Losas de Concreto Reforzado con Fibras de Acero 1

116 

Texto completo

(1)

CAPITULO I

CONCRETO REFORZADO CON FIBRAS

1.1 HISTORIA Y EVOLUCION

El Concreto u hormigón como es llamado también en otros países, durante el siglo XX ha experimentado una profunda evolución como material de construcción ya sea en diseño, en cálculo, en tecnología y como material en sí, con la finalidad de buscar un mejor rendimiento y por ende mejoras en sus propiedades y comportamiento.

La aparición del concreto armado fue en la segunda mitad del siglo XIX. Su descubrimiento fue atribuido a Lamblot por la presentación en la exposición Universal de París de 1855 un barco de carcasa metálica recubierto por concreto de cal hidráulica. Sin embargo fue Monet, un jardinero de Versalles, quien en 1868 patentó el sistema para la realización de macetas y macetones, depósitos y losas. Desde entonces, numerosas han sido las investigaciones y estudios llevados a cabo con el objetivo de mejorar el comportamiento del concreto.

Durante el siglo XX se han desarrollado tecnologías como la del concreto pretensado y el concreto proyectado o chotcrete, y han aparecido concretos llamados “especiales”: concretos de alta resistencia(1), concretos ligeros, concretos pesados, concretos porosos, concretos autocompactables(2), concretos reciclados(3) y, también, el concreto reforzado con fibras.

(2)

Las fibras no son un material reciente o nuevo. Remontándose hace 4000 años ya se empleaban fibras como adición a otro material para mejorar sus propiedades. Hay muchos ejemplos a lo largo de la historia del uso de las fibras: en la baja Mesopotamia los adobes de barro cocidos al sol se armaban con paja y hasta hace unos años se utilizaban los pelos de cabra o caballo para armar el yeso. Este tipo de fibras naturales se utilizaron hasta el año 1935 aproximadamente. La razón de su caída en desuso fue la invención de las fibras sintéticas.

La aparición de este nuevo tipo de fibras es debida a Chardonnet quien a finales del siglo XIX inventó la seda artificial. Sin embargo, fue a partir de 1935 con la producción de la primera fibra de nylon cuando surge una nueva etapa en el uso de fibras. Durante esos años hay un gran interés por el desarrollo de fibras sintéticas que tratan de copiar a las fibras naturales y cuya aplicación principal es la fabricación de tejidos.

Cuando se comenzó a experimentar con la adición de fibras a materiales destinados a la construcción corresponden a fibras metálicas. La primera patente de concreto reforzado con elementos metálicos se realizó en California en 1874 por A. Berard. Consistía en una piedra artificial que utilizaba acero granular procedente de desechos para el refuerzo del concreto. A partir de ese momento han aparecido numerosas patentes. Cabe destacar la patente de G. Martin en 1927, en California también, que describe la adición de alambres de acero rizados en el concreto empleado en tuberías. Las fibras sintéticas han tenido una aplicación en el sector de la construcción más tardía. No obstante, las fibras metálicas sí han tenido una mayor presencia a lo largo de los años como adición a materiales de construcción.

Al transcurrir los años, la forma de las fibras se va perfeccionando y en las patentes se emplean parámetros muy similares a los actuales para fibras de acero. Ejemplo de ello es la patente de G. Constantinesco (1954, Estados Unidos) que se refería al uso de fibras helicoidales y espirales para aumentar la resistencia a la fisuración y la absorción de energía en el concreto.

A comienzos de los años 50 se realizan numerosos trabajos de investigación sobre concretos reforzados con fibras de acero (las fibras metálicas son fundamentalmente de acero en sus variantes de bajo o medio contenido en

(3)

carbono, acero inoxidable y de acero galvanizado). Entre los estudios realizados cabe destacar los de Romualdi, Batson y Mandel en 1963.

En la década de los 70 se comenzaron a utilizar en los países europeos pero es en España donde cobra más fuerza, se utilizaban concretos reforzados con fibras en diversos ámbitos: pavimentación de tableros de puentes, pavimentos industriales, contenedores de puertos, revestimientos de túneles, prefabricados, etc.

En la actualidad, la construcción de pavimentos y revestimientos de túneles con concreto reforzado con fibras de acero han tenido gran éxito. También cabe destacar su aplicación en el ámbito militar, utilizándose en pavimentación de carros de combate, hangares y recintos protegidos frente al impacto de metralla o proyectiles.

(4)

1.2 DEFINICION

Los FRC(4) se definen como aquellos concretos que incluyen en su composición fibras cortas, discretas y aleatoriamente distribuidas en su masa. El concreto reforzado con fibras, según la definición del ACI- American Concrete Institute, no es más que concreto hecho a partir de cementos hidráulicos, conteniendo agregados finos y gruesos, y fibras discretas discontinuas.

Como fines estructurales proporcionan una mayor energía de rotura pudiendo implicar la sustitución parcial o total de armadura en algunas aplicaciones; en el caso en que las fibras no tengan función estructural 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. Las fibras son empleadas en aplicaciones estructurales en busca de beneficios adicionales en cuanto a reducción de mano de obra, incremento de la durabilidad y reducción o eliminación del refuerzo tradicional. El concreto soporta esfuerzos a tracción que son transmitidos por adherencia a las fibras una vez se ha producido micro-fisura, controlan la fisuración y reducen la intensidad de la misma a la vez que mejoran la tenacidad.

Esencialmente, la naturaleza y el tipo de fibras determinan la efectividad de la acción reforzante y la eficacia de la transmisión. En la actualidad se utilizan diversos tipos de fibras.

(5)

1.3 TIPOS DE FIBRA

Las fibras no son más que elementos

de corta longitud y pequeña sección que se incorporan a la masa de concreto a fin de conferirle ciertas propiedades específicas, ya sea en estado fresco, en primeras edades o en estado endurecido. De una manera general se pueden clasificar como:

 Fibras estructurales: aquéllas que proporcionan una mayor energía de rotura al concreto 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 concreto).

 Fibras no estructurales: aquéllas 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.

Las fibras utilizadas en el concreto reforzado son de corta longitud y pequeña sección. Se pueden clasificar según su naturaleza en los siguientes tipos:

- Fibras de acero (en sus variantes en contenido de carbono y inoxidables) - Fibras poliméricas (como polipropileno, polietileno)

- Fibras inorgánicas

La efectividad de la acción reforzante y la eficacia de la transmisión de tensiones por parte de las fibras dependen de muchos factores, pero especialmente, de la naturaleza, tipo y características geométricas de las fibras empleadas.

(6)

A continuación se muestra en la tabla 1 algunas características de las fibras utilizadas con mortero y concretos.

Tabla 1. Características de las fibras (Hormigon.Fernández Cánovas, 2003-España).

Al observar la Tabla 1 se aprecian las diferencias entre las propiedades de cada tipo de fibra y las del concreto, especialmente significativas la resistencia a tracción y el módulo de elasticidad. Para que las fibras sean efectivas se recomienda que tengan un módulo de elasticidad(5) al menos 3 veces superior al del concreto(Hormigon) . En este sentido, es destacable el módulo de elasticidad de las fibras de acero que es 7 veces mayor que el del concreto.

Las fibras sintéticas están teniendo aplicación fundamentalmente para el control de la fisuración plástica en concretos y morteros, si bien, en algunos casos, se han realizado aplicaciones buscando reforzar a concretos frente a la acción de impactos.

Las fibras de vidrio resistentes a los álcalis del cemento, se vienen utilizando desde hace muchas décadas en el refuerzo de pastas y morteros de cemento para la fabricación de paneles delgados de alta resistencia destinados a revestimientos de edificios. Actualmente estas fibras empiezan a aplicarse en concretos en elementos prefabricados y en aplicaciones de revestimientos.

