Ensayos Bloque IV
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BLOQUE IV: ENSAYOS.
1. INTRODUCCIÓN
Una vez adquiridos los conocimientos necesarios para poder interpretar resultados
de mecánica de la fractura en hormigón; realizado un resumen histórico de estudios
sobre las fibras de polipropileno en hormigones; y definido el número de probetas que
van a ser ensayadas, es el momento de la realización de los ensayos.
Para poder establecer resultados, es necesario hacer mediciones de la forma más
directa posible. Para ello es necesario, en primer lugar, disponer de un equipo que
consiga cargar las probetas de la forma deseada y que permita controlar todos los
parámetros posibles y en segundo lugar elementos mediante los cuales sea posible
realizar mediciones de variables y que estas sean lo más exactas posibles. La carga de la
probeta se consigue con el uso de una máquina servo hidráulica y para realizar las
mediciones se utilizan transductores de desplazamientos y células de carga.
En este bloque, se van a describir todos y cada uno de los elementos utilizados para
la realización de los ensayos, con sus usos y características, justificando su elección.
Además se va a realizar una descripción de los ensayos, desde el procedimiento de los
ensayos hasta las evidencias experimentales que se obtienen directamente de la
observación de los ensayos.
2. ELEMENTOS UTILIZADOS EN LOS ENSAYOS
Una vez definidas las dimensiones y número de probetas que van a ser ensayadas, es
necesario adecuar la máquina de ensayo para su correcta utilización. En el laboratorio se
dispone de una máquina de ensayos dinámica servo hidráulica con una capacidad de
carga de 25 kN dinámica y de 50 kN estática.
La máquina de ensayos está equipada con dos mordazas de cierre y apertura
hidráulicos. La mordaza superior realiza el movimiento de aproximación para la
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preparación del ensayo y se fija antes de comenzar el ensayo, y la inferior es la que se
desplaza durante el ensayo. Entre la mordaza superior y el cilindro que lo une al marco
se encuentra colocada la célula de carga estática de 50 kN, con la cual se realiza la
medición de la carga aplicada a la probeta. La mordaza inferior esta acoplada a un
pistón que realiza el movimiento (actuador), el cual posee su propio transductor de
desplazamiento. Esta medición que da la máquina de desplazamiento no será
considerada como una medida fiable, por lo que se utilizarán transductores
independientes.
Figura 2.1: Máquina de ensayos servo hidráulica.
Las mordazas tienen una cogida especialmente preparadas para atrapar elementos
cilíndricos, no obstante también es posible que realicen una buena sujeción de
elementos no cilíndricos, por lo que el acople de elementos intermedios a estas no
requiere mayor dificultad.
El equipo de ensayo dispone de un mando de control sobre el que se puede realizar
la aproximación inicial entre las mordazas, el cierre y apertura de las mordazas y la
interrupción inmediata del ensayo.
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Los ensayos que son necesarios realizar requieren tres puntos de apoyo, para lo cual
es necesario adecuar la máquina por medio de elementos auxiliares.
El primer y más importante elemento auxiliar que se coloca a la máquina de ensayos
es una viga de perfil IPE, con el fin de conseguir dos puntos de apoyo inferiores. Para
la colocación de esta viga de 1,5 metros de longitud, ha sido necesario ingeniar un
sistema mediante el cual la viga quede unida de forma solidaria a la mordaza inferior.
Un factor que puede ser de gran influencia sobre los resultados obtenidos es la
posibilidad de realizar los ensayos en un estado tensional distinto del estado de flexión
pura. Con el fin de evitar que en el ensayo se produzcan tensiones diferentes a las
puramente producidas por la flexión en tres puntos, es necesario colocar apoyos de
características especiales. Se utilizan tres apoyos de rodillo, uno en la mordaza superior
y otros dos sobre la viga IPE.
