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Hormigon y acero 2018;69:69-75 - DOI: 10.1016/j.hya.2017.04.017
Hormigón autocompactante con fibras para premoldeados
Fibre reinforced self-compacting concrete for precast
Gemma Rodríguez de Sensalea,, , Luis Segura-Castillob, Iliana Rodríguez Viacavac, Rosana Rolfi Nettod, Darío Miguez Passadae, María Esther Fernández Iglesiasf
a Doctor, Facultad de Arquitectura-Facultad de Ingeniería, UdelaR, Uruguay, Profesor Titular, Montevideo, Uruguay
b Doctor, Facultad de Ingeniería, UdelaR, Uruguay, Profesor Adjunto, Montevideo, Uruguay
c Arquitecto, Facultad de Arquitectura-Facultad de Ingeniería, UdelaR, Uruguay, Asistente, Montevideo, Uruguay
d Arquitecto, Facultad de Ingeniería, UdelaR, Uruguay, Asistente, Montevideo, Uruguay
e Arquitecto, División Hormigón, Cementos Artigas, Uruguay, Director Departamento Técnico, Montevideo, Uruguay
f Doctor, Facultad de Arquitectura, UdelaR, Uruguay, Profesor Agregado, Montevideo, Uruguay
Recibido 06 abril 2017, Aceptado 25 abril 2017
Resumen

Como referencia se tomó un hormigón autocompactante (HAC) usual en premoldeados. Las variables analizadas fueron el tipo de fibras y su cuantía. Se estudiaron propiedades de los hormigones en estado fresco y endurecido. La incorporación de fibras en estado fresco influye significativamente en la reología; en estado endurecido mejora la resistencia mecánica en relación al HAC sin fibras. En relación a la permeabilidad al aire y la resistencia a penetración de cloruros, los resultados obtenidos no difieren significativamente entre sí.

Abstract

A self-compacting concrete (SCC), which is usual in local precast, was used as reference. The variables analysed were the type of fibres and their amount. Properties of concretes in fresh and hardened state were studied. The use of fibres, compared to the SCC without fibres, significantly influences the rheology in the fresh state and improves mechanical resistance in the hardened state. As regards the air permeability and the resistance to chloride penetration, the results obtained do not differ significantly between the two states.

Palabras clave
Hormigón autocompactante, Fibras estructurales
Keywords
Self-compacting concrete, Structural fibres
1Introducción

La experiencia internacional en premoldeados ha demostrado las ventajas del empleo de nuevos hormigones en lugar del hormigón convencional [1–6]. En los últimos años, parte de la optimización de la calidad de los premoldeados se ha basado en el empleo de fibras con los hormigones reforzados con fibras (HRF). En Uruguay, las mayores experiencias en premoldeados datan de la década de 1960, y se basan en sistemas de prefabricación pesada, cuyo desempeño ha sido variable. El material utilizado en todos los casos es el hormigón convencional, que determina características técnicas de los productos finales y condiciona aspectos productivos de fabricación y montaje; por ello se ha empezado a usar hormigón autocompactante (HAC). La versatilidad de las aplicaciones de los hormigones reforzados con fibras [7–12] los convierten en una alternativa de gran interés para nuestro país. Además, teniendo en cuenta la escala del medio, que el sector de la construcción se encuentra en una etapa de elevada demanda, con escasez de mano de obra calificada, falta de materiales como el hierro y una creciente necesidad por optimizar los tiempos de ejecución, surge la motivación del Proyecto ANII FMV_1_2014_1_104566 «Aplicación de nuevos hormigones para premoldeados». El objetivo del Proyecto es mejorar prestaciones y procesos industriales de elementos premoldeados existentes mediante la aplicación de nuevos hormigones. Para hacer viable dicha aplicación se trata de brindar una respuesta integral a nivel del material en sí y estructural, abarcando aspectos numéricos y experimentales. Con ello se pretende dar un nuevo impulso a la industria de la prefabricación nacional.

