UNIVERSIDAD DE CHILE Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas Departamento de Ingeniería de los Materiales “Comportamiento Mecánico del Hormigón Reforzado con Fibra de Vidrio: Influencia del Porcentaje de Fibra Adicionado” Alumno: José Patricio Bravo Celis Profesor Guía: Sr. Patricio Jorquera E. Profesor Co-Guía: Sr. Gerardo Díaz R. Profesor Integrante: Sr. Eduardo Donoso C. Fecha: Martes 09 de diciembre de 2003.
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UNIVERSIDAD DE CHILE
Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas
Departamento de Ingeniería de los Materiales
“Comportamiento Mecánico del Hormigón Reforzado con
Fibra de Vidrio: Influencia del Porcentaje de Fibra
Adicionado”
Alumno: José Patricio Bravo Celis
Profesor Guía: Sr. Patricio Jorquera E.
Profesor Co-Guía: Sr. Gerardo Díaz R.
Profesor Integrante: Sr. Eduardo Donoso C.
Fecha: Martes 09 de diciembre de 2003.
ID69F Comportamiento Mecánico del Hormigón Reforzado con Fibra de Vidrio
“Hormigón Reforzado con Fibra de Vidrio: Influencia del Porcentaje de Fibra
Adicionado”
El presente trabajo de título tuvo como objetivo estudiar la influencia de la
incorporación de fibra de vidrio en hormigones de uso general, en las propiedades
mecánicas del hormigón.
En la investigación se realizaron ensayos comparativos entre un hormigón patrón,
que no contenía fibras y hormigones con distinto porcentaje de fibra adicionado. La fibra
adicionada osciló entre el 0,05% y el 0,4% en peso del hormigón. El hormigón patrón tenía
una calidad nominal, expresada como resistencia a la compresión a los 28 días, de 250
kgf/cm2. Las propiedades del hormigón que se estudiaron fueron la trabajabilidad, la
resistencia a la compresión y la resistencia a la flexotracción.
En el hormigón en estado fresco se determinó que, con la incorporación de fibras, la
trabajabilidad disminuye entre un 20% y un 1%, con respecto al hormigón patrón,
dependiendo de la cantidad de fibra adicionada. A mayor cantidad de fibra adicionada
menor es la trabajabilidad del hormigón.
En el hormigón endurecido se logró determinar que la adición de fibras de vidrio no
tiene mayor influencia en el aumento de la resistencia a la compresión del hormigón, y que
por el contrario, el aumento de la cantidad de fibra de vidrio presente en la mezcla de
hormigón incide directamente en el aumento de la resistencia a la flexotracción de éste,
cumpliéndose que a mayor porcentaje de fibra de vidrio adicionado, mayor es el aumento
de la resistencia a la flexotracción.
Del análisis de los resultados de la presente investigación unido a la investigación
bibliográfica, se desprende que algunas de las aplicaciones prácticas del hormigón
reforzado con fibras de vidrio serían las losas, los pavimentos industriales y el
revestimiento de túneles.
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ID69F Comportamiento Mecánico del Hormigón Reforzado con Fibra de Vidrio
INTRODUCCIÓN
Los materiales aglomerantes, en la forma de hormigones o morteros, son
atractivos para su uso como materiales de construcción, dado su bajo costo, su durabilidad
y su adecuada resistencia a la compresión para un uso estructural. Adicionalmente, en el
estado fresco ellos son fácilmente moldeables a las formas más complejas que sean
requeridas. Su defecto radica en sus características de baja resistencia a la tracción y a los
impactos, y a su susceptibilidad a los cambios de humedad. Un reforzamiento mediante
fibras puede ofrecer un conveniente, práctico y económico método para superar estas
deficiencias.
La adición de fibras como refuerzo de hormigones, morteros y pasta de cemento
pueden incrementar muchas de las propiedades de éstos, destacando entre ellas, la
resistencia a la flexión, tenacidad, fatiga, impacto, permeabilidad y resistencia a la abrasión
[1].
En el caso específico del refuerzo del hormigón con fibra de vidrio se han
obtenido buenos resultados cuando se trata de morteros de áridos finos [2], utilizándose en
distintas aplicaciones, tales como, paneles antirruido y paneles de fachadas de
edificaciones, dadas su fácil instalación y su poco peso. El material utilizado para la
fabricación de dichos paneles es conocido como GRC (Glass Reinforced Concrete).
Las fibras de vidrio utilizadas para el refuerzo del hormigón son del tipo álcali-
resistente; de esta forma se evita la formación del gel álcali-silicato con los consiguientes
efectos negativos de durabilidad de la fibra.
En el presente trabajo se estudiará la influencia del porcentaje de fibra de vidrio
en las propiedades mecánicas del hormigón.
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Capítulo 1
ANTECEDENTES TEÓRICOS
1.1 Materiales Compuestos
1.1.1 Introducción
La mayoría de las tecnologías modernas requiere materiales con una combinación
inusual de propiedades, imposible de conseguir con los metales, las cerámicas y los
polímeros convencionales.
Las combinaciones de propiedades de los materiales y la gama de sus valores se
han ampliado, y se siguen ampliando, mediante el desarrollo de materiales compuestos
(composites). En términos generales, se considera que un material compuesto es un
material multifase que conserva una proporción significativa de las propiedades de las fases
constituyentes [3]de manera que presente la mejor combinación posible. De acuerdo con
este principio de acción combinada, las mejores propiedades se obtienen por la
combinación razonada de dos o más materiales diferentes.
Existen materiales compuestos naturales, como por ejemplo, la madera, que
consiste en fibras de celulosa flexibles embebidas en un material rígido llamado lignina. El
hueso es un material compuesto formado por colágeno, una proteína resistente pero blanda,
y por apatito, un mineral frágil.
En el presente contexto, un material compuesto es un material multifase obtenido
artificialmente, en oposición a los que se encuentran en la naturaleza. Además, las fases
constituyentes deben ser químicamente distintas y separadas por una interfaz.
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La mayoría de los materiales compuestos se han creado para mejorar la
combinación de propiedades mecánicas tales como rigidez, tenacidad y resistencia a la
tracción a temperatura ambiente y a elevadas temperaturas.
La mayor parte de los materiales compuestos están formados por dos fases; una,
llamada matriz, es continua y rodea a la otra fase, denominada fase dispersa. Las
propiedades de los compuestos son función de las propiedades de las fases constituyentes,
de sus proporciones relativas y de la geometría de las fases dispersas1.
Un esquema simple para clasificar los materiales compuestos consta de tres
divisiones (Fig. 1.1): compuestos reforzados con partículas, compuestos reforzados con
fibras y compuestos estructurales; además, existen dos subdivisiones para cada una. Se
debe mencionar que la fase dispersa de los materiales compuestos reforzados con fibras
tienen una relación longitud-diámetro2 muy alta.
Figura 1-1. Clasificación de los Materiales Compuestos (Callister, 1996).
1 Se refiere a la forma, tamaño, distribución y orientación de la fase dispersa. 2 También conocida como Relación de Aspecto o Factor de Forma, definido matemáticamente como la longitud de la fibra divida por su diámetro equivalente (diámetro de un círculo de área igual al área de la sección transversal de la fibra).
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1.1.2 Materiales Compuestos Reforzados con Partículas
Los materiales compuestos reforzados con partículas se subdividen en reforzados
con partículas grandes y consolidados por dispersión (Figura 1-1). Esta distinción se
fundamenta en el mecanismo de consolidación o de reforzamiento. El término" grande" se
utiliza para indicar que las interacciones matriz-partícula no se pueden describir a nivel
atómico o molecular, sino mediante la mecánica continua. En la mayoría de los materiales
compuestos la fase dispersa es más dura y resistente que la matriz y las partículas de
refuerzo tienden a restringir el movimiento de la matriz en las proximidades de cada
partícula. En esencia, la matriz transfiere parte del esfuerzo aplicado a las partículas, las
cuales soportan una parte de la carga. El grado de reforzamiento o de mejora del
comportamiento mecánico depende de la fuerza de cohesión en la interfaz matriz-partícula.
Un material compuesto con partículas grandes es el hormigón, formado por
cemento (matriz) y arena o grava (partículas).
El reforzamiento es tanto más efectivo cuanto más pequeñas sean las partículas y
cuanto mejor distribuidas estén en la matriz. Además, la fracción de volumen de las dos
fases influye en el comportamiento; las propiedades mecánicas aumentan al incrementarse
el contenido de partículas. Se formulan dos expresiones matemáticas para relacionar el
módulo elástico con la fracción de volumen de las fases constituyentes de un material
compuesto de dos fases [4]. Las ecuaciones de la regla de las mezclas predice que el valor
del módulo elástico estará comprendido entre un máximo
c m m pE E V E Vp= + (1.1)
y un mínimo
m pc
m p p m
E EE
V E V E=
+ (1.2)
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En estas expresiones, E y V representan el módulo elástico y la fracción de
volumen, respectivamente, mientras los subíndices c, m y p significan material compuesto,
matriz y fase-partícula.
Las partículas de los materiales compuestos consolidados por dispersión
normalmente son mucho más pequeñas: los diámetros tienen de 10 a 100 nm. Las
interacciones matriz-partícula que conducen a la consolidación ocurren a nivel atómico o
molecular. Mientras la matriz soporta la mayor parte de la carga aplicada, las pequeñas
partículas dispersas dificultan o impiden el desplazamiento de dislocaciones. De este modo
se restringe la deformación plástica de tal manera que aumenta el límite elástico, la
resistencia a la tracción y la dureza.
1.1.3 Materiales Compuestos Estructurales
Un material compuesto estructural está formado tanto por materiales compuestos
como por materiales homogéneos y sus propiedades no sólo dependen de los materiales
constituyentes sino de la geometría del diseño de los elementos estructurales. Los
compuestos laminares, los cuales poseen una dirección preferente con elevada resistencia
(tal como ocurre en la madera), y los paneles sándwich, que poseen caras externas fuertes
separadas por una capa de material menos denso, o núcleo (ver figura 1-2), son dos de los
compuestos estructurales más comunes.
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Figura 1-2. Diagrama esquemático de la fabricación de un panel sándwich con un núcleo en panal [5].