(7)

Las fibras metálicas fundamentalmente son de acero en sus variantes de bajo y medio contenido en carbono, de acero inoxidable y de acero galvanizado, las cuales en el caso de concretos para la construcción se puede destacar la utilización de las fibras de acero.

Las fibras de acero en todas sus variantes son las más utilizadas para conseguir concretos con mejor resistencia a flexión, tracción, impacto, fatiga, etc. La presente tesis se centra en losas de concreto reforzado con fibras de acero, ya que es la aplicación que se dá en la construcción en su mayoría, por esta razón se realiza un apartado específico de fibras de acero en el concreto armado.

(8)

1.4 DESCRIPCION DE CONCRETOS REFORZADOS CON OTRAS FIBRAS

1.4.1 El Concreto Reforzado con Fibras de Vidrio.- Se ideó por vez primera en Rusia, en la década de 1940, en un intento por reducir el grosor de las piezas de concreto y hacerlas aptas para su uso en cerramientos de fachada. Para ello se sustituyó el refuerzo de acero por hebras de fibra de vidrio, que no requieren de dicha protección, obteniendo así paneles más finos ( otra teoría, no documentada, sugiere no obstante que el empleo de fibra de vidrio surgió en un intento de ahorrar acero para la industria bélica durante la segunda guerra mundial). A partir de la década de los 60, se empezó a utilizar fibra de vidrio en sustitución del asbesto(6), por el potencial cancerígeno de este último.

El GFRC(7) es un material compuesto, las fibras de vidrio se proyectan sobre una base de mortero de cemento en varias capas, creando un material final que reúne las cualidades de ambos. Debido a que normalmente la finalidad de las piezas de GFRC es la creación de paneles de cara vista, en el mortero se suele emplear concreto blanco, y arenas de granulometría fina; razón por la que también se le denomina micro-cemento. Además se suelen utilizar distintos aditivos en las mezcla para facilitar el desencofrado del molde, o para controlar mejor la evaporación de agua y evitar así la fisuración de las piezas. También admite el empleo de colorantes en la mezcla. Se ha descubierto que la fibra de vidrio reacciona con los álcalis del concreto, por lo que se prefiere un cemento de bajo porcentaje de álcalis, y se emplea un tipo de fibra de vidrio resistente a los álcalis.

Son empleados principalmente en paneles de fachada para edificaciones, tuberías, depósitos de líquidos, separaciones como paredes y puertas, elementos resistentes al fuego, tejas, mobiliario urbano, pavimentos, encofrados, reparaciones arquitectónicas, generalmente prefabricados.

(9)

La longitud de este tipo de fibra es, de hasta 40 mm y los contenidos usuales son de menos del 5% en volumen.

Su mezclado es diferente al de las fibras de acero, por ejemplo cuando se trata de capas delgadas, las fibras en madeja se alimentan dentro de una pistola de aire comprimido que las corta y las rocía con la lechada de cemento. Es la que se denomina colocación por proyección. En la figura 1 se presenta la fibra de vidrio.

Figura 1.Fibra de vidrio

Los tipos de vidrio son: Vidrio E, que es el pionero, ha sido considerada uno de los materiales del futuro debido a sus cualidades dieléctricas, el aislamiento de conductores eléctricos sometidos a temperaturas altas era ofrecido por los filamentos de vidrio E. El Vidrio R que tiene altas cualidades mecánicas, desarrollado a petición de sectores como aviación, espacio y armamentos, satisface las exigencias de ellos en términos de comportamiento de materiales en relación a fatiga, temperatura y humedad.

(10)

1.4.2 El Concreto Reforzado con Fibras de Polipropileno.- Las fibras poliméricas atrajeron la atención de los investigadores para reforzar el concreto en la primera mitad de los años 60.

Estas fibras están formadas por un material polimérico (polipropileno, polietileno de alta densidad, aramida, alcohol de polivinilo, acrílico, nylon, poliéster) extrusionado y posteriormente cortado.

Un polímero es una molécula de peso molecular elevado con una estructura compleja, fruto de la repetición de una estructura menor llamada monómero, el cual es un producto generalmente orgánico. La mayor parte de los polímeros usados en ingeniería se basan en los hidrocarburos, que son moléculas formadas fundamentalmente a partir de átomos de hidrógeno y carbono, dispuestas en distintas formas estructurales.

Uno de los principales aspectos a destacar es que los polímeros como el polipropileno, además de ser económicos con respecto a otras fibras como son las de acero, son químicamente inertes, muy estables en el medio alcalino que supone el concreto, presentando una superficie hidrófoba, por lo que no absorbe agua durante la mezcla ni el posterior fraguado. Sin embargo este mismo aspecto supone a su vez un inconveniente en cuanto a la adherencia de las fibras a la matriz cementosa. Otras desventajas es su bajo módulo de elasticidad y la susceptibilidad a la degradación por luz, calor y oxígeno, debido a esto es necesario añadirle un antioxidante y un estabilizador a la luz ultravioleta, lo que encarece la producción. En la figura 2 se presentan distintas fibras de polipropileno.

(11)

Figura 2. Distintas Fibras de Polipropileno

Según su proceso de fabricación los podemos clasificar en: - Monofilamentos extruídos

- Láminas fibriladas

Las dimensiones de las fibras son variables, igual que su diámetro y forma. Pueden clasificarse en:

 Micro-fibras < 0.30 mm diámetro  Macro-fibras >0.30 mm diámetro

Las micro-fibras se emplean en general para reducir la fisuración por retracción plástica del concreto, especialmente en pavimentos y soleras, pero no asume funciones estructurales. También se utiliza para mejorar el comportamiento frente al fuego, siendo conveniente un elevado número de fibras por Kg. El número de fibras presentes en un Kg de concreto, depende de la longitud de la fibra y muy especialmente de su diámetro.

(12)

Las macro-fibras pueden colaborar estructuralmente, siendo su longitud variable (20 mm a 60 mm), la cual debe guardar relación con el tamaño máximo del agregado. La adición combinada de micro y macro fibras puede aportar, mejorando no sólo la resistencia a tracción del concreto sino también el comportamiento post-pico de éste.

En el caso de fibras con longitudes relativamente elevadas (alrededor de 50 mm), se observa una importante pérdida de trabajabilidad del concreto, incluso con bajos contenidos de fibras, llegando a afectar los resultados del cono de abrams en hasta 75 mm.

Las fibras de polipropileno al añadirse al concreto se dispersan perfectamente en todo el volumen de este. Esto se confiere a dicha matriz un armado en tres dimensiones. Cabe destacar que, a pesar de ser un elemento discreto, aporta continuidad al volumen de la pieza de modo tal que al fracturarse no se separa. Todo ello, sumado a las características de la fibra (geometría y módulo elástico), repercute en un incremento de la tenacidad (capacidad de absorción de energía) y mejor recuperación en la zona post-elástica.

Por último, como todas las fibras, confiere una aportación extra resistente a la abrasión e impacto.

(13)

CAPITULO II

CONCRETO REFORZADO CON FIBRAS DE ACERO 2.1 DEFINICION

Las fibras de acero utilizadas en el refuerzo del concreto son discontinuas, con una distribución discreta y uniforme que confiere al material isotropía y homogeneidad.

Esta incorporación se realiza para mejorar ciertas propiedades específicas del concreto, ya sea en estado fresco, en primeras edades o en estado endurecido. Las fibras se pueden añadir a concretos en masa, armados o pretensados, es decir, que las fibras pueden estar presentes tanto con armaduras pasivas como activas.

