Fractura en modo mixto (tracción y cortante) de elementos de hormigón reforzados con fibras

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(1)Universidad Politécnica De Madrid. Escuela Técnica Superior De Ingenieros De Caminos, Canales Y Puertos. Máster Universitario En Ingeniería De Estructuras, Cimentaciones Y Materiales. Fractura en modo mixto (tracción y cortante) de elementos de hormigón reforzados con fibras. Trabajo Fin De Máster Madrid,2018. Autor: Wladimir José Ramírez Cabrera Directores: Jaime C. Gálvez Ruiz Marcos García Alberti Alejandro Enfedaque Díaz.

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(3) AGRADECIMIENTOS Quiero agradecer a mis profesores Jaime Gálvez y Marcos García por guiarme en el desarrollo de este trabajo de investigación, brindándome con paciencia y de manera desinteresada su conocimiento y experiencias adquiridas. Extiendo este agradecimiento a Álvaro Picazo por su valiosa ayuda siempre oportuna. Por último y de manera especial agradezco a mis padres por haberme inculcado el amor al estudio y valores humanos muy importantes como la responsabilidad, el respeto y la honradez. A mis hermanos por haberme apoyado a lo largo de este proceso..

(4) RESUMEN El uso de fibras para mejorar la tenacidad y ductilidad de los elementos de hormigón es cada vez más frecuente. Diversas investigaciones han aportado avances para comprender de mejor manera como las fibras afectan al resto de propiedades mecánicas y reológicas de la matriz. En el presente trabajo de investigación se desarrollaron ensayos de flexión en tres puntos con carga asimétrica para reproducir la condición de fractura en Modo mixto (tensión + corte) en elementos tipo viga compuestos por hormigón y fibras de poliolefina. Se ensayaron probetas de hormigón fluido y hormigón autocompactante con diferentes tamaños y dosificaciones que variaron entre 3 y 10 kg/m3 de fibras. Los resultados obtenidos muestran que la cantidad de fibras/mm2 y el coeficiente de orientación tienden a aumentar conforme aumenta el tamaño del elemento, además el coeficiente de orientación para un plano inclinado es menor que para un plano vertical. Se ha confirmado que el fenómeno de efecto tamaño actúa sobre la matriz de hormigón y también sobre las resistencias residuales postfisuración las cuales dependen de la cantidad de fibras efectivas.. I.

(5) Contenido Agradecimientos ............................................................................................................................ I Resumen ......................................................................................................................................... I Lista de figuras ............................................................................................................................ III Lista de Tablas ............................................................................................................................ VI Lista de símbolos y Acronimos .................................................................................................. VII 1. Introducción y objetivos ........................................................................................................ 1. 2. Estado del arte ....................................................................................................................... 3 2.1. Hormigon autocompactante reforzado con fibras ......................................................... 3. 2.2. Componentes del hormigón autocompactante reforzado con fibras ............................. 6. 2.3. Tipo de fibras para refuerzo de hormgón ...................................................................... 7. 2.3.1. Fibras de acero ...................................................................................................... 7. 2.3.2. Fibras poliméricas ................................................................................................. 8. 2.3.3. Otras fibras inorgànicas ......................................................................................... 9. 2.4. 3. Influencia de las fibras sintèticas en las propiedades del hormigòn fresco y endurecido 10. 2.4.1. Hormigón fresco .................................................................................................. 10. 2.4.2. Hormigón endurecido .......................................................................................... 11. 2.5. Orientación y distribución de las fibras en el hormigón.............................................. 12. 2.6. Fractura en modo I para elementos de hormigon reforzados con fibras de poliolefina 15. 2.7. Fractura en modo II para elementos de hormigon reforzados con fibra ...................... 18. 2.8. Fractura en modo mixto para elementos de hormigon reforzados con fibra ............... 22. Campaña experimental ........................................................................................................ 26 3.1. Materiales empleados y Dosificación.......................................................................... 27. 3.2. Ensayos de hormigón autocompactante fresco ........................................................... 29. 3.2.1. Ensayo de extensión de flujo (UNE-EN 12350-8) .............................................. 29. 3.2.2. Ensayo del embudo en V (UNE-EN 12350-9) .................................................... 30. 3.3. Ensayo de resistencia a compresión (UNE-EN 12390-3) ........................................... 31. 3.4. Ensayo de fractura en modo III ................................................................................... 32. 4 Influencia de la fracción volumétrica en el comportamiento del hormigón reforzado con fibras en modo mixto .................................................................................................................. 33 4.1. Ensayos de fractura en modo III.................................................................................. 33. 4.1.1. Hormigón fluido sin fibras .................................................................................. 34. 4.1.2. Hormigón fluido con fibras de poliolefina de 60 mm ......................................... 35. 4.1.3. Hormigón autocompactante con fibras de 48 mm ............................................... 36. 4.1.4. Planos de fractura hormigón fluido ..................................................................... 37. 4.1.5. planos de fractura hormigón autocompactante .................................................... 38.

(6) 4.1.6 4.2. Relación entre LVDT y CMOD .......................................................................... 39. Resultados conteo de fibras ......................................................................................... 40. 4.2.1. Coeficiente de orientación hormigón fluido ........................................................ 41. 4.2.2. Coeficiente de orientación hormigón autocompactante ...................................... 45. 5. Efecto tamaño...................................................................................................................... 49. 6. Comparación y discusión .................................................................................................... 55 6.1 Influencia de la fracción volumétrica en el comportamiento del hormigón reforzado con fibras en modo mixto ........................................................................................................ 55 6.2. Efecto tamaño.............................................................................................................. 60. 7. Conclusiones ....................................................................................................................... 62. 8. Bibliografía ......................................................................................................................... 63. 9. Anexos................................................................................................................................. 69 9.1. Registro de ensayos ..................................................................................................... 69. 9.2. Conteo de fibras .......................................................................................................... 88. 9.3. Planos de fractura ...................................................................................................... 121.

(7) LISTA DE FIGURAS Figura 2-1: Vaciado de hormigón autocompactante (Burón Maestro, et al., 2006) ...................... 4 Figura 2-2: Diagrama tipo carga-apertura de fisuras (EHE-08, 2008) .......................................... 5 Figura 2-3: Fibras de acero (Wang, et al., 2018) ........................................................................... 8 Figura 2-4:Fibras de poliolefina (Extrusión, 2018) ....................................................................... 9 Figura 2-5:Fibras de vidrio (Extrusión, 2018)............................................................................... 9 Figura 2-6:Bloqueo en el ensayo de la caja en L para la dosificación D3f (Alberti, 2013) ........ 10 Figura 2-7:Aspecto visual del escurrimiento del HAC con 60 kg/m3 de fibras de acero (Rodríguez Osorio, 2013)............................................................................................................ 11 Figura 2-8: Mecanismo de combate a las fisuras de retracción plástica con la incorporación de fibras de polipropileno (Ruiz Sibaja, et al., 2005)....................................................................... 12 Figura 2-9: Principales factores que afectan la orientación de las fibras (Laranjeira, 2010) ...... 12 Figura 2-10: (a) coeficiente de orientación para cada área; (b) posición de la entalla para la prueba mecánica (Alberti, et al., 2017; Alberti, et al., 2016; Alberti, et al., 2016; Alberti, 2015) ..................................................................................................................................................... 14 Figura 2-11 Áreas teóricas y valores del coeficiente de orientación (Alberti, et al., 2017; Alberti, et al., 2016; Alberti, et al., 2016; Alberti, 2015) ......................................................................... 14 Figura 2-12:Ensayo de flexión en tres puntos (Alberti, 2015) .................................................... 15 Figura 2-13:Carga mínima post-fisuración versus número de fibras (Alberti, 2015) ................. 16 Figura 2-14: Carga remanente post-fisuración versus número de fibras (Alberti, 2015) ............ 16 Figura 2-15: Curva Carga-LVDT para hormigón autocompactante y hormigón fluido con 3 kg/m3 de fibras de poliolefina (Alberti, et al., 2015) ................................................................... 16 Figura 2-16: Curva Carga-LVDT para hormigón autocompactante y hormigón fluido con 10 kg/m3 de fibras de poliolefina (Alberti, et al., 2015) ................................................................... 17 Figura 2-17:Curva Carga-CMOD para hormigón autocompactante y hormigón fluido sin fibras (Alberti, et al., 2015) ................................................................................................................... 17 Figura 2-18: Ensayo "push-off" (Picazo, et al., 2018) ................................................................ 18 Figura 2-19: Curvas tensión tangencial media-CSD (curvas medias de las probetas ensayadas de cada tipo de hormigón) (Picazo, et al., 2018) .............................................................................. 19 Figura 2-20:Curva tensión media a cortante -desplazamiento a cortante (Picazo, et al., 2018).. 19 Figura 2-21:Curvas experimentales cortante promedio-CSD de la probeta MSC6 (Picazo, et al., 2018) ........................................................................................................................................... 21 Figura 2-22::Curvas experimentales cortante promedio-CSD de la probeta SCC10 (Picazo, et al., 2018)...................................................................................................................................... 21 Figura 2-23:Curvas experimentales cortante promedio-CSD de la probeta VCC10 (Picazo, et al., 2018) ........................................................................................................................................... 22 Figura 2-24:Trayectoria de grieta experimental y modelo numérico de predicción (Gálvez, et al., s.f.) .............................................................................................................................................. 23 Figura 2-25:Curvas Carga-CMOD y Carga-Desplazamiento para distintos tamaños de probeta (Gálvez, et al., s.f.) ...................................................................................................................... 23 Figura 2-26 Extracción de fibras en modo mixto (Tian Sing, et al., 2014) ................................. 24 Figura 2-27:Efecto Tamaño (Bazant & Planas, 1998; Alberti, 2015) ......................................... 24 Figura 2-28: Ensayo de flexión en tres puntos para modo mixto (Gálvez, et al., s.f.; Cendón, et al., 2000)...................................................................................................................................... 25 Figura 3-1:Probetas WG1 y WG2 ............................................................................................... 26 Figura 3-2:Curva granulométrica de áridos (Alberti, 2015) ........................................................ 28 Figura 3-3: Ensayo de extensión de flujo .................................................................................... 30 Figura 3-4:Ensayo del embudo en V ........................................................................................... 30 Figura 3-5:Probeta cilíndrica ensayada a compresión ................................................................. 31 Figura 3-6:Probeta para ensayo en Modo Mixto ......................................................................... 32 III.

