EFECTO DE LA ADICIN DE FIBRAS EN LOSAS DE CONCRETO

Grupo CECATA Fredy Reyes Lizcano Ph.D. Universidad Javeriana

Grupo Geotecnia. Universidad Militar Nueva Granda. Oscar Javier Reyes Ortiz MsC. Javier Fernando Camacho Tauta MsC

INTRODUCCIN El pavimento de concreto surge como una alternativa viable tanto tcnica como econmicamente para la construccin de vas, teniendo en cuenta las caractersticas de duracin y calidad presentes en el material, cuya resistencia se ha venido mejorando a travs del tiempo con el empleo del refuerzo. En Colombia las tcnicas de pavimentacin que utilizan como material predominante el concreto hidrulico no han sido muy utilizadas en el desarrollo de la red vial nacional, esto debido quizs al alto costo inicial que esta tcnica requiere frente a otras ya muy conocidas en nuestro medio. Los pavimentos rgidos presentan gran variedad de aspectos favorables frente a las otras tcnicas, estos requiere de poco mantenimiento y puede su vida til llegar a ser mayor de 50 aos, aunque presentan tambin rasgos negativos, ya que son en gran medida vulnerables a factores ambientales como la humedad, la erosin y la temperatura principalmente. El objetivo principal de est investigacin fue introducir a una mezcla de concreto hidrulico fibras metlicas y sintticas para determinar el efecto que estas generan en las propiedades mecnicas y dinmicas, as como su posible empleo en la industria de la construccin de vas para mitigar los factores vulnerables de una estructura de pavimento rgido. PALABRAS CLAVES Mdulo dinmico, losas de concreto, fibras sintticas, fibras metlicas, compresin simple, mdulo de rotura y ensayo a flexin. MARCO TERICO

En 1811, Dabbs obtuvo la patente para producir concreto, lo cual mejor la calidad en los morteros; posteriormente el 21 de Octubre de 1824, Joseph Aspdin, obtuvo la patente para producir el primer cemento Portland.

El desarrollo del concreto propiamente dicho como material de construccin de vas empez hacia principios del siglo pasado, poco despus de la obtencin de la patente del Cemento Prtland (1824) y posteriormente se afianz con la invencin del concreto armado, la cual se atribuye a Jack Monier en 1861. A partir de ese momento el concreto se emplea en pavimentaciones de diversa ndole. Su primera aplicacin tuvo lugar en algunas arterias urbanas de ciudades europeas, pasando despus a Estados Unidos en donde en el ao de 1909 se construye la primera carretera con concreto rgido. Posteriormente aparecen los pavimentos de hormign armado con juntas, los cuales fueron creados en una poca en la que las juntas constituan un punto dbil y un problema de conservacin. La misin de los pasadores no es estructural, lo que sera antieconmico, sino es la de mantener unidas las fisuras que inevitablemente aparecen en losas largas. Ref (1) Actualmente se ha llegado a utilizar refuerzo en el concreto para pavimentos mediante fibras de acero, las cuales tienen unas caractersticas especficas que garantizan su calidad como son: aumento de la resistencia a traccin y a la fatiga, mejor comportamiento a flexotraccin, fisuracin controlada, resistencia al impacto, durabilidad, entre otras. Se pueden utilizar diferentes tipos de fibras, por ejemplo, de acero, la cual posee un dimetro que vara en un rango de 0.50 mm hasta 50 mm. En algunas investigaciones se propuso el uso de las fibras de vidrio pero resultaron muy costosas. Las fibras de asbesto hacen parte de las nuevas tcnicas pero su inconveniente es que aumentan la relacin agua cemento debido a que dichas fibras absorben grandes cantidades de agua y lo vuelven antieconmico. Ref (2) Despus de un proceso investigativo se logr descubrir que al adicionar al concreto fibras cortas y discontinuas de acero, estas tenan la capacidad de absorber energa y ayudaban a fortalecer la mezcla, con el fin de encontrar un material que contribuyera a mejorar la calidad del pavimento rgido con refuerzo. El concreto se ha empleado para conformar los llamados pavimentos rgidos los cuales estn constituidos por una losa de concreto hidrulico, apoyada sobre la subrasante o sobre una capa de material seleccionado, denominada subbase del pavimento rgido. Debido a la alta rigidez del concreto hidrulico, y a su elevado coeficiente de elasticidad, la distribucin de los esfuerzos se produce en una zona muy amplia, razn por la cual se concibi la idea de un pavimento ms resistente gracias al uso de refuerzo, denominndolo pavimento de concreto armado. Los pavimentos de concreto han logrado un alto grado de desarrollo y una gran competitividad, mejorando as sus caractersticas de durabilidad, capacidad para repartir las cargas y calidad de la superficie de rodadura. Los pavimentos de concreto estn formados exclusivamente por la losa de concreto, la cual se coloca sobre la subrasante sobre la base. La capa de subbase es importante incluirla en los pavimentos de concreto porque evita problemas tales como: la expansin y contraccin excesiva del suelo, el congelamiento y la posible falla por bombeo. En cuanto al tamao mximo nominal del agregado grueso no debe ser mayor de 1/3 del espesor de la losa. Ref (3)