2.2 COMPONENTES

El Concreto reforzado con fibras de acero están constituidos esencialmente por los mismos componentes que un concreto tradicional y adicionalmente fibras de acero. La inclusión de las fibras, además de alterar el comportamiento del concreto en estado endurecido, también lo hace en estado fresco, por lo que a algunos de los componentes se les exigen condiciones que en los hormigones (concretos) tradicionales no son necesarias.

El material compuesto tendrá que sufrir ciertas modificaciones respecto de un concreto tradicional por estar en función de la cantidad de fibras que se va a

(14)

adicionar al concreto y a la geometría de éstas. Estas modificaciones pasan principalmente por una limitación en el tamaño máximo del agregado, menores valores de relación grava-arena, mayores cantidades de aditivos reductores de agua, y mayor demanda de finos, entre otros.

En la tabla 2 muestra el rango de proporciones para un SFRC según el ACI Committee 544 1R-96 (2009).

Tabla 2 Rango de proporciones de componentes para un SFRC

2.2.1 Cemento.- El cemento es un componente decisivo en la docilidad del material en estado fresco y, posteriormente, en las características mecánicas del concreto endurecido. Se puede emplear cualquier cemento que cumpla con los requisitos establecidos para un concreto tradicional, siempre que sea capaz de proporcionar al concreto las características que exige el proyecto.

Cuanto mayor sea el contenido de fibras y menor el tamaño máximo del agregado, será necesario emplear una mayor cantidad de cemento con la finalidad de proporcionar más pasta.

(15)

2.2.2 Agua.- Se puede emplear agua que cumpla los mismos requisitos exigidos en el caso de concretos tradicionales armados, poniendo especial atención a los agentes que puedan afectar a las fibras. La Instrucción EHE 2008 establece, que el aumento de la consistencia debido al uso de las fibras debe ser compensado siempre con la adición de aditivos reductores de agua, sin modificar la dosificación prevista de la misma.

2.2.3 Agregados.- Además de cumplir los requerimientos de composición, resistencia, durabilidad, estabilidad y limpieza establecidos para el empleo en concretos tradicionales, los agregados deben tener unos tamaños de partícula, granulometría y formas adecuadas para la elaboración de un SFRC.

Se pueden emplear agregados rodados o chancados, siendo el más adecuado el empleo de los primeros (especialmente en la arena) ya que para valores idénticos de relación agua/cemento se obtiene mejor docilidad que con los agregados chancados.

Respecto del contenido de finos, cuando se adicionan fibras de acero es aconsejable incorporar mayor cantidad de finos para reducir el riesgo de segregación, aumentar la cohesión y favorecer la movilidad de las fibras.

La movilidad potencial de las fibras depende de la proporción de agregado grueso y del tamaño máximo de agregado(Figura 3). Cuanto mayor sean estos dos parámetros menor será la movilidad potencial de las fibras. La JSCE ( Japan Society of Civil Engineers) plantea que el valor óptimo del tamaño máximo de agregado sea inferior a la mitad de la longitud de la fibra.

(16)

Figura 3. Efecto del tamaño del agregado en la distribución de las fibras(de 40mm de longitud)

Tamaños máximos de agregado mayores que 20mm no son recomendados, aunque en algunos estudios se han empleado agregados de hasta 38 mm con resultados satisfactorios (ACI 544.3R-08, 2008). Se recomienda también que el tamaño máximo de agregado no supere:

 2/3 de la longitud máxima de la fibra.  1/5 del lado menor del elemento.

 3/4 de la distancia libre entre las barras de armado.

La relación agregado grueso/agregado fino (Ag/Af) suele reducirse respecto de lo especificado para un concreto tradicional con las mismas exigencias de resistencia, ya que un mayor volumen del mortero facilita la movilidad de las fibras. Se debe buscar una relación Ag/Af óptima que proporcione la docilidad y resistencia deseadas.

2.2.4 Aditivos.- En los SFRC

se emplean principalmente aditivos reductores de agua y aireantes. El anejo(7) 14 de la EHE (la Instrucción Española de Hormigón Estructural) 2008 establece que, cuando las fibras utilizados sean metálicas, el ión cloruro total aportado por los componentes no debe exceder del 0.4% del peso del cemento.

Al adicionar fibras al concreto(en altas proporciones), éste sufre una reducción sustancial de docilidad. Con el fin de no adicionar agua, ni afectar la resistencia y durabilidad esperadas, se emplean superplastificantes.

(17)

Si se pretende hacer muy fluído un concreto con un volumen de fibras alto y no se controla adecuadamente la granulometría de los agregados y la distribución de la fibras en el concreto, puede producirse apelotamientos (erizos).

Cuando los SFRC van a estar sometidos a ciclos hielo-deshielo, todas las prácticas conocidas para el concreto tradicional son aplicables, por lo que el uso de un aditivo aireante es una necesidad.

2.2.5 Adiciones.- Las adiciones

usualmente empleadas en los SFRC son materiales puzolánicos tales como puzolanas naturales, cenizas volantes y humo de sílice. La adición de estos materiales se hace con el fin de reducir la permeabilidad del concreto, aumentar la durabilidad, mejorar la cohesión del material y en consecuencia la adherencia fibra-matriz, controlar la retracción, disminuir el riesgo de segregación y, en el caso particular de los concretos proyectados, disminuir el rebote. Por todo esto y por la formación de silicatos similares a los producidos por el cemento, estos materiales dan al concreto con mejores características.

(18)

2.3 FIBRAS DE ACERO

Las fibras de acero son elementos de corta longitud y pequeña sección que se adicionan al concreto con el fin de conferirle ciertas propiedades específicas, con las características necesarias para dispersarse aleatoriamente en una mezcla de concreto en estado fresco empleando metodologías de mezclado tradicionales.

La geometría de las fibras es diversa, pudiendo tener sección circular, cuadrada o rectangular (ver figura 4).

Figura 4. Diferentes tipos de fibras de acero

Además, con el fin de mejorar la adherencia con el concreto, las fibras pueden presentar los extremos conformados, ondulaciones, corrugas, aplastamientos, ganchos, etc. En general, las dimensiones de las fibras oscilan entre 0,25 y 0,80 mm de diámetro y entre 10 y 75 mm de longitud. El método de obtención no es único, aunque el más habitual es el del corte de alambres trefilados de acero de bajo contenido de carbono. Otros métodos son el corte de láminas de acero y el arrancamiento en caliente, consiguiendo fibras de sección cuadrada y fibras con forma de viruta respectivamente.

(19)

2.3.1 Características.-En la caracterización de las fibras de acero se emplean tres parámetros básicos, tal y como se indica en :

- Esbeltez o aspecto: este parámetro se define como la relación entre la longitud de la fibra y su diámetro (lf /df). A mayor esbeltez, menor será la dosificación de fibras a utilizar.

- Resistencia a tracción del acero: la resistencia a tracción de las fibras depende de la calidad del acero. Para un contenido bajo o medio de carbono, la resistencia a tracción oscila entre 400 y 1500 MPa. Incrementando el contenido de carbono se pueden alcanzar resistencias de 2000 MPa, siendo este tipo de fibras especialmente adecuadas para concretos de alta resistencia.

- Forma: Se obtienen mejores resultados con fibras trefiladas de sección circular y con extremos conformados. En función de la aplicación que se le va a dar a las fibras, éstas pueden ser galvanizadas, con una mejor resistencia a la corrosión en obras marítimas, o de acero inoxidable, impidiendo la corrosión en atmósferas calientes y con gases agresivos como es el caso de los concretos en el revestimiento de hornos, en industria petroquímica, etc.

En función del material base utilizado para la producción de las fibras de acero, se clasifican en los siguientes grupos:

 Grupo I: alambres estirados en frío (cold drawn wire).  Grupo II: láminas cortadas (cut sheet).

