Cesar Eduardo Chávez Vera a; Pedro Napoleón Chara Moreira b; María Belén

Alarcón Valencia c; María Milagros Fois Lugo d

Influencia de la fibra de acero en el control de la tenacidad del hormigón simple

Revista Científica Mundo de la Investigación y el Conocimiento. Vol. 2 núm.2, mayo, ISSN: 2588-073X,  2018, pp. 209-235

DOI:  10.26820/recimundo/2.(2).2018.209-235

Editorial Saberes del Conocimiento

Recibido: 05/12/2017             Aceptado: 15/03/2018

a.     chavezveracesar@gmail.com                                                                                                                                                                            

b.     Universidad de Guayaquil;  pedro.charam@ug.edu.ec

c.     Universidad de Guayaquil;  maria.alarconva@ug.edu.ec

d.

RESUMEN

El hormigón es un material de uso frecuente en la construcción de viviendas y edificios en el Ecuador, por tal motivo se hace necesario el estudio y la mejora de sus propiedades con el fin de brindar calidad y seguridad en las construcciones.

El hormigón es un material que por sí solo es muy frágil, necesita de aditamentos para la mejora de ciertas propiedades, como es la tenacidad. Para esto son muchos los materiales que se están estudiando, de esta lista sobresalen las fibras de acero, un material muy resistente también pero que hasta el momento solo se lo aplica para obras provisionales como revestimiento de túneles, taludes y pavimentos.

Uso de los objetivos de este informe es brindar a través del conocimiento existente un aporte en cuanto al diseño de hormigón con fibras de acero para la mejora de la tenacidad ante esfuerzos de corte, en base a esto hemos  estudiado las características de los agregados, la normativa existente  para  ensayar  varias  muestras  que  nos  darán  resultados  para  la  evaluación  de  la tenacidad del hormigón en la ciudad de Guayaquil.

Adicionalmente se estudian otras características del hormigón fresco y de la resistencia a la compresión y flexión (módulo de rotura), las cuales nos darán datos adicionales para mejorar nuestros diseños.

Palabras clave: Hormigón, Fibras, Acero, Tenacidad, Compresión, Módulo de rotura.

ABSTRACT

Concrete is a material often used in the construction of houses and buildings in Ecuador, for this reason the study  and improvement of its properties in order to provide quality and safety in construction is necessary.

Concrete is a material that alone is very fragile, adjuncts needs to improve certain properties, such as toughness. To this are many materials being studied, from this list you stands as steel fibers, also a very durable material, but so far only applies to temporary works as lining tunnels, embankments and pavements.

Use of the objectives of this report is to provide through the existing knowledge a contribution in the design of concrete with steel fibers to improve the tenacity to shear stresses, on this basis we studied the characteristics of the aggregates, existing regulations to test several samples that will give us results for the evaluation of the toughness of concrete in the city of Guayaquil

In  addition  other  characteristics  of  fresh  concrete  and  compressive  strength  and  bending

(modulus of rupture) they are studied, which will give us additional data to improve our designs.

Key words: Concrete fibers, Steel, Toughness , compression , modulus of rupture.

Introducción.

Como sabemos, el hormigón simple (HS) es la mezcla ideal de aglomerantes y agregados pétreos,  necesaria para fabricar un hormigón de una resistencia determinada, muchos son los estudios que se han realizado a través de ensayos con el objetivo de determinar las características y comportamientos mecánicos de  este  material con el fin de generalizar su utilización en la industria de la construcción, una de principales conclusiones es la deficiente resistencia de los elementos estructurales fabricados de este material a los esfuerzos cortantes así como un frágil e impactante fisuramiento de las matrices al ser sometidos a cargas y/o solicitaciones.

Siendo algunas las causas que provocan el fisuramiento de un elemento estructural nos centraremos en el análisis de las patologías cuyo origen provienen de la sobre carga de esfuerzos de compresión, flexión y corte, analizando el control de fisuramiento y tenacidad del hormigón endurecido;  además  de  las  propiedades  del  hormigón  fresco  (segregación,  trabajabilidad  y consistencia) y la incidencia de estas en la resistencia final de  los elementos, que también se puede decir, son producto de un determinado diseño de hormigón y su proceso de fabricación.

