TRABAJO FINAL DE MÁSTER

Trabajo realizado por:

Andrés Mauricio García Chacón

Dirigido por:

Alberto de la Fuente Antequera

Tomás García Vicente

Máster en:

Ingeniería de Caminos, Canales y Puertos

Barcelona,

Septiembre 2019

Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental

TRABAJO FINAL DE

MÁSTER

Adherencia de barras de acero

corrugado embebidas en matrices

de hormigón con fibras

RESUMEN

En las últimas décadas el avance en la construcción, sus materiales y sus técnicas, así como las investigaciones que engloban este campo, han permitido al hormigón reforzado con fibras abrirse paso en su aplicación, ganando especial interés en el ámbito estructural. En más de cinco décadas se ha desarrollado el estudio de este material, el cual ha permitido un mejor entendimiento de su comportamiento y puesta en escena. El interés en el desarrollo del estudio de este material está asociado especialmente a la contribución en ductilidad y control de fisuración que el refuerzo de fibras aporta al material.

El presente trabajo se dirige al análisis, mediante estudio experimental, de la adherencia entre las barras de acero corrugado con la matriz de hormigón reforzado con fibras y el efecto que puede producir la incorporación de este refuerzo discontinuo en todo el mecanismo adherente para un apropiado comportamiento como material compuesto.

Con este objetivo, se llevó a cabo una campaña experimental constituida principalmente por un ensayo de adherencia por arrancamiento (pull-out), en el cuál, las variables fueron el tipo de fibra y las cuantías empleadas: hormigón de control (sin fibras), hormigón reforzado con fibra plástica (polipropileno) con cuantías de 2, 4 y 6 kg/m3 _{y con fibra metálica (acero) con cuantías de 20 y 40} kg/m3_{; y el diámetro de barra embebida en las probetas cúbicas (𝜙12 mm y 𝜙16 mm).}

Además, para la caracterización de cada uno de los hormigones fabricados, se realizaron ensayos de compresión simple, de módulo de elasticidad secante, de tracción indirecta (ensayo brasileño) y de flexotracción.

Adicionalmente, como un breve acercamiento al comportamiento adherente del hormigón proyectado con fibras, se realiza un breve análisis de ensayos llevados a cabo en las inmediaciones de una obra de construcción de un túnel carretero.

Los resultados ponen de manifiesto que el refuerzo con fibras plásticas no presenta un efecto significativo en el comportamiento adherente y que, por otra parte, las fibras metálicas reducen las tensiones de adherencia para las cuantías de fibras, diámetros de barra y dosificaciones empleadas. Por tal razón, se concluye que la longitud de anclaje para las barras de acero corrugado no ha de ser modificada al incorporar fibras como refuerzo en el hormigón.

Adherencia de barras corrugadas embebidas en matrices de hormigón reforzado con fibras

ABSTRACT

In recent decades, the advancement in construction, its materials and its techniques, as well as the advancement in research within the field, has allowed the fibre-reinforced concrete to make its way in its implementation, gaining special interest in the structural scope. In more than five decades, the study of this material has developed, allowing for a better understanding in its behaviour and use. The interest in developing the material is associated particularly to the contribution that the fibre-reinforcement provides in ductility and crack control.

This work analyses, by means of experimental study, the bonding between the rebars and the fibre-reinforced concrete matrix. It focuses on the influence that the addition of this discontinuous reinforcement could have on the bonding mechanism for an appropriate behaviour as a composite material.

With this objective, an experimental campaign that consisted of mainly a bonding test (pull-out test) was carried out, in which the variables were the fibre type and the amounts used: control concrete (with no fibres), plastic (polypropylene) fibre-reinforced concrete with quantities of 2, 4 and 6 kg/m3_, and metal (steel) fibre-reinforced concrete with quantities of 20 and 40 kg/m3_{; and the rebar diameter} embedded in the cubic specimens (𝜙12 mm y 𝜙16 mm).

Furthermore, some tests were carried out for the characterization of each produced concrete: simple compression, secant elasticity modulus, indirect tensile test (Brazilian test) and 3-point bending test.

Additionally, as a slight approach to the bonding behaviour of the sprayed fibre-reinforced concrete (fibre-reinforced shotcrete), a brief analysis of the results obtained from the concrete, employed in a tunnel construction, is carried out.

The results expose that the reinforcement with plastic fibres does not present a significant effect in the bonding behaviour and on the other hand, that the steel fibres reduce the bonding stress and bonding strength with the fibres quantity, rebar diameter and dosage employed. For that reason, it is concluded that the rebars development length should not be modified with the incorporation of fibres to the concrete.

Adherencia de barras corrugadas embebidas en matrices de hormigón reforzado con fibras

ÍNDICE

ESTADO DEL CONOCIMIENTO ... 18

2.1. HORMIGÓN REFORZADO CON FIBRAS ... 18

2.1.1. Características del hormigón reforzado con fibras ... 18

2.1.2. Fibras de acero ... 28

2.1.3. Fibras de polipropileno ... 30

2.2. HORMIGÓN PROYECTADO ... 31

2.2.1. Campo de aplicación ... 32

2.2.2. Métodos de aplicación ... 32

2.2.3. Fenómenos asociados al proceso de proyección ... 33

2.3. ADHERENCIA ENTRE ACERO Y HORMIGÓN ... 34

2.3.1. Factores que influyen en la adherencia ... 37

2.3.2. Adherencia entre Hormigón Reforzado con Fibras y barras de acero ... 40

2.3.3. Longitud de anclaje ... 43

2.4. ENSAYOS PARA LA CARACTERIZACIÓN DE LA ADHERENCIA ... 46

2.4.1. Ensayo de adherencia. Ensayo de la viga ... 46

2.4.2. Ensayo de adherencia. Ensayo por arrancamiento (Pull-Out) ... 49

CAMPAÑA EXPERIMENTAL ... 52

3.1. INTRODUCCIÓN ... 52

3.2. VISIÓN GENERAL DE LA CAMPAÑA EXPERIMENTAL ... 52

3.3. DOSIFICACIÓN Y FABRICACIÓN DE PROBETAS ... 55

3.3.1. Dosificación ... 55

3.3.2. Fabricación de probetas ... 56

3.4. ENSAYOS SOBRE PROBETAS MOLDEADAS ... 58

3.4.1. Ensayo de resistencia a compresión ... 59

3.4.2. Ensayo para la determinación del Módulo secante de elasticidad en compresión ... 59

3.4.3. Ensayo de resistencia a tracción indirecta (Ensayo Brasileño) ... 60

3.4.5. Ensayo de adherencia por arrancamiento ... 63

3.5. ENSAYOS SOBRE HORMIGÓN PROYECTADO ... 64

3.5.1. Ensayo propuesto de adherencia sobre hormigón reforzado con fibras proyectado .... 66

RESULTADOS Y ANÁLISIS ... 69

4.1. INTRODUCCIÓN ... 69

4.2. ENSAYOS SOBRE PROBETAS MOLDEADAS ... 69

4.2.1. Ensayo de resistencia a compresión ... 69

4.2.2. Ensayo del Módulo de elasticidad en compresión ... 71

4.2.3. Ensayo de resistencia a tracción indirecta (Ensayo Brasileño) ... 72

4.2.4. Ensayo de resistencia a la tracción por flexión ... 73

4.2.5. Ensayo de adherencia por arrancamiento ... 81

4.3. ENSAYOS SOBRE HORMIGÓN PROYECTADO ... 95

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 101

5.1. INTRODUCCIÓN ... 101

5.2. CONCLUSIONES EN CUANTO AL COMPORTAMIENTO ADHERENTE ... 102

5.3. CONCLUSIONES ADICIONALES ... 105

5.4. LINEAS DE INVESTIGACIÓN FUTURAS ... 107

BIBLIOGRAFÍA ... 110

Adherencia de barras de acero corrugado embebidas en matrices de hormigón reforzado con fibras

INTRODUCCIÓN

El hormigón reforzado con fibras (HRF) es un material compuesto que ha ido tomando cada vez mayor interés en aplicaciones estructurales a la vez que sus propiedades mecánicas son más conocidas y objeto de diversas investigaciones (Plizzari & Tiberti, 2006). Tras más de 5 décadas bajo estudio, el estado de conocimiento sobre el comportamiento de este material es bastante positivo, y sigue presentando muchas líneas de investigación, debido a su gran interés teniendo en cuenta las deficiencias principales del hormigón convencional: comportamiento frágil, baja resistencia a tracción y baja resistencia a la apertura de las fisuras producida y su propagación (Brandt, 2008).