(8) Figura 3-7: Ensayo de fractura HF 6.1 ........................................................................................ 32 Figura 4-1: Curvas medias (a) fuerza -CMOD; (b) fuerza-LVDT para hormigón fluido sin fibras ..................................................................................................................................................... 34 Figura 4-2:Curva media resistencia -CMOD para hormigón fluido sin fibras ............................ 34 Figura 4-3:Curvas medias (a) fuerza-CMOD; (b) fuerza-LVDT para hormigón fluido con 3,6 y 10 kg/m3 de fibras de poliolefina ................................................................................................ 35 Figura 4-4: Curvas medias resistencia-CMOD para hormigón fluido con 3,6 y 10 kg/m3 de fibras de poliolefina..................................................................................................................... 35 Figura 4-5: Curvas medias (a) fuerza-CMOD; (b) fuerza-LVDT para hormigón autocompactante con 10 kg/m3 de fibras de poliolefina en probetas pequeñas, medianas y grandes ..................... 36 Figura 4-6:Curvas medias Resistencia-CMOD para hormigón autocompactante con 10 kg/m3 de fibras de poliolefina en probetas pequeñas, medianas y grandes ................................................ 36 Figura 4-7:Planos de fractura hormigón fluido ........................................................................... 38 Figura 4-8:Planos de fractura hormigón autocompactante.......................................................... 38 Figura 4-9:Curva LVDT-CMOD probeta W2G2 de hormigón autocompactante ...................... 39 Figura 4-10:Conteo de fibras (a) probeta HF 3.1; (b) probeta W2M2 ........................................ 40 Figura 4-11:coeficiente de orientación en plano vertical y plano de fractura para hormigón fluido ........................................................................................................................................... 43 Figura 4-12:coeficiente de orientación en plano vertical y plano de fractura (A+B+C) zona de efecto pared ................................................................................................................................. 43 Figura 4-13: Coeficiente de orientación en plano vertical y plano de fractura (E+F+G) zona libre de efecto pared ............................................................................................................................ 43 Figura 4-14:Coeficiente de orientación en plano vertical y plano de fractura zona de efecto pared ............................................................................................................................................ 44 Figura 4-15:Coeficiente de orientación en plano vertical y plano de fractura (D) zona de doble efecto pared ................................................................................................................................. 44 Figura 4-16:Comparación coeficiente de orientación en toda la sección plana vertical para hormigón fluido ........................................................................................................................... 44 Figura 4-17: Coeficiente de orientación en plano vertical y plano de fractura para hormigón autocompactante .......................................................................................................................... 47 Figura 4-18:Coeficiente de orientación en plano vertical y plano de fractura (A) zona de efecto pared ............................................................................................................................................ 47 Figura 4-19:Coeficiente de orientación en plano vertical y plano de fractura (C) zona libre de efecto pared ................................................................................................................................. 47 Figura 4-20: Coeficiente de orientación en plano vertical y plano de fractura (D), zona de efecto pared ............................................................................................................................................ 48 Figura 4-21:Coeficiente de orientación en plano vertical y plano de fractura (B) zona de doble efecto pared ................................................................................................................................. 48 Figura 4-22: Comparación coeficiente de orientación en toda la sección plana vertical para hormigón autocompactante ......................................................................................................... 48 Figura 5-1: Resistencia fLOP-altura de probeta para hormigón autocompactante ........................ 49 Figura 5-2:(a) Resistencia fMIN-altura de probeta; (b) resistencia fR1-altura de probeta para hormigón autocompactante ......................................................................................................... 50 Figura 5-3: (a) Resistencia fR3-altura de probeta; (b) resistencia fREM-altura de probeta para hormigón autocompactante ......................................................................................................... 50 Figura 5-4: (a) Resistencia fMIN-No. total de fibras; (b) resistencia fR1-No. total de fibras para probetas de hormigón fluido ....................................................................................................... 51 Figura 5-5: (a) Resistencia fR3-No. total de fibras; (b) resistencia fREM-No. total de fibras para probetas de hormigón fluido ....................................................................................................... 51 Figura 5-6:Resistencia fR1-No. total de fibras (a) probetas pequeñas; (b) probetas medianas; (c) probetas grandes de hormigón autocompactante......................................................................... 52 IV.

(9) Figura 5-7:Resistencia fR3-No. total de fibras (a) probetas pequeñas; (b) probetas medianas; (c) probetas grandes de hormigón autocompactante......................................................................... 52 Figura 5-8:Resistencia fREM-No. total de fibras (a) probetas pequeñas; (b) probetas medianas; (c) probetas grandes de hormigón autocompactante......................................................................... 53 Figura 5-9:Curvas medias (a) fMIN-coeficiente de orientación; (b) fR1-coeficiente de orientación para probetas pequeñas, medianas y grandes de hormigón autocompactante ............................. 54 Figura 5-10:Curvas medias (a) fREM-coeficiente de orientación; (b) fREM-coeficiente de orientación para probetas pequeñas, medianas y grandes de hormigón autocompactante ........ 54 Figura 5-11:Promedio de fibras por superficie para probetas pequeñas, medianas y grandes de hormigón ..................................................................................................................................... 54 Figura 6-1: Coeficiente de orientación en planos de fractura para hormigón fluido y autocompactante .......................................................................................................................... 55 Figura 6-2:Comportamiento típico del HRF en fractura en modo mixto .................................... 56 Figura 6-3:Ángulos de planos de fractura HAC-tamaño de probetas ......................................... 57 Figura 6-4: Curvas medias Fuerza-CMOD para hormigón fluido y autocompactante sin fibras en modo I y modo mixto .................................................................................................................. 58 Figura 6-5: Curvas medias Fuerza-deflexión para hormigón fluido y autocompactante en modo I y modo mixto .............................................................................................................................. 59 Figura 6-6:Resistencia Flop-tamaño de probetas en HAC .......................................................... 60 Figura 6-7: Cantidad de fibras/mm2-tamaño de probetas y coeficiente de orientación-tamaño de probetas para hormigón autocompactante ................................................................................... 61. V.