El apoyo superior se coloca en la mordaza superior por medio de un elemento
intermedio que permite ser atrapado por la mordaza (figura 2.3). Los apoyos de rodillo
inferiores, se colocan sobre unos carritos que ruedan sobre unos rieles practicados sobre
la superficie superior de la viga (figura 2.2). Al estar la probeta apoyada sobre unos
rodillos que permiten el deslizamiento, la zona traccionada de la probeta se encontrará
en un estado de flexión pura. En el caso contrario, si los rodillos no permiten el
deslizamiento entre ellos, se producirían tensiones de compresión en la cara inferior de
la probeta, por lo que las tracciones en esos puntos no se corresponderían a las de
flexión pura.
Figura 2.3: Sujeción a mordaza del apoyo superior.
Figura 2.2: Apoyo inferior Figura 2.3: Sujeción a mordaza de apoyo superior
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No obstante, no sólo es necesario permitir el desplazamiento de los apoyos
inferiores, además, es necesario evitar tensiones de torsión. Para ello dos de los tres
rodillos se permite el giro en dirección transversal, por lo que evita que se generen
tensiones de torsión que modificarían los resultados.
Ya se ha comentado que la máquina de ensayos da una medida del desplazamiento
de la mordaza inferior. El objetivo de los ensayos es obtener los puntos de la curva
carga-desplazamiento en el centro de la probeta. Por tanto la medida más fiable para
medir la flecha es medir en el centro de la probeta, respecto a los apoyos de esta. Si se
considera como medida válida la que ofrece la máquina de ensayos, se están asumiendo
como parte del desplazamiento, todas las deformaciones que existen desde la mordaza
inferior hasta la superior, pasando por las deformaciones de la propia viga IPE, las
deformaciones de los apoyos, las deformaciones del marco de la máquina de ensayos,
las deformaciones locales de asentamiento en la zona de contacto probeta-apoyo de
rodilla…etc. Por tanto, para evitar todos estos errores en las mediciones se utiliza un
transductor de desplazamientos independiente del equipo.
El dispositivo utilizado para medir el desplazamiento en el centro de la viga es un
transductor de desplazamientos LVDT de la marca Solatron, modelo AX/5/S analógico.
Modelo A C B1 B2
AX/5/S 87.00 4.00 25.40 14.40
Figura 2.4: Geometría del transductor LVDT
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Transductor de desplazamientos LVDT AX/5/S
Rango de medida (mm) ±5
Precisión (% o µm) 0.5 % / 5 µm
Resolución (analógico) dependiente de electrónica
Sensibilidad (mV/V/mm ±5 %) 40 / 105
Temperatura de funcionamiento (ºC) -40 ºC, +100 ºC
Tabla 2.1: Características del transductor LVDT
Para realizar la medida del desplazamiento en el centro exacto de la probeta, es
necesario acoplarle una pletina de pequeñas dimensiones como la que se observa en la
figura 2.3. Para sostener el transductor se utiliza un brazo hidráulico de fácil ajuste
manual que posee una base magnética. El desplazamiento del centro de la probeta es
necesario referirlo a un punto para obtener el desplazamiento relativo del centro de la
probeta a la zona de contacto probeta-rodillo. Debido a la dificultad real que existe para
realizar este montaje, se coloca la base magnética en la viga IPE justo debajo del punto
de apoyo de la probeta. De este modo, tanto las deformaciones que se producen en la
viga como las del marco de la máquina no son introducidas como error en la medición
del desplazamiento en el centro de la probeta.
Figura 2.5: Montaje del transductor de desplazamientos sobre una probeta de ET1
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Con el fin de que la propagación de la grieta durante el ensayo se lo más estable
posible, la velocidad de aplicación de la carga ha de ser lo suficiente baja. Además esta
estabilidad es aún mayor si el control se realiza en apertura de la grieta (CMOD del
Inglés “Crack Mouth Opening Displacement”). Para ello se tiene un transductor de
pinzas de alta precisión que mide la apertura entre las dos caras de la entalla. Esto se
consigue con la colocación de dos cuchillas adheridas al hormigón, sobre las que se
coloca las pinzas (Figuras 2.6). Para la colocación de estas cuchillas es necesario utilizar
un pegamento especial para superficies de hormigón.
Figuras 2.6 y 2.7: Pegado de cuchillas porta pinzas y pinza colocada sobre la probeta.
El transductor de pinzas utilizado es de la marca Kyowa, modelo DTC-A-5 y sus
dimensiones vienen detalladas en la figura 2.8. Las cuchillas auxiliares que son
necesario colocar se suministra con cada equipo.