Este material está siendo ampliamente utilizado estructuralmente donde la integridad y seguridad es esencial, debido a su gran capacidad de absorción de energía bajo tracción, cuyas fibras permiten una redistribución de tensiones aumentando la tenacidad del material. (Plizzari & Tiberti, 2007)

La adición de fibras para el refuerzo de este material genera una reducción en el ancho de fisura, pero también un menor espaciamiento entre estas; esto se traduce en una mejora para las estructuras en cuanto a seguridad y durabilidad. El material que permanece intacto entre fisuras sufre una

rigidización y permite un mejor comportamiento en tensiones residuales, debido al efecto puente generado por las fibras. (Tiberti, Minelli, & Plizzari, 2015)(Brandt, 2008)

En especial, en la actualidad reviste un gran interés su uso en dovelas de túnel prefabricadas para su uso junto con tuneladoras (TBM por sus siglas en inglés “Tunnel Boring Machines”). El uso de fibras permite reducir e incluso sustituir completamente el uso de refuerzo convencional (hormigón armado) (Plizzari & Tiberti, 2007)

Igualmente, Plizzari y Tiberti (2007) señalan la ventaja que presenta el HRF ante cargas de impacto, al presentar refuerzo en la zona de recubrimiento. Esta característica puede ser esencial en el proceso constructivo, donde la manipulación de las dovelas prefabricadas puede generar impactos en los elementos.

Sin embargo, también es extendido el uso del refuerzo con fibras para túneles con hormigón proyectado, pavimentos (tanto industriales como carreteros) y tuberías de saneamiento. El empleo de fibras permite la sustitución total o parcial del armado convencional de barras de acero, lo cual conlleva un beneficio económico, especialmente por reducción en los tiempos de ejecución. (De la Fuente, Pujadas, Blanco, & Aguado, 2012) (De la Fuente, Escariz, de Figueiredo, Molins, & Aguado, 2012)

Pero, por otra parte, es quizás menor el conocimiento en cuanto al comportamiento adherente entre la armadura convencional (barras de acero) y la matriz de hormigón para el HRF. La adherencia entre estos dos materiales es esencial para el comportamiento como material compuesto del HRF, ya que una adherencia intacta, totalmente efectiva, beneficia en la integridad y en el comportamiento general de las estructuras armadas. La adición de fibras, según Chu y Kwan (2019), mejora el comportamiento adherente, en especial con barras de acero deformadas (corrugadas o grafiladas). Sin embargo, los autores (Chu & Kwan, 2019) en este artículo sugieren necesario un estudio más completo en cuanto a la adherencia, en el que no solo se considere la tensión de adherencia última, sino también otras propiedades como la curva tensión-deslizamiento, rigidez de adherencia y tenacidad de adherencia, con el fin de obtener un modelo adecuado de la adherencia entre estos dos materiales.

Es por esto, debido al incremento en el interés estructural del HRF y el comportamiento adherente frente a las barras de acero aún bajo estudio para un avanzado conocimiento de este, que se halla una motivación para la realización del presente trabajo.

1.1. OBJETIVOS

1.1.1. General

El objetivo general del presente documento yace en el estudio de la adherencia entre las barras de acero corrugado y la matriz de hormigón reforzado con fibras. Se estudia para hormigón moldeado, llevando a cabo una campaña experimental, donde el HRF presenta distintas cuantías de fibras, tanto plásticas como metálicas; y como una breve extensión, que además reflejará la necesidad de realizar estudios más extensos, la adherencia para hormigón proyectado (in-situ), tomando resultados de ensayos realizados previamente.

Con esto se pretende comprobar si es posible la modificación en la expresión de cálculo de la longitud de anclaje para la armadura en un hormigón armado con HRF.

1.1.2. Específicos

Los objetivos específicos englobados en el objetivo general y que permiten su alcance son los presentados a continuación:

• Revisión de la literatura y el estado del conocimiento

• Caracterización de las distintas dosificaciones empleadas para el estudio mediante campaña experimental

• Determinación del comportamiento adherente para distintos tipos de fibra y para distintas cuantías de estas en el HRF

• Evaluación, a modo de breve extensión y aplicación sobre hormigón proyectado, del comportamiento adherente para la campaña previa realizada sobre hormigón dosificado como hormigón proyectado, en el entorno de una obra de construcción, para distintos planos de armado, variando el diámetro de barra embebida y la técnica de colocación (vertido y compactado o proyectado). El alcance en cuanto a este objetivo no será muy ambicioso, debido a la falta de variación de cuantía de fibras empleadas en la campaña externa, en la cual, se pretendía un ligero acercamiento en el estudio de hormigón proyectado con fibras. • Análisis y conclusión derivados de los resultados experimentales obtenidos, así como de los

aportados por la campaña previa de hormigón proyectado.

1.2. MÉTODOLOGÍA

A continuación, se presenta la estructura del presente trabajo y la metodología seguida para la consecución de los objetivos planteados.

Capítulo 1

En el capítulo 1 se realiza una breve introducción sobre el Hormigón Reforzado con Fibras, se describen los objetivos para el presente trabajo y se presenta la metodología llevada a cabo.

Capítulo 2

En este capítulo se presenta el estado del conocimiento, con la revisión de la literatura correspondiente, para poder abordar el presente trabajo. Los temas abordados son: hormigón reforzado con fibras, Hormigón Proyectado, Adherencia entre barras de acero y matriz de hormigón y ensayos normalizados para su caracterización.

Capítulo 3

En el capítulo 3 se describe la campaña experimental llevada a cabo, la visión general, planificación y ensayos realizados para el estudio planteado.

Capítulo 4

En este capítulo se presentan los resultados obtenidos para la campaña experimental realizada, así como el análisis de los mismos.

Capítulo 5

En el último capítulo se describen las conclusiones obtenidas del trabajo realizado, así como sugerencias para futuras investigaciones que permitan corroborar, afianzar y aumentar el conocimiento frente a la adherencia en el hormigón reforzado con fibras.

Adherencia de barras de acero corrugado embebidas en matrices de hormigón reforzado con fibras

ESTADO DEL CONOCIMIENTO

2.1. HORMIGÓN REFORZADO CON FIBRAS

2.1.1. Características del hormigón reforzado con fibras

El hormigón es conocido por tener baja resistencia a tracción, característica que, unida a su comportamiento frágil, produce el fallo sin aviso. Por ello, ha sido necesario utilizar refuerzos para mejorar su comportamiento a tracción siendo el acero el material generalmente utilizado para dicho desempeño. En el caso de las fibras, a diferencia del uso de barras, se añaden de forma aleatoria por todo el hormigón y no sólo en la zona de tracción.

Los primeros intentos para introducir elementos no continuos fueron utilizando pequeños segmentos de cable o clavos de acero que datan de 1910 (Naaman, Fiber reinforcement for concrete,

1985). Por otra parte, no fue hasta la década de 1960 cuando se empezaron a realizar las primeras investigaciones sobre el efecto de las fibras en el hormigón, en Estados Unidos. Así pues, Roumaldi

(Roumaldi & Batson, 1963) concluyó que, utilizando fibras con un espaciado por debajo de un rango predecible, el tamaño de fractura máxima en el hormigón es igual al mencionado espaciado. En cuanto

a la resistencia a primera fisura, resultados experimentales realizados una década más tarde no han sido capaces de establecer una relación entre ésta y el espaciamiento entre fibras (Swamy & Mangat, 1974).

