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MÉTODOS DE PRUEBA PARA EVALUAR LA RESISTENCIA RESIDUAL, ABSORCIÓN DE ENERGÍA Y AGRIETAMIENTO POR CONTRACCIÓN PLÁSTICA DE CONCRETO REFORZADO
CON FIBRAS
Carlos Aire1
RESUMEN
Las fibras juegan un papel importante como material de refuerzo en el concreto. Las fibras proporcionan al
concreto la ductilidad necesaria para absorber una cantidad importante de energía antes de la falla. También,
incrementan algunas propiedades, como la resistencia a la propagación de grietas, la resistencia residual post-
agrietamiento, la capacidad de resistir gran deformación, y la resistencia a tensión, a flexión e impacto.
Existe numerosa investigación sobre la generación de conocimiento en relación al comportamiento de estos
concretos y a su uso en numerosas aplicaciones. Si bien este aporte de investigación es de gran significado
para el uso sistemático del concreto reforzado con fibras (CRF), existen algunos temas que deben estudiarse
con mayor profundidad, para la generación de mayor conocimiento hacia la incorporación de estos concretos
para su ejecución y explotación en las obras de concreto.
Un aspecto fundamental del comportamiento mecánico del CRF es el comportamiento a tensión, el cual puede
relacionarse con los mecanismos de fallo de adherencia y de interface friccional que se desarrollan a lo largo
de la interface de la matriz y las fibras. La resistencia de fractura a tensión se puede caracterizar mediante la
relación entre la tensión y la respuesta de la abertura de grieta. Otro parámetro de interés que caracteriza el
comportamiento del CRF es la absorción de energía, parámetro que se calcula integrando el área que encierra
la curva carga vs desplazamiento obtenida a partir de ensayos. Contra mayor sea la absorción de energía de la
muestra, mayor será su capacidad de soportar una carga en el estado de agrietamiento.
En lo que se refiere al control de calidad del CRF existen diferentes métodos de prueba para evaluar el
comportamiento de resistencia residual y absorción de energía. Entre estos podemos distinguir dos grupos: los
ensayos de vigas (ASTM C1609), en los que una viga (b 150 × h 150 × l 600 mm) se ensaya a flexión; y los
ensayos de panel, para evaluar la capacidad de las fibras en las dos direcciones del plano. De los ensayos de
panel destacan por su mayor difusión el ensayo de la norma europea EN14488, el panel de sección cuadrada (l
600 × a 600 × h 100 mm) y el ensayo de la norma americana ASTM C1550, el panel de sección circular (ϕ
800 × e 75 mm). En la actualidad, una nueva alternativa para evaluar la tenacidad y resistencia residual del
CRF es el ensayo de doble punzonamiento (norma española UNE 83515), en cilindro (h 150 × ϕ 150 mm).
Con respecto al agrietamiento por contracción plástica, aunque se sabe que las fibras reducen este
agrietamiento, no hay un método estándar para evaluar la eficiencia de las fibras en el control del
agrietamiento. El método más común es usar un especimen tipo anillo (ACI 544.2R), en la cual un anillo de
concreto con restricciones es moldeado y sometido a condiciones de secado para inducir el agrietamiento. El
ambiente de secado se mantiene a una temperatura de 20°C, humedad relativa de 40% y viento a una
velocidad de 4 m/seg. Se registra las longitudes y anchos de grieta resultantes.
Este trabajo presenta una revisión de los principales métodos de prueba que se emplean para caracterizar el
comportamiento del concreto reforzado con fibras y los parámetros más representativos de cada ensayo.
Además, se presenta resultados de ensayos de la implementación en el Instituto de Ingeniería de la UNAM de
los métodos tradicionalmente empleados en México para determinar las propiedades de resistencia residual,
absorción de energía y agrietamiento por contracción plástica.
1 Académico UNAM, Instituto de Ingeniería, Av. Universidad 3000 Circuito escolar s/n. Ingeniería Estructural 3-217.
Ciudad Universitaria. 04510 Coyoacán. Mexico DF; Teléfono: 56233600 ext 8435; [email protected]
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ABSTRACT
TEST METHOD TO EVALUATE THE RESIDUAL STRENGTH, ENERGY ABSORPTION AND PLASTIC SHRINKAGE CRACKING OF FIBER REINFORCED CONCRETE
Fibers play an important role as a reinforcing material in concrete. They provide the ductility need in concrete
to absorb a significant amount of energy before failure. That is, they improve certain properties, such as crack
propagation, resistance, impact resistance, improve tensile strength, provide residual flexural strength (post-
crack) and the ability to support large deformations.
A significant amount of research haves been conducted on Fiber Reinforced Concrete (FRC) behavior and its
applications. However, as an innovative technology, there are related subjects that require deeper analysis in
order to increase the use of FRC.
Tensile behavior is the main feature of FRC. It highly depends on the fiber mechanical properties and the
anchorage with the concrete matrix. Tensile failure resistance can be determined by using the tensile strength
related to the crack opening. Energy absorption is another important parameter that characterizes FRC
behavior. It is calculated by integrating the area under the load vs axial displacement curve, which is obtained
during the test. The higher the energy absorption, the higher the structure capacity to resist loads after
cracking.
With regards to FRC quality control, there are different test methods to evaluate the residual strength and
energy absorption characteristics. Two groups can be distinguished: beam and panel tests. The beam test as
per ASTM C1609 evaluates the flexural behavior considering a specimen of w 150 × h 150 × l 600 mm. The
panel tests evaluate the fibers capacity in two directions. The most known are the one proposed by the
European Standard EN14488, which considers a square panel (l 600 × l 600 × h 100 mm), and the one
proposed by the American Standard ASTM C1550! Which considers a round panel (φ 800 × e 75 mm). At
present, a new test method known as the Barcelona test, has been developed to determine toughness and
residual strength of FRC. It has been adopted by the Spanish Standard under the UNE 83515 and consists of a
double punch test of a cylinder specimen (h 150 × φ 150 mm).
