La mejora de las propiedades de los hormigones reforzados con fibras, así como su poder aglomerante y su adherencia
(Resumen de la monografía: Influencia de la adición de fibras cortas discontinuas en las propiedades y en el comportamiento de los materiales cementíceos. Parámetros de evaluación de la eficiencia de su utilización. De Laureano Cornejo.) El contenido de este documento técnico está enfocado a la mejora de las propiedades de los compuestos cementíceos en general. Las propiedades de estos materiales dependen de las propiedades de sus componentes: pasta de cemento, áridos, fibras cortas discontinuas añadidas y de la interacción entre ellos. Deben considerarse también las propiedades de la pasta de cemento en las zonas más próximas, en contacto con los áridos y con las fibras y su grado de adherencia con esta. Estas zonas más próximas se denominan “zonas de interacción interfacial” (ITZ).
La resistencia de las zonas ITZ, así como su poder aglomerante y su adherente con los componentes del hormigón, influye muy notablemente en las propiedades y en el comportamiento de los compuestos cementíceos.
La fisuración intrínseca de la matriz cementícea es un proceso que se desarrolla a varias escalas: nanoscópica, microscópica y macroscópica. Las fibras que se añaden a la pasta de cemento comienzan a actuar una vez que se ha iniciado la microficuración; retrasan el proceso de fisuración, y reducen la fisuración, pero no la eliminan.
Antes de que se produzca la microfisuración, ya se ha producido una nanofisuración, como consecuencia de la presencia de microporos entre las partículas de cemento y de las imperfecciones y defectos en la microestructura de la pasta de cemento, tanto en la masa, como en las zonas ITZ.
Las propiedades a escala micro de los procesos cementíceos dependen de la cuantía e importancia de los defectos existentes en su microestructura que, a su vez, dependen de los defectos y discontinuidades de la pasta de cemento a escala nano (1 nano = 10-9m ).
La lucha contra la fisuración de los compuestos cementíceos pasa por conseguir que la pasta de cemento tenga una microestructura sin defectos; este objetivo puede conseguirse añadiendo al cemento materiales cementíceos suplementarios (puzolanas) que rellenan los huecos entre las partículas de cemento, resultando unos hormigones más densos y compactos, más impermeables y resistentes; también menos fisurables y más durables.
Las puzolanas generan reacciones puzolánicas con los productos hidratados del cemento, muy beneficiosas, que incrementan la cantidad del material cementante de alta densidad (silicato cálcico hidratado, [C-S-H] en la pasta de cemento y aumentando su adherencia con los áridos y con las fibras añadidas.
La adición al cemento de nanopartículas mejora sustancialmente la microestructura de la pasta de cemento y, por tanto, sus propiedades; este efecto se consigue añadiendo nanosílice (SiO2), óxidos de titanio (TiO2), nanocelulosa, nanotubos de carbono...
La adición de estas nanopartículas incrementa la cantidad de C-S-H de alta y baja densidad, haciendo los compuestos cementíceos más resistentes mecánicamente y más resistentes también a los ataques químicos que disuelven la cal de la pasta de cemento.
La adición de fibras cortas discontinuas tiene la capacidad de mejorar muchas de las propiedades de los compuestos cementíceos y de modificar su comportamiento cuando son sometidos a esfuerzos exteriores.
La variedad de fibra es muy considerable por sus dimensiones geométricas, y por la naturaleza de los materiales de los que proceden y que condicionan sus propiedades resistentes y deformacionales.
Una característica importante de las fibras, utilizadas como refuerzo, es la trabazón y la adherencia con la pasta de cemento; la adherencia está relacionada con la afinidad química de la superficie de la fibra con la pasta de cemento, y la trabazón con la rugosidad de su superficie: (superficie lisa, superficie rugosa, superficie deformada, superficie conformada, con ganchos en los extremos…)
En la efectividad y la eficiencia, como refuerzo, de la adición de las fibras, influyen varios factores: el acierto en elegir el tipo de fibras incluidas en la matriz y la adecuada distribución dentro del volumen de ésta.
