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Benoit de Rivaz; Ingeniero Civil - Global Tunnelling Manager - N.V. Bekaert, S.A.
La tecnología más avanzada es bien conociday muchas normas internacionales proporcionanuna clara orientación y un criterio derendimiento para utilizar las fibras de acero enel hormigón de forma segura. También las fibrasmacrosintéticas se proponen hoy en día paraaplicaciones diversas. Los puntos fuertes ydébiles, técnica y específicamente hablando, delos diferentes tipos de fibras, son a menudomenos conocidos y pueden llevarnos aconfusión. Este artículo presenta lascaracterísticas físicas de las fibras de acero y delas fibras sintéticas, tomando como referenciaaplicaciones concretas de hormigónproyectado utilizado en soporte de terrenos yfacilitando los últimos resultados de ensayosefectuados en diversos laboratorios.
Propiedades físicas de las fibrasde acero y de las sintéticas
1.1. Módulo de Young (o de elasticidad)de las fibras
La capacidad de refuerzo de una fibradepende del anclaje de la misma en elhormigón, de su resistencia a la tracción y de sumódulo de elasticidad (o de Young).
El módulo de elasticidad del hormigón esgeneralmente de 30.000 MPa, el de la fibra deacero de 210.000 Mpa y el de la fibramacrosintética de aproximadamente 3.000 a10.000 Mpa.
Para las fibras bien ancladas y para unasolicitación idéntica, la elongación de las fibrassintéticas y el ancho correspondiente a lasfisuras en el hormigón es muy superior a lascorrespondientes con fibras de acero. Estopuede tener un impacto sobre la durabilidad delhormigón, principalmente cuando esta técnicase combina con las armaduras tradicionales.
El hormigón reforzado con fibras de acero está siendoutilizado desde hace años en gunita para túneles, tanto derevestimiento temporal como de revestimiento final. En losúltimos años, se han llevado a cabo múltiples estudios deinvestigación y ensayos acerca del comportamiento delhormigón reforzado con fibras de acero en varios países. Estoha contribuido a una mejor caracterización del HormigónReforzado con Fibras de Acero (HRFA), permitiendo, de esemodo, adquirir un mejor conocimiento del comportamientode este material y especificar unos requisitos mínimos derendimiento para cada proyecto.
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Ensayo de caracterización dehormigón proyectadoreforzado con fibras, para laelección de la fibra adecuadapara el uso correcto
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1.2. Resistencia a la tracción de lasfibras
La resistencia a la tracción del alambre deacero suele ser de 1.000 a 2.000 MPa, contra los300 à 650 Mpa de las fibras macrosintéticas.
1.3. Densidad específica de las fibrasLa densidad específica de las fibras de acero
suele ser de 7.850 kg/m³, contra 910 kg/m³ de lasfibras sintéticas y 1.000 kg/m³ del agua. Las fibrassintéticas son ligeras, una ventaja para la salud yla seguridad, pero más ligeras que el agua. Dehecho las fibras sintéticas flotan sobre el agua, unfenómeno que puede llevarlas a la superficie.
1.4.Resistencia al fuego de las fibrasLas fibras metálicas tienen un efecto de
neutro a positivo respecto a la propiedad deresistencia al fuego de estructuras. Debido a lareducción del efecto de descantillado (ofragmentación), la estructura de hormigónreforzado con fibras de acero se comportamejor que con una malla de refuerzo tradicionalen presencia de fuego, de acuerdo con losespecialistas en túneles ejecutados mediantedovelas. El acero mantiene su comportamientomecánico a temperaturas de 350 – 400ºC.
Por el contrario, las fibras macrosintéticasempiezan a perder sus propiedades mecánicasen cuanto la temperatura alcanza los 50ºC eincluso desaparecen a 160ºC. En un incendio, laestructura con fibras macrosintéticas quedarápidamente sin refuerzo – desapareciendo porcompleto la capacidad soporte – y puede darcomo resultado una situación de riesgo desdelas primeras horas en adelante.