Referring to plastic shrinkage concrete, although, it is well known the role of the fibers to reduce plastic
shrinkage cracking, there is no standard test method to evaluate the effectiveness of the fibers in controlling
shrinkage induced cracking. The most commonly method of plastic shrinkage testing using a ring type
specimen is used (ACI 544.2R). In this method, a fiber reinforced concrete rings is casting on a restrained ring
apparatus and the assembly is subjected to a drying environment to induce cracking. The drying environment
at a constant relative humidity of 40%, a constant temperature of 20°C and a constant wind velocity of 4 m/s
is studied. Length and widths of the resulting cracks on the ring specimens is monitored.
This paper present a review of the main test methods to evaluate FRC and the parameters that characterize its
behavior. Besides, results of the implementation of those methods in Mexico by the UNAM Engineering
Institute are presented.
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INTRODUCCIÓN Los métodos de prueba tradicionales para caracterizar el comportamiento del concreto reforzado con fibras
(CRF) se basan principalmente en vigas con cargas que se aplican al centro o a los tercios del claro entre
apoyos, y los parámetros que se obtienen son la resistencia a la primera grieta y resistencia a falla por flexión.
Sin embargo, existen otros tipos de ensayo que se usan para caracterizar el CRF.
Para evaluar el agrietamiento por contracción plástica del CRF, existen varios métodos de prueba: el ensayo
de vigas, de losas y de anillos. De los tres, el ensayo tipo anillo (ACI 544.2R) es usado con mayor frecuencia
por los investigadores porque proporciona una restricción constante y los resultados son consistentes.
A continuación se describen los diferentes métodos de prueba para caracterizar el comportamiento del CRF
mediante ensayos de tensión directa, tensión indirecta y flexión. También, se presenta el ensayo de anillos
para evaluar el agrietamiento por contracción plástica del CRF. Se describe brevemente la metodología y los
parámetros más representativos de cada tipo de ensayo. Finalmente, se presenta el método conocido como
Ensayo Barcelona y resultados de investigaciones experimentales aplicando varios de estos métodos de
prueba que han sido implementadas en el Instituto de Ingeniería de la UNAM.
ENSAYOS A TENSIÓN
El desempeño más importante del CRF es probablemente el de tensión. Sin embargo, un ensayo a tensión
axial es difícil de realizar, sobre todo si se requiere conocer la respuesta en el post-pico. Hay numerosos
estudios donde se evalúa el ensayo de tensión axial, sin embargo, no hay consenso acerca del método de
ensayo para evaluar el comportamiento bajo tal condición de carga. La resistencia a tensión del CRF se
caracteriza mediante la respuesta de la abertura de grieta y la absorción de energía, que se obtiene integrando
el área bajo la curva carga-desplazamiento.
ENSAYOS DE TENSIÓN DIRECTA
El ensayo de tensión axial es el método más directo para determinar las propiedades del CRF, sin embargo, es
un ensayo de difícil aplicación. El método de prueba consiste en ensayar a tensión un cilindro hasta llegar a la
rotura. La figura 1 muestra un esquema típico del ensayo de tensión axial, sin embargo, existen otros
procedimientos que a continuación se describen brevemente.
Figura 2.1 Ensayo de tensión uniaxial
Especímenes en forma de hueso de perro (Dogbone specimens)
El ensayo consiste en una probeta en forma de hueso (dogbone), como se muestra en la figura 2. La forma de
la geometría sirve para condicionar que la grieta se presente en la parte central de la probeta y lejos de los
apoyos. Es un ensayo estable, siempre que la rotura no sea demasiado frágil y las grietas sean distribuidas. Si
se presenta una única macro grieta, el ensayo es inestable en el post-pico. Durante el ensayo se registra la
deformación axial mediante LVDTs que se colocan en la sección reducida.
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Figura 2 Ensayo de tensión axial tipo hueso
Especímenes con ranuras
El ensayo de especímenes con ranura perimetral tiene la finalidad de forzar la aparición de la grieta a lo largo
de la ranura. El ensayo se utiliza para obtener la respuesta a tensión del CRF versus relaciones anchos de
grieta, a partir del cual se puede calcular la energía de fractura, una medida fundamental para estimar la
resistencia del material. Los más empleados son probetas cilíndricas en lugar de prismáticas por la facilidad
de fabricación, y además se pueden obtener de núcleos de elementos construidos (ver figura 3). La prueba
permite cuantificar la relación tensión-abertura de grieta, que se considera como una propiedad mecánica de
fractura del material. En este tipo de especímenes, la preparación de los cilindros es un proceso complicada,
por el tiempo, esfuerzo considerable, y de requerir fijaciones especiales para adherir la muestra a la máquina
de ensayo. Generalmente, se instrumenta mediante strain gages o extensómetros que miden la abertura de
grieta sobre la ranura sobre el cual se realiza el control del ensayo.
Figura 3 Ensayo de tensión axial con ranura
En 2001, la RILEM TC 162 hizo una recomendación para determinar la relación tensión-abertura de grieta
basada en ensayo de cilindro con ranura, (ver figura 4). Es un ensayo estable y representativo del
comportamiento a tensión del CRF. Un estudio sobre la variación de los resultados debido al material no
revela una tendencia relativa al cambio en la dosis de fibra con el cambio en el nivel de la variación en
concretos sin fibra. Sin embargo, la variabilidad en los resultados de cilindros de CRF es relativamente alto,
entre 30% y 50% (Barr y Lee, 1998). Aunque hay dificultades durante la realización de las pruebas, este
ensayo de tensión axial es un ensayo que permite determinar propiedades de fractura del concreto.