La adición de fibras permite mejorar el comportamiento frente a fisuración, tanto a micro-fisuración y macro-micro-fisuración. Las fibras inhiben la iniciación de fisuras y el crecimiento de estas micro-fisuras, pro una vez estas últimas generan macro-fisuración, el refuerzo con fibras permite evitar la propagación inestable de estas mediante el efecto puente, mejorando considerablemente la ductilidad y tenacidad del material. (Banthia & Gupta, 2004)

Se han realizado múltiples investigaciones sobre el comportamiento del hormigón con diversos tipos de fibra. Ramakrishnan (Ramakrishnan, Wu, & Hosalli, 1989) realizó una comparativa incluyendo fibras de acero y polipropileno, infiriendo que, para el hormigón fresco, las que más mejoraban el comportamiento eran las fibras de acero con relieve, mientras que las de propileno generaban oquedades con una considerable cantidad de aire. Por otra parte, las fibras de acero con el extremo conformado (acabado en gancho) aportaban una mayor resistencia al fallo.

En cuanto a la mejora del comportamiento mecánico del hormigón a compresión, Ezeldin

(Ezeldin & Balaguru, 1992)determinó que el uso de fibras incrementaba marginalmente la resistencia a compresión, la deformación correspondiente a la tensión máxima a compresión y el módulo de elasticidad secante, pero aumentando considerablemente la ductilidad y capacidad de absorción de energía de deformación. Además, indicó que el utilizar microsílice producía un comportamiento más frágil en el hormigón que sin él, pero este fenómeno podía ser evitado si se añadía fibras por encima de cierta cantidad.

Resistencia a tracción

El principal propósito de los ensayos sobre hormigón reforzado con fibras es caracterizar su comportamiento después de la fisuración. Los tipos que con más precisión recogen este comportamiento postfisuración son los ensayos de tracción uniaxial, sin embargo, estos ensayos suelen ser sensibles a las imperfecciones de la muestra y a excentricidades que se puedan producir en los aparatos utilizados. Por último, otro inconveniente radica en la complicación para obtener distribuciones de tensiones uniformes alrededor de la fisura (Saludes, 2006).

Así, la resistencia a tracción es una de las propiedades más complicadas de medir, siendo más extendido el uso de ensayos indirectos para caracterizarla. Esto es debido a que las deformaciones producidas en las probetas de hormigón no son uniformes, concentrándose principalmente en el lugar de aparición de la fisura principal (Visalvanich & Naaman, 1983).

Como alternativa al ensayo tradicional de tracción uniaxial, se pueden utilizar otros ensayos de tracción directa como el ensayo de muestras con entalla, que trata de fisurar el hormigón sobre el plano deseado, el ensayo denominado “Dogbone specimens” (ver Figura 2.1) que trata de evitar el fallo del hormigón cerca de las sujeciones y, por último, el ensayo de cilindros con entalla (ver Figura 2.2) de elaboración más compleja pero que garantizan una aplicación uniforme de las tensiones.

Figura 2.1. Disposición del ensayo Dogbone Specimens (Reinhardt, 1998)

Figura 2.2. Ensayo sobre cilindros con entalla (Mora, 2008)

Como alternativa a los ensayos de tracción directa están los de tracción indirecta entre los que se sitúa el ensayo brasileño entre los más conocidos debido a su facilidad de aplicación (ver Figura 2.3). Otros ensayos son el ensayo “Wedge-Splitting” que no requiere de un equipo sofisticado y consiste en producir una fisura en la zona donde se entalla el hormigón y el ensayo de doble punzonamiento que busca fracturar la probeta cilíndrica a lo largo de los planos que contienen al eje del cilindro. Para una descripción más detallada de los ensayos mencionados en este apartado, se puede consultar la tesis realizada por Saludes (Saludes, 2006).

Figura 2.3. Disposición del ensayo de tracción indirecta. Ensayo brasileño

Es preciso mencionar que la caracterización a tracción mediante el ensayo brasileño no es ideal para HRF, especialmente para fibras de acero, al poder producirse un efecto columna por la alineación de cierta cantidad de fibras con la carga aplicada. Además, el ensayo no es muy objetivo debido a que el hundimiento debido a la carga concentrada de compresión y a las grandes deformaciones a lo largo de la fisura pueden generar un incremento progresivo en el área de contacto entre las franjas de aplicación de carga y la probeta, lo que finalmente conlleva a un incremento de carga incluso después de la fisuración. (Carmona, Gettu, & Aguado, 1998)

Adicionalmente, cuando el ensayo se realiza por control de fuerza o bien, por desplazamiento de los platos de carga, el ensayo presenta mayor inestabilidad frente a un control en el alargamiento diametral normal a la carga aplicada, lo que conlleva a mayor dispersión en los resultados (Rocco, Guinea, Planas, & Elices, 1999). Es por esto que los autores proponen la modificación del ensayo para una longitud menor de probeta y con control en el alargamiento diametral (ver Figura 2.4) que genera un ensayo estable.

Figura 2.4. Ensayo brasileño con control en el alargamiento diametral (Rocco, Guinea, Planas, & Elices, 1999)

Carmona et al. (Carmona, Gettu, & Aguado, 1998) hallaron, mediante ensayo brasileño con control mediante extensómetro del alargamiento diametral, la aportación al comportamiento postfisuración para HRF con 0,5% y 1% en volumen de fibras (Vf). Se concluye que la resistencia postfisuración puede llegar a ser mayor a la obtenida para el HRF sin fisurar con la incorporación de

Figura 2.5. Curva carga-alargamiento transversal para el ensayo brasileño modificado en HRF (Carmona, Gettu, & Aguado, 1998)

Otra alternativa al ensayo brasileño para la caracterización indirecta de la tracción, ampliamente utilizada para HRF, es el ensayo de doble punzonamiento. Este ensayo fue introducido en la década de los 70 por Chen (1970) y consiste en la aplicación de una carga de compresión uniaxial sobre un área reducida en las caras extremas, mediante punzones. En la Figura 2.6 se puede observar el esquema del ensayo y el mecanismo de rotura idealizado para este ensayo. (Mora, 2008)

Figura 2.6. Esquema del ensayo de doble punzonamiento (izq) y mecanismo idealizado de rotura (der)

Así el ensayo de Barcelona (UNE_83515, 2010) corresponde a un ensayo de doble punzonamiento, en el que las probetas tienen una esbeltez (h/d) igual a 1 y se mide tanto la carga aplicada, como el desplazamiento vertical de los platos de carga y la apertura circunferencial de la probeta, permitiendo la caracterización de la resistencia a tracción indirecta, así como de la tenacidad y energía absorbida. (Mora, 2008)

El ensayo de Barcelona resulta una alternativa frente a los ensayos mencionados y frente a los ensayos de flexotracción presentados más adelante. Permite el ensayo con un tamaño de probeta menor por lo que representa un beneficio económico, un beneficio en cuanto a la complejidad del ensayo y la posibilidad de obtener un mayor número de muestras a ensayar. Sin embargo, este ensayo puede mostrar una desventaja frente a la iniciación de la fisuración y la estimación de la distribución de tensiones. (Blanco, Pujadas, Cavalaro, De la Fuente, & Aguado, 2014)

Resistencia a flexotracción

El consenso en relación con la mejora del comportamiento a flexión del hormigón con fibras respecto al convencional es general, teniendo en cuenta factores como la orientación de las fibras, la cantidad de éstas o su longitud entre otros (Tuner Fairbank Highway Research Center, 1994). En esta misma línea, la resistencia a flexión del hormigón mejoraba de manera continua cuanto mayor era la fracción de volumen de las fibras en el hormigón (Ghugal, 2003).

Así, el comportamiento a flexión sigue el patrón mostrado en la Figura 2.7, en el que inicialmente predomina en respuesta la matriz de hormigón hasta llegar a la solicitación de las fibras a tracción debido a la aparición de microfisuras, otorgándole resistencia residual a la pieza (incrementando la ductilidad) y capacidad de absorción de energía de deformación. La resistencia residual del material compuesto cae al perderse el anclaje de las fibras con el hormigón.

Figura 2.7. Comportamiento a flexión del HRF (Guillamón, 2013)

Los ensayos empleados generalmente para la caracterización a flexotracción del HRF son realizados sobre vigas o paneles de hormigón.