 Grupo III: extractos fundidos (melt-extracted).  Grupo IV: conformados en frío.

 Grupo V: aserrados de bloque de acero(milled from steel block).

Las fibras de acero, como se explica líneas arriba, pueden ser de acero al carbono (en ocasiones, con aleaciones con el fin de mejorar prestaciones técnicas y mecánicas) o acero inoxidable. También se pueden encontrar fibras con revestimientos de zinc o galvanizados, que resultan menos costosas que las de acero inoxidable y presentan resistencia a la corrosión.

(20)

2.1.2 Longitud de la fibra de acero.- Además de las limitaciones relacionadas con el tamaño máximo de árido ya comentadas, cuando el concreto va a ser bombeado, la longitud de la fibra no debe superar 2/3 del diámetro interior del tubo. Otro factor limitante de la longitud de las fibras es la separación entre las barras de armado cuando éstas están presentes (en estos casos la longitud de las fibras no debe superar la separación mínima entre barras a no ser que se demuestre con ensayos previos que no presentan inconvenientes).

La sección transversal de las fibras depende principalmente del material usado en la fabricación (proceso de fabricación). El grupo I suele tener diámetros de 0.25 a 1mm, en función de la sección del cable del que son obtenidas (generalmente secciones circulares).

El grupo II (por lo general planas y rectas) tienen secciones transversales con espesores de 0.15 a 0.64 mm y anchos de 0.25 a 2 mm. Independientemente del tipo de fibras, la gran mayoría tiene diámetros entre 0.4 y 0.8 mm y longitudes de 25 a 60 mm. Su índice de esbeltez por lo general es menor que 100, generalmente entre 40 y 8.

El contenido de fibras de un SFRC tradicional oscila entre el 0.25 y el 2%. El límite inferior es utilizado para losas con bajas solicitaciones y el límite superior para aplicaciones de seguridad o militares. En algunos casos extraordinarios con HPFRC se llega a utilizar entre un 2 y un 15 %.

Con volúmenes de fibras inferiores al 0.5 % y fibras de esbeltez inferior a 50, el incremento de la resistencia a rotura a flexotracción puede ser despreciable (ACI 544, 4R-88, 2009). Por lo tanto, se requiere de un contenido mínimo de fibras, que resultara menor a medida que aumente la capacidad adherente y la esbeltez de las fibras.

Para las fibras de igual longitud, la reducción en el diámetro aumenta 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.

(21)

El efecto de las fibras en las diferentes etapas del proceso de fisuración del concreto se refleja a dos escalas: material y estructural. Así, en la fase de fisuración aleatoria, las fibras cosen las fisuras activas y retardan el desarrollo, incrementando la resistencia y la ductilidad a escala del material, mientras que en la etapa en que las macrofisuras se propagan, las fibras también cosen las fisuras y así aportan mayor capacidad resistente y ductilidad a escala estructural.

Cuando se requiere que las fibras actúen en las microfisuras, se debe adicionar un gran número de fibras y su diámetro debe ser pequeño. La trabajabilidad del material, conduce a preferir fibras cortas. Por otro lado, para controlar las macrofisuras las fibras deben ser lo suficientemente largas para estar adecuadamente andadas en la matriz, si bien por requerimientos de trabajabilidad las fibras largas deben ser usadas en menores proporciones que las cortas.

En definitiva, la resistencia a tracción y la ductilidad del material pueden ser incrementadas empleando una alta proporción de fibras cortas y, para mejorar la capacidad resistente y la ductilidad de la estructura, se debe añadir una cierta cantidad más baja de fibras largas.

2.1.3 Longitud crítica de la fibra.- Al aplicar un esfuerzo de tracción, en los extremos de la fibra no hay transmisión de carga desde la matriz, se genera un patrón de deformación.

Existe una longitud de fibra crítica para aumentar la resistencia y rigidez del compuesto. Esta longitud crítica Ic depende del diámetro d de la fibra, de la resistencia a la tracción αf y de la resitencia de la unión matriz- fibra( o resistencia al cizallamiento de la matriz), Tc, de acuerdo con:

(22)

Los perfiles esfuerzo- deformación dependen si la longitud de la fibra es mayor o menor que la longitud crítica:

Si I=Ic : la carga máxima se consigue en el centro de la fibra. Si I>Ic: el reforzamiento es más efectivo.

Si I<Ic :el reforzamiento es insignificante (la matriz se deforma alrededor de la fibra, casi no existe transferencia del esfuerzo).

Si I>Ic (normalmente I>15 Ic) fibras continuas. Si I<Ic : fibras cortas o discontinuas.

(23)

2.4 COMPORTAMIENTO MECANICO DEL SFRC

El concreto reforzado con fibras de acero puede ser considerado una variante del principio de refuerzo con barras de acero. En este caso, el refuerzo se realiza con un gran número de pequeñas fibras, distribuidas de forma aleatoria en la mezcla. Las fibras de acero son las que tienen la función de soportar las tracciones tras la fisuración del concreto. Sin embargo, es necesario precisar que la manera de trabajar de las fibras es diferente a la del armado convencional.

En el caso del armado convencional, las barras están ancladas de forma que se alcanza el límite elástico del acero y su capacidad última se desarrolla cuando tiene lugar la rotura del acero. A diferencia de las barras, las fibras de acero se diseñan para que no alcancen el límite elástico del acero, antes de alcanzarlo deben deslizar para desarrollar su máxima eficiencia. La razón es que todas las fibras que cosen una fisura tienen diferente longitud de anclaje y orientación. Esto significa que las deformaciones en las diversas fibras durante la apertura de la fisura son muy distintas, existiendo la posibilidad de que algunas de ellas rompan mientras que otras aún están sometidas a tracciones bajas (ver figura 5).

Figura 5 Relación carga-desplazamiento Figura 6. Relación carga-desplazamiento

para rotura de fibras (tracción). para deslizamiento de fibras (tracción).

(24)

No obstante, si las fibras deslizan en lugar de romperse, su resistencia total a tracción será muy importante, consiguiendo además una gran ductilidad (ver figura 6). De esto se deduce que la longitud de anclaje debe ser suficientemente grande para garantizar la adherencia y suficientemente pequeña para permitir el deslizamiento de las fibras.

Se procederá a continuación a un análisis más detallado del comportamiento mecánico del hormigón (concreto) reforzado con fibras de acero (HRFA) frente a diversos esfuerzos estáticos y esfuerzos dinámicos.

2.4.1 Comportamiento frente a

Esfuerzos Estáticos

2.4.1.1 Comportamiento a com- presión.- La resistencia a compresión del concreto no se ve afectada de manera significativa por el contenido de fibras, y el agotamiento por compresión se anuncia por la formación de fisuras en la dirección de la tensión de compresión, como en el concreto convencional. La presencia de fibras no varía el patrón de fisuración del concreto, por esta razón la pequeña variación de resistencia a compresión es ignorada. Sin embargo, una vez alcanzada la tensión de rotura, la ductilidad se ve influenciada significativamente por la adición de fibras.

(25)

Figura 7. Diagrama tensión de compresión Figura 8. Diagrama tensión de

deformación Tracción deformación

(Rodríguez López et al., España 1984). (Rodríguez López et al., España 1984).

La figura 7 corresponde a ensayos efectuados sobre probetas cilíndricas de 76mm de diámetro y 152 mm de longitud, de acuerdo con la especificación C 39-72 de las normas ASTM y a una temperatura de 75ºF. Las fibras utilizadas son de 0,40 mm de diámetro y 30 mm de longitud, con anclajes en los extremos.

En concretos jóvenes (antes de los 28 días) la capacidad de mantener la carga máxima a compresión se incrementa significativamente con la adición de fibras, a medida que madura el concreto este incremento se reduce y la capacidad de absorción de energía y la ductilidad se concentran principalmente en la región post-fisura.

