente las imágenes de temperatura y térmicas de ambos lados de las muestras. Las temperaturas de los termogramas se analizaron utilizando software de imágenes térmicas (software IR Camera Report). Luego, la conductividad térmica de las muestras se calculó utilizando la ecuación. (2)45. La transferencia de calor, el área y el espesor fueron constantes, mientras que T1 y T2 son variables.

donde: K = Conductividad térmica, W/mK, Q = Potencia suministrada durante el ensayo, W, A = Área de la sección transversal, m2, t = Espesor, m, ΔT = (T1 − T2) = Diferencia de temperatura entre el primer punto en región caliente y último punto en región fría, K.

Las superficies fracturadas de las muestras rotas se examinaron cuidadosamente después de las pruebas mecánicas. El propósito de este examen es elaborar el mecanismo de falla y verificar la unión de las fibras con el concreto. Para ello, se tomaron imágenes microscópicas de las muestras utilizando el microscopio OPTIKA (BX53, Olympus) con un poder de aumento de 2,5 ×. En este examen se investigó la extracción, el efecto puente y la rotura de fibras.

El diseño del experimento se realizó mediante el método de Taguchi, ya que es uno de los métodos más comunes en la investigación científica. Pero su limitación es que solo puede manejar la optimización de una sola respuesta. Por lo tanto, no se puede usar directamente para la optimización de respuestas múltiples. Las técnicas de optimización son las mejores soluciones para este tipo de investigación. Se pueden usar diferentes tipos de técnicas de modelado y simulación dependiendo de los resultados experimentales para encontrar la relación de mezcla óptima para el concreto. Principalmente para matriz de decisión lineal compleja, se puede utilizar la técnica de lógica FUZZY. El método lógico FUZZY se usa normalmente para encontrar la variable desconocida. Al igual que la toma de decisiones multicriterio (MCDM), el método TOPSIS se puede utilizar para encontrar la solución ideal. En este trabajo se utilizó el método AHP-TOPSIS para convertir resultados de respuestas múltiples en una sola respuesta. Los investigadores46,47,48,49 desarrollaron aún más la técnica TOPSIS (La similitud de preferencia de orden con la solución ideal). Se utilizó AHP para encontrar la ponderación de los diferentes atributos, que tiene una escala de 1 a 9 que muestra la misma importancia para todos los atributos. De acuerdo con el desempeño sísmico deseado para la resistencia sísmica, el edificio debe ser resistente a la compresión y debe exhibir suficiente resistencia a la división y a la flexión. La resistencia a la compresión es muy importante en este análisis y se le asigna el número 5. La resistencia a la flexión y la resistencia al impacto tienen una importancia entre fuerte y moderada y se le asigna el número 4. La resistencia a la tracción dividida se le asigna el número 3 porque tiene una importancia moderada en caso de resistencia sísmica. AHP utilizado para encontrar el peso de los diferentes atributos tiene una escala de 1 a 9 que muestra la misma importancia para los atributos.

TOPSIS consta de los siguientes pasos.

El método TOPSIS comienza con una matriz de decisión que contiene diferentes atributos. Se consideran los valores mínimo, máximo y nominal de los mismos. En este estudio experimental, cuanto mayor sea el factor, se considera mejor. El orden de preferencia para esta técnica es impacto, tracción, flexión y compresión.

En el segundo paso, los atributos se normalizan dividiendo cada valor de atributo por parte de la raíz cuadrada del atributo respectivo usando la ecuación. (4).

En este paso se determinan los pesos de los diferentes atributos según la preferencia de los diferentes atributos con respecto al objetivo. La escala de preferencia se puede utilizar como.

Los pesos calculados de los diferentes atributos se normalizan multiplicando los pesos con los valores normalizados de cada atributo.

Las soluciones ideales positivas (v +) y las soluciones ideales negativas (v −) se calculan mediante el siguiente método,

J se asocia con un factor beneficioso, mientras que J̍ se asocia con un factor no beneficioso.

En este paso se puede medir la distancia separando cada alternativa de la solución ideal.

En el paso final, el coeficiente de cercanía se puede calcular utilizando la ecuación. (11).