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Figura 4 Ensayo de tensión axial con ranura Rilem TC 162
TENSIÓN INDIRECTA
Debido a que lo ensayos de tensión directa son complejos y difíciles de realizar, ha impedido su uso general.
Por esta razón, se han propuesto otros tipos de ensayos indirectos que a continuación se describen.
Ensayo Brasileño
Es un procedimiento ampliamente conocido y aceptado para determinar en forma indirecta la resistencia a
tensión axial del concreto. Se puede realizar en probetas cilíndricas, moldeadas o testigos. Además, es un
procedimiento muy simple y ha sido especificado por varias normas, como la ASTM C496, UNE 83306 y
RILEM CP C6.
El ensayo consiste en aplicar una carga de compresión sobre la probeta cilíndrica, la cual soporta dos fuerzas
concentradas diametralmente opuestas que produce una distribución uniforme de tensiones transversales a lo
largo del eje de carga, causando la rotura a tensión de la muestra (ver figura 5). El ensayo se realiza
generalmente por control de carga, porque es inestable bajo control de desplazamiento, por el aplastamiento
de la probeta en la zona de carga y la dificultad de medir la abertura de grieta a lo largo de toda la longitud de
la probeta.
Con el propósito de solucionar los problemas del ensayo Brasileño, Carmona et al. (1998) propusieron
mejoras al método que consiste en reducir la longitud de la muestra y limitar el área de carga, con el fin de
mantener un ancho constante durante todo el ensayo (ver figura 5b). El ensayo se realiza en un sistema de
control de lazo cerrado (servo-controlado), que usa el desplazamiento de abertura de grieta como variable de
control durante el ensayo. Es un ensayo estable, sin embargo, resulta complejo y poco adecuado para usarse
como ensayo sistemático de control.
a) Ensayo Brasileño b) Ensayo Brasileño modificado
Figura 5 Ensayo de tensión indirecta, ensayo Brasileño
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Ensayo de especímenes tipo Cuña (Wedge-Splitting Test)
El ensayo de la cuña o Wedge-Splitting Test, es un procedimiento para caracterizar el comportamiento a
fractura en tensión de CRF que se realiza en probetas prismáticas con ranura. Durante el ensayo una cuña
carga progresivamente un prisma de CRF, previamente ranurado (ver figura 6). Al descender la cuña produce
en el prisma un desplazamiento de abertura lateral de la ranura que origina la grieta la que se extiende de
manera estable. Aunque, la aplicabilidad de este ensayo para determinar las propiedades de fractura del CRF
está en discusión, recientemente, se utilizó para hallar la capacidad de absorción de energía en CRF. Otro
estudio comparativo usando el método de la cuña y el de flexión a tres puntos siguiendo (RILEM TC-162
TDF) demostró la aplicabilidad del ensayo de la cuña por su menor dispersión. A pesar de que este ensayo ha
sido exitoso para determinar las propiedades de fractura de concretos convencionales, no hay mucha
información disponible para el caso de los CRF.
Figura 6 Ensayo de tensión indirecta: Cuña o Wedge-Splitting Test
Ensayo de Doble Punzonamiento
El ensayo de doble punzonamiento se introdujo como una herramienta para evaluar indirectamente la
resistencia a tensión del concreto simple (Chen, 1970, 1972, 1980). Fue presentado como una alternativa al
ensayo Brasileño, que era el ensayo típico para determinar la resistencia a tensión indirecta del concreto. El
ensayo consiste en aplicar una carga de compresión sobre un cilindro de concreto mediante dos punzones
circulares de acero centrados en la parte superior e inferior del cilindro. La altura y diámetro del cilindro es de
150 mm, y la relación entre los diámetros de los punzones y el cilindro es de 1/4, es decir, 3.75 cm (ver figura
7). Estudios realizados en probetas más pequeñas con idénticas proporciones geométricas muestran que los
resultados de tensión determinados por este método son poco sensibles al tamaño de la muestra.
El control del ensayo se puede realizar por posición del plato de carga, o utilizando la abertura circunferencial
de la probeta, medida mediante una cadena que se coloca en la parte central de la probeta a media altura,
como se muestra en la figura 7b. La figura 8 muestra un diagrama carga-deformación circunferencial típica de
un ensayo Barcelona
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a) Esquema b) Configuración c) Falla típica
Figura 7 Ensayo de tensión indirecta: Probeta del ensayo de doble punzonamiento
Un mecanismo de falla típico presenta tres planos de fractura radial. Sin embargo, es posible encontrar planos
de falla entre dos y cuatro. El patrón de falla final son dos fracturas en cono bajo cada punzón, como se
muestra en la figura 7c. Una de las ventajas de este ensayo es que se puede realizar en una prensa
convencional para rotura de probetas a compresión. El procedimiento de ensayo es de gran facilidad
comparado con los métodos presentados anteriormente. Además, requiere de una prensa de menor capacidad
porque las cargas de rotura son de reducida magnitud. El volumen de concreto necesario es menor en
comparación con otros métodos que se basan en vigas o paneles de sección cuadrada o circular, lo que
significa un ahorro de material y facilidad del manejo de la probeta. Además, las probetas no requieren
preparación (no requiere cabeceo con azufre) y la carga se aplica directamente sobre la superficie de las caras
del cilindro. Otra ventaja asociada es poder usar muestras provenientes de extracción de estructuras
existentes.
