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Vol. 69. Núm. 286.
Páginas 223-233 (Septiembre - Diciembre 2018)
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Vol. 69. Núm. 286.
Páginas 223-233 (Septiembre - Diciembre 2018)
DOI: 10.1016/j.hya.2017.07.002
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Mejora de la sostenibilidad y el comportamiento en servicio de estructuras de hormigón mediante el uso de fibras metálicas recicladas
Improvement in sustainability and performance in service of concrete structures by using recycled metal fibres
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Giancarlo Grolia,
Autor para correspondencia
ggroli@iberdrola.es

Autor para correspondencia.
, Alejandro Pérez Caldenteyb
a Dr. Ingeniero de Caminos, Iberdrola Ingeniería y Construcción, Ingeniería Offshore, Madrid, España
b Dr. Ingeniero de Caminos, FHECOR Consulting Engineers, Universidad Politécnica de Madrid (UPM), Director del Departamento de I+D+i, Madrid, España
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Tablas (6)
Tabla 1. Resumen de las vigas ensayadas en la campaña previa y características mecánicas del hormigón
Tabla 2. Resumen de los resultados obtenidos en los ensayos preliminares de fisuración
Tabla 3. Características mecánicas del hormigón utilizado en la campaña principal
Tabla 4. Resultados en términos de fisuración para las vigas de la campaña principal
Tabla 5. Resultados en términos de fisuración para los ensayos de soportes
Tabla 6. Comparación del canto necesario para cumplir con el ELS de deformaciones para una cuantía geométrica del 0,5%, distintos valores de la relación carga permanente/carga total
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Resumen

En este trabajo se presenta un estudio teórico y experimental relativo a la mejora del comportamiento en servicio del hormigón estructural mediante la adición de fibras metálicas recicladas obtenidas a partir de neumáticos usados. Este trabajo recopila tres series de ensayos: una sobre elementos de tamaño reducido, otra sobre vigas de gran tamaño sometidas a dos cargas puntuales, con una amplia zona de momento constante, y una última campaña relativa a soportes sometidos a desplazamientos impuestos en cabeza. En el caso de las vigas isostáticas de gran tamaño, se dispone de una serie de ensayos gemelos realizados con un hormigón convencional.

Se examinan los resultados experimentales incidiendo en la influencia de la adición de fibras en el comportamiento en servicio. Los resultados experimentales se comparan con resultados teóricos obtenidos, incorporando a la ecuación constitutiva del hormigón la rama de ablandamiento en tracción a la que contribuyen las fibras, además del efecto de contribución entre fisuras propio del hormigón estructural convencional. Estos resultados se comparan también con los obtenidos mediante aplicación del modelo propuesto por el MC2010.

Finalmente, se introducen estudios que se están llevando a cabo en el marco del proyecto de investigación Anagennisi (renacimiento), que busca reciclar en aplicaciones relativas al hormigón estructural todos los componentes de los neumáticos. Estos estudios se centran en cómo se puede mejorar la sostenibilidad de las estructuras de hormigón mediante el uso de fibras metálicas recicladas, buscando aplicaciones concretas en las que su influencia puede resultar determinante, tanto a efectos de reducir los costes de construcción como de reducir el impacto medioambiental (huella de CO2 y consumo de energía). Estos estudios se centran en el proyecto de estructuras de contención de aguas y en aumentar la esbeltez de losas en estructuras de edificación.

Palabras clave:
Hormigón reforzado con fibras recicladas
Fisuración
Flechas
Experimentación
Estado límite de servicio
Abstract

In this work, a theoretical and experimental study is presented as regards the improvement in the performance in service of concrete structures by adding recycled metal fibres obtained from used tyres. This work compiles three series of tests: one on reduced size elements, another on large beams subjected to two particular loads, with a wide constant moment area, and lastly a series on supports subjected to imposed head movements. In the case of large-sized isostatic beams, a series of twin trials carried out with conventional concrete is presented.

An analysis is made of the experimental results that have a bearing on the influence of adding fibres on the in-service performance. The experimental results are compared with the theoretical results obtained, incorporating into the constitutive equation of the concrete the tension softening branch to which the fibres contribute, as well as the effect of the contribution between cracks of the conventional structural concrete itself. These results are also compared with those obtained by applying the model proposed by MC2010.

