Changing the Cross-Sectional Shapes of the Prestressed Rovings in Warp-Knitted Glass and Carbon Reinforcing Fabrics

En el mundo de la construcción, el hormigón es una maravilla de la compresión; es increíblemente fuerte cuando se aprieta, pero se agrieta fácilmente cuando se estira. Para solucionar esta debilidad, los ingenieros incrustan barras de acero dentro del hormigón, una técnica conocida como refuerzo. Sin embargo, el acero tiene un defecto: se oxida. En las últimas décadas, los constructores han recurrido a un tipo diferente de refuerzo fabricado a partir de miles de diminutos haces de fibras de vidrio o carbono agrupados. Estos haces, llamados cabos o rovings, se tejen en telas que luego se estiran con fuerza y se incrustan en el hormigón. Este proceso, llamado pretensado, somete al hormigón a una presión constante, lo que permite que las estructuras sean más delgadas, ligeras y mucho más resistentes a las grietas. La clave para que esto funcione reside en la propia tela. Cuando estos haces de fibras se tensan, no solo se estiran como una banda elástica; su forma interna cambia. Los miles de hilos individuales dentro del haz se desplazan, se deslizan y se reorganizan. Si el haz se aplasta demasiado o cambia de forma de manera incorrecta, puede perder su agarre con el hormigón circundante, debilitando toda la estructura. Comprender exactamente cómo estos haces se deforman bajo tensión es esencial para predecir cuánto durará un edificio y cuánto peso puede soportar de forma segura.

Investigadores de la Universidad Politécnica de San Petersburgo Pedro el Grande se propusieron observar este reordenamiento invisible en tiempo real. Se centraron en dos tipos específicos de telas de punto de urdimbre, un método de fabricación que crea estructuras abiertas, similares a una malla. Un tipo de tela utiliza un patrón de puntada llamado "tricot", que crea una estructura diagonal e interconectada, mientras que la otra utiliza una puntada de "pilar", que forma un patrón de cadena más vertical. El equipo probó telas hechas tanto de fibras de vidrio como de carbono, sometiéndolas a niveles crecientes de tensión. No se limitaron a tirar de la tela hasta que se rompiera; en su lugar, se detuvieron en puntos específicos —al 25%, 50% y 75% de la resistencia máxima de la tela— para examinar qué estaba sucediendo en su interior. Para lograrlo, congelaron la tela en su estado estirado utilizando una resina de endurecimiento rápido, cortaron finas rebanadas y las observaron bajo un potente microscopio. Luego, utilizaron un software informático para mapear la posición de cada fibra individual dentro de la sección transversal del haz, creando una imagen estadística detallada de cómo se movían los hilos a medida que aumentaba la carga.

Los resultados revelaron una diferencia drástica entre los dos patrones de puntada. En las telas fabricadas con la puntada tricot, la sección transversal del haz de fibras cambió significativamente a medida que aumentaba la carga. Inicialmente, estos haces tenían una forma ovalada y achatada, con las fibras extendidas sobre un área amplia. A medida que la tensión aumentaba, el haz comenzó a comprimirse, perdiendo su planitud y volviéndose más circular. Las fibras, que antes estaban dispersas, migraron hacia el interior, hacia el centro del haz. Este reordenamiento ocurrió más rápidamente en las etapas iniciales del estiramiento, específicamente entre el inicio y el 25% de la carga máxima. Para cuando la tela alcanzó el 75% de su resistencia, el haz se había transformado en una forma mucho más cercana a un círculo, y las fibras estaban densamente agrupadas cerca del medio. Este cambio significó que el haz perdía contacto con el material circundante, un factor crítico porque el vínculo entre la fibra y el hormigón depende de la superficie de contacto del haz con el cemento.

En marcado contraste, las telas fabricadas con la puntada de pilar se comportaron de manera muy diferente. Estos haces comenzaron con una forma casi circular y se mantuvieron así durante todo el proceso de estiramiento. Incluso cuando la tensión aumentó al 75% de la resistencia máxima, la sección transversal de los haces de la puntada de pilar solo se encogió ligeramente en diámetro. Las fibras no migraron drásticamente hacia el centro; en su lugar, mantuvieron su distribución original y uniforme. Los investigadores descubrieron que la puntada de pilar proporcionaba una geometría mucho más estable, resistiendo el aplanamiento y el cambio de forma que ocurrían en las muestras de tricot. Esta estabilidad sugiere que la puntada de pilar podría ofrecer un agarre más consistente al hormigón, ya que la forma del refuerzo no experimenta una transformación radical bajo carga.

El estudio también destacó que este cambio de forma no es solo una cuestión de que el haz se haga más pequeño; es una compleja migración interna de miles de filamentos individuales. En la puntada tricot, las fibras se mueven desde los bordes exteriores hacia el núcleo, reduciendo efectivamente la "longitud de contacto": el perímetro del haz que toca el hormigón. Los investigadores calcularon que la longitud de contacto cae bruscamente en el primer cuarto del proceso de estiramiento, tras lo cual se estabiliza. Este hallazgo sugiere que los cambios más críticos ocurren al principio, y que estirar la tela más allá de cierto punto no altera significativamente el arreglo interno. También se observó la diferencia entre las fibras de vidrio y las de carbono, señalando que los haces de carbono contienen muchos más filamentos individuales que los de vidrio, aunque ambos siguieron las mismas reglas generales dictadas por su patrón de puntada.

En última instancia, este trabajo proporciona un mapa claro de cómo se comportan estas telas de alta tecnología bajo estrés. Demuestra que la elección del patrón de puntada no es simplemente un detalle de fabricación, sino un factor fundamental en cómo el refuerzo interactúa con el hormigón. Para los ingenieros que diseñan estructuras de hormigón pretensado, esto significa que la puntada tricot, aunque es común, experimenta una transformación geométrica significativa que podría afectar el rendimiento a largo plazo del material. La puntada de pilar, al mantener su forma, ofrece un perfil mecánico diferente. La investigación confirma que, para predecir la resistencia y la durabilidad de estas estructuras modernas, se debe mirar más allá de la simple resistencia de las fibras y comprender la compleja y cambiante geometría de los haces que las mantienen unidas.