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Research and Statistical Analysis on the Impact Resistance of Supplementary Cementitious Material with Different Glass Fiber Content

Este estudio investiga la resistencia al impacto dinámico de un mortero de cemento reforzado con fibra de vidrio que contiene materiales cementantes suplementarios bajo diversas relaciones agua-aglomerante y contenidos de fibra mediante pruebas de barra de presión de Hopkinson dividida, revelando que un volumen de fibra del 1,5% y una relación agua-aglomerante de 0,5 optimizan la absorción de energía y la tenacidad, mientras que el comportamiento de falla del material es modelado eficazmente por una distribución de Weibull de dos parámetros.

Autores originales: Wenlong Huo, Xiaonian Chen, Zhengxiong Bai, Xiuyu Wu

Publicado 2026-07-02

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CC BY 4.0

Autores originales: Wenlong Huo, Xiaonian Chen, Zhengxiong Bai, Xiuyu Wu

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

El panorama general: Construyendo un cemento "a prueba de balas"

Imagina que estás construyendo una pared. Normalmente, las paredes son excelentes para soportar libros pesados (cargas estáticas), pero si alguien les lanza una piedra pesada o si hay una explosión cerca, la pared podría destrozarse instantáneamente.

Este estudio trata sobre la creación de un tipo especial de mortero de cemento (el "pegamento" y el relleno en la construcción) que sea más resistente y mejor para sobrevivir a impactos repentinos y violentos. Los investigadores querían ver si añadir fibras de vidrio (diminutas y fuertes hebras de vidrio) y algunos "superingredientes" especiales (micro-sílice y un agente expansor) podía convertir el cemento regular en un material que absorba los impactos como una esponja en lugar de romperse como una galleta seca.

Los ingredientes: ¿Qué se incluyó en la mezcla?

Los investigadores crearon 216 pequeños "pasteles de prueba" cilíndricos de cemento. Ajustaron la receta de dos maneras:

La relación agua/aglomerante (A/B): Piensa en esto como la humedad en la masa de un pastel. Probaron tres niveles: una mezcla "seca" (0.3), una mezcla "media" (0.4) y una mezcla "húmeda" (0.5).
La fibra de vidrio (GF): Esta es el arma secreta. Añadieron fibras de vidrio en cuatro cantidades:
- 0%: Sin fibras (el grupo de control).
- 0.5%, 1.0% y 1.5%: Aumentando las cantidades de diminutas hebras de vidrio, como si se añadiera cada vez más barras de refuerzo de acero a un puente de concreto, pero a escala microscópica.

La prueba: El desafío del "cañón de aire"

Para ver qué tan resistentes eran estas mezclas, no solo las presionaron; las golpearon. Utilizaron una máquina llamada Barra de Hopkinson de División (SHPB).

La analogía: Imagina un cañón de aire de alta velocidad disparando un proyectil contra tu pastel de prueba. Los investigadores ajustaron la presión del aire (0.2, 0.3 y 0.4 MPa) para simular diferentes niveles de impacto, desde un puñetazo fuerte hasta un golpe pesado.
El objetivo: Querían ver con qué rapidez podía deformarse el material, cuánta energía podía absorber y si se agrietaría limpiamente o se convertiría en polvo.

Lo que encontraron: Los secretos del "supercemento"

1. El efecto de la "velocidad" (Velocidad de deformación)
Cuando el material es golpeado lentamente, se comporta de una manera. Cuando es golpeado rápido (como una explosión), se comporta de otra.

El hallazgo: Cuanto más rápido era el golpe, más fuerte se volvía el material, pero también se rompía en piezas más pequeñas y finas. Es como cómo un trozo de caramático se estira si lo tiras lentamente, pero se rompe si lo sacas bruscamente. El material mostró un "efecto de velocidad de deformación", lo que significa que era más difícil romperlo cuanto más rápido lo golpeabas, pero el daño era más severo.

2. La mezcla "húmeda" ganó
Sorprendentemente, la mezcla con la mayor relación de agua (0.5) fue la que mejor funcionó para absorber energía.

