influencia de la adición de fibras cortas discontinuas en...

Influencia de la adición de fibras cortas discontinuas en las propiedades y en el comportamiento

de los materiales cementíceos. Parámetros de evaluación de la eficiencia de su utilización

Laureano Cornejo ÁlvarezIngeniero de Minas Fundador de Geoconsult

Serie de Innovación Tecnológica para la utilización de nuevos materiales en la industria de la construcción

Influencia fibras YC9 VERSION 2.indd 1 25/2/14 14:44:13

Edita: COLEGIO DE INGENIEROS DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOSISBN: 978-84-380-0466-1Depósito Legal: M-5.898-2014Impreso en España.


Índice

Prólogo del Presidente del Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos . . . . 5

Prólogo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2. Factores que influyen en la eficiencia del refuerzo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.1 La matriz cementícea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.2 Las fibras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.3 Distribución de la orientación de las fibras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

2.4 El mezclado, la colocación, y el curado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

3. Comportamiento tensión-deformación de los compuestos cementíceos . . . . . . . . . 37

reforzados con macrofibras cortas

3.1 Comportamiento frágil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

3.2 Comportamiento dúctil; strain-softening . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

3.3 Fibras de acero y fibras de polipropileno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

3.3.1 Fibras de acero . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

3.3.2 Fibras poliméricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

3.4 Modificación de las propiedades de los compuestos cementíceos . . . . . . . . . . . 45

3.5 Carga o tensión máxima en la primera fractura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

3.6 Cargas y tensiones residuales a flexión posteriores a la primera fractura . . . . 51

(residual flexural strength)

4. Comportamiento strain-hardening . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

4.1 Compatibilidad matriz-fibra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

4.2 Fibras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

4.3 Interfaz matriz-fibra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

4.4 Volumen crítico de las fibras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

4.5 Estimación de las tensiones de tracción y del módulo de elasticidad . . . . . . . . . 65

y de las tensiones a flexión

4.5.1 Tensiones de tracción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

4.5.2 Módulo de elasticidad (Young) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

4.5.3 Resistencia a flexión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

4.6 El pseudo strain-hardening y el tipo de fibras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68


5. Ensayos principales utilizados para determinar la resistencia de los materiales . . . 71 cementíceos reforzados con macro-fibras

5.1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

5.2 Los ensayos a flexión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

5.2.1 Ensayo asTM C 1609 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

5.2.2 Ensayo asTM C 1018-98-jCI-sF4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

5.2.3 Ensayo asTM C 1399 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

5.2.4 Ensayo jsCE-sF4 (1984) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

5.2.5 Ensayo asTM C1550-10a; ensayo RDP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

5.2.6 Ensayo En 14488-5:2006; unE-En 14488-5:2007 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

5.2.7 Ensayo En 14488-5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

5.2.8 Ensayo en losa (sog) a gran escala. Ensayo universidad de Illinois . . . . . 100

Bibliografía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

anejo a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

aplicaciones de la nanotecnología a la industria de la construcción: túneles . . . . . . 111

anejo B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

Principales fibras para el refuerzo de materiales cementíceos . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

anejo C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129

normas unE para Áridos. normas de Especificaciones según aplicación

y normas de Método de Ensayo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131

normas unE, aditivos para hormigones y morteros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135

normas para cementos, hormigones y áridos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137


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Prólogo

Presidente del Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos

En los años venideros, cada vez más, será necesario disponer de hormigones de mejores propiedades mecánicas y de mayor resistencia a los ataques químico-físicos

internos y externos a los que se encuentra sometido. Conseguir este objetivo es primordial para asegurar la durabilidad de las grandes inversiones que es necesario realizar para la construcción de grandes obras civiles y de la industria de la construcción, en general.

Muchas de las grandes obras, básicamente construidas con hormigón, experimentan un notable deterioro con el paso del tiempo, acortándose su período de vida útil. Este deterioro ha dado lugar a la producción de accidentes y a la sustitución parcial o total de las obras realizadas, lo que supone comprometer importantes recursos económicos.

