Tecnología

Concreto reforzado con fibras

Los avances tecnológicos han permitido el diseño y producción de nuevos materiales sintéticos con características específicas. Estos desarrollos logran que en la actualidad, existan materiales diseñados para cumplir funciones que antaño eran reservadas exclusivamente para los materiales tradicionales, o que materiales como el concreto mejor en sus cualidades.
La facilidad de controlar características como la resistencia a la tensión, el módulo de elasticidad y la adherencia permite que se puedan modelar materiales específicos para determinadas funciones. En este sentido, la industria del concreto premezclado está cada vez mas acostumbrada a adoptar nuevas tecnologías en materia de aditivos y adiciones en pos de mejorar la calidad del concreto y brindarle características acordes con los diseños estructurales cada vez más exigentes. A nivel mundial, la tendencia es proveer concretos con un valor agregado para el contratista. Que este reciba una solución que le permita ahorrar tiempo y dinero o realizar sus obras con mayor seguridad, siendo las empresas concreteras las que capitalicen este ahorro .

Fibras de acero
Desde comienzos del nuevo siglo las fibras de alambre en Europa han conseguido imponerse dentro del grupo de diferentes fibras de acero. Mientras que en los años noventa aún las fibras de acero que eran fresadas o cortadas o estampadas de chapas poseían una elevada proporción de mercado; hoy en día se emplean casi sólo fibras de acero, cuya base es alambre trefilado en frío. Asimismo, dentro del grupo de las fibras de alambre de acero, se encuentran principalmente aquellas con gancho terminal o tipos ondulados. Sorprendentemente, la preferencia de uno u otro tipo de fibras parece tener menos razones técnicas, pues dependen del país del usuario. En Alemania, por ejemplo, se emplean principalmente fibras de alambre de acero con gancho terminal. En Gran Bretaña, por el contrario son empleados los tipos de fibras ondulados.

Fibras de material sintético
En el área de las fibras de material sintético se debe diferenciar entre dos tipos: macrofibras y microfibras. Las primeras, como las fibras de acero, presentan un buen comportamiento a la rotura; sin embargo, fallan ante una carga por tiempo prolongado. Dentro del grupo de las microfibras, a su vez, se puede diferenciar entre fibras sintéticas fibriladas y de monofilamentos. Las microfibras de polipropileno, cuando son adicionadas, presentan propiedades sobresalientes del concreto en caso de incendio. Son ampliamente conocidas por la reducción de la fisuración temprana por contracción.

Compuesto de fibras
Para poder aprovechar las ventajas de los diferentes tipos de fibras, se emplean de manera creciente combinaciones ("compuestos de fibras") de fibras de acero y material sintético. Tanto en la fase temprana del fraguadoomo en el uso posterior existen tensiones generadoras de fisuras por lo que es conveniente emplear las fibras adecuadas para ambos periodos. En los pisos industriales sin juntas se procesan hasta 2000 m² y en promedio 40 kg/m³ de fibras de alambre en combinación con 1000 g/m3 de fibras de material sintético de polipropileno.

Amplios conocimientos sobre el efecto de fibras de acero dependientes de su forma, resistencia o geometría, posibilitan siempre nuevos campos de aplicación. Mientras que el concreto de fibras de acero en pisos industriales sobre capa portante es usual, las combinaciones de fibras de acero y armadura convencional generan nuevas posibilidades de aplicación.

Efecto del aspecto de la fibra sobre la ductilidad del concreto
Las fibras influyen en todos los modos de falla de las propiedades mecánicas del concreto, y en forma especial en las inducidas por fatiga, tensión directa, impacto y esfuerzo de cortante. El mecanismo del aumento de la resistencia de las fibras involucra la transferencia de esfuerzos de la matriz cementante a las fibras mediante cortante en la interfase. El esfuerzo se comparte por las fibras y la matriz cementante hasta que la matriz se agrieta; entonces, el total del esfuerzo se transfiere progresivamente hacia las fibras.
Las variables más importantes que regulan las propiedades de los concretos reforzados con fibras son la eficiencia y el contenido de fibras. La eficiencia de las fibras es controlada por la resistencia de las fibras a no ser arrancadas de la mezcla, la cual depende de la resistencia de la interface fibra-matriz cementante.
Para fibras con sección uniforme, esta resistencia aumenta con el largo de la fibra: mientras más larga es la fibra, mayor será el efecto en dichas propiedades. Las fibras con secciones pequeñas y no circulares, son más efectivas debido a que poseen mayor superficie por unidad de volumen.

Observando los resultados, se puede ver que la incorporación de fibras incrementa significativamente la resistencia máxima alcanzada por cada uno de los concretos reforzados con fibras, con respecto al concreto sin fibras. Sin embargo, no se observan diferencias en los resultados obtenidos con los distintos contenidos de fibras, ni en las relaciones de los aspectos utilizados. De este modo se puede concluir que las fibras aumentan la resistencia al cortante del concreto. Durante los ensayos se produce una transición estable entre los regímenes pre y posfisuración, sin roturas violentas, lo que permite obtener la respuesta posfisuración de cada uno de los materiales estudiados. Este rango presenta un ablandamiento y luego un residuo que está fuertemente influido por el tipo y cantidad de fibras contenidas en el concreto.