En cuanto a los ensayos sobre vigas, debido al especial interés de caracterizar el comportamiento postfisuración, se suele realizar una entalla que permita concentrar la primera fisura en la sección central de la viga y poder determinar de una manera más estable mediante la apertura de la fisura. Así, las principales variables a medir son la carga aplicada, la carga máxima (resistencia a flexotracción), deflexión de la viga y apertura de fisura (Mora, 2008). Los procedimientos más extendidos sobre vigas son el ensayo a flexión a 3 y 4 puntos.

El ensayo de flexión a 4 puntos (ver Figura 2.8) permite obtener un momento flector constante en el tercio central de la probeta, pero al no realizarse entalla sobre este ensayo normalizado, se genera una incertidumbre en la generación de la primera fisura, conllevando a una relativa elevada dispersión en los resultados residuales. (NBN_B_15-238, 1992) (ASTM_C1609, 2019)

Figura 2.8. Esquema del ensayo de flexotracción a 4 puntos

Por otra parte, el ensayo de flexotracción a 3 puntos permite la concentración del momento máximo en la sección central (sección donde se la carga es aplicada). Basado en este ensayo, para el HRF se define el ensayo normalizado de flexión con entalla (UNE-EN-14651, 2007) (RILEM-TC-162-TDF, 2002).

Figura 2.9. Esquema del ensayo de flexotracción a 3 puntos con entalla (RILEM-TC-162-TDF, 2002)

Debido a la realización de la entalla, el canto de la sección central puede presentar mayores diferencias y generar grandes dispersiones en los resultados. Sin embargo, presenta la ventaja de la concentración de la primera fisura en la sección deseada, permitiendo la medición de la apertura de la fisura y un control del ensayo mediante esta, haciéndolo un ensayo más estable. (Mora, 2008)

Po otra parte, los ensayos sobre paneles más extendidos son los ensayos sobre paneles cuadrados y paneles redondos, como alternativa al ensayo sobre vigas.

El ensayo de Panel EFNARC (1996) (UNE-EN_14488-5, 2007) se realiza sobre un panel cuadrado y permite evaluar a flexotracción, tanto la resistencia máxima como la resistencia residual postfisuración y, especialmente, la absorción de energía, para HRF y para hormigón proyectado

reforzado con fibras (HPRF) (ver Figura 2.10). Consiste en la aplicación de una carga puntual central sobre el panel simplemente apoyado en sus 4 lados, permitiendo una luz de 500 x 500 mm. Sin embargo, este ensayo es muy sensible a una correcta fabricación de las muestras para obtener una cara inferior plana.

Figura 2.10. Esquema del ensayo sobre panel cuadrado EFNARC 1996 (Aire, 2018)

Por otra parte, el ensayo sobre paneles circulares (ASTM_C1550, 2002) permite evitar los principales problemas del ensayo sobre panel cuadrado. Consiste igualmente en la aplicación de una carga central puntual, pero el panel está simplemente apoyado solo en 3 puntos de la base (separados 120º) y así, los planos de fisuración están más definidos y reduce la dispersión de los resultados. El fallo se produce por fisuras radiales en la bisectriz del ángulo formado entre apoyos. (Mora, 2008)

Los resultados para este ensayo son por lo tanto más fiables debido a la existencia de una mayor superficie de fallo y por la simplicidad de configuración y ejecución en comparación con el ensayo sobre panel cuadrado. (Aire, 2018)

Figura 2.11. Ensayo sobre panel circular (Aire, 2018)

Tanto el ensayo de panel circular y de panel EFNARC (cuadrado) presentan el inconveniente de requerir tamaños muy grandes de muestras, lo que conlleva a una mayor complejidad en la disposición de la muestra para el ensayo, así como a limitar el número de muestras fabricables y resultados obtenidos que permitan una correcta caracterización del hormigón ensayado. (Blanco, Pujadas, Cavalaro, De la Fuente, & Aguado, 2014)

Otras consideraciones

La resistencia del hormigón a la deformidad y su capacidad para la absorción de energía también ha sido estudiada. En un experimento en que se comparó la carga máxima de fractura tanto para hormigones con fibras como sin ellas, se concluyó que, aunque las cargas de pico no eran significativamente diferentes entre los dos tipos de hormigón, la energía de fractura era del orden de dieciséis veces mayor cuando el hormigón contenía un contenido de fibras del 1% en volumen respecto al hormigón sin fibras (Taghi Kazemi, Naraghi, & Vossoughi Shahvari, 2004). También son destacables los estudios realizados sobre la deformación producida por fluencia en un estudio realizado con el propósito de desarrollar un nuevo método para el estudio de este tipo de deformación

(Zheng, Ling, & Chen, 2009).

Se han realizado ensayos evaluando la resistencia al impacto de pequeños proyectiles perforación del hormigón reforzado con respecto al hormigón sin fibras. En dicha investigación se demostró que, aunque la presencia de fibras reduce ligeramente el espesor del hormigón necesario para evitar la perforación, si lo que se requiere es reducir las costras producidas, las fibras permiten reducir el espesor hasta la mitad de la necesaria si se utiliza hormigón sin refuerzo. Esta propiedad hace del hormigón un material muy interesante para la construcción de edificios e instalaciones de defensa

(Almansa & Cánovas, 1999).

Otra investigación en el que se combinó una malla de acero y fibras determinó que se podría reducir el diámetro máximo del refuerzo utilizado. Debido a ello, el conocido efecto positivo que aportan las fibras en la resistencia del hormigón permitió que la malla pasiva necesaria fuera menor

(Löfgren, 2005).

Si atendemos a la contribución de las fibras a la resistencia a la erosión-abrasión del hormigón, Sustersic, Mali y Urbancic (1991) concluyeron que dicha resistencia se incrementa cuando hay un mayor contenido de fibras.

Por otra parte, se han realizado también estudios para la aplicación de las fibras en hormigones de alto rendimiento, este tipo de hormigones son utilizados en muchas estructuras debido a su alta durabilidad y resistencia, sin embargo, el principal problema es su fragilidad, razón por la cual se puede producir el fallo sin señales previas que puedan indicarlo. Por todo ello, el uso de fibras en este tipo de hormigón ha despertado un gran interés, este tipo de refuerzo mejora ligeramente la resistencia a compresión, pero notablemente la ductilidad, la durabilidad, la resistencia a cortante, así como la resistencia al impacto (Soroushian & Bayasi, 1991).

En definitiva (Boulekbache, Hamrat, & Amziane, 2010), múltiples investigaciones han concluido que la aportación de fibras permite mayores prestaciones del HRF y efecto positivo sobre:

• Ductilidad, tenacidad, resistencia a flexión y a cortante

• Energía absorbida y redistribución de esfuerzos mediante el efecto puente al coser las fisuras, controlando el crecimiento de estas.

• Reducen la retracción del hormigón, la fisuración debido a este fenómeno y la permeabilidad del hormigón resultante.

• Con las fibras empleadas en la actualidad, se verifica una apropiada adherencia entre fibras y la matriz de hormigón, asegurando una apropiada transferencia de tensiones.

Orientación de las fibras

Un aspecto a tener en cuenta para el comportamiento del HRF es la orientación que adopten las fibras. Un incremento de la cantidad de fibras puede mejorar las propiedades mecánicas del hormigón, pero la efectividad de estas es más debatible debido a que estas no se orientan necesariamente en la dirección de las tensiones. (Stähli, Custer, & Van Mier, 2008)

La orientación y distribución de las fibras dependen de una variedad de efectos que se presentan en la fabricación de los elementos de hormigón, de los cuales el efecto pared y las propiedades del HRF en estado fresco son las más influyentes. Otros factores que influyen en la orientación de las fibras son la dirección de hormigonado, efecto de la compactación y el flujo del hormigón fresco

(Laranjeira et al. (2012))

La presencia de paredes en los moldes redirige las fibras a una posición paralela a estas, debido al choque de las fibras con la pared, denominado efecto pared (ver Figura 2.12) (Stroeven, 1999).