En este trabajo se presentan parte de los resultados obtenidos hasta la fecha en el Proyecto; ellos corresponden a parte de la etapa correspondiente al material en sí, siendo estudiados los hormigones autocompactantes con fibras (HACRF). Como referencia se tomó un HAC que está siendo empleado en premoldeados de nuestro país. En el programa experimental las variables analizadas son el tipo de fibras estructurales (dos: metálicas y sintéticas) y su cuantía (dos diferentes para cada tipo de fibra). Se estudian sus propiedades en estado fresco y endurecido (resistencia a compresión, a tracción por flexión, tenacidad, módulo de elasticidad, permeabilidad al aire por el método Torrent y resistencia a ion cloruro).

2Investigación experimental

En esta sección se presentan los materiales, la dosificación de los hormigones con y sin fibras, y los métodos empleados en la investigación experimental.

2.1Materiales empleados

Los materiales empleados para la realización de los hormigones fueron:

  • Cemento Portland: cemento Portland normal (CPN) de fábrica local, cuyas características se presentan en las tablas 1 y 2.

    Tabla 1.

    Propiedades físicas y mecánicas del cemento y la adición empleados

    Propiedad  CPN  Adición 
    Densidad (g/cm33,07  2,75 
    Finura Blaine (cm2/g)  2.490  6.873 
    Agua para consistencia normal (%)  28,90   
    Tiempo de fraguado inicial (min)  245   
    Tiempo de fraguado final (min)  325   
    Resistencia a compresión (MPa) a 2 días  19,2   
    Resistencia a compresión (MPa) a 7 días  32,7   
    Resistencia a compresión (MPa) a 28 días  40,8   
    Índice de actividad puzolánica  100  56,7 
    Tabla 2.

    Composición química del cemento y la adición empleados

    Elemento  CPNAdiciónUnidades 
      EDXRF  Análisis tradicional  EDXRF  Análisis tradicional   
    SiO2  19±−  −  11±
    Al2O3  < 2  −  2,3±0,5  − 
    Fe2O3  1,9±0,2  −  1,6±0,1  − 
    MnO  351±35  −  282±20  −  μg/g 
    MgO  −  3,1±0,9  −  1,9±0,2 
    CaO  55,2±5,0  55,1±2,8  40±42±
    Na2−  0,22±0,05  No det.  − 
    K21,2±0,1  1,24±0,05  < 2  − 
    SO3  2,5  −  0,3736(*)  − 
    P2O5  < 2  −  < 0,2  − 
    Cl  0,15  −  < 0,2  − 
    Ti  1077±105  −  996±90  −  μg/g 
    Cu  7,2±0,5  −  20,4±2,0  −  μg/g 
    Zn  46,5±4,5  −  37,8±3,5  −  μg/g 
    Pb  17,2±1,5  −  15,3±1,5  −  μg/g 
    P.P.C.  −  4,6±0,4  −  34±
  • Adiciones: se empleó polvo de electrofiltro (PEF), de la misma fábrica de cemento, que cumple con las características para filler indicadas en UNE-EN12620 [13]; sus características se encuentran en las tablas 1 y 2. El tamaño medio de partículas fue determinado a través de difracción de luz láser, equipo Coulter LS 230, y el índice de actividad puzolánica [14], con el cemento empleado. Es de observar que la adición no es puzolánica, siendo empleada para mejorar la reología y la economía del HAC, ya que es un residuo de la industria cementera.

  • Agregados: naturales, cuyas características se presentan en la tabla 3. El agregado fino está formado por una arena fina y una gruesa provenientes de río. El agregado grueso es una piedra partida de origen granítico cuyos tamaños están comprendidos entre 5 y 14mm.

    Tabla 3.

    Peso específico y absorción de los agregados

    Agregado  Peso específico (kg/m3Absorción (%) 
    Arena fina  2.650  0,5 
    Arena gruesa  2.650  0,5 
    Piedra partida  2.590  0,8 
  • Agua: proveniente de la red de abastecimiento local.

  • Aditivo: superplastificante en base a carboxilatos con un 35% de sólidos, siendo compatible con el cemento y la adición empleada.