Se realizó un análisis de varianza (ANOVA) utilizando el software Minitab (www.minitab.com) para determinar si los factores eran significativos o no. Para este propósito, se examinaron los valores de p. La contribución porcentual de cada factor también se mostró en un gráfico circular.

Los resultados de todas las pruebas realizadas se muestran en la Tabla 4.

La resistencia del hormigón depende de la resistencia de la fibra, la relación de aspecto, la orientación de la fibra y la unión entre la fibra y la matriz. En lugar de desconcharse como PC, aparecieron grietas diagonales y de corte en muestras de FRC bajo carga de compresión. Se ensayó la resistencia a compresión del hormigón con diferentes fibras de desecho y diferentes porcentajes de refuerzo. De la Tabla 4 y la Fig. 4a, los resultados muestran que con un 0,5 % de refuerzo, hay una disminución en la resistencia a la compresión para todo el FRC, pero no hay un cambio significativo en la resistencia a la compresión del concreto reforzado con desechos de caucho. Cuando el porcentaje de refuerzo aumentó al 1 %, las muestras mostraron un ligero aumento en la resistencia a la compresión en comparación con una carga del 0,5 % de desechos de fibra. Solo los residuos de caucho y el hormigón armado con lana de roca muestran un aumento significativo en la resistencia a la compresión, mucho mayor que el PC, mientras que otros muestran una tendencia decreciente en la resistencia a la compresión. El concreto reforzado con desechos de caucho mostró la máxima resistencia a la compresión en todos los niveles de refuerzo y la muestra a base de lana de roca mostró un aumento solo con una carga de fibra del 1%. Con una carga de refuerzo del 1 %, el aumento de la resistencia a la compresión es del 1 % para los residuos de caucho y del 20 % para la lana de roca. La zona de transición interfacial entre la pasta de cemento y el desecho de caucho llenó los vacíos, lo que llevó a un aumento en la resistencia a la compresión. El caucho por sí solo no tiene una unión perfecta con la matriz de cemento, pero en el caso de los desechos de caucho (mezcla de nailon y caucho de estireno butadieno), el nailon proporcionó una unión perfecta y el estireno butadieno proporcionó suficiente resistencia al hormigón, como se ve en la Fig. 4. Por al agregar caucho, hay un cambio en el modo de falla del concreto de fragilidad a ductilidad. La lana de roca también tiene buena adherencia con la matriz del hormigón; y así, los resultados muestran una mejora en la resistencia a la compresión. El poliéster tiene la fuerza de unión más pobre con la matriz de hormigón y, por lo tanto, muestra una reducción significativa en la resistencia a la compresión en comparación con otras fibras. El refuerzo de fibra de coco muestra una disminución en la resistencia a la compresión porque la resistencia de la fibra se reduce en el concreto debido a la absorción de agua. En el caso del refuerzo con fibra de coco, la unión entre la fibra y la matriz no se forma perfectamente debido a la presencia de polvo en la superficie porosa de la fibra50,51,52.

Comportamiento mecánico del hormigón reforzado con fibras frente al hormigón puro (a) Compresión, (b) Flexión, (c) Impacto y (d) Propiedades de tracción partida.

La resistencia a la flexión del hormigón a veces se reduce por la adición del refuerzo como se muestra en la Tabla 4. Con una carga de fibra de desecho del 0,5%, todas las muestras muestran una tendencia decreciente excepto la muestra R1 como se muestra en la Fig. 4b. Al aumentar el porcentaje de fibra al 1%, algunas muestras muestran una mejora en la resistencia a la flexión. La adición adicional de fibra al 1,5% provoca una reducción de la resistencia a la flexión en todas las muestras. El motivo de la mejora de la resistencia a la flexión en la muestra R1 es que el refuerzo en este caso es una mezcla de nailon y caucho de estireno butadieno (SBR). El nailon formó una unión perfecta con la matriz de cemento, mientras que el SBR proporcionó resistencia y cierta ductilidad. Se logra el efecto puente de las áreas de refuerzo con la matriz circundante. La muestra toma más carga y la propagación de grietas se retrasa. Las muestras que mostraron menor resistencia a la flexión pueden deberse a la acumulación de refuerzo en ciertos lugares del concreto. Esto tiende a reducir la resistencia a la flexión del hormigón en ciertos puntos53. La resistencia a la flexión del hormigón se reduce a un mayor porcentaje de refuerzo porque existe la posibilidad de que el refuerzo se trabe y más aire queda atrapado dentro de la muestra de hormigón, lo que da como resultado una reducción de la resistencia a la flexión54,55. Además, la reducción es el resultado de una menor rigidez a la flexión de las fibras en comparación con el hormigón como material frágil.