Figura 2.12. Orientación de las fibras debido al efecto pared (Torrents et al. (2012))

Kooiman (2000) también señala la orientación preferente de las fibras para dovelas prefabricadas de túneles, en donde el efecto pared y la compactación por vibración generan la orientación mostrada en la Figura 2.13.

Figura 2.13. Orientación preferente en dovelas prefabricadas (Kooiman, 2000)

Kooiman (2000) y Laranjeira et al. (2012) señalan el efecto de la compactación en la orientación de las fibras y distribución de estas. La compactación por vibrado genera una segregación de fibras y una alineación horizontal de estas, y cuanto más líquida la consistencia, mayor este efecto. Sin

embargo, para hormigones autocompactantes se evita este fenómeno y la orientación de las fibras se ven influenciadas principalmente por el flujo del hormigón fresco.

Igualmente, para consistencias más líquidas el efecto del flujo es mayor sobre la orientación de las fibras. La diferencia en las velocidades de flujo genera variaciones en las orientaciones. En la Figura 2.14, se observa como el perfil de velocidades puede generar un par de fuerzas que hace rotar las fibras y generar orientación preferente alineada con el flujo, debido también por el efecto pared y las tensiones por fricción que genera el molde en el fluido. (Boulekbache, Hamrat, & Amziane, 2010)

Figura 2.14. Orientación de las fibras según el flujo para a) un flujo radial y b) flujo en canal confinado (Boulekbache, Hamrat, & Amziane, 2010)

Barnett (Barnett, Lataste, Parry, Millard, & Soutsos, 2010) demostró que la orientación de las fibras tiende a ser perpendicular al flujo del hormigón fresco en muestras con geometría de paneles redondos (discos), coincidiendo con Boulekbache et al. (2010) (ver Figura 2.14), y que la resistencia final estaba directamente relacionada a dicha resistencia. En las probetas en forma de disco utilizadas, el hormigón alcanzaba la máxima resistencia cuando la orientación de las fibras era perpendicular al radio mientras que el hormigón más débil se encontraba en aquellas probetas cuyas fibras eran paralelas a dicho radio.

Diferentes técnicas son utilizadas para poder determinar la orientación de las fibras, bien sean destructivas o no destructivas (Guillamón, 2013). Las destructivas se basan en el método indirecto de recuento de fibras y su orientación en una sección de rotura, mientras que las no destructivas pueden ser por análisis de imágenes métodos inductivos entre otros. (Torrents et al. (2012)) (Laranjeira, y otros, 2012)

2.1.2. Fibras de acero

De los distintos materiales empleados en la fabricación de fibras, son las fibras de acero las más utilizadas debido a que son por regla general más baratas que el resto. En cuanto a las dimensiones,

para aquellas de sección circular, el diámetro se sitúa entre 0.25 – 1 mm. En cuanto a las planas, las dimensiones suelen ser de 0.15 – 0.41 mm de grosor y 0.25 – 1.14 mm de ancho (Labib, 2018).

El uso de fibras de acero, debido a su mayor rigidez permite el control de fisuración en cuanto a macro-fisuras. El refuerzo con este tipo de fibras puede mejorar las propiedades del hormigón, pero requiere un alto contenido de fibras, además incrementa el peso del HRF y se pueden producir erizos de fibras (balling effect) durante la fabricación, y así, reducir la trabajabilidad del hormigón fresco. Otros inconvenientes que presentan las fibras de acero es que estas fácilmente pueden sobresalir del elemento fabricado y sufrir de oxidación. (Hsie, Tu, & Song, 2008)

Debido a que el factor más importante que influye en una correcta dispersión de fibras dentro de la matriz de hormigón y en el espaciamiento entre estas, afectando también a la consistencia y trabajabilidad del hormigón fresco, es la esbeltez o relación de aspecto (relación entre longitud y diámetro, L/d), esta está limitada a un valor de 150 (Katzer, 2006). La Figura 2.15 muestra un análisis estadístico llevado a cabo por Katzer sobre la esbeltez que presentan las fibras de acero fabricadas, donde se observa que suele estar comprendida entre un valor de 45 y 64.

Figura 2.15. Análisis estadístico de la esbeltez de fibras de acero producidas

Las cinco formas de fibras más utilizadas son: rectas, con extremos conformados (en forma de gancho), onduladas, con extremos cónicos y con relieve. Estos tipos son los más populares debido a su eficiencia basada en su actuación una vez introducidas en el hormigón y en su facilidad en su fabricación (Katzer, 2006), los tipos de fibras más utilizadas se muestran en la Figura 2.16:

Figura 2.16 Tipos de fibra, de arriba a abajo: con extremos conformados, ondulada, con extremos cónicos y con relieve (Katzer, 2006)

Estas fibras suelen presentar un módulo de Young propio del acero (alrededor de 205 MPa) y una resistencia a la tracción cuyo valor se sitúa entre los 345 y 1700 MPa, la longitud de las fibras suele situarse entre 19 y 60 mm (Labib, 2018).

2.1.3. Fibras de polipropileno

El uso de fibras de polipropileno presenta ciertas ventajas sobre el HRF como lo es un aumento mayor en la ductilidad, mayor reducción de la retracción del hormigón y mayor durabilidad. Así Cifuentes et al. (2013) concluyeron que el uso de este tipo de fibras produce solo una ligera mejora en las propiedades mecánicas del material, pero una gran prestación en cuanto al comportamiento de fractura y la ductilidad. Los autores observaron que el efecto favorable de estas fibras es mayor para hormigones con menores resistencias, ya que las bajas tensiones solicitan en mayor medida el efecto puente que producen las fibras.

Hsie, Tu y Song (2008) señalan la ventaja que presenta el uso de fibras de polipropileno en cuanto a su dispersión dentro de la matriz de hormigón.

A diferencia de las fibras de acero, el refuerzo con fibras de polipropileno permite el control de la iniciación y propagación de las micro-fisuras. Es por esto que se ha estudiado ampliamente durante los últimos años (Qian & Stroeven, 2000) (Banthia & Gupta, 2004) (Hsie, Tu, & Song, 2008),el comportamiento de un refuerzo híbrido entre fibras de acero y de polipropileno, aprovechando las ventajas de cada una de ellas y la sinergia producida en el efecto sobre las propiedades del HRF.

Sukontasukkul (2004) ensayando vigas a flexortracción observó que, a diferencia del refuerzo con fibras de acero, el HRF de polipropileno presentaban doble pico en la curva carga-deflexión (ver Figura 2.17). Esto es debido a que, por un lado, las fibras de acero son más rígidas y con mayor resistencia, generando entrando en solicitación instantáneamente una vez se inicia la fisuración; mientras que, por otro lado, las fibras de polipropileno debido a su menor rigidez y resistencia requiere una mayor deformación y apertura de fisura para ser solicitadas.

Figura 2.17. Curva obtenida a flexotracción para HRF metálicas (izq) y plásticas (der) (Sukontasukkul, 2004)

Los dos tipos de fibras de polipropileno más utilizadas son aquellas con geometría de monofilamento con relieve y las fibras cortadas (delgados hilos), ver Figura 2.18.

Figura 2.18. Tipos de fibras de polipropileno empleadas (Hsie, Tu, & Song, 2008)

En la industria de la construcción, la cuantía de fibras de polipropileno suele estar comprendida entre 0,6 y 2,4 kg/m3_{. Usualmente presentan una longitud variable, que va desde 10 mm a 60 mm, su} módulo de elasticidad entre 4 GPa y 6 GPa y una resistencia a tracción entre 300 y 600 MPa.

(Cifuentes, García, Maeso, & Medina, 2013)(Hsie, Tu, & Song, 2008)

2.2. HORMIGÓN PROYECTADO

El interés sobre el hormigón proyectado ha ido aumentado a través de los años, debido a los avances tecnológicos para esta técnica de puesta en obra, buscando aplicaciones con mayor aplicación estructural (UPC, 2018). Este material presenta altas propiedades en cuanto a resistencia absorción y protección ante agentes ambientales y químicos (Torrico, 2018).