  • Fibras: metálicas y sintéticas, siendo las dos únicas fibras estructurales que se comercializan en el país. Las fibras metálicas (FM) son de acero de bajo contenido de carbono, trefilado a frio, con ganchos (Wirand FF1); las fibras sintéticas (FS) son macrofibras de poliolefina, corrugadas (FiberForce PP-48). Las características de las mismas se presentan en la tabla 4.

    Tabla 4.

    Características de las fibras empleadas

    Fibras  Diámetro (mm)  Longitud (mm)  L/d  Resist. tracción (MPa)  Peso específico (kg/m3
    FM  50  50  > 1.100  7,85 
    FS  1,37  48  35  > 550  0,92 

Los datos fueron suministrados por los fabricantes, conociéndose de las fibras metálicas además la deformación en ruptura, que es menor al 4%, y el módulo elástico, que es de 210GPa, mientras que del módulo elástico de las sintéticas se sabe solo que es mayor de 9GPa [15].

2.2Dosificación de los hormigones

Como referencia se tomó un HAC de uso en nuestro medio para premoldeados, con 390kg/m3 de CPN, 175kg/m3 de adición, 375kg/m3 de arena, 765kg/m3 de agregado grueso, 175kg/m3 de agua y 6,7kg/m3 de aditivo. Se elaboraron en total cinco tipos de hormigones: el HAC de referencia sin fibras, dos reforzados con fibras sintéticas con cuantías de 4 y 8kg de fibras por metro cúbico de hormigón (mínima y máxima recomendada por el fabricante) y dos HAC reforzados con fibras metálicas con cuantías de 20 y 30kg/m3 de hormigón, siendo dosificaciones habituales para aplicaciones de responsabilidad estructural baja, como pavimentos o premoldeados de mediano y bajo porte.

2.3Metodología

Los hormigones fueron realizados en hormigonera de eje inclinado. En estado fresco se estudió la fluidez mediante ensayos de escurrimiento [16] y embudoV[17], la resistencia al bloqueo mediante ensayos de escurrimiento con anilloJ [18] y caja enL [19], y la resistencia a la segregación (estabilidad) con ensayo de tamiz GTM [20], peso por unidad de volumen (PUV); también se determinaron propiedades reológicas empleando un reómetro rotacional de paletas ICAR [21].

Se hicieron tres probetas de cada tipo de hormigón para estudiar cada propiedad en estado endurecido, excepto para evaluar la resistencia a compresión, donde fueron cinco las probetas realizadas. Todas las probetas fueron curadas en cámara húmeda hasta la edad de ensayo (28días), excepto las sometidas a ensayo de permeabilidad al aire, que fueron retiradas 7días antes de la cámara húmeda y dejadas en ambiente de laboratorio hasta la edad de ensayo por así requerirlo el procedimiento de ensayo.

En estado endurecido se estudió a los 28días de edad la resistencia a compresión [22]; la resistencia a flexión por tracción [23], con cargas a un tercio de la luz entre ejes de apoyos, determinándose la tenacidad y el índice de tenacidad, mediante el análisis de la curva carga-flecha obtenida en el ensayo de los hormigones reforzados con fibras; y el módulo de elasticidad [24].

También se estudiaron dos parámetros vinculados a la durabilidad: permeabilidad al aire [25] y resistencia a la penetración de cloruros [26]. La permeabilidad al aire por el método Torrent se basa en la medición de la permeabilidad al aire del hormigón de recubrimiento (kT) y la conductividad eléctrica del hormigón (ρ), que es afectada por la humedad de la probeta; con ello se establece una valoración de la calidad del recubrimiento en categorías (muy mala, mala, normal, buena, muy buena). Para la evaluación de la resistencia del hormigón a la penetración de cloruros se mide la corriente eléctrica en culombios, que pasa a través de la probeta por un período de 6h sometida a un voltaje estándar de 60VDC. El valor obtenido como resultado es indicador de la resistencia a la penetración de iones cloruros del hormigón. La norma establece categorías relativas a la permeabilidad frente a ion cloruro: alta (mayor a 4.000 culombios), moderada (4.000-2.000 culombios), baja (2.000-1.000 culombios), muy baja (1.000-100 culombios) y despreciable (menor a 100 culombios).

