El concreto reforzado con fibras es un material novedoso que está siendo desarrollado de forma acelerada gracias al mejoramiento de las nuevas fibras, tecnología y técnicas de aplicación del concreto.
Figura 23: Fibras metálicas para refuerzo del shotcrete utilizado para soporte de rocas
El uso del shotcrete reforzado con fibras ha avanzado significativa- mente en los últimos años, contando ahora con la aprobación de ingenieros, especificadores, propietarios y contratistas del mundo entero para aplicaciones de soporte de roca.
5.1 ¿Por qué es necesario reforzar el concreto?
El concreto es un material frágil. Generalmente el concreto y el shot- crete se agrietan por razones estructurales, principalmente por la poca resistencia a tracción del material. El agrietamiento se produce como resultado de una combinación de los esfuerzos de contrac- ción y las restricciones. Para evitar este problema, es necesario reforzarlo con mallas electrosoldadas y varillas de acero, o con fibras.
Tabla 6: Comportamiento mecánico de las tres mezclas
Referencia Curado Curador
(sin curado) externo interno
Resistencia a la flexión de probetas de concreto (10 x 10 x 40 cm), UNI 5133, MPa:
7 días 3,8 – 5,9–6,1
6,0
28 días 5,5–4,5 4,5–4,5 6,4–6,8
5 4,5 6,6
Prueba de despegue Rilem/CEB/FIP RC6, MPa:
7 días – – 2,1–1,9
2,0
28 días 1,5 2,0–1,8 2,4–2,2
1,9 2,3
Adherencia en concreto (*), MPa:
7 días 0,92 (P) 0,9 (P) 1,5 (P)
28 días 1,02 (I) 1,5 (I) 2,8 (P)
Fisuras en las probetas:
1 día Fisuras Sin fisuras Sin fisuras
7 días Fisuras Sin fisuras Sin fisuras
14 días Roturas Fisuras Sin fisuras
superficiales
28 días Roturas Fisuras Sin fisuras
Modulo estático de elasticidad, UNI 6556, MPa:
7 días 17 150 – 19 100
28días 21 650 – 22 400
Modulo dinámico de elasticidad, MPa:
7 días 28 500 28 000 39 400
28 días 36 600 37 300 39 600
(*): Los valores son el promedio de dos pruebas.
P: Las roturas se han producido en la aplicación, es decir, en el producto.
I: Las roturas se han producido en la interfaz entre la aplicación y la losa de
concreto.
4.4 Conclusión
Los productos Delvo®crete, los acelerantes libres de álcalis MEYCO®
SA160/SA161/SA162/SA170 y el sistema de curado interno del con- creto son las nuevas generaciones de aditivos avanzados para el shotcrete, que han fijado nuevas pautas en el mundo del shotcrete. Estos productos y sistemas mejoran la calidad y aumentan la produc- ción, al mismo tiempo que disminuyen los costos por metro cúbico de shotcrete, favoreciendo así su uso como material de construcción.
5.3 Clases de fibras
5.3.1 Fibras de vidrio
Las fibras de vidrio no sirven como un material permanente porque al cabo de cierto tiempo se fragilizan y son destruidas por la parte básica de la matriz de concreto. Por tanto, no deben utilizarse en ningún tipo de concreto, shotcrete o morteros con base de cemento.
5.3.2 Fibras sintéticas
Las fibras de plástico cortas son resistentes y duraderas (embebidas en el concreto), pero sus propiedades mecánicas son similares a las del concreto y no mejoran las propiedades ni imparten viscosidad al concreto; por tal motivo no sirven para aplicaciones de soporte de roca, pero sí son apropiadas en los casos en que únicamente se requiere refuerzo para contrarrestar la contracción (en particular, contracción plástica). Tienen un efecto muy eficiente en la distribu- ción de microfisuras durante la fase plástica del endurecimiento, y también reducen el rebote en la proyección por vía húmeda. Adicionalmente, las fibras sintéticas tienen un efecto positivo en la resistencia al fuego del shotcrete.
