clase máster 2013 fibras sinteticas

8/20/2019 Clase Máster 2013 Fibras Sinteticas

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Diciembre, 2013

MÁSTER UNIVERSITARO EN INGENIERÍA DE LAS ESTRUCTURAS, CIMENTACIONES Y MATERIALES

HORMIGÓN REFORZADO CON FIBRAS SINTÉTICASESTRUCTURALES

EJEMPLO EXPERIMENTAL:HORMIGÓN AUTOCOMPACTANTE REFORZADO CON

FIBRAS DE POLIOLEFINA

Marcos García AlbertiDepartamento de Ingeniería Civil: ConstrucciónETSICCP

1

Hormigón: materialcompuesto cuasi-frágil

Agua+

Cemento+

Árido fino+

Árido grueso+

Otros

¿Por qué no reforzar la matriz añadiendo un nuevo componente depequeño tamaño y distribuido aleatoriamente en el amasado deforma que permita mantener las propiedades del hormigón en

estado fresco y mejore su respuesta estructural bajo solicitacionesde tracción y flexión?

Hormigón reforzado con fibras: conceptos previos



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1 Hormigón reforzado con fibras: conceptos previos

Desde desechos hasta formas artificiales con acero




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Tipologías de fibras

Normativa y recomendaciones

HORMIGÓN REFORZADO CON FIBRAS

1

• Han impulsado el uso de fibrasproporcionando al ingenieroherramientas para el diseño dehormigones reforzados con fibras

• Permiten evaluar la aptitud de las fibraspara tener en cuenta su contribución enel cálculo estructural

• Basados en la experiencia con fibras deacero



Hormigón Reforzado con macro-fibras sintéticas estructurales

Macro-fibras sintéticas estructuralesMacro fibra EHE-08:



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1

Fibras sintéticas (poliméricas)

• Estables químicamente frente a todo tipo de ataques (garantizan ladurabilidad del sistema de forma más efectiva)

• Si son estructurales: – Menor dosificación en kg de fibra/m³ de hormigón – Inferior desgaste de bombas, mangueras (hormigón proyectado) – Menores riesgos en su manipulación – Riesgo muy bajo de degradación y oxidación – Menor coste por m³ de hormigón

– Afectan en menor medida a la docilidad del hormigón en estadofresco


1

Fibras sintéticas




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Fibras sintéticas

1 5Hormigón reforzado con fibras: conceptos previos




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Comparación de fibras de acero con fibras sintéticas más comunes

Geometrías habituales Forma/ Textura Longitud (mm) Diámetro eq (mm)

Fibras de acero Lisa con extremos conformados 65/35 0,75

Microfibras sintéticas Recta y lisa 12 0,02 -0,023

Macrofibras sintéticas Rugosidad superficial (relieve continuo) 60/48 0,5 - 1


Comparación de fibras de acero con fibras sintéticas más comunesCaracterísticashabituales

Resistencia atracción (MPa)

Módulo deelasticidad (GPa)

Dosificación(kg/m³) Material base

Fibras de acero 1050 210 25-70 Acero al carbono

Microfibrassintéticas 30 2 1- 2 Polipropileno

Macrofibrassintéticas 550 5-15 3 - 12

Poliolefina (polipropileno,polietileno,..)



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1

EFECTO SOBRE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS


Comparación con hormigón convencional si n armadura(CONSIDERACIONES GENERALES CUALITATIVAS)

Prestación Fibras de acero Microfibras sintéticas Macrofibras sintéticasTrabajabilidad reducida ligeramente reducida ligeramente reducidaFisuración porretracción inicial no afecta reduce reduce ligeramenteFisuración poracciones térmicas reduce no afecta reduce ligeramenteResistencia al"spalling" porfuego incrementa ligeramente

incrementanotablemente incrementa

Resistencia acompresión no afecta no afecta no afectaResistenciaresidual a flexión incrementa no afecta incrementaResistencia frentea impacto importante incremento no afecta incrementa



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1

EFECTO SOBRE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS


Comparación con hormigón convencional si n armadura(CONSIDERACIONES GENERALES CUALITATIVAS)

Prestación Fibras de acero Microfibras sintéticasMacrofibrassintéticas

Tenacidad defractura incrementa no afecta incrementaResistencia a laabrasión incrementa incrementa ligeramente

incrementaligeramente

Resistencia frente ahielo-deshielo

incrementaligeramente incrementa incrementa

Permeabilidadincrementa

ligeramente incrementa ligeramenteincrementa

ligeramenteDesgaste de equipos(proyectado) incrementa se reduce se reduce

Acabados Tratamientoespecial fibras expuesta sedesgasta Pueden sobresalirfibras (flotan)Durabilidadexposición cloruros incrementa no afecta

incrementanotablemente

Seguridad riesgo en el manejo incrementa incrementa




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Hormigón reforzado con fibras1 Hormigón reforzado con fibras: conceptos previos




