2.1. Materiales

Se utilizaron tres tipos distintos de bloques: los de 7 y 10 MPa con 14 cm de ancho y los de 7 MPa con 19 cm de ancho, todos hechos de material cerámico, para esta investigación (Figura 1). Las dimensiones y otras características de los bloques se resumen en la Tabla 1.

(Fuente: <http://www.pauluzzi.com.br/produtos.php>)

Figura 1 Bloques cerámicos portantes utilizados. (a) B1. (b) B2. (c) B3.  

Para las juntas de las muestras, se utilizaron morteros industrializados tradicionales con resistencias de 4, 6 y 10 MPa, según el bloque empleado. También se evaluó el uso de mortero polimérico para colocar los bloques, con el fin de verificar su comportamiento cuando se somete a una acción excesiva de calor y carga, observando las consecuencias para la mampostería en su conjunto.

En una de las etapas de investigación, las muestras fueron recubiertas con mortero. Se utilizó para este mortero material industrializado de aproximadamente 1 cm de espesor.

2.2. Programa experimental

El programa experimental se llevó a cabo en tres etapas: en la primera etapa se compararon los tres tipos de bloques utilizados; en la segunda, se evalúa el espesor y la resistencia del mortero de las juntas y la presencia de recubrimiento para el mismo bloque; finalmente, en la tercera etapa, se evalúa el uso de mortero polimérico en las juntas de colocación. Los detalles de cada paso se describen a continuación.

2.3. Pequeñas paredes

Las paredes fueron construidas con los bloques y morteros especificados en el ítem 2.1 y dimensiones de 90 x 80 cm, debido a las restricciones en el tamaño del horno, y son, por lo tanto, penqueñas paredes. Estas fueron construidas sobre un perfil de metal, con una placa plegada en forma de U, para facilitar su movimiento. Para que las cargas se apliquen y distribuyan uniformemente a lo largo de la pared, se encabezaron las muestras con mortero rico en cemento, tanto en la parte superior como en los lados, obteniendo así una superficie plana.

Las muestras se curaron, al menos, durante 56 días, de modo que la humedad presente en el mortero de asiento se redujo y los resultados no se vieron alterados por los efectos que estarían presentes solo en las edades tempranas. De la misma manera, en las muestras que fueron recubiertas, se realizó después de al menos 7 días desde la construcción de las pequeñas paredes, y luego de, al menos, 56 días hasta que se realizaron los ensayos.

Las muestras se acomodaron para la prueba dentro de un pórtico de carga diseñado para soportar tensiones aplicadas y evitar expansiones laterales. También se ha proyectado para permitir la aplicación de carga vertical distribuida para simular la carga de un muro estructural. Es un marco hecho de perfiles de riel, con dos gatos hidráulicos acoplados: uno para aplicación de carga vertical y otro para confinamiento lateral. Ambos se unieron a las celdas de carga para controlar los incrementos sufridos. El esfuerzo realizado por los gatos hidráulicos se distribuyó en las caras de las paredes mediante perfiles metálicos. El dibujo esquemático del equipo proyectado y ensamblado se puede ver en la Figura 2.

Figura 2 Marco de reacción utilizado en los ensayos. 

Una vez colocada en el marco de reacción, la muestra se acopló a un horno de resistencia eléctrica Sanchis para que una de sus caras se sometiera a calentamiento. En la cara no expuesta, se colocaron los instrumentos para controlar la temperatura y el desplazamiento.

La carga aplicada a las muestras se estimó de acuerdo con los requisitos de norma brasileña NBR 6120 - Cargas para o cálculo de estruturas de edificações (^{ABNT, 1980}). Por lo tanto, se aplicó una carga de 97,83 kN/m a la muestra antes del comienzo de la prueba de resistencia al fuego, aumentando después de empezar el calentamiento debido a los intentos de expansión.

2.4. Temperaturas

Debido a limitaciones del equipo disponible en el laboratorio, el ensayo especificado por la norma brasileña NBR 5628 (^{ABNT, 2001}) se ha adaptado para paredes pequeñas que se ajustan al tamaño del horno disponible. La temperatura del horno se elevó a una rapidez similar a la curva normalizada descrita por la norma anterior hasta un máximo de 950°C, el calentamiento alcanzado en un incendio real. Las paredes se mantuvieron a dicha temperatura durante aproximadamente 4 horas.