Consecuentemente con lo dicho anteriormente, este problema hace que nos planteemos como  constructores  y sociedad  en  general, el  uso de medidas que mitiguen los  efectos no deseados, como es la fisura descontrolada e impactante de los elementos de hormigón cuando fallan, incluso su anulación como elemento estructural, los mismos que pueden conllevar a un colapso parcial o total de las estructuras, poniendo en riesgo la integridad física de los usuarios. Alternativas como el uso de fibras de acero (HRFA) están cada vez entrando con más fuerza en el campo de la construcción, debido a que ha demostrado otorgar apreciables  prestaciones al hormigón simple en el área de la tenacidad, control de fisuras y en menor medida el aumento de la resistencia a la flexión.

El objetivo de la presente investigación es analizar diferentes dosificaciones de fibras de acero en el hormigón simple a partir de la metodología de diseño de hormigones de la ACI para su aplicación en estructuras de hormigo y así incrementar su resistencia a esfuerzos de corte.

Metodología.

Para la elaboración de este estudio de caso se utilizara el método cuantitativo, el mismo que se  caracteriza por basarse en métodos experimentales en complemento con técnicas de estadística y de análisis de resultados.

La utilización de normativa avalada por instituciones nacionales e internacionales, para la realización de ensayos de laboratorio, son las técnicas que  predominan en este informe así como la utilización de la teoría actual sobre diseño de hormigones; este método de investigación nos permite manipular y estudiar las características  de  las variables para finalmente obtener los indicadores que nos permitirán analizar, comprobar resultados que  nos permitirán realizar las propuestas finales.

Método de estudio de casos

El estudio de caso, es una estructura investigativa ordenada y directa para conseguir la solución  de  los  problemas  planteados  a  través  del  conocimiento  de  las  teorías  generales, sustantivas y empíricas (objeto y  campo de estudio). Metodológicamente se involucra en el estudio y utilización de instrumentos de recolección de datos y las unidades de análisis para la proposición de  variables y obtención de resultados, complementariamente nos este estudio se sustenta  en  la  metodología  del  marco  lógico,  estableciendo  una  identificación  precisa  del problema,  causas,  efectos,  involucrados,  estableciendo  una  camino  crítico  hacia  el  análisis, comprobación y solución del problema.

Premisa

La  incorporación  de  fibras  de  acero al  hormigón  simple incrementa la resistencia a tenacidad del  hormigón, mejorando el comportamiento post – fisuramiento de las muestras y extiende el tiempo de fisura o colapso total del hormigón ante esfuerzos de corte y flexión.

Cuadro de categorías, dimensiones, instrumentos y unidades de análisis (CDIU)

Descripción de las unidades de análisis

Dentro de las unidades de análisis de este trabajo tenemos principalmente a los agregados de hormigón, sus características físicas nos permiten elaborar un diseño de hormigón adecuado para incrementar la resistencia a tenacidad, estos son:

Agregados Fino y Grueso

El agregado fino es usado en los ensayos son obtenidos a partir de la piedra caliza que se extrae del sitio conocido como cerro azul en la parroquia Chongón del cantón Guayaquil y que es procesada por la empresa Calizas  Huayco S.A. Este debe cumplir los requerimientos de las normas NTE-0696 y ASTM-C136 en cuanto  la granulometría y se utilizan para la fabricación de productos  artificiales resistentes como el hormigón hidráulico (concreto) y el hormigón asfáltico, mediante su mezcla con materiales y aglomerantes tales como: cemento, cal, asfalto, etc.

Cilindros para ensayos de compresión

Son muestras de forma cilíndrica, fabricadas con hormigón hidráulico mediante el uso de moldes  metálicos, para su fabricación  y control de calidad deben cumplir especificaciones ASTM C-136 ASTM-C31 y ASTM-C192. Previamente, antes de su elaboración se debe realizar un diseño que permita dosificar adecuadamente los agregados utilizados.

Este espécimen como le vamos a llamar tiene la función metodológica de arrojar datos que indiquen la resistencia del mismo ante una carga axial o de compresión según norma NTE-1573y ASTM-C39, estos datos deben ser iguales o mayores a los valores de resistencia de diseño.

Vigas par ensayos de flexión

Son muestras de forma prismática, fabricadas con hormigón hidráulico mediante el uso de moldes  metálicos, para su fabricación y control de calidad deben cumplir especificaciones según norma ASTM-C31 y ASTM-C192. Previamente, antes de su elaboración se debe realizar un diseño que permita dosificar adecuadamente los agregados utilizados.