Características de las fibras y comportamiento del concreto con fibras estructurales
Las fibras estructurales son fibras de polipropileno de alta resistencia y alto módulo elástico. Hay de diferentes medidas y características, las cuales durante el mezclado sufren un proceso de "fibrilación" que les permite mejorar la adherencia con el concreto. Es necesario notar que son fibras muy diferentes a las microfibras por lo que su uso no es el mismo. La microfibra se utiliza para el control de la fisuración en estado plástico, perdiendo toda utilidad en el estado endurecido del concreto. El diámetro de las microfibras es similar al de un cabello y tienen una longitud de aproximadamente dos centímetros. Para el caso de las fibras estructurales el tamaño es de aproximadamente 5 centímetros de largo, 2 mm de ancho y 0,19 mm de espesor. La fibra estructural ayuda en la fisuración plástica, pero no es su función principal.

Siempre se busca que una pieza muestre señales de que está alcanzando su capacidad portante. La adición de fibras le permite al concreto fisurarse e ir perdiendo su capacidad de tomar cargas "avisando" mediante la aparición de estas fisuras. El agregar fibras hará que se mejore la tenacidad del concreto de modo de extender la capacidad de deformación una vez alcanzada la tensión de cálculo.

Indudablemente, si el concreto pudiera hacerse tan resistente en tensión que pudiera desempeñarse bien sin el soporte del acero de refuerzo, el potencial para mayor productividad traería mayores beneficios elevando la construcción a la velocidad que se demanda en el Siglo XXI.

La resistencia a ruptura en los materiales frágiles puede ser mejorada agregando fibras resistentes. Así, la industria de polímeros ha creado compuestos tenaces y ligeros agregando fibras de vidrio a una matriz de epóxicos. Sin embargo, últimamente ha habido un mejoramiento significativo en la tecnología del concreto compuesto, conduciendo al uso extendido de concreto con refuerzo de fibras de acero tenaz en algunos países europeos. Estas mezclas inclusive, han sido instaladas sin las tradicionales varillas de refuerzo en estructuras en tensión que soportan cargas.

Experiencia, práctica y dificultades
Si el concreto reforzado con fibras de acero es un material tan atractivo, entonces ¿por qué no ha incrementado su aplicación? Quizás las respuestas están en las dificultades prácticas para lograr la distribución uniforme de fibras y la obtención de características uniformes del concreto. El uso de este concreto requiere de una mucho mayor disciplina que la construcción con concreto normal, así como de técnicas especiales para mezclar en ellas
las fibras, y precauciones extras al colocar y cuidar el material. Las prácticas comunes pueden no ser adecuadas por lo que es necesaria la atención especial a los detalles.

Otro problema es la dificultad de agregar cantidades suficientes de fibras para hacer la diferencia. La trabajabilidad del concreto ciertamente se deteriora con la cantidad de fibras agregadas, a menos que se usen mezclas especiales de concreto y técnicas especiales. La mayoría de las mezclas típicas no son apropiadas. Sin embargo, con los métodos correctos, el concreto puede contener gran cantidad de fibras de acero y ser todavía bastante trabajable. Con técnicas y proporciones inapropiadas, las fibras pueden constituir un problema de acabado y pueden observarse fibras que sobresalen del concreto.
La corrosión de las fibras en la superficie, sin embargo, casi nunca es un problema, especialmente cuando las fibras están bien encapsuladas en la pasta de concreto, como normalmente lo están; cuando se usan en un ambiente marino de verano, apenas se notan las marcas cafés de las fibras en la superficie después de tres años en el agua. No hay absolutamente daño por herrumbre y no muestran ningún signo de corrosión.

El camino andado
Los resultados iniciales con las losas industriales típicas indicaron que podían ser construidas en redes de pilotes de 2.5 a 6 m. Con base en los buenos resultados de pruebas, se construyeron pisos industriales soportados únicamente por pilotes sobre terreno inestable en Bélgica y los Países Bajos. Para mediados de los años 1990, había más de 5,000,000 de m² de estos pisos en todo el mundo, típicamente usando de 45 a 50 kg/m3 de fibras de acero de alta calidad. Se estima que actualmente hay más de 10, 000,000 m² de esos pisos construidos en todo el mundo. El método está bien establecido en los Países Bajos, Bélgica, Reino Unido, Suecia, Dinamarca y Canadá, entre otros países. Además, hay confianza en ver un mayor uso del concreto reforzado con fibras de acero en la producción de concreto en los años por venir. Al agregar fibras, no sólo se eleva la productividad del concreto, sino que también se genera un concreto más tenaz y más durable. Creemos que el concreto compuesto tenaz, económico, y con una vida más larga quizás será un día tan común como los yates de epóxico reforzado con fibra de vidrio. c

Fotos: Portland Cement Association

Referencias: Persico, Juan D., “Hormigón elaborado con fibras estructurales”, en Hormigonar, no. 13, diciembre
de 2007, AAHE, Argentina.

Schepers, Roland, “Desarrollo actual en la aplicación de fibras de acero y de material sintético”, en PHI. Planta de Hormigón Internacional, no. 6, 2008. Alemania.

“Comportamiento al corte de hormigones con fibras de acero”, en Ingeniería de Construcción, vol. 24, no. 1, abril de 2009, Chile.

Oslejs, Janis, “New frontiers for steel fiber-reinforced concrete”, en Concrete International, mayo de 2008, EUA.

 

 

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