Existen diferentes ecuaciones para el cálculo de la resistencia a tensión del concreto en el ensayo de doble
punzonamiento. Saludes et al. (2007) propusieron la expresión (1), donde fct es la resistencia a la tensión, P es
la carga de rotura, h (l/2) es la altura de la probeta, y a (d’/2) es el radio del punzón que aplica la carga sobre
el cilindro.
(1)
Esta expresión tiene la ventaja de que acepta la fractura de la probeta y por lo tanto permite su uso para el
cálculo de la resistencia última en cuerpos fisurados. Además, no depende del número de grietas que se
formen en el cuerpo y se puede usar para el análisis en el rango post-agrietamiento de los concretos
reforzados con fibra (Mora, 2008).
Figura 8 Diagramas de carga y energía vs deformación circunferencial
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ENSAYOS DE FLEXIÓN
Los ensayos de flexión son los más usados para caracterizar los CRF. Generalmente, se realiza en vigas y
paneles de sección cuadrada o circular: Normalmente se determina la resistencia a primera grieta, la
resistencia a rotura por flexión y la resistencia residual a flexión. Son ensayos más sencillos y fiables que los
ensayos de tensión directa. También se pueden realizar con vigas con ranura para evitar los problemas que
surgen al determinar la respuesta post-pico en flexión. Se usa la abertura de los labios de la ranura para
controlar la estabilidad del ensayo. Los ensayos que se realizan en vigas se apoyan en rodillos situados al
centro o a los tercios de la luz de apoyo, y son de sección transversal cuadrada y su luz es de cómo mínimo
tres veces el espesor. A continuación se presenta los ensayos de flexión más usados.
ENSAYO DE FLEXIÓN CON CARGAS A LOS TERCIOS
El ensayo de flexión con cargas a los tercios es un procedimiento estándar regido por las normas europeas
(NBN B 15-238) y la americana (ASTM C1609).
En la figura 9 se muestra la disposición de los apoyos e instrumentación. Durante el ensayo se registra la
carga y desplazamiento en el centro de la viga. El ensayo evalúa el comportamiento carga-flecha y determina
la resistencia a primera grieta, resistencia residual y tenacidad. La resistencia a la primera grieta caracteriza el
comportamiento a flexión del CRF hasta el inicio del agrietamiento, mientras que la resistencia residual
caracteriza la capacidad residual después del agrietamiento. La tenacidad es una medida de la capacidad de
absorción de energía de la viga de ensayo y se calcula como el área bajo la curva carga-flecha. La resistencia
al primer pico, la resistencia pico y la resistencia residual determinadas por este ensayo refleja el
comportamiento del CRF bajo condiciones de carga estática.
a) Disposición de los apoyos b) Instrumentación
Figura 9 Ensayo de flexión con carga a los tercios
La figura 10 muestra un esquema de comportamiento carga-flecha y el cálculo de los parámetros de
caracterización de este método de prueba. En general, los resultados de este ensayo se pueden usar para
comparar el comportamiento de mezclas de CRF o en investigación. También pueden usarse para control de
calidad del concreto, verificar el cumplimiento de las especificaciones, obtener la resistencia a flexión de
miembros de CRF sujetos a flexión o para evaluar la calidad del concreto en servicio.
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Figura 10 Curva carga-flecha y los parámetros del ensayo de flexión con carga a los tercios
ENSAYO DE FLEXIÓN EN TRES PUNTOS
El ensayo de flexión en tres puntos se realiza en vigas con ranura de CRF donde el comportamiento está
regido únicamente por el agrietamiento. El ensayo se puede realizar en vigas de 100 × 100 × 400 mm o 150 ×
150 × 600 mm con ranura central de 25 mm de profundidad. De acuerdo con la norma europea EN 14651 la
viga debe tener un ancho y profundidad nominal de 150 mm y una longitud L de 550 ≤ L ≤ 700 mm. La viga
se somete a flexión en tres puntos, con una luz igual a tres veces el canto de la viga (ver figura 11). La
deformación se localiza en el extremo de la ranura y con la propagación de la grieta en una zona adyacente a
la grieta. El ensayo se realiza por control de abertura de grieta (CMOD), el cual asegura la estabilidad. La
carga y flecha se registra durante todo el ensayo. Para el registro de las deformaciones se coloca dos
extensómetros como se muestra en la figura 11b.
La figura 12 muestra un diagrama típico de carga-CMOD. Los valores de resistencia residual se determinan
para los valores de CMOD de 0.5, 1.5, 2.5 y 3.5 mm.
La ventaja de este ensayo es que es simple y que el control del CMOD asegura la propagación estable de la
grieta, incluso para concreto masivo. La curva carga-CMOD o carga-deflexión se puede usar para calcular las
relaciones tensión-deformación o tensión-ancho de grieta.
a) Apoyos b) Configuración del ensayo
Figura 11 Ensayo de flexión en tres puntos
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Figura 12 Curva carga-CMOD del ensayo de flexión en tres puntos
ENSAYO DE PANEL
Una alternativa al ensayo de resistencia a flexión basado en vigas es el ensayo de paneles, que pueden ser de
sección cuadrada o circular.
Panel de sección cuadrada -EN14488-5
El ensayo de panel ofrece una mayor fiabilidad en el CRF que con vigas, aunque es un procedimiento que
presenta algunos problemas. En la figura 13 se muestra dos configuraciones del ensayo de panel cuadrado.
El ensayo de panel cuadrado es el procedimiento de evaluación basado en paneles más extendido. El ensayo
consiste en aplicar una carga central puntual en un panel de 100 × 600 × 600 mm apoyado simplemente sobre
cuatro líneas externas situadas en una base plana cuadrada de 500 × 500 mm. El comportamiento
característico se evalúa mediante la carga máxima y la energía absorbida para una flecha central de 25 mm.