Las microfibras de polipropileno suelenderretirse a temperaturas alrededor de los160°C. De este modo está demostrado que lasmicrofibras de polipropileno (monofilamentos,longitud 6 mm, diámetro nominal<20 micrasmm) son adecuadas para mejorar la resistenciaal fuego. En efecto, aunque el fenómeno no hayapodido ser demostrado con exactitud, se creeque las microfibras empiezan a fundirse en eltranscurso de los grandes incendios, dejandolugar a pequeños canales a través de los cualesescapa el vapor a presión. En consecuencia, elestallido y los daños en el hormigón (lajado –spalling) son menores a los esperados.
Las fibras macrosintéticas sometidas alfuego se derriten a una temperaturaequivalente, pero no son lo bastante finas paracrear una red suficiente de pequeños canales
en el hormigón. Además, dado que estas fibrasse funden, no son adecuadas en estasestructuras de sostenimiento, donde el efectorefuerzo de las fibras es importante.
1.5. Resistencia a la oxidaciónLas fibras sintéticas no se oxidan, aunque
sobresalgan de la superficie.
Con respecto a las fibras metálicas, laexperiencia y las investigaciones concluyen que:�Las fibras de acero necesitan solo un
revestimiento de hormigón de 1 – 2 mmomparados con los 30 – 40 mm de las mallaso barras tradicionales de refuerzo.
�La corrosión de las fibras en la superficiepueden causar decoloraciones, pero noafectan las propiedades mecánicas de lasestructuras de hormigón reforzado con fibrasde acero.
�Las fibras de acero en fisuras de ancho menorque 0,25 mm no se corroen (Proyecto BriteEuram).
�Si, por razones estéticas, el óxido debe serevitado, se pueden utilizar fibras de acerogalvanizado.
1.6. Mezclado de las fibrasAlgunas fibras macrosintéticas tienden a
fibrilar durante el mezclado. Este proceso defibrilación sigue en la hormigonera y puededeshacer completamente las fibras. Las fibrasmetálicas no presentan degradación de lacalidad durante su mezcla.
1.7. Contenido de fibra en el hormigónfresco y fraguado
La Norma Europea 14721 especifica dosmétodos para medir el contenido de fibras delhormigón armado con fibras metálicas.
El método A mide el contenido de fibras deuna muestra de hormigón fraguado. El métodoB mide el contenido de fibra de una muestra dehormigón fresco.
Este punto debe aún solucionarse para elcaso de polímeros, ya que no hay métododisponible por el momento que cumpla losrequisitos de control de calidad para muchosproyectos.
1.8.Membrana impermeableLa construcción de los túneles de doble
armazón incluye, en medio del soporte dehormigón proyectado y la capa final dehormigón proyectado in situ, una membrana
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impermeable combinada con geotextil, comoamortiguador para nivelar las irregularidadesdel hormigón proyectado.
Existía preocupación acerca del peligro deque las fibras de acero sobresalieran de lasuperficie de la capa de hormigón proyectado,pudiendo agujerear la membrana impermeable.
El CETU en 1993 (Administración deTúneles Francés) ya había financiado ensayos deperforación (bajo presión hidráulica) en la geomembrana (600 gr/m2) colocada en lossoportes de gunita reforzada con fibras. Estosrevelaron la importancia de la proteccióninferior de geo textil, sin revelar sin embargoriesgos de perforación cuando se colocabaentre la geo membrana de PVC y la gunitareforzada con fibras de acero (en aquelmomento se hicieron los ensayos con fibrasDRAMIX® RC 65/35 BN).
Al igual que otros ensayos llevados a cabo yla experiencia práctica de muchas obras, estosresultados de ensayo confirman claramente queno hay problemas con las membranas/láminasde protección en combinación con el hormigónproyectado reforzado con fibras de acero.
No obstante, en algunos proyectos se colocauna capa de 3 cm de hormigón en masa. Dehecho, la clave sigue siendo las irregularidadesdel hormigón proyectado. Debe hacerse notarque se han llevado a cabo varios experimentosen el uso de las fibras macrosintéticas enhormigón proyectado. La presencia de estasfibras sintéticas puede aumentar la rugosidad delas irregularidades del soporte de la mezclacompuesta por hormigón y fibras. Lasrecomendaciones sobre este aspecto todavíaestán pendientes de discusión.