Se diferencia del hormigón convencional por su modo de aplicación y por la necesidad de la adición de aditivos acelerantes de fraguado que permitan una rápida ganancia de resistencia posterior a su mezcla y proyección. Los acelerantes se añaden justo antes de la proyección y garantiza que la capa de hormigón sea capaz de aportar estabilidad al terreno. (Salvador, Cavalaro, Cano, & Figueiredo, 2016)

En este tipo de hormigón el proceso de colocación y compactación se realizan simultáneamente, acortando los tiempos de construcción. (Galobardes, Cavalaro, Aguado, & García, 2014)

Este requiere de una adecuada preparación, mezcla y colocación, procesos que nos son tareas simples y de las cuales dependerá el desempeño final del material. De especial relevancia es una adecuada adherencia entre el hormigón proyectado y el soporte (superficie sobre la cual se proyecta)

(Jolin & Beaupré, 2003).

Agulló et al. (2009) han verificado que pueden existir diferencias en las propiedades del hormigón proyectado según la dirección de evaluación, como son la resistencia a compresión y el módulo de elasticidad. Esto es debido a que, en el proceso de puesta en obra, el hormigón de partida y el colocado presentan diferencias en la composición ya que el material es lanzado a gran velocidad y sufre varios fenómenos que modifican las propiedades de este. Estos fenómenos son el rebote diferencial, la acumulación de grava y el efecto sombra producido por planos de armado, además de la incorporación de aire en la mezcla, resultado de la utilización de este durante el proceso de transporte y de colocación.

Por esto, con el objetivo de avanzar en la conocimiento estructural de este material y debido al escaso estudio bajo condiciones controladas en laboratorio en comparación con otros tipos de hormigones por la dificultad de reproducir en el laboratorio las mismas condiciones presentes en la puesta en obra, se siguen varias líneas de investigación, como en lo referente al módulo de elasticidad

(Galobardes, Cavalaro, Aguado, & García, 2014), la resistencia a cortante (García, Blanco, & Cavalaro, 2016), la adherencia frente al soporte (Torrico, 2018) y la adherencia con las barras de armado (UPC, 2018).

2.2.1. Campo de aplicación

Su uso principal es en el mantenimiento de estabilidad, en el que el hormigón proyectado puede presentar diferentes funciones: como capa protectora para aislar la roca expuesta frente a agentes ambientales y como capa estructural, papel en el cual se está aumentando el interés por los avances obtenidos (Jolin & Beaupré, 2003)

Así, las principales aplicaciones que tiene el hormigón proyectado son el revestimiento de túneles, estabilización de taludes en carreteras, minas, obras subterráneas y presas, reparación de estructuras de hormigón, restauración de edificios históricos, trabajos de sellado, como placas de revestimiento y muchas otras aplicaciones creativas. Este gran abanico de aplicación es debido a la flexibilidad y el bajo coste del hormigón proyectado. (Vélez Isasmendi, 2012)(Gámez, 2017).

2.2.2. Métodos de aplicación

Para la aplicación del hormigón proyectado se realiza bien por vía seca o por vía húmeda. La vía húmeda es la más utilizada en la actualidad debido a los avances tecnológicos en cuanto a materiales, sobre todo en lo referente a acelerantes, y en cuanto a equipos de proyección (UPC, 2018); y también debido a que por medio de esta vía se consiguen propiedades más parecidas al hormigón convencional que mediante la vía seca (Torrico, 2018).

Vía húmeda

Por esta vía, se proyecta el hormigón a alta velocidad, es decir, la mezcla entre los componentes sólidos (cemento, áridos y aditivos sólidos) y el agua se produce en la tolva antes de ser conducida mediante aire comprimido, o bien, mediante bombeo. Este método presenta ventajas frente a la vía seca, además de las ya mencionadas, como la producción de menos polvo, mejorando las condiciones de trabajo y puesta en obra, y menor contenido de aire ocluido en la mezcla. (Vélez Isasmendi, 2012)

y (Torrico, 2018)

Vía seca

Mediante este método se proyecta a gran velocidad a través de la boquilla, donde se produce la mezcla entre los materiales sólidos y el agua. Inicialmente se mezcla el cemento con los áridos y los aditivos sólidos, introduciéndola en la máquina de proyección; mediante aire comprimido se transporta esta mezcla hasta la boquilla, donde finalmente se añade agua pulverizada mediante un dosificador para la proyección sobre la superficie de soporte. Sin embargo, esta técnica de proyección no es usada en la actualidad para elementos con función estructural, debido al poco control en el contenido de agua, y por tanto, desconocimiento en la relación a/c. (Vélez Isasmendi, 2012) y (Torrico, 2018)

Figura 2.20. Esquema de la proyección por vía seca (Torrico, 2018)

2.2.3. Fenómenos asociados al proceso de proyección

Dosificación

el hormigón proyectado, frente al hormigón convencional, presenta un mayor contenido de finos y contenido de cemento, y menor carga mineral (tamaño máximo de áridos menor). Además, presenta la necesidad de aditivos acelerantes de fraguado. (Vandewalle, 1993)

Compactación

La compactación se produce simultáneamente con el proceso de proyección. Esto se debe a la alta velocidad con la que es proyectado el hormigón, haciendo que la mezcla impacte en la superficie, penetre y se sostenga sin hundirse o deslizarse.

Problemas pueden surgir cuando se utiliza una gran cantidad de acelerante, produciendo un endurecimiento bastante rápido que impida una adecuada compactación. Además, si la mezcla es muy líquida, el hormigón proyectado puede no mantenerse en la posición deseada produciéndose escurrimiento. Si, por el contrario, la mezcla es muy seca, se favorece el rebote, que se verá a continuación. (Torrico, 2018)

Rebote

Al realizarse la proyección, una parte del material rebota sin adherirse a la superficie soporte. Si el fraguado se produce antes de lo deseado se favorece el rebote, al igual de si la mezcla presenta una consistencia muy seca. Este rebote influye en la composición del hormigón resultante y, por lo tanto,

en las propiedades de este. Además, por perdida de material, entran en juego aspectos económicos.

(Torrico, 2018) Porosidad

Debido al transporte de la mezcla desde la máquina o tolva, hasta la posición final mediante aire comprimido, el contenido de aire ocluido en el hormigón es mayor frente a un hormigón convencional, generando un mayor contenido de huecos en la matriz. (Vandewalle, 1993)

Sombras

El efecto sombra en la proyección se produce al presentar armado. El trasdós de la armadura puede quedar sin una adecuada compactación, por lo que es esencial ir modificando el ángulo con el cual se proyecta (ver Figura 2.21). (UPC, 2018)

Figura 2.21. Procedimiento de proyección incorrecto (izq.) y correcto (der.) con presencia de armadura (UPC, 2018)

El efecto sombra modifica las propiedades mecánicas del hormigón y pueden conllevar a una corrosión del armado y fisuración del hormigón. (Torrico, 2018)

Cabe mencionar que la incorporación de fibras en la mezcla mejora ciertas propiedades mecánicas del hormigón, sin embargo, dificulta el proceso de proyección. Las fibras suponen un contenido de sólidos, que puede generar interrupciones en el bombeo o lanzado de la mezcla o generar una consistencia más seca. (Vandewalle, 1993)

2.3. ADHERENCIA ENTRE ACERO Y HORMIGÓN

Para el funcionamiento del hormigón armado como un material estructural se requiere de un adecuado comportamiento entre la matriz de hormigón y la armadura. Esto es, tener una adecuada transferencia de tensiones entre los dos materiales, la cual se alcanza por medio de la adherencia entre ellos. La transferencia de tensiones se lleva a cabo por tres tipos de acciones: acción química (la adhesión química entre los materiales), por fricción y por interacción mecánica debida a las corrugas de la armadura (Valcuende & Parra, 2009). Si se tiene una longitud de anclaje suficiente para la transferencia de tensiones, la adhesión química se va reduciendo, cobrando mayor importancia los mecanismos de fricción e interacción mecánica.