1.1.4 Materiales Compuestos Reforzados con Fibras
Tecnológicamente, los materiales compuestos con fases dispersas en forma de
fibras son los más importantes. A menudo se diseñan materiales compuestos reforzados con
fibras con la finalidad de conseguir elevada resistencia y rigidez a baja densidad. Estas
características se expresan mediante los parámetros resistencia específica y módulo
específico, que corresponden, respectivamente, a las relaciones entre la resistencia a la
tracción y el peso específico y entre el módulo de elasticidad y el peso específico.
Utilizando materiales de baja densidad, tanto para la matriz como para las fibras, se
fabrican compuestos reforzados con fibras que tienen resistencias y módulos específicos
excepcionalmente elevados.
Los materiales compuestos reforzados con fibras se subclasifican por la longitud
de la fibra. Una descripción detallada de este tipo de materiales se muestra a continuación
en el apartado 1.2 de esta Memoria.
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1.2 Conceptos Generales del Comportamiento Mecánico de Materiales Reforzados
con Fibras
1.2.1 Influencia de la Longitud de la Fibra
Las características mecánicas de los compuestos reforzados con fibras dependen
no sólo de las propiedades de la fibra, sino también del grado en que una carga aplicada se
transmite a la fibra por medio de la fase matriz. En este proceso de transmisión de carga es
muy importante la magnitud de la unión en la interfaz de las fases matriz y fibra. Al aplicar
un esfuerzo de tracción, la unión fibra-matriz cesa en los extremos de la fibra y en la matriz
se genera un patrón de deformación como el que se muestra en la Figura 1-3; en otras
palabras, en los extremos de la fibra no hay transmisión de carga desde la matriz.
Figura 1-3. Patrón de deformación en una matriz que rodea a una fibra sometida a un esfuerzo de tracción.
Existe una longitud de fibra crítica para aumentar la resistencia y la rigidez del
material compuesto. Esta longitud crítica lc depende del diámetro d de la fibra, de la
resistencia a la tracción fσ y de la resistencia de la unión matriz-fibra (o resistencia al
cizalle de la matriz), cτ , de acuerdo con
fc
c
dl
στ
= (1.3)
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La longitud crítica de algunas combinaciones de matriz-fibra de vidrio y de
carbono es del orden de 1 mm, equivalente a unas de 20 a 150 veces el diámetro de la fibra
[6].
En la presente investigación, el diámetro de fibra que se utilizara corresponde a 14
µm y su largo será de 12 mm [7], la resistencia a la tracción de la fibra de vidrio
corresponde a 1,7 GPa [8] y la resistencia al cizalle de la matriz corresponde a 125 Kgf/cm2
(1,25 x 10-2 GPa) [9]. Utilizando la ecuación 1.3, se obtiene que la longitud crítica para esta
investigación corresponde a lc = 1,9 mm.
Las fibras con l» lc (normalmente l >15 lc) se denominan continuas; y las fibras
de menor longitud se denominan discontinuas o fibras cortas. En las fibras discontinuas de
longitud significativamente menor que lc, la matriz se deforma alrededor de la fibra de
modo que apenas existe transferencia del esfuerzo y el efecto del reforzamiento de la fibra
es insignificante.
1.2.2 Influencia de la Orientación y de la Concentración de la Fibra
La disposición u orientación relativa de las fibras y su concentración y
distribución influyen radicalmente en la resistencia y en otras propiedades de los materiales
compuestos reforzados con fibras. Con respecto a la orientación existen dos situaciones
extremas: (1) alineación paralela de los ejes longitudinales de las fibras y (2) alineación al
azar. Las fibras continuas normalmente se alinean (Figura 1-4a), mientras que las fibras
discontinuas se pueden alinear (Figura 1-4b) o bien se pueden orientar al azar (Figura 1-4c)
o alinearse parcialmente.
En el caso de esta investigación, dado el largo de la fibra de vidrio l, equivalente a
12 mm, se tiene que l ≈ 6 lc, con lc longitud crítica de la fibra. Es decir, se tiene una fibra
discontinua o fibra corta. Además esta fibra estará orientada al azar [10].
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Figura 1-4. Representaciones esquemáticas de compuestos reforzados con fibras (a) continuas y alineadas, (b) discontinuas y alineadas y (c) discontinuas y orientadas al azar.
1.2.2.1 Materiales Compuestos con Fibras Discontinuas y Orientadas al Azar
Normalmente, cuando los materiales compuestos tienen fibras orientadas al azar,
éstas suelen ser discontinuas y cortas; un reforzamiento de este tipo está representado en la
Figura 1-4c. En estas circunstancias, el módulo elástico se expresa mediante una regla de
las mezclas:
c f f mE KE V E Vm= + (1.4)
donde: K = Parámetro de eficiencia de la fibra (típicamente comprendido entre 0,1 y 0,6).
E = Módulo elástico (f se refiere a la fibra y m a la matriz).
V = Fracción de volumen.
El módulo elástico de los materiales reforzados, tanto si las fibras están alineadas
como si están orientadas al azar, aumenta al incrementarse la fracción de volumen de la
fibra. En la Tabla 1-1 se indican algunas propiedades mecánicas de los policarbonatos no
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reforzado y reforzado con fibras de vidrio discontinuas y orientadas al azar. Esta tabla da
una idea de las magnitudes que se pueden obtener mediante reforzamiento.
Tabla 1-1. Propiedades del policarbonato sin refuerzo y reforzado con fibra de vidrio orientada al azar.
Reforzado con fibra (% volumen)Propiedades No Reforzado
20 30 40
Gravedad Específica 1.19 –1.22 1.35 1.43 1.52
Resistencia a la Tracción (MPa) 59 – 62 110 131 159
Módulo de Elasticidad (MPa) 2240 – 2345 5930 8620 11590
Elongación (%) 90 – 115 4 – 6 3 – 5 3 – 5
Fuente: Adaptado de Materials Engineering’s Materials Selector. Copyright/IPC, 1988.
En la Tabla 1-2 se indican las eficiencias del reforzamiento con fibras en varias
situaciones; la eficiencia se toma arbitrariamente como la unidad en la dirección paralela a
la alineación y cero en la dirección perpendicular.
Tabla 1-2. Eficiencia del reforzamiento de compuestos reforzados con fibra orientado
en varias direcciones y esfuerzos aplicados en varias direcciones.
Orientación de la fibra Dirección del esfuerzo Eficiencia del reforzamientoParalela a las fibras 1 Todas las fibras paralelas Perpendicular a las fibras 0
Fibras orientadas al azar y uniformemente distribuidas en un plano específico
Cualquier dirección en el plano de las fibras 3/8
Fibras orientadas al azar y uniformemente distribuidas en el espacio de tres dimensiones
Fuente: Adapatado de Introducción a la Ciencia e Ingeniería de los Materiales, W. Callister, 1996.
Los materiales clasificados como fibras son policristalinos o amorfos y tienen
diámetros pequeños; los materiales fibrosos son generalmente polímeros o cerámicas (p.ej.,
aramida, vidrio, carbono, boro, óxido de aluminio y carburo de silicio). La Tabla 1-3
también indica algunos datos de varios materiales utilizados como fibras.
3 Para designar estas fibras se utiliza el término “carbono” en vez de “grafito”, ya que están compuestas de regiones de grafito cristalino y también de material no cristalino y de áreas con cristales defectuosos.
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Los alambres tienen diámetros relativamente grandes; los materiales típicos son el
acero, el molibdeno y el tungsteno. Los alambres se utilizan como refuerzos radicales de
acero en los neumáticos de automóvil, filamentos internos de los recubrimientos de cohetes
espaciales y paredes de mangueras de alta presión.
1.2.4 Fase Matriz
La fase matriz de un material compuesto con fibras ejerce varias funciones. En
primer lugar, une las fibras y actúa como un medio que distribuye y transmite a las fibras
los esfuerzos externos aplicados; sólo una pequeña fracción del esfuerzo aplicado es
resistido por la matriz. Además, la matriz debe ser dúctil y, por otra parte, el módulo
elástico de la fibra debe ser mucho mayor que el de la matriz. En segundo lugar, la matriz
protege las fibras del deterioro superficial que puede resultar de la abrasión mecánica o de
reacciones químicas con el medio ambiente. Estas interacciones introducen defectos
superficiales capaces de originar grietas, que podrían producir fallos con esfuerzos de
tracción relativamente bajos. Finalmente, la matriz separa las fibras y, en virtud de su
relativa blandura y plasticidad, impide la propagación de grietas de una fibra a otra, que
originaría fallos catastróficos; en otras palabras, la matriz actúa como una barrera que evita
la propagación de grietas. Aunque algunas fibras individuales se rompan, la rotura total del
material compuesto no ocurrirá hasta que se hayan roto gran número de fibras adyacentes,
que forman un agregado de tamaño crítico.
Es esencial que la adherencia de la unión entre fibra y matriz sea elevada para
minimizar el arrancado de fibras. En efecto, la resistencia de la unión tiene gran
importancia en el momento de seleccionar la combinación matriz-fibra. La resistencia a la
tracción final del compuesto depende, en gran parte, de la magnitud de esta unión; una
unión adecuada es esencial para optimizar la transmisión de esfuerzos desde la matriz a las
fibras.
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ID69F Comportamiento Mecánico del Hormigón Reforzado con Fibra de Vidrio
1.3 Fibra de Vidrio
La fibra de vidrio es un material compuesto consistente en fibras continuas o
discontinuas de vidrio embebidas en una matriz plástica [13]; este compuesto se produce en
gran cantidad. El vidrio se utiliza como material de refuerzo debido a las siguientes
razones:
a. Es fácilmente hilable en fibras de alta resistencia.
b. Es fácilmente disponible y se puede aplicar económicamente para producir plástico
reforzado con vidrio utilizando una gran variedad de técnicas de fabricación de
materiales compuestos.
c. Cuando está embebida en una matriz plástica produce un compuesto con muy alta
resistencia específica.
d. Cuando está unido a varios plásticos se obtienen materiales compuestos
químicamente inertes muy útiles en una gran variedad de ambientes corrosivos.