(10) LISTA DE TABLAS Tabla 2-1: Resistencias residuales en Modo I para hormigón fluido y autocompactante (Alberti, 2015) ........................................................................................................................................... 17 Tabla 2-2: Energía de fractura (Gf) para un desplazamiento de 2 mm y variación de la misma en relación al H0, disipada en los ensayos. Tensiones residuales para desplazamientos de 1 mm y 2 mm (Picazo, et al., 2018)............................................................................................................. 20 Tabla 2-3: Dimensiones, carga, cortante y conteo de fibras de las probetas (valores medios de las probetas ensayadas de cada tipo de hormigón y sus coeficientes de variación) (Picazo, et al., 2018) ........................................................................................................................................... 20 Tabla 3-1: Características de las probetas realizadas en la campaña experimental..................... 26 Tabla 3-2:Propiedades de gravas y arena (Alberti, 2015) ........................................................... 27 Tabla 3-3 Propiedades de fibras usadas en hormigón fluido y autocompactante........................ 28 Tabla 3-4:Dosificación hormigón fluido y autocompactante (Alberti, 2015) ............................. 28 Tabla 3-5:Límites de autocompactabilidad (EHE-08, 2008) ...................................................... 29 Tabla 3-6:Resultados ensayos extensión de flujo y embudo en V .............................................. 30 Tabla 3-7:Propiedades mecánicas hormigón fluido y autocompactante ..................................... 31 Tabla 4-1:Reistencias Residuales para probetas de hormigón fluido y autocompactante ........... 37 Tabla 4-2:Coeficiente de orientación (Ɵ) en probetas de hormigón fluido................................. 42 Tabla 4-3:Coeficiente de orientación (Ɵ) en probetas de hormigón autocompactante ............... 46. VI.

(11) LISTA DE SÍMBOLOS Y ACRONIMOS Símbolo-Acrónimo Ac Af AMV B CMOD CSD CV D df DIC E EP fck fcm fct fLOP fMIN fR1 fR2 fR3 fR4 fREM GF H0 HAC HF HP HRFA HRFP HRFP AC HRFP V HS L LLOP LMIN LREM LVDT MSC n P R SCC T500. Definición Área de superficie de fractura Área de la sección transversal de una fibra Agente modificador de viscosidad Fondo o espesor de probeta de hormigón Medidor de desplazamientos de boca de fisura Medidor de desplazamientos de fisuras por corte Coeficiente de variación Altura de probeta de hormigón Diámetro promedio en el sayo de escurrimiento de flujo Correlación de imagen digital Módulo de elasticidad zona de efecto pared Resistencia características a compresión del hormigón Resistencia a compresión media del hormigón Resistencia a tracción del hormigón Resistencia correspondiente al límite de proporcionalidad Resistencia mínima post fisuración Resistencia residual a flexión correspondiente a 0,5 mm de apertura de fisura en ensayo de flexión en tres puntos Resistencia residual a flexión correspondiente a 1,5 mm de apertura de fisura en ensayo de flexión en tres puntos Resistencia residual a flexión correspondiente a 2,5 mm de apertura de fisura en ensayo de flexión en tres puntos Resistencia residual a flexión correspondiente a 3,5 mm de apertura de fisura en ensayo de flexión en tres puntos Máxima resistencia remanente post fisuración Energía de fractura Hormigón sin fibras Hormigón autocompactante Hormigón fluido Hormigón con fibras de poliolefina Hormigón reforzado con fibras de acero Hormigón reforzado con fibras de poliolefina Hormigón reforzado con fibras de poliolefina autocompactante Hormigón reforzado con fibras de poliolefina vibrado Hormigón con fibras de acero Longitud de probeta de hormigón Carga correspondiente al límite de proporcionalidad Carga mínima post fisuración carga máxima remanente post fisuración Transformador diferencial de variable lineal Hormigón de moderada resistencia a la compresión número de fibras contadas Carga que actúa en la probeta Resistencia o esfuerzo sobre el extremo del ligamento Hormigón autocompactante Tiempo para un diámetro de 500 mm en el sayo de escurrimiento de flujo VII.

(12) th Tv VCC Vf Δ GF θ. Número de fibras teórico en una sección Tiempo de flujo Hormigón fluido Fracción volumétrica de fibras Variación de energía de fractura Coeficiente de orientación. VIII.

(13) 1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS. La aparición del hormigón autocompactante a finales de 1980 ha sido uno de los logros más importantes para la construcción debido a sus ventajas como eliminación de medios de compactación, facilidad y rapidez de puesta en obra, reducción de los tiempos de vertido, reducción de la mano de obra. Sin embargo, debido a su gran contenido de cemento es más propenso a la aparición de fisuras por retracción y fraguado lo cual se puede controlar con la inclusión de pequeñas cantidades de fibra (Alberti , et al., 2014). Las fibras que se añaden al hormigón son de corta longitud, reducida sección y se distribuyen de forma aleatoria, de acuerdo con su función se pueden clasificar en estructural y no estructural (EHE-08, 2008) la inclusión de fibras de poliolefina al hormigón genera una mejora de las propiedades mecánicas como resistencia a tracción, ductilidad y un aumento de las propiedades desde el punto de vista de la durabilidad (Johnston, 1994) (Ruiz Sibaja, et al., 2005). En general, los elementos estructurales se encuentran sometidos a esfuerzos combinados como es el caso de tensiones de corte y tracción lo cual produce un fallo frágil del hormigón. Este es uno de los principales motivos para que hasta el día de hoy se continúe con la investigación para desarrollar formulas con una base empírica que sean capaces de predecir el comportamiento en fractura de elementos de hormigón reforzados con fibra sometidos a cortante. El hormigón al ser un compuesto de varios materiales presenta propiedades anisótropas que depende de muchos factores como granulometría, relación a/c, porosidad, tipo de cemento, etc. Lo cual dificulta en gran medida el estudio del fenómeno de fractura en modo mixto, sin embargo, autores como (Bazant & Planas, 1998), han hecho aportes muy importantes como es el caso del modelo de fisura cohesiva para el estudio de propagación de grietas en el hormigón. El presente trabajo de investigación pretende aportar con más evidencia de ensayos de fractura en modo mixto realizados en probetas prismáticas de hormigón reforzados con fibras de poliolefina para distintos tamaños y distintas dosificaciones, de igual manera se establecerán características generales de este fenómeno que describan algunas propiedades mecánicas, la distribución de fibras en el elemento y su resistencia post-fisuración.. 1.

(14) OBJETIVOS. OBJETIVO PRINCIPAL. Caracterizar el comportamiento de elementos de hormigón reforzados con fibras de poliolefina sometidos a fractura en modo Mixto.. OBJETIVOS ESPECÍFICOS. •. Fabricar un hormigón autocompactante con 10 kg/m3 de fibras de poliolefina.. •. Realizar ensayos de flexión en tres puntos para determinar las principales propiedades mecánicas del material.. •. Analizar la distribución de fibras en el elemento a través del coeficiente de Orientación.. •. Realizar las curvas que describen este fenómeno (Carga-LVDT y Resistencia-CMOD).. •. Comparar los resultados con elementos de hormigón sometidos a fractura en Modo I (Tensión) y Modo II (corte).. •. Estudiar el efecto tamaño en Modo Mixto. 2.

(15) 2. ESTADO DEL ARTE. 2.1. HORMIGON AUTOCOMPACTANTE REFORZADO CON FIBRAS. La búsqueda incansable por mejorar las propiedades del hormigón ha llevado a crear hormigones de altas prestaciones. Dicho hormigón es aquel que presenta las mejores características para una aplicación específica. entre las cuales se destacan el costo, resistencia a la fatiga, ductilidad,. fluencia, retracción, durabilidad, etc. (Gutierrez Fernandez, 1993; BASF The chemical Company, 2009). Para cumplir con estos objetivos se puede combinar tecnologías de hormigones especiales como es el caso del Hormigón de alta resistencia reforzado con fibras y el Hormigón autocompactante reforzado con fibras (Alberti, 2013). El hormigón autocompactante es capaz consolidarse por la acción de la gravedad llenando los encofrados y pasando a través de las armaduras sin la necesidad de aplicar mecanismos de compactación internos o externos, durante el proceso de puesta en obra debe ser estable, homogéneo y no presentar segregación (Burón Maestro, et al., 2006; Iqbal, et al., 2015). Todo hormigón para tener la calificación de autocompactante debe reunir las siguientes características (Gálvez Ruiz, 2011): Fluidez: Debe desplazarse por el encofrado o molde pasando por entre las barras y rellenando perfectamente el mismo. Viscosidad y Cohesión: Para evitar la segregación de los componentes garantizando la deformabilidad uniforme y necesaria en el proceso de colocación. Capacidad de Paso: es la capacidad para desplazarse entre las barras de acero y otros objetos esta propiedad mejora cuando aumenta su viscosidad, se reduce los áridos gruesos tanto en tamaño como en cantidad, usando agentes modificadores de viscosidad y aumentando los finos.. 3.