Figura 2.8: Geometría del transductor de pinzas.
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Transductor de desplazamientos Pinzas DTC-A-5
Rango de medida (mm) 5 mm (de 4 a 9 mm)
Precisión (% ±1%
Peso (gramos) Aprox. 20 g
Sensibilidad (mV/V) 2.5 mV/V (5000 µm/m) +20/-10 %
Temperatura de funcionamiento (ºC) -10 ºC, +60 ºC
Tabla 2.2: Características del transductor de Pinzas DTC-A-5
La máquina de ensayos dispone de un programa informático que trata y almacena la
señal que recibe de los diferentes canales de medida. El programa utilizado se denomina
PCD 2K. Las principales ventanas que posee este programa es la de generación de
funciones, trazador, configuración de trazador, control y alarmas. En la configuración
del trazador es posible configurar en número de puntos que se van de tomar en cada
ensayo y cada cuanto tiempo se realiza el muestreo. Como el número de probetas a
ensayar es muy alto, se estima un tiempo de ensayo de entre 1 y 2 horas por probeta, por
lo que se realiza un muestreo cada 0.2 segundos.
Con la ventana de control es posible aproximar las mordazas antes de comenzar el
ensayo y decidir bajo que señal se realiza la aproximación. La ventana de alarmas, se
puede configurar para que no se sobrepasen una serie de limitaciones previamente
establecidas.
La zona de generación de funciones permite configurar cualquier forma de carga de
la probeta, con control en desplazamiento, control en carga, control en apertura de
grieta…etc. Es posible realizar funciones a trozos mediante las cuales se puede realizar
una mejor adaptación de los parámetros a las exigencias de los ensayos.
Resumiendo se tienen cuatro canales que miden las siguientes señales con los
siguientes elementos de medición:
• Canal 1: Fuerza (kN) – Célula de carga
• Canal 2: Posición del pistón (mm) – Actuador de la máquina.
• Canal 3: Apertura de Grieta (mm) – Transductor de pinzas
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• Canal 4: Posición (mm) – Transductor LVDT
3. DESCRIPCIÓN DEL ENSAYO. PARÁMETROS.
Para obtener la curva completa carga-desplazamiento de cada probeta, es necesario
que el crecimiento de la grieta se produzca de forma estable. La mejor forma de simular
un crecimiento de grieta estable, es controlando la velocidad de carga de la probeta por
medio de la apertura de la grieta. Es decir, el uso del transductor de pinzas, está
indicado principalmente para la búsqueda de un ensayo con crecimiento estable de
grieta.
El procedimiento general de ensayos de las probetas es el siguiente:
• Se toman las probetas de la cámara húmeda 24 horas antes de iniciar su
ensayo en la máquina dinámica.
• Se prepara el pegamento para hormigones y se realiza el pegado de las
cuchillas y la placa para medir en el centro de la viga con el transductor
LVDT. Se realizan unas marcas a la probeta en el centro de aplicación de la
carga y en los puntos de apoyo, consiguiéndose que la probeta este
perfectamente centrada tanto longitudinal como transversalmente. Es
necesario esperar aproximadamente 15 minutos hasta el completo secado del
pegamento.
• Colocada la viga sobre la máquina de ensayos, se realiza la primera
aproximación de la mordaza superior a la probeta mediante el sistema de
control de la máquina.
• Tras esto, se definen los parámetros de ensayo para la viga que va a ser
ensayada. Es decir, los diferentes tramos en el generador de funciones junto
con las velocidades de carga y límites.
• A continuación se realiza la aproximación más ajustada por medio de la
ventana de control del programa PCD 2K, con control en desplazamiento del
actuador.
• Una vez que todo lo anterior ha sido comprobado, se comienza el ensayo
propiamente dicho de la probeta.
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• Es necesario prever que cuando la probeta alcance su máximo
desplazamiento, esta caerá y podría dañar los elementos de medida. Para
evitar que esto ocurra, se colocan dos tacos de madera (figura 3.1 y 3.2) de
tal forma que al caer la probeta proteja los elementos de medida.