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1 Hormigón reforzado con fibras: ensayos de fractura



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1 Hormigón reforzado con fibras: ensayo de fractura




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VÍDEO ENSAYO DE FRACTURA:



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1 Hormigón reforzado con fibras: resultados típicos SFRC

Hormigón reforzado con fibras: modelos constitutivos1



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Hormigón de altas prestaciones

Hormigón de altas prestaciones

Definición:Hormigón que mejor cumple los requisitos para una aplicaciónconsiderada, incluyendo entre otros el coste, la resistencia acompresión, la resistencia a la fatiga, ductilidad, fluencia, retraccióno durabilidad (Gettu et al. 1998)

Para ello, se pueden combinar tecnologías de hormigonesespeciales, como: – Hormigón de alta resistencia reforzado con fibras – Hormigón autocompactante reforzado con fibras

HORMIGÓN AUTOCOMPACTANTE: ¿Cómo afecta a la orientación de las fibras?

2 Hormigón de altas prestaciones



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2 Influencia de las condic iones de hormigonado

EJEMPLO EXPERIMENTAL:

HORMIGÓN AUTOCOMPACTANTE

REFORZADO CON FIBRAS DE POLIOLEFINA

Con los condic ionantes añadidos:

- Uso estructural susti tuyendo las fibras de acero porsintéticas

- Contenido de cemento y aditivos moderado



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Gran facilidad de colocaciónElimina los medios de compactaciónEs un material adecuado paracolocarlo mediante bombeoMejora la calidad de acabado de lassuperficies vistasReduce el coste global de la obra

Capaz de rellenar zonas fuertementearmadas


Ventajas

3 Hormigón autocompactante reforzado con fibras de poliolefina

MOTIVACIÓN

Gran facilidad de colocaciónElimina los medios de compactaciónEs un material adecuado para

colocarlo mediante bombeoMejora la calidad de acabado de lassuperficies vistasReduce el coste global de la obraCapaz de rellenar zonas fuertementearmadas

• Problemas de retracción por elevadocontenido de pasta

• Necesidad de ajustes experimentales

previos• Tendencia a dosificar con elevadas

cantidades de cemento y finos queelevan el coste

Ventajas Inconvenientes


HORMIGÓN AUTOCOMPACTANTEMOTIVACIÓN



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Aumento de la resistencia aflexotracción

Aumento de la tenacidad

Control de la fisuración

Posible reducción de armados

Ventajas Inconvenientes de las fibras de acero

• Corrosión en las fibras• Mayor peso y coste• Peor docilidad : pérdida

autocompactabilidad con laadición de fibras

• Interferenciaselectromagnéticas

HORMIGÓN REFORZADO CON FIBRAS


MOTIVACIÓN

Ventajas delhormigón

autocompactante

Hormigón reforzado

con fibras condurabilidadmejorada


HORMIGÓN REFORZADOCON FIBRAS

ESTRUCTURALES

HORMIGONES AUTOCOMPACTANTES

REFORZADOS CONFIBRAS DE POLIOLEFINA




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Campañas experimentales

• Campaña para la obtención de la dosificación patrón

• Campaña experimental con hormigonesautocompactantes con contenidos medios de fibras depoliolefina

• Campaña experimental con hormigonesautocompactantes con alto contenido de fibras

• Obtención de un hormigón autocompactante con contenidomoderado de cemento y aditivos adecuado para los usos máshabituales de la Ingeniería Civil y la Edificación

• Ajuste y comprobación de una mezcla capaz de mantener suspropiedades en estado fresco con la aportación de las fibrasde poliolefina (hasta 6 kg/m³)

• Resistencias características en rangos habituales

4


OBJETIVOS:

METODOLOGÍA:• Obtención de una dosificación de partida cuidadosamente

estudiada y elección de materiales

• Ajuste empírico mediante ensayos en estado fresco(escurrimiento, embudo en V)

• Rotura a compresión a 7 días cuando la mezcla obtenida seconsideró adecuada en estado fresco

Descripc ión de las campañas experimentales



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Selección de materiales

Adición de Filler calizo

Cemento CEM I 52,5 R/SR 5

Esqueleto granular

Aditivo superplastificante:• Sika ViscoCrete 5720

Composición de la pasta

• Ári dos si líceos machacados

Grava (TMA 12,7 mm, 24%)+

Gravilla (16%)+

Arena (60%)


