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May 16, 2023

Optimización del comportamiento sísmico en residuos de hormigón armado con fibras mediante el método TOPSIS.

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 8204 (2023) Cite este artículo 744 Accesos 2 Detalles de Altmetric Metrics Una corrección del autor de este artículo se publicó el 20 de junio de 2023. Este artículo tiene

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

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Se publicó una corrección del autor de este artículo el 20 de junio de 2023.

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Para lograr un medio ambiente sostenible y abordar el problema de la contaminación, los residuos industriales se pueden utilizar en materiales compuestos de hormigón. Esto es especialmente beneficioso en lugares propensos al graznido de la tierra y a temperaturas más bajas. En este estudio, se utilizaron como aditivos 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, en una mezcla de concreto al 0,5%, 1% y 1,5% en masa. Las propiedades de las muestras relacionadas con el rendimiento sísmico 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 se vio influenciada por la adición de desechos fibrosos poliméricos. Se realizó un análisis microscópico para examinar las superficies fracturadas. Para obtener la proporción de mezcla óptima, se utilizó una técnica de optimización de respuesta múltiple para determinar el nivel deseado de resistencia al impacto en un nivel aceptable de otras propiedades. Se descubrió que los residuos de caucho eran la opción más atractiva, seguidos de los residuos de fibra de coco para la aplicación sísmica del hormigón. La importancia y la contribución porcentual de cada factor se obtuvieron mediante análisis de varianza ANOVA (α = 0,05) y 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. La técnica de similitud de preferencia de orden con la solución ideal (TOPSIS) se utilizó para las muestras desarrolladas para obtener la solución (muestra) más cercana al ideal según el peso y la preferencia dados para la toma de decisiones. La prueba confirmatoria arroja resultados satisfactorios con un error del 6,68%. Se estimó el costo de la muestra de referencia y de la muestra de concreto reforzado con caucho de desecho, lo que mostró que se logró un volumen un 8% mayor con concreto reforzado con fibra de desecho a aproximadamente el mismo costo que el concreto puro. El hormigón reforzado con contenido de fibra reciclada es potencialmente beneficioso en términos de minimizar el agotamiento y el desperdicio de recursos. La adición de residuos de fibras poliméricas en compuestos de hormigón no sólo mejora las propiedades relacionadas con el rendimiento sísmico sino que también reduce la contaminación ambiental procedente de materiales de desecho que no tienen otro uso final.

Las preocupaciones medioambientales y la eficiencia energética son los dos principales problemas de la era actual. El hormigón es el segundo material más utilizado en el mundo1. Según un informe del Consejo Empresarial Mundial, cada año se utilizan 3,8 toneladas de hormigón por persona2. El uso de cemento en grandes cantidades tiene graves efectos sobre el medio ambiente porque la producción de material de hormigón provoca emisiones 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% del total de las emisiones globales 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. La sustitución parcial del componente de hormigón por otros materiales respetuosos con el medio ambiente es una solución práctica a este problema. El hormigón también tiene otros inconvenientes, como grietas, derrames y fragilidad, además de no ser ecológico. El hormigón puro tiene una resistencia débil a la tracción, aunque tiene una alta resistencia a la compresión. Para evitar el desastre medioambiental que surge debido al uso a gran escala de 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 y proporcionar el rendimiento sísmico requerido y minimizar los costos. El uso de fibras/residuos conduce a una 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 en el vertedero. Estos residuos industriales incluyen poliéster, caucho, algodón, plástico, lana de roca, fibras de vidrio, nailon, etc. La descomposición del poliéster tarda entre 20 y 200 años, la del caucho entre 50 y 80 años, la lana de roca entre 1 y 5 años y el vidrio. las fibras tardan entre 4.000 y 5.000 años. Este tipo de residuos industriales pueden utilizarse como refuerzo en las industrias de la construcción. El aprovechamiento de residuos en la construcción es un buen paso hacia una construcción ecológica. Muchos investigadores están trabajando en el aprovechamiento de este tipo de residuos en la industria de la construcción4,5,6.

