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EFECTO DE LA ADICIÓN DE FIBRAS EN LOSAS DE CONCRETO

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EFECTO DE LA ADICIÓN DE FIBRAS EN LOSAS DE CONCRETO

Grupo CECATA Fredy Reyes Lizcano Ph.D. Universidad Javeriana Grupo Geotecnia. Universidad Militar Nueva Granda.

Oscar Javier Reyes Ortiz MsC.

Javier Fernando Camacho Tauta MsC

INTRODUCCIÓN

El pavimento de concreto surge como una alternativa viable tanto técnica como económicamente para la construcción de vías, teniendo en cuenta las características de duración y calidad presentes en el material, cuya resistencia se ha venido mejorando a través del tiempo con el empleo del refuerzo.

En Colombia las técnicas de pavimentación que utilizan como material predominante el concreto hidráulico no han sido muy utilizadas en el desarrollo de la red vial nacional, esto debido quizás al alto costo inicial que esta técnica requiere frente a otras ya muy conocidas en nuestro medio. Los pavimentos rígidos presentan gran variedad de aspectos favorables frente a las otras técnicas, estos requiere de poco mantenimiento y puede su vida útil llegar a ser mayor de 50 años, aunque presentan también rasgos negativos, ya que son en gran medida vulnerables a factores ambientales como la humedad, la erosión y la temperatura principalmente.

El objetivo principal de está investigación fue introducir a una mezcla de concreto hidráulico fibras metálicas y sintéticas para determinar el efecto que estas generan en las propiedades mecánicas y dinámicas, así como su posible empleo en la industria de la construcción de vías para mitigar los factores vulnerables de una estructura de pavimento rígido.

PALABRAS CLAVES

Módulo dinámico, losas de concreto, fibras sintéticas, fibras metálicas, compresión simple, módulo de rotura y ensayo a flexión.

MARCO TEÓRICO

En 1811, Dabbs obtuvo la patente para producir concreto, lo cual mejoró la calidad en los morteros; posteriormente el 21 de Octubre de 1824, Joseph Aspdin, obtuvo la patente para producir el primer cemento Portland.

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El desarrollo del concreto propiamente dicho como material de construcción de vías empezó hacia principios del siglo pasado, poco después de la obtención de la patente del Cemento Pórtland (1824) y posteriormente se afianzó con la invención del concreto armado, la cual se atribuye a Jack Monier en 1861. A partir de ese momento el concreto se emplea en pavimentaciones de diversa índole.

Su primera aplicación tuvo lugar en algunas arterias urbanas de ciudades europeas, pasando después a Estados Unidos en donde en el año de 1909 se construye la primera carretera con concreto rígido. Posteriormente aparecen los pavimentos de hormigón armado con juntas, los cuales fueron creados en una época en la que las juntas constituían un punto débil y un problema de conservación. La misión de los pasadores no es estructural, lo que sería antieconómico, sino es la de mantener unidas las fisuras que inevitablemente aparecen en losas largas. Ref (1)

Actualmente se ha llegado a utilizar refuerzo en el concreto para pavimentos mediante fibras de acero, las cuales tienen unas características específicas que garantizan su calidad como son: aumento de la resistencia a tracción y a la fatiga, mejor comportamiento a flexotracción, fisuración controlada, resistencia al impacto, durabilidad, entre otras. Se pueden utilizar diferentes tipos de fibras, por ejemplo, de acero, la cual posee un diámetro que varía en un rango de 0.50 mm hasta 50 mm. En algunas investigaciones se propuso el uso de las fibras de vidrio pero resultaron muy costosas. Las fibras de asbesto hacen parte de las nuevas técnicas pero su inconveniente es que aumentan la relación agua cemento debido a que dichas fibras absorben grandes cantidades de agua y lo vuelven antieconómico. Ref (2)

Después de un proceso investigativo se logró descubrir que al adicionar al concreto fibras cortas y discontinuas de acero, estas tenían la capacidad de absorber energía y ayudaban a fortalecer la mezcla, con el fin de encontrar un material que contribuyera a mejorar la calidad del pavimento rígido con refuerzo.