Finally, studies are presented that are being conducted within the framework of the Anagennisi (Re-Birth) Research, which looks to recycle all the components of tyres in applications relative to structural concrete. These studies are focused on how the sustainability of concrete structures can be improved with the use of recycled metal fibres, as well as looking for particular applications in which their influence could be a determining factor, both as regards reducing construction costs, as well as reducing the environmental impact (CO2 footprint and energy consumption). These studies are focused on the project of water containment structures and in increasing the slenderness of the flagstones in building structures.

Keywords:
Concrete reinforced with recycled fibres
Cracking
Arrows
Experiments
Serviceability limit state
Texto completo
1Introducción

Los elementos de hormigón armado (HA) tienen que ser proyectados para cumplir con criterios de Estados Límite Últimos (ELU) y de Servicio (ELS). Entre estos últimos, ha de comprobarse la fisuración: en ocasiones, el armado puede ser determinado por esta limitación, en especial en ambientes agresivos, en estructuras estancas (p.ej., depósitos) o en estructuras con grandes recubrimientos (pantallas).

Añadir fibras al hormigón en contenidos bajos a moderados (0,4-1%) según [1] mejora la ductilidad y la energía de fractura, pero tiene una influencia muy pequeña en la resistencia a tracción. En consecuencia, el armado convencional no puede ser reemplazado por completo por las fibras para el ELU, aunque se puede lograr un mejor control de la fisuración por la acción combinada de fibras y barras. Este hecho ha sido demostrado experimentalmente con fibras metálicas industriales [2–5]. El Código Modelo 2010 (MC2010) [6] es la primera norma que implementa formulaciones para el cálculo de fisuración en elementos armados y fibrorreforzados.

Otra alternativa interesante desde el punto de vista económico y medioambiental es el uso de fibras recicladas de neumáticos fuera de uso. Investigaciones anteriores sobre este tipo de fibras han puesto de manifiesto la viabilidad y ventajas de su uso [7], aunque su naturaleza heterogénea e irregular debido a las técnicas de reciclaje actuales hace que se puedan usar solo en cuantías pequeñas para garantizar la trabajabilidad del hormigón.

Para comprobar que las fibras recicladas son efectivas a la hora de controlar la fisuración en elementos de HA, se ha llevado a cabo una campaña experimental primeramente sobre vigas de tamaño reducido para comparar el comportamiento de la fibra reciclada con la fibra industrial. Luego, se han ensayado vigas a escala real tomando como referencia vigas no fibrorreforzadas ensayadas con anterioridad [8], siendo los parámetros a investigar la cuantía de fibra, el cociente Øss,eff (Øs=diámetro de la armadura traccionada, ρs,eff=cuantía efectiva de armadura) y el recubrimiento c de la armadura [9,10]. Finalmente, se describe una campaña sobre soportes sometidos a desplazamientos impuestos en cabeza [9,11,12], orientada al estudio de estructuras integrales. Los resultados son comparados con las predicciones de MC2010 [6]. También se presentan los estudios que se están llevando a cabo en el marco del proyecto de investigación Anagennisi (renacimiento), que busca reciclar en aplicaciones relativas al hormigón estructural todos los componentes de los neumáticos.

El objetivo de esta investigación es promover el uso de las fibras recicladas para alcanzar, por un lado, un mejor control de la fisuración (y por tanto mayor durabilidad en las estructuras de HA), y por el otro, contribuir a la sostenibilidad de la construcción al utilizar materiales reciclados de forma eficiente y racional.

2Marco teórico2.1La fisuración en elementos armados y fibrorreforzados

Las fisuras se forman en HA debido al deslizamiento entre hormigón y acero de armar. La integral de este deslizamiento diferencial entre dos puntos de deslizamiento nulo da lugar a la abertura de fisura, tal y como se muestra en la figura 1.

Figura 1.

Representación del concepto de adherencia/deslizamiento para HA.

(0,05MB).