1.3.1 Tipos de Vidrio [14]
Vidrio E: un pionero
Desde 1930, la fibra de vidrio ha sido considerada uno de los materiales del futuro debido a
sus cualidades dieléctricas: el aislamiento de conductores eléctricos sometidos a
temperaturas altas era ofrecido por los filamentos de vidrio E. Usado solo o en asociación
con barniz o resinas sintéticas, fue su primera aplicación industrial en gran escala. La fibra
de vidrio E es el tipo más comúnmente usado, tanto en la industria textil, como en
compuestos donde responde por el 90% de los refuerzos usados.
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ID69F Comportamiento Mecánico del Hormigón Reforzado con Fibra de Vidrio
Vidrio R: alto desempeño mecánico
Este tipo de filamento fue creado a pedido de sectores como aviación, espacio y
armamentos. Satisface las exigencias de ellos en términos de comportamiento de materiales
en relación a fatiga, temperatura y humedad. Debido a su alto desempeño técnico puede ser
utilizado para reforzar láminas de rotor de helicópteros, pisos de aviones, tanques de
combustible de aviones, proyectiles y lanzadores de proyectiles. Desarrollado
principalmente para estas aplicaciones, también encontró otras salidas, por ejemplo, en la
industria de deportes y recreación, transporte y blindaje balístico.
Vidrio D: características dieléctricas muy buenas
Compuestos a partir de vidrio D tiene muy bajas pérdidas eléctricas y son entonces usados
como un material que es permeable a ondas electromagnéticas, con beneficios muy
importantes en términos de características eléctricas. La fibra de vidrio D es usada en la
fabricación de ventanas electromagnéticas, y superficies de circuitos impresos de alto
desempeño.
Vidrio AR: resistente a álcali
El vidrio AR fue desarrollado especialmente para reforzar cemento. Su alto contenido de
óxido de zirconio ofrece resistencia excelente para los compuestos alcalinos durante el
secado. El refuerzo de cemento con filamentos de vidrio AR da módulos mejorados de
ruptura con buena durabilidad. Esto significa que el modelado hecho en cemento con
refuerzo de vidrio puede ser mucho más leve. Aplicaciones principales son: sustitución de
asbesto en tejados y coberturas, paneles de revestimiento y componentes de construcción.
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ID69F Comportamiento Mecánico del Hormigón Reforzado con Fibra de Vidrio
Vidrio C:
El vidrio C es usado para la producción de mats4 de vidrio para las cuales son requeridas
propiedades de resistencia a la corrosión (como capa externa anticorrosivo de tubos y para
superficies de tubos compuestos).
Una comparación entre las propiedades mecánicas de los distintos tipos de vidrio
puede ser apreciada en la Tabla 1- 4, que se muestra a continuación.
Tabla 1-4. Propiedades Mecánicas de los distintos tipos de Fibra de Vidrio.
Propiedades Vidrio E Vidrio D Vidrio R Vidrio AR
Densidad (g/cm3) 2.60 2.14 2.53 2.68
Resistencia a la Tensión (MPa) 3400 2500 4400 3000
Módulo Elástico (GPa) 72 55 86 72
Resistencia a la ruptura (%) 4.5 4.5 5.2 4.3 Fuente: Página web de Saint Gobain Vetrotex de Brasil.http:// www.saint-gobain-vetrotex.com.br
4 El mat es una presentación especial de la fibra de vidrio en forma de fieltro, en la que los hilos cortados a
una longitud determinada son aglomerados entre sí mediante un ligante químico.
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ID69F Comportamiento Mecánico del Hormigón Reforzado con Fibra de Vidrio
1.4 La Fibra de Vidrio A. R.
1.4.1 Historia
Las fibras de vidrio AR (álcali-resistentes) presentan altas prestaciones para el
refuerzo de morteros de cemento, hormigones y, en general, piezas que puedan verse
sometidas al ataque de tipo alcalino.
La llegada de los aglomerantes hidráulicos5 marca el comienzo de una era de altas
prestaciones en las piezas para la construcción [15], siendo los cementos el material más
importante de esta categoría. Dichos cementos permiten el surgimiento de los hormigones.
El hormigón presenta muy buenas características ante la compresión, pero ofrece
muy escasa resistencia a la tracción, por lo que resulta inadecuado para piezas que tengan
que trabajar a flexión o tracción. Esta característica ha conducido a numerosas
investigaciones y desarrollos para mejorar las resistencias ante estos sometimientos,
intentando lograr dentro del mundo de los materiales compuestos la solución a esta
carencia. El desarrollo más conocido es el refuerzo del hormigón con barras de acero en las
zonas de tracción, dando un material compuesto llamado Hormigón Armado. Su
inconveniente es conducir a mayores dimensiones y pesos, así como a una menor rapidez
de construcción y puesta en obra, lo que, de forma directa, conduce a un encarecimiento de
las piezas por la utilización de abundante mano de obra y manipulación de las mismas.
Ante esta desventaja numerosos trabajos e investigaciones se pusieron en marcha y fruto de
ellas fueron los intentos de aligeramiento y reducción de espesores mediante la adición de
fibras de refuerzo.
Los primeros desarrollos se lograron con la utilización de fibras de asbesto. El
material resultante, llamado "asbestocemento", presentaba grandes ventajas de costo y
trabajabilidad.
5 Materiales que amasados con el agua, fraguan y endurecen tanto expuestos al aire como sumergidos en el agua.
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ID69F Comportamiento Mecánico del Hormigón Reforzado con Fibra de Vidrio
En búsqueda de un refuerzo que permitiera la consecución de un material
compuesto, con excelentes prestaciones, se han desarrollado numerosas experiencias con
otras fibras de refuerzo, tales como, las de origen orgánico (aramidas, nylon, rayon,
acero, Ni, Ti, Al). De entre todas ellas la mejor relación costo-propiedades mecánicas la
ostentan las fibras de vidrio. Los primeros ensayos y experiencias para el refuerzo de los
cementos y sus morteros se realizaron con fibras de vidrio tipo "E", dada la alta resistencia
inherente de las mismas. Sin embargo, dichas tentativas fracasaron debido a que, este tipo
de fibra de vidrio, al ser incorporada al mortero, estaba sujeto al ataque químico de los
cristales alcalinos (álcalis) producidos en el proceso de hidratación del cemento, lo cual
producía un deterioro de la fibra (ver figura 1-5), afectando las propiedades mecánicas del
mortero reforzado, sin poderse remediar este problema [16].
En 1967 el Dr. A.J. Majundar, del Building Research Establishment (BRE) del
Reino Unido, empezó a investigar los vidrios que contenían circonio, logrando convertir en
fibra alguno de ellos y demostrando la resistencia que presentaban estas fibras ante el
ataque alcalino en un medio agresivo como el que suponía el refuerzo de los cementos
Pórtland. Tras 4 años de continuas investigaciones, el refuerzo para los cementos se logró y
la patente de esta investigación fue solicitada por el National Research Development
Corporation (NRDC).
Para la producción a escala comercial, el NRDC y BRE contactaron con la empresa
inglesa Pilkington Brothers (PCL), quien con su Compañía subsidiaria Fibreglass Limited
desarrolló la explotación, industrial y comercial del producto al que llamaron Fibras Cem-
FIL. En 1989 la actividad de la fibra de vidrio Álcali-Resistente Cem-FIL fue adquirida por
el grupo Saint Gobain por medio de su Delegación en España, Cristalería Española S.A., y
fabricada y comercializada por la empresa Vetrotex España S.A. que forma parte de este
Grupo.
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ID69F Comportamiento Mecánico del Hormigón Reforzado con Fibra de Vidrio
Figura 1-5. Resistencia al ataque alcalino de distintos tipos de fibra de vidrio en cemento Pórtland. A la izquierda Vidrio E, luego de 8 días a 50°C (2.2 años naturales), al centro, Vidrio E + polímero acrílico
tras 8 días a 50°C, y a la derecha, Cem-FIL luego de 3 meses a 50°C (25 años naturales) [17.]
1.4.2 Fabricación
Como principal materia prima en la fabricación de un GRC6 (Glass Fibre
Reinforced Cement), se emplean las fibras de vidrio Álcali-Resistente, mediante las cuales
el GRC logra las características que se van a detallar en este estudio. Los principales
componentes de este vidrio AR, se muestran en la Tabla 1-5.
Tabla 1-5. Componentes del Vidrio Álcali-Resistente.
Componente Fórmula Química Porcentaje
Sílice SiO2 71
Óxido de Circonio ZrO2 16
Óxido de Sodio Na2O 11
Alúmina Al2O 1
Óxido de Litio Li2O 1
Fuente: Adaptado de El GRC, P. Comino, 2003.
6 Es el nombre comercial con que se conoce a los hormigones reforzados con fibras de vidrio álcali-resistentes.
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ID69F Comportamiento Mecánico del Hormigón Reforzado con Fibra de Vidrio
En el vidrio Álcali-Resistente el componente “estrella” que otorga a la fibra su
poder de Álcali-Resistencia es el Zirconio (Zr).
El proceso de fabricación de la fibra de vidrio AR-Cem-FIL sigue las siguientes etapas:
• Composición - Fusión:
Las materias primas, finamente molidas, se dosifican con precisión y se mezclan
de forma homogénea.
A continuación la mezcla, llamada vitrificable, es introducida en un horno de
fusión directa y calentada a una temperatura determinada. Las temperaturas de fusión
rondan los 1550 °C y éstas dependerán de los elementos constituyentes del vidrio
(fundentes, formadores de red, etc.).
• Fibrado:
El vidrio en estado fundido, al salir del horno, es conducido por unos canales
(Feeders) alimentando las hileras de fabricación de fibras. Estas hileras son elementos
fabricados con aleaciones de platino, de forma prismática y con la base trabajada con un
número determinado de agujeros de dimensiones controladas.
El vidrio fundido se mantiene en la hilera a unos 1250 °C, temperatura que
permite su colada por gravedad, dando origen a barras de vidrio de algunas décimas de
milímetro de diámetro.
A la salida de la hilera, el vidrio se estira a gran velocidad, entre 10 y 60 m/s
según el micraje de fibra a fabricar (diámetro a obtener).