3Resultados obtenidos y discusión3.1Resultados en estado fresco

En la tabla 5 se presentan resultados obtenidos en estado fresco del HAC sin fibras, tomado como referencia (REF) los HAC con fibras sintéticas (siendo denominados FS4 y FS8 los que contienen 4 y 8kg/m3, respectivamente), y los HAC con fibras metálicas (denominados FM20 y FM30, pues sus contenidos de fibras son de 20 y 30kg/m3, respectivamente).

Tabla 5.

Resultados obtenidos en estado fresco

  PUV (kg/m3Escurrimiento D (cm)  Embudo V
Tv (s) 
Anillo J
Dj (cm) 
Caja en L
H2/H1 
Segregación
(%) 
REF  2.313  66,5  5,59  67,0  0,96  7,71 
FS4  2.356  70,0  12,70  66,0  0,14  14,17 
FS8  2.369  76,0  −  66,0  Bloqueo  22,50 
FM20  2.401  69,0  11,90  66,0  Bloqueo  11,67 
FM30  2.410  74,0  10,00  66,5  Bloqueo  15,83 

La incorporación de fibras no influye significativamente en el peso unitario volumétrico (PUV).

En relación a los resultados de los ensayos ad hoc para HAC que figuran en la tabla 5, el cumplimiento de requisitos para la autocompactabilidad [27] en los ensayos para evaluar la fluidez y la resistencia al bloqueo se presenta en la tabla 6, mientras que para la resistencia a la segregación allí se menciona la categoría en que se clasifican los resultados [28].

Tabla 6.

Cumplimiento de requisitos para HAC

  REF  FS4  FS8  FM20  FM30 
Escurrimiento  Cumple  Cumple  Cumple  Cumple  Cumple 
Embudo V  Cumple  Cumple  Cumple  Cumple  Cumple 
Anillo J  Cumple  Cumple  No cumple  Cumple  No cumple 
Caja en L  Cumple  No cumple  No cumple  No cumple  No cumple 
Segregación  SR1-SR2  SR1-SR2  >20%  SR1-SR2  SR1 

En relación a la fluidez, todos los HAC estudiados, sin y con fibras, cumplen con los requisitos necesarios para la autocompactabilidad. La resistencia al bloqueo mediante el ensayo de la caja en L no se cumple en los hormigones que contienen fibras, mientras que empleando el anillo J solo los HAC con menor contenido de fibras cumplen requisitos para HAC.

En relación a la resistencia a la segregación, si bien todas las mezclas están en la categoría SR1 —excepto el hormigón FS8, que presenta un porcentaje mayor que el adecuado para HAC [29]—, se observan diferentes grados de segregación en los HAC con fibras; los hormigones con mayores cantidades de fibras presentan los mayores porcentajes de segregación.

Resultados obtenidos con reómetro ICAR se presentan en la tabla 7 y en la figura 1. El esfuerzo de fluencia estático es el esfuerzo de corte requerido para iniciar el flujo cuando el hormigón se encuentra en estado de reposo. Se observa claramente que la incorporación de fibras aumenta dichos valores, siendo dependiente de la cantidad (aumenta con el contenido de fibras incorporadas) y del tipo de fibras (es mayor con fibras metálicas que con sintéticas).

Tabla 7.

Resultados obtenidos con reómetro rotacional de paletas

  Parámetros relativosParámetros Bingham
  Esf. fluencia estático
(Pa) 
Fluencia
(Nm) 
Viscosidad
(Nm.s) 
R2  Esf. fluencia dinámico
τ0(Pa) 
Viscosidad plástica
μ(Pa.s) 
REF  91,4  0,21  1,42  0,97  33,4  27,9 
FS4  93,0  −0,51  3,32  0,99  0,1  44,1 
FS8  126,6  0,04  2,35  0,98  4,7  47,7 
FM20  229,0  0,35  2,62  0,99  53,6  52,4 
FM30  387,9  0,61  2,85  1,00  107,2  52,7 
Figura 1.
(0.23MB).