Figuras 3.1 y 3.2: Colocación de tacos de madera para evitar el daño de los transductores.
• El ensayo finaliza cuando la probeta alcanza su desplazamiento máximo y
cae por la pérdida de capacidad portante.
• Finalmente se pesan las probetas y se almacenan para cualquier medición
posterior.
A medida que se sigue el protocolo anterior para cada una de las probetas se observa
una evidencia experimental: a medida que el tamaño de las probetas aumenta, el
máximo desplazamiento disminuye y a para un mismo tamaño, la adición de fibras
aumenta el desplazamiento máximo al que rompe la probeta.
Se ha de saber que las probetas ensayadas poseen un peso propio que podría
haberse tratado a priori utilizando compensadores, pero que debido a la dificultad de su
montaje, se realizan correcciones por el peso propio propuestas por autores de valioso
prestigio en la mecánica de la fractura [12].
En un primer lugar, para el ensayo de las probetas de efecto tamaño 1 de hormigón
sin fibras, se toma una velocidad de carga en el transductor de pinzas de 0,017 mm/min,
y con un límite impuesto por el rango del transductor de pinzas, es decir, 4 mm. A pesar
de que el rango de este transductor es de 5 mm, es difícil colocar las cuchillas ajustando
la distancia entre ellas perfectamente a los 4 mm de apertura inicial que tiene, por lo que
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inicialmente, sin carga, el transductor de pinzas marca unos 0,5 mm y por tanto no es
posible que alcance los 5 mm de rango que tiene.
Esta velocidad de apertura de la grieta (0,017 mm/min) se obtiene tras la imposición
de que la duración del ensayo sea de aproximadamente 1 hora. Esta velocidad funciona
correctamente para los tres tamaños de hormigón sin fibras ya que los desplazamientos
aunque varían inversamente al tamaño, se mantienen considerablemente constantes, y
por tanto todos los ensayos se realizan en aproximadamente 1 hora.
En la representación gráfica de los datos exportados, se observa que en la zona
inicial de carga existen muy pocos puntos exportados (figura 3.3), y por tanto un salto
busco de la carga. Esto se debe a que el control se realiza en la apertura de la grieta.
Para poder controlar con un elemento auxiliar la aplicación de la carga, es decir, que no
sea ni en carga ni con el desplazamiento del actuador, esta comienza moviendo el pistón
con una velocidad determinada hasta que la célula de carga detecta haber entrado en
carga, y es en el instante en el que el transductor de pinzas (elemento auxiliar)
experimenta una variación cuando el control pasa a la apertura de la grieta. Lógicamente
es imposible que esto se pueda realizar desde el inicio ya que algo tiene que causar la
apertura de la entalla.
Figura 3.3: Curva de carga-desplazamiento. Defecto de datos en la zona inicial.
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
Ca
rga
(N
)
Desplazamiento (mm)
Probeta ET1. Hormigón Sin Fibras
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Se observa que ese control inicial que realiza la máquina para poder posteriormente
controlar en apertura de la grieta es a una velocidad excesiva e introduce un salto brusco
inicial en la curva carga-desplazamiento. Por tanto, con el fin de evitar, que se
introduzca muy rápidamente una carga inicial alta en el inicio del ensayo, se divide la
generación de funciones en dos tramos. En la figura 3.4 se observa como la curva carga-
desplazamiento presenta una mayor homogeneidad en los puntos exportados de la zona
de carga inicial.
Figura 3.4: Curva carga desplazamiento. Corrección de datos iniciales.
El primer tramo se controla en desplazamiento del actuador de la máquina con una
velocidad de 0,2 mm/min hasta que se llegue a una carga de 30 N donde comienza el
tramo segundo. Obsérvese que la velocidad de carga se tiene en milímetros por minutos
y el límite en Newtons, es decir en carga. Esto es una de las opciones que tiene el
programa informático utilizado en la venta de generador de funciones.
En el segundo tramo, una vez que la carga alcanza los 30 N comienza el control en
apertura de la grieta, con una velocidad de 0,017 mm/min, hasta que finalice el ensayo.
