Concreto reforzado con fibras de acero

HORMIGÓN CON FIBRAS DE ACERO

Área de Ingeniería de la Construcción

Materiales y Sistemas Constructivos 2011/2012

Índice
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.

Perspectiva histórica
Generalidades
Características de las fibras
Modelización mecánica
Propiedades del Hormigón Reforzado con Fibras
de Acero
Dosificación y fabricación
Otros hormigones reforzados con fibras



1. Perspectiva histórica


Inconveniente tradicional del mortero y el
hormigón:
–
–

Baja resistencia a tracción
Alta fragilidad
 control mediante el uso de refuerzos

a) Refuerzo localizado a tracción:
HORMIGÓN ARMADO
b) Refuerzo distribuido a fisuración:
HORMIGÓN CON FIBRAS



1. Perspectiva histórica



a. C.
a. C.
1900
1920
(1935 - 85)
1935
1950
1960
1970
(1985, - )
1990



2000+












Fibras naturales
Crines de caballo
Fibras de asbesto (Hatscheck)
Resistencia teórica/resistencia aparente
Desarrollo de fibras sintéticas
DuPont: fibra de nylon
Materiales compuestos
FRC (Hormigón armado con fibras)
Hormigón proyectado (gunita)
Fibras orgánicas de altas prestaciones
Micromecánica, sistemas híbridos, fibras
derivadas de la madera, procesos de
producción, armadura secundaria, control de
la retracción
Aplicaciones estructurales, integración en
normativas, nuevos productos



1. Perspectiva histórica: HRFA


1874



1927



1943



>1950



1970

A. Berard (California): Primera
patente de hormigón reforzado con acero
granular procedente de desechos
G. Martin (California): patente de hormigón
reforzado con alambres rizados de acero,
refuerzo de tuberías
Constantinescu (Inglaterra): patente de
hormigón reforzado con fibras helicoidales
y espirales, para pavimentos de carros de
combate, refugios frente a ataques aéreos,
cimentaciones para maquinaria pesada,….
Proliferación de investigación en hormigón
reforzado con fibras de acero
Comienzo de empleo de hormigón
reforzado con fibras de acero en España



Índice
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.

Generalidades
de Acero



2. Tipos de fibras


Fibras metálicas: refuerzo de
estructuras
–



Acero, acero inoxidable, acero galvanizado

Fibras sintéticas: control de fisuración,
mejora de resistencia a impacto
–
–

Elevado módulo de deformación, elevada
resistencia a tracción, bajo peso
Polietilenos de alta tenacidad, aramidas,
poliariatos, fibra de carbono



2. Objetivo de las fibras




Control de la fisuración: proporcionan
fisuración más dispersa (menor abertura
de fisuras)
Aumento de resistencias
–
–




Tracción
Compresión

Mayor ductilidad
Aumento de la tenacidad



2. Efectos de las fibras


Similares al efecto de armaduras:
–
–



Mejoran el comportamiento del hormigón a tracción
Aumentan la ductilidad del hormigón (área bajo la
curva tensión de compresión-deformación)

Efectos adicionales
–
–
–
–
–

Proporcionan isotropía en ft al no presentar dirección
preferente
Aumentan resistencia al impacto y choque
Aumentan resistencia a fatiga
Reducen la abertura de fisuras (+ durabilidad)
Reducen ligeramente la retracción del hormigón



2. Inconvenientes de las fibras


Empeoran trabajabilidad del hormigón
(=áridos aciculares)
–
–




El parámetro L/D resulta esencial
Si L/D  1, la “fibra” es esférica y el hormigón
tiene más trabajabilidad

Pueden producir segregación
Aumento del coste



2. Tipos de hormigón con fibras


FRC

Fiber reinforced concrete (HRF)



SFRC

Steel Fiber Reinforced Concrete (HRFA)



GFRC

Glass Fiber Reinforced Concrete



SNFRC

Synthetic Fiber Reinforced Concrete



NFRC

Natural Fiber Reinforced Concrete



SIFCON Slurry Infiltrated Fibers Concrete= fibras
(Vf=5-20%) + cemento + humo de sílice +
metacaolín o cenizas volantes. Gran
tenacidad y alta resistencia. Contenedores
de munición, pavimentos, hormigones
refractarios,…



2. Aplicaciones específicas


Elementos de lámina delgada
–
–
–



Componentes que soportan localmente cargas o
deformaciones elevadas
–
–
–



No caben las barras
Contenido elevado de fibras (> 5% en volumen)
Las fibras mejoran la resistencia y tenacidad