Cuanto menor es el tamaño de las probetas se obtienen mayores resistencias a compresión, debido a que se acentúa un alineamiento preferente de las fibras. El efecto se hace mucho más sensible a medida que se aumenta la longitud de la fibra (ACI 544.3R-08, 2008). Probetas con mayor esbeltez soportan tensiones sensiblemente mayores, pero presentan respuestas menos dúctiles a

(26)

compresión. Se debe tener especial cuidado con estas situaciones para no generar falsos panoramas con resultados excesivamente optimistas.

2.2.1.2 Comportamiento a

tracción.- La adición de fibras de acero en el concreto produce un aumento de la resistencia a tracción. Este incremento es mayor cuanto mayor es el contenido de fibras (ver figura 8). Alcanzada la tensión de rotura, el SFRC muestra una resistencia prácticamente constante dependiendo del volumen de las fibras. Este fenómeno permite la transmisión de tensiones de tracción después de la fisuración.

El efecto más importante en el comportamiento mecánico del concreto, debido a la presencia de las fibras, se manifiesta en la resistencia a tracción post-fisura. La resistencia a tracción post-fisura a su vez, afecta a muchas otras propiedades mecánicas como la adherencia de armaduras, la resistencia a la cortante, la fatiga, etc.

Adicionando fibras en un 1.5% en volumen en concretos o morteros se obtienen incrementos en la resistencia a tracción directa del orden del 30%-40% (ACI 544.1R-96, 2009).

2.4.1.3 Comportamiento a

flexión.- La adición de fibras de acero en un elemento estructural sometido a flexión es más efectiva que en uno sometido a tracción. La causa de esta efectividad es que en la flexión se aprovecha la capacidad de redistribución del concreto reforzado con fibras. En la figura 9 se muestra el aumento de la resistencia a flexión según el porcentaje de fibras de acero.

(27)

Figura 9. Diagrama tensión de flexión -deformación (Rodríguez López et al., España 1984).

El incremento de la resistencia a flexotracción al adicionar fibras de acero al concreto es considerablemente mayor que el de la resistencia a la compresión y a tracción. Esto se debe al comportamiento dúctil del SFRC en la zona fisurada por tracción, desarrollando resistencias residuales.

Los ensayos de flexotracción en SFRC se realizan principalmente sobre probetas prismáticas. Normalmente, se determina la resistencia a primera fisura, la resistencia a rotura por flexotracción y la resistencia residual a flexotracción. El incremento de la resistencia a primera fisura contenido con la adición de fibras de acero es mínimo, lo cual indica que esta propiedad depende básicamente de la matriz y muy poco del contenido de fibras, del tamaño y de la forma de éstas, por lo que resulta más rentable mejorar las características de la matriz con el uso de por ejemplo: aditivos, humo de sílice, entre otros.

La resistencia a rotura depende principalmente del volumen de fibras y de la esbeltez de éstas, logrando incrementos de hasta el 100% respecto de la resistencia de la matriz, si se utiliza fibras de extremos conformados.

(28)

El empleo de mayores volúmenes de fibras, ensayos con sistemas de carga en el centro de la luz, probetas de menores dimensiones, fibras de mayores longitudes con orientación preferencial (cuando el ancho y/o altura es menor que tres veces la longitud de las fibras) en la dirección longitudinal el elemento, da lugar a mayores incrementos en la resistencia, llegando hasta valores del 150%. Con contenidos de fibras bajas y fibras de esbeltez baja, no es de esperar incrementos significativos de resistencia.

Los ensayos con orientación preferencial son representativos cuando se experimenta una orientación similar en el elemento en el que se empleará el concreto.

2.4.2 Comportamiento frente a Esfuerzos Dinámicos.-El

concreto reforzado con fibras tiene una importante capacidad de absorción de energía durante la fractura bajo cargas dinámicas. Las principales causas son:

- La adherencia fibra-matriz, la cual se describirá en el capítulo siguiente

- La fluencia y fractura de las fibras - La apertura de las grietas

2.4.3 Otras Caracteristicas mecá- nicas

2.4.3.1 Resistencia al Impactos.- El comportamiento del SFRC ante impactos ha sido estudiado por Almansa y Canova, Wang y Mohammadi.

Una de las principales características del SFRC es su resistencia a los impactos por absorción de energía, siendo en este caso sus resistencia de 3 a 10 veces la resistencia del concreto en masa (ACI 544. 4R-88, 2009). Además, el SFRC presenta una menor tendencia a la desfragmentación y el desprendimiento.

(29)

Todo lo anterior se debe a la sensibilidad de la matriz, a la resistencia de las fibras al arrancamiento y a la deformación.

2.4.3.2 Tenacidad.- La variable que más influye en la tenacidad es la capacidad adherente de las fibras. La tenacidad es tradicionalmente cuantificada como el área bajo la curva carga-flecha obtenida experimentalmente. El ensayo de tracción directa, por la dificultad que implica realizarlo, no es muy empleado para evaluar esta propiedad. El ensayo de flexotracción, además de ser más simple que el de tracción directa, simula las condiciones de carga para muchas aplicaciones prácticas.

La curva carga-flecha dependen principalmente de las dimensiones del elemento (ancho, alto y longitud), de la configuración de carga (punto medio o a tercios), del criterio de control del ensayo (carga, flecha, abertura de fisura, carrera de la prensa, etc.) y de la velocidad de carga. Los métodos de ensayo más utilizados evalúan la tenacidad mediante una flecha máxima establecida o con unos índices de tenacidad (It) en función de diferentes valores de flecha obtenidos como múltiplos de la flecha a primera fisura.

El valor de los It depende principalmente del contenido de fibras, del tipo y de la esbeltez de éstas y poco o nada de que la matriz sea concreto o mortero, es decir, los índices reflejan principalmente el incremento de tenacidad debido a las fibras y no a cualquier otro mecanismo como por ejemplo el incremento de la resistencia a primera fisura ( ACI 544. 4R-88, 2009).

2.4.3.3 Cortante y Torsión.- Las fibras de acero en el concreto generalmente aumentan la resistencia a cortante y a torsión, aunque la gran mayoría de investigaciones se han centrado en evaluar estas propiedades mecánicas en elementos de SFRC armados.

El comportamiento del SFRC a cortante ha sido estudiado por Serna, Barragán, Meda y Minelly y Pizarri. Barragán, de ensayos experimentales de vigas SFRC armadas, concluye que las fibras propician una fisuración más distribuida y además, incrementan la capacidad de carga última a cortante.

(30)

El empleo de sistemas combinados de refuerzo (fibras y estribos) conduce a notables incrementos en la ductilidad, aunque con aumentos resistentes a cortante poco significativos (del 0 % al 15 % para concretos ordinarios y de alta resistencia, respectivamente) respecto de las vigas con solo estribos como armadura de cortante.

2.4.3.4 Módulo de Deformación.- El módulo de deformación para los SFRC con contenidos habituales de fibras ( V f < 1% en volumen) no presenta modificaciones significativas respecto al de los concretos tradicionales. Generalmente se adopta un módulo de deformación igual al de la matriz o se efectúa una estimación de su valor mediante el uso de formulaciones que relacionan la resistencia a compresión con el módulo de deformación.

Aplicando la teoría de los materiales multifase y dado que se trata de fibras cortas aleatoriamente distribuidas en una masa, se establece que:

Donde: Ecf: módulo de deformación del SFRC. Ec: módulo de deformación del concreto sin fibras.

Ef: módulo de deformación de las fibras. Vf: volumen de fibras.

n1: factor de eficiencia de las fibras en función de su longitud.

n0: factor de orientación de las fibras.