Para la obtención del vidrio como tal y tras el estado fundido, tal y como se
encuentra en las hileras, se procede a un rápido enfriamiento del vidrio fibrado. El
enfriamiento se realiza en una primera fase por radiación y en una segunda por
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ID69F Comportamiento Mecánico del Hormigón Reforzado con Fibra de Vidrio
pulverización de agua fría. De esta forma se logra la no orientación de las partículas en el
espacio y por tanto la formación de ese sólido amorfo que es el vidrio, en este caso Alcali-
Resistente.
El vidrio obtenido tras este proceso tiene forma de filamento de varias micras de
diámetro. Para el vidrio AR los diámetros normales de filamentos oscilan entre las 14 y las
20µ (micras) según el producto y la aplicación a la que se dirija.
• Ensimado:
El conjunto de filamentos desnudos, tal y como salen de la hilera, son
inutilizables directamente, ya que no hay cohesión entre ellos, no resisten la abrasión,
carecen de flexibilidad y trabajabilidad.
Para corregir estos defectos y dar nuevas propiedades a la fibra en función de su
aplicación, así como para poder transformarla y trabajarla en su fabricación y presentación
comercial, es necesario revestir los filamentos con una fina película (ensimaje) que está
constituida en general por una dispersión acuosa de diversos compuestos químicos que
presentan una función bien definida.
El ensimaje se deposita sobre los filamentos a la salida de la hilera cuando la
temperatura del vidrio está todavía comprendida entre los 60 y 120°C, según las
condiciones de fibrado.
La cantidad de ensimaje que se deposita sobre el vidrio es relativamente baja
(entre el 0.5 y el 5%).
Inmediatamente después del ensimaje se procede a la unión de los filamentos para
formar los hilos o conjunto de filamentos dispuestos en formato comercial. La unión de los
filamentos se realiza mediante unos "peines" con gargantas especiales en los cuales se
produce la unión facilitada por el ensimaje.
26
ID69F Comportamiento Mecánico del Hormigón Reforzado con Fibra de Vidrio
Es este proceso el que otorgará al filamento y al hilo las características especiales
que:
a. Le hará apto ante una aplicación específica.
b. Dará cohesión entre filamentos.
c. Dará resistencia frente a la abrasión que el filamento pueda sufrir consigo mismo,
con otros filamentos o con otras superficies.
d. Elimina cargas electrostáticas en los filamentos o unión de los mismos.
e. Facilita la trabajabilidad del filamento y su transformación.
f. Rigidiza en mayor o menor medida la unión de los filamentos ó hilos.
En la actualidad existe una familia de ensimajes que unidos a la fibra de vidrio
Álcali-Resistente Cem-FIL, le confieren características específicas para la aplicación
determinada a la que vaya destinada. De esta forma existen ensimajes especiales para:
a. Resistir la abrasión que supone el amasado de la fibra en un medio extremadamente
agresivo como es el de la mezcla con arena, cemento, agua y aditivos químicos.
b. Facilitar su corte y proyección en una pistola especialmente diseñada para estos
procesos de transformación de la fibra.
c. Facilitar la dispersión de los filamentos, esto es, facilitar la desunión entre
filamentos. Este ensimaje fue expresamente desarrollado para la sustitución del
amianto.
• Bobinado:
Los hilos obtenidos de la unión de los filamentos son bobinados para dar lugar a
productos finales (roving directo) o productos intermedios (ovillos), que se bobinan según
diferentes formas y geometrías.
Será en el proceso de bobinado donde se controlará la velocidad de rotación de la
bobinadora y por tanto la velocidad de estirado de la fibra de vidrio.
27
ID69F Comportamiento Mecánico del Hormigón Reforzado con Fibra de Vidrio
• Secado:
Los productos procedentes del bobinado se pasan por diferentes dispositivos de
secado con objeto de eliminar el exceso de agua en el que había disuelto el ensimaje y
otorgar al ensimaje un tratamiento térmico necesario para consolidar sus propiedades frente
a las aplicaciones a las que será sometido.
• Transformación final:
En la transformación final se realizarán las operaciones necesarias para conferir al
hilo el formato adecuado para la correcta utilización por parte de los Fabricantes de GRC.
Destacan entre las presentaciones comerciales actuales del vidrio Á1ca1i-Resistente Cem-
FIL el roving ensamblado y los hilos cortados, que serán los que se utilizarán en esta
investigación:
Roving Ensamblado:
El roving ensamblado se obtiene de la unión de un número determinado de hilos,
procedentes de ovillos, formando una "mecha". Esta mecha es bobinada en forma de
Roving o gran carrete de dimensiones, peso y densidad controladas.
La medida fisica de un hilo, y por extensión de una mecha, viene reflejada por el
llamado "Título" con unidades denominadas TEX. Así TEX = gr/km que presenta un hilo o
una mecha.
El título de una mecha dependerá pues del número de hilos que la compongan y a
su vez el título de un hilo dependerá del número y del diámetro de los filamentos que lo
componen. Para los Roving Ensamblados Cem-FIL la unidad TEX habitual de la mecha es
de 2450 TEX, estando formada, en algunos productos, y a modo de ejemplo, por 32 hilos
de 76,5 TEX/hilo o por 64 hilos de 38 TEX/hilo. Pueden realizarse otras configuraciones
que dependerán de las prestaciones exigidas a las fibras en el material compuesto.
28
ID69F Comportamiento Mecánico del Hormigón Reforzado con Fibra de Vidrio
Los diferentes rovings tendrán todos en común el mismo vidrio Alcali- Resistente
Cem-FIL y como elemento diferenciador, entre uno y otro, el ensimaje.
Los rovings van destinados a aplicaciones de proyección simultánea (ya sea
manual o automatizada) y a procesos de refuerzo con hilos continuos y/o cortados.
Hilos Cortados:
Los hilos procedentes de los ovillos son, en este caso, cortados en longitudes
determinadas, según lo exija la aplicación a la que vayan destinados. La medida física del
hilo es el TEX.
Los hilos cortados van destinados a los procesos de amasado y aplicación por
medio del colado-vibrado tradicional o por el de proyección de la mezcla realizada.
Dentro de la gama de los hilos cortados tenemos dos grandes e importantes
familias:
* Los Hilos Cortados Íntegros: Hilos que son capaces de aguantar grandes
abrasiones durante el amasado con aglomerantes hidráulicos, arenas, gravas, agua y
aditivos químicos, manteniéndose en forma íntegra (con todos los filamentos unidos)
durante y tras el amasado realizado.
* Los Hilos Cortados Dispersables en Agua: Hilos que son capaces de dispersarse
o, lo que es lo mismo, dividirse en los filamentos individuales que lo forman, durante el
proceso de amasado o en contacto con agua o disolución acuosa.
Un esquema del proceso de fabricación de la fibra de vidrio junto a sus
productos finales puede ser apreciado en la figura 1-6.
29
ID69F Comportamiento Mecánico del Hormigón Reforzado con Fibra de Vidrio
Figura 1-6. Proceso de Fabricación de la Fibra de Vidrio, y sus productos Finales [18].
30
ID69F Comportamiento Mecánico del Hormigón Reforzado con Fibra de Vidrio
1.5 Fabricación de un GRC
1.5.1 Elementos Constituyentes
Los componentes más usuales de un GRC son:
• Cemento. • Arena. • Agua. • Fibra de Vidrio A. R. • Aditivos.
Entre los aditivos destacan los plastificantes, fluidificantes, superplastificantes,
pigmentos, impermeabilizantes, hidrófugos, polímeros, elementos puzolánicos especiales,
etc. Estos aditivos serán agregados, o no, dependiendo de las propiedades y diseño a
otorgar al GRC en cada obra y en base a los requerimientos exigidos en las prescripciones
correspondientes.
Bajo la descripción general de GRC hay numerosas posibilidades de variar las
mezclas dependiendo del uso del producto final o del método de fabricación elegido para
producir una familia de compuestos. La estandarización está más arraigada en las mezclas
empleadas sobre GRC para aplicaciones arquitectónicas y en las mezclas usadas en el
proceso de fabricación por proyección simultánea.
Por su parte, la cantidad de fibra de vidrio dependerá:
a. Del proceso de fabricación del GRC: Dependiendo del proceso de fabricación del
GRC se tendrán variaciones en la cantidad de fibra añadida. Esto es, si el proceso es
el de proyección simultánea (uso de la fibra en forma de roving) la cantidad de fibra
de vidrio Álcali-Resistente Cem-FIL será del 5% en peso del total de la mezcla
realizada para la fabricación del GRC. Por el contrario, si en el proceso de
fabricación se ha de incorporar la fibra de vidrio durante el amasado del mortero
(premezcla o premix) la proporción será del 3% del total de la mezcla realizada.
31
ID69F Comportamiento Mecánico del Hormigón Reforzado con Fibra de Vidrio
b. De la Aplicación: Las fibras de vidrio AR pueden ser incorporadas entre el 0.1 % y
el 5% en peso. Cuando la proporción es baja, las fibras AR minimizan la
segregación de materiales y evitan las microfisuraciones de las piezas fabricadas
con cemento, aumentando la dureza y la resistencia a los choques. Cuando las
proporciones se presentan entre el 1 % y el 2%, las fibras AR son ideales para
mezclas armadas, reduciendo la densidad de productos de hormigón. Cuando la
proporción está entre el 2% y el 3.5% las fibras AR sirven de refuerzo primario en
productos realizados por moldeo y vibración de bajo coste. Cuando la proporción es
de un 5% se utilizan las fibras AR para las aplicaciones que exigen una gran
resistencia, tales como los paneles de fachada arquitectónicos.
c. La Resistencia a otorgar a GRC: La cantidad de vidrio Álcali-Resistente en forma
de fibras es muy importante desde el punto de vista de la resistencia que presenta el
elemento compuesto GRC, pero también es importante tener en cuenta la longitud
de las fibras para la consecución de unos adecuados niveles de resistencia.