Escudos de protección en túneles
Estructuras resistentes a explosiones y vibraciones
Pilotes prefabricados para hincar

Componentes con control de fisuración
–
–

Forjados, soleras, pavimentos
Funciona como refuerzo secundario



2. Aplicaciones
















Pavimentos
Suelos industriales
Bases de carros de combate, hangares, recintos protegidos de
impactos de metralla y proyectiles
Hormigón proyectado (gunita),
en revestimientos de túneles
y galerías de minas
Láminas
Cubiertas
Tuberías
Prefabricados
Paneles
Muros cortina
GFRC Trillium Building WoodlandHills, California
Losas de cimentación
Capa de compresión de tableros de puentes
Elemento de contención de vehículos
Elementos de protección frente a impactos





Índice
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.

Generalidades
de Acero



3. Clasificación de las fibras




Inorgánicas: fibra de vidrio,
fibra de carbono
Orgánicas: vegetales y
sintéticas
Metálicas: acero, acero
inoxidable y acero galvanizado
–

–

Obtención a partir de corte de
alambre trefilado de acero de bajo
contenido de carbono, corte de
láminas de acero, o arrancamiento
en caliente (virutas)
Para mejorar la adherencia:
ondulaciones, corrugas, extremos
conformados, ganchos,…



3. Requisitos mecánicos





Resistencia a tracción mayor que la matriz
Deformación en rotura mayor que la matriz
Módulo de deformación: mejor respuesta en
sección compuesta para mayores rigideces
Coeficiente de Poisson: similar a la matriz
–




Coeficientes de Poisson mayores en las fibras
inducen tracciones

Adherencia con la matriz
Fluencia controlada



3. Requisitos geométricos





Relación L/D adecuada
Forma y textura adecuadas
Tamaño proporcionado al grano de la matriz
Estructura filamentosa



3. Requisitos físico-químicos


Durabilidad
–
–
–



Atención a ambientes agresivos
Posible uso de fibras galvanizadas o inoxidables
en ambientes con cloruros (III, IV)
Estudio específico en ambientes químicos
agresivos

Ausencia de toxicidad



3. Propiedades de diversas fibras



3. Tenacidad e índice de tenacidad


UNE 83510:2004



Factor de Tenacidad: Área bajo la curva cargaflecha en ensayo a flexotracción, hasta flecha= (luz
/150) entre apoyos



Índice de Tenacidad, I30: Área bajo la curva
carga-flecha en ensayo a flexotracción, hasta
flecha=15.5 veces flecha 1ª fisura/ Área bajo la
curva carga-flecha en ensayo a flexotracción, hasta
flecha de 1ª fisura



3. Tenacidad e índice de tenacidad



3. EHE-08: resistencia a flexotracción


Ensayo sobre probeta prismática de 150 mm
x 150 mm x 600 mm a 28 días
–
–
–
–
–
–

FL: límite de proporcionalidad
F1: abertura de fisura 0.5 mm
F3: abertura de fisura 2.5 mm
fct,fl
fR,1
fR,3

fct,fl
fR,1
fR,3

Resistencia a flexotracción
resistencia residual a flexotracción 1
resistencia residual a flexotracción 3

fR,1 > 0.40fct,fl ; fR,3 > 0.20fct,fl


3. EHE-08: resistencia a flexotracción



3. EHE-08: tipificación


Designación:
T - R / f – R1 – R3 / C / TM - TF / A
–
–
–
–
–
–
–
–

T: Tipo  {HMF, HAF, HPF}
R: Resistencia característica en N/mm2
F: Tipo de fibras  {A, P, V}
R1, R3: Resistencias fR,1,k ,fR,3,k en N/mm2
C: Consistencia
TM: Tamaño máximo de árido en mm
TF: Longitud máxima de fibra en mm
A: Ambiente



3. HRF: Normativa española


EHE-08 (dentro de su campo de aplicación): ANEJO 14



UNE-EN 14651: Ensayo de flexotracción (límite de proporcionalidad,
resistencia residual)



UNE-EN 14889-1:2008. Fibras para hormigón, Parte 1 : Fibras de
acero. Definiciones, especificaciones y conformidad.
UNE-EN 14889-2:2008. Fibras para hormigón, Parte 2 : Fibras
poliméricas. Definiciones, especificaciones y conformidad.