Sin embargo, la relevancia de los mecanismos difiere para barras lisas y para barras deformadas (grafiladas o corrugadas). En barras lisas, la interacción mecánica no se produce por falta de corrugas,

debiéndose la adherencia a la adhesión química y a la fricción. Por otro lado, en barras deformadas, el mecanismo de mayor relevancia en el comportamiento adherente es la interacción mecánica. (Molina, 2005)

Con lo cual, la adherencia representa la resistencia del hormigón circundante al arrancamiento de la barra, y una perdida repentina de esta adherencia en las zonas de anclaje entre la armadura y el hormigón representa un fallo frágil (Appa Rao, Pandurangan, Sultana, & Eligehausen, 2007). Por ello, es un parámetro muy importante para el comportamiento estructural, no solo en cuanto a resistencia (Estado Límite Último), sino también en cuanto a Estados de servicio como la fisuración y deformación.

El mecanismo de transferencia de tensiones ha sido descrito por Tepfers (1973) que como se muestra en la Figura 2.22, al presentarse una tracción en la barra de acero, este transmite tensiones de compresión con cierto ángulo, las cuales ven equilibradas sus componentes radiales por medio de la aparición de un anillo de tracciones.

Figura 2.22. Mecanismo resistente debido a la transferencia de tensiones entre acero y hormigón (Tepfers, 1973)

Conociendo el mecanismo de transferencia, se sabe que la adherencia presenta dos tipos de fallos: El primero es por arrancamiento o deslizamiento de la barra (pull-out), ocurrido cuando la barra tiene un gran confinamiento, produciéndose un fallo del hormigón inmediatamente próximo a la barra. El segundo se produce por fractura de la pieza de hormigón (splitting), producido cuando el recubrimiento o el confinamiento de la barra es insuficiente, debido a tensiones radiales de tracción, generando la fisuración en la dirección longitudinal de la barra; la fractura se propaga hasta alcanzar las superficies de la pieza, generando la pérdida total de recubrimiento y adherencia (Balász & Eligehausen, 1991).

Según Cairns y Jones (1995), el modo de fallo depende de la relación recubrimiento/diámetro de barra (c/𝜙):

𝑠𝑖 𝑐

𝜙 ≤ 3 → 𝑠𝑝𝑙𝑖𝑡𝑡𝑖𝑛𝑔 𝑠𝑖 𝑐

𝜙> 3 → 𝑝𝑢𝑙𝑙 − 𝑜𝑢𝑡

Aquí la resistencia a compresión juega un papel muy relevante en la forma de fallo, ya que al aumentar la resistencia las tensiones transmitidas por las corrugas generan un incremento en la componente radial de la tensión de adherencia, y debido a que la resistencia a tracción en el hormigón incrementa relativamente menos que a compresión, el modo de fallo puede pasar de deslizamiento de la barra a fractura del hormigón (Valcuende & Parra, 2009).

Goto (1971) describió las fisuras producidas durante el mecanismo de adherencia. Identificó la propagación de dos tipos de fisuras alrededor de las barras de acero (ver Figura 2.23). Fisuras primarias: fisuras de principales que alcanzan la superficie: fisuras secundarias: fisuras internas que siguen el patrón de las corrugas y se mantienen en la zona interna de fisuración (no alcanzan la superficie). Goto determinó, además, que las fisuras secundarias y la dirección de las tensiones de compresión formadas en las corrugas forman un ángulo de entre 45 y 80º con la barra.

Figura 2.23. Estado de fisuración en el hormigón armado. Fisuras primarias y secundarias (internas)

Comportamiento adherente

La Figura 2.24 presenta la curva de respuesta de tensión de adherencia-deslizamiento relativo entre barra y matriz de hormigón. Esta curva responde a los mecanismos adherentes y al confinamiento de la barra. Se describe a continuación cada uno de los tramos y puntos representativos de la curva. (Magnusson, 2000)(Molina, 2005)

Tramo A: Este tramo corresponde a bajas tensiones de adherencia, en el cual la adhesión química entre la barra y la matriz es el principal mecanismo adherente. Se presenta un comportamiento lineal y los pequeños deslizamientos se deben a la deformación del hormigón. El punto final de este tramo está relacionado con la resistencia a tracción indirecta fct.

Tramo B: Una vez perdida la adhesión química el mecanismo adherente principal es el rozamiento entre los dos materiales, debido a las irregularidades de la barra. Si la barra presenta corrugas, se generan las fisuras secundarias, permitiendo el deslizamiento entre barra y hormigón y generando un cambio progresivo en la pendiente de la curva.

Punto C: Al aumentar la carga, se consigue activar el mecanismo por interacción mecánica de las corrugas. En este punto se sigue la curva b) si no se presenta confinamiento o si, por el contrario, existe confinamiento, se sigue incrementando la tensión de adherencia.

Curva b): Como se ha indicado, si no existe confinamiento, la interacción mecánica y la fisuración se ven drásticamente reducidas y se produce el fallo frágil (súbita) al alcanzar las fisuras la superficie del elemento.

Tramo C-D: En presencia de confinamiento, la tensión de adherencia se ve incrementada, donde el mecanismo adherente principal es la interacción mecánica.

Curva c): Si el confinamiento sobre la barra no es suficiente, se produce el mecanismo de rotura por splitting. Este tipo de rotura es frágil.

Curva a): Si existe un buen confinamiento, la tensión de adherencia puede seguir incrementándose hasta alcanzar la tensión máxima de adherencia (punto E), tras la cual se produce el fallo por pull-out. Este tipo de fallo es dúctil (Tramo F).

2.3.1. Factores que influyen en la adherencia

En cuanto a la adherencia, hay múltiples factores que influyen en su comportamiento. Centrándonos inicialmente en el mecanismo mecánico de adherencia, múltiples investigaciones han informado de la influencia de la geometría de las corrugas en esta; así, a menor separación entre corrugas y menor altura de estas, la adherencia se ve reducida (Rehm, 1961)(Goto, 1971). Además, como explican los autores, cuando la relación altura/separación (h/s) es alta, se produce un acuñamiento, en el que el hormigón contenido entre las corrugas se moviliza junto con la barra, favoreciendo el fallo por deslizamiento (pull-out). Por el contrario, si la relación h/s es baja, favorece el mecanismo de bielas y tirantes y la transmisión de tensiones al bloque de hormigón generando fisuras; esto es, favorece el fallo por fractura (splitting). En la Figura 2.25 se ilustran los mecanismos de fallo.

Figura 2.25.Mecnaismo de fallo por deslizamiento (pull-out) (arriba) y por fractura (splitting) (abajo) (Universidade da Coruña, 2007)

Igualmente, la adherencia se ve reducida al aumentar el diámetro de las barras de acero, así como al aumentar la longitud embebida (Mathey & Watstein, 1961).

En cuanto a la resistencia del hormigón, la tensión de adherencia está directamente relacionada con la resistencia a tracción de este, por lo que la tensión máxima de adherencia es proporcional a la raíz de la resistencia a compresión del hormigón, √𝑓𝑐. (Orangun, Jirsa, & Breen, 1977)

En lo referente a factores geométricos, la posición vertical en la sección de hormigón juega un papel importante en la adherencia entre los redondos de acero y el hormigón, presentando un mayor valor para las armaduras inferiores que para las superiores. Esto es debido al peso por encima de la armadura existente, el cual incrementa las tensiones de confinamiento sobre las barras inferiores. Por este motivo, en los estándares actuales se incrementa un 30% la longitud de anclaje para la armadura superior frente a la inferior (EHE-08). Un segundo factor de este tipo es el recubrimiento, bastante relevante para la correcta transferencia de tensiones y formación del anillo de tracciones; además como para la protección de la armadura ante agentes agresivos. (Molina, 2005)

Así, Molina (2005) concluyó que para una relación entre recubrimiento y diámetro de barra (c/𝜙) mayor a 2,8 no existe variación sobre la tensión máxima de adherencia. Sin embargo, para valores inferiores de c/𝜙 a 2,8 se produce una disminución en la capacidad adherente, sugiriendo la aproximación lineal:

𝜏𝑚𝑎𝑥 𝑓𝑐

= 0,15 ∙ (𝑐 𝜙⁄ + 1)

Figura 2.26. Efecto del recubrimiento en la tensión de adherencia máxima (Molina, 2005)

Otro factor importante en la adherencia es el confinamiento, el cual se ve representado por tres distintos parámetros: recubrimiento, armadura transversal (cose las fisuras producidas por el anillo de tracciones) y presión transversal de compresión (Molina, 2005). A mayor confinamiento se genera una mejor adherencia entre los dos materiales.