2.4.3.5 Punzonamientos.- Al

emplear volúmenes de fibras superiores al 0.5 % se han experimentado roturas por punzonamiento más graduales y dúctiles, con un incremento considerable de la fisuración previa al agotamiento y de la resistencia después de la fisuración, en función del contenido de fibras, la esbeltez y la capacidad adherente de éstas. Las fibras permiten aumentar la resistencia a la rotura por punzonamiento, habiéndose obtenido incrementos de hasta un 42 % (ACI 544.4R-88, 2009).

(31)

2.4.3.5Adherencia Fibra-Matriz.- La adherencia fibras-matriz es el fenómeno que gobierna el comportamiento del SFRC después de la fisuración, cuando las fibras cosen las fisuras, retrasando y haciendo más dúctil el fenómeno de agotamiento del material compuesto. Para elevar la absorción de la energía se deben propiciar fenómenos de arrancamiento y evitar la rotura de las fibras, hecho que no debe producirse porque daría lugar a una nueva rotura frágil (caída vertical), en vez de una rotura dúctil.

La adherencia aumenta con la esbeltez de las fibras. Se ha comprobado que utilizando fibras de extremos conformados, la resistencia al arrancamiento de tres fibras de esbeltez igual a 100 es un 50% mayor que la obtenida al ensayar una sola fibra de esbeltez igual a 75 y con el mismo volumen que el conjunto de las tres fibras anteriores.

Se ha comprobado tres tipos de fibras elaboradas del mismo material y con la misma área, una circular recta, otra circular con extremos conformados y una tercera triangular retorcida. Realizando ensayos de tracción a una sola fibra, se encontró que la fibra triangular retorcida dio una resistencia de adherencia un 400% y 200% mayor que la fibra recta y que la de extremos conformados, respectivamente. Además, la energía de arrancamiento fue 2.5 veces mayor en el caso de la fibra triangular respecto de la conformada. (Naaman, 2000).

2.4.3.6 Adherencia SFRC-

Armadura.- Las fibras confinan (resistencia extra frente a dilatación o expansión) el concreto aumentando la resistencia al inicio y en la propagación de las fisuras principales y de las microfisuras internas de adherencia. Con ello se mantiene la integridad del concreto en un entorno próximo de las armaduras después de haberse alcanzado la tensión máxima de adherencia.

Por consiguiente, se experimentan incrementos en la capacidad adherente de las armaduras pasivas y una menor degradación de la capacidad de respuesta

(32)

tras alcanzarse la tensión máxima, lo que se traduce en cierta resistencia residual, en mayores deslizamientos y en mayor absorción de energía, es decir, un comportamiento más dúctil y con menor tendencia al agotamiento del concreto.

Las fibras influyen más si las barras son corrugadas ( pues son mayores la fisuración interna y las presiones radiales), cuanto mayor es el diámetro de las barras, con barras hormigonadas en vertical ( por la favorable orientación de las fibras) y si las fibras son de adherencia mejorada.

La adherencia de armaduras pretensas en SFRC ha sido estudiada por Martí (2008). Los resultados obtenidos en ensayos realizados con cordones de pretensado de siete alambres han puesto de manifiesto que, respecto de los concretos tradicionales, en SFRC resultan longitudes de transmisión menores y longitudes de anclaje mayores.

También han constatado que el efecto de reducción de la longitud de transmisión con el aumento de la edad de destesado(8) es más acusado en el caso del SFRC y que, como era de esperar, se consigue una mejor transmisión del pretensado en SFRC cuando se produce fisuración durante el destesado. Finalmente apuntan que es necesario realizar más estudios para generalizar las conclusiones obtenidas.

2.4.3.7 Durabilidad del SFRC.- Como se sabe la adición de fibras de acero en el concreto genera comportamientos mecánicos caracterizados por presentar un mayor número de fisuras con menores valores de abertura de fisura, factor importante en los requerimientos de durabilidad.

Uno de los aspectos más preocupantes es la corrosión. En concretos sin fisuras se ha constatado que la corrosión de las fibras se limita a la superficie del concreto. Una vez que la superficie está corroída, el efecto de la corrosión no se propaga más de 2mm a partir de la superficie. Las fibras muestran una buena resistencia a la corrosión en elementos se encuentren expuestos a agua de mar. (ACI 544. 1R-96, 2009).

Mediante análisis de rayos X y microscopía electrónica, se ha observado que las reacciones entre el SFRC y el agua de mar se limitan a unos pocos

(33)

milímetros bajo la superficie del concreto. Estos cambios microquímicos aparentemente no tienen ningún efecto negativo en la durabilidad y el comportamiento del concreto bajo cargas sostenidas en ambiente marino. Cuando se emplean fibras con recubrimientos de zinc (galvamizadas), se han experimentado efectos positivos frente a la corrosión, tanto desde el punto de vista estético como mecánico. En el capítulo siguiente se ahonda más en la durabilidad del SFRC.

(34)

CAPITULO III

DURABILIDAD DEL SFRC

3.1 ANTECEDENTES

La durabilidad de una estructura de concreto se basa en su capacidad de resistir, durante su vida útil, las condiciones físicas y químicas a las que está expuesta, y que podrían provocar su degradación por causas diferentes a las de las solicitaciones previstas en el análisis estructural.

La durabilidad del concreto depende de tres factores: la calidad del concreto, la densidad del concreto y los acabados de la estructura. De entre ellos cabe destacar como de gran importancia la densidad del concreto. Los procesos de carbonatación, penetración de iones de cloruro y el ataque de sulfatos están en proporción directa con la permeabilidad de la matriz. Es decir, una buena densidad reduce la porosidad y la continuidad entre estos poros.

La adición de fibras, según los métodos recomendados por los fabricantes, no disminuye la densidad del concreto y, por tanto, no incrementa la penetración de sustancias agresivas. De hecho, se puede asegurar que la mejora que aporta la incorporación de fibras en la durabilidad del concreto es un hecho que por lo general es aceptado.

(35)

A continuación se presenta la durabilidad del concreto reforzado con fibras de acero en diferentes momentos de aplicación donde, efectivamente, la adición de fibras de acero mejora notablemente la durabilidad de las estructuras.

3.1.1 Durabilidad del HRFA(9)

frente al impacto.- El concreto

convencional es un material frágil que frente a cargas de impacto se fisura extensivamente y tiene una rotura frágil. Fruto de numerosas investigaciones se puede afirmar que la adición de fibras mejora el comportamiento del concreto frente al impacto, siendo las fibras de acero (o metálicas en general) las que aportan mayores beneficios en este sentido. Físicamente, la fibra proporciona ductilidad al concreto, cosa que permite absorber energía del impacto. Además, la resistencia del concreto con fibras, después de la fisuración, llega a ser un 50 % mayor que en concreto convencional .

Según Wang , en lo que al comportamiento frente al impacto se refiere existe un contenido crítico de fibras que se sitúa entorno al 0,5% respecto al volumen. En el caso de adiciones inferiores al valor crítico, las propiedades del concreto se ven mejoradas ligeramente. Sin embargo, para adiciones mayores, la energía de fractura salta rápidamente a valores superiores.

Este fenómeno se presenta en la figura 9 en la que se muestra una gráfica de la evolución de la energía de fractura del concreto con fibras de acero en función del porcentaje de fibras.

(36)

Figura 9 Influencia del contenido de fibra (en %) sobre la energía de fractura (Wang et al. 1996).

En la gráfica se observa el salto en el valor de la energía para el valor crítico de 0,5% de fibras. Esto es debido al diferente comportamiento de las fibras en ambos casos. Por debajo del 0,5% de fibras se puede producir la rotura de la fibra (aunque no siempre es así) y el aumento de energía de fractura es modesto. Para valores superiores al 0,75% de fibras, se produce el deslizamiento de las fibras (“pull-out”) siendo el incremento de energía de fractura notable.

