5. CARACTERIZACIÓN DE LOS HORMIGONES 131
5.4. PROPIEDADES DEL HORMIGÓN ENDURECIDO 139
5.4.8. Tenacidad e índice de tenacidad 155
5.4.8.2. Índice de tenacidad y resistencia a primera fisura 159
Otro de los ensayos propuestos para comprobar la influencia de la adición de fibras sobre el hormigón y relacionado con la tenacidad del material es el que se detalla en la norma UNE 83510 “Hormigones con fibras. Determinación del índice de tenacidad y resistencia a primera fisura” (Aenor 2004). Esta norma tiene por objeto especificar el método de ensayo para determinar la resistencia a primera fisura, tenacidad e índice de tenacidad a flexotracción del hormigón reforzado con fibras.
El ensayo radica en el análisis de la curva carga-flecha obtenida en un ensayo de flexotracción con cargas a un tercio de la luz entre ejes de apoyos.
Según cita la norma UNE 83510 la tenacidad mide la capacidad de absorción de energía del hormigón con fibras. En consecuencia, se considera una propiedad del material compuesto y su valor depende tanto de la dosificación, del tipo de fibras y de las características de la matriz. También hace referencia al índice de tenacidad y su dependencia del tipo de fibras y de su dosificación, sin embargo, este valor apenas se ve influido por las características de la matriz.
Imagen 5.15 Probetas en la primera fisura, y al finalizar el ensayo
Las probetas empleadas en la realización de este ensayo son prismáticas de dimensiones 100x100x400 mm. Una vez colocadas en el equipo de ensayo, se aplica la carga a una velocidad tal que se incremente la flecha aproximadamente 0,20 mm/minuto (Imagen 5.15), registrando este valor y la flecha de las probetas mediante un transductor electrónico, obteniéndose así la curva carga-flecha (Gráfico 5.9).
En la Tabla 5.10 se recogen los resultados obtenidos para seis parámetros, los tres primeros se determinan según las recomendaciones de la norma UNE 83510 (Aenor 2004), mientras que para los tres últimos se siguen las indicaciones recogidas en la norma americana ASTM C 1018 “Standard Test Method for Flexural Toughness and First-Crack Strength of Fiber-Reinforced Concrete (Using Beam with Third-point Loading)” (ASTM 1997).
Parámetros referenciados en la norma UNE 83510 y ASTM C 1018
Dosificación
EL SL ML
Carga de primera fisura (KN) 23,98 25,16 26,15
Resistencia de primera fisura (MPa) 7,19 7,55 7,85
Tenacidad (N x m) 8,74 35,00 39,23
Índice de Tenacidad (I5) - 3,89 4,54
Índice de Tenacidad (I10) - 6,91 7,76
Factor Resistencia Residual (R 5,10) - 60,47 64,40
Tabla 5.10 Resultados obtenidos en el ensayo de índice de tenacidad y resistencia a primera fisura Los valores de resistencia a primera fisura muestran una leve diferencia entre las tres dosificaciones, sin embargo, los resultados obtenidos para el parámetro de tenacidad son significativamente dispares, especialmente de las dosificaciones SL y ML con respecto de la dosificación EL.
Este aumento considerable del valor de tenacidad se debe fundamentalmente a que la incorporación de fibras en el hormigón le proporciona a este un mayor control de la fisuración y, en definitiva, un aumento de las propiedades a tenacidad del material.
Mientras que las dosificaciones SL y ML mantienen la integridad de la sección hasta una deformación de 15,5 veces la flecha correspondiente a
primera fisura, la dosificación EL sufre la fractura de la misma,
obteniéndose así un bajo resultado de la tenacidad para dicha dosificación al disminuir considerablemente sus propiedades mecánicas una vez alcanzada la carga de primera fisura.
Gráfico 5.9 Curvas carga-flecha de las probetas ensayadas para determinar la tenacidad y la resistencia a primera fisura
Como podemos apreciar en el Gráfico 5.9 y según lo comentado en párrafos anteriores, para la dosificación EL no es posible obtener los resultados correspondientes al índice de tenacidad I5 e I10, ya que su sección se fractura antes de alcanzar las deformaciones requeridas.
También se hace referencia a los índices de tenacidad, los valores obtenidos se encuentran dentro del rango razonable para dichos parámetros.
Por último, se calcula el Factor de Resistencia Residual (R5,10), siendo este una medida de la resistencia media en los intervalos específicos de flechas, expresada como un porcentaje de la carga o tensión a primera fisura.
5.4.8.3. Método Barcelona. Resistencia a fisuración, tenacidad y
resistencia residual a tracción
Para completar la caracterización del hormigón con fibras se realiza el ensayo descrito en la norma española UNE 83515 “Hormigones con fibras. Determinación de la resistencia a la fisuración, tenacidad y resistencia residual a tracción. Método Barcelona” (Aenor 2010).
