El hormigón reforzado con fibras o hormigón reforzado con fibras ( FRC ) es un hormigón que contiene material fibroso que aumenta su integridad estructural. Contiene fibras cortas y discretas que están distribuidas uniformemente y orientadas aleatoriamente. Las fibras incluyen fibras de acero, fibras de vidrio , fibras sintéticas y fibras naturales [1] , cada una de las cuales aporta distintas propiedades al hormigón. [2] Además, el carácter del hormigón reforzado con fibras cambia con distintos hormigones, materiales de fibra, geometrías, distribución, orientación y densidades. [3]
El concepto de utilizar fibras como refuerzo no es nuevo. Las fibras se han utilizado como refuerzo desde la antigüedad. Históricamente, se utilizaba crin de caballo en el mortero y paja en los adobes . En la década de 1900, se utilizaron fibras de amianto en el hormigón. En la década de 1950, surgió el concepto de materiales compuestos y el hormigón reforzado con fibras fue uno de los temas de interés. Una vez que se descubrieron los riesgos para la salud asociados con el amianto, hubo una necesidad de encontrar un reemplazo para la sustancia en el hormigón y otros materiales de construcción. En la década de 1960, se utilizaron fibras de acero , vidrio ( GFRC ) y sintéticas (como polipropileno ) en el hormigón. La investigación sobre nuevos hormigones reforzados con fibras continúa en la actualidad. [4]
Las fibras se utilizan habitualmente en el hormigón para controlar el agrietamiento debido a la contracción plástica y a la contracción por secado. También reducen la permeabilidad del hormigón y, por tanto, reducen el sangrado de agua . Algunos tipos de fibras producen una mayor resistencia al impacto, a la abrasión y a la rotura en el hormigón. Las fibras de acero o sintéticas de mayor tamaño pueden sustituir por completo a las barras de refuerzo o al acero en determinadas situaciones. El hormigón reforzado con fibras ha sustituido casi por completo a las barras en la industria de la construcción subterránea, como en los segmentos de túneles, donde casi todos los revestimientos de los túneles están reforzados con fibras en lugar de utilizar barras de refuerzo. Esto puede deberse, en parte, a problemas relacionados con la oxidación o la corrosión de los refuerzos de acero. [5] [6] [7] Esto puede ocurrir en climas sometidos a agua o humedad intensa y repetida, véase Surfside Building Collapse . De hecho, algunas fibras reducen realmente la resistencia a la compresión del hormigón. [8] Las fibras lignocelulósicas en una matriz de cemento pueden degradarse debido a la hidrólisis de la lignina y las hemicelulosas. [9] [10]
La cantidad de fibras añadidas a una mezcla de hormigón se expresa como un porcentaje del volumen total del compuesto (hormigón y fibras), denominado "fracción de volumen" (V f ). V f suele oscilar entre el 0,1 y el 3 %. La relación de aspecto (l/d) se calcula dividiendo la longitud de la fibra (l) por su diámetro (d). Las fibras con una sección transversal no circular utilizan un diámetro equivalente para el cálculo de la relación de aspecto. Si el módulo de elasticidad de la fibra es superior al de la matriz (hormigón o aglutinante de mortero ), ayudan a soportar la carga aumentando la resistencia a la tracción del material. El aumento de la relación de aspecto de la fibra suele segmentar la resistencia a la flexión y la tenacidad de la matriz. Una longitud mayor da como resultado una mejor matriz dentro del hormigón y un diámetro más fino aumenta el recuento de fibras. Para garantizar que cada hebra de fibra sea eficaz, se recomienda utilizar fibras más largas que el tamaño máximo del agregado. El hormigón normal contiene 19 mm (0,75 in) de diámetro equivalente de agregado, lo que representa el 35-45 % del hormigón; las fibras de más de 20 mm (0,79 in) son más eficaces. Sin embargo, las fibras demasiado largas y que no se tratan adecuadamente en el momento del procesamiento tienden a "hacerse bolitas" en la mezcla y crean problemas de trabajabilidad.
Se añaden fibras para lograr una mayor durabilidad del hormigón. El vidrio [11] y el poliéster [12] se descomponen en condiciones alcalinas del hormigón y en diversos aditivos y tratamientos de superficie del hormigón.