UNE 83501:2004 a 83514:2005: Ensayos en hormigones con fibras de
acero y/o polipropileno
–
–
–
–



Toma de muestras y medida de docilidad
Fabricación, conservación y tratamiento de probetas
Ensayos mecánicos
Determinaciones de contenidos de fibras

Importante verificar contenido en cloruros de materiales componentes
para evitar corrosión de las fibras



Índice
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.

Generalidades
de Acero



4. Comportamiento general de materiales
compuestos


Relaciones tensión deformación en fase elástica para
materiales formados por matriz + partículas. Dos
modelos:
En paralelo (máximo)
En serie (mínimo)

Vm = volumen de matriz; Em = módulo de la matriz
Vp = volumen de partículas; Ep = módulo de partículas


4. Efecto de las fibras cortas





Aumento de resistencias
(tracción, compresión)
respecto a la matriz
Rotura por deslizamiento
de fibras “pull-out”
Fragilidad



4. Efecto de las fibras largas










Aumento de resistencias (tracción,
compresión) respecto a la matriz
Proporcionan efecto compuesto
Las fibras se encuentran ancladas de
forma efectiva en la matriz
Las fibras transmiten la mayor parte de la
carga
No se evita la fisuración de la matriz
Se limita la abertura de fisuras, fisuración
repartida
Se reparte el daño y la disipación de
energía de forma uniforme en todo el
elemento
Proporcionan ductilidad al material



4. Modelo de Voight (paralelo) para las fibras
cortas


Equilibrio de fuerzas:
Fc  Fm  F f
 c Ac   f A f   m Am
 Ec c  Ac   E f  f  Af   E f  m  Am



Fc

Equilibrio de deformaciones:
c   f  m
Ec Ac  E f A f  Em Am
Ec  E f



Fc

Af
Ac

 Em

Am
Ac

REGLA DE MEZCLAS:


EC  E f V f  EmVm


4. Modelo de Voight (paralelo) (2)



4. Modelo realista para HF







Ec = Módulo compuesto
Ef = Módulo fibra
Vf = Fracción volumétrica de fibra
Em = Módulo matriz
Vm = Fracción volumétrica de matriz
K = factor de eficiencia de la fibra

Ec  KE f V f  EmVm


4. Rotura del material compuesto


Se considera que el material falla cuando
falla uno de sus componentes (eg la fibra)

 f ult 
  m ult 

 
T

c

ult

 
f

ult

Ef

 m ult
Em

   f  Ec    f 
ult

  f  V f
ult

V E  V E  
    E 1  V 
f

ult

f

ult

f

m


m

m

f


4. Rotura del material compuesto (2)


Si la cantidad de refuerzo es demasiado
baja, es posible que la resistencia a tracción
del compuesto sea inferior a la de la matriz
sola: Vf,crit

 m ult   c ult   f ult V f ,crit   f ult Em 1  V f ,crit 


V f ,crit 

 m ult   f ult Em

 
f


ult

   f  Em
ult


4. Respuesta del material compuesto (1)



4. Respuesta del material compuesto (2)



4. Relación tenso-deformacional del HF



4. Efecto de la longitud de la fibra corta



4. Tensiones medias en la fibra. Eficiencia de la
longitud de la fibra

Para



4. Mejoras del anclaje y de la fibra




Se intenta reducir
al máximo lc para
aumentar la
eficiencia de la
fibra añadida
Además se
aumenta la
resistencia a
tracción de la fibra



4. Ecuaciones de diseño ACI


Tensión en primera fisuración (MPa)

 cf  0.843 f rVm  2.93V f l / d


Tensión última en flexotracción (MPa)

 cu  0.970 f rVm  3.41V f l / d
fr = tracción en la matriz (módulo de rotura en
flexotracción), MPa


4. Ecuaciones de diseño ACI


Momento último en Dominio 3

a

h e a
M n  As f y  d     t b  h  e     
2

2 2 2
 s , fib   cu
e
c

 cu

 t  0.00772 Fbe  f l / d f
Fbe = eficiencia adherencia (1.0 – 1.2)
f = porcentaje en volumen de fibras
s,fib = deformación de las fibras en el instante de agotamiento a
flexión (= f/Es con f = tracción en arrancamiento = 2.3 MPa)


4. Ecuaciones de diseño ACI 544



4. Diagramas EHE-08: rectangular



4. Diagramas EHE-08: multilineal



Índice
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.