Otro parámetro a controlar durante el proceso de fabricación del GRC, es la
longitud de la fibra7, la cual dependerá en gran medida del proceso de fabricación, ya que,
por ejemplo, en procesos de premezcla una fibra muy larga puede dar problemas de
amasado y de destrucción de la fibra por abrasión en su superficie. Para estos procesos las
longitudes ideales (aquéllas con las que se tiene la mayor resistencia con una perfecta
trabajabilidad) oscilan entre los 6 y 24 mm, presentando sus mayores prestaciones a los 12
mm. Para procesos de proyección simultánea (utilización de roving) las longitudes ideales
oscilan entre los 30 y los 45 mm [19].
7 Ya se ha considerado la longitud crítica de la fibra, descrita en el punto 1.2.1 de esta Memoria, y que en el caso de este estudio es cercana a los 2 mm.
32
ID69F Comportamiento Mecánico del Hormigón Reforzado con Fibra de Vidrio
1.5.2 Procesos de Fabricación de un GRC.
Dentro de este apartado se presentan los diferentes procesos actuales de
fabricación de un GRC. Hay que tener en cuenta que procesos distintos y/o híbridos a los
presentados pueden utilizarse para la fabricación de piezas específicas.
1.5.2.1 Procesos de Proyección Simultánea
La proyección simultánea es un proceso de fabricación mediante el cual se obtienen
piezas de GRC reforzadas de forma bidireccional (en el plano). La fabricación consistirá en
la proyección de capas que posteriormente se irán compactando entre sí hasta formar el
espesor total de la lámina o panel de GRC (normalmente entre 10 y 15 mm).
Dentro de este proceso de fabricación del GRC se incluye [20]:
a. Proyección Simultánea Manual: Un operario es el encargado de proyectar las capas,
mediante una pistola de proyección (ver figura 1-7). Se utiliza para la fabricación
de paneles de cerramiento de gran tamaño o de otro tipo de elementos de
construcción que requieren una elevada resistencia.
Figura 1-7. Proyección Simultánea Manual de GRC.
b. Proyección Simultánea Automática: La pistola de proyección realiza un
movimiento de vaivén transversal sobre unos moldes que van pasando por debajo
(ver figura 1-8). Este método se emplea con productos planos como los encofrados
33
ID69F Comportamiento Mecánico del Hormigón Reforzado con Fibra de Vidrio
perdido de puentes, o para componentes que pueden posformarse con una técnica de
molde plegado, tales como conductos de cables.
Figura 1-8. Proyección simultánea automática de GRC.
c. Proyección Simultánea Robotizada: Las máquinas son controladas por computador,
basándose en el principio de proyección concéntrica8, siendo capaces de proyectar a
intensidades de hasta 35 kg/min. Se pueden memorizar los perfiles para repetirlos
con exactitud. El computador controla la velocidad de la cinta transportadora, la
velocidad de bombeo de mortero y los dispositivos de control de circulación del
agua.
1.5.2.2 Procesos de Premezcla
En el proceso de premezcla, el refuerzo de la fibra de vidrio actúa de forma
tridimensional, pues las fibras se orientan en las tres direcciones.
Todos los procesos de premezcla tienen en común el acto del mezclado, que
normalmente se efectúa en una hormigonera o en un amasador simple de paletas. Las fibras
de vidrio Cem-FIL, a diferencia de algunas otras de refuerzo, presentan una perfecta
incorporación y se pueden mezclar hasta un % elevado dentro de un mortero sin que se
produzcan apelotonamientos o problemas de homogeneización. 8 Consiste en proporcionar tanto hormigón como hilo de vidrio cortado a partir de un único punto de salida. Con esto se logra reducir las pérdidas de hilo de vidrio.
34
ID69F Comportamiento Mecánico del Hormigón Reforzado con Fibra de Vidrio
El proceso de premezcla consta, normalmente, de dos etapas. En la primera se
mezclan y amasan los componentes del mortero y se adicionan las de vidrio, y en la
segunda se aplica la mezcla al molde (o en su caso a la realización de la obra in-situ, como
por ejemplo, en la realización de revocos, soleras, etc.).
Por lo general, las resistencias obtenidas con los procesos de premezcla son
inferiores a las obtenidas por proceso de Proyección Simultánea. Por otra parte, dada la
extremada simplicidad, la fácil trabajabilidad y la sencilla puesta en obra, el proceso de
colado-vibrado se convierte en la aplicación más rápida y sencilla de realización de todas
las de fabricación de piezas en GRC. Dentro de este proceso de fabricación del GRC se
destaca [21]:
a. Proceso de Colado-Vibrado: Es el proceso más difundido de aplicación de
premezcla. Las fases de realización de un colado vibrado son: Realización de la
premezcla, colado en un molde, vibrado, fraguado, desmoldeo y curado. Este
proceso se emplea para la fabricación de gran número de piezas tanto ornamentales
como arquitectónicas (ver figura 1-9). Dentro de este proceso se destacan dos
variantes:
• Colado-Vibrado en Molde Abierto.
• Colado-Vibrado en Molde y Contramolde.
Figura 1-9. Colado-Vibrado de Premezcla.
35
ID69F Comportamiento Mecánico del Hormigón Reforzado con Fibra de Vidrio
b. Proyección de Premezcla: Esta aplicación ha tenido gran aceptación en los últimos
años pues el nivel de resistencia que las piezas de GRC adquieren con él está entre
las grandes resistencias del GRC procedente de Proyección Simultánea y las de un
GRC procedente del Colado-Vibrado (ver figura 1-10).
Figura 1-10. Premezcla proyectada.
1.5 Características Mecánicas, Físicas y Químicas de un GRC
En la Tabla 1-6, que se muestra a continuación, se aprecian los niveles de
resistencia adquiridos por un GRC a los 28 días, fabricado tanto por el método de
proyección como por el de premezcla, además se compara con un mortero que no contiene
fibra de vidrio. Todos los valores corresponden a placas de espesor de 10 mm.
36
ID69F Comportamiento Mecánico del Hormigón Reforzado con Fibra de Vidrio
Tabla 1-6. Resistencias Mecánicas a los 28 días de un GRC.
Deformación a la Rotura (%) 0.6 – 1.2 0.1 – 0.2 0.1 – 0.2
Densidad del Material (g/cm3) 1.9 – 2.1 1.8 – 2.0 1.7 – 2.1
Fuente: P. Comino, El GRC, 2003.
Tanto la resistencia como la durabilidad del GRC pueden verse mejoradas
notablemente gracias a la adición de un tipo de metacaolín específico, y también con la
adición de polímeros acrílicos. Los datos expuestos se aplican a formulaciones de GRC con
una relación arena/cemento entre el 0.5 y 1.
Las propiedades físicas y químicas del GRC se muestran en la Tabla 1-7.
37
ID69F Comportamiento Mecánico del Hormigón Reforzado con Fibra de Vidrio
Tabla 1-7. Propiedades Física y Químicas típicas de un GRC.
Propiedad Valor
Pesos Aproximados
Lámina simple 8 mm de espesor (kg/m2) 16
Lámina simple 12 mm de espesor (kg/m2) 24
Panel Sándwich9 (kg/m2) 44
Retracción irreversible (%) 0.05
Retracción final (%) 0.2
Coeficiente de Dilatación Térmica (mm/°C) 10 – 20 x 10-6
Coeficiente de Conductividad Térmica (W/m °C) 0.5 – 1
Resistencia Química Buena
Resistencia a los Sulfatos Se usan cementos especiales
Ambiente Marino No afecta propiedades mecánicas
Hielo – Deshielo Ningún cambio
Luz ultravioleta No lo degrada
Acústica – Reducción de dB
Lámina de GRC de 10 mm de espesor (dB) 30
Lámina de GRC de 20 mm de espesor (dB) 35
Sándwich de 10 cm (dB) 47
Aislamiento Térmico
Lámina simple 8 mm de espesor (W/m °C) 5.3
Lámina simple 12 mm de espesor (W/m °C) 5.2
Panel Sándwich (W/m °C) 0.4
Fuente: P. Comino, El GRC, 2003.
9 El panel sándwich en este caso se compone de una lámina de GRC de 10 mm de espesor, una capa de poliestireno expandido de 110 mm y otra capa de GRC de 10 mm de espesor.
38
ID69F Comportamiento Mecánico del Hormigón Reforzado con Fibra de Vidrio
1.7 Ventajas competitivas del GRC
La mayor de las ventajas que presenta el GRC es su reducido peso (del orden de
entre 1/3 y 1/10 del peso de elementos equivalentes en hormigón convencional) guardando
las mismas o superiores prestaciones.
Esta ventaja de ligereza va a repercutir, positivamente, sobre diferentes factores
de diseño e instalación de las piezas y/o estructuras que soporten el GRC y de las mismas
instalaciones (puesta en obra) de las piezas realizadas en este material.
Una pequeña lista de factores que pueden verse modificados frente a la utilización
del GRC, es la siguiente:
a. Transporte de las piezas a obra. Por su característica de ligereza se pueden
transportar del orden de 3 a 5 veces más piezas de GRC que de hormigón
convencional, lo cual abarata una partida importante como es la del transporte de
los elementos prefabricados a obra.
b. Estructura y cimentaciones del edificio que sustentan las piezas del GRC. Se ha de
tener en cuenta el ligero peso que presentan las piezas de GRC a la hora del diseño
de la estructura y sus cimentaciones, lográndose grandes ahorros de material. El
poco peso lo hace ideal para su uso en edificios de gran altura.
c. Maquinaria de instalación y puesta en obra. Ya que las piezas de GRC son poco
pesadas, la maquinaria necesaria para su instalación en obra es mucho más ligera
(de menor capacidad).
d. Cuadrillas de montaje. Debido a la ligereza y características del GRC el montaje se
simplifica, reduciéndose el número total de montadores necesarios.
e. Anclajes y herrajes de unión a los entramados de la estructura son mucho más
ligeros, lo cual repercute sobre el ahorro de materiales.
39
ID69F Comportamiento Mecánico del Hormigón Reforzado con Fibra de Vidrio
f. El montaje es mucho más rápido. Debido al poco peso de las piezas de GRC las
grúas emplean menos tiempo de montaje y por tanto de construcción. El reducir el
tiempo de construcción, permitirá anticipar la entrada en el edificio de otros oficios
y un ahorro en los costos de financiación.
Todos estos factores de ahorro, estudiados en su conjunto, suponen una
grandísima ventaja competitiva del GRC y lo convierten en líder frente a otros materiales
alternativos.