Recientemente, la compañía Synthetic Industries de los Estados Unidos desarrolló un nuevo tipo de fibra sintética que se asemeja más a la forma de la fibra metálica. Estas fibras, llamadas HPP 152, están hechas de materiales de alta calidad y se producen en longitu- des de 30 y 50 mm. Pruebas realizadas en Europa y Australia demu- estran que este tipo de fibra puede lograr una tenacidad apropiada en dosis moderadas (10 – 13 kg/m3), y que alcanza valores aproxi-
mados de 700 – 900 julios en el ensayo de placa de la EFNARC. Este resultado concuerda bastante con el logrado con 30 – 40 kg/m3de
fibras metálicas de alta calidad. Este nuevo tipo de fibra sintética es de interés para la industria y puede ser una adición importante para aquellos casos en que no sea posible añadir fibras metálicas al shot- crete por diversas razones (p. ej., corrección de superficie, fibras en la superficie, y cuando se requiere un refuerzo eficiente para mejorar la ductilidad del shotcrete).
Tabla 7: Resultados de un ensayo de comparación hecho con fibras metálicas Harex (varias dosificaciones) y HPP 30 y 50 mm (varias dosificaciones) en Moab, República Sudafricana. De este ensayo se
Las fibras metálicas tienen ventajas obvias sobre la malla electro- soldada, siendo la más importante el hecho de que son pequeñas y que pueden distribuirse uniformemente en toda la capa de concreto. Tal mejoramiento de la distribución de las fisuras y de la tensión imparte viscosidad al concreto.
5.2 Comportamiento de las fibras metálicas en el shotcrete
Las propiedades mecánicas del shotcrete están principalmente determinadas por la relación agua/cementante, el contenido de microsílice, la dosis de acelerantes de shotcrete y las condiciones de curado.
La función principal de las fibras metálicas en el shotcrete es aumen- tar la ductilidad del material. Si bien es posible obtener una elevada resistencia a la flexión sin necesidad de fibras, la ductilidad está directamente relacionada con el tipo y la cantidad de las fibras metá- licas. Se prefiere utilizar fibras largas (>25 mm) a dosis altas (40 – 75 kg/m3).
Como efecto secundario, las fibras metálicas mejoran la resistencia final a la flexión del shotcrete. Los resultados de pruebas a gran escala han demostrado que después del endurecimiento, la resi- stencia a la flexión del shotcrete básico se reduce a la mitad debido a la contracción y a la aparición de microfisuras, mientras que el shotcrete reforzado con fibras metálicas mantiene su resistencia a la flexión.
Los beneficios adicionales proporcionados por las fibras metálicas al shotcrete son:
• mayor resistencia contra impactos
• mayor resistencia a la abrasión y a la erosión
• mayor estanqueidad y resistencia a la congelación debido a la conversión de fisuras de contracción en microfisuras
• mayor capacidad de adherencia, en comparación con el shotcre- te básico o reforzado con mallas electrosoldadas
Las fibras metálicas no deben nunca utilizarse en el shotcrete por vía seca debido al elevado rebote de las mismas (>50 %).
Uno de los problemas principales que queda por resolver con las nuevas fibras HPP 152 es la pérdida elevada de las fibras. Es nece- sario modificar el diseño de la mezcla a fin de producir un asen- tamiento mayor, y se debe emplear una nueva técnica de proyección (patrón diferente, distancia más corta al substrato y menos aire). Sería interesante combinar una dosis baja de las nuevas fibras HPP 152 con fibras metálicas para obtener una ductilidad excelente, menos fisuras y rebotes y ahorro de costos debido al menor con- tenido de fibra por m3.
5.3.3 Fibras de carbono
Desde el punto de vista técnico las fibras de carbono tienen propie- dades mecánicas ideales para el soporte de rocas, pero en la prác- tica no se utilizan debido a que son sumamente costosas.
5.3.4 Fibras metálicas
Éstas son las fibras más utilizadas para el shotcrete. Existen varias clases y calidades disponibles en el mercado, pero sólo algunas reú- nen los requisitos establecidos para el shotcrete reforzado con fibra. Los parámetros críticos de las fibras metálicas son:
• Geometría • Longitud
• Relación largo/espesor (L/D) • Calidad del acero
En la práctica se busca una fibra delgada y larga con acero de alta calidad (igual o mayor que el refuerzo ordinario). La mayoría de las fibras metálicas disponibles en el mercado son de calidad insuficien- te. Dramix 30/50 y 40/50, Novotex 0730 (0,7 x 30 mm) y Harex CF 30/0,5 son las fibras típicas que satisfacen los requisitos para el shotcrete reforzado con fibras metálicas.
5.4 Ventajas técnicas de las fibras metálicas
El soporte de rocas está acompañado de riesgos constantes de car- gas inesperadas y deformación. El mejor margen de seguridad posi- ble se logra con una capa de shotcrete que tenga la más alta energía de rotura (ductilidad) posible.
concluyó que 7,5 kg/m3de HPP 50 proporcionan una mayor energ- gía de absorción que 40 kg/m3de las fibras metálicas ensayadas.