4 Descripc ión de las campañas experimentales

• Máxima compacidad en seco ymínimo volumen de huecos

Selección de materiales Fibras de poliolefina Sikafiber:• Longitud : 60 mm• Densidad: 0,910 gr/cm³• Diámetro equivalente: 0,903 mm• Resistencia a tracción: > 500 MPa• Módulo de Elasticidad: > 9 GPa• Rugosidad y tratamiento superficial





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Dosificación patrón:

Peso(kg/m³)

Cemento 375 Agua 187,50a/c 0,50Filler calizo 200

Arena 917,74Gravilla 244,73Grava 367,09Plastificante 1,25%

Dosificación competitiva de HAC:

• Cantidad moderada decemento

• 1,25 % de superplastificante• Sin aditivo modulador de

viscosidad• Resistencia característica del

entorno de los 40MPa• Secuencia de amasado

Ensayo de escurrimiento Ensayo delEmbudo en V

T50 (s) d1 (mm) d2 (mm) df (mm) Tiempo de flujo (s)D4 5 700 700 700 12

D4F 6 660 670 665 14,5



• Evaluación de la influencia de la aportación de fibras endistintos contenidos en estado fresco y en estado endurecido

• Evaluación de las características mecánicas y en fractura

OBJETIVOS:

METODOLOGÍA:

• Campaña experimental con hormigones autocompactantes con contenidos medios de fibras de poliolefina

F a

b r i c a c i ó n

d e

h o r m

i g o n e s

Peso

(kg/m³)Cemento 375

Agua 187,50a/c 0,50Filler calizo 200

Arena 917,74Gravilla 244,73Grava 367,09Plastificante 1,25%

2298

Sin fibras (hormigónde referencia) HAC

HAC + 3kg/m³ defibras

HAC3

HAC + 4,5kg/m³ defibras

HAC4,5

HAC + 6kg/m³ defibras HAC6




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• Fabricación de hormigones autocompactantes con 10kg/m³ defibras de poliolefina

• Obtención de hormigones aptos para uso estructural• Evaluación de la aportación del aditivo mejorador de

adherencia Sikatell 250

OBJETIVOS:

METODOLOGÍA:


• Campaña experimental con hormigones autocompactantes con alto contenido de fibras de poliolefina

• Dosificación patrón con 10kg/m³ de fibras→ evaluación delcomportamiento en estado fresco

• Fabricación con ligeras variaciones en esqueleto granular ysuperplastificante

• Fabricación de hormigón con las mismas variaciones y el mejorador deadherencia


Fabricación de hormigones


Dosificación patrón + 10kg/m³

Árid o (%) HAC10a HAC10b Arena 60% 65%Gravilla 16% 14%Grava 24% 21%

Superplastificante 1,25% 1,50%



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F a

b r i c a c i ó n

d e

h o r m

i g o n e s c o n

1 0 k g / m ³

d e f i b r a s

d e p o

l i o l e f i n a


Dosificación patrón HAC10a

Dosificación modificada HAC10b

Dosificación modificadacon mejorador de

adherenciaHAC10M

De cada dosificación se fabricaron:

10 probetas cilíndricas Ø=150 mm y altura 300 mm

3 probetas prismáticas de 430x100x100 mm³




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Escurrimiento Embudo en V

T50 (s) df (mm) Tv (s)

HAC 3,5 655 8

HAC3 3 642 12

HAC4,5 3,5 600 11

HAC6 4 590 16

HAC10a 6 570 20

HAC10b 4 580 16,5

HAC10M 7 580(535) 15,5

Resultados:

5 Resultados y discusión

Todos los hormigones están en los rangos admisiblesde autocompactabilidad, no presentando segregación nibloqueos.

Caracterización en estado fresco:

Propiedades mecánicas:

Resistencia a compresióncaracterística:




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Caracterización de las propiedades mecánicas:

Resistencia acompresión:



Módulo de elasticidad en compresión:




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Resistencia a tracción indirecta:







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Ensayos de penetración de agua bajo presión




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Ensayos de Fractura

• Ensayo de flexión en tres puntos conentalla según las indicaciones de lanorma RILEM TC-187-SOC (Indirecttest for stress-crack opening curve)

• Dimensiones 430x100x100 mm³• Luz 3D = 300 mm• Entalla D/3= 33,33 mm• 2 LVDT laterales y control con el

dispositivo CMOD• Se extraen también valores de carga

y posición del actuador

Descripción de los ensayos:


Ensayos de Fractura

• Deformaciones muy superiores a lasque se producen en hormigonesconvencionales

• Se continuó el ensayo una vezsaturaba el dispositivo CMODtomando valores de posición deLVDT, carga y posición

Hormigones con fibras• Todos los ensayos de HACRF se

detuvieron sin alcanzar el colapsocomprobándose el incremento en laductilidad que aportan las fibrasalcanzando flechas de hasta 15 mm




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Resultados de los Ensayos de Fractura