Los terremotos ocurren en todo el mundo y provocan desastres. Las estructuras de construcción que no están reforzadas o reforzadas con acero colapsan cuando se someten a cargas sísmicas debido a una ductilidad y resistencia insuficientes. El colapso de las estructuras del edificio causa lesiones, pérdida de vidas y pérdidas económicas. La estructura del edificio debe ser lo suficientemente fuerte para resistir el terremoto tanto como sea posible. Por lo tanto, es necesario utilizar aquellos materiales de refuerzo que aumenten la resistencia, ductilidad y 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 armado con residuos de fibra o polímeros es una tecnología emergente para salvar la estructura del edificio durante una carga sísmica o un desastre relacionado con un terremoto, ya que tiene suficiente resistencia y ductilidad para soportar la carga sísmica. Las fibras se añaden como reemplazo parcial del cemento, acero y 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 del uso de alambre de acero es que es propenso a oxidarse, además de aumentar el peso estructural y provocar 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 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 fibra de carbono son muy caras. Los investigadores estudiaron diferentes porcentajes de fibra de yute y diferentes tipos de suelos en el hormigón para fabricar edificios resistentes a los terremotos. Concluyeron que al cambiar el tipo de suelo y agregar fibra de yute al concreto se aumenta la ductilidad del concreto. Otros investigadores utilizaron fibras de yute y sisal en edificios de hormigón para resistir los terremotos y compararon la resistencia con el hormigón reforzado con fibra de carbono. Las columnas de hormigón para edificios con alturas relativamente menores, con fibra de yute y sisal, lograron una resistencia igual a la de la lámina de fibra de carbono y al mismo tiempo incurrieron en un costo un 35% menor14,15.

Algunos estudios encontraron que la adición de un 1% de caucho residual al hormigón ayuda a aumentar la ductilidad del hormigón, lo que aumenta la resistencia sísmica 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 desechos de fibra de coco en las levas de concreto mejoran la resistencia mecánica y reducen el peso, lo que tiene un efecto positivo durante las cargas sísmicas. La adición de fibra de coco al hormigón tiene un efecto positivo sobre la resistencia a la compresión y un efecto negativo sobre la resistencia a la flexión26,27,28,29. Se utilizaron como refuerzo diferentes tipos de desechos industriales y domésticos, como botellas de PET, mascarillas y 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, todavía es un desafío producir edificios livianos con mayor capacidad de carga a un costo asequible. Son pocas o nulas las investigaciones reportadas sobre el estudio combinado de mejora de las propiedades mecánicas y de aislamiento térmico del material de hormigón utilizando residuos industriales.

El objetivo general de este estudio es producir materiales de construcción sostenibles que soporten mayor carga, sean de bajo costo y energéticamente eficientes mediante la adición de residuos fibrosos industriales al hormigón como refuerzo. Los resultados obtenidos también se comparan con muestras de hormigón simple (PC) y se presenta un estudio integral de mejora en el aislamiento térmico y la resistencia mecánica. Una cuestión importante en la ingeniería de materiales es encontrar una muestra óptima de FRC con la calidad deseada del hormigón para aplicaciones particulares. Mediante la adición de material de desecho/fibras, algunas propiedades mejoran mientras que otras mostraron efectos negativos. Por ejemplo, añadiendo fibras de vidrio al 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 que contiene fibra de acero como refuerzo35. Otros utilizaron el método de la superficie de respuesta para contar el contenido de aglutinante en el hormigón armado con hormigón armado de ultra alto rendimiento36. 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 tienen efectos negativos sobre las propiedades deseadas. Para ello se utilizan métodos de optimización de respuestas múltiples. 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. Algunos otros investigadores utilizaron 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 al 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 de refuerzo que se pueden utilizar más adelante para aplicaciones sísmicas. Esta investigación aborda importantes cuestiones ambientales en términos de emisión de CO2 debido a la fabricación de cemento, consumo de energía y eliminación de residuos40. La importancia de la investigación es que se utilizan diferentes tipos de materiales de desecho industriales 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 otro modo, permanecerían en el vertedero durante varios años. Se logró una solución sostenible para la construcción resistente a terremotos de bajo costo.