El límite de carga en el tramo 1 indicado en el párrafo anterior de 30 N, está
especialmente indicado para las probetas de efecto tamaño 1. Para las de efecto tamaño
2 se toma un límite algo superior, 50 N y para las de mayor tamaño se toman 80 N.
-
100
200
300
400
500
600
700
- 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20
Ca
rga
(N
)
Desplazamiento (mm)
Probetas de ET2 de Hormigón SF
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Una vez finalizados los ensayos correspondientes a hormigones sin fibras, se
comienzan a realizar los ensayos para hormigones con fibra corta, es decir, fibra G1A.
La primera probeta se ensaya con los parámetros anteriores, es decir, control inicial con
el actuador a 0,2 mm/min hasta 30 N y con posterior control en apertura de grieta a
0,017 mm/min hasta la ruptura. Tras este ensayo se observa que el desplazamiento en el
punto de rotura de la probeta es considerablemente mayor al de la misma probeta pero
con hormigón sin fibras. El ensayo tiene una duración de aproximadamente 3 horas y el
desplazamiento máximo es del orden de 5 mm.
Con el fin de evitar ensayos de muy larga duración una posible solución es aumentar
la velocidad de carga al doble o al triple según sea necesario. Esto tiene el inconveniente
de que en la zona de la curva carga-desplazamiento donde se están produciendo las
micro-fisuraciones interiores, se deja de tener un crecimiento estable debido a la alta
velocidad de aplicación de la carga. La solución aportada es el uso de un tramo más en
la generación de las funciones. De este modo, se tiene un tramo inicial de ajuste de
carga en el que se controla en desplazamiento del actuador, un segundo tramo con
control en apertura de la grieta hasta que se haya superado claramente el pico de
máxima carga y un tercer tramo con control en el desplazamiento del transductor LVDT
para el tramo final.
Se observa que el último tramo no es posible controlarlo en apertura de la grieta ya
que el rango máximo de este transductor es de 5 mm y las probetas con fibras pueden
llegar a un desplazamiento máximo de has 10 mm.
Las velocidades de aplicación de carga de los tramos 2 y 3 se calculan estimando el
desplazamiento máximo que tendrá la probeta para que la duración del ensayo
permanezca aproximadamente en 1 hora. Esto se hace imponiendo que el primer tramo
tenga una duración aproximada de 20 minutos hasta un desplazamiento correspondiente
al 75 % de la carga máxima aproximada pasado el pico (δ1) y que la duración del
segundo tramo sea de 40 minutos desde que pasa δ1 hasta que llega a δmax.
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Figura 3.4: Curva carga-desplazamiento
���� = 20 �; �� ���� − ��� = 40 �;
Los valores de δ1 y δmax se estiman con aproximaciones a partir de otras probetas del
mismo tamaño ensayadas anteriormente. Normalmente para todas las probetas con
fibras de cualquier tipo el valor de δ1 es de 0,25 mm y δmax es más variable con el tipo
de fibra y con el tamaño de la probeta.
A continuación se presenta una tabla donde se tienen todos los valores de los
parámetros de ensayos utilizados para cada probeta. En el caso de que el ensayo se haya
realizado sin tramos aparece un guión en la casilla correspondiente.