La energía absorbida se calcula integrando el área bajo la curva carga-desplazamiento, y mientras mayor sea
este valor, mayor será la capacidad del concreto de soportar carga en el estado de agrietamiento.
Una de las ventajas del panel cuadrado es la gran superficie de rotura que se obtiene al ensayar el panel, por lo
cual la dispersión de los resultados es menor. Sin embargo, presenta algunas dificultades, que se relaciona con
el problema de conseguir un panel con superficie plana. La base del panel estará apoyada totalmente sobre su
superficie si la base es plana, cuando la base no es plana, se deformará en forma impredecible, presentando
múltiples picos. Esta característica del ensayo no es atractiva desde el punto de vista de control de calidad.
Figura 13 Diferentes configuraciones del panel de sección cuadrada
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Panel de sección circular – ASTM C1550
Una alternativa al ensayo del panel cuadrado es el panel de sección circular (ASTM C1550), desarrollado por
Bernard (Bernard, 1999, Bernard y Pircher, 2001), propuesto principalmente para eliminar los defectos que
presenta el panel cuadrado. El ensayo consiste en aplicar una carga puntual central en un panel de 75 × 800 ϕ
mm, apoyada en tres puntos situados simétricamente en un diámetro de 750 mm (figura 2.14). El uso de tres
puntos de apoyo asegura que la distribución de carga al principio del ensayo esté siempre condicionada en el
panel. Los planos de agrietamiento se encuentran bien definidos, en consecuencia, se puede predecir de
manera más real la distribución de carga. El comportamiento del CRF se obtiene a través de las medidas de
capacidad de carga y absorción de energía para deflexiones especificadas de 5 a 40 mm. Sin embargo, el
comportamiento se ve afectado por el espesor del panel. El comportamiento del CRF se mide por la capacidad
de carga a la primera grieta y por absorción de energía para deflexiones centrales dados. Bajo carga puntual,
el panel casi siempre falla formando tres grietas radiales que empiezan en el centro del panel y bisecan cada
uno de los sectores no apoyados del panel. El resultado es un coeficiente de variación en los parámetros de
comportamiento de post-agrietamiento del 6 al 13%.
El ensayo de panel de sección circular es una alternativa importante sobre las vigas y sobre el panel de
sección cuadrada, ya que se elimina la fase previa del corte del panel o viga y solo necesita ser desencofrado y
esperar el tiempo de curado para ensayarlo. Otra ventaja es la simplicidad en la fabricación y en la
configuración del ensayo. Una de las desventajas que presenta el panel de sección circular es que es un ensayo
de difícil aplicación sistemática, debido al tamaño y peso del panel, que es de aproximadamente 90 kg.
Figura 14 Ensayo de panel de sección circular
ENSAYO DE DOBLE PUNZONAMIENTO – ENSAYO BARCELONA – UNE 83515
En la actualidad, existe un gran número de métodos de prueba para evaluar el comportamiento del CRF. La
gran mayoría se basa en ensayos a flexión en vigas sin y con ranura, de 32 kg de peso, el cual requiere de dos
operarios para su manipulación, al que se aplica carga al centro o a los tercios del claro, a partir del cual se
obtienen parámetros de resistencia a la primera grieta, resistencia residual y tenacidad. Además, el ensayo de
vigas requiere de un equipo sofisticado para su ejecución, el cual repercute en el costo y los resultados que se
obtienen tienen una dispersión alta. Esta poca confiabilidad da como consecuencia la no consideración de la
capacidad a tensión del CRF en el cálculo estructural, no permitiendo una mayor optimización del uso de las
fibras, lo que supone una barrera para su uso generalizado.
Con el objetivo de superar estos inconvenientes y mejorar el procedimiento para caracterizar el CRF, el
ensayo de doble punzonamiento, que fue desarrollado hace 30 años, fue retomado como medio de control del
comportamiento a tensión del CRF. Considerando lo anterior y con el fin de disponer de un ensayo adecuado
para el control sistemático de los CRF, Aguado et al. (2005) desarrollaron un ensayo de tensión indirecta
basado en el ensayo de doble punzonamiento propuesto por Chen (1970), el que se ha denominado ensayo
Barcelona (ver figura 15). Estudios recientes muestran el efecto del tipo y tamaño de la probeta en los
resultados del ensayo Barcelona (Aire et al., 2015). Se pretende que este ensayo sea un método alternativo al
ampliamente usado ensayo Brasileño para determinar la resistencia a tensión del concreto simple.
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Figura 15 Ensayo Barcelona de doble punzonamiento
Intensa investigación se ha realizado sobre la contribución del CRF en la capacidad última de miembros
estructurales, por lo cual hay necesidad de desarrollar un ensayo eficiente, fácil y fiable para sistematizar el
control de las propiedades de tensión del CRF, en particular, cuando su resistencia a tensión se toma en cuenta
en la capacidad estructural. El ensayo Barcelona (BCN) ha mostrado su eficiente aplicabilidad como método
de control sistemático del comportamiento del CRF.
IMPLEMENTACIÓN DE MÉTODOS DE PRUEBA PARA EVALUAR LAS PROPIEDADES DE POST-AGRIETAMIENTO Y DE AGRIETAMIENTO POR CONTRACCIÓN PLÁSTICA DEL CRF
Durante los últimos años se ha incrementado el uso del concreto reforzado con fibras (CRF) y concreto
lanzado reforzado con fibras (CLRF) en la Industria de la Construcción en aplicaciones de elementos y
estructuras de concreto armado. Las atractivas propiedades del CRF en aplicaciones de pisos industriales y
dovelas; y principalmente del CLRF han implicado que su uso en aplicaciones como sostenimiento de túneles,
minas, excavaciones y estabilidad de taludes, haya ido en aumento y en la actualidad el concreto lanzado es
una técnica de construcción que constituye un gran avance dentro de los procedimientos constructivos ya que
convierte la colocación y compactación del concreto en un único proceso.