Las muestras de concreto se prepararon con cemento Portland ordinario, arena con módulo de finura de 2.42, relación agua:cemento 0.55, agregados gruesos de 4 mm de tamaño y cinco tipos de materiales de desecho fibrosos en 3 porcentajes diferentes cada uno. Estos materiales fibrosos de desecho 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 de las cuerdas. Se recogieron residuos de poliéster que se producen durante el proceso de corte de los tejidos. Se recogieron fibras de vidrio de desecho de filtros de plantas de agua de ósmosis inversa (RO). El caucho de desecho, que se utiliza en la maquinaria textil, se recogió del mercado de trapos. Se extraía lana de roca de desecho de calderas inservibles. Todos los materiales son residuos que de otro modo quedarían en vertedero 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 una máquina de prueba universal, 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 proporción de mezcla 1:2:3 (cemento:arena:agregado grueso), con agua 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 fabricar FRC. Se utilizaron tres proporciones diferentes, es decir, 0,5%, 1% y 1,5% de cada material de desecho con respecto al peso del cemento para fabricar 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 fundieron 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 cargas, las cuales 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 producidas en la superficie del pavimento rígido se deben a una menor resistencia a la flexión. De manera similar, 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, colisiones de vehículos, especialmente en puentes y durante terremotos. Todas las muestras se probaron con una réplica de 3 para los tres porcentajes diferentes de fibra para cada tipo de fibra residual como refuerzo en el hormigón.

La resistencia a la compresión de las muestras de hormigón 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 réplicas para cada muestra. Cada muestra se colocó verticalmente entre las mandíbulas para que actuara como un prototipo de miembro de compresión o columna. En esta prueba las muestras de hormigón se colocaron entre dos mandíbulas, una de las cuales era móvil y la otra estacionaria. Cuando la carga se aplica a través de las mordazas, el punto en el que se produce la falla de la muestra de concreto se muestra como una lectura digital, que es la resistencia a la compresión total de la muestra de concreto.

Instrumentos de prueba.

La prueba de flexión/flexión de las muestras de hormigón se llevó a cabo con dimensiones de 150 mm de ancho x 150 mm de profundidad x una 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 de 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 réplicas. Para medir la resistencia a la flexión del hormigón, las muestras se colocaron en dos varillas a la misma distancia de 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 una norma específica 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 con un peso de 1,8 kg 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 debida a la gravedad y el número de golpes necesarios para la muestra antes de fracturarse. La energía de impacto se calculó utilizando la ecuación. (1)43.

donde, E es la energía total de impacto en el momento de falla de la muestra; N es el número de golpes en caso de fallo de 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 debida a la gravedad, es decir, 9,81 m/s2.

Se utilizó una máquina de prueba universal hidráulica (serie IBMU4) para realizar la prueba de resistencia a la tracción dividida de las muestras de concreto liviano como se muestra en 3 (d). Se colocaron muestras cilíndricas entre las placas de prueba para realizar la prueba de tracción de división. Para probar 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 ambientes exterior e interior, y protege a los habitantes del ambiente externo. 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 la cámara termográfica CANTRONIC System Inc. (Canadá) y las muestras se calentaron con una pistola de calor como se muestra en la Fig. 3e.

Solo se midieron FRC con 1% de materiales de desecho y la muestra de referencia utilizando una cámara termográfica. Se prepararon muestras cúbicas con dimensiones de altura/espesor de 50 mm, ancho de 100 mm y largo de 125 mm. Primero, las muestras se colocaron adecuadamente 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 minutos, se tomaron nuevamente la temperatura y las imágenes térmicas de ambos lados de las muestras. Las temperaturas de los termogramas se analizaron utilizando un software de imágenes térmicas (software IR Camera Report). Luego, se calculó la conductividad térmica de las muestras 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 la prueba, W, A = Área de sección transversal, m2, t = espesor, m, ΔT = (T1 − T2) = Diferencia de temperatura entre el primer punto en región cálida y último punto en la región fría, K.

Las superficies fracturadas de las muestras rotas se examinaron cuidadosamente después de 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 de puente y la rotura de las fibras.