En este contexto es oportuna la publicación de la monografía “Influencia de la adición de fibras cortas discontinuas en las propiedades y en el comportamiento de los compuestos cementíceos. Parámetros de evaluación de la eficiencia de su utilización”, presentada por Laureano Cornejo. Esta monografía pone de manifiesto algunos puntos débiles de los hormigones, su baja resistencia a tracción y a flexotracción, así como su precaria durabilidad.

La presente monografía centra su atención, principalmente, en cómo mejorar las propiedades de los hormigones con la adición de fibras, reduciendo la fisuración intrínseca de la pasta de cemento y mejorando su comportamiento después de la primera rotura. Sus contenidos serán un referente y una guía de uso frecuente para los diseñadores de compuestos cementíceos, en ella encontrarán criterios y pautas para una eficiente utilización de la amplia variedad de fibras disponibles actualmente.

La exposición de los contenidos técnicos de la monografía, tiene un estilo sencillo y didáctico, de fácil comprensión y técnicamente muy documentada con una abundante bibliografía.


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Se trata, por tanto, de una publicación técnica muy actual y también con una clara visión del futuro que supone la incorporación de nuevas fibras de mayores prestaciones, como las fibras de carbono. La aplicación también de la nanotecnología a la mejora de los hormigones será de gran trascendencia en los próximos años, agregando a éstos nanopartículas y nanofibras.

Damos la bienvenida a la presente monografía que nos servirá de gran ayuda en nues-tros futuros proyectos.

Juan A. Santamera

Presidente

Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos


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Prólogo

La realidad de mejorar las propiedades de los compuestos cementíceos, hormigones, lechadas y morteros de matriz cementícea, es la causa que me ha

motivado para escribir este documento técnico.El hormigón es el material de construcción más ampliamente utilizado por sus

múltiples propiedades.Sin embargo, a pesar de sus propiedades reconocidas, tiene sus puntos débiles

que es necesario fortalecer.Conocemos su buen comportamiento a los esfuerzos de compresión, pero

también sus bajas prestaciones a los esfuerzos de tracción y de flexión, generalmente, presentes en sus diversas aplicaciones en la industria de la construcción.

Por otra parte, los materiales compuestos de matriz cementícea, están sujetos al desarrollo de una microfisuración intrínseca que se genera durante el proceso de hidratación de las partículas constituyentes del cemento y de otros procesos fisicoquímicos, que pueden producirse a lo largo del tiempo con la formación de materiales expansivos que inducen una fisuración adicional.

Estos procesos de fisuración reducen sus propiedades resistentes e incrementan su vulnerabilidad al ataque químico de diversos iones, que atacan los álcalis del cemento y reducen su vida útil, es decir, su durabilidad.

Estos puntos débiles inciden muy notablemente en el coste de las obras construidas con hormigón, en el mantenimiento, y, finalmente, en su demolición y reposición.

Debe ser un objetivo prioritario de las nuevas tecnologías fabricar hormigones más resistentes y tenaces, mucho más resistentes a la fisuración, con la adición de fibras y, por consiguiente, con una mayor durabilidad que prolongue su vida útil.

El objetivo de esta publicación técnica, es presentar líneas de actuación, encaminadas a eliminar o reducir muy notablemente la fisuración autógena de los compuestos cementíceos y a modificar su comportamiento durante la rotura, haciéndolos más tenaces y dúctiles, con la utilización adecuada de las fibras como elementos de refuerzo.

La incorporación de nanopartículas y nanofibras como refuerzo de la matriz cementícea producirá materiales cementíceos de propiedades muy superiores a las de los materiales que ahora se están utilizando en la industria de la construcción

El autor,LAUREANO CORNEJO ÁLVAREZ


Agradecimientos

Quiero expresar mi agradecimiento al Ilustre Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos en la persona de su Presidente, don Juan Antonio Santamera

Sánchez, por la acogida y el apoyo que ha prestado a la publicación y a la difusión de esta monografía.

Mi agradecimiento se hace extensivo también a las empresas Ferrovial-Agromán, Brugg Contec AG, fabricante de la fibra Concrix, Grace, S. A., fabricante de las fibras Strux y a Geoconsult Ingenieros Consultores, S. A., por la ayuda prestada a la publicación.

El autor,LAUREANO CORNEJO ÁLVAREZ


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