Tramo 1 Tramo 2 Tramo 3
Hormigón Tamaño V1 (mm/min) Actuador
Límite (N)
V2 (mm/min) CMOD
Límite (mm)
V3 (mm/min)
LVDT
Límite (mm)
Hormigón
Sin
Fibras
ET1-1 - - 0,017 4 - -
ET1-2 - - 0,017 4 - -
ET1-3 - - 0,017 4 - -
ET2-1 - - 0,017 4 - -
ET2-2 - - 0,017 4 - -
ET2-3 - - 0,017 4 - -
ET3-1 0,2 80 0,017 4 - -
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ET3-2 0,2 80 0,017 4 - -
ET3-3 0,2 80 0,017 4 - -
Hormigón
con fibras
G1A
ET1-1 0,2 30 0,017 4 - -
ET1-2 0,2 30 0,035 4 - -
ET1-3 0,2 30 0,05 4 - -
ET2-1 0,2 50 0,02 4 - -
ET2-2 0,2 50 0,125 0,25 0,094 10
ET2-3 0,2 50 0,125 0,25 0,094 10
ET3-1 0,2 80 0,125 0,25 0,094 10
ET3-2 0,2 80 0,125 0,25 0,05 10
ET3-3 0,2 80 0,125 0,25 0,05 10
Hormigón
con fibras
G1C
ET1-1 0,2 30 0,125 0,20 0,094 10
ET1-2 0,2 30 0,125 0,20 0,20 10
ET1-3 0,2 30 0,125 0,20 0,20 10
ET2-1 0,2 50 0,125 0,20 0,20 10
ET2-2 0,2 50 0,125 0,20 0,20 10
ET2-3 0,2 50 0,125 0,20 0,20 10
ET3-1 0,2 80 0,125 0,20 0,20 10
ET3-2 0,2 80 0,125 0,20 0,20 10
ET3-3 0,2 80 0,125 0,20 0,20 10
Hormigón
con fibras
G2C
ET1-1 0,2 30 0,125 0,20 0,20 10
ET1-2 0,2 30 0,125 0,20 0,20 10
ET1-3 Probeta desechada por encontrarse previamente fisurada
ET2-1 0,2 50 0,125 0,20 0,20 10
ET2-2 0,2 50 0,125 0,20 0,20 10
ET2-3 0,2 50 0,125 0,20 0,20 10
ET3-1 0,2 80 0,125 0,15 0,15 10
ET3-2 0,2 80 0,125 0,15 0,15 10
ET3-3 0,2 80 0,125 0,15 0,15 10
Tabla 3.1: Condiciones de aplicación de carga. Tramos del generador de funciones.
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4. EVIDENCIAS EXPERIMENTALES.
Durante la realización de los ensayos, se puede observar como la grieta se va
propagando a través del canto de la probeta. Se observa claramente que las probetas de
hormigones reforzados con fibras mantienen su capacidad portante hasta una apertura
de grietas muy superiores a lo hormigones sin reforzar. En las figuras 4.1 y 4.2 se
observa el inicio de la grieta una vez que se ha superado la carga última de la probeta.
Figuras 4.1 y 4.2: Fisuras iníciales durante la realización del ensayo a flexión.
Hormigones sin fibras.
En la figura 4.3, 4.5 y 4.6 se pueden ver las probetas a punto de perder toda su
capacidad portante para una probeta de tamaño pequeño con un hormigón sin reforzar.
Figuras 4.3 y 4.4: Fisuras en el estado de rotura inminente de hormigones
reforzados con fibras G1A.
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Figura 4.5: Estado de rotura inminente. Hormigón sin fibras.
A continuación se muestran una serie de probetas de hormigón reforzado con fibras,
donde se observa el efecto de cosido que realizan las fibras en el hormigón.
Figuras 4.6 y 4.7: Fisuras en el estado de rotura inminente de hormigones
reforzados con fibras G1C y G2C.
Con las figuras anteriores se observa claramente el efecto que tienen las fibras al
reforzar hormigones. La propiedad de energía de fractura, objeto de estudio de este
proyecto, no es observable de forma visual, pero se intuye que el entramado de fibras
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que enlaza al hormigón en todo su cuerpo aumenta considerablemente la energía
necesaria para que la grieta pueda seguir propagándose.
Este aumento de energía de fractura se debe principalmente a dos causas. Por un
lado es necesario vencer una zona de proceso de fractura, donde se producen las
microroturas del hormigón. La cantidad de energía necesaria para romper los vínculos
internos en la zona de proceso de fractura será mayor para hormigones reforzados con
fibras que para hormigones sin reforzar, debido a que se aumentan las fuerzas de enlace
entre los agregados del hormigón. Por otro lado se encuentra la zona ya fisurada pero
que sigue teniendo una pequeña capacidad a tracción debido al efecto de cosido
producido por las fibras.
Con este repaso visual de las probetas ensayadas se ha observado una aproximación
cualitativa de la influencia de las fibras, no habiéndose realizado observación alguna
sobre los diferentes tipos de fibras. Este estudio de mayor profundidad y cuantitativo,
entre otros, se realiza en el siguiente bloque dedicado a los resultados obtenidos.