Resultados obtenidos con reómetro rotacional de paletas.

Desde el punto de vista reológico se observan diferencias de comportamiento con la incorporación de fibras en el HAC. El empleo de fibras sintéticas ocasiona menores esfuerzos de fluencia dinámicos y mayor viscosidad plástica que en el HAC sin fibras, por lo que con estas fibras los hormigones resultan ser más fluidos y presentar mayor tendencia a la segregación; ello se corrobora con los resultados obtenidos en los ensayos ad hoc. El empleo de fibras metálicas produce mayores esfuerzos de fluencia dinámicos, requiriendo mayor esfuerzo de corte para mantener el flujo, y también más alta viscosidad plástica que el resto de los hormigones estudiados brindando un comportamiento reológico muy diferente a ellos. Cuanto mayor es el contenido de fibras metálicas más se aleja su comportamiento del HAC sin fibras (REF), por lo que se debe tener cuidado, ya que puede llegar a requerirse energía adicional para que el hormigón se consolide al ir aumentando la torsión mecánica [29].

3.2Resultados en estado endurecido

En la tabla 8 se presentan los parámetros estadísticos básicos de los resultados de los ensayos de resistencia a compresión y módulo de elasticidad, siendo Fc y Ec los valores medios respectivos, σ la desviación estándar y CV el coeficiente de variación. ΔFc y ΔEc son los aumentos de los valores de Fc y Ec en relación a la referencia

Tabla 8.

Resistencia a compresión y módulo elástico de los hormigones

  Fc (MPa)  σ(MPa)  CV (%)  Ec (GPa)  σ(GPa)  CV (%)  ΔFc (%)  ΔEc (%) 
REF  48,13  0,54  1,13  33,27  0,17  0,01     
FS4  52,60  1,37  2,61  35,02  0,44  0,01  +9  +5 
FS8  54,63  1,74  3,18  36,54  1,53  4,19  +14  +10 
FM20  54,69  1,81  3,30  35,61  1,54  4,31  +14  +7 
FM30  55,45  1,09  1,97  36,83  0,21  0,57  +15  +10 

Se observa un moderado aumento de la resistencia a compresión, entre el 9 y el 15%, y del módulo de elasticidad, entre el 5 y el 10%, en las mezclas con fibras en relación a la referencia. Si bien varios autores registran ligeros aumentos en la resistencia a compresión [12,30], estos normalmente se producen con cuantía de fibras mayor al 1% en volumen, ya que para cuantías bajas el comportamiento está dominado por la matriz. En este trabajo, el incremento se puede justificar debido a la mayor compacidad obtenida con el empleo fibras, como se ve en la tabla 5.

Los resultados obtenidos en ensayos de vigas [23] se presentan en la figura 2 y en la tabla 9, siendo R el módulo de rotura, T la tenacidad total a 3mm y ΔR el incremento de R en relación al HAC de referencia.

Figura 2.
(0.16MB).

Diagrama carga-desplazamiento en ensayos de vigas.

Tabla 9.

Resultados de ensayos de vigas

  R (MPa)  ΔR (%)  T (KN/mm)  ΔRHRF (%)  THRF (KN/mm) 
REF  4,70         
FS4  5,94  +26,38  26,05  +1,24  10,88 
FS8  5,42  +15,32  74,53  +6,64  38,51 
FM20  5,77  +22,77  62,82  +16,60  20,88 
FM30  4,90  +4,25  67,04  +15,56  57,99 

Se muestra claramente que la incorporación de fibras mejora los resultados obtenidos de resistencia a flexión en relación al HAC sin fibras (REF).

Si bien con bajos contenidos de fibras el módulo de rotura tiene un incremento en relación a la referencia cercano al 20%, al aumentar el contenido de fibras se reduce posiblemente por la tendencia a disminuir la aleatoriedad en la orientación de las fibras en los HACRF [30].