El área entre las dos curvas (deformación del acero y deformación del hormigón) es la abertura de fisura. En la fisura, el alargamiento del hormigón es cero, mientras que el del acero alcanza su valor pico. Después de una longitud l, la compatibilidad entre hormigón y acero se ve restablecida. En términos matemáticos:

donde w=abertura de fisura; ɛsm=alargamiento medio del acero; ɛcm=alargamiento medio del hormigón; sm=separación media entre fisuras.

Observando la ecuación (1), resulta evidente que existen al menos dos maneras de reducir la abertura de fisura:

  • Reducir el alargamiento medio del acero.

  • Reducir la separación media entre fisuras.

Añadir fibras al hormigón da lugar precisamente a estos dos fenómenos. Como se muestra en la figura 2a, puesto que parte de la fuerza de tracción es resistida por las fibras, la tensión (y por tanto en régimen elástico el alargamiento) del acero disminuye. Para cuantificar este efecto en elementos de hormigón fibrorreforzado (en adelante, HFR) se tendrá que emplear análisis seccional no lineal puesto que la ley constitutiva del hormigón en tracción no permite resolver el equilibrio interno en forma cerrada.

Figura 2.

Efecto de las fibras en la reducción del alargamiento de las armaduras en HA y HFR (a) y en la reducción de la longitud de transferencia (b).

(0,4MB).

Por otro lado, tal y como se muestra en la figura 2b y se declara explícitamente en MC2010, la separación entre fisuras disminuye puesto que la fuerza que tiene que ser reintroducida por adherencia acero/hormigón disminuye, dado que en la fisura la fuerza de tracción en el hormigón no es nula.

Sumando estos efectos, la formulación para la abertura de fisuras propuesta por MC2010 es la siguiente:

donde c=recubrimiento geométrico, fctm=resistencia media a tracción del hormigón, fFtsm=resistencia residual media del HFR en servicio, τbm=tensión media de adherencia, Øs=diámetro de las barras en tracción, ρs,eff=cuantía efectiva de armadura, σs2=tensión del acero en la fisura, σsr=tensión del acero en el instante de la fisuración, β=factor de integración empírico para considerar el alargamiento medio a lo largo de ls,max, ηr=coeficiente relativo a la magnitud de la influencia de la retracción y ɛr=retracción considerada.

3Ley constitutiva del hormigón fibrorreforzado

En la figura 3 se muestra la ley constitutiva del HFR proporcionada por MC2010 y derivada del ensayo de flexotracción en tres puntos según EN14651 [13], de donde se obtienen las tensiones correspondientes a la abertura de los labios de la fisura en servicio (CMOD1=0,5mm) y en ELU (CMOD3=2,5mm). Se introduce la longitud característica lcs para poder trasformar un diagrama fuerza/abertura de fisura en uno de tensión/deformación. De acuerdo con MC2010, lcs se toma como el valor mínimo entre la altura de la zona en tracción (y) y la separación media entre fisuras srm. El hormigón se puede considerar lineal hasta alcanzar la resistencia a tracción.

Figura 3.

Ley constitutiva del HFR propuesta por MC2010. wu se toma igual a 3,5mm.

(0,1MB).

La separación media entre fisuras puede ser evaluada mediante la siguiente fórmula:

donde ls,max=longitud de transferencia; fFtsm=0,45·fR1; τbm=1,8fctm

Una vez obtenida la ley constitutiva del hormigón, se debe llevar a cabo un análisis seccional no lineal para obtener la tensión en la armadura. El programa PIEM [14] puede ser utilizado a estos efectos.

4La fibra reciclada

La fibra reciclada se obtiene como subproducto del reciclaje de neumáticos fuera de uso. El material de mayor valor obtenido en este proceso es el granulado de caucho, que se usa en múltiples aplicaciones. Actualmente existen en el mercado al menos cuatro métodos de reciclaje (véase [7]). El más difundido, y además el que se ha utilizado para obtener las fibras utilizadas en este estudio, es el desgarre de los neumáticos, que prevé el corte de los neumáticos en cuadrados de dimensiones predefinidas. Por tanto, aunque la longitud de las fibras es estocástica, la longitud máxima está limitada. Otra consecuencia del proceso de obtención es que, si la longitud máxima es demasiado grande, las fibras obtenidas están entrelazadas entre sí y por tanto no se pueden introducir sin más tratamientos en el hormigón. En la figura 4 se puede observar el aspecto de las fibras tras su obtención.