Energía de impacto de las muestras de hormigón aumentada por la adición de residuos fibrosos. Con un refuerzo del 0,5 % en el hormigón, la mejora se observa en todas las muestras, como se muestra en la Tabla 4 y la Fig. 4c. PC es un material quebradizo, mientras que la adición de refuerzo ayuda en la ductilidad. El aumento de la energía de impacto es del 25% para el refuerzo de caucho, vidrio y fibra de coco. La mejora en la energía de impacto en el caso del refuerzo de poliéster fue del 13%. No hay una mejora significativa en la energía de impacto del hormigón armado con lana de roca. Al 0,5 %, la mejora en la energía de impacto se atribuyó a las macrofibras que se utilizan en el hormigón. Este tipo de macro fibras resiste la iniciación de grietas bajo esfuerzos y absorbe más energía que el material de hormigón no fibroso55. Cuando el porcentaje de refuerzo en el hormigón aumentó al 1 %, los residuos de caucho mostraron un aumento máximo en la energía de impacto de alrededor del 54 %. La fibra de coco, lana de roca, poliéster y vidrio muestran una mejora del 40%, 40%, 33% y 25% en la energía de impacto respectivamente con respecto al PC. El refuerzo de caucho en el hormigón puede unirse a la matriz circundante y reducir los vacíos. Esto da como resultado estructuras más fuertes que muestran una resistencia mejorada bajo la fuerza de impacto. La mayor fracción de refuerzo reduce efectivamente la propagación de macrogrietas en el hormigón53. Estos tipos de hormigón reforzado con fibra que presentan suficiente ductilidad pueden utilizarse en aplicaciones antisísmicas49,50,51,52,53. La adición adicional de refuerzo tiende a reducir la energía de impacto en todas las muestras, lo que puede deberse a la posibilidad de enclavamiento del refuerzo, lo que da como resultado una reducción de la absorción total de energía.

La resistencia a la tracción del hormigón no se mide con precisión mediante el método de prueba de tracción dividida debido al campo de tensión mixto y las diferentes orientaciones de las fibras. La resistencia a la tracción dividida es útil porque el patrón de falla de la muestra de concreto se define como frágil o dúctil. Al agregar diferentes refuerzos en el concreto, la resistencia a la tracción dividida del concreto se redujo significativamente, pero se mejoró la ductilidad de las muestras. Las muestras reforzadas especialmente con caucho y fibras de coco se partieron en dos por la primera propagación de fisuras. Debido al efecto puente del refuerzo de caucho y coco, hay una mejor transferencia de carga a las fibras que tienden a mostrar una ductilidad mejorada. Otros investigadores lograron resultados similares para el desempeño sísmico53,54,55. Estas fibras en el concreto redujeron la falla posterior a la fisuración en el concreto y aumentaron la ductilidad del concreto. También se puede predecir que el FRC puede resistir un poco más contra las fuerzas de tracción divididas en comparación con el PC porque los refuerzos de fibra presentes en el concreto actúan como protectores de grietas y resisten la propagación de grietas. Los gráficos de barras de la resistencia a la tracción dividida de las muestras de hormigón se muestran en la Fig. 4d. Dado que la prueba de tracción dividida es similar a una prueba de flexión de ancho bajo, los resultados son muy similares a la prueba de flexión.