La tenacidad alcanzada en cada una de las muestras reforzadas con fibras reafirma que con el aumento del dosaje se obtiene un hormigón más tenaz.

A los efectos de valorar la introducción de las fibras en el comportamiento mecánico del HAC en la tabla 9 se presentan ΔRHRF y THRF, siendo los incrementos de resistencia a flexión y la tenacidad de hormigones convencionales con iguales materiales y porcentajes de fibras que los de este trabajo, los cuales fueron obtenidos en la primer parte del Proyecto [31]. Hay un comportamiento diferenciado entre fibras sintéticas y metálicas. La introducción de fibras sintéticas en el HAC brinda una mejora adicional desde el punto de vista mecánico en relación al HRF, obteniéndose incrementos mayores de resistencia a flexión y tenacidad, ya que ΔR>ΔRHRF y T>THRF. En el HAC el empleo de fibras metálicas brinda una mejora adicional de la tenacidad en relación al HRF, siendo T>THRF, mientras que en relación al incremento de resistencia a flexión, si bien con más bajos contenido de fibras ΔR>ΔRHRF a medida que aumenta dicho contenido se revierte la situación, llegando a ser ΔR<ΔRHRF.

Los resultados de los dos aspectos de durabilidad estudiados se presentan en la tabla 10 y en la figura 3, siendo Kt la permeabilidad al aire del hormigón de recubrimiento y ρ la resistividad eléctrica. Para ambos aspectos los resultados fueron similares, perteneciendo a la misma categoría (baja permeabilidad) todos los hormigones estudiados.

Tabla 10.

Resultados obtenidos de los ensayos de permeabilidad al aire Torrent

  Kt (10−16 m2ρ(kΩcm)  Calidad 
REF  0,022  8,9  Buena 
FS4  0,015  9,6  Buena 
FS8  0,015  14,0  Buena 
FM20  0,014  13,8  Buena 
FM30  0,021  14,0  Buena 
Figura 3.
(0.06MB).

Resultados obtenidos de los ensayos de permeabilidad al ion cloruro.

4Conclusiones

Los resultados obtenidos en los hormigones estudiados permiten concluir que:

  • En estado fresco hay diferencias significativas cuando se le incorpora fibras al HAC, dependiendo el comportamiento del contenido y del tipo de fibras.

  • La incorporación de fibras en el HAC aumenta el esfuerzo de fluencia estático y la viscosidad plástica, siendo los valores proporcionales al contenido de fibras, y mayores con fibras metálicas que con sintéticas.

  • La incorporación de fibras sintéticas disminuye los esfuerzos de fluencia dinámicos en relación al HAC, mientras que el empleo de fibras metálicas los aumenta.

  • En estado endurecido el empleo de fibras influye en las propiedades relacionadas con la resistencia mecánica; incrementa muy modestamente la resistencia a compresión y mejora los resultados de resistencia a flexión en relación al hormigón de referencia sin fibras (HAC).

  • El empleo de fibras no influye en las propiedades de durabilidad estudiadas.

Teniendo en cuenta lo anteriormente mencionado, se puede afirmar que el estudio de la aplicación de nuevos hormigones para premoldeados, como puede ser el HAC con fibras (HACRF), ha demostrado tener características diferenciadas del HAC sin fibras, convirtiéndolos en una alternativa de gran interés. Por ello la importancia del estudio de estos HACRF para elementos premoldeados en el Proyecto ANII FMV «Aplicación de nuevos hormigones para premoldeados».

Agradecimientos

Los autores agradecen a la Agencia Nacional de Investigación e Innovación (ANII) el apoyo financiero para la realización del Proyecto, a la Comisión Sectorial de Investigación Científica (CSIC) por posibilitar la presentación del trabajo en este Congreso, y a Hormigones Artigas por la realización de los hormigones.

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Autor para correspondencia. (Gemma Rodríguez de Sensale gemma@fing.edu.uy)
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