(16) Figura 2-1: Vaciado de hormigón autocompactante (Burón Maestro, et al., 2006). Las primeras investigaciones de hormigón reforzado con fibras se realizaron en 1960 (Romualdi & Batson, 1963; Romualdi & Mandel, 1964) publicaron documentos que llamaron la atención de académicos e investigadores alrededor de todo el mundo, los primeros análisis se basaron en la mecánica de fractura según la cual la resistencia de un hormigón de cemento portland podía mejorarse reforzando la matriz con alambres continuos estrechamente espaciados, las primeras pruebas con alambre y fibras discretas llegaron a los mismos resultados es decir que la resistencia no aumentaba con el espaciamiento. Las fibras que se usaron fueron de acero, vidrio y fibras sintéticas de diámetro relativamente grande (0.25 mm) y relativamente rígidas a flexión, esto ocasiono problemas evidentes en la mezcla y colocación del hormigón especialmente cuanto más altas eran las concentraciones de fibra (Zollo, 1996). Las fibras sintéticas mostraron una ineficacia para aplicaciones que no involucraban rangos altos de carga, las fibras de vidrio mostraron problemas asociados con la durabilidad debido a la reacción de ataque químico alcalino. El interés por buscar el espaciamiento adecuado que debían tener las fibras al distribuirse dentro del hormigón llevó a que muchos investigadores hagan pruebas con fibras de acero más gruesas y los resultados obtenidos fueron peores (Zollo, 1996). En 1970 inicia el desarrollo para el hormigón reforzado con fibras a través del comité ACI 544, este grupo ha publicado muchas investigaciones acerca del tema, pero la principal fuente de progreso se da en 1980 con el avance de la industria, la cual introdujo fibras de diferente tipología y geometría, a esto se suma la aparición de los aditivos lo que significó un avance importante en las técnicas de producción (Zollo, 1996). Desde entonces miles de documentos científicos han sido publicados, las líneas de investigación de muchas personas se desarrollan en base a este tema, la cantidad de seminarios locales e internacionales que se celebran cada año y en todo el mundo proporcionan evidencia de que aún. 4.

(17) existe un alto nivel de interés por el desarrollo del conocimiento del hormigón reforzado con fibras (Zollo, 1996). Según la Instrucción Española De Hormigón Estructural (EHE-08, 2008) los hormigones reforzados con fibras son aquellos que incluyen en su composición fibras cortas, discretas y aleatoriamente distribuidas en su masa. El hormigón reforzado con fibras de acuerdo con la norma (EHE-08, 2008) puede tener 2 funciones: •. Estructural. - Cuando el refuerzo de la fibra puede sustituir parcial o totalmente a la armadura, esto requiere un análisis no lineal.. •. No estructural. - cumple funciones como resistencia al fuego, control de fisuración, resistencia al impacto, resistencia a la abrasión, etc.. Para que se pueda tomar en cuenta la contribución de las fibras en el cálculo estructural la resistencia característica residual a tracción por flexión fR1 no será menor al 40% del límite proporcional fLOP y la resistencia residual a flexión por tracción fR3 no será inferior al 20% del límite de proporcionalidad (EHE-08, 2008; Fib Model Code, 2010).. Figura 2-2: Diagrama tipo carga-apertura de fisuras (EHE-08, 2008). 5.

(18) 2.2. COMPONENTES. DEL. HORMIGÓN. AUTOCOMPACTANTE. REFORZADO CON FIBRAS Cemento: Se puede emplear cualquier tipo de cemento y clase resistente al igual que el hormigón convencional (Gálvez Ruiz, 2011): Áridos: los áridos empleados tienen características similares a los del hormigón convencional y además generalmente tienen las siguientes características (Gálvez Ruiz, 2011). •. El diámetro máximo del árido se encuentra limitado desde 12 a 20 mm con el objetivo de mejorar su deformabilidad en estado fresco.. •. La relación arena/grava suele ser 1 mientras que en un hormigón convencional oscila entre 0,5 a 0,7.. •. El árido grueso puede ser de origen rodado o triturado, tomando en cuenta que el triturado aumenta la fricción de la mezcla y por lo tanto requiere un mayor contenido de pasta de cemento.. •. El contenido de árido grueso en la mezcla generalmente está alrededor de del 57 al 67%.. •. Para compensar la variación de humedad de los áridos se puede emplear agentes modificadores de viscosidad (AMV).. Adiciones: son productos que sirven para mejorar la fluidez y trabajabilidad del hormigón evitan aumentar del contenido de cemento, ayudan a reducir el calor de hidratación y la retracción, dan mayor cohesión a la mezcla, disminuyen la exudación y mejoran la permeabilidad del hormigón (Gálvez Ruiz, 2011; Ozawa, et al., 1990; Banfill, 2011). Las adiciones pueden ser activas como la puzolana, ceniza volante, humo de sílice y la escoria de altos hornos también pueden ser inertes como las calizas y la sílice. El filler Calizo es el más empleado. Fibras: Las fibras son elementos de corta longitud y pequeña sección que se incorporan a la masa del hormigón a fin de conferirle ciertas propiedades específicas (Gálvez Ruiz, 2011). Aditivos: para obtener la reología característica de este tipo de hormigón es imprescindible el uso de superplastificantes, en algunos casos agentes modificadores de viscosidad (Gálvez Ruiz, 2011). Los superplastificantes más usados son los basados en policarboxilatos debido a su alta efectividad en la reducción de agua y mantener su efecto plastificante a lo largo del tiempo, los agentes modificadores de viscosidad sirven para aumentar la cohesión de la mezcla, evitar la segregación y exudación del agua durante el proceso de colocación en obra (Gálvez Ruiz, 2011).. 6.

(19) Agua: de be tener las mismas características que para un hormigón convencional es decir como regla general se puede decir que es apta para el mezclado y curado del hormigón el agua potable (Gálvez Ruiz, 2011).. 2.3. TIPO DE FIBRAS PARA REFUERZO DE HORMGÓN. De acuerdo con la (EHE-08, 2008) las fibras son elementos de corta longitud y pequeña sección que se incorporan a la masa del hormigón a fin de conferirle ciertas propiedades específicas. De una manera general se pueden clasificar como fibras estructurales, aquellas que proporcionan una mayor energía de rotura al hormigón en masa (en el caso de las fibras estructurales, la contribución de las mismas puede ser considerada en el cálculo de la respuesta de la sección de hormigón), o como fibras no estructurales, a aquellas que sin considerar en el cálculo esta energía suponen una mejora ante determinadas propiedades como por ejemplo el control de la fisuración por retracción, incremento de la resistencia al fuego, abrasión, impacto y otros (EHE-08, 2008). Por otro lado, de acuerdo con su naturaleza las fibras se clasifican en: •. Fibras de acero.. •. Fibras poliméricas.. •. Otras fibras inorgánicas.. 2.3.1. FIBRAS DE ACERO. Estas fibras deberán ser conformes con UNE-EN 14889-1 “y, según el proceso de fabricación se clasifican en: trefiladas (Tipo I), cortadas en láminas (Tipo II), extraídas por rascado en caliente (virutas de acero) (Tipo III) u otras (por ejemplo, fibras de acero fundidas) (Tipo IV). La forma de la fibra tiene una incidencia importante en las características adherentes de la fibra con el hormigón y puede ser muy variada: rectas, onduladas, corrugadas, conformadas en extremos de distintas formas, etc. La longitud de la fibra (le) se recomienda que sea, como mínimo, 2 veces el tamaño del árido mayor. Es usual el empleo de longitudes de 2,5 a 3 veces el tamaño máximo de árido. Además, el diámetro de la tubería de bombeo exige que la longitud de la fibra sea inferior a 2/3 del diámetro del tubo. Sin embargo, la longitud de la fibra debe ser suficiente para dar una adherencia necesaria a la matriz y evitar arrancamientos con demasiada facilidad (EHE-08, 2008). A igualdad de longitud, las fibras de pequeño diámetro aumentan el número de ellas por unidad de peso y hacen más denso el entramado o red de fibras. El espaciamiento entre fibras se reduce cuando la fibra es más fina, siendo más eficiente y permitiendo una mejor redistribución de la carga o de los esfuerzos”.. 7.