Para verificar la integridad de las muestras, se realizó la prueba del disco de algodón, descrita en la NBR 5628 (^{ABNT, 2001}) cuando necesario. El aislamiento térmico se verificó mediante el uso de termopares de punta con disco de cobre para medir la temperatura en la cara no expuesta de las muestras, según lo recomendado en la NBR 5628 (^{ABNT, 2001}). Además de los termopares colocados en el exterior de las muestras, se colocaron termopares tipo K a lo largo del grueso de la pared para obtener valores de temperatura dentro del horno y dentro de los bloques. En total, se distribuyeron siete termopares, cinco de ellos en la cara externa, para el control del aislamiento térmico, y los otros para obtener informaciones adicionales (Figura 3).

Figura 3 Posición de los termopares en las muestras. (a) Vista frontal. (b) Vista superior. 

2.5. Desplazamientos Longitudinales

Por medio de transductores de desplazamiento, o clip-gages, colocados en la cara no expuesta de un bloque central de las pequeñas paredes, se midieron las deformaciones horizontales y verticales durante el calentamiento. Estos dispositivos se fabricaron en base a los utilizados por ^{Beber (2003}) y consisten en arcos con extensómetros en sus caras inferior y superior (Figura 4). Estos arcos se fijan a la superficie cuyos desplazamientos desean medirse y luego, se correlaciona la deformación específica determinada por los medidores de deformación en la sección central de los arcos con los desplazamientos relativos entre los puntos fijos A y B.

La separación o la aproximación entre diferentes bloques de la misma hilada y hiladas consecutivas también se midió mediante el uso de clip-gages en las juntas, lo que proporciona un indicador de la absorción de los desplazamientos causados ​​por la deformación térmica en el mortero. La posición de los medidores de clip en las muestras se describe en la Figura 4.

Figura 4 Geometría de los clip-gages (^{BEBER, 2003}) y posición en las paredes. 

2.6. Termografía

También se realizó un análisis termográfico de las muestras durante la exposición la carga térmica. El uso de esta técnica permitió el mapeo de la temperatura a lo largo de la superficie de las muestras mediante la detección, por medio de una cámara termográfica FLIR T440, de la radiación infrarroja emitida por ellas cuando se calientan. A través de este equipo se pudo monitorear la elevación de temperatura durante toda la prueba e identificar zonas de posibles daños a la albañilería. También permitió realizar una comparación de la propagación de calor en los diferentes tipos de muros.

3.1. Temperatura de las muestras

La Figura 5 muestra la evolución de la temperatura dentro de los bloques (Tint) para las primeras tres configuraciones de pared, con el objetivo de comparar los tres tipos de bloques. Para los bloques B1 y B2, los resultados para el termopar intermedio alcanzaron un máximo de 600ºC. La pared P3 presentó valores inferiores a 600ºC, lo cual se debió al hecho de que fue construida con el bloque B3, más ancho que los demás.

Figura 5 Temperatura dentro de la mampostería para los diferentes bloques (Grupo 01). 

Al comparar las muestras de la segunda etapa, se puede ver en la Figura 6 que el grosor de las juntas y la resistencia de sus morteros no influyen en la transferencia de calor, con las paredes P1, P4 y P5 presentan temperaturas dentro de los bloques cercanas a 600°C. Sin embargo, al agregar recubrimiento en la cara expuesta, la reducción de temperatura es significativa, llegando a menos de 400°C para la pared P6.

Figura 6 Temperatura dentro de la mampostería para las diferentes juntas de asiento y revestimiento (Grupo 02). 

Otra vez, el tercer grupo de muestras indica que la junta no influye en el flujo de calor a lo largo del grueso de la pared, ya que los resultados para las lecturas de termopar internas a los bloques de pared P2 y P7 fueron muy similares (Figura 7). El uso de mortero polimérico, por lo tanto, no genera ningún daño o beneficio en este sentido.

Figura 7 Temperatura dentro de la mampostería para juntas con mortero tradicional y polimérico (Grupo 03). 