1.8 Cualidades del GRC
Las fibras de vidrio tienen excelentes propiedades, que hacen de ellas el refuerzo
ideal para los materiales compuestos de matriz inorgánica. AR es la fibra idónea, por
resistencia alcalina, por su alto rendimiento y por sus altas prestaciones, para el refuerzo de
los composites (materiales compuestos) de cemento.
Las principales cualidades que las fibras AR confieren al GRC son:
a. Durabilidad, ya que la fibra utilizada es inmune a la acción de los álcalis del
cemento.
b. Gran resistencia al impacto, debido a la absorción de energía por los haces de fibra.
c. Impermeabilidad, aún en pequeños espesores.
d. Resistencia a los agentes atmosféricos.
e. El GRC no se corroe ni se deteriora en condiciones atmosféricas.
f. Incombustibilidad, derivada de las características de sus componentes.
g. Aptitud de reproducción de detalles de superficie (ideal para imitar piedra o
pizarra).
h. Ligero, lo que reduce los costos de transporte, puesta en obra e instalación.
i. Aptitud a ser moldeado en formas complejas. (Especialmente útil para la
renovación y restauración de inmuebles).
j. Gran resistencia contra la propagación de fisuras.
40
ID69F Comportamiento Mecánico del Hormigón Reforzado con Fibra de Vidrio
k. Reduce la carga en los edificios, lo que conduce a una reducción de los costes de
estructura y cimentación.
l. Reduce los cuidados de mantenimiento.
m. Excelente resistencia frente al vandalismo.
n. Enorme catálogo de texturas y acabados de superficie realizables.
o. Ilimitadas posibilidades de diseños arquitectónicos.
1.9 Principales Aplicaciones del GRC
Todas las características anteriormente citadas hacen del GRC un material
ampliamente utilizado10. Sus aplicaciones presentan un campo muy extenso en la
Arquitectura e Ingeniería. A continuación se detallan las aplicaciones más usuales del
GRC:
a. En la Industria de la Construcción:
• Paneles de Fachada y cerramientos en general
• Sistemas modulares de vivienda
• Elementos para cubiertas
• Decoración de interiores
• Piscinas
• Pavimentos
• Revestimiento de Túneles
b. En la protección contra el fuego:
• Puertas y pantallas antifuego
• Conductos antifuego
10 Incluso en Chile ya hay algunas empresas dedicadas a la producción de algunos artículos de GRC, tales como canaletas y áreas verdes transitables.
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ID69F Comportamiento Mecánico del Hormigón Reforzado con Fibra de Vidrio
c. En el aislamiento térmico:
• Paneles para aislamiento térmico de edificios
• Cámaras Frigoríficas
d. En el control del ruido:
• Barreras antirruido en autopistas, carreteras y ferrocarril
• Protección de maquinarias ruidosas.
e. En la industria marítima:
• Pontones, canales y boyas
• Tanques para piscifactorías
f. En la agricultura:
• Comederos para animales
• Elementos de drenajes
• Suelo de granjas
• Bebederos
g. En el diseño:
• Mobiliario urbano de todas clases
• Escudos y adornos
• Moldes
• Elementos decorativos
• Imitaciones a rocas en parques artificiales.
En la figura 1-11 se aprecian algunas aplicaciones del GRC.
42
ID69F Comportamiento Mecánico del Hormigón Reforzado con Fibra de Vidrio
Figura 1-11. Aplicaciones del GRC.
43
ID69F Comportamiento Mecánico del Hormigón Reforzado con Fibra de Vidrio
Capítulo 2
PLANTEAMIENTO DE LA INVESTIGACIÓN Y PROGRAMA DE ENSAYOS
2.1 Introducción
En la actualidad, para el refuerzo de fibras de los hormigones, se utilizan fibras
metálicas, plásticas y en algunos casos vegetales. Las fibras de vidrio se utilizan,
generalmente, mezcladas en pastas de cemento o morteros de granulometría muy fina, en el
GRC (Glass Reinforced Concrete), pero no en la aplicación con hormigones compuestos
por áridos mayores a 5 mm.
En esta memoria se estudia el comportamiento mecánico de los hormigones
reforzados con fibra de vidrio, caracterizando su resistencia a la compresión y a la
flexotracción como función del porcentaje de fibra de vidrio álcali-resistente adicionado.
Además se estudian los cambios en la trabajabilidad en el hormigón dada la incorporación
de la fibra de vidrio.
Utilizando un árido de tamaño máximo de 8 mm se establece un plan de ensayos a
realizar en los laboratorios de la sección de Hormigones del Instituto de Investigación y
Ensaye de Materiales (IDIEM) de la Universidad de Chile.
2.2 Objetivos
2.2.1 Objetivo General
El objetivo general de esta memoria es determinar cómo varían las propiedades
mecánicas del hormigón al adicionarle distintos porcentajes de fibra de vidrio.
44
ID69F Comportamiento Mecánico del Hormigón Reforzado con Fibra de Vidrio
2.2.2 Objetivos Específicos
Los objetivos específicos a conseguir con esta memoria se pueden clasificar en
dos grupos. El primero referido al hormigón en estado fresco, y el segundo referido al
hormigón ya endurecido.
Para el Hormigón Reforzado con fibra de vidrio en estado fresco se quiere:
• Determinar la trabajabilidad.
Para el hormigón reforzado con fibra de vidrio ya endurecido se quiere:
• Determinar la resistencia a la compresión.
• Determinar la resistencia a la flexotracción.
2.2 Variable a Estudiar en el Desarrollo Experimental
La variable a estudiar será el porcentaje de fibra de vidrio AR adicionada al
hormigón, y su incidencia en la trabajabilidad, resistencia a la compresión y resistencia a la
flexotracción de éste..
Dado lo anterior, se establecen dosificaciones óptimas para el hormigón reforzado
con fibra de vidrio.
2.3 Programa de Ensayos
Para cuantificar el efecto de la incorporación de fibras de vidrio AR al hormigón, se
efectuarán ensayos comparativos entre un “hormigón patrón” (sin fibras) y hormigones con
distinto porcentaje de fibra adicionado. La fibra usada será Cem-FIL Anti-Crack HD, de la
casa Vetrotex, en un largo de 12 mm. Éste es el largo estándar, en que este tipo de fibra de
vidrio AR, especialmente diseñada para hormigones, es confeccionada. Dicho largo
condicionará el tamaño máximo de árido grueso, que para un refuerzo eficiente no debe
45
ID69F Comportamiento Mecánico del Hormigón Reforzado con Fibra de Vidrio
sobrepasar los 2/3 de longitud de la fibra [22]. Dado lo anterior el tamaño máximo del árido
grueso, para esta investigación, es de 8 mm.
Se utilizará un hormigón de una calidad nominal, medida como resistencia a la
compresión, de 250 kgf/cm2, a los 28 días. Se ha considerado este tipo de hormigón, ya que
se piensa que aplicaciones del hormigón reforzado con fibra de vidrio pueden ser losas,
radieres o algún otro que no requiera de mayores resistencias.
Los porcentajes adicionados de fibra de vidrio estarán comprendidos entre el 0,05%
y el 0,4% en peso del hormigón duplicando el porcentaje de fibra adicionada en cada
ensayo. Dado lo anterior se tendrán 5 medidas a ensayar tal como se indica en la Tabla 2-1.
Dichas dosificaciones fueron obtenidas luego de realizar una serie de un ensayos de
prueba11, tomando como límite inferior la cantidad mínima de fibra a adicionar
recomendada por el fabricante [23] equivalente a 0,03% en peso del hormigón, y como
límite superior el 4% señalado en la literatura [24].
Tabla 2-1. Tipos de Hormigones a Ensayar.
Identificador % de Fibra de Vidrio AR adicionado
H0 0,00
H1 0,05
H2 0,10
H3 0,20
H4 0,40
Fuente propia.
Los ensayos a realizar son los de trabajabilidad, resistencia a la compresión y
resistencia a la flexotracción. El primer ensayo se realizará con el hormigón en estado
fresco, para cada uno de los tipos de hormigones. Los dos últimos ensayos se realizarán con 11 Los resultados de dichos ensayos pueden ser consultados en la sección Anexos, del presente trabajo.
46
ID69F Comportamiento Mecánico del Hormigón Reforzado con Fibra de Vidrio
el hormigón ya endurecido, en dos etapas: la primera cuando el hormigón cuenta con 7 días
de edad y la segunda cuando el hormigón cuenta con 28 días. Estos ensayos también
comprenden los 5 tipos de hormigones. Un resumen de los ensayos a realizar puede ser
apreciado en la Tabla 2-2.
Tabla 2-2. Resumen de los Ensayos a Realizar.
Ensayo Estado del
Hormigón
Tipo de Hormigón Edad del Hormigón
Trabajabilidad Fresco H0, H1, H2, H3, H4 Menos de media hora
7 días Resistencia a la
Compresión
Endurecido H0, H1, H2, H3, H4
28 días
7 días Resistencia a la
Flexotracción
Endurecido H0, H1, H2, H3, H4
28 días
Fuente propia.
2.4 Descripción de los Ensayos
2.4.1 Trabajabilidad [25]
Durante la etapa en que el hormigón se mantiene en estado fresco es de gran
importancia poder otorgarle una docilidad adecuada, para el uso que se desea darle. Debido
a que las fibras reducen la trabajabilidad del hormigón fresco, se hace necesario determinar
en qué proporción lo hacen.
Para cuantificar la trabajabilidad del hormigón se medirá el asentamiento de cono.
Este ensayo fue ideado por el investigador norteamericano Abrams. Su ejecución está
regulada por la NCh 1019 y consiste básicamente en rellenar un molde metálico
troncocónico de dimensiones normalizadas, en tres capas apisonadas con 25 golpes de
47
ID69F Comportamiento Mecánico del Hormigón Reforzado con Fibra de Vidrio
varilla-pisón y, luego de retirar el molde, medir el asentamiento que experimenta la masa
de hormigón colocada en su interior. Esta medición se complementa con la observación de
la forma de derrumbamiento del cono de hormigón, mediante golpes laterales con la
varilla-pisón. De esta manera, la medida del asentamiento permite determinar,
principalmente, la fluidez, y la forma de derrumbamiento permite apreciar la consistencia
del hormigón.
donde: 2.4.3 Compresión
La resistencia a la compresión es una de las propiedades más importantes del
hormigón, siendo también el factor que se emplea frecuentemente para definir su calidad.