El concreto se ha empleado para conformar los llamados pavimentos rígidos los cuales están constituidos por una losa de concreto hidráulico, apoyada sobre la subrasante o sobre una capa de material seleccionado, denominada subbase del pavimento rígido. Debido a la alta rigidez del concreto hidráulico, y a su elevado coeficiente de elasticidad, la distribución de los esfuerzos se produce en una zona muy amplia, razón por la cual se concibió la idea de un pavimento más resistente gracias al uso de refuerzo, denominándolo pavimento de concreto armado.

Los pavimentos de concreto han logrado un alto grado de desarrollo y una gran competitividad, mejorando así sus características de durabilidad, capacidad para repartir las cargas y calidad de la superficie de rodadura.

Los pavimentos de concreto están formados exclusivamente por la losa de concreto, la cual se coloca sobre la subrasante ó sobre la base. La capa de subbase es importante incluirla en los pavimentos de concreto porque evita problemas tales como: la expansión y contracción excesiva del suelo, el congelamiento y la posible falla por bombeo. En cuanto al tamaño máximo nominal del agregado grueso no debe ser mayor de 1/3 del espesor de la losa. Ref (3)

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El curado es de vital importancia para el pavimento de concreto, ya que es en esta etapa donde se asegura la resistencia de dicho material, además este tipo de pavimentos ofrece una serie de ventajas como son:

 Son durables y fáciles de reparar, siendo esenciales en aquellos municipios donde no se dispone de recursos suficientes.

 Presenta una buena superficie de rodadura, gracias a la mayor rigidez que brinda evitando la formación de roderas y a su inalterabilidad ante carburantes y aceites que los hacen fiables para mantener una correcta superficie de rodadura.

 Muestran una ejecución sencilla, no es necesario personal especializado y la maquinaria puede ser normal para una obra pequeña.

 Se puede utilizar gravas y arenas locales, los pavimentos se pueden disponer sobre explanadas de baja calidad e incluso sobre rellenos compactados recientemente.

 Se constituyen en una solución a largo plazo, pues su funcionalidad esta dada de 20 a 50 años de servicio. Ref (4)

Estudios realizados en universidades nacionales e internacionales han determinado que la dosificación de los hormigones fibrosos es similar a la de .los hormigones convencionales con la única excepción de la proporción de los áridos gruesos. En el concreto fibroso muchas veces se hace necesario agregarle agentes aireantes, fluidificantes ó plastificantes, ya que se presenta una escasa fluidez de la mezcla a causa de las fibras. Los hormigones reforzados con fibras adquieren gran resistencia a la flexión, tenacidad, impacto y fatiga dinámica entre otras propiedades mecánicas, proporcionando al mismo tiempo una fisuración menor.

Los principales efectos que se encuentran al adicionar fibras de acero a los concretos son los siguientes:

 Mejora el comportamiento a flexión.

 Incrementa la resistencia a la rotura.

 Reduce la deformación bajo cargas mantenidas.

 Aumenta la resistencia a la tracción.

 Incrementa las resistencias al impacto, al choque y a la fatiga dinámica.

 Disminuye la fisuración

 Aumenta la durabilidad.

La resistencia del hormigón de fibras es inferior a la que poseería si todo el volumen de fibras estuviese en forma de barras convencionales armando la zona traccionada, además se presenta una resistencia postfisuración muy elevada. Ref (5).

Algunos métodos para determinar las propiedades elásticas del concreto son los llamados métodos dinámicos. En este caso la respuesta de los materiales a pequeñas cargas dinámicas es determinada midiendo la frecuencia natural de vibración o la medida de la velocidad con que las ondas de sonido viajan a través del concreto. Con el establecimiento de relaciones físicas, las cantidades medidas pueden ser convertidas en valores de módulos de elasticidad o de relación de Poisson. En estos métodos de ensayo las fuerzas aplicadas al concreto son muy pequeñas y se aplican en periodos cortos de tiempo.

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Debido a las vulnerabilidades de los pavimentos rígidos mencionadas anteriormente, se han propuesto nuevas técnicas para la implementación de este, según menciona la literatura especializada se pueden añadir fibras de polipropileno, poliolefina, nylon o fibras metálicas.