Figura 4.

Fibras recicladas de neumático fuera de uso. Fuente: elaboración propia.

(0,18MB).

Habitualmente, las fibras son tratadas como chatarra y enviadas a fundición, para obtener nuevo acero. Este proceso implica consumo de energía, puesto que, si se quieren obtener fibras comerciales, hay que transportar las fibras al horno, fundir el acero, extruirlo, cortarlo y darle forma. Por lo que se refiere a la fibra reciclada, el único proceso que implica gasto de energía para obtener fibras aptas para el uso en el hormigón es el desmarañado mediante vibración y tamizado. Se ha llevado a cabo un análisis de ciclo de vida que contabiliza los ahorros en términos de CO2 emitido a la atmósfera. La comparación se muestra en la figura 5.

Figura 5.

Comparación entre el CO2 emitido para obtener una tonelada de fibra nueva vs. procesado de la misma fibra para uso en hormigón.

(0,09MB).
Fuentes: WWF España, Universidad de Bath, SPRILUR.
5Campaña experimental5.1Campaña previa: vigas a escala

La campaña previa tenía como objetivo evaluar la eficacia de la fibra reciclada en la mejora del comportamiento a fisuración de elementos en HA. El esquema del ensayo se puede apreciar en la figura 6.

Figura 6.

Esquema del ensayo de la campaña previa (a) y sección transversal de las vigas. Dimensiones en mm (b).

(0,14MB).

Se trata de vigas sometidas a flexión sin cercos en la zona de momento constante. Las diferencias entre las distintas vigas ensayadas están en el tipo de fibra (reciclada o comercial) y la dosificación (desde 0,5 a 1,3% en volumen), mientras que la cuantía de acero (ρ=1,57%) y el recubrimiento (c=20mm) se mantienen constantes. Las fibras utilizadas son las siguientes:

  • Reciclada corta (l/Φ50)-serie TR (Twincon Recycled, debido al nombre de la empresa que ha proporcionado las fibras).

  • Reciclada larga (l/Φ150)-serie R (Recycled).

  • Industrial corta (l/Φ=81)-serie C (Commercial).

  • Industrial con gancho (l/Φ=86)-series CH (Commercial Hooked).

Las vigas se nombran XX-YY-ZZ-WW, donde XX se refiere al tipo de fibra, YY al diámetro de las barras de armadura en tracción (10mm), ZZ al recubrimiento (20mm) y WW al contenido en fibras. Se llevaron a cabo dos ensayos de flexotracción según EN14651, cuyos resultados se pueden apreciar en la tabla 1.

Tabla 1.

Resumen de las vigas ensayadas en la campaña previa y características mecánicas del hormigón

Viga  Cuantía en fibras (Vf/Vc) (–)  fcma (MPa)  fctm (MPa)  fR1mb (MPa) 
H-10-20-0%  33,1  3,1  – 
R-10-20-0.5%c  0,50%  34,7  5,5  5,6 
R-10-20-0.86%  0,86%  48,1  6,4  8,4 
C-10-20-0.86%  0,86%  32,7  5,5 
C-10-20-1.3%  1,30%  25,4  4,6  3,2 
CH-10-20-0.7%  0,70%  39  4,7  5,5 
TR-10-20-0.86%  0,86%  43,1  6,2  3,8 
TR-10-20-1.2%  1,20%  39,3  6,1  3,3 
a

fcm ensayo de compresión en cilindros de FRC.

b

Ensayo de flexotracción EN14651.

c

Este ensayo no pudo procesarse debido a que se produjo una rotura prematura por presencia de un erizo que impidió la penetración del hormigón en una zona de la probeta.

En la figura 7a se pueden apreciar los resultados de los ensayos de flexotracción, y en la figura 7b el detalle de la zona 0-0,5mm, de interés para el control de fisuración.

Figura 7.

Resultados de flexotracción de la campaña preliminar (a) y detalle de la zona 0-0,5mm (b).