El procedimiento de ensayo para la determinación de la resistencia a la
compresión del hormigón está establecido en la norma chilena NCh 1037 – 77 [26].
El valor de la resistencia obtenido en el ensayo no es absoluto, puesto que
depende de las condiciones en que ha sido realizado. Entre estas condiciones, las de mayor
influencia son analizadas a continuación:
a. Forma y dimensiones de la probeta:
• Las probetas empleadas normalmente para determinar la resistencia a la
compresión son de forma cúbica o cilíndrica. De las primeras, se emplean de
preferencia las de 15 y 20 cm de arista, y para las segundas las de 15 cm de
diámetro y 30 cm de altura.
b. Condiciones de ejecución del ensayo:
• Velocidad de aplicación de la carga de ensayo.
• Estado de las superficies de aplicación de la carga.
• Centrado de la carga de ensayo.
48
ID69F Comportamiento Mecánico del Hormigón Reforzado con Fibra de Vidrio
c. Características del hormigón:
• Tipo de cemento.
• Relación agua / cemento.
• Edad del hormigón.
d. Condiciones ambientales:
• Temperatura.
• Humedad.
El procedimiento de ensayo, descrito en la norma chilena NCh 1037, se resume a
continuación:
a. Medición de las Probetas.
• Probetas cúbicas: Se coloca el cubo con la cara de llenado verticalmente. Se
miden los anchos de las 4 caras laterales del cubo aproximadamente a media
altura, y las alturas de las caras laterales, aproximando a 1mm. Se debe
determinar la masa del cubo, aproximando a 50 gr.
• Probetas cilíndricas: Se miden dos diámetros perpendiculares entre sí
aproximadamente a media altura, y la altura de la probeta en 2 generatrices
opuestas antes de refrentar, aproximando a 1 mm. Se determina la masa del
cilindro antes de refrentar, aproximando a 50 gr.
b. Ensayo.
• Se debe limpiar las superficies de contacto de las placas de carga y de la
probeta, colocando la probeta en la máquina de ensayo alineada y centrada. Las
probetas cúbicas se colocan con la cara de llenado verticalmente y las
cilíndricas asentadas en una de sus caras planas refrentadas. Al acercar la placa
superior de la máquina de ensayo se debe asentarla sobre la probeta de modo de
49
ID69F Comportamiento Mecánico del Hormigón Reforzado con Fibra de Vidrio
obtener un apoyo lo más uniforme posible. La carga debe aplicarse en forma
continua y sin choques a velocidad uniforme, de forma tal que la rotura se
alcance en un tiempo igual o superior a 100 segundos y que la velocidad de
aplicación de carga no sea superior a 3,5 kgf/cm2/seg. Finalmente se registra la
carga máxima expresada en kgf.
c. Resultados.
• Se calcula la resistencia a la compresión del hormigón mediante la siguiente
fórmula:
CPRS
= (2.1)
donde: S = Superficie de carga
P = Carga Máxima
2.4.4 Flexotracción
Se ha considerado de interés el caracterizar los hormigones del presente estudio en
cuanto a su resistencia a la flexotracción, ello principalmente, debido a que una posible
aplicación de estos hormigones sería la de pavimentos industriales, y en ese caso un
aumento de la resistencia a flexotracción por efecto de las fibras sería muy beneficioso.
El procedimiento de ensayo se basa en la norma chilena NCh 1038 [27] y consiste
en someter a una vigueta de hormigón simplemente apoyada, a una solicitación de flexión
mediante la acción de dos cargas concentradas en los límites del tercio central de la luz de
ensayo.
50
ID69F Comportamiento Mecánico del Hormigón Reforzado con Fibra de Vidrio
Si la fractura de la probeta de produce en el tercio central de la luz de ensayo, se
calcula la resistencia a la tracción por flexión como la tensión de rotura según la fórmula
siguiente:
2
**
P LRb h
= (2.2)
donde: R = Tensión de rotura, N/mm2 (kgf/cm2);
P = Carga máxima aplicada, N (kgf);
L = Luz de ensayo de la probeta, mm (cm)
I = Ancho promedio de la probeta en la sección de rotura, mm (cm);
h = Altura promedio de la probeta en la sección de rotura, mm (cm).
Si la fractura se produce fuera del tercio central de la luz de la probeta, en la zona
comprendida entre la línea de aplicación de carga y una distancia de 0,05 L de esa línea, se
calcula la resistencia a la tracción por flexión como la tensión de rotura, según la fórmula
siguiente:
2
3* **P aR
b h= (2.3)
en que:
a = Distancia entre la sección de rotura y el apoyo más próximo, medida a lo
largo de la línea central de la superficie inferior de la probeta, cm.
51
ID69F Comportamiento Mecánico del Hormigón Reforzado con Fibra de Vidrio
Capítulo 3
DESARROLLO DE LA ETAPA EXPERIMENTAL
3.1 Materiales
3.1.1 Áridos
Los áridos empleados son una arena y una gravilla de tamaño máximo 8 mm, cuya
procedencia es la planta de áridos PÉTREOS S.A. Las propiedades de los áridos se
muestran en la Tabla 3-1. La granulometría de la arena y la gravilla se indican en la Tabla
3-2.
Para determinar las propiedades de los áridos, tales como densidad aparente
compactada, ensidad neta y absorción, tanto de la arena como de la gravilla, se siguieron
los procedimientos establecidos por las normas chilenas NCh 1116 [28], NCh 1117 [29] y
NCh 1239 [30], todas ellas del año 1977, referidas a dichos temas.
Tabla 3-1. Propiedades de los Áridos.
Áridos Propiedad Unidad
Arena Gravilla
Densidad Aparente
Compactada
[g/cm3] 1,74 1,68
Densidad Neta [g/cm3] 2,60 2,61
Absorción [%] 2,77 1,87
Fuente propia.
Para determinar la granulometría de los áridos se procedió a tamizar los áridos, de
acuerdo con la norma chilena NCh 165 Of. 177 [31].
52
ID69F Comportamiento Mecánico del Hormigón Reforzado con Fibra de Vidrio
Tabla 3-2. Granulometría de Áridos.
Porcentaje que pasa en peso Tamices Empleados ASTM
Arena Gravilla
812 mm 100 100
N° 4 91 72
N° 8 84 51
N° 16 73 30
N° 30 58 20
N° 50 21 7
N° 100 6 3
M. F. 2,67 4,17
Fuente propia.
3.1.1.1 Determinación de Impurezas en las Arenas para Hormigones
La norma chilena NCh 163 Of.79 [32], establece como requisito general para las
arenas que serán utilizadas en la confección de morteros y hormigones, no presentar
impurezas orgánicas.
Siguiendo la norma chilena NCh 166 Of.52 [33] se procedió a determinar
calorimétricamente la presencia de impurezas orgánicas.
Al someter la arena a la acción del hidróxido de sodio al 3% durante un período de
24 horas se obtuvo una disolución de color más débil al patrón (ver figura 3-1). Esto indica
un contenido despreciable por lo que resulta una arena recomendable para ser utilizada en
la fabricación de hormigones y morteros.
La medición de impurezas orgánicas fue realizada en el laboratorio de Materiales
Poliméricos del IDIEM de la Universidad de Chile. 12 Esta apertura de tamiz no corresponde a la serie ASTM, sino que a la serie complementaria indicada en NCh 165 Of77.
53
ID69F Comportamiento Mecánico del Hormigón Reforzado con Fibra de Vidrio
Figura 3-1. Determinación calorimétrica de impurezas.
3.1.2 Cemento
El cemento utilizado es fabricado por CEMENTO MELON S.A. y su
denominación comercial es cemento Melón especial, que corresponde a un cemento tipo
Pórtland pozolánico de grado corriente.
Cabe señalar que este cemento, cumple con todas las especificaciones establecidas
por la norma chilena NCh 148 referente a cementos [34], por lo cual ha recibido
certificación de calidad IDIEM.
3.1.3 Fibras de Vidrio Álcali-Resistentes
La fibra de vidrio utilizada, es un monofilamento resultante de la dispersión de
haces de fibra al entrar en contacto con la humedad del hormigón. Su nombre comercial es
Cem-FIL Anti-Crack HD (High Dispersión), y es fabricado por el grupo SAINT GOBAIN-
VETROTEX. El diámetro del filamento corresponde a 14 micras y su longitud a 12 mm,
por lo cual su relación de aspecto (cuociente entre el largo de la fibra y su diámetro)
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equivale a 857. La Tabla 3-3 muestra un resumen con las características físicas y mecánicas
más importantes de este tipo de fibra.
Tabla 3-3. Principales Propiedades Mecánicas y Físicas de la Fibra de Vidrio Cem-
FIL Anti-Crack HD.
Propiedad Valor
Resistencia a la Tracción del Filamento 1,7 GPa
Módulo Elástico de Young 72 Gpa
Gravedad Específica 2,68 g/cm3
Alargamiento a la Rotura 2,4%
Diámetro del Filamento 14 µm
Longitud 12 mm
Relación Longitud-Diámetro 857:1
Número de fibras por kilo 212 millones Fuente: Saint Gobain-Vetrotex, Fibras Cem-FIL.
3.1.4 Agua
Para la confección de los hormigones se utiliza agua potable tomada directamente
desde la red de suministro de la ciudad de Santiago. Esta agua cumple con la norma NCh
40913 [35], referida a los requisitos del agua potable.
La norma NCh 1492 Of.82 [36] establece que el agua potable puede ser utilizada
como agua de amasado para hormigones.
13 Este dato fue corroborado por el departamento técnico de la Empresa Aguas Andinas.
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ID69F Comportamiento Mecánico del Hormigón Reforzado con Fibra de Vidrio
3.1.5 Aditivo [37]
Al adicionar fibra de vidrio, disminuye la trabajabilidad del hormigón [38]. Por
este motivo se utiliza un aditivo plastificante. Considerando que los hormigones sujetos de
este estudio pueden ser producidos y comercializados por empresas de hormigón
premezclado, se decide usar un aditivo que además tenga características de retardador de
fraguado, para así facilitar su eventual traslado a grandes distancias en camiones
revolvedores. El aditivo usado es Plastiment H.E.R. [39] fabricado por SIKA S.A.