El curado es de vital importancia para el pavimento de concreto, ya que es en esta etapa donde se asegura la resistencia de dicho material, adems este tipo de pavimentos ofrece una serie de ventajas como son:

Son durables y fciles de reparar, siendo esenciales en aquellos municipios donde no se dispone de recursos suficientes.

Presenta una buena superficie de rodadura, gracias a la mayor rigidez que brinda evitando la formacin de roderas y a su inalterabilidad ante carburantes y aceites que los hacen fiables para mantener una correcta superficie de rodadura.

Muestran una ejecucin sencilla, no es necesario personal especializado y la maquinaria puede ser normal para una obra pequea.

Se puede utilizar gravas y arenas locales, los pavimentos se pueden disponer sobre explanadas de baja calidad e incluso sobre rellenos compactados recientemente.

Se constituyen en una solucin a largo plazo, pues su funcionalidad esta dada de 20 a 50 aos de servicio. Ref (4)

Estudios realizados en universidades nacionales e internacionales han determinado que la dosificacin de los hormigones fibrosos es similar a la de .los hormigones convencionales con la nica excepcin de la proporcin de los ridos gruesos. En el concreto fibroso muchas veces se hace necesario agregarle agentes aireantes, fluidificantes plastificantes, ya que se presenta una escasa fluidez de la mezcla a causa de las fibras. Los hormigones reforzados con fibras adquieren gran resistencia a la flexin, tenacidad, impacto y fatiga dinmica entre otras propiedades mecnicas, proporcionando al mismo tiempo una fisuracin menor. Los principales efectos que se encuentran al adicionar fibras de acero a los concretos son los siguientes:

Mejora el comportamiento a flexin.

Incrementa la resistencia a la rotura.

Reduce la deformacin bajo cargas mantenidas.

Aumenta la resistencia a la traccin.

Incrementa las resistencias al impacto, al choque y a la fatiga dinmica.

Disminuye la fisuracin

Aumenta la durabilidad. La resistencia del hormign de fibras es inferior a la que poseera si todo el volumen de fibras estuviese en forma de barras convencionales armando la zona traccionada, adems se presenta una resistencia postfisuracin muy elevada. Ref (5). Algunos mtodos para determinar las propiedades elsticas del concreto son los llamados mtodos dinmicos. En este caso la respuesta de los materiales a pequeas cargas dinmicas es determinada midiendo la frecuencia natural de vibracin o la medida de la velocidad con que las ondas de sonido viajan a travs del concreto. Con el establecimiento de relaciones fsicas, las cantidades medidas pueden ser convertidas en valores de mdulos de elasticidad o de relacin de Poisson. En estos mtodos de ensayo las fuerzas aplicadas al concreto son muy pequeas y se aplican en periodos cortos de tiempo.