La analogía: Piensa en una esponja seca frente a una esponja húmeda. La mezcla más seca era demasiado rígida y quebradiza. La mezcla más húmeda tenía más "flexibilidad", permitiéndole absorber mejor la energía de la onda de choque sin romperse inmediatamente. Actuaba como un amortiguador en un automóvil.

3. La magia de la fibra de vidrio
Añadir fibras de vidrio cambió las reglas del juego por completo.

El hallazgo: Cuando añadieron un 1.5% de fibra de vidrio, el material se volvió increíblemente resistente.
La analogía: Imagina una carretera. Sin fibras, una grieta es como un bache que se propaga instantáneamente por toda la carretera. Con fibras, las grietas son como baches que chocan con un "reductor de velocidad" (las fibras). Las fibras mantienen el material unido, obligando a la grieta a tomar un camino más largo y difícil para propagarse. Esto evitó que el material se convirtiera en polvo y le otorgó una alta "tenacidad última" (la capacidad de estirarse y doblarse antes de romperse).

4. Las cuatro etapas de la ruptura
Cuando golpearon las muestras, la curva de esfuerzo-deformación (un gráfico que muestra cómo reaccionó el material) tuvo cuatro capítulos distintos:

Etapa elástica: El material se estira como una banda elástica y quiere volver a su forma original.
Expansión de grietas: Comienzan a formarse grietas diminutas e invisibles.
Deformación plástica: El material comienza a deformarse permanentemente (como doblar un clip). Las fibras ayudaron a que esta etapa durara más, absorbiendo más energía.
Falla: El material finalmente cede.

La "bola de cristal" estadística

Los investigadores no solo observaron los resultados; utilizaron una herramienta matemática llamada distribución de Weibull.

La analogía: Piensa en esto como una "bola de cristal de predicción de fallas". Debido a que no hay dos piezas de cemento que sean exactamente idénticas (algunas tienen pequeñas burbujas de aire, otras son ligeramente más densas), la resistencia varía. La prueba de Weibull les ayudó a predecir la probabilidad de que una pieza se rompa a cierta resistencia.
El resultado: Las matemáticas funcionaron perfectamente. Encontraron que la relación entre la presión de aire utilizada para golpear la muestra y la resistencia del material seguía una línea curva suave (un polinomio cuadrático). Esto significa que ahora pueden predecir exactamente qué tan fuerte será una mezcla con solo conocer la receta y la presión del impacto.

La conclusión final

Este estudio demuestra que, al añadir la cantidad adecuada de fibras de vidrio (específicamente 1.5%) y ajustar el contenido de agua, se puede crear un mortero de cemento que actúa como una armadura de alta tecnología. En lugar de destrozarse cuando recibe un impacto repentino, absorbe la energía, retrasa el agrietamiento y se mantiene mucho más unido. Esto es un gran avance para edificios que necesitan sobrevivir a terremotos, explosiones u otros impactos extremos.

Resumen Técnico: Resistencia al Impacto de Materiales Cementantes Suplementarios con Diferentes Contenidos de Fibra de Vidrio

Planteamiento del Problema
El mortero es un material crítico para la unión, el relleno y la reparación en la construcción; sin embargo, es propenso a la fisuración por retracción, lo que compromete la resistencia a la compresión y la durabilidad. Si bien se sabe que los Materiales Cementantes Suplementarios (SCM, por sus siglas en inglés), como la micro-sílice (MS) y los agentes de expansión (EA), mejoran las propiedades mecánicas estáticas e inhiben la retracción, existe una relativa escasez de investigación sobre su desempeño bajo cargas de impacto dinámico. Los estudios existentes sobre morteros reforzados con fibras suelen depender de un alto contenido de cemento o de aditivos anticorrosivos que pueden ser ambientalmente desfavorables o inducir daños iniciales. En consecuencia, existe la necesidad de investigar las propiedades mecánicas dinámicas del mortero mejorado con SCM y fibras de vidrio (GF) para comprender mejor su comportamiento bajo cargas extremas como explosiones, impactos y terremotos.

Metodología
El estudio utilizó un dispositivo de Barra de Presión de Hopkinson Dividida (SHPB) para realizar pruebas de impacto dinámico en 216 especímenes cilíndricos (ø75 mm × 37.5 mm). Los especímenes estaban compuestos de Cemento Portland Ordinario (PC), micro-sílice (10% en peso de PC), un agente de expansión (8% en peso de PC), arena de río y fibras de vidrio.