En general, es conocido que la incorporación de fibras en el concreto mejora distintas vertientes de su
comportamiento como material estructural en lo que se refiere, fundamentalmente, al agrietamiento, tenacidad
y resistencia al impacto. En este sentido, la incorporación de fibras en el CLRF es interesante desde el punto
de vista de las grandes deformaciones a las que puede estar sometido el concreto en determinadas
aplicaciones (p. e., sostenimiento de túneles, estabilización de taludes, otras).
Desde el punto de vista constructivo, el uso de fibras incrementa el rendimiento y mejora la seguridad en
obra, al reducir operaciones de colocación, y costos al requerir menor espesor de capa en aquellas zonas
donde la malla no se ajuste al soporte.
En los apartados anteriores se ha presentado algunos de los principales métodos que existen para evaluar el
desempeño del CRF, principalmente para determinar la resistencia residual y tenacidad, entre los que destacan
los ensayos de vigas y los ensayos de panel. Además, en la actualidad, una nueva alternativa para evaluar la
tenacidad y resistencia residual del CRF y del CLRF es el ensayo de la norma española UNE 83515, el ensayo
de doble punzonamiento, conocido como Ensayo Barcelona.
En respuesta al interés e importante incremento del uso del CRF en el Sector de la Construcción en el Instituto
de Ingeniería de la UNAM (II-UNAM) se dio continuidad a la línea de investigación de CRF y fruto de ello
es el reciente desarrollo e implementación de los métodos de prueba para determinar la resistencia residual y
absorción de energía, y otros de interés como el ensayo de anillos para agrietamiento por contracción plástica.
El Laboratorio de Estructuras y Materiales del II-UNAM, implementó con éxito los métodos de ensayo de
flexión en vigas (ASTM C1609), de flexión en panel (ASTM C1550), y de doble punzonamiento (UNE
83515), metodologías de ensayo que se han empleado para determinar los parámetros de caracterización. A
continuación se describe brevemente los métodos de prueba para CRF implementados en el II-UNAM.
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ENSAYO DE VIGAS – ASTM C1609
Las pruebas de comportamiento a flexión en vigas se realizan de acuerdo con la norma ASTM C1609. La
prueba evalúa el comportamiento a flexión de concreto usando parámetros derivados de la curva carga-flecha
obtenida para carga a los tercios usando un equipo servo-hidráulico de lazo cerrado. Mediante la prueba se
determina la resistencia máxima calculada en el primer pico de la curva y las resistencias residuales en las
flechas especificadas en la norma.
Las vigas se ensayan a flexión con un arreglo de carga a los tercios similar al especificado en la norma ASTM
C78, pero incorporando un sistema de prueba de servo-control y de lazo cerrado. El dispositivo de carga
consiste de apoyos que aseguran que la fuerza aplicada a la viga sea perpendicular a la cara del espécimen sin
excentricidad. La altura de la viga (d) es 1/3 de la longitud de claro (L). Las vigas son de 150 × 150 × 600 mm
y L 450 mm. La prueba consiste en centrar la viga sobre los apoyos, y sobre este conjunto se coloca el sistema
de carga centrado con respecto a la carga por aplicar. Durante la prueba se registra de forma continua la carga
y flecha, y posteriormente se obtiene la curva carga-flecha a partir del cual se determina la resistencia residual
para los niveles de flecha especificados en la norma ASTM C1609.
La prueba se realiza en un marco de carga muy rígido con actuador de 500 kN y un sistema de control con
lazo cerrado. La velocidad de desplazamiento aplicada es de 0.09 mm/min, conforme lo establece la norma
ASTM C1609. La prueba finaliza cuando se alcanza una flecha de L/150 (3 mm).
Para la instrumentación se coloca dos transductores de desplazamiento tipo LVDT de 50 mm de rango, que se
coloca al centro del claro de la viga, una en cada cara. La resistencia residual se calcula a las flechas de L/600,
L/300 y L/150. La prueba también permite evaluar la tenacidad, en caso lo solicite la especificación, para lo
cual se emplea el área bajo la curva carga-flecha hasta la flecha especificada (L/150). La figura 16 muestra
una vista del montaje e instrumentación de la prueba ASTM C1609, y curvas de carga vs flecha de un
proyecto de investigación para evaluar el desempeño a tenacidad de concreto reforzado con macrofibras
sintéticas solicitadas por una empresa local fabricante de fibras para concreto.
F
150
600
75 75
150
150
150 150
F
mm
Configuración del ensayo Montaje e instrumentación de viga
Flecha
Ca
rga
Área bajo la curva carga vs flecha 0 a L/150
Resistencia Residual a una flecha de L/150
Longitud del claroCarga Pico = Carga a primer pico
Flecha en la carga pico
Resistencia Residual a una flecha de L/600
Carga Residual a una flecha de L/600
Carga Residual a una flecha de L/150
Resistencia en la carga pico
Curva característica con parámetros de cálculo Curvas fuerza vs flecha de estudio
Figura 16 Ensayo a flexión en vigas – ASTM C1609
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ENSAYO DE PANEL – ASTM C1550
Las pruebas de tenacidad a flexión en panel de sección circular, de 75 × 800 ϕ mm, se realizan de acuerdo con
la norma ASTM C1550. La prueba permite caracterizar el comportamiento de flexión del concreto expresado
como absorción de energía en el rango de post-agrietamiento.