Dentro de las principales ventajas que ofrece la adición de fibras sintéticas o metálicas en el pavimento rígido están, el aumento de la resistencia al agrietamiento, el incremento de las características de tenacidad o ductilidad del concreto, el mejoramiento de la transferencia de carga a

El mayor uso de las fibras sintéticas ha sido en la construcción de carreteras e intersecciones viales en Estados Unidos y parte de México, prueba de ello son las intersecciones en Allentown (Pennsylvania), Louisville (Kentucky), Iowa Highway 21, Condado de Iowa, Aeropuerto Espíritu de San Luis, zonas urbanas de Tijuana entre otras, Ref (6) mientras que las fibras metálicas se han implementado en mayor número en la fabricación de pisos industriales sometidos a un gran desgaste por abrasión, rasguños e impactos, esto gracias a la virtud que tienen estas fibras de prevenir fracturas y astillamientos en la superficie, además mejoran la resistencia a las salpicaduras de aceite y sustancias químicas.

METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN

Para el desarrollo de esta investigación se realizaron las siguientes etapas: 1. Determinación del diseño de mezcla del concreto para la investigación.

El diseño de mezcla (la combinación porcentual de gravilla, arena, cemento y agua) fue suministrado por la planta de concreto de Morato, donde se tomaron tres tipos de relación de agua/cemento (0.4, 0.42 y 0.44), escogiendo al final la relación 0.44, ya que con está se obtuvieron las máximas resistencias (5000 psi a los 28 días). Foto No. 1

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Foto No. 1

2. Realización de muestras para determinar las propiedades mecánicas y dinámicas de la mezcla de concreto con y sin adición de fibras metálicas y sintéticas.

Con el diseño de mezcla descrito anteriormente, se determinó emplear como reemplazo de material granular fibras de desperdicio metálico procedentes de tornos y fibras sintéticas industriales constituidas por polipropileno. Los porcentajes de reemplazo en peso fueron entre el 0.01-0.16% para los polipropilenos y 0.3 a 0.23% para las fibras metálicas. Las muestras construidas fueron cilindros de 30 centímetros de alto por 15 centímetros de diámetro, con ellos se ejecutar los ensayos de compresión simple y módulo dinámico. Las muestras para la determinación de flexotracción fueron vigas rectangulares.

Para las muestras de fibras sintéticas se construyeron siete muestras con diferentes porcentajes de adición de polímero y cinco para las muestras con adición de desperdicio metálico. En la foto No. 2, se observa la fibra de ½”.

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Foto No. 2

3. Ejecución de ensayos de compresión simple, flexotracción y módulo dinámico. Los ensayos realizados a compresión simple, flexotracciòn y módulo dinámico se efectuaron a los 28 días de curado. Las frecuencias empleadas para los ensayos de módulo dinámico fueron a 1, 10 y 25 Hz y a temperatura ambiente. En la foto N. 3, se observa el ensayo a flexotracción.

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Foto No. 3

4. Análisis de resultados y conclusiones de la investigación.

Luego de ejecutados y analizados los ensayos de compresión simple, módulo dinámico y flexotracción para las muestras con y sin adición de fibras metálicas y sintéticas, se pudo determinar el efecto que estas generan en las propiedades mecánicas y dinámicas de una estructura de pavimento rígido.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Una vez ejecutados todos los ensayos y analizados, se grafico los valores de las propiedades mecánicas o dinámicas con respecto a la adición de fibras (sintéticas y metálicas), pudiendo concluir:

Según la figura No. 1, se determinó que adicionar fibras sintéticas sin importar el porcentaje y sus características, no mejoraba el módulo dinámico para ningún tipo de frecuencia. La adición de fibras metálicas a la mezcla de concreto hidráulico presenta un aumento considerable en los valores de los módulos dinámicos, los cuales se analizaran detalladamente con la figura N. 2.