Las fibras poliméricas, generalmente, tienen una baja adherencia (bond strength) con la pasta de cemento. La adherencia de las fibras de polipropileno y de polietileno Hdpe, debe ser, al menos de t = 0,30 MPa para que puedan deformarse durante el proceso de fracturación de la matriz.
La adherencia de este tipo de fibras se puede incrementar utilizando diversas técnicas para tratar su superficie como: la oxifluoración (oxifibra), el tratamiento con plasma, el tratamiento con rayos gamma…
Con el tratamiento de oxifluoración se puede conseguir una resistencia al corte, en la interfaz pasta de cemento, superficie de la fibra, de hasta t = 0,47 MPa en 7 días.
Con la fabricación de fibras bicomponente de polipropileno (fibra concrix) y añadiendo nanopartículas a los polímeros se pueden conseguir cohesiones entre las fibras y la matriz cementícea de t = 0,93 µPa; de este modo los materiales cementíceos manifiestan una mayor tenacidad. La técnica de fabricación de fibras bicomponente, junto con un tratamiento mecánico de la superficie de las fibras (estructuración, conformación y estampación), puede conseguir resistencias interfaciales acortante entre las fibras y la matriz cementícea de t > 4,50 MPa.
Los tipos de fibras más frecuentemente utilizadas como refuerzo de morteros y hormigones son: las fibras de acero y las fibras de polipropileno y polietileno, las fibras de vidrio y las fibras de alcohol de polivinilo (PVA), que se utilizan principalmente en la fabricación de los compuestos cementíceos diseñados micromecánicamente (ECC).
Como sustitución de las fibras de acero de vidrio y de las fibras de asbesto, se están comenzando a utilizar las fibras de basalto por sus buenas propiedades resistentes por su estabilidad química y resistencia a los ácidos y por su resistencia a las temperaturas elevadas (hasta 700 ºC).
También se utilizan las fibras spectra (polietileno de muy elevado peso molecular), como refuerzo de compuestos cementíceos de muy elevada resistencia y tenacidad; para estos mismos fines se utilizan también algún tipo de fibra de carbono de bajo módulo de elasticidad y baja resistencia a tracción (2500 MPa), como refuerzo de compuestos cementíceos con función estructural. También pueden utilizarse como refuerzo de hormigones o morteros en capas de poco espesor y elevada resistencia a flexión, en estructuras hidráulicas y en revestimientos de túneles.
La utilización de varios tipos de fibras complementarias adecuadamente elegidas y añadidas en las cantidades convenientes (hybrid fibers), mejoran, en mayor medida, las propiedades de los materiales cementíceos que con la utilización de un único tipo de fibras.
Con la utilización conjunta de microfibras de polipropileno, macrofibras de polipropileno-polietileno y macrofibra de acero, pueden conseguirse compuestos cementíceos resistentes a la fisuración temprana y diferida en el tiempo, así como incrementar su resistencia a tracción, a flexión y su tenacidad después de la primera fractura. El volumen total de fibras añadidas no suele sobrepasar el 2% en volumen, salvo en el material Sifcon, que puede llegar a valores del 7%. Con un volumen total de fibras del 1%, repartido en un 0,3%-0,5% de microfibras de polipropileno, un 25% de macrofibras de polipropileno-polietileno y un 75%, de macrofibras de acero, puede conseguirse un refuerzo eficiente de los materiales cementíceos.
El refuerzo híbrido ofrece muchas posibilidades de combinar diferentes tipos de fibras con diferentes proporciones. Es necesario determinar con ensayos la combinación más adecuada para el objetivo que se pretenda alcanzar.