El panel de ensayo se apoya en los tres pivotes dispuestos simétricamente sobre un anillo circular de acero y
se aplica una carga puntual sobre el centro del panel. Durante la prueba se registra la carga y flecha de manera
continua y se obtiene la curva carga-flecha a partir del cual se puede obtener la absorción de energía.
La información de la respuesta completa carga-flecha de la prueba de tenacidad en flexión, requiere de un
equipo de prueba muy rígido y un sistema de control que permita obtener información del post-pico (post-
agrietamiento). Para esto se emplea un marco de carga con actuador de 500 kN de capacidad, controlado por
un sistema analógico de lazo cerrado que permite controlar el ensayo por desplazamiento. La velocidad de
desplazamiento que se aplica es de 4 mm/min, como lo establece la norma. La prueba finaliza cuando se
alcanza, como mínimo, una flecha de 40 mm. Para registrar la flecha se coloca un transductor de
desplazamiento tipo LVDT de 100 mm de rango, que se coloca al centro del panel. La tenacidad en esta
prueba se define a las flechas de 5, 10, 20 ó 40 mm.
De acuerdo con la ASTM C1550, se debe fabricar un mínimo de tres paneles para cada edad de ensayo. Para
considerar un ensayo exitoso, la ASTM requiere que el modo de falla del panel debe presentar tres grietas
radiales y que al menos dos de los tres paneles deben presentar este modo de falla.
La figura 17 muestra una vista de la configuración de un ensayo típico de panel de acuerdo con el ASTM
C1550, y además curvas carga vs flecha de paneles sin fibra (M3-1) y con dos diferentes dosis de fibra (M3-2
y M3-3), resultados de un estudio solicitado por una empresa fabricante de macrofibras sintéticas, interesadas
en evaluar el desempeño post-agrietamiento de sus fibras en el concreto mediante la medición de la absorción
de energía, que se calcula como el área bajo la curva carga vs flecha.
Configuración del montaje de panel
Montaje de panel Curvas carga vs flecha de estudio
Figura 17 Ensayo a flexión en panel – ASTM C1550
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ENSAYO DE DOBLE PUNZONAMIENTO – UNE 83515
El ensayo de doble punzonamiento (DPT), consiste en someter a compresión uniaxial un cilindro de concreto
(150 ϕ × 150 H, mm) mediante dos discos cilíndricos de acero de 37.5 mm diámetro y 30 mm de altura
dispuestos concéntricamente por encima y por debajo del cilindro de ensayo. La prueba permite determinar la
resistencia máxima, residual y absorción de energía del CRF.
El control del ensayo se realiza por posición, y se registra de forma continua la carga aplicada y la abertura
circunferencial (∆ϕ) para lo cual se usa una cadena circunferencial con extensómetro. Durante el ensayo se
registra de manera continua la carga y abertura circunferencial. La carga se aplica a una velocidad de 0.5
mm/min, lo que hace que sea un ensayo rápido. El ensayo termina cuando se alcanza una abertura mínima de
6 mm, como lo especifica la UNE 83515.
Una ventaja de este método es que requiere probetas que se pueden fabricar individualmente (150 ϕ × 150 H
mm), obtener mediante corte de cilindros convencionales de 150 ϕ × 300 H mm o de extracción de testigos de
estructuras existentes. Son probetas de peso y volumen pequeño (7 kg, 3 lt), lo que representa una muestra de
fácil manejo comparado con otros métodos que emplea vigas (a 150 × b 150 × h 600 mm, 32 kg) o paneles
[sección circular (ϕ 80 × h 75 mm, 90 kg); o sección cuadrada (l 600 × a 600 × h 100 mm, 86 kg)], para
caracterizar el CRF.
La variabilidad de los resultados de resistencia a tensión presenta coeficientes de variación (CV) bastante
aceptables; del orden de 6 – 8 %. Esto confirma que la variabilidad de los resultados que se obtienen mediante
el ensayo DPT es menor que aquellos obtenidos mediante otros métodos tradicionales como el ensayo a
flexión de vigas. La repetitividad de los resultados permite consolidar al ensayo DPT como un método de
control sistemático para evaluar el comportamiento de CRF. La figura 18 muestra la configuración típica del
ensayo DPT y resultados de una amplia campaña experimental desarrollada para implementar el método DPT
con el patrocinio del Instituto de Ingeniería.
Configuración Montaje de cilindro Modo de falla
Curvas carga vs deformación del ensayo DPT
Figura 18 Ensayo de doble punzonamiento – UNE 83515
XX Congreso Nacional de Ingeniería Estructural Mérida, Yucatán 2016.
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ENSAYO DE AGRIETAMIENTO POR CONTRACCIÓN PLÁSTICA – ACI 544.2R
Para el ensayo de agrietamiento por contracción plástica del concreto, se emplea el método del anillo
recomendado por el ACI 544.2R. El dispositivo que se emplea para la prueba de agrietamiento por
contracción plástica es similar al desarrollado por Dahl (Dahl, 1985). El equipo consiste de 2 anillos de acero
de 5 mm de espesor, con diámetros interior y exterior de 280 y 580 mm, respectivamente; y 80 mm de altura,
que se colocan sobre una superficie metálica no absorbente de 16 mm de espesor. El anillo exterior tiene
soldadas sobre su circunferencia 12 placas de acero de 5 mm de espesor, 30 mm de longitud y 80 mm de
altura, cuya función es inducir el agrietamiento.