Propiedades del hormigónreforzado con fibras de acero ydel hormigón reforzado confibras macrosintéticas
El hormigón reforzado con fibras esconocido por su ductilidad. El efecto de lasfibras es una combinación de refuerzo y deefecto “red”. Las fibras, especialmente las deacero, modifican el comportamiento delhormigón: las de acero lo transforman dematerial frágil a material dúctil, capaz de resistirlas deformaciones importantes sin perder suscapacidades portantes. La ductilidad permite
una nueva repartición de los esfuerzos así comouna mejor capacidad portante de la estructura.Las propiedades mecánicas del hormigón debase quedan inalteradas.
2.1.Criterio general de rendimientodel hormigón proyectado
El ensayo de placa que se suele utilizar(paneles de 600 x 600 x 100 mm) (ver EN14.488-5) está calculado para determinar laenergía absorbida a partir de la curvacarga/deformación. Las placas destinadas aensayo de punzonamiento - flexión deben estarrealizadas en probetas de 600 x 600 x 100 mm.En este caso, se tendrá especial cuidado enobtener una superficie uniforme y un espesorde 100 mm.
El proyectado se debe llevar a cabo de formarigurosa bajo las mismas condicionesrecomendadas para la obra: componentes,máquina, manguera y método de proyectado enparticular.
Esta propuesta intenta simular elcomportamiento real del revestimiento. Da unabuena idea de la capacidad soporte de carga yde la absorción de energía de un revestimientode gunita.
En vez de determinar una característica delmaterial, que requiere un modelo de cálculoadecuado para calcular la solicitación permisiblede la estructura, la propuesta de ensayo de placaEN permite saltarse este paso y verificarinmediatamente la absorción de energía y lacapacidad de soporte de carga delrevestimiento.
Debe decirse claramente que el ensayo deplaca estáticamente indeterminado es un ensayoestructural para comprobar el rendimiento de laconstrucción. No es un ensayo para determinarlas propiedades del material para ser empleadocomo valores de cálculo.
Basándonos en este ensayo de placa, se handefinido tres clases de Hormigón Proyectadoreforzado con fibras de acero (HPRFA) (E500,E700 y E1000) para un C30/37:�500 Julios para condiciones sólidas de
terreno/roca.�700 Julios para condiciones medias de
terreno/roca.�1000 Julios para condiciones difíciles de
terreno/roca.
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Estos valores se proponen para una clase dehormigón C30/37, generalmente especificadapara un soporte temporal. Las resistencias acompresión con una clase demasiado baja odemasiado alta pueden tener efectosindeseados.
En el caso de resistencia a compresiónmayor, el criterio de rendimiento propuesto porla norma EN debe incrementarse paramantenerse al mismo nivel de ductilidadrequerido para la seguridad.
El ensayo de placa también es apropiado parapoder comparar los diferentes tipos de fibras ydosificaciones. Tiene en cuenta una comparaciónentre el hormigón reforzado con mallazotradicional y el reforzado con fibras de acero,siempre que el modo de fallo sea el mismo deacuerdo con la EN 14487-1 Hormigónproyectado, definición, especificación y conformidad.Esta es la causa por la que el criterio derendimiento basado en este ensayo y el ensayoactualmente propuesto debe ser usado solopara comparar el mallazo tradicional y las fibrasde acero (material con el mismo módulo E deelasticidad).
La importancia relativa de la capacidad decarga en pequeñas fisuras, y por consiguiente depequeñas deformaciones y rotaciones, esbastante reciente y ha ido asumiendo mayorimportancia por parte de los calculistas detúneles de ingeniería civil.
Nota: Debido al bajo módulo E de las fibrasmacrosintéticas y al modo de fallo observadocon este tipo de fibras, el ensayo de placa no essuficiente para comparar las fibras de acero conlas fibras macrosintéticas. En el caso de usafibras sintéticas deben añadirse otros criteriospara disponer de la información completa, comopor ejemplo la resistencia residual.