(0,35MB).

A la vista de estos resultados, se puede concluir que las fibras recicladas largas tienen un comportamiento posfisuración mejor que las cortas, incluso en el caso de R-0.86% mejor que la fibra industrial con gancho CH-0.7%. Sin embargo, el hormigonado R-0,86% ha presentado grandes problemas por la formación de erizos de fibras. Por tanto, queda claro que se tiene que buscar el óptimo entre características mecánicas y trabajabilidad del hormigón fresco.

Las vigas se ensayaron según el esquema de la figura 6a midiendo el alargamiento del hormigón a lo largo de la zona de momento constante a la altura de las armaduras superiores e inferiores, y el número de fisuras en cada escalón de carga. En la tabla 2 se pueden apreciar los principales resultados obtenidos, de acuerdo con la metodología descrita en [8] y la comparación con las predicciones de MC2010.

Tabla 2.

Resumen de los resultados obtenidos en los ensayos preliminares de fisuración

Viga  sm medida (mm)  fftsm (MPa)  MC2010 sm (mm)  Errora (–)  wm medidab (μm)  Mejorac (–)  wm MC2010 (μm)  Errora (–) 
H-10-20-0%  68  –  111  39%  113  –  162  30% 
R-10-20-0.86%  48  3,8  72  33%  77  32%  24  −214% 
C-10-20-0.86%  67  1,4  95  30%  76  33%  57  −33% 
C-10-20-1.3%  67  1,4  91  26%  86  23%  68  −27% 
CH-10-20-0.7%  55  2,5  76  28%  37  67%  42  12% 
TR-10-20-0.86%  55  1,7  93  41%  39  65%  55  29% 
TR-10-20-1.2%  59  1,5  95  38%  42  63%  61  31% 
a

El error se evalúa como (1-sm,medido/sm,MC2010) y (1-wm,medido/wm,MC2010).

b

Medida para un momento flector de 6,25kNm.

c

La mejora se evalúa como (1-wHFR/wHA).

Tal y como se puede observar en la tabla 2, el fibrorrefuerzo mejora en todos los casos la abertura de fisura respecto de la probeta de HA. Las predicciones de MC2010 son en general cercanas a los resultados experimentales teniendo en cuenta la aleatoriedad de los procesos de fisuración. Existe un gran error para el caso de la viga R-10-20-0.86% que puede ser explicado por el hecho de que se obtuvo en el ensayo según EN14651 una resistencia residual anormalmente alta y, a la vista de estos resultados, quizás no realista. Ello apunta a la necesidad de aumentar el número de estos ensayos con objeto de poder descartar resultados anómalos y obtener valores estadísticamente más representativos.

5.2Fibras recicladas y hormigón utilizados en la campaña principal

El aspecto de las fibras puede ser observado en la figura 8a. La longitud de las fibras es estocástica. Por ello, se ha llevado a cabo un análisis de distribución de las longitudes, tal y como se puede apreciar en la figura 8b. Ello permite una mejor caracterización de la fibra y facilitaría, en su caso, la replicación de los ensayos.

Figura 8.

Aspecto de la fibra reciclada (a) y distribución estadística de las fibras recicladas utilizadas en la campaña principal (cortesía de Twincon Ltd.) (b).

(0,25MB).

Las fibras han sido introducidas junto con los demás componentes del hormigón en el camión en el siguiente orden: áridos, fibras, cemento, agua y aditivos. Cada hormigonado de 5m3 se ha subdividido en tres mezclas de 1,7m3. El tiempo de mezcla en fábrica ha sido de 15min. Otros 15min han sido necesarios en concepto de tiempo de desplazamiento entre la fábrica y la obra.

Se han utilizado dos cuantías de fibras, 0,5 y 1,0% en volumen. Durante el hormigonado no se han formado erizos. Ello se asocia con el uso de hormigón autocompactante. Las propiedades del hormigón utilizado en la campaña principal se detallan en la tabla 3, mientras que en la figura 9 se muestran los resultados de los ensayos de flexotracción según EN14651.

Tabla 3.