Variables: El estudio varió las relaciones Agua/Ligante (W/B) (0.3, 0.4, 0.5) y el contenido volumétrico de Fibra de Vidrio (GF) (0%, 0.5%, 1.0%, 1.5%).
Condiciones de Prueba: Las pruebas de impacto dinámico se realizaron a tres presiones de pistola de aire ( $P_g$ ): 0.2 MPa, 0.3 MPa y 0.4 MPa, generando diferentes tasas de deformación.
Análisis: Los investigadores analizaron los modos de falla, las curvas de esfuerzo-deformación y los parámetros mecánicos dinámicos (esfuerzo pico, deformación última, tenacidad última). Además, los datos experimentales se ajustaron utilizando una distribución de Weibull de dos parámetros para evaluar la confiabilidad estadística de la resistencia al impacto y para derivar ecuaciones que vinculan la probabilidad de falla con la presión de impacto.

Resultados Clave

Efecto de la Tasa de Deformación y Modos de Falla: Los especímenes exhibieron un claro efecto de la tasa de deformación. A medida que la tasa de deformación aumentaba, el grado de rotura del espécimen se intensificaba, transitando de una falla por tracción de división axial a bajas tasas de deformación, hacia una falla por trituración granular a altas tasas de deformación. Las curvas de esfuerzo-deformación dinámicas se caracterizaron por cuatro etapas distintas: elástica, expansión de grietas, deformación plástica y falla. Notablemente, la etapa de deformación plástica se fortaleció con el aumento de las tasas de deformación.
Influencia de la Relación W/B: Los especímenes con una relación W/B de 0.5 demostraron una resistencia al impacto y capacidades de absorción de energía superiores en comparación con aquellos con relaciones menores (0.3 y 0.4). La mayor porosidad asociada con la relación 0.5 facilitó una mejor reducción de la velocidad del pulso y la absorción de energía. Se encontró que la relación entre la tenacidad última y la tasa de deformación estaba altamente correlacionada y aumentaba con la relación W/B.
Influencia del Contenido de Fibra de Vidrio: El aumento del contenido de GF generalmente mejoró la resistencia a la compresión dinámica. Específicamente, los especímenes con un contenido de 1.5% de GF mostraron la mayor resistencia a la compresión dinámica y tenacidad última. Las fibras alteraron la trayectoria de propagación del esfuerzo, redujeron la concentración de esfuerzos e inhibieron la formación de grietas. Con un contenido del 1.5%, las fibras se distribuyeron uniformemente, creando un efecto sinérgico que mejoró significativamente la resistencia al daño por impacto.
Análisis Estadístico (Distribución de Weibull): Los datos de resistencia al impacto para todos los grupos de especímenes fueron bien descritos por la distribución de Weibull de dos parámetros, con altos coeficientes de regresión lineal ( $R^2$ ). El estudio confirmó que el grado de correlación lineal mejoró con un mayor contenido de GF.
Modelado Predictivo: Se encontró que la relación entre la resistencia a la compresión dinámica y la presión de la pistola de aire ( $P_g$ ) bajo diferentes probabilidades de falla seguía una función de curva polinómica cuadrática.

Significancia y Reivindicaciones
Los autores afirman que estos hallazgos proporcionan una significancia orientadora para mejorar la resistencia al impacto de los materiales de mortero utilizados en el relleno y refuerzo de edificios. El estudio demuestra que la combinación de SCM (MS y EA) con un volumen óptimo de fibras de vidrio (específicamente 1.5%) y una relación W/B de 0.5 puede mejorar efectivamente las propiedades mecánicas dinámicas del mortero. La aplicación exitosa de la distribución de Weibull de dos parámetros permite una descripción estadística confiable de la resistencia al impacto del material, permitiendo la predicción de la resistencia a la falla bajo presiones de impacto específicas. La investigación destaca una vía para desarrollar morteros de alto rendimiento y respetuosos con el medio ambiente capaces de soportar cargas dinámicas extremas sin depender de un exceso de cemento o aditivos nocivos.