Debido a las vulnerabilidades de los pavimentos rgidos mencionadas anteriormente, se han propuesto nuevas tcnicas para la implementacin de este, segn menciona la literatura especializada se pueden aadir fibras de polipropileno, poliolefina, nylon o fibras metlicas. Dentro de las principales ventajas que ofrece la adicin de fibras sintticas o metlicas en el pavimento rgido estn, el aumento de la resistencia al agrietamiento, el incremento de las caractersticas de tenacidad o ductilidad del concreto, el mejoramiento de la transferencia de carga a El mayor uso de las fibras sintticas ha sido en la construccin de carreteras e intersecciones viales en Estados Unidos y parte de Mxico, prueba de ello son las intersecciones en Allentown (Pennsylvania), Louisville (Kentucky), Iowa Highway 21, Condado de Iowa, Aeropuerto Espritu de San Luis, zonas urbanas de Tijuana entre otras, Ref (6) mientras que las fibras metlicas se han implementado en mayor nmero en la fabricacin de pisos industriales sometidos a un gran desgaste por abrasin, rasguos e impactos, esto gracias a la virtud que tienen estas fibras de prevenir fracturas y astillamientos en la superficie, adems mejoran la resistencia a las salpicaduras de aceite y sustancias qumicas. METODOLOGA DE LA INVESTIGACIN

Para el desarrollo de esta investigacin se realizaron las siguientes etapas:

1. Determinacin del diseo de mezcla del concreto para la investigacin. El diseo de mezcla (la combinacin porcentual de gravilla, arena, cemento y agua) fue suministrado por la planta de concreto de Morato, donde se tomaron tres tipos de relacin de agua/cemento (0.4, 0.42 y 0.44), escogiendo al final la relacin 0.44, ya que con est se obtuvieron las mximas resistencias (5000 psi a los 28 das). Foto No. 1

Foto No. 1

2. Realizacin de muestras para determinar las propiedades mecnicas y dinmicas

de la mezcla de concreto con y sin adicin de fibras metlicas y sintticas. Con el diseo de mezcla descrito anteriormente, se determin emplear como reemplazo de material granular fibras de desperdicio metlico procedentes de tornos y fibras sintticas industriales constituidas por polipropileno. Los porcentajes de reemplazo en peso fueron entre el 0.01-0.16% para los polipropilenos y 0.3 a 0.23% para las fibras metlicas. Las muestras construidas fueron cilindros de 30 centmetros de alto por 15 centmetros de dimetro, con ellos se ejecutar los ensayos de compresin simple y mdulo dinmico. Las muestras para la determinacin de flexotraccin fueron vigas rectangulares. Para las muestras de fibras sintticas se construyeron siete muestras con diferentes porcentajes de adicin de polmero y cinco para las muestras con adicin de desperdicio metlico. En la foto No. 2, se observa la fibra de .

Foto No. 2

3. Ejecucin de ensayos de compresin simple, flexotraccin y mdulo dinmico.

Los ensayos realizados a compresin simple, flexotraccin y mdulo dinmico se efectuaron a los 28 das de curado. Las frecuencias empleadas para los ensayos de mdulo dinmico fueron a 1, 10 y 25 Hz y a temperatura ambiente. En la foto N. 3, se observa el ensayo a flexotraccin.

Foto No. 3

4. Anlisis de resultados y conclusiones de la investigacin.

Luego de ejecutados y analizados los ensayos de compresin simple, mdulo dinmico y flexotraccin para las muestras con y sin adicin de fibras metlicas y sintticas, se pudo determinar el efecto que estas generan en las propiedades mecnicas y dinmicas de una estructura de pavimento rgido.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Una vez ejecutados todos los ensayos y analizados, se grafico los valores de las propiedades mecnicas o dinmicas con respecto a la adicin de fibras (sintticas y metlicas), pudiendo concluir: Segn la figura No. 1, se determin que adicionar fibras sintticas sin importar el porcentaje y sus caractersticas, no mejoraba el mdulo dinmico para ningn tipo de frecuencia. La adicin de fibras metlicas a la mezcla de concreto hidrulico presenta un aumento considerable en los valores de los mdulos dinmicos, los cuales se analizaran detalladamente con la figura N. 2.