La utilización de los próximos años de la nanotecnología aplicada a los materiales, abre un campo muy extenso y prometedor en la consecución de nuevos materiales de construcción, mas resistentes, tenaces y durables que los hasta ahora utilizados.
Se pueden utilizar nanofibras como la nanocelulosa,, las nanofibras de carbono y los nanotubos de carbono, para reforzar y mejorar muy notablemente las propiedades de las pasta de cemento y, por tanto, la de los hormigones, así como las de las lechadas y productos de inyección. Será posible mejorar en gran medida su resistencia a tracción, su ductilidad y su tenacidad, además de su durabilidad.
Es posible duplicar la resistencia última de la pasta de cemento (15 MPa), añadiendo un 0,1% en volumen de nanofibras de carbono, multiplicar por 1,6 su módulo de elasticidad (E = 24 MPa) y multiplicar la tenacidad a la fracturación por 2,8 (0,7 J/m 3 ) (Byan M. Tyson, 2011).
La adición de nanopartículas a las fibras poliméricas permitirá la fabricación de fibras más resistentes y con una mayor adherencia con la pasta de cemento.
La adición de nanopartículas al cemento mejorará también la microestructura de la pasta de cemento y, en consecuencia, sus propiedades resistentes, haciendo a los hormigones muy resistentes a la fisuración.
Los hormigones son materiales compuestos de comportamiento muy complejo; su comportamiento ante las solicitaciones exteriores, manifiesta una respuesta frágil o cuasi-frágil. Este tipo de comportamiento no es deseable por los riesgos que entraña para la seguridad de las personas y para la integridad de las construcciones.
La adición de fibras a los hormigones modifica este comportamiento, haciéndolos más dúctiles (rotura dúctil), resistentes y tenaces.
La intensidad de este efecto depende, principalmente, del tipo de fibra utilizado, de sus propiedades, de la cantidad de fibra contenida en la matriz y de la homogeneidad de su distribución y orientación dentro de la matriz.
Cuando se utilizan macrofibras de propiedades resistentes (E1 st) limitadas y en cantidades moderadas (< 1% en volumen) los hormigones y morteros manifiestan un comportamiento strain softening reflejado en las curvas tensión-deformación, retrasándose y modulándose el proceso de rotura.
Para un mismo tipo de fibra y en las mismas condiciones, el comportamiento elastoplástico de los materiales cementíceos, se acusa más marcadamente, a medida que se incrementa la cantidad de fibras añadidas.
Cuando se utilizan, en cantidades importantes, macrofibras de elevadas prestaciones con altos valores del módulo de elasticidad de la resistencia a tracción y de la adherencia con la pasta de cemento, los materiales cementíceos pueden presentar un moderado comportamiento pseudo-strain hardening, que se caracteriza por el comportamiento del compuesto después de la primera rotura; el material se sigue deformando manteniendo o incrementando moderadamente su resistencia y tenacidad, hasta llegar a alcanzar su resistencia máxima a partir de la cual, manifiesta un comportamiento strain softening.
Las macrofibras de acero de valores E = 200 GPa y st > 1.000 MPa y las macrofibras de polipropileno-polietileno de elevadas prestaciones E = 10 Gpa y st 700 Mpa, pueden inducir el comportamiento pseudo-strain hardening, cuando se adicionan en volúmenes que superen un valor crítico determinado (V crít.); este valor generalmente debe superar el valor del 1,5% en volumen de fibras añadidas.
Con las macrofibras de acero adecuadas, pueden conseguirse los comportamientos pseudo-strain hardening más acusados.
La trabazón fibra-matriz, cuantificada por la resistencia de adherencia interfacial (t), tiene una importante influencia en que se produzca, de un modo significativo, este tipo de comportamiento en los compuestos cementicios.
Las propiedades resistentes de los compuestos cementíceos, reforzados con macrofibras cortas, se evalúan con ensayos específicos sobre vigas y/o placas de ensayo.