El diseño del experimento se realizó mediante el método Taguchi, ya que es uno de los métodos más comunes en la investigación científica. Pero su limitación es que solo puede abordar la optimización de una respuesta única. Por lo tanto, no se puede utilizar directamente para la optimización de respuestas múltiples. Las técnicas de optimización son las mejores soluciones para dicha investigación. Se pueden utilizar diferentes tipos de técnicas de modelado y simulación dependiendo de los resultados experimentales para encontrar la proporción de mezcla óptima para el hormigón. Principalmente para matrices de decisión lineal complejas, se puede utilizar la técnica de lógica FUZZY. El método de lógica FUZZY se utiliza 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 los resultados de respuestas múltiples en una respuesta única. La técnica TOPSIS (la similitud de preferencia de orden con la solución ideal) fue desarrollada aún más por investigadores46,47,48,49. Se utilizó AHP para encontrar la ponderación de los diferentes atributos, que tiene una escala del 1 al 9 que muestra la misma importancia para todos los atributos. De acuerdo con el rendimiento sísmico deseado para la resistencia a los terremotos, el edificio debe ser resistente a la compresión y debe exhibir suficiente resistencia a la rotura y a la flexión. La resistencia a la compresión es muy importante en este análisis y se le dio un número de 5. La resistencia a la flexión y la resistencia al impacto tienen una importancia entre fuerte y moderada y se le dio el número 4. La resistencia a la tracción dividida recibió el número 3 ya que tiene una importancia moderada en caso de resistencia a terremotos. El AHP utilizado para encontrar la ponderación de los diferentes atributos tiene una escala del 1 al 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 más bajo, más alto 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 del 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 preferencias se puede utilizar como.

Los pesos calculados de 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 está asociado con un factor beneficioso mientras que J̍ está asociado con un factor no beneficioso.

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

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

El análisis de varianza (ANOVA) se realizó utilizando el software Minitab (www.minitab.com) para determinar si los factores eran significativos o no. Para ello se examinaron los valores 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 el PC, aparecieron grietas diagonales y de corte en muestras de FRC bajo carga de compresión. Se ensayó la resistencia a la compresión del hormigón con diferentes fibras de desecho y diferentes porcentajes de armadura. De la Tabla 4 y la Fig. 4a, los resultados muestran que con una adición de refuerzo del 0,5%, hay una disminución en la resistencia a la compresión para todos los 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 residuos de fibra. Sólo los desechos 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 hormigón armado con desechos de caucho mostró una resistencia máxima 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 los residuos de caucho llenó los huecos, lo que aumentó la resistencia a la compresión. El caucho por sí solo no tiene una unión perfecta con la matriz del 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. Al agregar caucho, hay un cambio en el modo de falla del concreto de fragilidad a ductilidad. La lana de roca también tiene buena unión con la matriz del hormigón; y por lo tanto, los resultados muestran una mejora en la resistencia a la compresión. El poliéster tiene la menor fuerza de unión con la matriz del 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 de 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.

Rendimiento mecánico del hormigón reforzado con fibras frente al hormigón puro (a) Propiedades de compresión, (b) Flexión, (c) Impacto y (d) Tracción dividida.

La resistencia a la flexión del hormigón a veces se reduce con la adición del refuerzo, como se muestra en la Tabla 4. Con una carga de fibra residual 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 en la resistencia a la flexión en todas las muestras. La razón de la mejora en 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 consigue el efecto de puente de las zonas de refuerzo con la matriz circundante. La muestra recibe más carga y se retrasa la propagación de la grieta. Las muestras que mostraron una menor resistencia a la flexión pueden deberse a la acumulación de refuerzo en ciertos lugares del hormigón. Esto tiende a reducir la resistencia a la flexión del hormigón en ciertos puntos53. La resistencia a la flexión del hormigón se reduce con un mayor porcentaje de refuerzo porque existe la posibilidad de que el refuerzo se entrelaza y queda más aire 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.

La energía de impacto de las muestras de hormigón aumentó mediante 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. La PC es un material frágil, mientras que la adición de refuerzo ayuda a 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 existe una mejora significativa en la energía de impacto del hormigón armado con lana de roca. Con un 0,5%, la mejora en la energía de impacto se atribuyó a las macrofibras que se utilizan en el hormigón. Este tipo de macrofibras resiste la iniciación de grietas bajo tensiones y absorben 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 aproximadamente el 54%. La fibra de coco, la lana de roca, el poliéster y el 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 podría unirse a la matriz circundante y reducir los huecos. Esto da como resultado estructuras más fuertes que muestran una mayor resistencia bajo la fuerza del impacto. La mayor fracción de refuerzo reduce efectivamente la propagación de macrofisuras en el hormigón53. Estos tipos de hormigón reforzado con fibras que presentan suficiente ductilidad se pueden utilizar 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 entrelazamiento del refuerzo, lo que resulta en una reducción de la absorción de energía general.