3.1.2 Durabilidad del HRFA en

ambientes marinos.- Los ambientes marinos se caracterizan por contar con

agentes químicos especialmente agresivos para el concreto, como pueden ser los cloruros o los sulfatos,

(37)

además del CO2 que se encuentra en todos los ambientes expuestos al aire libre.

3.1.2.1 Corrosión.- La corrosión de la armadura en el concreto armado, ya sea con fibras o con barras de acero, es un proceso químico de oxidación-reducción. En condiciones normales el concreto provee al acero de un ambiente protector, ya que el hidróxido cálcico disuelto en el agua intersticial le confiere una elevada alcalinidad, con un Ph cercano a 13. Este hecho confiere al acero la propiedad de estar pasivado, siendo así su velocidad de corrosión despreciable. Sin embargo ciertos agentes agresivos como el dióxido de carbono (CO2), los sulfatos (SO4-) y los cloruros

(Cl-) en la superficie de las armaduras pueden provocar condiciones propicias

para el inicio de la corrosión.

La corrosión en las estructuras son manchas de óxido, grietas de los recubrimientos de concreto y desprendimientos de los mismos. Estos desprendimientos o delaminaciones del recubrimiento del concreto se deben al incremento de volumen que sufre la armadura al oxidarse. Este aumento de volumen causa unas tensiones radiales en el concreto y éste acaba agrietándose por tracción.

Otras consecuencias importantes de la corrosión son la pérdida de sección en

el acero provocando una pérdida de capacidad mecánica y también una pérdida importante de la adherencia concreto-acero, impidiendo así una transmisión correcta de esfuerzos entre ambos.

3.1.2.2 Agentes agresivos.- La corrosión iniciada por iones cloruro es causada por una concentración de iones superior a la crítica en la superficie del acero. Estos iones se encuentran básicamente en ambientes marinos o en zonas donde se aplican sales de deshielo, aunque también pueden ser introducidos en el concreto por contaminación de alguno de los elementos de la mezcla, como el agua o el árido. Los iones provocan una despasivación (10) de la armadura y por lo tanto el inicio de la corrosión, que se produce de forma localizada.

En la figura 10 se presenta la secuencia de ataque de los cloruros en tres etapas: estado inicial, estado a corto plazo y estado a largo plazo.

(38)

Figura 10 Secuencia de ataque de los cloruros.

En el caso del concreto reforzado con fibras cabría esperar que la disminución de pH facilitara la corrosión de la fibra. Sin embargo, la corrosión por iones de cloruro se disminuye por la presencia de una capa rica en hidróxido de calcio que envuelve la fibra.

La carbonatación es otro proceso que puede provocar la corrosión de la armadura. Este fenómeno consiste en la disolución del CO2 del aire en la

disolución intersticial que combina con el hidróxido cálcico disuelto formando carbonato cálcico y reduciendo el pH del concreto. Esta disminución del pH altera la estabilidad de la capa pasivada permitiendo la entrada al oxígeno y provocando ataques generalizados en la armadura. En la figura 11 se muestra la secuencia de ataque de la carbonatación desde el momento inicial hasta un periodo de larga exposición.

(39)

Figura 11 Secuencia de ataque de la carbonatación.

En el caso del concreto reforzado con fibras de acero, en la práctica se ha demostrado que el frente de carbonatación se detiene cuando llega a la fibra de acero debido a la gran cantidad de hidróxido de calcio alrededor de la fibra. Esta fibra puede llegar a perder su capa pasivada a largo plazo, pero las fibras situadas más alejadas de la superficie permanecen a salvo de la corrosión. Se ha establecido por experimentación que a largo plazo, la corrosión de la fibra de acero está limitada a una profundidad de 5 milímetros en el caso de concretos de alta calidad .

Se puede concluir que la corrosión del concreto con fibras, una vez se ha figurado el concreto, es menos severa que en el caso del concreto armado convencionalmente.

3.1.3 Durabilidad del HRFA frente al deshielo.- El hielo-deshielo supone un problema importante para las estructuras de concreto. El verdadero problema de durabilidad ocurre cuando el concreto, además de sufrir estos ciclos de agresividad ambiental, está sometido a tensiones importantes por efecto de las cargas aplicadas. Entonces el proceso de deterioro de la estructura se acelera y se acentúa con cada ciclo de hielo-deshielo, modificando el módulo dinámico en cada ciclo. Para minimizar los daños, existen diversas soluciones en el mercado entre las cuales está la adición de fibras en la matriz o el uso de algún tipo de aireante.

(40)

3.1.3.1 Comportamiento del con-

creto convencional.- Bajo temperaturas inferiores a 0ºC, el agua intersticial y la humedad presentes en el concreto pueden congelarse. En ese momento se produce un aumento de volumen del agua que provoca un incremento en la presión en el interior del concreto que genera una microfisuración. Cuando se descongela, el agua se mueve por efecto de la gravedad y se coloca en las fisuras que se han producido, de forma que al congelarse de nuevo se vuelven a producir daños en el concreto.

Con cada ciclo que pasa, el concreto va perdiendo módulo de elasticidad dinámico y al cabo de muchos ciclos puede llegar a la rotura. La humedad es quizás el parámetro más importante en estas condiciones ambientales ya que regula parte del agua en el interior de la matriz. También es muy importante la tensión a la que esté sometido el concreto en relación con su tensión de rotura. La tensión acelera el proceso de degradación del concreto y la extensión de los daños con cada ciclo.

3.1.3.2 Comportamiento del con-

creto con fibras.- En un estudio de W. Sun, se determinó el efecto que tienen las fibras si se añaden al concreto en ambientes fríos donde se den condiciones de hielo y deshielo.

Se usaron 4 probetas de distintas resistencias a compresión. Dos de ellas tenían aireante, concretamente las de más resistencia. La comparación se realiza entre las probetas sin fibras y con fibras, y se analiza con la variación del módulo de elasticidad en función de los ciclos de hielo-deshielo. Además de cada tipo de probeta se hacen 4 iguales, de tal forma que cada una de ellas se somete a un porcentaje constante de la tensión de rotura a flexión de ese concreto.

De esta manera se puede ver la diferencia de comportamiento por la actuación de las fibras y del aireante en relación a la tensión a la que trabaja el concreto.

(41)

Finalmente, se obtiene el número de ciclos que cada probeta resiste en función de sus características. En las figuras 12 y 13 se presentan dos gráficas de resistencia del concreto con y sin fibras al hielo-deshielo.

Figura 12 Resistencia del concreto sin Figura 13 Resistencia del concreto con

fibras sometido a ciclos hielo-deshielo. fibras sometido a ciclos hielo-deshielo.

(Sun et al. 1999). (Sun et al. 1999).

En la figura 12 se muestran los ciclos que resiste el concreto convencional en relación al porcentaje de tensión a la que están sometidos durante todo el proceso con su resistencia. Se observa que los que más resisten son los menos cargados y los que más resistencia ofrecen, 60 y 80 MPa. Las dos clases más resistentes también coinciden con las probetas a las cuales se les ha añadido aireante.

En la figura 13, en cambio, vemos el comportamiento de las probetas de concreto con fibras de acero. La densidad de fibras es la misma en todas las muestras, 1,5% en volumen. Tal y como se observa en la gráfica hay un

(42)

aumento del número de ciclos en todas las muestras. La mejora es más significativa en los concretos de menor resistencia, de 50 y 40 MPa.