Características mecánicas del hormigón utilizado en la campaña principal

Serie  fcm (MPa)  fctm (MPa)  LOP (MPa)  fR,1m (MPa)  fR,2m (MPa)  fR,3m (MPa) 
0%  37,5  4,2  –  –  –  – 
0,50%  36,4  3,1  3,1  1,53  1,08  0,51 
1,00%  37,5  3,3  3,53  2,21  1,72  1,26 
Figura 9.

Ensayos de flexotracción: Vf=0,5% ensayo completo (a) y detalle de la zona 0-0,5mm (b); Vf=1,0% ensayo completo (c) y detalle de la zona 0-0,5mm (d).

(0,34MB).
5.3Vigas a escala 1:1

El esquema de ensayo de las vigas es similar al de los ensayos preliminares, y se muestra en la figura 10a Asimismo, las secciones de las vigas ensayadas se muestran en la figura 10b.

Figura 10.

Esquema de los ensayos en vigas a tamaño real (a) y secciones (b).

(0,19MB).

Los resultados de los ensayos en términos de abertura de fisura y mejora debida al uso de fibra reciclada se detallan en la tabla 4. Para cada serie, se detallan los resultados correspondientes al momento de servicio, que se toma como aquel que genera en la viga sin fibrorreforzar una tensión teórica (sobre sección fisurada) de 250MPa en la armadura. Los resultados de las vigas sin fibra se toman de la referencia [8].

Tabla 4.

Resultados en términos de fisuración para las vigas de la campaña principal

Viga  Mk (kNm)  wmax MC2010 (μm)  wmax medida (μm)  Mejoraa (–)  Errorb (–) 
12-20-0%  50  272  310  –  −14% 
12-20-0.5%  50  150  150  107%  0% 
12-20-1%  50  135  120  158%  11% 
12-70-0%  46  456  420  –  8% 
12-70-0.5%  46  209  210  100%  0% 
12-70-1%  46  141  130  223%  8% 
25-20-0%  180  199  340  –  −71% 
25-20-0.5%  180  148  200  70%  −35% 
25-20-1%  180  131  250  36%  −91% 
25-70-0%  157  327  610  –  −87% 
25-70-0.5%  157  246  320  91%  −30% 
25-70-1%  157  220  400  53%  −82% 
a

La mejora se evalúa con respecto a las vigas en HA como (1-wFRC/wRC).

b

El error se evalúa como (1-wmax,medida/wmax,MC2010).

Tal y como se puede apreciar en la tabla, la adición de fibra reciclada conlleva siempre una mejora en el comportamiento a fisuración, a pesar de que las características mecánicas del fibrorrefuerzo son modestas. Ello es especialmente cierto en el caso de escasa armadura y grandes recubrimientos como es el caso de la viga 12-70-1%, en la cual se ha medido una mejora de más del doble en la abertura de fisura.

Se nota también que las predicciones de acuerdo con MC2010 se ajustan de forma satisfactoria a las mediciones experimentales, teniendo siempre en cuenta la aleatoriedad del fenómeno. El error es menos para vigas con cuantías menores, mientras que para las vigas armadas con barras de 25mm la formulación tiende a infravalorar los valores experimentales.

5.4Soportes con desplazamiento impuesto

Otro tipo de estructuras cuyo proyecto se ve condicionado por la abertura de fisura son los soportes de las estructuras integrales, es decir, aquellas construcciones en las que los desplazamientos impuestos son absorbidos mediante flexión de las columnas (fig. 11).

Figura 11.

Concepto de los ensayos de soportes y su relación con estructuras reales.

(0,1MB).

También se ha llevado a cabo una campaña experimental para estudiar este tipo de problema. Las columnas ensayadas están sometidas a un axil constante (mediante una barra postensada) y un desplazamiento impuesto en cabeza. Los parámetros estudiados son: diámetro de las armaduras en tracción (12 y 25mm), contenido en fibras Vf y axil reducido ν. El esquema del ensayo se puede apreciar en la figura 12.

Figura 12.

Esquema del ensayo de soportes (a) y secciones de las probetas (b).

(0,36MB).