(20) Figura 2-3: Fibras de acero (Wang, et al., 2018). 2.3.2. FIBRAS POLIMÉRICAS. “Las fibras plásticas están formadas por un material polimérico (polipropileno, polietileno de alta densidad, aramida, alcohol de polivinilo, acrílico, nylon, poliéster) extrusionado y posteriormente cortado. Estas pueden ser adicionadas homogéneamente al hormigón, mortero o pasta. Se rigen por la norma UNE-EN 14889-2 y, según el proceso de fabricación se clasifican en: monofilamentos extruidos (Tipo I), láminas fibriladas (Tipo II). Sus dimensiones pueden ser variables al igual que su diámetro y su formato: •. Micro-fibras: < 0,30 mm diámetro. •. Macro-fibras: ≥ 0,30 mm diámetro. Las macro-fibras pueden colaborar estructuralmente, siendo su longitud variable (desde 20 mm a 60 mm), que debe guardar relación con el tamaño máximo del árido (relación de longitud 3:1 fibra: TM). Las micro-fibras se emplean para reducir la fisuración por retracción plástica del hormigón, especialmente en pavimentos y soleras, pero no pueden asumir ninguna función estructural. También se utilizan para mejorar el comportamiento frente al fuego, siendo conveniente en este caso que el número de fibras por kg sea muy elevado. Además de por sus características físico-químicas, las micro-fibras se caracterizan por su frecuencia de fibra, que indica el número de fibras presentes en 1 kg, y que depende de la longitud de fibra y muy especialmente de su diámetro “ (EHE-08, 2008).. 8.

(21) Figura 2-4:Fibras de poliolefina (Extrusión, 2018). 2.3.3. OTRAS FIBRAS INORGÀNICAS. De este tipo de fibras, las que se incluye la (EHE-08, 2008) son las fibras de vidrio, que en la actualidad tienen aplicación usual en el campo del hormigón.. 2.3.3.1 FIBRAS DE VIDRIO “Este tipo de fibras podrán emplearse siempre que se garantice un comportamiento adecuado durante la vida útil del elemento estructural, en relación con los problemas potenciales de deterioro de este tipo de fibras como consecuencia de la alcalinidad del medio” (EHE-08, 2008).. Figura 2-5:Fibras de vidrio (Extrusión, 2018). 9.

(22) 2.4. INFLUENCIA DE LAS FIBRAS SINTÈTICAS EN LAS PROPIEDADES DEL HORMIGÒN FRESCO Y ENDURECIDO 2.4.1. HORMIGÓN FRESCO. Propiedades reológicas como la capacidad de paso, tiempo de escurrimiento, resistencia a la segregación dependen en gran medida del tipo de fibras, longitud, y la cantidad usada en la mezcla. Para dosificaciones en el orden de 6 kg/m3 y fibras de poliolefina con longitud de 60 mm los ensayos realizados por (Alberti, 2013; Alberti, et al., 2014; Alberti, 2015) indican que tanto el diámetro de la torta como el tiempo de escurrimiento para 50 cm presentan cambios poco significativos con relación a un hormigón autocompactante sin fibras. Mientras que la capacidad de paso medida con el método de la caja en L se ve afectada, llegando a producirse el bloque de la mezcla. De acuerdo con el autor esto se debe a que este método se desarrolló para estructuras de hormigón fuertemente armadas y fue calibrado en función del diámetro del agregado. Para hormigones autocompactantes reforzados con fibra se debería realizar una calibración que considere la longitud de la fibra y de esta manera se podría evaluar de mejor manera los resultados.. Figura 2-6:Bloqueo en el ensayo de la caja en L para la dosificación D3f (Alberti, 2013). Con dosificaciones altas de 50 a 70 kg/ m3 y fibras de acero (Rodríguez Osorio, 2013) muestra que para el ensayo de escurrimiento la mezcla llega a segregarse perdiendo toda capacidad de poder distribuir uniformemente las fibras. Para el ensayo de la caja en L se reduce la capacidad de paso del hormigón produciéndose la obstrucción de este y la segregación de la pasta.. 10.

(23) Figura 2-7:Aspecto visual del escurrimiento del HAC con 60 kg/m3 de fibras de acero (Rodríguez Osorio, 2013). De lo expuesto anteriormente se puede indicar que la mezcla óptima solo se puede obtener a partir de varios ensayos con mezclas de prueba, se debe tratar de evitar contenidos altos de fibras porque la mezcla pierde trabajabilidad, por otra parte, existe la necesidad de crear nuevos métodos de ensayos ajustados al comportamiento del hormigón autocompactante reforzado con fibras.. 2.4.2. HORMIGÓN ENDURECIDO. De acuerdo con (Johnston, 1994; Serna & Anrango, 2009; Vandewalle, et al., 2008; Shehab Eldin, et al., 2014; Sarmiento, et al., 2012) principalmente hay dos efectos que producen las fibras en la matriz de cemento, el primero es que refuerzan el compuesto para todos los estados de carga que provocan tensiones de tracción y en segundo lugar hay una mejora en la ductilidad y tenacidad de la matriz que por naturaleza es frágil , sin embargo otros investigadores como (Ruiz Sibaja, et al., 2005; Fasciolo, et al., 2018; Sorelli, et al., 2006) muestran algunos de los beneficios del uso de este tipo de micro refuerzo para el hormigón fresco y su durabilidad, llegando a la conclusión de que las fibras sintéticas son capaces de reducir la aparición de fisuras por retracción plástica y disminuyen el agua de exudación que se produce en él hormigón. (Balaguru, 1994) realizo numerosos ensayos con fibras sintéticas y fibras de acero llegando a obtener los siguientes resultados •. El uso de fibras sintéticas en dosis muy bajas como 0.45 kg/m3 ayuda a la reducción de fisuras, con el uso de mayores cantidades de fibras 0.45-0.90 kg/m3 esta reducción es mayor.. •. Con dosificaciones de 0.90 kg/m3 en sus experimentos prácticamente no se aprecia fisuras por retracción plástica.. •. El uso de fibras sintéticas ayuda de mejor manera a la reducción de fisuras y el tamaño de las mimas.. 11.

(24) •. Las fibras largas tienen un mejor comportamiento para concretos y morteros pobres en cambio con fibras cortas se obtienen mejores resultados en morteros y concretos ricos en cemento.. Figura 2-8: Mecanismo de combate a las fisuras de retracción plástica con la incorporación de fibras de polipropileno (Ruiz Sibaja, et al., 2005). 2.5. ORIENTACIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LAS FIBRAS EN EL HORMIGÓN. Las propiedades de los elementos de HRF dependen en gran medida de la orientación y disposición de las fibras en el elemento estructural (Andries, et al., 2015; Grunewald & technology, 2012), varios agentes son los que intervienen en este fenómeno como se puede apreciar en la siguiente imagen.. Figura 2-9: Principales factores que afectan la orientación de las fibras (Laranjeira, 2010). El flujo de hormigón se encuentra sometido a esfuerzos de corte y las fibras tienden a ocupar la posición de mínima energía y de mínimo momento, haciendo que las mismas se orienten con la 12.

(25) dirección del flujo. Sin embargo, esta posición es inestable y la fibra puede ir rotando hasta que nuevamente se vuelva alinear con el flujo (Martine & Roussel, 2011; Deeb, et al., 2014; Edgington & Hannant, 1972). (Boulekbache, et al., 2010) indica que la orientación de la fibra es sensible a los esfuerzos del flujo en el fluido y a las condiciones de confinamiento del fluido debido a la fricción que se desarrolla en las paredes. De todos estos factores los que mayor influencia tienen en la posición final de las fibras son: la forma del vaciado del hormigón, el proceso de compactación y el efecto pared (Alberti, 2015). Además de conocer la distribución de las fibras es importante conocer el número de fibras que hay en una determinada sección, ya que de acuerdo con este autor la respuesta del material ante esfuerzos de flexión está gobernado por el factor de orientación cuyo valor numérico a partir de ensayos lo estableció en θ =0.57 (Alberti, 2015; Martine & Roussel, 2011) . El número de fibras que se puede localizar en un plano de fractura fue propuesto por (Krenchel, 1975) el cual representa la relación entre el número real de fibras que se encuentran en la sección (n) y el número teórico para la misma (th). 𝑛. 𝜃 = 𝑡ℎ. Ecuación 2-1. Una forma práctica de determinar el número real de fibras de un plano de fractura consiste en realizar una malla que divida al plano de fractura en varias partes de menor tamaño y contar el número de fibras en cada parte (Gettu, et al., 2005). El número teórico de fibras se puede calcular según se indica en la Ecuación 2-2, done Ac es la superficie de fractura, Vf es la relación entre el volumen de fibras en la probeta y el volumen de la probeta y Af es el área de la sección transversal de una fibra (Alberti, et al., 2016). 𝑡ℎ =. 𝐴𝑐∗𝑉𝑓 𝐴𝑓. Ecuación 2-2. 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒 𝑓𝑖𝑏𝑟𝑎𝑠. Vf=𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑜𝑏𝑒𝑡𝑎. Ecuación 2-3. El mismo autor ha propuesto un modelo matemático a través del cual se puede determinar los valores del coeficiente de orientación para elementos tipo viga, teniendo en cuenta la influencia de 3 zonas claramente identificadas en la sección transversal y para las cuales existe un distinto valor del coeficiente de orientación. Las zonas con coeficiente θ 2 corresponde a una interacción entre la zona afectada por el efecto pared y la zona libre θ 1. En la zona θ 1 el hormigón puede desplazarse con mayor facilidad debido. 13.