Las temperaturas máximas registradas en la cara no expuesta al calor están representadas en la Figura 8. Los valores, en general, permanecieron alrededor de 140 a 160ºC. Las excepciones son la muestra P3, hecha con el bloque más grueso (B3), y P6, con revestimiento en su cara expuesta. Esta última mantuvo temperaturas por debajo de 90ºC, mostrando otra vez el aislamiento que el recubrimiento proporciona al elemento, incluso si se aplica solo en una de sus caras. Estos resultados corroboran los datos obtenidos por ^{Nguyen y Meftah (2012}) y ^{Souza (2017}), quienes de manera similar encontraron temperaturas significativamente más bajas en mampostería con caras recubiertas. Los primeros, a su vez, también identificaron cierta influencia del aumento del grosor del bloque en el aislamiento térmico de la mampostería. Como se esperaba, la resistencia del bloque y las juntas no tienen una influencia significativa en los resultados de temperatura de la mampostería probada.

Con respecto al cumplimiento de los criterios de comportamiento ante el fuego de la norma brasileña ^{NBR 14432 (2001b)}, ninguna de las muestras incumplió los requisitos para determinar el Tiempo de Resistencia al Fuego requerido durante el ensayo: integridad, aislamiento térmico y capacidad portante.

Figura 8 Máxima temperatura en la cara no expuesta. 

3.2. Imágenes termográficas.

Se seleccionaron imágenes termográficas capturadas a cada 25 minutos hasta los primeros 50 minutos de ensayo (Figuras 9 a 11). Los análisis se realizaron con fines comparativos entre las mamposterías. En imágenes, las regiones más claras representan las temperaturas más altas.

A través de las imágenes, fue posible ratificar el mejor aislamiento térmico de las muestras con un bloque de 19 cm de grosor (P3) y con recubrimiento en la cara expuesta (P6).

Para la muestra con la cara calentada recubierta, el calentamiento de la región no expuesta se retrasó y se suavizó. Es posible ver en la captura de 25 minutos de la Figura 11, sin embargo, puntos de temperatura más alta en la porción superior. Esto se atribuye al agrietamiento y desprendimiento local del mortero de recubrimiento, que ha permitido la mayor propagación de calor en estas regiones.

La diferencia en el color y, por lo tanto, en la temperatura que se puede ver entre las primeras imágenes (tiempo 0 min) de cada figura se refiere a las diferentes temperaturas ambientales en los días de los ensayos, que varían mucho a lo largo del año en la región donde se tomaron.

Figura 9 Imágenes Termográficas - Grupo 01. 

Figura 10 Imágenes Termográficas - Grupo 02. 

Figura 11 Imágenes Termográficas - Grupo 03. 

También se visualiza un patrón de calentamiento diferente para las muestras P2 y P7, hechas con bloques tipo B2, con resistencia de 10 MPa, donde la temperatura se propaga esencialmente a través de las cavidades (Figura 11). El patrón es similar al observado por ^{Nguyen y Meftah (2012}), quienes identificaron temperaturas más altas en los alvéolos de los bloques. Según los autores, en un muro los principales mecanismos de transferencia de calor son la convección y la radiación, por lo tanto, las temperaturas medidas en las cavidades de los bloques son más altas que las medidas en sus paredes transversales, donde el calor se propaga por conducción. Dicho esto, el patrón observado se debe al hecho de que las paredes de estas unidades son masivas y, por lo tanto, la propagación del calor es menor en estas regiones que en los bloques de paredes huecas.

3.3. Desplazamientos Longitudinales

Los desplazamientos presentados en este ítem tratan con los movimientos dentro del plano de las paredes. Se midieron las dilataciones o contracciones de los bloques en las direcciones vertical y horizontal: CG 1 y CG 2, respectivamente, así como el aplastamiento o el espaciamiento de las juntas de la mampostería, también verticalmente (CG3) y horizontalmente (CG4).

Para analizar los resultados, se consideraron los datos obtenidos en los primeros 150 minutos de exposición. Después de este período, podrían sufrir interferencias de temperatura, ya que, en este momento del ensayo, el calentamiento de la cara no expuesta al calor alcanzó aproximadamente su máximo, también calentando los calibradores de clip utilizados en la instrumentación. Los valores negativos en los gráficos representan el cierre de los transductores de desplazamiento, mientras que los valores positivos indican su apertura.