Por otra parte, la dosificación del hormigón presenta un papel crucial en la adherencia. Como se ha mencionado anteriormente, el comportamiento adherente es proporcional a la raíz de la resistencia a compresión del hormigón; por lo tanto, todo parámetro de la dosificación que influya en la resistencia, también lo hará en la adherencia. Siendo un parámetro relevante, el disminuir la relación agua-cemento, se incrementan las tensiones de adherencia (Tilanter, Rechardt, Solodovnik, Kunnos, & Johanson, 1977).

Igualmente, para hormigones vibrados, a diferencia de los hormigones autocompactantes, cuando la fluidez de la mezcla o su contenido de agregados finos aumenta, la adherencia decrece (Martin, 1982). Esto se debe a que, al presentarse una consistencia más líquida, la mezcla es más susceptible a los problemas derivados de una excesiva o insuficiente vibración en el proceso de compactación. La excesiva vibración produce segregación o goteo, mientras que una insuficiente vibración produce una mayor cantidad de aire ocluido, lo que deriva en una mayor porosidad y discontinuidad en el hormigón endurecido. Los hormigones autocompactantes presentan una mejora en la adherencia frente a los hormigones vibrados debido a que se evita esta influencia de la compactación (Valcuende & Parra,

2009).

Considerando el estado de la armadura, Sonebi, Davidson & Cleland (2011) mediante correspondientes ensayos determinaron el efecto de la corrosión de la armadura en cuanto a la adherencia con el hormigón. De esto concluyeron que, como es bien sabido, a mayor nivel de corrosión se presenta una peor adherencia; pero además, que a mayor corrosión, el efecto de presentarse una menor tensión de adherencia última a mayores diámetros de barras se ve reducida su influencia. Igualmente, la corrosión reduce en cierta manera la influencia del recubrimiento presente para la armadura.

Por último, la temperatura presenta también una influencia en la adherencia. En temperaturas bajas se presenta una mejor adherencia (Shih, Lee, & Chang, 1988) mientras que para elevadas

temperaturas, además de reducirse la resistencia, también empeora la adherencia (Diederichs & Schneider, 1981).

2.3.2. Adherencia entre Hormigón Reforzado con Fibras y barras de acero

En las últimas décadas se han llevado a cabo diferentes estudios del comportamiento adherente entre la matriz de hormigón y las barras de acero para HRF. Harajli y Salloukh (1997) según su estudio sobre vigas (ver apartado 2.4.1), indicaron que añadiendo un 2% en volumen de fibras de acero, se incrementaba la tensión de adherencia máxima hasta un 55%, pero sin un notable incremento en esta añadiendo 0,6% de fibras de polipropileno. Krstulovic-Opara, Watosn y LaFave (1994)

registraron, mediante el ensayo de pull-out (ver apartado 2.4.2) un incremento en esta tensión de entre un 10% y un 20 % con 1% en volumen de fibras de acero y hasta 4 y 6 , mientras que Campione et al.

(2005) obtuvieron con un 0,5% de fibras de acero un incremento en la tensión de adherencia máxima de entre un 19%-26%. Yerex et al. (1985) también observaron que el refuerzo con fibras de polipropileno no generaba ni una reducción ni un incremento en la adherencia.

En la Tabla 2.1 y Figura 2.27 se observan los resultados obtenidos por Krstulovic-Opara, Watosn y LaFave (1994). Se observa que la tensión máxima obtenida con un 3% de fibras de acero es mayor al doble del hormigón sin fibras. Para un refuerzo de 7% con hormigón de alta resistencia, se obtienen hasta más de 3 veces el valor de tensión máxima.

Tabla 2.1. Resultados obtenidos por Krstulovic-Opara et al. (1994) Para diferentes diámetros de barras y volumen de fibras

Figura 2.27. Resultados obtenidos por Krstulovic-Opara et al. (1994) Para diferentes diámetros de barras y volumen de fibras

Igualmente, Yazıcı y Arel (2013), a través de ensayos de pull-out, variando la resistencia del hormigón, recubrimiento del armado y cuantías de fibras de acero hasta un valor de 80 kg/m3_, concluyeron que la fuerza máxima para producir el arrancamiento de barras de 14 mm se incrementa desde un 7 a un 16% con respecto al hormigón sin fibras.

Figura 2.28. Resultados obtenidos por Yazici y Arel (2013) para distinas resistencias del HRF, distintos recubrimientos, relación de aspecto (l/d) y cuantía de fibras de acero

Los resultados de estos autores (ver Figura 2.28) reflejan, además, un aumento de un 18% en la carga máxima de adherencia al incrementar el recubrimiento de 40 mm a 70 mm. Se observa que para recubrimientos de 40 mm, la cuantía de fibras y la relación de aspecto de estas (l/d) son irrelevantes, al no haber un recubrimiento suficiente que permita la generación del anillo de tracciones.

Ezeldin y Balaguru (1989) indicaron que añadiendo fibras se mejoraba el comportamiento de adherencia y la ductilidad debido a que estas cosen las microfisuras producidas mediante el mecanismo de adherencia, retrasando la propagación de estas, y que además, el deslizamiento correspondiente a la tensión máxima de adherencia es mayor cuanto mayor es el contenido de fibras.

Sin embargo, Dancygier et al. (2010) encontraron que la adición de 0,75% en volumen de fibras metálicas generó una reducción de la tensión de adherencia en las probetas. Los autores atribuyeron este descenso de hasta un 30% en la adherencia a una posible perturbación local de la matriz de hormigón en las inmediaciones de la barra.

En la Figura 2.29 se observan los resultados obtenidos tanto para hormigón convencional, como para hormigón de alta resistencia, variando el diámetro de barra y la incorporación de 0,75% de fibras de acero. Los ensayos se llevaron a cabo tanto en el ensayo de pull-out como en el ensayo de la viga.

Figura 2.29. Resultados obtenidos por Dancygier et al. (2010) para ensayos de pull-out y de la viga variando diámetro de barra, para hormigones con o sin fibras

Por otra parte, Naaman et al. (1993) señala que el aire ocluido es mayor para hormigones reforzados con fibras. Este incremento en el contenido de aire ocluido generó para HRF de polipropileno una reducción en el comportamiento adherente, mientras que para HRF de acero no presentó esta reducción pese a su contenido de aire.

Söylev (2011) mediante ensayo de pull-out sobre probetas en forma de muro con 3 planos distintos de armado (ver Figura 2.30), observó que hormigones con fibras de acero presentaron mayor tensión máxima de adherencia, pero una mayor reducción de esta con respecto a la altura a la que se encontraba la barra, debido a la segregación de las fibras de acero. Por otra parte, observó que con fibras de polipropileno la tensión de adherencia era menor, al igual que para fibras de vidrio; aunque estas últimos presentaron menor diferencia en estos valores para los distintos niveles de armado.

Figura 2.30.Probeta empleada para el ensayo de pull-out por Söylev (2011)

La Tabla 2.2 muestra los resultados obtenidos para los HRF ensayados, donde la cuantía de fibras de acero (SFRC) fue de 39.25 kg/m3_{, la cuantía de fibras de polipropileno de 0,91 kg/m}3 _{y la cuantía} de fibras de vidrio de 2,68 kg/m3_{. La Figura 2.31 muestra la reducción en la tensión de adherencia} relativa según la altura a la que se encuentra la barra en el muro.

Tabla 2.2. Resultados obtenidos para distintos tipos de fibra por Söylev (2011)

Figura 2.31. Efecto de la altura de la barra para distintos refuerzos con fibras obtenidos por Söylev (2011)

2.3.3. Longitud de anclaje

EHE-08

Siguiendo la normativa española, específicamente la Instrucción de Hormigón Estructural, EHE-08, en el apartado 69.5.1.2. Anclaje de barras corrugadas, define la longitud base de anclaje para barras en posición I por equilibrio como función del diámetro de la barra 𝜙, el límite elástico de diseño