La conductividad térmica es un parámetro importante para acceder a la propiedad del material, si es un buen aislante o no. Se evaluaron los valores de conductividad térmica de las muestras de hormigón reforzado con fibra al 1% para detectar el comportamiento térmico. La conductividad térmica de todas las muestras con una dosis de refuerzo del 1 % se indica en 4. La tendencia de la conductividad térmica se muestra en la Fig. 5. Los resultados muestran que el hormigón reforzado con fibra de lana de roca muestra la conductividad térmica más baja con una disminución del 43 % con respecto a la muestra de referencia. . Las muestras de hormigón reforzado con fibra de vidrio, poliéster y coco muestran una disminución del 41 %, 37 % y 31 % en la conductividad térmica, respectivamente, en comparación con la muestra de referencia PC. Por lo tanto, las muestras reforzadas con lana de roca y fibra de vidrio residual muestran una mayor propiedad de aislamiento térmico. La conductividad térmica del hormigón se reduce significativamente por el contenido fibroso debido a la porosidad del refuerzo. El hormigón que contiene lana de roca y fibra de vidrio residual como refuerzo puede utilizarse en el aislamiento térmico de edificios. Las imágenes térmicas de todas las muestras después de 5 minutos de exposición a la fuente de calor se muestran en la Fig. 6.

Conductividad térmica.

Ilustraciones de imágenes térmicas de muestras.

La termografía cuantifica la temperatura del otro lado de la superficie calentada de las muestras. Las muestras que tienen una mayor resistencia térmica han mostrado la menor disipación/pérdida de calor, como se muestra en los resultados de la imagen térmica en la Fig. 6. Las muestras reforzadas con lana de roca, vidrio, coco y fibra de poliéster muestran una mayor resistencia térmica, como se muestra en la Figura. La región más clara muestra una menor transferencia de calor. La muestra de PC sin refuerzo muestra la transferencia de calor más alta indicada por el brillo máximo.

Se tomaron imágenes microscópicas de las muestras de concreto reforzado con fibras de desecho rotas para verificar el patrón de unión de la fibra con la matriz de concreto circundante. Después de la aplicación de cargas durante las pruebas mecánicas, las muestras se rompieron en pedazos. Las imágenes de las superficies fracturadas se muestran en la Fig. 7. La unión de pequeños fragmentos y partículas suspendidas indica el efecto puente de las fibras en el concreto. Debido al efecto puente de las fibras de refuerzo, el hormigón puede evitar fallas repentinas y mostrar una mayor energía posterior a la fisuración en comparación con PC. Las imágenes muestran que existe una fuerte unión entre los desechos fibrosos y el cemento. En las imágenes se puede observar en algunos casos el arranque de fibra de desecho. Se hizo una observación similar para la fibra de coco. Sin embargo, los desechos de poliéster tienen una adherencia mínima con el concreto porque las fibras son en su mayoría hidrofóbicas y tienen menor afinidad con el concreto. Se concluye luego de realizar experimentos que el refuerzo de residuos fibrosos en el concreto ayuda a resistir la iniciación y progresión de fisuras.

Imágenes microscópicas de muestras fisuradas (a) Concreto puro (b) Fibra de coco (c) Residuos de caucho (d) Residuos de lana de roca (e) Residuos de poliéster (f) Residuos de vidrio.

Todos los datos experimentales de la Tabla 4 que se refieren al rendimiento mecánico se utilizan para formar una matriz en la que las filas representan alternativas y las columnas representan atributos de la matriz de decisión. La tabla se analiza mediante el procedimiento mencionado del método de Taguchi basado en TOPSIS. En el primer paso, la matriz se normaliza utilizando la ecuación. (4). La matriz se normaliza dividiendo cada valor de atributo por la suma de la raíz cuadrada de todos los valores de atributo en esa categoría. Por ejemplo, el valor de la resistencia a la compresión de PC es 105,79, que se divide por la suma de la raíz cuadrada de todo el valor de la resistencia a la compresión, que es 350,56. Esto da el valor normalizado de 0,30. Todos los valores normalizados se dan en la Tabla 5.