Finalmente, se puede concluir que para resistir el deterioro del concreto debido a ciclos hielo-deshielo existen dos sistemas. El primero es utilizar un concreto con una matriz de más resistencia que a su vez incorporará menos agua, por tener una relación agua-cemento menor. El segundo, y muy importante para aumentar la durabilidad, es que el concreto trabaje a un régimen bajo de tensión. La adición de fibras, como se ha visto en este estudio, retarda la formación y propagación de fisuras en la matriz de cemento de forma que se mejora la durabilidad del concreto y se disminuyen los daños al mismo con cada ciclo, siendo especialmente eficaces para rangos bajos de tensión.

(43)

CAPITULO IV

FISURACIÓN

4.1 ANTECEDENTES

Uno de los aspectos clave en la durabilidad del concreto es la fisuración. El concreto no fisurado es un material de alta durabilidad ya que la matriz es poco porosa, del orden del 5%, con lo cual la continuidad de los poros es escasa evitando la penetración de agentes externos. Sin embargo, la fisuración en estructuras de concreto suele ser inevitable, no suponiendo ningún inconveniente a nivel estructural ni en servicio para determinados valores del ancho de la fisura.

Estableciendo un ancho máximo de fisura garantiza la durabilidad, funcionalidad, estanquidad y apariencia del concreto. Aún así, es cierto que, cuando el concreto se fisura disminuye su protección frente la corrosión, facilitando la entrada de agentes agresivos en el concreto.

La adición de fibras de acero en el concreto contribuye a un mejor control de la fisuración, ya que mejora la resistencia residual, la ductilidad y aumenta también las características mecánicas del mismo. No obstante, en la mayoría de casos es necesaria

también la presencia de armadura convencional, por lo que nos encontramos ante concretos con una armadura formada por la combinación de barras y fibras de acero.

4.1.1 Causas de la fisuración.- Las causas que originan la fisuración del concreto son diversas. Se pueden

(44)

distinguir aquellas que tienen lugar antes del endurecimiento del concreto y aquellas que, por el contrario, tienen lugar después.

Antes del endurecimiento del concreto

En este caso las causas de la fisuración del concreto son: - Heladas tempranas

- Plásticas: por retracción plástica o asentamiento plástico.

- Movimiento durante la ejecución: movimientos del encofrado o de la sub-base.

Después del endurecimiento del concreto

Si se trata de concreto endurecido, las causas de la fisuración son las siguientes:

- Físicas: por áridos con retracción, retracción por secado.

- Químicas: por corrosión del acero, reacción árido-alcali o carbonatación. - Térmicas: por ciclos hielo-deshielo o contracción térmica temprana. - Estructurales: por cargas exteriores o deformaciones impuestas.

4.1.2 Fisuras en concreto armado.- Tal y como se ha explicado, las causas de la aparición de fisuras en el concreto son diversas, en este punto se centra en las fisuras debidas a la acción directa de una carga o deformación impuesta ya que son el objeto de estudio en la campaña experimental realizada.

En este caso, el ancho de las fisuras que aparecen en el concreto depende

principalmente de los siguientes factores, tal y como se indica en :

- La resistencia a tracción del concreto - El tipo de carga

- El recubrimiento

- El diámetro de la barras de acero - El canto de la estructura

(45)

Asumiendo un elemento sujeto a una deformación impuesta, se pueden distinguir dos fases en el proceso de fisuración. En la fase inicial (ver figura 14), suponiendo un elemento sometido a una deformación impuesta, la primera fisura aparece en el punto donde la resistencia a tracción del concreto es menor.

Figura 14 Fase inicial de fisuración (Vitt,G. 2003).

En la fisura, la tensión sólo es absorbida por la armadura, sin que el concreto contribuya de ningún modo. Así, el acero alcanza su tensión máxima mientras que la del concreto es nula. Seguidamente, las tensiones del acero son transmitidas al concreto a través de la longitud de anclaje. De esta manera, la tensión en el acero se reduce y la del concreto aumenta. En el momento en que la tensión en el anclaje del acero y el concreto tienen el mismo valor, no hay más deslizamiento entre las barras y el concreto.

En la siguiente figura, se pueden producir más fisuras si el acero ha transmitido suficiente tensión (por adherencia) como para superar la resistencia a tracción del concreto. A medida que aumenta el número de fisuras, la longitud de anclaje entre dos fisuras disminuye. Cuando la longitud de anclaje es insuficiente, no se generan más fisuras y la resistencia a tracción del concreto ya no puede ser superada. A partir de ese momento, las fisuras existentes aumentarán su tamaño hasta alcanzar el estado de fisuración final. La distancia

(46)

mínima entre fisuras es la longitud de anclaje (Les, ver figuras 14 y 15) y la

distancia máxima corresponde al doble de la longitud de anclaje.

Figura 15 Fase final de fisuración (Vitt,G. 2003)

En la práctica, las estructuras de concreto se encuentran entre estas dos fases y nunca se alcanza el estado de fisuración final.

4.1.3 Efecto de las fibras en com-

binación con el armado con-

vencional.- De todo lo explicado

en el apartado anterior, se deduce que sólo hay una posibilidad para reducir el ancho de fisura: reducir la longitud de anclaje necesaria (es decir, reducir la separación media entre fisuras) para obtener más fisuras siendo, en consecuencia, más pequeñas.

Las maneras de conseguirlo son diversas:

- Aumentar la adherencia disminuyendo el diámetro de las barras. - Aumentando la cantidad de acero.

(47)

Las posibilidades de disminuir el diámetro de las barras y aumentar la cantidad de acero en la práctica son limitadas. Otra posibilidad de conseguir más fisuras más pequeñas es el uso de fibras de acero.

En la figura 16 se presenta un esquema de la diferencia en el proceso de fisuración entre un concreto armado y un concreto armado reforzado con fibras.

Figura 16 Diferencia entre la fisuración de un concreto con armado convencional (arriba) y un concreto con armado convencional y fibras de acero (abajo).

(Lambrechts, A. 2007).

En la figura 16 se observa el resultado que se busca con la adición de fibras

(esquema inferior) con más fisuras de menor ancho. Antes de explicar el mecanismo de trabajo de las fibras en el control de la fisuración, es necesario repasar algunos principios sobre el concreto reforzado con fibras.

Las fibras de acero proporcionan una resistencia post-pico. Después de la fisuración, las fibras cosen las fisuras y transfieren las cargas de un lado a otro. En la figura 17 se muestra el diagrama de tensión-deformación de un elemento de concreto reforzado con fibras.

(48)

Figura 17 Elemento de concreto reforzado con fibras sometido a tracción o flexotracción (Coto Roquet, L.A; 2007)

En el caso del concreto reforzado con fibras, al iniciarse el proceso de carga es el concreto el que absorbe dicha carga, siendo el trabajo de la fibra mínimo o nulo durante esta fase. Una vez el concreto comienza a fisurar, las fibras absorben gradualmente la carga aplicada. Es decir, la tensión del concreto reforzado con fibras es, como se observa en la figura 17, la suma de la contribución del concreto con la contribución de las fibras.

Cuando se alcanza un determinado valor de la deformación, se inicia una fase de descarga en la que el elemento estudiado aumenta su deformación a una tensión cada vez menor. Esta fase de descarga representa la pérdida de anclaje entre las fibras y el concreto, que acaba produciendo un deslizamiento de la fibra hasta que finalmente se produce la rotura final del elemento.

Además del efecto sobre el ancho de fisura, las fibras de acero también influyen en la geometría de la fisura de una manera positiva. Habitualmente, las fibras de acero cosen una fisura en un ángulo no perpendicular. En consecuencia, la fibra se flexionará con anchos de fisura pequeños. El incremento de fricción local producido induce tensiones de compresión

Figure

Actualización...

Related subjects :