El hormigón reforzado con fibras o el hormigón reforzado con fibras ( FRC ) es un hormigón que contiene material fibroso que aumenta su integridad estructural. Contiene fibras cortas discretas que están distribuidas uniformemente y orientadas al azar. Las fibras incluyen fibras de acero, fibras de vidrio , fibras sintéticas y fibras naturales [1] , cada una de las cuales confiere diferentes propiedades al hormigón. [2] Además, el carácter del hormigón reforzado con fibras cambia con diferentes 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, la crin se utilizaba en mortero y la paja en adobes . En el siglo XX, se utilizaban fibras de asbesto en el hormigón. En los años 50 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 asbesto, surgió la necesidad de encontrar un sustituto para la sustancia en el hormigón y otros materiales de construcción. En la década de 1960, se utilizaban en el hormigón fibras de acero , vidrio ( GFRC ) y sintéticas (como el polipropileno ). Hoy en día continúa la investigación sobre nuevos hormigones reforzados con fibras. [4]
Las fibras se utilizan generalmente 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 la exudación de agua . Algunos tipos de fibras producen una mayor resistencia al impacto, la abrasión y la rotura en el hormigón. Las fibras sintéticas o de acero más grandes pueden reemplazar completamente las barras de refuerzo o el acero en determinadas situaciones. El hormigón armado con fibra ha reemplazado 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 corrosión de los refuerzos de acero. [5] [6] [7] Esto puede ocurrir en climas que están sujetos a agua o humedad intensa y repetida, ver Colapso del edificio Surfside . De hecho, algunas fibras reducen 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 porcentaje del volumen total del compuesto (hormigón y fibras), denominada "fracción de volumen" (Vf ) . Vf normalmente oscila entre 0,1 y 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 calcular la relación de aspecto. Si el módulo de elasticidad de la fibra es mayor que el de la matriz (aglomerante de hormigón o mortero ), ayudan a soportar la carga aumentando la resistencia a la tracción del material. El aumento de la relación de aspecto de la fibra generalmente segmenta la resistencia a la flexión y la tenacidad de la matriz. Una longitud más larga da como resultado una mejor matriz dentro del concreto y un diámetro más fino aumenta el recuento de fibras. Para garantizar que cada hebra de fibra sea efectiva, se recomienda utilizar fibras más largas que el tamaño máximo de agregado. El hormigón normal contiene agregado de 19 mm (0,75 pulgadas) de diámetro equivalente, que es del 35 al 45% del hormigón; las fibras de más de 20 mm (0,79 pulgadas) son más efectivas. Sin embargo, las fibras que son demasiado largas y no se tratan adecuadamente en el momento del procesamiento tienden a formar "bolas" en la mezcla y crean problemas de trabajabilidad.
Se añaden fibras para una mayor durabilidad del hormigón a largo plazo. El vidrio [11] y el poliéster [12] se descomponen en condiciones alcalinas del hormigón y diversos aditivos y tratamientos superficiales del hormigón.
Los revestimientos del túnel de Alta Velocidad 1 incorporaron hormigón que contiene 1 kg/m 3 o más de fibras de polipropileno, de diámetro 18 y 32 μm, brindando los beneficios que se detallan a continuación. [13] La adición de fibras de polipropileno de diámetro fino no solo proporciona refuerzo en el revestimiento del túnel, sino que también previene el "descantillado" 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 proyectos de construcción se suelen utilizar mezclas de acero y fibras poliméricas para combinar los beneficios de ambos productos; mejoras estructurales proporcionadas por fibras de acero y la resistencia al desconchado explosivo y mejoras de contracción plástica proporcionadas por fibras poliméricas.
En determinadas circunstancias específicas, las fibras de acero o las fibras macrosintéticas pueden sustituir por completo a las tradicionales barras de refuerzo de acero (" rebar ") en el hormigón armado. Esto es más común en pisos industriales pero también en otras aplicaciones de prefabricados. Por lo general, estos se corroboran con pruebas de laboratorio para confirmar que se cumplen los requisitos de desempeño. Se debe tener cuidado para garantizar que también se cumplan los requisitos de los códigos de diseño locales, que pueden imponer cantidades mínimas de refuerzo de acero dentro del hormigón. Cada vez hay más proyectos de túneles que utilizan segmentos de revestimiento prefabricados reforzados únicamente con fibras de acero.
Las microbarras también han sido probadas y aprobadas recientemente para reemplazar el refuerzo tradicional en paredes verticales diseñadas de acuerdo con ACI 318 Capítulo 14. [19]
Al menos la mitad del hormigón de un componente de construcción típico se utiliza para proteger el refuerzo de acero de la corrosión. El uso exclusivo de fibra como refuerzo del hormigón puede suponer un ahorro de hormigón y, por tanto, el efecto invernadero asociado. [20] El FRC se puede moldear en muchas formas, lo que brinda a los diseñadores e ingenieros una mayor flexibilidad.
El FRC de alto rendimiento (HPFRC) afirma que 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 estándar reforzado con fibra. [21] HPFRC también afirma tener un comportamiento de craqueo único. Cuando se carga más allá del rango elástico, HPFRC mantiene el ancho de la grieta por debajo de 100 μm, incluso cuando se deforma a varios porcentajes de deformaciones por tracción. Los resultados de campo con HPFRC y el Departamento de Transporte de Michigan dieron como resultado grietas en edades tempranas. [22]
Estudios recientes realizados en hormigón reforzado con fibras de alto rendimiento en el tablero de un puente encontraron que la adición de fibras proporcionaba resistencia residual y controlaba el agrietamiento. [23] Hubo menos grietas y más estrechas en el FRC a pesar de que el FRC tuvo más contracción que el control. La fuerza residual es directamente proporcional al contenido de fibra.
El uso de fibras naturales se ha convertido en un tema de investigación principalmente debido al impacto ambiental positivo esperado, la reciclabilidad y la economía. [24] [25] La degradación de fibras y partículas naturales en una matriz de cemento es motivo de preocupación. [26]
Se realizaron algunos estudios utilizando fibras de alfombras de desecho en concreto como un uso respetuoso con el medio ambiente de los desechos de alfombras reciclados. [27] Una alfombra normalmente consta de dos capas de respaldo (generalmente tela hecha de hilos de cinta de polipropileno), unidas por caucho de látex de estireno-butadieno (SBR) relleno de CaCO 3 y fibras frontales (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) reciclada, por ejemplo. [28]
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