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 a 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 al concreto, la resistencia a la tracción dividida del concreto se reduce significativamente, pero se mejora la ductilidad de las muestras. Las muestras reforzadas especialmente con caucho y fibras de coco se dividieron en dos pedazos mediante la primera propagación de grietas. 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 reducen la falla posterior a la fisura en el concreto y aumentan la ductilidad del concreto. También se puede predecir que el FRC puede resistir un poco más de tiempo contra fuerzas de tracción divididas en comparación con el PC porque los refuerzos de fibra presentes en el concreto actúan como supresores de grietas y resisten la propagación de las grietas. Los gráficos de barras de la resistencia a la tracción dividida de las muestras de concreto se muestran en la Fig. 4d. Dado que la prueba de tracción dividida es similar a una prueba de flexión de ancho reducido, los resultados son muy similares a los de la prueba de flexión.

La conductividad térmica es un parámetro importante para acceder a las propiedades del material, si es un buen aislante o no. Se evaluaron los valores de conductividad térmica de las muestras de hormigón armado con un 1% de fibra para detectar el comportamiento térmico. La conductividad térmica de todas las muestras con una dosis de refuerzo del 1% se proporciona en 4. La tendencia de la conductividad térmica se muestra en la Fig. 5. Los resultados muestran que el hormigón armado 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 armado 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 de fibra debido a la porosidad de la armadura. El hormigón que contiene lana de roca y residuos de fibra de vidrio como refuerzo se puede utilizar en el aislamiento térmico de edificios. En la Fig. 6 se muestran imágenes térmicas de todas las muestras después de una exposición de 5 minutos a una fuente de calor.

Conductividad térmica.

Ilustraciones de imágenes térmicas de muestras.

La imagen térmica cuantifica la temperatura del otro lado de la superficie calentada de las muestras. Las muestras que tienen mayor resistencia térmica han mostrado la menor disipación de calor/pérdida de calor, como se muestra en los resultados de las imágenes térmicas en la Fig. 6. Las muestras reforzadas con fibra de lana de roca, vidrio, coco y 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 ningún refuerzo muestra la mayor transferencia de calor indicada por el brillo máximo.

Se tomaron imágenes microscópicas de las muestras de hormigón armado con fibras de desecho rotas para comprobar el patrón de unión de la fibra con la matriz de hormigón circundante. Después de la aplicación de cargas durante las pruebas mecánicas, las muestras se rompieron en pedazos. Las imágenes de 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 hormigón. Debido al efecto puente de las fibras de refuerzo, el hormigón puede evitar fallas repentinas y mostrar una mayor energía posterior a la fisura en comparación con el PC. Las imágenes muestran que existe una fuerte unión entre los residuos fibrosos y el cemento. En las imágenes se puede observar en algunos casos el desprendimiento de fibra sobrante. Se hizo una observación similar para la fibra de coco. Sin embargo, los residuos de poliéster tienen una unión mínima con el hormigón porque las fibras son en su mayoría hidrófobas y tienen menor afinidad hacia el hormigón. Se concluye luego de realizar experimentos que el refuerzo de residuos fibrosos en el concreto ayuda a resistir el inicio y progresión de grietas.

Imágenes microscópicas de muestras agrietadas (a) Hormigón 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 referentes 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 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 dan de acuerdo con la importancia de la propiedad, como la resistencia a la compresión tiene gran importancia 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 ecuaciones. (5) y (6). El peso normalizado se da 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, utilizando la Ec. (10) se calculó el coeficiente de rendimiento general más cercano a la solución ideal. Los coeficientes de cercanía se muestran en la Tabla 7.

Se realizó un análisis de varianza (ANOVA) con un nivel de confianza del 95% para comprobar la significancia del tipo de residuo fibroso y el porcentaje de armadura 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 residuo de fibra con un nivel de confianza del 95 %, mientras que el porcentaje de refuerzo tiene un valor p 0,019 que indica un efecto significativo sobre el rendimiento del hormigón.