(26) a que se desliza sobre otras partículas de la misma masa y la zona θ 3 es el área donde existe una doble interacción entre el efecto pared producido por las caras horizontales y verticales del encofrado. Los valores propuestos para el coeficiente de orientación fueron obtenidos a partir de ensayos con hormigón autocompactante (Alberti, 2015). En la Figura 2-12 se puede ver las diferentes zonas y los distintos coeficientes de orientación de las fibras.. Figura 2-10: (a) coeficiente de orientación para cada área; (b) posición de la entalla para la prueba mecánica (Alberti, et al., 2017; Alberti, et al., 2016; Alberti, et al., 2016; Alberti, 2015). Figura 2-11 Áreas teóricas y valores del coeficiente de orientación (Alberti, et al., 2017; Alberti, et al., 2016; Alberti, et al., 2016; Alberti, 2015). 14.

(27) 2.6. FRACTURA EN MODO I PARA ELEMENTOS DE HORMIGON REFORZADOS CON FIBRAS DE POLIOLEFINA. En una campaña experimental anterior (Alberti, 2015) se realizaron ensayos en probetas de hormigón autocompactante sin fibras, hormigón autocompactante con un contenido de fibras de poliolefina de 3, 6 y 10 kg/m3, sometidas a ensayos de tracción por flexión. Los resultados demostraron que la carga mínima post-fisuración (LMIN) tiene relación directa con el número de fibras localizado en el tercio medio del plano de fractura y la carga remanente postfisuración (LREM) tiene relación directa con el número total de fibras que hay en la superficie de fractura como se indica en las Figuras 2-14 y 2-15 respectivamente. Las curvas representadas con los datos obtenidos en los ensayos muestran el diferente comportamiento de los hormigones sin y con fibras. En la Figura 2-18 correspondiente al hormigón sin fibras, se aprecian claramente dos ramas, una rama de carga hasta la iniciación de la fisura en la probeta y posteriormente una rama de descarga. Por el contrario, las Figuras 2-16 y 2-17 muestran cuatro ramas bien diferenciadas, la primera rama se asemeja a una línea recta que llega a la máxima carga correspondiente al límite de proporcionalidad (LLOP), hasta aquí es la matriz de hormigón quien resiste las acciones. En la segunda rama la probeta presenta una pérdida de capacidad debido a las fisuras que se generan en su interior y se descarga hasta llegar a la carga mínima post fisuración (LMIN). La tercera rama presenta una recarga, ya que son las fibras quienes absorben las fuerzas de tracción y la capacidad de la probeta crece hasta llegar a la carga máxima post-fisuración (LREM). La cuarta rama representa una descarga de la probeta porque han comenzado a fallar las fibras. Los resultados obtenidos en los ensayos del HRFP mostraron unas buenas cualidades estructurales del material, a la vez un incremento notable en la ductilidad del hormigón.. Figura 2-12:Ensayo de flexión en tres puntos (Alberti, 2015). 15.

(28) Figura 2-13:Carga mínima post-fisuración versus número de fibras (Alberti, 2015). Figura 2-14: Carga remanente post-fisuración versus número de fibras (Alberti, 2015). Figura 2-15: Curva Carga-LVDT para hormigón autocompactante y hormigón fluido con 3 kg/m3 de fibras de poliolefina (Alberti, et al., 2015). 16.

(29) Figura 2-16: Curva Carga-LVDT para hormigón autocompactante y hormigón fluido con 10 kg/m3 de fibras de poliolefina (Alberti, et al., 2015). Figura 2-17:Curva Carga-CMOD para hormigón autocompactante y hormigón fluido sin fibras (Alberti, et al., 2015). VCC3 SCC3 VCC4.5 SCC4.5 VCC10 SCC10. fct (Mpa) 4,81 5,21 4,74 5,23 4,21 5,22. fR1 (MPa) 0,93 0,93 1,06 0,95 1,98 2,41. % fct 19 19 22 18 47 46. fR2 (MPa) 0,95 0,93 1,13 1,03 2,45 3,16. % fct 20 19 24 20 58 61. fR3 (MPa) 0,91 1,15 1,4 1,25 2,87 3,87. % fct 29 24 29 24 68 74. fR4 (MPa) 0,97 1,27 1,56 1,32 3,05 4,16. % fct 21 26 33 25 72 80. Tabla 2-1: Resistencias residuales en Modo I para hormigón fluido y autocompactante (Alberti, 2015). 17.

(30) 2.7. FRACTURA EN MODO II PARA ELEMENTOS DE HORMIGON REFORZADOS CON FIBRA. El fenómeno de cortante puro para elementos de hormigón reforzado con fibra se continúa estudiando, de acuerdo con (Del Castillo Schiffino, 2015) el comportamiento post-pico presenta considerables mejoras en lo que se refiere a ductilidad y capacidad de conservación de cargas residuales. (Picazo, et al., 2018) realizó ensayos tipo “Push-off” en probetas de hormigón en forma de “Z” con el objetivo de estudiar el comportamiento frente a esfuerzo cortante de hormigones reforzados con fibras de acero y poliolefina.. Figura 2-18: Ensayo "push-off" (Picazo, et al., 2018). Los especímenes empleados corresponden a probetas cubicas de 100 mm de lado y 50 mm de profundidad para hormigón sin fibras (H0), hormigón con 10 kg/m3 de fibras de poliolefina (HP), además hormigón con 26 y 70 kg/m3 de fibras de acero (HS). Los resultados obtenidos indican que: •. Las probetas con mayor contenido de fibras metálicas obtuvieron las máximas tensiones tangenciales por encima de la descarga para desplazamientos de hasta 2 mm, para desplazamientos mayores el hormigón con fibras de poliolefina obtuvo cargas residuales mayores.. •. Las probetas con 10 kg/m3 de fibra de poliolefina presentaron una mayor tensión tangencial máxima en comparación con las probetas de 26 kg/m3 de fibras de acero.. 18.

(31) •. La energía disipada durante el proceso de fisuración para los hormigones con fibras de poliolefina y de acero es superior a 10 veces la energía de fractura de un hormigón sin fibras.. Figura 2-19: Curvas tensión tangencial media-CSD (curvas medias de las probetas ensayadas de cada tipo de hormigón) (Picazo, et al., 2018). Los resultados para probetas de 150 mm y 75 mm de entalla para hormigones autocompactantes y vibrados con 6, 7.5 y 10 kg/m3 de fibras de poliolefina (HRFP) y acero (HRFA) se muestran a continuación (Picazo, et al., 2018).. Figura 2-20:Curva tensión media a cortante -desplazamiento a cortante (Picazo, et al., 2018). 19.