El peso de cada matriz de decisión se encuentra mediante el método AHP. Los pesos se otorgan de acuerdo con la importancia de la propiedad, como la resistencia a la compresión tiene una importancia fuerte con un número 5 dado, la resistencia a la flexión y la resistencia al impacto se dan con el número 4 ya que tienen una importancia entre fuerte y moderada. La resistencia a la tracción dividida tiene una importancia moderada y se le asigna el número 3. El peso y los valores normalizados ponderados se calculan utilizando las Ecs. (5) y (6). Los pesos normalizados se dan en la Tabla 6.

Las soluciones ideales positivas y negativas se calcularon mediante las Ecs. (7) y (8). La distancia de separación de la solución ideal positiva y negativa se puede calcular utilizando la ecuación. (9). En el paso final, usando la Ec. (10) se calculó el coeficiente de rendimiento global más cercano a la solución ideal. Los coeficientes de cercanía se muestran en la Tabla 7.

Se realizó análisis de varianza (ANOVA) al 95% de nivel de confianza para comprobar la significación del tipo de residuo fibroso y el porcentaje de refuerzo en el hormigón. El análisis de varianza se muestra en la Tabla 8. El valor p, que es 0,008, indica la importancia del tipo de desperdicio de fibra con un nivel de confianza del 95 %, mientras que el porcentaje de refuerzo tiene un valor p 0,019, lo que indica un efecto significativo en el rendimiento del hormigón.

El gráfico del efecto principal del coeficiente de proximidad y el gráfico circular de la contribución general de los factores se muestran en la Fig. 8. El gráfico del efecto principal muestra que el tipo de fibra influye en gran medida en el rendimiento del concreto y el concreto reforzado con caucho residual demostró ser el más importante. refuerzo eficaz en el hormigón. La gráfica del efecto principal muestra que el porcentaje de desperdicio no mejora significativamente el desempeño del concreto. El gráfico circular muestra la contribución general de los factores. El tipo de fibra de desecho utilizada como refuerzo tiene la mayor contribución (59%) en el comportamiento sísmico del hormigón.

(a) Diagrama de efecto principal y (b) Gráfico circular.

El coeficiente de proximidad que tiene el valor más alto muestra la relación de mezcla óptima de FRC. También se realizó prueba confirmatoria para verificar la metodología TOPSIS. En la prueba de confirmación, las muestras se prepararon de acuerdo con la proporción de mezcla óptima, es decir, 1% de caucho como refuerzo en el concreto. Las muestras se prepararon y probaron para verificar el error máximo en la relación de mezcla óptima. Los resultados de la prueba de confirmación para todas las pruebas se muestran en la Tabla 9. El error máximo se calculó en 6,681 %, lo que muestra la satisfacción de los resultados de la prueba. Por lo tanto, se confirmó que la adición de un 1 % de residuos de caucho en el hormigón aumenta el rendimiento sísmico general del hormigón.

Se investigó el costo del concreto reforzado con PC y 1% de desechos de caucho para confirmar que la sustitución del cemento por desechos conduce a reducir significativamente el costo del concreto. Primero, se calculó el costo total para hacer las muestras de PC que tienen un volumen total de 11,250 cm3. El cemento utilizado para las muestras tuvo un costo de 1 USD, la arena 0,22 USD y los agregados gruesos 1,10 USD. El costo total fue de 2,32 USD. Al utilizar residuos de hule como refuerzo del 1% en el concreto, se ocupó un 8% más de volumen con el mismo costo incurrido. Por lo tanto, FRC redujo el costo total del concreto, lo que conduce a viviendas asequibles y de bajo costo. La estimación de costos se muestra en la Tabla 10.