Generalidades
de Acero



5. Resistencia a compresión/deformación
última en función de Vf



5. Efecto del aspecto (L/D) de la fibra en
la resistencia a compresión



5. Aumento de la ductilidad, en función de Vf



5. Aumento de la resistencia a tracción con la
reducción del espacio entre fibras



5. Aumento de la tenacidad en función de Vf

Flexión



5. Deformación última a compresión
 45 MPa

 22.5 MPa



5. Deformación última a compresión

 45 MPa

 22.5 MPa



5. Comportamiento a flexotracción



5. Comportamiento a flexotracción



5. Comparación con otros hormigones



5. Fibra de carbono



5. Comparación con fibra de vidrio



5. Otros efectos de las fibras metálicas en el
hormigón








Mejora de comportamiento a cortante de
hormigón con fibras, reducción de armadura
a cortante
Aumento de resistencia al impacto: energía
disipada= 40-100% superior a HC
Mejora de comportamiento a fatiga a flexión
Mejora de la adherencia de las armaduras
Menor tendencia a fisuración por splitting
Mayor energía de fractura: área bajo la
curva F-desp. del ensayo a tracción directa



Índice
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.

Generalidades
de Acero



6. Composición del hormigón con fibras (HF)








Cemento Portland
Agua: agua potable, analizar componentes
que puedan causar corrosión de fibras.
Áridos: conveniente empleo de arena
rodada. Preciso mayor contenido en finos.
Tmáx< 20 mm
Fibras continuas ó discontinuas
Aditivos superfluidificantes
Aditivos aireantes: hormigones sometidos a
hielo-deshielo



6. Principales parámetros de las fibras de acero



Material (acero, densidad= 7850 kg/m3)
Geométricos:
Sección transversal
Diámetro real o equivalente, D
Longitud, L
Esbeltez o índice de aspecto: L/D

–
–
–
–



Mecánicos
Resistencia a tracción
Ductilidad

–
–



6. Diseño de la mezcla


Propiedades recomendables de las fibras:
–
–

Longitud de fibra 12.5 mm – 62.5 mm: > 1.5 Tmax árido,
ideal 2 Tmáx
Secciones transversales habituales




–



Canto 0.25-1 mm
Ancho 0.5-1 mm
0.5-1 mm de diámetro

Diversas formas de anclaje de las fibras en la matriz

Principales parámetros de diseño:
–
–
–
–

Esbeltez o índice de aspecto L/D: 40-100
Fibras de acero: fmax= 345 MPa > 310 MPa, hasta 1100 MPa
Vf (%), volumen de fibras/volumen de hormigón
Tamaño máximo de árido recomendado =10 mm



6. Diseño de la mezcla


Contenido de fibras, Vf = 0.35-2.0%  30-1500 kg/m3
–

Hormigón proyectado: L  30 mm  40 mm (limitación de
tamaño de boquilla)



Posibilidad de fibras encoladas en
peines 25-35 fibras, reduce
probabilidad de formación de erizos



Tipo de superfluidificante,
contenido



Tipo de adiciones, contenido:
microsílice=4-8%C,
cenizas volantes=20-35%C



6. Dosificación




Efecto de las fibras: áridos aciculares, reducen
docilidad
Necesidad de efectuar reajustes en granulometría
para mantener trabajabilidad
Punto de partida: dosificación de HC + reajustes



6. Parámetros de dosificación


Método dosificación: HC (Bolomey, de la Peña, ACI 211, Faury,…)
+ correcciones árido fino/árido grueso



Relación agua/cemento: HC, 0.40-0.65



Contenido de cemento: C, 300-450 kg/m3



Contenido de pasta: 35-45% de Vtotal (25-35% en HC)



Granulometría de los áridos
–
–

Contenido en arena superior al HC para conseguir buen recubrimiento
de fibras
A mayor Vf  reducir Tmax



Cantidad de fibras: Vf =0.25-0.75<2% (20-60 kg/m3 , <160
kg/m3)



Aditivo superfluidificante: 0.5 – 3% en peso de cemento, según
especificaciones



Adiciones: cenizas volantes y humo de sílice aumentan resistencia
a compresión, durabilidad



6. Secuencia de amasado


SECUENCIA AMASADO: PREMEZCLA EN SECO
–
–
–
–
–
–

Arena
Cemento
Gravilla (D=12)
Agua
Aditivo
Fibras


30s
60s
60s
60s
60s
60s


6. Ejemplo de dosificación laboratorio ETSICCP








Método Bolomey, ajuste compensando
finos en exceso
Cemento
400
Agua
205
Arena caliza
1310
Gravilla granítica 6-12
488
Superfluidificante (Melcret222) 12.3
Fibras
35