La mezcla de concreto se vierte entre los dos anillos de acero, para formar anillos de concreto de 145 mm de
espesor y 80 mm de altura. El moldeado de anillos se realiza en una sola capa, compactado en una mesa de
vibrado durante 25 segundos. Además, se moldean cubos de concreto, que se usan para medir la pérdida de
agua durante el secado. Todo el dispositivo se coloca en un ambiente sometido a condiciones controladas de
temperatura (20°C), humedad relativa (40%) y viento (4 m/s). La figura 19 muestra un esquema del montaje
de la prueba.
Cubos de
concreto
SECCIÓN A - A
Viento
Cámara de condiciones climáticas Termómetro Higrómetro
AA
Anillo de concretoRestricciones
Calentador
Mesa de vibrado
Figura 19 Disposición de prueba para estudiar el agrietamiento por contracción plástica
El desarrollo de la prueba consiste en monitorear la aparición de las primeras fisuras y agrietamiento final de
la superficie de concreto. La prueba tiene una duración de 6 horas desde que los anillos se someten a la
condición de secado (Branch et al., 2002).
Un parámetro representativo de esta prueba es el índice de grieta. El índice de grieta se refiere al valor
promedio de todos los anchos de grieta acumulado de los especímenes ensayados. El ancho de grieta
acumulado es el promedio de la suma de los anchos de grieta medida a lo largo de dos secciones circulares
sobre la superficie superior de cada espécimen (NT Build, 1999). Las secciones circulares son dos círculos
concéntricos que se trazan sobre la superficie de concreto a una distancia de 48.3 mm una de otra. La figura
20 muestra un esquema característico del desarrollo de grietas, la ubicación de las secciones circulares y el
dispositivo de medición.
Las figuras 21 a 23 y la tabla 1 muestran la configuración típica del ensayo de agrietamiento por contracción
plástica y los resultados de una campaña experimental desarrollada para evaluar el desempeño de una fibra de
polipropileno en el control de agrietamiento, estudio realizado para una empresa fabricante de fibras para
concreto (Aire et al. 2012).
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17
Grieta
Sección 1
Sección 2
145 280 48.3 48.3 48.3
Índice de grieta =∑S1 + ∑S2
2
Figura 20 Esquema del desarrollo de grietas y comparador de grietas
Tabla 1 Resultados de las mediciones de grietas (agregado de 9.5 mm)
Grieta Área Área
ID Anillo Control Reduc Ancho Índice Área Control Reduc M-%Fibra 1-2 [#] máximo fisura grieta
# % % mm mm2 % % M1-0.0% 5 - 3 100 0 0.30 0.11 32.7 100 0
M2-0.1% 2 - 1 37 63 0.20 0.07 15.0 46 54
M3-0.3% 1 - 1 25 75 0.10 0.04 5.9 18 82
M4-0.5% 0 - 0 0 100 0.00 0.00 0.0 0 100
Anillos dentro de la cámra de condicioes climpaticas Detalle de anillos y muestras de concreto para determinar la veñocidad de evaporación del agua Detalle de las secciones 1 y 2 para determinar el índice de grieta Detalle de grieta y su medición
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18
Calculo del área de grietas
Figura 21 Ensayo típico de agrietamiento por contracción plástica
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0 0.1 0.3 0.5
An
ch
o d
e g
rieta
máx
imo
, m
m
Contenido de fibra, %
9.5 mm
19.0 mm
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0 0.1 0.3 0.5
Índ
ice
de
gri
eta
Contenido de fibra, %
9.5 mm19.0 mm
Figura 22 Parámetros de referencia del ensayo de agrietamiento por contracción plástica
0
20
40
60
80
100
120
0 0.1 0.3 0.5
Áre
a d
e g
rieta
, m
m2
Contenido de fibra, %
9.5 mm
19.0 mm
Figura 23 Influencia del contenido de fibra en la reducción del área de agrietamiento
Sociedad Mexicana de Ingeniería EstructuralSociedad Mexicana de Ingeniería Estructural
19
CONCLUSIONES
En este artículo se presentó una descripción general de los principales métodos de prueba para evaluar el
desempeño del comportamiento de post-agrietamiento y en estado plástico del concreto reforzado con fibras.
Las propiedades características del CRF y CLRF se miden mediante parámetros de resistencia residual y
absorción de energía. Destacan entre los métodos, aquellos que se basan en el ensayo de vigas, sin embargo,
el ensayo de panel surge como alternativa de caracterización, principalmente para concreto lanzado reforzado
con fibras. También, se presentó el ensayo de agrietamiento por contracción plástica que permite evaluar la
contribución de la incorporación de fibras en la reducción del agrietamiento en estado plástico del concreto.
El ensayo de doble punzonamiento, conocido también como Ensayo Barcelona, es un ensayo alternativo al
ensayo de flexión en vigas y al de panel para determinar la resistencia a tensión y absorción de energía
(tenacidad) del CRF. Es un procedimiento sencillo que requiere de equipos convencionales para ensayo de
rotura de cilindros. Para el ensayo se emplea probetas de menor volumen comparados con otros métodos que
resultan en ahorro de tiempo de preparación y costo.
Se presentó también, los métodos de prueba que han sido implementados en el Laboratorio de Estructuras y
Materiales del Instituto de Ingeniería de la UNAM, que son: Determinación de resistencias residuales y
absorción de energía mediante los ensayos de flexión en vigas (ASTM C1609), ensayo de panel (ASTM
C1550) y el ensayo Barcelona (EN 83515); y el ensayo para la determinación del índice de agrietamiento por
contracción plástica del concreto.
Es importante destacar, que el Instituto de Ingeniería ha propuesto el desarrollo de anteproyectos de normas
nacionales NMX, basadas en los procedimientos de ensayo ASTM (C1609 y C1550) y UNE (83515), los
cuales actualmente se están revisando.
REFERENCIAS
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