La reutilización de residuos industriales es un fenómeno mundial para un futuro sostenible. La quema/vertimiento de desechos causa daños al ecosistema, lo que genera un impacto nocivo en el medio ambiente. En este estudio se utilizaron diferentes residuos fibrosos industriales en el concreto en diferentes porcentajes. En general, el hormigón armado con materiales fibrosos de desecho no solo mejora el comportamiento sísmico en términos de propiedades mecánicas y térmicas, sino que también reduce el problema del manejo de desechos. La resistencia a la compresión del hormigón aumentó con la adición de residuos de caucho y lana de roca al 1 % y al 2 % de carga, respectivamente. Los residuos de caucho con una adición del 0,5 % muestran un aumento del 4 % en la resistencia a la flexión. Con el aumento del porcentaje, la resistencia a la flexión de la muestra de hormigón se redujo. La energía de impacto de todas las muestras aumentó con la adición de residuos fibrosos como refuerzo. El aumento máximo en la energía de impacto es con desechos de caucho al 1% de carga. La resistencia a la tracción dividida del hormigón se vio afectada negativamente por la adición de desechos de fibra. La conductividad térmica del hormigón se redujo en gran medida por la adición de residuos de fibra. El refuerzo de fibra de coco y lana de roca en el hormigón redujo en gran medida la conductividad térmica del hormigón, convirtiéndolo en un material de construcción energéticamente eficiente. A partir del análisis estadístico (TOPSIS) se demostró que la muestra R2 (con 1 % de fibra de caucho) muestra en general los comportamientos sísmicos más favorables. La adición de un 1 % de caucho en el hormigón aumenta la resistencia a la compresión, la resistencia a la flexión y la resistencia al impacto del hormigón. Por lo tanto, se recomienda el uso de la muestra R2 para construcciones sísmicas/resistentes a terremotos de bajo costo. Por lo tanto, los desechos industriales se pueden utilizar de manera útil como material de construcción para un futuro sostenible. Además, mediante el uso de refuerzo de fibra de desecho, el costo total de construcción también disminuirá, lo que conducirá a viviendas de bajo costo con mejor capacidad sísmica para áreas propensas a terremotos.

Se pueden realizar investigaciones futuras para utilizar otros tipos de desechos agrícolas y desechos de consumo en la construcción de edificios. El rendimiento se puede evaluar a temperaturas extremas para determinar el rendimiento en entornos árticos y tropicales. Además, se puede investigar la influencia de los factores ambientales, como la humedad, la salinidad, etc., en la durabilidad del hormigón reforzado con fibras de desecho.

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado.

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Descargar referencias

Este trabajo fue apoyado por el proyecto HEC No 16003 titulado "Evaluación de la capacidad sísmica de los muros de relleno reforzados con fibra textil en estructuras de hormigón armado: un paso hacia la vivienda asequible" y por la agencia de subvenciones internas de la Facultad de Ingeniería, Universidad Checa de Ciencias de la Vida de Praga, proyecto " Desarrollo y caracterización de materiales compuestos poliméricos con relleno natural” (31140/1312/3105).

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Husain Ali y Hafsa Jamshaid

Departamento de Ciencia de Materiales y Tecnología de Fabricación, Facultad de Ingeniería, Universidad Checa de Ciencias de la Vida de Praga, Kamycka 129, 165 00, Praga, República Checa

Rajesh Mishra, Vijay Chandan, Petr Jirku, Viktor Kolar y Miroslav Muller

Departamento de Tecnologías Sostenibles, Facultad de Agrociencia Tropical, Universidad Checa de Ciencias de la Vida de Praga, Kamycka 129, 165 00, Praga, República Checa

Shabnam nazarí

Ingeniería Civil, Universidad de Ingeniería y Tecnología, Peshawar, Pakistán

Khan Shahzada

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Conceptualización: HA, HJ, RM, VC, PJ, VK, MM, SN, KS; Metodología: HA, HJ, RM, VC, PJ, VK, MM, SN, KS; Análisis e investigación formal: HA, HJ, RM, VC, PJ, VK, MM, SN, KS; Redacción—preparación del borrador original: HA, HJ, RM, VC, PJ, VK, MM, SN, KS; Escritura—revisión: HA, HJ, RM, VC, PJ, VK, MM, SN, KS; Adquisición de fondos: HJ, RM, PJ, MM, KS; Recursos: HJ, RM, PJ, MM, KS; Supervisión: HJ, RM, MM, KS

Correspondencia a Rajesh Mishra.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Ali, H., Jamshaid, H., Mishra, R. et al. Optimización del comportamiento sísmico en residuos de hormigón reforzado con fibra por el método TOPSIS. Informe científico 13, 8204 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-35495-9

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Recibido: 07 Abril 2023

Aceptado: 18 de mayo de 2023

Publicado: 21 mayo 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-35495-9

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