Esta norma establece el método de ensayo para determinar la resistencia a la fisuración, la tenacidad y la resistencia residual a tracción
del hormigón con fibras mediante un ensayo de doble punzonamiento sobre una probeta cilíndrica de dimensiones 150 mm de diámetro y 150 mm de altura.
En la realización del ensayo se emplean discos de carga de acero dispuestos en la cara inferior y superior de la probeta y el plato superior debe estar montado sobre una rotula esférica.
Imagen 5.16 Probetas en el ensayo método Barcelona
Es preciso registrar los valores de la carga aplicada y de la deformación circunferencial, este último con ayuda de una cadena extensométrica.
Los tres parámetros a determinar en la realización del ensayo son el primer lugar la carga de fisuración, que corresponde al valor de carga máxima obtenido. La carga unitaria de fisuración Fct se calcula a través de la siguiente expresión,
H
a
P
F
ct f
9
4
Donde:Pf es la carga que produce la fisuración en N
a es el diámetro del disco de aplicación de la carga en mm H es la altura de la probeta en mm
El segundo parámetro a determinar es la resistencia residual a tracción del hormigón, fctRx, que se define como la carga unitaria que corresponde a
una deformación circunferencial determinada Rx. Se obtiene según la
siguiente ecuación,
H
a
P
R
F
Rx x ct
9
4
Donde:PRx es la carga correspondiente a una deformación circunferencial total Rx en N
a es el diámetro del disco de aplicación de la carga en mm H es la altura de la probeta en mm
Y por último, la tenacidad para una deformación Rx, entendiendo como tenacidad a la energía que es necesaria transmitir a una probeta para que esta alcance una deformación circunferencial total determinada Rx, la cual viene dada por el área TRx de la curva energía-deformación circunferencial hasta una deformación de Rx.
La carga aplicada a través de los discos de acero de diámetro ¼ del diámetro de la probeta, produce zona una cónica de compresiones bajo estos discos. Esta situación origina un incremento del diámetro de la probeta produciendo esfuerzos de tracción perpendiculares a las líneas radiales de la probeta. Cuando el estado tensional sobrepasa la resistencia del hormigón se produce la fractura de este.
Debido a la concentración de tensiones en planos concéntricos, en el momento de rotura se producen grietas radiales perpendiculares a este campo de tensiones que se propagan desde el centro hacia el exterior. Una vez ocurrida la formación de la primera grieta, generalmente suelen aparecer una o dos más como se puede apreciar en la Imagen 5.17.
Imagen 5.17 Grietas radiales en probetas después del ensayo método Barcelona
En la Tabla 5.11 se muestran los resultados obtenidos de la realización del ensayo del Método Barcelona. La energía TRx, la carga PRx y la resistencia residual a tracción del hormigón fctRx, se determinan para los valores de deformación circunferencial de 2 mm, 2,5 mm, 4 mm y 6 mm.
Método Barcelona (UNE 83515) Dosificación
EL SL ML
Carga unitaria de fisuración, fct (N/mm²) 4,27 4,32 4,92
Resistencia residual a tracción, fctRx (N/mm²) 2 mm 3,06 2,57 2,37 2,5 mm 2,27 3,15 2,96 4 mm _ 2,18 4,50 6 mm _ 1,28 2,25 Tenacidad, TRx (Julios) 2 mm 132,40 112,46 101,48 2,5 mm 197,99 173,29 158,84 4 mm _ 358,67 401,90 6 mm _ 502,65 686,04
Tabla 5.11 Resultados del ensayo Barcelona de las diferentes amasadas
Las fibras metálicas y sintéticas proporcionan una mayor ductilidad al hormigón, lo cual se puede apreciar en el parámetro de tenacidad. Para un hormigón sin fibras, que sería el caso de la dosificación EL, su sección se desintegraría para deformaciones circunferenciales inferiores a 4 mm, mientras que para un hormigón que incorpora fibras, siendo el caso de las dosificaciones SL y ML, se asegura la integridad de su sección hasta deformaciones circunferenciales de al menos 6 mm.
Igualmente se observa como para deformaciones circunferenciales de 2,5 mm para la dosificación SL la resistencia residual a tracción del hormigón comienza a disminuir aceleradamente, mientras que para la
dosificación ML este descenso comienza a partir de los 4 mm de
deformación circunferencial, garantizando también ciertas propiedades mecánicas una vez alcanza la carga de fisuración.
Finalmente, una vez realizados y analizados los ensayos relativos a las propiedades a fractura del hormigón, en concreto a la tenacidad, es importante citar el incremento en la capacidad de deformación de los hormigones que estos experimentan al ser reforzados tanto con fibras metálicas como con fibras sintéticas, aunque los datos reflejan un comportamiento algo mejor en los hormigones con fibras metálicas.
Son numerosos estudios confirman la idoneidad de la incorporación de fibras al hormigón a fin de mejorar sus propiedades de tenacidad.