(32) Tabla 2-2: Energía de fractura (Gf) para un desplazamiento de 2 mm y variación de la misma en relación al H0, disipada en los ensayos. Tensiones residuales para desplazamientos de 1 mm y 2 mm (Picazo, et al., 2018). Tabla 2-3: Dimensiones, carga, cortante y conteo de fibras de las probetas (valores medios de las probetas ensayadas de cada tipo de hormigón y sus coeficientes de variación) (Picazo, et al., 2018). También se realizó una campaña experimental con HRFP sometido a esfuerzo de cortante en Modo II. Dicha campaña se basó en la realización de ensayos sobre probetas tipo “push-off” (Picazo, et al., 2018). Se emplearon probetas obtenidas de las mitades residuales de ensayos a flexión y se usó hormigón de baja resistencia con dosificaciones de 6 y 7,5 kg/m3, junto con hormigón vibrado y autocompatado de 10 kg/m3. Las Figuras 2-22, 2-23 y 2-24 muestran el comportamiento de los elementos de HRFP en Modo II donde de manera general se identifica una primera rama semejante a una línea recta hasta llegar a la carga máxima, posteriormente existe una rama de descarga pronunciada o etapa de ablandamiento hasta valores cercanos a 1 mm de CSD y finalmente la descarga continúa de forma gradual mostrando un comportamiento dúctil. En la etapa de descarga gradual todas las probetas mostraron un comportamiento similar y con valores semejantes de resistencia indistintamente de la dosificación de fibras.. 20.

(33) El autor indica que los valores de resistencia máxima al corte se vinculan con las propiedades de la matriz de hormigón mientras que los valores de la resistencia residual al corte se asociaron con la dosificación y posicionamiento de las fibras.. Figura 2-21:Curvas experimentales cortante promedio-CSD de la probeta MSC6 (Picazo, et al., 2018). Figura 2-22::Curvas experimentales cortante promedio-CSD de la probeta SCC10 (Picazo, et al., 2018). 21.

(34) Figura 2-23:Curvas experimentales cortante promedio-CSD de la probeta VCC10 (Picazo, et al., 2018). 2.8. FRACTURA EN MODO MIXTO PARA ELEMENTOS DE HORMIGON REFORZADOS CON FIBRA. El comportamiento de Fractura por cortante para hormigón reforzado con fibras de acuerdo con (Tian Sing, et al., 2014) se comenzó a investigar por (Romualdi & Baston, 1963) desde entonces se han publicado una considerable información para caracterizar el comportamiento de este material, desde el punto de vista mecánico se lo puede dividir en cortante por tracción (Modo I), cortante Puro (Modo II) y una combinación de tracción y corte (Modo Mixto) (Bazant & Planas, 1998). Sin embargo, en la realidad la mayoría de fallos por cortante de elementos estructurales suceden bajo la acción de tracción y corte o modo mixto (Bazant & Planas, 1998) y es un fenómeno del cual se sigue investigando porque aún no se termina de entender y caracterizar su comportamiento (Gálvez, et al., s.f.; Cendón, et al., 2000; Gálvez, et al., 2002; Galvez, et al., 1996) basados en ensayos de flexión en tres y cuatro puntos de probetas de hormigón prismáticas lograron crear un modelo matemático que usa la teoría de fisura cohesiva para predecir la trayectoria de la grieta en el proceso de fracturación, esta teoría es utilizada por muchos investigadores para describir la no linealidad de la zona cerca de la punta de la grieta (Bazant & Planas, 1998) .. 22.

(35) Figura 2-24:Trayectoria de grieta experimental y modelo numérico de predicción (Gálvez, et al., s.f.). Figura 2-25:Curvas Carga-CMOD y Carga-Desplazamiento para distintos tamaños de probeta (Gálvez, et al., s.f.). La fractura en modo mixto es un tema complejo que no depende solamente de la matriz de hormigón sino también de la porosidad, ubicación de las fibras, etc. (Tian Sing, et al., 2014) realizó varios ensayos de corte en modo mixto para probetas de sección rectangular con fibras de acero con extremo en forma de gancho y fibras de acero lisas, variando al propósito los ángulos de inclinación que forma la fibra con un plano perpendicular al plano de corte el cual formaba 45 grados con la horizontal, las pruebas se realizaron para ángulos de 0, +-30 y +- 60 grados llegando a determinar que el comportamiento de extracción de la fibra está muy influenciado por la alineación de la fibra con respecto a la dirección de carga. Si este ángulo aumenta, la separación con respecto a la fibra sucede antes de que las fibras sean efectivas.. 23.

(36) Figura 2-26 Extracción de fibras en modo mixto (Tian Sing, et al., 2014). Además del comportamiento de la fibra y la matriz de hormigón interviene también el efecto tamaño en el cual estudia como varía la resistencia nominal de un elemento de hormigón a medida que aumenta el tamaño, el efecto tamaño también afecta a la ductilidad del elemento (Bazant & Planas, 1998; Bazant, et al., 1994; Rocco, et al., 1999; Fernandez Ruiz & Muttoni, 2018).. Figura 2-27:Efecto Tamaño (Bazant & Planas, 1998; Alberti, 2015). Existen ensayos que demuestran que la energía de fractura varía con el tamaño, la geometría de la probeta, la profundidad de la entalla y según el tipo de probeta sea esta compacta o de flexión. Los ensayos realizados en los laboratorios de la Universidad Politécnica de Madrid muestran variaciones de hasta un 50% para la energía de fractura entre diferentes tamaños. Uno de los motivos para que exista esta diferencia es la forma del ensayo ya que de acuerdo con (Guinea Tortuero , 1990) el procedimiento de cálculo no considera el peso propio de la probeta. 24.

(37) (Mahmud, et al., 2013) a través de ensayos de flexión en tres puntos para vigas de hormigón de distintas alturas reforzadas con fibras de acero llega a concluir que el efecto de tamaño en las estructuras de materiales cementantes podría eliminarse mediante la adición de alto volumen de fibras dúctiles. Las investigaciones de (Abou El-Mal, et al., 2015) realizando combinaciones de distintos tipos de fibras en probetas prismáticas de hormigón indican que la resistencia a fractura del hormigón o tenacidad de fractura disminuye conforme aumenta la relación a/c, así mismo que la combinación de fibras acero y polipropileno son las que producen valores más altos de tenacidad de fractura. (Ghasemi, et al., 2018) realizo varios ensayos para elementos de hormigón reforzados con fibras sometidos a Modo I, variando el tamaño máximo del agregado y la fracción volumétrica de fibras de acero. Los resultados muestran que un aumento del tamaño del agregado hasta 12.5 mm ocasiona un aumento en la energía de fractura, pero con tamaños superiores esta energía decrece. Pruebas realizadas en hormigón autocompactante con distintos tamaños nominales de agregado, demuestran que un aumento en el diámetro nominal máximo produce un aumento de la energía de fractura y la longitud característica (Beygi, et al., 2014; Karamloo, et al., 2016; Ghasemi, et al., 2018). Ensayos realizados en vigas de HRF con alturas desde 400 hasta 700 mm muestran una reducción en la resistencia al corte entre el 7 y el 15 % (Noghabai, 2000; Dinh, 2009; Shoaib, et al., 2014). Ensayos para hormigones de ultra alta resistencia reforzados con fibras metálicas variando la relación agua-cemento y la fracción volumétrica de fibras indican que el uso de las fibras reduce el efecto tamaño (Yoo, et al., 2016), resultados similares con modelos de elementos finitos muestran que para elementos con un contenido de fibras mayor al 1.5 % la influencia del efecto tamaño en la resistencia al corte disminuye debido a la alta ductilidad del material (Hussein & Amleh, 2018), por medio de modelos numéricos se ha demostrado que la resistencia a tracción también disminuye (Murali & Arghya, 2017). El presente trabajo aportará con información relevante acerca del comportamiento de elementos de hormigón reforzado con fibras sometidos a fractura en modo mixto para lo cual se ensayarán elementos tipo viga de distintas dimensiones y distintas dosificaciones de fibra sometidas a un cuchillo de cargas no simétrico con respecto a los apoyos como se indica en (Figura 2-28).. P. D/2. D. D. 7D/4. D/2. 2D. D/4. Figura 2-28: Ensayo de flexión en tres puntos para modo mixto (Gálvez, et al., s.f.; Cendón, et al., 2000). 25.