MODULO DINAMICO

(CONCRETO CON FIBRAS)

200000

220000

240000

260000

280000

300000

320000

340000

360000

1 10 100

Frecuencia (Hz)

Mo

du

lo D

inam

ico

(kg

/cm

^2)

FIBRAS METALICAS

FIBRAS MD

FIBRAS 1/2

SIN FIBRAS

Figura No. 1

En la figura N.2, se puede concluir que al adicionar fibras metlicas a la mezcla de concreto hidrulico y sin importar la frecuencia del ensayo, se incrementa el mdulo dinmico. Los mayores incrementos (26 y 30%) se obtuvieron para las frecuencias de 10 y 25Hz respectivamente. Para la frecuencia de 1 Hz, el incremento solo fue del 4%. Con respecto a la adicin de fibras sintticas de tipo polipropileno, siempre se obtuvo descenso del mdulo dinmico.

MODULO DINAMICO

POR ADICION DE FIBRAS

-15%

-10%

-5%

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

FRECUENCIA

% I

NC

RE

ME

NT

O

FIBRAS 1/2

FIBRAS MD

FIBRAS METALICAS

Figura No. 2

Para los ensayos a la compresin simple, se puede concluir con base en la figura N. 3, que para cualquier adicin de fibras se presenta incrementos en la resistencia. Es importante resaltar que los mayores incrementos se encuentran para los pequeos porcentajes de adicin de fibras, siendo estos del orden del 65%. Para los otros porcentajes de adicin n de fibras, el incremento tiende al 40%.

RESISTENCIA

COMPRESIN SIMPLE

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

0.00% 0.05% 0.10% 0.15% 0.20% 0.25%

% FIBRAS

% I

NC

RE

ME

NT

O

Metlicas

MD

1/2"

Figura No. 3

En la figura N. 4, se puede observar que el efecto de las fibras sintticas tipo MD y las metlicas crean incrementos en la flexotraccin del orden del 20 y 13% respectivamente, para los porcentajes ptimos. Sin embargo, para las fibras sinttica MD, se crea un descenso brusco en la propiedad de la flexotraccin para los porcentajes comprendidos entre 0.025% y 0.10%. De otra parte, para las fibras metlicas con porcentajes altos (0.25%), la flexotraccin tiende a no ser afectada por las fibras.

RESISTENCIA

FLEXOTRACCION

-20%

-15%

-10%

-5%

0%

5%

10%

15%

20%

25%

0.00% 0.05% 0.10% 0.15% 0.20% 0.25%

% FIBRAS

% I

NC

RE

ME

NT

O

Metlicas

MD

Figura No. 4

Es necesario dejar en claro que aunque la adicin de fibras metlicas mejora notablemente algunas caractersticas de la mezcla, dentro del estudio no es tenido en cuenta la accin de algunos agentes naturales y artificiales que pueden afectar notablemente este tipo de fibras, tales como el viento, el agua y la temperatura o soluciones cidas o salinas que puedan corroer las fibras metlicas modificando as sus caractersticas iniciales y por ende sus propiedades mecnicas y dinmicas a largo plazo. Es importante para futuras investigaciones realizar tramos de prueba o ensayos en pistas para determinar el efecto de las fibras ante el efecto climatolgico y la fatiga.

BIBLIOGRAFIA

1. Kraemer Carlos. Firmes y pavimentos. Tomo III. Madrid. Universidad Politcnica de

Madrid. 1992. 2. Jaimes, William y otros. Efecto en las propiedades mecnicas de una estructura de

pavimento rgido por la adicin de tapas. Universidad Militar Nueva Granada. 2001. 3. Londoo, Cipriano. Diseo, construccin y mantenimiento de pavimentos de concreto.

ICPC. 2000 4. Reyes, Freddy Alberto. Diseo de pavimentos por mtodos racionales. Universidad

Javeriana 2003. 5. .Beltrn, Diana y otros. Concreto con adicin de fibras metlicas para pavimentos rgidos.

Universidad Militar Nueva Granada. 1999. 6. HENRICHSEN A. Extendidos delgados de concreto reforzado con fibras sobre asfalto.

Bloques de pavimento y pavimentos de concreto. !984. 7. American concrete pavement association (ACPA). Static and dynamic elastic modulus of

concrete as affected by mix compositions and compressive strength. 1995 8. Kolias S, William. Relationsships between the static and the dynamic modulus of elasticity

in cement stabilized materials. Surrey of Univeersity. G.B. 9. PCA. Disegn and control of concrete mixtures. 1979.