Los revestimientos del túnel High Speed 1 incorporaron hormigón que contenía 1 kg/m3 o más de fibras de polipropileno, de diámetro 18 y 32 μm, lo que proporcionó los beneficios que se indican a continuación. [13] La adición de fibras de polipropileno de diámetro fino no solo proporciona refuerzo en el revestimiento del túnel, sino que también evita el "descascarillado" y el daño del revestimiento en caso de incendio debido a un accidente. [14]
Las fibras de vidrio pueden:
Las fibras de polipropileno y nailon pueden:
Las fibras de acero pueden:
Las fibras y/o partículas naturales (lignocelulósicas, LC) pueden: [15] [16]
En los proyectos de construcción se utilizan a menudo mezclas de fibras de acero y poliméricas para combinar los beneficios de ambos productos: las mejoras estructurales proporcionadas por las fibras de acero y las mejoras en la resistencia al desconchado explosivo y la contracción plástica proporcionadas por las fibras poliméricas.
En determinadas circunstancias específicas, las fibras de acero o las fibras sintéticas macro pueden sustituir por completo a las barras de refuerzo de acero tradicionales (" barras de refuerzo ") en el hormigón armado. Esto es más habitual en los suelos industriales, pero también en otras aplicaciones de prefabricados. Normalmente, se corroboran con pruebas de laboratorio para confirmar que se cumplen los requisitos de rendimiento. Se debe tener cuidado para garantizar que también se cumplan los requisitos del código de diseño local, que puede imponer cantidades mínimas de refuerzo de acero dentro del hormigón. Cada vez hay más proyectos de construcción de túneles que utilizan segmentos de revestimiento prefabricados reforzados únicamente con fibras de acero.
Las microbarras de refuerzo también han sido probadas y aprobadas recientemente para reemplazar el refuerzo tradicional en muros verticales diseñados de acuerdo con el Capítulo 14 de ACI 318. [19]
Al menos la mitad del hormigón de un componente típico de construcción protege el refuerzo de acero de la corrosión. El hormigón que utiliza solo fibra como refuerzo puede resultar en un ahorro de hormigón y, por lo tanto, del efecto invernadero asociado a él. [20] El hormigón reforzado con fibra se puede moldear en muchas formas, lo que ofrece a los diseñadores e ingenieros una mayor flexibilidad.
El hormigón reforzado con fibra de vidrio de alto rendimiento (HPFRC) puede soportar un endurecimiento por deformación de hasta varios porcentajes de deformación, lo que da como resultado una ductilidad del material de al menos dos órdenes de magnitud mayor en comparación con el hormigón normal o el hormigón reforzado con fibra estándar. [21] El HPFRC también afirma tener un comportamiento único frente al agrietamiento. Cuando se carga más allá del rango elástico, el HPFRC mantiene el ancho de la grieta por debajo de los 100 μm, incluso cuando se deforma hasta varios porcentajes de deformación por tracción. Los resultados de campo con HPFRC y el Departamento de Transporte de Michigan dieron como resultado un agrietamiento en edad temprana. [22]
Estudios recientes sobre hormigón reforzado con fibras de alto rendimiento en el tablero de un puente han demostrado que la adición de fibras proporcionaba resistencia residual y controlaba el agrietamiento. [23] Se observaron menos grietas y más estrechas en el hormigón reforzado con fibras, a pesar de que este material presentaba una mayor contracción que el material de control. La resistencia residual es directamente proporcional al contenido de fibras.
El uso de fibras naturales se ha convertido en un tema de investigación principalmente debido al esperado impacto ambiental positivo, la reciclabilidad y la economía. [24] [25] La degradación de fibras y partículas naturales en una matriz de cemento es una preocupación. [26]
Se han realizado algunos estudios utilizando fibras de alfombras desechadas en hormigón como un uso ecológico de los desechos de alfombras recicladas. [27] Una alfombra normalmente consta de dos capas de soporte (normalmente tejido a partir de hilos de cinta de polipropileno), unidas por caucho de látex de estireno-butadieno (SBR) relleno de CaCO3 y fibras de cara (la mayoría son hilos texturizados de nailon 6 y nailon 66). Estas fibras de nailon y polipropileno se pueden utilizar para reforzar el hormigón. Están surgiendo otras ideas para utilizar materiales reciclados como fibras: fibra de tereftalato de polietileno (PET) reciclado, por ejemplo. [28]
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