áreas, con
kg/m3
kg/m3
kg/m3
kg/m3
kg/m3
kg/m3

Consistencia: plástica a blanda
Resistencia en probeta cúbica: 45 MPa
Resistencia brasileño: 3.7 MPa



6. Mezcladoras

Vista lateral

Vista interior

6. Propiedades del hormigón fresco





Consistencia: equivale a la “cohesión” Consistencia secaplástica-blanda-fluida (EHE)
Docilidad: aptitud del hormigón de adaptarse a la forma del
molde, con cierta compactación previa, sin perder
homogeneidad
Homogeneidad: propiedad del hormigón por la cual este
presenta las mismas propiedades en cualquier parte de su
masa





Problemas en cuanto a la homogeneidad
–

–
–

Segregación: separación de componentes, por
diferente densidad. Viscosidad de pasta reduce
riesgo pero aumenta aire ocluido. Compactación
reduce aire ocluido.
Exudación: exceso de agua, arrastre a
superficie
Formación de bolas y erizos. Causa: exceso
de fibras, defecto de fracción fina de árido,
amasado o transporte excesivo, fibras
demasiado esbeltas, introducción incorrecta de
fibras





Determinación de la consistencia
–

Cono de Abrams: no adecuado cuando consistencias secas
o plásticas. Al no contemplar vibrado, no es un método
adecuado para HRFA

–

Cono invertido (UNE 83503): se mide el tiempo necesario
para que el volumen de hormigón contenido fluya por la boca
de menos diámetro del cono, sometido a vibración interna.
Mide indirectamente la docilidad de la masa.

–

Consistómetro VeBe (UNE 83314). Se mide el tiempo que
tarda en perder su forma una masa de hormigón enmoldada
en el cono de Abrams, sometida a vibración exterior. Poco
manejable para uso en obra.



Propiedades del hormigón endurecido:
efecto de las fibras,respecto a HC



Índice
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.

Generalidades
de Acero



7. Fibras de asbesto



Buenas características mecánicas
Buena manejabilidad
–
–
–




Las fibras se dispersan con facilidad
Las imbricaciones se diluyen en el agua
El cemento envuelve bien las fibras

Toxicidad en el ser humano
Coste reducido



7. Fibras de vidrio


Obtenidas por hilado en masa o soplado:
–
–
–
–



Obtenidas por hilado de fibras individuales
–
–



Fibra muy corta, de 1 a 10 mm de longitud
No se separan en agua
El cemento no penetra bien en el tejido
Lana de vidrio: se emplea como aislamiento
Mejor manejabilidad
Buenas características mecánicas

Dosificación orientativa: 5% en peso de
hormigón



7. Fibras de vidrio: reacción álcali-silicato



El vidrio eléctrico (Vidrio-E) reacciona con
los álcalis del cemento.
Soluciones:
1.
2.

Sustitución del cemento Portland por
aluminoso: NO
Modificación de la composición de fibras
–

3.

Desarrollo de vidrios con circonio (vidrio-AR, vidrio-S)

Impregnación de fibras
–
–

Resinas epoxi
Resinas de poliuretano



7. Fibras de vidrio: aplicaciones


Edificación
–
–
–



Obras hidráulicas
–



Depósitos, elementos de piscina, drenajes,
tuberías

Obras marinas
–



Paneles de fachada o interiores tipo sandwich
Barreras antirruidos
Elementos de cubierta

Pontones, barcos

Obras industriales
–

Particiones antiincendios a base de paneles



7. Polipropileno








Polímero de bajo coste
Alta resistencia química (especialmente frente a
álcalis)
Alta resistencia mecánica
Alta resistencia a la oxidación (previa estabilización
química)
Punto de reblandecimiento ligeramente superior a
otros polímeros similares (polietileno, poliéster)
Baja densidad
Fácil estructuración en fibras



7. Polipropileno (2)


Presentación:
–
–



Amasado
–
–
–
–



Monofilamento (baja adherencia)
Fibrilado
Se incorpora en la hormigonera tras mezclado del resto
Evitar tiempos largos de amasado: desmenuzamiento de fibras
Se puede emplear en proyección
No suele dar problemas de trabajabilidad

Dosificación:
–
–

Monofilamento: 0.1 – 6% en volumen
Fibrilado:
0.2 – 1.2% en volumen



7. Polipropileno: aplicaciones



Postes prefabricados
Paneles de fachada
–





Sustitución de paneles con malla metálica

Pequeñas estructuras flotantes en el mar
Bloques de disipación de energía en diques
Hormigón proyectado en reparaciones



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