Este espécimen como le vamos a llamar tiene la función metodológica de arrojar datos que indiquen la resistencia del mismo apoyado en los extremos y cargado en los tercios de la luz libre, esto según norma NTE-2554 y ASTM-C78, estos datos deben ser iguales o mayores a los valores de resistencia de diseño.

Fibra de acero

Las fibras de acero son pequeños alambres de acero trefilado en frio de 60 mm longitud y forma alargada que posee ganchos encolados en sus extremos para un mejor rendimiento en el refuerzo del hormigón hidráulico, para lograr su desempeño dentro de la matriz del hormigón deben cumplir con las normativas europeas EN  14889-1 (Dosificación mínima necesaria para cada  tipo  de  fibra).Vienen  encoladas  en  peines  para  lograr  un  mezclado  rápido,  fácil  y homogéneo  con el hormigón, además de evitar la formación de bolas o grumos de fibras.

Figura 1.- Presentación de la fibra "Dramix", fuente: Ficha Técnica

Gestión de datos

Considerando  la  metodología  cuantitativa  y  el  carácter  rigurosamente  técnico  de  este estudio de caso, se utiliza para la gestión de datos las fichas establecidas por el laboratorio de suelos y hormigones de la  Facultad  de Ciencias Matemáticas y Físicas de la Universidad de Guayaquil la cual acoge la normativa vigente y que se referencia en el marco teórico en cuanto al análisis granulométrico de los agregados y su posterior  caracterización en relación a pesos y densidades.

Por  otro  lado,  refiriéndonos  la  toma  de  resultados  de  los  especímenes  de  hormigón hidráulico, ya  sea  en cilindros o de viguetas, se ha diseñado la ficha pertinente tomando en consideración los requisitos estipulado a las normas INEN NTE, la cual considera datos como: laboratorio y fecha de ensayo, número de identificación, diámetro de muestra, área de la sección transversal,  carga  máxima,  resistencia  a  la  compresión,  tipo  de  fractura,  defectos  en  cada espécimen,  edad  del  espécimen,  y,  densidad,  adicionalmente observaciones  varias  donde se puede señalar  responsabilidades sobre los procedimientos de muestreo, transporte y curado de especímenes, además de  cualquier  variación a los procedimientos señalados en las referidas normas.

Finalmente, todos estos datos son analizados y comparados entre sí, sus características, dimensiones y  alternativas de mejora de los resultados y sus respectivos referentes empíricos para establecer las conclusiones correspondientes.

Criterios éticos de la investigación

La veracidad y confiabilidad de los resultados obtenidos, depende estrictamente del respeto y seguimiento de los procedimientos detallados en cada ensayo, al tratarse de un estudio que se rige en gran medida por bibliografía normativa.

Resultados.

Antecedentes de la unidad de análisis

Previamente a la obtención de resultados de tenacidad mediante la rotura de muestras de hormigón hidráulico reforzado con fibras de acero, se tienen que comprobar las características físicas de los agregados siguiendo los parámetros de las NormasNTE-0696 y ASTM-C136, estos parámetros vienen expresados por la siguiente tabla en función del tamaño de los agregados:

Tabla N° 1.- Granulometría arena

Una vez  realizado  el  correspondiente  tamizado  del agregado  fino,  se  determina que cumple con la  norma ASTM-C136 para el agregado fino, la cual se encuentra detallada en la columna 6 de la tabla que  antecede, por tal motivo no se requiere de ninguna corrección del agregado y es apto para la fabricación de hormigones hidráulicos.

Tabla N° 2.- Granulometría de la grava

Se realiza también el análisis granulométrico del agregado grueso según normaASTM- C136 para el  agregado grueso de tamaño máximo 3/4”, la cual se encuentra detallada en la columna 6 de la tabla que  antecede, por tal motivo no se requiere de ninguna corrección del agregado y es apto para la fabricación de hormigones hidráulicos.

Por  otro  lado,  se  realiza  el  correspondiente  diseño  de  hormigón  hidráulico  para  la elaboración de las muestras mediante el método ACI, el cual parte de las características físicas de los agregados y de requerimientos de resistencia y trabajabilidad del hormigón; es así que se escoge realizar un diseño de hormigón estructural que para nuestro estudio será de 210 Kg/cm2 con  un  revenimiento  de  15  a  20  cm.,  a  este  hormigón  base  le  añadiremos  dos  distintas dosificaciones de fibra de acero para su posterior análisis.