La dosificación utilizada es la recomendada por el fabricante, que equivale al 1%
en peso de cemento.
3.2 Dosificación y Confección del Hormigón
3.2.1 Dosificación del Hormigón Patrón
En primer lugar se procede a dosificar el hormigón H-25 (resistencia a la
compresión de 250 kg./cm2 a los 28 días y medida en probetas cúbicas de arista 20 cm).
Para ello se sigue la metodología indicada por el ACI (American Concrete Institute) [40],
tomando como puntos de partida un tamaño máximo del árido de 8 mm y un asentamiento
de cono entre 5 y 10 cm.
Para evaluar la dosificación obtenida, se hace una colada de prueba14 en la cual se
mide la trabajabilidad y se toman muestras para ensayar a compresión a los 7 días. En base
a los resultados de esta colada de prueba se procede a ajustar la dosificación calculada,
obteniéndose las cantidades definitivas de materiales a usar para el hormigón. Dicha
dosificación se indica en la Tabla 3-4.
14 Los resultados de esta colada de prueba pueden ser consultados en los Anexos de esta Memoria.
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ID69F Comportamiento Mecánico del Hormigón Reforzado con Fibra de Vidrio
Las probetas de prueba fueron confeccionadas en Obra15, y curadas y ensayadas
en la sección aglomerantes del IDIEM de la Universidad de Chile.
Tabla 3-4. Dosificación en peso seco para 1 m3 de hormigón H-25.
Material Peso [kg]
Cemento 460
Gravilla 645
Arena 900
Agua de Amasado 245
Agua de Absorción 37
Aditivo Plastiment H.E.R. 4,6
Peso Total 2292
Relación agua / cemento 0,53
Fuente propia.
3.2.2 Confección del Hormigón
Con el objeto de establecer una comparación más efectiva entre el
comportamiento de hormigones con y sin fibra, se planifica la preparación conjunta de
todos los tipos de hormigones a partir de una sola colada de origen. Para lo anterior se
procede a separar el hormigón fresco, inmediatamente después de amasado, en 5 fracciones
correspondientes a cada tipo de hormigón (un hormigón patrón y 4 hormigones con
fibras16).
El procedimiento detallado de la confección de los hormigones se describe a
continuación:
15 La obra de ubicaba en la comuna de La Granja. 16 Estos fueron definidos en función del porcentaje de fibra de vidrio adicionado al hormigón. Para más información ver la Tabla 2-1 de esta Memoria.
57
ID69F Comportamiento Mecánico del Hormigón Reforzado con Fibra de Vidrio
a. Pesar los áridos separadamente (gravilla y arena) en estado húmedo.
b. Homogeneizar separadamente los dos áridos mediante una revoltura a pala, para que
así ellos presenten un estado de humedad uniforme.
c. Tomar muestras de los áridos pesados y determinar su contenido de humedad.
d. Corregir por humedad el peso de los áridos y del agua.
e. Pesar el cemento, agua total (agua de amasado y de absorción corregida por
humedad), aditivo y fibras.
f. Preparar la betonera, humedeciéndola antes de cargar los materiales.
g. Preparar el aditivo, mezclándolo con una fracción del agua total (10 a 15%
aproximadamente).
h. Cargar la gravilla y la arena en la betonera, agregando una fracción del agua total
(un 20% aproximadamente).
i. Revolver los áridos durante 30 segundos para humedecerlos completamente.
j. Cargar el cemento en la betonera.
k. Amasar los materiales durante 2 minutos, agregando el agua y aditivo restante.
l. Revolver manualmente la mezcla verificando su estado (asegurándose de que no
quede material sin mezclar adherido al fondo y en las paredes de la betonera).
m. Amasar durante otros 2 minutos.
n. Determinar la densidad aparente del hormigón fresco [41].
o. Descargar en pailas plásticas, previamente humedecidas, la cantidad de hormigón
correspondiente a la fracción de cada tipo (ello se hace pesando el material
equivalente a un cierto volumen). El hormigón en las pailas es cubierto con láminas
de polietileno para evitar la evaporación del agua.
p. Cargar la betonera con la fracción de hormigón correspondiente a un cierto
porcentaje de fibra.
q. Iniciar un amasado de 2 minutos, durante el cual se va incorporando paulatinamente
la fibra mediante una “lluvia continua” de los filamentos sobre el hormigón.
r. Revolver manualmente la mezcla verificando su estado (asegurándose de que la
fibra se haya mezclado uniformemente y que no hayan grumos de fibras).
58
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s. Amasar durante otros 3 minutos.
t. Descargar el hormigón con fibra en una paila, cubriéndolo para evitar evaporación.
Cargar nuevamente la betonera con otra fracción de hormigón y repetir los puntos q,
r y s, hasta haber confeccionado todos los tipos de hormigones.
u. Una vez amasados todos los hormigones, medir la docilidad de cada uno de ellos
mediante el cono de Abrams.
v. Moldear las probetas correspondientes para los ensayos planificados de la colada.
Todo el proceso de mezclado de los distintos hormigones requiere un tiempo
aproximado de 45 minutos. La medición de la docilidad y el moldeo de las probetas
requiere a su vez de otros 30 minutos, La faena de confección del hormigón requiere la
participación de a lo menos 3 personas.
3.2.3 Programación de las Coladas
Se planifica la ejecución de dos series de coladas, cada una de ellas con el objetivo
de moldear un grupo distinto de probetas, además de efectuar el ensayo de trabajabilidad
del hormigón en estado fresco. De esta forma se tiene lo siguiente:
• Serie N°1: En esta serie se realizan coladas de 72 litros cada una y se contempla
la fabricación de 5 hormigones a partir del volumen inicial (un hormigón patrón
y los 4 tipos de hormigón con distinto porcentaje de fibra de vidrio adicionado).
Se realizan el ensayo de trabajabilidad. Además se moldean las probetas
prismáticas para ensayar a flexotracción, tanto a 7 como a 28 días de edad. En
total se realizan 5 coladas de esta serie.
• Serie N°2: Se realizan coladas de 55 litros cada una y se contempla también la
fabricación de los 5 hormigones descritos en el punto anterior, a partir del
volumen inicial. De estas coladas se moldean los cubos que serán ensayados a
compresión tanto a 7 como a 28 días. Se realizan 2 coladas de esta serie.
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ID69F Comportamiento Mecánico del Hormigón Reforzado con Fibra de Vidrio
La identificación y ordenación de las distintas coladas se resume en la tabla 3-5.
Tabla 1-5. Identificación de las Coladas.
Serie Colada Litros Probetas (Cantidad) Ensayo Edad
1 1 72 Docilidad Hormigón Fresco
1 2 72 Prismas (5) Flexotracción 7 días
1 3 72 Prismas (5) Flexotracción 7 días
1 4 72 Prismas (5) Flexotracción 28 días
1 5 72 Prismas (5) Flexotracción 28 días
2 6 55 Cubos (10) Compresión 7 días
2 7 55 Cubos (10) Compresión 28 días
Fuente: Propia.
Es importante señalar que como forma de control de calidad del hormigón, en cada
una de las coladas, se realizaron ensayos adicionales de docilidad (aparte de los
establecidos en la colada 1 para todos los tipos de hormigones) sobre algunas17 de las
mezclas de hormigón para verificar que se había conseguido el asentamiento de cono
deseado, en el caso del hormigón patrón, y ver cómo variaba el asentamiento de cono de los
hormigones con fibras.
3.3 Tipología de Probetas Fabricadas en Obra
La fabricación de probetas se realizó según los procedimientos establecidos por la
norma chilena NCh 1017. EOf75. Dada la docilidad de estos hormigones, comprendida
entre 5 y 10 cm de asentamiento de cono, se escogió como procedimiento de compactación
de la mezcla al interior de los moldes, el apisonado, tal como indica la citada norma NCh
1017.
17 El detalle de qué tipos de hormigón fueron ensayados en cada colada se describe en los Anexos de esta Memoria, además de mostrar los resultados de estas mediciones.
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3.3.1 Fabricación de Probetas Cúbicas para Ensayos de Compresión
Una vez obtenida la docilidad requerida para la mezcla de hormigón reforzado con
fibra de vidrio se procedió a la confección de los cubos. La mezcla de material se añadió en
dos capas de espesor similar dentro de los moldes de 150 mm de arista, debidamente
engrasados. Luego de depositar una capa ésta era apisonada distribuyendo los golpes en
toda la sección del molde. Al terminar el apisonado de la segunda capa se procedió al
alisado superficial. El proceso total de llenado del molde tomó aproximadamente 3
minutos. En total se fabricaron 20 probetas cúbicas.
3.3.2 Fabricación de Probetas Prismáticas para Ensayos de Flexotracción
Al igual que el caso anterior, la mezcla fue adicionada a los moldes, previamente
engrasados, en dos capas de espesor similar, procediendo a apisonarlas. Terminado el
apisonado se procedió al alisado superficial. El tiempo requerido para llenar el molde fue
de aproximadamente 5 minutos. Las dimensiones de éstos moldes prismáticos
corresponden a 15 cm de ancho, 15 cm de alto y 53 cm de largo. El número total de
probetas prismáticas también ascendió a 20.
3.3.3 Curado Inicial y Desmolde de las Probetas
Una vez concluido el proceso de llenado de los moldes, se cubrió la superficie de
éstos con polietileno para evitar la evaporación del agua superficial y se protegió el
conjunto probeta-molde por todos sus lados con arena húmeda.
Las probetas cúbicas fueron desmoldadas a las 24 horas en el laboratorio de
hormigones de IDIEM, y las probetas prismáticas se desmoldaron transcurridas 48 horas,
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en el mismo lugar. El traslado al laboratorio se hizo de manera tal que las superficies y
aristas de la probeta no fueran alteradas.
3.3.4 Identificación de las Probetas
La manera de identificar las probetas se puede apreciar en la tabla 3-6 que se