Tipo de fibra Espesor del panel Absorción de energía
y contenido (mm) Resultados individuales Promedio
20 HX, 20 kg A: 107 194 B: 114 206 211 C: 113 232 30 HX, 30 kg A: 117 519 B: 113 285 382 C: 132 341 40 HX, 40 kg A: 99 288 329 B: 108 370 5 HPP, 5 kg A: 110 224 (30 mm) B: 106 243 203 C: 108 142 7.5 HPP, 7,5 kg A: 92 136 (30 mm) B: 108 212 150 C: 102 102 10 HPP, 10 kg A: 112 371 (30 mm) B: 108 393 331 C: 114 230 5 HPP, 5 kg A: 106 249 (50 mm) B: 100 146 190 C: 99 176 7.5 HPP, 7,5 kg A: 104 539 (50 mm) B: 100 35* 467 C: 113 394 10 HPP, 10 kg A: 107 527 (50 mm) B: 125 865 650 C: 121 558 28 HX & 5 HPP A: 111 413 20 kg HX + B: 124 401 437 5 kg HPP 50 mm C: 132 497
*: Panel fisurado – los resultados no se incluyeron en los cálculos promedio.
La energía de rotura de las fibras metálicas es también mayor que la de las mallas electrosoldadas, lo cual ha sido comprobado en los estudios a gran escala realizados al principio de los años 80 por la Asociación de Investigación Técnica Noruega (NTNF), una entidad independiente (véase la fig. 25).
La prueba simula un bloque cayendo sobre una capa de shotcrete de 10 cm.
a) Shotcrete con 1 % de fibras metálicas
b) Shotcrete con mallas electrosoldadas en el centro de la sección La aplicación de ambas clases de capas de shotcrete reforzado se hizo con un espesor de 10 cm sobre tres bloques de piedra granítica (véase la fig. 26). Al cabo de 28 días se aplicaron varias cargas (P) sobre el bloque del medio y se midió la deformación resultante. La prueba demuestra que la energía de rotura del shotcrete reforza- do con fibra metálica es mucho mayor que la del shotcrete reforzado con mallas tradicionales.
Figura 26
En teoría, el shotcrete reforzado con mallas electrosoldadas puede exhibir resultados similares si la capa tiene un espesor mayor de 15 cm y el acero es de buena calidad. Sin embargo, la malla de alambre común se fabrica de alambres estirados en frío. Esta malla tiende a romperse bajo deformaciones muy pequeñas, y por tanto es peligro- so utilizarla ya que las aplicaciones de soporte de roca involucran deformaciones.
Asimismo, los refuerzos de alambre electrosoldado crean un proble- ma de calidad para el shotcrete. El efecto de sombra puede producir vacíos detrás de las varillas, lo cual es un problema serio que a la larga conduce a corrosión del refuerzo y fisuración del concreto. El peligro que supone la calidad dudosa de la malla electrosoldada y el efecto de sombra puede evitarse fácilmente utilizando el refuerzo
Bloque de piedra granítica Bloque de piedra granítica Con refuerzo de
fibra metálica
Sin refuerzo
Deformación
Carga P
Figura 24: Las dos curvas muestran la deformación bajo la variación de la carga P aplicada a capas de shotcrete con o sin refuerzos de fibras metálicas de última generación. El área bajo la curva repres- enta la energía de rotura.
Si bien la adición de fibras metálicas ordinarias duplica la energía de rotura del shotcrete, con la adición de las nuevas fibras metálicas se alcanza un valor de energía de rotura que es de 50 a 200 veces mayor (véase la fig. 24). En términos prácticos, esto significa que con estas nuevas fibras, una capa de shotcrete puede agrietarse y deformarse y aún conservar una gran capacidad de carga, de mane- ra que en circunstancias normales hay tiempo suficiente para poder observar las fisuras o deformaciones y poder tomar las medidas per- tinentes.
Figura 25: Comparación de la energía de rotura de fibras metálicas y mallas electrosoldadas Carga P (kN) Fibras metálicas Malla electrosoldada Deformación Rotura de la adher encia Falla de la malla Falla a r otura
• Es necesario aumentar el asentamiento a un mínimo de 10 – 14 cm. Esto significa que el shotcrete reforzado con fibra requiere una dosis mayor de superplastificantes.