Tabla N° 3.- Diseño de hormigón

Para determinar la cantidad de hormigón a preparar, se enumera los ensayos a realizarse y se cuantifica el  número de especímenes de acuerdo a lo que la norma requiere,(Terreros de Varela,  2006)  considera:  “Para  cada  ensayo  de  resistencia  deberá  tomarse  por  lo  menos  2 especímenes de ensayo su resultado será el  promedio de los 2 especímenes ensayados a la humedad especificada” (p.171), es así que:

Cuadro N° 1.- Análisis de muestras

Presentación de los resultados.

Figura N° 1.- Moldes utilizados para muestras

Durante la fabricación de los especímenes se siguieron los procedimientos regulares para la correcta colocación del hormigón de los moldes, la mezcla de los agregados se la realizó por medios mecánicos con el uso de mezcladora. Para la colocación en los moldes, se trabajó en capas de 10 cm en cilindros, a continuación se varilló la mezcla y golpeó exteriormente los moldes para lograr una óptima compactación.

Revenimiento del hormigón hidráulico.

Luego del mezclado del hormigón, inmediatamente se mide la consistencia de la mezcla mediante el uso del cono de abrams, a continuación los resultados:

Figura N° 2.- Análisis de consistencia

Cuadro N° 2.- Resumen de consistencias

El revenimiento del hormigón base está dentro de los parámetros de diseño, no así en hormigón con fibras, este pierde consistencia debido a la incorporación de las fibras de acero en un 15%.

Ensayos de compresión

Se fabricaron cilindros para analizar el comportamiento de estos a la resistencia a compresión, las roturas se hicieron a los 7 y 28 días de curado. La dimensión de los especímenes es de 15cm de diámetro y 30 cm de altura y fueron ensayados en el Laboratorio Dr. Arnaldo Ruffilli de la Universidad Guayaquil. Se fabricaron tres tipos de hormigón cuya diferencia es el contenido de fibra, el diseño y la dosificación de los agregados así como aditivos se mantuvo en todos los especímenes.

Primera ronda de ensayos

Segunda ronda de ensayos

Resumen de ensayo a compresión a los 7 días

Tercera ronda de ensayos

Cuarta ronda de ensayos

Resumen de ensayo a compresión a los 7 días

Ensayos de flexión y curva de tenacidad

Obtención del Módulo de Rotura (Ensayo de Flexión)

Obtención de la curva Esfuerzo deformación (Ensayo de Flexión)

Curva esfuerzo deformación Hormigón

Carga vs. Deformación HRFA

Curva esfuerzo deformación HRFA

Análisis de cargas absorbidas (Tenacidad)

Análisis económico del HRFA en comparación al HS

RESUMEN COMPARATIVO

Conclusiones.

La  determinación  de  la  primera  fisura  mediante  los  procedimientos  dictados  en  las normas UNE no son objetivos ya que sugieren la aparición de una primera fisura antes de que el elemento llegue a su carga máxima, esta primera fisura es difícil de determinar a simple vista. Por este motivo para la determinación de la  flecha máxima para los ensayos se trabajó con la deformación causada por la carga máxima.

Finalmente, se determina que para un incremento del 19% de resistencia a cargas de esfuerzos cortantes y 2200% en capacidad de deformación, el HRFA tiene un costo superior en relación al hormigón base de aproximadamente un 171%.

Bibliografía.

American Society for Testing Materials. (1997). ASTM C1018-97, Standard Test Method for Flexural Toughness and First-Crack Strength of Fiber-Reinforced Concrete (Using Beam With Third-Point Loading) (Withdrawn 2006).West Conshohocken, Pensilvania.
GUETTU, R., L., A., AGUADO, A., & SALDIVAR, H. (2000). La tenacidad de los hormigones reforzados con fibras de acero. Barcelona: Centro internacional de metodos numéricos en Ingenieria, UPC.
Instituto Nacional de Estadisticas y Censos. (2014). Anuario de Estadisticas de Edificaciones. Guayaquil: Dirección de Comunicacion Social INEC.
Instituto Nacional de Estadisticas y Censos. (2015). Anuario de Estadisticas de Edificaciones. Obtenido de Instituto Nacional de Estadisticas y Censos: http://www.ecuadorencifras.gob.ec/encuesta-anual-de-edificaciones-permisos-de-construccion/
Terreros de Varela, C. (2006). Materiales de Construcción. Guayaquil, Guayas, Ecuador: Centro de difusión y publicaciones ESPOL.