El gráfico del efecto principal del coeficiente de cercanía 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 hormigón y el hormigón armado con desecho de caucho resultó ser el más refuerzo efectivo en concreto. El gráfico del efecto principal muestra que el porcentaje de residuos no mejora significativamente el rendimiento del hormigón. El chat circular muestra la contribución general de los factores. El tipo de fibra residual utilizada como refuerzo tiene la mayor contribución (59%) al comportamiento sísmico del hormigón.

(a) Gráfico del efecto principal y (b) Gráfico circular.

El coeficiente de cercanía que tiene el valor más alto muestra la proporción de mezcla óptima de FRC. También se realizó prueba confirmatoria para verificar la metodología TOPSIS. En la prueba de confirmación, las muestras se prepararon según la proporción de mezcla óptima, es decir, 1 % de caucho como refuerzo en el hormigón. Se prepararon y probaron muestras para verificar el error máximo en la proporción 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. Así, se confirmó que la adición del 1% de residuos de caucho al hormigón aumenta el rendimiento sísmico general del hormigón.

Se investigó el costo del hormigón armado con residuos de PC y 1% de caucho para confirmar que la sustitución del cemento por residuos conduce a una reducción significativa del coste del hormigón. Primero, se calculó el costo total para fabricar 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 caucho de desecho como refuerzo del 1% en el hormigón, se ocupó un 8% más de volumen con el mismo coste incurrido. Por lo tanto, FRC redujo el costo general 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 o vertido de residuos causa daños al ecosistema, lo que genera un impacto nocivo para el medio ambiente. En este estudio se utilizaron diferentes residuos fibrosos industriales en el hormigón en diferentes porcentajes. En general, el hormigón armado con materiales fibrosos de desecho no sólo mejora el rendimiento sísmico en términos de propiedades mecánicas y térmicas, sino que también reduce el problema de manipulación de residuos. La resistencia a la compresión del hormigón aumentó mediante la adición de residuos de caucho y lana de roca con una carga del 1% y 2% respectivamente. Los desechos de caucho con una adición del 0,5 % muestran un aumento del 4 % en la resistencia a la flexión. Con un porcentaje creciente, se redujo la resistencia a la flexión de la muestra de hormigón. La energía de impacto de todas las muestras aumentó con la adición de desechos fibrosos como refuerzo. El aumento máximo en la energía de impacto se produce con desechos de caucho con una carga del 1%. La resistencia a la tracción del hormigón se vio afectada negativamente por la adición de residuos de fibra. La conductividad térmica del hormigón se redujo considerablemente mediante la adición de residuos de fibras. El refuerzo de lana de roca y fibra de coco 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 el comportamiento sísmico más favorable. La adición de un 1% de caucho al hormigón aumenta la resistencia a la compresión, la resistencia a la flexión y la resistencia al impacto del hormigón. Por lo tanto, se recomienda utilizar la muestra R2 para edificios sísmicos/resistentes a terremotos de bajo costo. Por tanto, los residuos industriales pueden utilizarse de forma útil como material de construcción para un futuro sostenible. Además, al utilizar refuerzo de fibra de desecho, el costo general 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 ambientes árticos y tropicales. Además, se puede investigar la influencia de factores ambientales, por ejemplo, humedad, salinidad, etc., en la durabilidad del hormigón armado con fibras de desecho.

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

Se ha publicado una corrección a este artículo: https://doi.org/10.1038/s41598-023-37043-x

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Este trabajo fue apoyado por el proyecto HEC No 16003 titulado “Evaluación de la capacidad sísmica de muros de relleno reforzados con fibras textiles en estructuras de hormigón armado: un paso hacia viviendas asequibles” y por la agencia de subvenciones interna de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Checa de Ciencias de la Vida de Praga, proyecto “ Desarrollo y caracterización de materiales compuestos poliméricos con carga natural” (31140/1312/3105).

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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; Escritura: preparación del borrador original: HA, HJ, RM, VC, PJ, VK, MM, SN, KS; Redacción: revisión: HA, HJ, RM, VC, PJ, VK, MM, SN, KS; Adquisición de financiación: 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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La versión original en línea de este artículo fue revisada: La versión original de este artículo contenía un error en la ortografía del autor Husnain Ali que se indicó incorrectamente como Husain Ali.

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Reimpresiones y permisos

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

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Recibido: 07 de abril de 2023

Aceptado: 18 de mayo de 2023

Publicado: 21 de mayo de 2023

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

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