Energía de fractura



Energía de fractura




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• Carga máxima se incrementó en todoslos hormigones respecto al hormigónsin fibras

Carga máxima (FL)


Figura 121. FMINy FREM


• F MIN se incrementa con la aportaciónde fibras a pesar de la dispersiónobservada en HAC4,5 y HAC6

• La acción del mejorador de adherencia

en hormigones idénticos es efectivapara elevar el valor de F MIN• Este valor marca el menor valor de

carga para pequeñas deformaciones(ELS) y de ahí su importancia

Carga mínima post-fisuración (FMIN)



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• F REM se incrementa con la aportaciónde fibras a pesar de la dispersiónobservada en HAC4,5 y HAC6

• La acción del mejorador de adherenciaen hormigones idénticos es efectivapara elevar el valor de F REM

• Este valor marca el menor valor decarga para pequeñas deformaciones(ELU) y se obtienen paradeformaciones importantes (4-5mm)

Carga máxima post-fisuración (FREM )



Curvas de fractura



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Análisis de las superficies de fractura




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Análisis de las superficies de fractura



Análisis de los valores de referencia en la normativa existente

• Entre los requisitos exigidos en el Anejo 14º de la EHE-08 para el usoestructural de las fibras se incluyeque la tensión para una apertura defisura de 0,5mm (f

R1) en el ensayo

normalizado EN-14651 sea superioral 40% de la tensión obtenida en ellímite de proporcionalidad o cargapico, mientras que para la tensiónobtenida para la apertura de loslabios de la entalla de 2,5mm (f R3)solamente tiene que ser mayor del20%.



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Resultados y discusión



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Comparación con fibras de acero:

Comparación con fibras de acero

6 Comparación con fibras de acero



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• Se consiguió fabricar un hormigón autocompactante con una aportación defibras de poliolefina de hasta 10kg/m³ y además con contenidos moderadosde cemento y superplastificante .

7 Hormigón reforzado con fibras de poliolefina

CONCLUSIONES

• Los hormigones reforzados con fibras de poliolefina mantuvieron laspropiedades mecánicas y mejoraron la respuesta en todos los mecanismosrelacionados con la tracción y, en especial en fractura, mostrando ademásun modo de fallo más dúctil y sin desprendimientos.

• Los hormigones fabricados fueron todos de buena calidad y durabilidadsegún los resultados de penetración de agua bajo presión.

• Se fabricó un hormigón reforzado con fibras de poliolefina que cumple losrequerimientos de la EHE-08 para su uso con función estructural.

EJEMPLO EXPERIMENTAL 2:


REFORZADO CON FIBRAS DE POLIOLEFINA Y CON FIBRASDE ACERO

Comparación entre fibras y estudio de las posibles sinergias



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8 Hormigón autocompactante reforzado con cóctel híbrido de fibras

¿Qué ocurriría si combinamos ambas fibras en proporciones bajas?


¿Qué ocurriría si combinamos ambas fibras en proporciones bajas?



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Concrete mix proportions

Cement(kg/m³)

Limestone powder(kg/m³)

Superplasticizer Water (kg/m³) Sand (kg/m³)Grit(kg/m³)

Gravel(kg/m³)

375 200 1.25 % (CEM) 187.5 918 245 367

SCC PFRC SFRC Hybrid FRCMixture HAC P49 P66 S33 S49 H1 H2

Steel fibers (kg/m³) - - - 26 39 26 20Polyolefin fibers (kg/m³) - 4.5 6 - - 4.5 6


ConcreteSlump flow test V-funnel f ck (MPa) E (GPa) f ct (MPa)

d (mm) T500 (s) t (s) 28d 28d 28d

HAC 655 3.5 8 39.0 35.8 3.78

S26 570 3,5 10 41.7 33.7 5.32

S49 570 3.5 14 43.0 31.9 6.19

HAC4,5 600 3.5 11 38.5 31.2 4.18

HAC6 590 4.0 16 41.4 31.6 4.09

H1 565 4.0 14 36.5 33.0 5.41

H2 560 4.0 25 36.9 31.8 5.35




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Propiedades mecánicas







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Hormigón híbrido







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Hormigón híbrido

Mean values of load and fracture energy ( GF) of concretes mixtures

Concrete LR0.5 (N) LR1.5 (N) LR2.5 (N) LR3. 5 (N)Fracture energy , G F (N/m)

1mm 5mm 8mm

S26 3764 3943 3406 2689 570 2135 2621

P4,5 1131 1301 1640 1810 254 1292 1846

S26+P4,5 4895 5244 5046 4499 824 3427 4467

H1 4893 5827 5294 4627 709 3577 4931


Superficies de fractura del hormigón híbrido


clase máster 2013 fibras sinteticas

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