• Por razones de anclaje, el tamaño de las fibras debe ser al menos el doble del tamaño del agregado máximo.
• La fibra debe tener un largo no superior a 50 a 60 % del diámetro de la manguera de bombeo. Esto significa que para la proyección manual, la máxima longitud de fibra normal es 25 mm; para robots con mangueras de 65 mm, es posible hacer la proyección con una longitud de fibra hasta de 40 mm.
• Las fibras metálicas pueden añadirse antes, después o durante la dosificación de los materiales del concreto. Si se produce aglomeración de fibras (bolas), puede eliminarse modificando la secuencia de dosificación.
Figura 27: Shotcrete moderno: proyección robótica con aditivos y fibras metálicas de alta tecnología
de fibra metálica, un material que se combina muy bien con el shot- crete fabricado por vía húmeda y a un costo bajo. Esta característica es idónea para las aplicaciones de soporte de rocas, en las cuales se espera que siempre haya deformación.
5.5 Ventajas económicas de las fibras metálicas
Al sustituir la malla electrosoldada con fibras metálicas se puede evi- tar una operación peligrosa y difícil. Esto facilita que el concreto reforzado con fibra compita con la malla tradicional.
Las fibras metálicas producen ahorros de tiempo y dinero: • Ahorros en costos directos:
El costo directo de las fibras metálicas equivale a un 50 a 60 % del costo directo de la malla electrosoldada (mano de obra más material).
• Ahorros en costos indirectos:
Se pueden evitar los costos indirectos involucrados en aplicar el shotcrete en dos capas (requerido cuando se utilizan mallas elec- trosoldadas). También se evitan los retrasos debidos a otras ope- raciones de construcción de túneles.
• Ahorros en el shotcrete utilizado:
Las fibras metálicas permiten aplicar el espesor requerido de shotcrete en toda la superficie, independientemente de la irregu- laridad del substrato.
Se evita también el problema de mayor rebote causado por las mallas electrosoldadas, así como también el efecto de «som- bras» detrás de las mismas.
5.6 Diseño de la mezcla para el shotcrete reforzado con fibra metálica
El diseño de la mezcla con fibras metálicas requiere experiencia teó- rica y práctica del personal.
• El shotcrete reforzado con fibra requiere el uso de microsílice y aditivos para poder contrarrestar los efectos negativos que tie- nen las fibras sobre el bombeo y la proyección. Además, es importante que la adherencia entre el acero y la matriz de con- creto sea óptima, lo cual se logra con la adición de microsílice con un agregado de tamaño máximo de 8 mm.
construcción antes de la colocación de un revestimiento secundario. Sin embargo, con el uso del shotcrete para revestimientos perma- nentes de doble capa (véase el cap. 9), frecuentemente se debe considerar la durabilidad del concreto para una vida prevista de 100 o más años.
Tal como se observa en la fig. 28, la durabilidad de una estructura de shotcrete se establece por la combinación de muchos parámetros posibles. A diferencia de las construcciones tradicionales con con- creto colado, en las construcciones con shotcrete no basta con utili- zar un diseño correcto de mezcla y refuerzos. La razón principal de ello es que el material se aplica por proyección, y por tanto la calidad depende en alto grado de la destreza humana y del funcionamiento del equipo de proyección. En este capítulo se discuten brevemente los principales aspectos de durabilidad mostrados en la fig. 28.
6.1 Diseños construibles
Figura 29: Factores humanos y estructurales
En referencia a las estructuras de túneles de concreto ya existentes, los principales problemas de durabilidad no están directamente rela-
Factores humanos
Factores estructurales
• Revisión del diseño por parte de terceros independientes • Revisión del diseño durante la
construcción • Control de calidad • Evaluación de riesgos • Competencia
• Secuencias de construcción • Refuerzos permanentes del
terreno
• Detalles de uniones e intercapas
• Exposición física y química • Propósito y vida prevista del
túnel
• Parámetros de diseño y efectos del tiempo
• Refuerzos o fibras
• Métodos de impermeabilización • Geometría del perfil • Propiedades del material
• Monitorización, revisión y puesta en práctica de medidas durante la construcción • Control de calidad • Evaluación de riesgos • Competencia • Supervisión • Capacitación • Diseño de la mezcla • Tipo de acelerante • Métodos de aplicación • Selección y funcionamiento de los equipos • Métodos de curado • Mejoramientos del terreno
EQUIPO DE DISEÑO EQUIPO DE
CONSTRUCCIÓN Comunicación