(38) 3. CAMPAÑA EXPERIMENTAL. La campaña experimental comprende dos grupos de probetas, el primero corresponde a hormigón fluido con dosificaciones de 3,6 y 10 kg/m3 de fibras de poliolefina de 60 mm de longitud con tamaño (150x150x600) mm en total 5 unidades y dos probetas sin fibras para control, fabricadas con el hormigón de referencia. El segundo grupo de probetas son de hormigón autocompactante con 10 kg/m3 de fibras de poliolefina de 48 mm de longitud y tres tipos de tamaños pequeño (50x75x340) mm, mediano (50x150x675) mm y grande (50x300x1350) mm en total 12 unidades, fabricadas con la dosificación del hormigón autocompactante de referencia. Esta combinación de cantidad de fibras y tamaños permite realizar un análisis amplio de cómo afecta el contenido de vibras al comportamiento del hormigón en estado endurecido, cual es la influencia del efecto pared en elementos delgados y elementos de mayor espesor y al mismo tiempo como varían las propiedades mecánicas en función del tamaño de la probeta. Dimensiones (mm) Número Tipo de hormigón de Longitud Ancho Altura probetas Fluido 600 150 150 2 Fluido 600 150 150 1 Fluido 600 150 150 2 Fluido 600 150 150 2 Autocompactante 340 50 75 3 Autocompactante 675 50 150 5 Autocompactante 1350 50 300 4. Dosificación de fibras de Longitud poliolefina de fibra (kg/m3) (mm) Denominación HF0 3 60 HF3 6 60 HF6 10 60 HF10 10 48 WP 10 48 WM 10 48 WG. Tabla 3-1: Características de las probetas realizadas en la campaña experimental. Figura 3-1:Probetas WG1 y WG2. 26.

(39) 3.1. MATERIALES EMPLEADOS Y DOSIFICACIÓN. Para la fabricación de las probetas de hormigón fluido y autocompactante se usó cemento tipo EN 197-1 CEM I 52.5 R-SR 5, áridos silíceos formados por gravillas y gravas con tamaños de 4 a 8 mm y 4 a 12 mm. Además, se usó arena con un tamaño entre 0 y 2 mm. El tamaño máximo del agregado fue de 12.7 mm cuya granulometría y propiedades físicas se muestran en la Tabla 3-2 y en la Figura 3-2. Como adición se usó filler calizo con densidad 2700 kg/m3 y superficie específica 400-450 m2/kg. El contenido de carbonato de calcio del filler calizo fue mayor del 98% con menos del 0.05 % retenido en el tamiz de 45 um. Para lograr la consistencia adecuada se empleó Sika Viscocrete 5720, un superplastificante a base de policarboxilatos con un contenido sólido del 36% y 1090 Kg/m3 de densidad. Se usaron fibras rectas de poliolefina con longitudes de 60 y 48 mm para hormigón fluido y autocompactante respectivamente. La dosificación de estos hormigones se muestra en la Tabla 3-4 y las características de las fibras en la Tabla 3-3. Curva granulométrica. % pasante. Diámetro tamiz (mm) 16 12,7 8 4 2 1 0,5 0,25 0,125 0,063 Fondo Densidad superficie seca (kg/m3). Grava 100 99,86 6,24 0 0 0 0 0 0 0 0 2602. gruesos Gravilla 100 100 94,65 17,35 1,98 1,12 0,90 0,54 0 0 0 2622. finos Arena 100 100 100 99,83 97,67 82,82 39,03 12,53 2,58 1,54 0 2558. Densidad de partículas saturadas con superficie seca (kg/m3) Absorción de agua %. 2615 0,5. 2626 0,17. 2584 1,01. Tabla 3-2:Propiedades de gravas y arena (Alberti, 2015). 27.

(40) Figura 3-2:Curva granulométrica de áridos (Alberti, 2015). Tipo de fibra Fibras de poliolefina Longitud (mm) 48-60 Forma de fibra Recta Densidad (g/cm3) 0,91 Diámetro equivalente (mm) 0,903 Resistencia a tracción (MPa) >500 Módulo de elasticidad (GPa) >9 Fibras por Kg 27000 Estructura de la superficie Rugosa Tabla 3-3 Propiedades de fibras usadas en hormigón fluido y autocompactante. Agua (Kg/m3) Cemento (Kg/m3) Filler Calizo (Kg/m3) Arena (Kg/m3) Grava (Kg/m3) Gravilla (Kg/m3) Fibras de poliolefina Vf (Kg/m3) Superplastificante 0,75-1,25 % peso del cemento (Kg/m3) Relación a/c. HF0. HF3. HF6. HF10. 187,5 375,0 100,0 916,0 300,0 450,0. 187,5 375,0 100,0 916,0 300,0 450,0. 187,5 375,0 100,0 916,0 300,0 450,0. 187,5 375,0 100,0 916,0 300,0 450,0. WP-WMWG 187,5 375,0 200,0 917,7 367,1 244,7. -. 3,0. 6,0. 10,0. 10,0. 2,8. 2,8. 2,8. 2,8. 4,7. 0,5. 0,5. 0,5. 0,5. 0,5. Tabla 3-4:Dosificación hormigón fluido y autocompactante (Alberti, 2015). Para la elaboración del hormigón autocompactante de igual manera se ha tomado como referencia el diseño de mezclas realizado por (Alberti, 2015) al cual se realizó correcciones del contenido 28.

(41) de agua debido a la humedad de los agregados y se añadió fibras de poliolefina de 48 mm de longitud de forma uniforme.. 3.2. ENSAYOS DE HORMIGÓN AUTOCOMPACTANTE FRESCO. Para el presente trabajo se realizó el ensayo de Extensión de flujo y Embudo en V con esto se evalúo la trabajabilidad de la mezcla de hormigón a través de parámetros como: capacidad de paso, resistencia a segregarse y capacidad de relleno:. Ensayo Escurrimiento Embudo en V. Parámetro medido T500 df Tv. Rango admisible ≤ 8 segundos 550 mm ≤df≤ 850 mm 4 seg ≤Tv ≤ 20 seg. Tabla 3-5:Límites de autocompactabilidad (EHE-08, 2008). 3.2.1. ENSAYO DE EXTENSIÓN DE FLUJO (UNE-EN 12350-8). El objetivo de este ensayo es medir la facilidad o capacidad para fluir de la muestra de hormigón. Además, se puede apreciar de manera visual si existe segregación en la mezcla representada por la cumulacion inusual de áridos gruesos o por la separación de la pasta y el mortero en el perímetro. Este ensayo es el más usado por su fácil aplicación ya que solo necesita el cono de Abrams y una bandeja metálica. La muestra de hormigón se debe colocar dentro del cono de Abrams sin ningún tipo de compactación, posteriormente se debe levantar el cono y medir el tiempo que tarda el hormigón en formar una torta de diámetro 50 cm y medir el diámetro final en dos direcciones perpendiculares (AENOR, 2011).. 29.

(42) Figura 3-3: Ensayo de extensión de flujo. 3.2.2. ENSAYO DEL EMBUDO EN V (UNE-EN 12350-9). Mide la capacidad de flujo y relleno del hormigón en una condición de flujo confinado. Consiste en llenar y enrasar un embudo de 13 lts, luego de haber transcurrido 10 segundos se abre una compuerta que tiene en su parte inferior y se mide el tiempo Tv que tarda en salir completamente la muestra (AENOR, 2011).. Figura 3-4:Ensayo del embudo en V. Ensayo. Parámetro. H. Autocompactante. UNE-EN 12350-8. T500 (s) df (mm). 6 570. UNE-EN 12350-9. Tv. 20. Tabla 3-6:Resultados ensayos extensión de flujo y embudo en V. 30.

(43) 3.3. ENSAYO DE RESISTENCIA A COMPRESIÓN (UNE-EN 12390-3). Esta es la propiedad más importante del hormigón debido a que tradicionalmente ha sido utilizada para la obtención de otras características asociadas. La resistencia a compresión se determinó con probetas cilíndricas de 150 mm de diámetro y 300 mm de altura las cuales permanecieron por 28 días en la cámara de curado. La cara superior e inferior de la probeta fueron rectificadas un día antes de la fecha de ensayo y se sometieron a una carga de compresión hasta la rotura por medio de una prensa Ibertest con capacidad de carga 150 Ton (AENOR, 2003) .. Figura 3-5:Probeta cilíndrica ensayada a compresión. Las propiedades mecánicas más importantes han sido determinadas en investigaciones anteriores (Alberti, 2015). Tipo Hormigón fluido. Hormigón autocompactante. Probeta HF0 HF3 HF6 HF10 WP WM WG. Resistencia a Módulo de compresión Elasticidad fck (MPa) E (GPa) 34 34 31 30 33 30 28 28 37 30 37 30 37 30. Resistencia a tracción fct (MPa) 3,9 3,6 3,9 4,1 4,6 4,6 4,6. Tabla 3-7:Propiedades mecánicas hormigón fluido y autocompactante. 31.

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