Los ensayos se llevan a cabo en control de desplazamiento hasta la rotura de la probeta. En la figura 13 se pueden apreciar las gráficas fuerza/desplazamientos de los ensayos llevados a cabo. Una primera constatación es que la adición de fibras, al prevenir la expulsión del recubrimiento, evita el pandeo de las barras en compresión y por tanto aumenta la ductilidad de los soportes. Esta característica del fibrorrefuerzo resulta muy interesante para aquellas aplicaciones en las que se requiere mucha ductilidad a los elementos en HA, como por ejemplo las estructuras en zona sísmica.

Figura 13.

Diagramas F/δ para los ensayos de soporte con armadura Ø12mm (a) y Ø25mm (b).

(0,24MB).

Los resultados en términos de fisuración se presentan en la tabla 5, para dos niveles de tensión teórica en el acero en tracción (250 y 300MPa) en una sección sin fibrorreforzar. En este caso, la mejora no es tan clara como en el caso de los ensayos de vigas. Asimismo, se nota una dispersión mayor entre los valores predichos y los medidos. Ambos efectos pueden estar relacionados con la presencia de los cercos, que influyen en la separación media entre fisuras, lo que en elementos sometidos a momento variable puede llevar a concentraciones de deformaciones en el acero y por tanto a aberturas de fisuras mayores de lo esperable. Aun así, a la vista de los resultados se puede decir que la adición de fibras mejora en general el comportamiento a fisuración.

Tabla 5.

Resultados en términos de fisuración para los ensayos de soportes

  σs2=250MPaσs2=300MPa
Soporte  wmax MC2010 (μm)  wmax medida (μm)  Mejoraa (–)  Errorb (–)  wmax MC2010 (μm)  wmax medida (μm)  Mejoraa (–)  Errorb (–) 
12–30-0%  186  125  –  33%  295  175  –  41% 
12-30-0.5%  155  152  −22%  2%  241  230  −31%  5% 
12-30-1%  132  95  24%  28%  208  113  35%  46% 
25–30-0%  154  232  –  −51%  217  377  –  −74% 
25-30-0.5%  120  287  −24%  −139%  169  382  −1%  −126% 
25-30-1%  108  50  78%  54%  152  111  71%  27% 
12–80-0%  184  189  –  −3%  293  249  –  15% 
12-80-0.5%  142  163  14%  −15%  214  238  4%  −11% 
12-80-1%  123  219  −16%  −78%  185  165  34%  11% 
25–80-0%  154  186  –  −21%  217  162  –  25% 
25-80-0.5%  119  124  33%  −4%  169  173  −7%  −2% 
25-80-1%  103  176  5%  −71%  149  182  −12%  −22% 
a

La mejora se evalúa, en cada serie, con respecto al soporte en HA como (1-wHFR/wHA).

b

El error se evalúa como (1-wmax,medida/wmax,MC2010).

6El proyecto Anagennisi

En el marco del proyecto de investigación europeo (FP7) Anagennisi (renacimiento) [15], se están estudiando aplicaciones en las cuales las fibras recicladas suponen una clara mejora de cara a la sostenibilidad de las estructuras de hormigón.

Una primera aplicación con un gran potencial son las estructuras de contención de líquidos. En la referencia [16], se detalla el ejemplo de un depósito de agua circular de HA de 12.300m3 de capacidad con un diámetro interno de 56,00m y una altura máxima de agua de 5,25m. Este estudio concluye que dependiendo de la limitación de la abertura de fisura, se puede ahorrar entre un 37 y un 32% en términos de coste, un 48% en términos de emisión de CO2 y entre un 16 y un 21% en términos de consumo energético.