Estos ensayos permiten evaluar la eficiencia de un determinado refuerzo por comparación entre determinados parámetros obtenidos en los ensayos, correspondientes a materiales no reforzados y reforzados con fibras.
Con los ensayos se optimiza la composición de un material cementíceo que debe cumplir unas determinadas especificaciones. Se llega empíricamente a obtener el mejor diseño del conjunto: matriz, tipo y cantidad de fibra para una aplicación concreta.
Generalmente, los resultados obtenidos con diferentes ensayos no son comparables entre sí, y deben considerarse únicamente como valores relativos representativos y no como valores reales del material cementíceo en aplicaciones concretas.
Se han desarrollado numerosos ensayos; algunos específicos para la las macrofibras de acero y otros más adecuados para las macrofibras sintéticas.
Los ensayos más adecuados para evaluar la eficacia del refuerzo con fibras cortas de los compuestos cementíceos son los ensayos de flexión y de tracción.
Los ensayos de flexión sobre vigas de ensayo más utilizados actualmente son: Astm C 1609, Astm C 1399, Jsce-SF4.
El ensayo Astm C 1609 ha experimentado diversas revisiones. Con el ensayo Astm C 1609M con vigas de espesores mayores de 150 mm, se produce una mayor dispersión de resultados. El ensayo AstmC 1609M-12 es muy adecuado para realizar un control de calidad de los hormigones de revestimiento y hormigones proyectados en túneles y pozos.
Para ensayar vigas probeta de espesores mayores de 150 mm se ha desarrollado el ensayo Astm WK41152 con el que se consigue una dispersión de resultados < 3%.
El ensayo Astm C 1609 es difícil de utilizar en vigas de ensayo reforzadas con macrofibras de elevadas resistencias y con elevados contenidos de fibra (2%-5%).
Para ensayar materiales que deben soportar grandes deformaciones (> L/150), los resultados no reflejan adecuadamente su capacidad real de absorción de la energía, utilizando el intervalo de deflexión especificado en el ensayo hasta el valor L/150. Es necesario ampliar este intervalo hasta L/100, e incluso hasta L/50 (Kim et al, 2008)
El ensayo Astm C 1609 determina la carga de pico en el momento de la primera fractura, la resistencia residual relativa (MPa) y la intensidad a (J) para diferentes deflexiones.
El ensayo Astm C 1399 ha experimentado varias revisiones, la última es la Astm C 1399-2011. Determina la resistencia media residual relativa ARS del material reforzado con fibras y su tenacidad a flexión; no determina la resistencia a flexión.
Para obtener resultados fiables, la anchura y la altura de la viga de ensayo deben tener una dimensión tres veces mayor que la longitud de las fibras.
El parámetro ARS es un buen indicador de la eficacia del refuerzo.
El ensayo Astm C 1399 es muy adecuado para realizar el control de calidad en obra de los hormigones y comprobar si cumplen las especificaciones señaladas en el proyecto.
Por la dispersión de los datos del ARS debe, realizarse un mínimo de seis ensayos.
Con el ensayo Astm C 1399 también se obtiene el índice de resistencia residual RSI que refleja mejor la tenacidad cuando se utilizan macrofibras de polipropileno-polietileno. Cuando se utiliza este tipo de fibras se emplea una viga de ensayo de dimensiones mayores: 150 x 150 x 500 mm (ensayo Astm C 1399-01; con este ensayo se determina la resistencia a flexión equivalente fe 3 , considerando la deflexión hasta los 3 mm. El valor mínimo de la resistencia media residual rela-tiva para las macrofibras de polipropileno-polietileno es ARS min = 1,03 MPa.
El ensayo Astm C 1399 es muy adecuado para realizar estudios comparativos y trabajos de investigación, para determinar el refuerzo de fibras más adecuado y para realizar controles de calidad de hormigones en obra.