Una de las observaciones que pueden hacerse a partir de los resultados presentados es que las muestras con juntas más flexibles tienden a permitir que el bloque se dilate, formando un sistema más deformable en comparación con los demás. Este comportamiento se puede observar en la muestra P1, por ejemplo, donde los transductores fijados al bloque central - CG 1 y CG 2 - mostraron un comportamiento que indica expansión en ambas direcciones (Figura 12). El inicio de la dilatación coincide con el momento en que la temperatura de la superficie exterior comienza a elevarse.

Figura 12 Desplazamientos longitudinales de los bloques - Grupo 01. 

Para la muestra P2, aunque el mortero tenía una resistencia ligeramente superior a la del primero, la expansión del bloque no fue la misma. Esto puede deberse al hecho de que la restricción lateral fue más efectiva, o debido a la mayor rigidez del bloque, que tiene paredes masivas, no huecas, para darle una mayor resistencia. En el caso de la muestra P3, el bloque prácticamente no mostró movimiento durante el período considerado. Este comportamiento se atribuyó al mejor aislamiento térmico observado para esta muestra, que mostró poco aumento de temperatura en los primeros períodos, sufriendo así un menor movimiento térmico. Lo mismo es cierto para la muestra P6, que tiene un mejor aislamiento térmico debido al recubrimiento de su cara.

Al mejorar la resistencia del mortero hasta el punto de alcanzar o incluso exceder la resistencia del bloque, como en el caso de P5, la junta ya no absorbe las deformaciones, transfiriendo así las tensiones de compresión al bloque, denotadas por los valores negativos de CG2 (Figura 13). Lo mismo es cierto para la muestra con mortero polimérico (P7), que, debido a que es poco deformable, también transfiere tensiones al bloque, haciendo que se comprima en ambas direcciones: CG1 y CG2 (Figura 14).

Estas transferencias de tensión de compresión al bloque pueden indicar una señal de advertencia para la posible aparición de desprendimiento en mampostería cuando se realiza con mortero de alta resistencia. En la muestra P7, por ejemplo, construida con mortero polimérico, fue posible visualizar en el bloque una grieta de mayor expresión, incluso con una unidad de pared masiva. Esta grieta puede estar relacionada con los esfuerzos de compresión que sufre.

Figura 13 Desplazamientos longitudinales de los bloques - Grupo 02. 

Figura 14 Desplazamientos longitudinales de los bloques - Grupo 03. 

Aunque no se observó el desprendimiento en las pruebas realizadas, estamos comenzando a comprender mejor las características que podrían facilitar este fenómeno en paredes de tamaño real, como se observó en los estudios de ^{Nguyen y Meftah (2012}) y ^{Souza (2017}).

En casi todos los casos, la junta horizontal, monitoreada por CG 3, tiene cierre, lo que indica su compresión (Figuras 15 y 16). Dicha manifestación puede ser causada por la carga vertical aplicada a la muestra, o por la expansión de los bloques adyacentes, o por una combinación de ambos. La excepción a este patrón es el de la muestra P7, donde la junta horizontal inicialmente se comporta como las otras, mostrando compresión, y luego invierte su movimiento, denotando la apertura de la junta (Figura 17). Este hecho puede ser causado por la degradación y pérdida de resistencia del mortero en la cara interna de la pared.

Figura 15 Desplazamientos longitudinales de las juntas - Grupo 01. 

Figura 16 Desplazamientos longitudinales de las juntas - Grupo 02 

Figura 17 Desplazamientos longitudinales de las juntas - Grupo 03 

El movimiento de apertura de CG 4, manifestado para la mayoría de los resultados, puede haber sido el resultado de un movimiento de la pared en su conjunto, que podría expandirse lateralmente debido a una restricción ineficiente en esa dirección. Es posible que el mortero utilizado para tapar las muestras no ofrezca suficiente resistencia para evitar la deformación. Por lo tanto, el efecto de aplastamiento de la junta entre los bloques se visualiza mejor en la dirección vertical por medio del clip gage 3, ya que en esta dirección la aplicación de carga hace que la restricción sea más efectiva.

En general, los resultados presentados aquí constituyen una contribución importante al avance de la investigación con respecto al comportamiento mecánico de la mampostería expuesta a altas temperaturas, así como también contribuyen al conocimiento sobre la influencia de los tipos de materiales utilizados en la construcción de la mampostería en los resultados obtenidos, sujetos clasificados como escasos o ausentes en el estudio de ^{Russo y Sciarretta (2013}).