Una segunda aplicación con gran potencial está en el aumento de la esbeltez en forjados de edificación. Para losas, que son elementos con baja cuantía de armadura (en torno al 0,5%), el uso de fibras permite esbelteces significativamente mayores, lo cual supone una reducción en el gasto de hormigón que, sin embargo, debe compensarse con la adición de fibras. A pesar de ello, dado que la huella medioambiental de la fibra reciclada es muy pequeña, su uso en este tipo de aplicación daría lugar a una clara mejora desde el punto de vista de la sostenibilidad de las estructuras de hormigón. En este caso, para evitar un aumento significativo de la cuantía de armadura, resulta necesario considerar el aporte de las fibras a la resistencia de las secciones en ELU, lo cual es viable siempre y cuando la resistencia residual para un CMOD=2,5mm sea, al menos, la mitad que la correspondiente a un CMOD=0,5mm. Se trata de un nivel que es alcanzable con fibras recicladas, con un adecuado control de fabricación. En la referencia [17] se presenta un estudio de límites de esbeltez en el que se comparan los límites de esbeltez de vigas fibrorreforzadas, considerando una ley de ablandamiento muy modesta (fRm1=0,5fctm, y fRm3=0,25fctm) con los límites de esbeltez correspondientes a soluciones convencionales. En la tabla 6, se muestra un resumen del estudio en el que se puede ver que el canto de los forjados se podría reducir entre un 20 y un 38%, lo cual supone una mejora significativa.

Tabla 6.

Comparación del canto necesario para cumplir con el ELS de deformaciones para una cuantía geométrica del 0,5%, distintos valores de la relación carga permanente/carga total

      L (m)  dRC (m)  dFRC (m)  hRC (m)  hFRC (m)  hFRC/hRC 
C30/37qG/QTot=0,5Simplemente apoyado0,29  0,21  0,34  0,26  78% 
0,38  0,29  0,43  0,34  78% 
Continuo0,19  0,14  0,24  0,19  80% 
0,26  0,19  0,31  0,24  79% 
qG/QTot=0,75Simplemente apoyado0,36  0,27  0,41  0,32  77% 
0,48  0,36  0,53  0,41  77% 
Continuo0,24  0,18  0,29  0,23  79% 
0,32  0,24  0,37  0,29  78% 
C60/75qG/QTot=0,5Simplemente apoyado0,2  0,11  0,25  0,16  66% 
0,27  0,15  0,32  0,20  64% 
Continuo0,13  0,08  0,18  0,13  69% 
0,18  0,1  0,23  0,15  66% 
qG/QTot=0,75Simplemente apoyado0,26  0,15  0,31  0,20  64% 
0,34  0,19  0,39  0,24  62% 
Continuo0,17  0,1  0,22  0,15  66% 
0,23  0,13  0,28  0,18  64% 
7Conclusiones

A la luz de lo expuesto anteriormente, se pueden sacar las siguientes conclusiones:

  • La adición de fibras al HA con barras convencionales es una solución técnica y económicamente atractiva para aquellos problemas condicionados por limitaciones en el ancho de fisura (p.ej., estructuras en ambientes agresivos, estancas, integrales).

  • La fibra reciclada es una opción viable de fibrorrefuerzo. Los resultados obtenidos en este estudio muestran mejoras significativas a pesar de las modestas propiedades residuales de las fibras utilizadas. Al utilizar fibras con mejores propiedades es de esperar que la mejora en términos de abertura de fisura sea aún mayor.

  • La metodología de análisis propuesta por MC2010 es de simple implementación en la práctica ingenieril de todos los días, siendo la única dificultad tener que llevar a cabo un análisis seccional no lineal.

  • Dentro del proyecto Anagennisi, se están estudiando aplicaciones potenciales de las fibras recicladas habiendo identificado dos candidatos muy claros: las estructuras de contención de aguas y los forjados de edificación. Ambas aplicaciones se caracterizan por cuantías de armado bajas, para las cuales los efectos de contribución del hormigón entre fisuras son significativos y por venir condicionados por los estados límites de servicio.

Agradecimientos

Los ensayos se llevaron a cabo en el Laboratorio de Estructuras de la ETSICCP de la UPM en el marco del programa de investigación «Uso de hormigones con fibras recicladas de NFU en estructuras integrales» liderado por COMSA-EMTE, S.A. y financiado parcialmente por el Centro de Desarrollo Tecnológico Industrial (CDTI), proyecto número IDI_2011480. El proyecto Anagennisi cuenta con financiación de la Unión europea dentro del Programa marco FP7.

Los autores querrían expresar su agradecimiento al Prof. Peter Waldron de la Universidad de Sheffield y Twincon ltd. por haber proporcionado las fibras recicladas.

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