El ensayo Jsce-SF4 (1984) determina la resistencia estática equivalente a flexión (fe3) y el índice de tenacidad equivalente a flexión Re,3 de los compuestos cementíceos reforzados con fibras cortas.
La norma indica realizar cinco ensayos para cada tipo de material. El ensayo Jsce-SF4 determina el valor absoluto de la tenacidad a flexión (T b).
El parámetro (fe3) se fija en el diseño como criterio de aceptación de la resistencia a flexión para limitar la deflexión a un valor aceptable (valores de deflexión pequeños en aplicaciones estructurales); el parámetro fe3 puede ser utilizado en la formulación para el diseño.
El parámetro (Re,3) es representativo del comportamiento del material después de la primera fractura; es decir, de la tenacidad a la flexión, de la resistencia equivalente a flexión. Es el parámetro más importante en el diseño en aplicaciones hiperestáticas en las que se admiten mayores deformaciones (túneles…).
La determinación de los parámetros fe,3 y Re,3 no necesita conocer las condiciones de carga y deflexión en el momento en el que se produce la primer fractura.
Esta determinación puede ser problemática cuando se utilizan macrofibras de polipropileno-polietileno como refuerzo; por esta razón el ensayo Jsce-F4 es especialmente adecuado con este tipo de fibras.
Otro tipo de ensayos sobre placa cuadrada o circular a las que se le aplica una carga central, evalúan la tenacidad a flexión de los materiales cementíceos reforzados con fibras cortas, mediante la energía absorbida por el panel.
Los ensayos Astm C 1550 (RDP), EN 14488-5:2006 (Efnarc 1996) y EN 144 88-5, son ensayos sobre paneles, circular el primero y cuadrado los otros dos con diferentes dimensiones.
El ensayo Astm C 1550 determina la energía absorbida, después de la primera fractura para una deflexión central determinada (J) y la capacidad de soportar carga después de la primera fractura (KN).
El valor de la deflexión central debe elegirse, en consecuencia, con los niveles de deformación admisibles para el material cementíceo.
Para pequeñas deformaciones debe elegirse el valor de 5 mm para la deflexión central (revestimiento en túneles…). Cuando son admisibles mayores deformaciones, se seleccionará una deflexión central de 40 mm. En casos extremos en los que se prevean grandes deformaciones, deberán adoptarse en los ensayos valores de la deflexión central de 75 mm y hasta de 100 mm en casos muy extremos (squeezing severo en túneles profundos).
Los resultados obtenidos son más fiables que los obtenidos con vigas probeta por las dimensiones reducidas de éstas.
Los ensayos sobre placa son muy adecuados para el control de calidad de los hormigones proyectados en túneles, en obras subterráneas y en losas apoyadas en el terreno.
El ensayo EN 14488-5:2006 (Efnarc) determina también la capacidad de absorción de energía para una deflexión específica.
Los valores de la tenacidad a flexión de los ensayos AstmC 1550 y EN14488-5:2006, medidos por la energía absorbida por los paneles, están relacionados empíricamente.
El ensayo EN14488-5:2006 es muy adecuado para comparar los comportamientos de hormigones proyectados no reforzados o reforzados con mallazo de acero, fibra de acero y macrofibras de polipropileno-polietileno.
Recientemente ha desarrollado Efnarc el ensayo EN 144 88-5 para determinar la energía absorbida por un panel cuadrado; determina la resistencia residual a flexotracción de un panel (600 mm x 600 mm x 100 mm).
El ensayo determina los valores de la resistencias residuales a flexotracción (f R,J ) para distintos valores de la deflexión (CMO D)x, x = 0,5 mm, 1,5 mm, 2,5 mm, 3,5 mm. Estos valores pueden utilizarse directamente en el diseño de hormigones proyectados en aplicaciones estructurales con solicitaciones de bajo o moderado nivel, como en los hormigones proyectados en obras subterráneas, taludes; soleras apoyadas en el suelo.http://nuevastecnologiasymateriales.com//