2.2.Resistencia residual: Efecto derefuerzo medido mediante ensayosde viga
Para determinar la resistencia residual, se usanormalmente la norma Europea EN 14651:Método de ensayo para hormigón reforzadocon fibras metálicas – Midiendo la resistencia aflexo-tracción (límite de proporcionalidad(LOP), residual).
Este procedimiento de ensayo se mencionaen la recomendación final Rilem TC162TDF
“ensayo y método de cálculo para hormigónreforzado con fibras de acero”.
Esta Normativa Europea establece unmétodo para medir la resistencia a flexo-tracción del hormigón reforzado con fibras deacero en una probeta de ensayo fraguada en unmolde. El método proporciona la determinacióndel límite de proporcionalidad (LOP) y una seriede valores de resistencia a flexo-tracciónresidual.
Este método de ensayo está previsto parafibras de acero de longitud no superior a los 60mm. El método puede utilizarse también parauna combinación de fibras de acero y unacombinación de fibras de acero con otras fibras.
El ensayo de caracterización permite alcontratista que propone un HRF (HormigónReforzado con Fibras) verificar que este HRFsatisface la especificación “mecánica” resultantedel dimensionamiento.
La geometría y dimensiones de las probetas,así como el método de fraguado adoptado, debeasegurar la distribución de las fibras en la matriz,que debe ser lo más parecido posible a la que seencuentra en la estructura de un hormigónproyectado o para soleras.
La dimensión de la probeta de ensayo esaceptable para la manipulación dentro dellaboratorio (sin peso ni dimensiones excesivos).
El ensayo es compatible, siempre que lopermitan los medios experimentales, con lamayoría de los laboratorios que cuenten con unequipamiento convencional (sin requerir gransofisticación).
La geometría debe ser la misma que la delensayo de placa para absorción de energía de laEN 14 488-5. Una geometría para ensayoisostático e hiperestático.
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Figura 1:ensayo de 3puntos dedeformación
Distancia entre soportes: 500 mmProfundidad del corte: 1 cm
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Fácil de dirigir, un programa de ensayo puedeser también proyectado en la obra con el mismoprocedimiento, dado que los ensayos de placa sedispersan menos que los ensayos de viga.
Resultado de los diferentes CMOD (crackmouth opening displacement – desplazamientode la apertura de la fisura, según la EN 14 651).
PP = Fibra macrosintética 6 kg/m3.
SF20/30/40 = Fibra de acero (Dramix RC65/35 BN) a 20, 30, 40 kg/m3.
Tras la primera fisura, la capacidad portantede la Macro fibra desciende rápidamentealrededor de un 60%. Esto significa que 6 kg/m3
de fibras sintéticas tienen mucha menorinfluencia sobre la resistencia residual que lasfibras de acero.
Dosificaciones mayores de macrofibrassintéticas a la indicada tendrán una graninfluencia sobre la trabajabilidad y bombeo de lamezcla de hormigón.
2.3.Fluencia de los hormigonesreforzados con fibras de acero y fibrasmacrosintéticas
Las placas se han fabricado con la siguientecomposición:
�280 kg de cemento CM I 42 5 R�822 kg de arena 0/4�1003 kg de grava 5/15�166 kg de agua (A/C = 0,80)
Las placas han sido ensayadas mediantedesplazamiento controlado, tal como sedescribe en la EN14488-5. A una deformaciónde 3 mm, se retira la carga.
Las placas están ahora preparadas parasometerse al ensayo de fluencia y se reanuda el
ensayo con el 60% de la carga aplicada para unadeformación de 3 mm. Se mide la deformacióny se muestra en el eje Y en 1/100 mm como semuestra en el gráfico.
Consecuencia debida a la fluencia: el materialno proporcionará un refuerzo significativo si suobjetivo es estabilizar el terreno y minimizarcualquier futuro movimiento del terreno encaso de necesidad.