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MODULO DINAMICO (CONCRETO CON FIBRAS)

200000 220000 240000 260000 280000 300000 320000 340000 360000 1 10 100 Frecuencia (Hz) Mo dul o D inam ico (kg /cm ^2) FIBRAS METALICAS FIBRAS MD FIBRAS 1/2 SIN FIBRAS Figura No. 1

En la figura N.2, se puede concluir que al adicionar fibras metálicas a la mezcla de concreto hidráulico y sin importar la frecuencia del ensayo, se incrementa el módulo dinámico. Los mayores incrementos (26 y 30%) se obtuvieron para las frecuencias de 10 y 25Hz respectivamente. Para la frecuencia de 1 Hz, el incremento solo fue del 4%. Con respecto a la adición de fibras sintéticas de tipo polipropileno, siempre se obtuvo descenso del módulo dinámico.

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MODULO DINAMICO

POR ADICION DE FIBRAS

-15% -10% -5% 0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% FRECUENCIA % I N C R E M E N T O FIBRAS 1/2 FIBRAS MD FIBRAS METALICAS Figura No. 2

Para los ensayos a la compresión simple, se puede concluir con base en la figura N. 3, que para cualquier adición de fibras se presenta incrementos en la resistencia. Es importante resaltar que los mayores incrementos se encuentran para los pequeños porcentajes de adición de fibras, siendo estos del orden del 65%. Para los otros porcentajes de adición n de fibras, el incremento tiende al 40%.

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RESISTENCIA

COMPRESIÓN SIMPLE

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 0.00% 0.05% 0.10% 0.15% 0.20% 0.25% % FIBRAS % I N C R E M E N TO Metàlicas MD 1/2" Figura No. 3

En la figura N. 4, se puede observar que el efecto de las fibras sintéticas tipo MD y las metálicas crean incrementos en la flexotracción del orden del 20 y 13% respectivamente, para los porcentajes óptimos. Sin embargo, para las fibras sintética MD, se crea un descenso brusco en la propiedad de la flexotracción para los porcentajes comprendidos entre 0.025% y 0.10%. De otra parte, para las fibras metálicas con porcentajes altos (0.25%), la flexotracción tiende a no ser afectada por las fibras.

RESISTENCIA

FLEXOTRACCION

-20% -15% -10% -5% 0% 5% 10% 15% 20% 25% 0.00% 0.05% 0.10% 0.15% 0.20% 0.25% % FIBRAS % INCR EMENTO Metàlicas MD Figura No. 4

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Es necesario dejar en claro que aunque la adición de fibras metálicas mejora notablemente algunas características de la mezcla, dentro del estudio no es tenido en cuenta la acción de algunos agentes naturales y artificiales que pueden afectar notablemente este tipo de fibras, tales como el viento, el agua y la temperatura o soluciones ácidas o salinas que puedan corroer las fibras metálicas modificando así sus características iniciales y por ende sus propiedades mecánicas y dinámicas a largo plazo. Es importante para futuras investigaciones realizar tramos de prueba o ensayos en pistas para determinar el efecto de las fibras ante el efecto climatológico y la fatiga.

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BIBLIOGRAFIA

1. Kraemer Carlos. Firmes y pavimentos. Tomo III. Madrid. Universidad Politécnica de Madrid. 1992.

2. Jaimes, William y otros. Efecto en las propiedades mecánicas de una estructura de pavimento rígido por la adición de tapas. Universidad Militar Nueva Granada. 2001.

3. Londoño, Cipriano. Diseño, construcción y mantenimiento de pavimentos de concreto. ICPC. 2000

4. Reyes, Freddy Alberto. Diseño de pavimentos por métodos racionales. Universidad Javeriana 2003.

5. .Beltrán, Diana y otros. Concreto con adición de fibras metálicas para pavimentos rígidos. Universidad Militar Nueva Granada. 1999.

6. HENRICHSEN A. Extendidos delgados de concreto reforzado con fibras sobre asfalto. Bloques de pavimento y pavimentos de concreto. !984.

7. American concrete pavement association (ACPA). Static and dynamic elastic modulus of concrete as affected by mix compositions and compressive strength. 1995

8. Kolias S, William. Relationsships between the static and the dynamic modulus of elasticity in cement stabilized materials. Surrey of Univeersity. G.B.

Referencias

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