2.4. Normas de fabricación de lasfibras de acero y de las fibrasmacrosintéticas
Desde octubre 2003, las recomendacionesde diseño de cálculo Rilem TC 162-TDF seencuentran disponibles para el hormigónreforzado con fibras de acero. Todavía noexisten recomendaciones similares para elhormigón reforzado con fibras macrosintéticas.
2.5. Control de calidad de loshormigones reforzados con fibras deacero en comparación con losreforzados con fibras macrosintéticas
Durante el control de calidad en lafabricación, es corriente efectuar pruebas delavado para verificar la dosificación de las fibrasen el hormigón fresco. Esta operación requieresiempre mucho tiempo, pero se facilita cuandolas fibras pueden ser extraídas de formamagnética, como en el caso de las fibras de acero.
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Figura 2: Resistencia aflexión s - CMOD
(Desplazamiento de laapertura de la fisura)
Figura 3: Ensayo defluencia – panel
cuadrado, de acuerdocon la EN 1448-5
Figura 4: Resultado de fluencia en un panelcuadrado
Figura 5: Curva de presión de soporte –deformación radial hacia el interior.
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Conclusión
Las fibras de acero utilizadas para hormigónproyectado han demostrado, a través de losaños, ser un material de construcción fiable parala aplicación en túneles. Tras 30 años deexperiencia, el resultado es muy positivo. Ahorahay Normas oficiales internacionales disponibles.
Las fibras macrosintéticas se pueden utilizaren soporte de hormigón proyectado paraalgunas aplicaciones en minas (puede ser encombinación con malla) o para necesidadestécnicas específicas.
Sin embargo, solo las fibras de acero, no lasfibras macrosintéticas, pueden actuar como unsoporte de refuerzo en el hormigón debido a lasrazones siguientes:�Las fibras sintéticas se funden a 165 ºC; en un
incendio cualquier efecto “de refuerzo” de lasfibras macrosintéticas desaparece con elaumento de la temperatura.
�El módulo de elasticidad (o de Young) es de 3– 10 MPa, lo cual es altamente insuficiente parareforzar un material de hormigón con unmódulo de 30 Mpa.
�Las fibras macrosintéticas sufren el efecto de“fluencia”, se deforman longitu-dinalmente (vermás información en bibliografía)
Debe especificarse un procedimiento clarode ensayo y un criterio de rendimiento para
cada proyecto, con el fin de alcanzar losrequisitos técnicos y garantizar la seguridad.
Bibliografía
Rilem TC162-TDF: “Test and design methods for steel fibre
reinforced concrete” (“Ensayos y métodos de cálculo para
hormigón reforzado con fibras de acero”), TC Membership,
Chairlady L. Vandewalle, Materials and Structures, Vol 36, October
2003, P560-567
Rossi (LCPC, International fiber expert, fib and rilem comitte)
Tunnel and Tunneling Magazine July 2009
Charles Allen – Fibre Decider Tunnel and Tunneling October 2009
Lambrechts A. N. (2005). “The Technical Performance of Steel
and Polymer Based Fibre Concrete”. Concrete for a New World -
The Institute of Concrete Technology/Annual Technical
Symposium/5 April 2005. ) – “Comportamiento Técnico del
hormigón reforzado con fibras de acero y sintéticas”
R. Ratcliffe Be MieAust CPEng Steel versus Synthetic Fibre
Reinforcement Shotcrete. “Gunita reforzada con Fibras de acero
en comparación con fibras sintéticas”
The European standards EN 14 487-1 Sprayed concrete,
definition, specification and conformity
Las normas Europeas EN 14 487-1 Definición, especificación
y conformidad de hormigón proyectado
The European standards EN 14.488-5 Testing sprayed
concrete - Part 5: Determination of energy absorption capacity of
fibre reinforced slab specimens
Las Normas Europeas EN 14.488-5 hormigón proyectado
ensayado – Parte 5: Determinación de la capacidad de absorción
de energía de las muestras reforzadas con fibra
Brite Euram Project (Durability final report) .(informe final de
durabilidad).
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