Comportamiento mecánico de hormigones reforzados con fibras poliméricas sujetos a bajas temperaturas
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TECNOLOGIA DEL HORMIGÓN
Campaña experimental en HRF congelados
Comportamiento mecánico de
hormigones reforzados con fibras
poliméricas sujetos a bajas temperaturas
n Francisco Mena, Igor Reynvart y Albert de la Fuente, Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental de la UPC, UPC BarcelonaTech, Barcelona, España
El uso del hormigón reforzado con fibras ha sido aceptado Model Code 2021 [1], y la EHE-08 [2], por ejemplo). Hay un
en un amplio rango de aplicaciones estructurales. Hasta la amplio rango de aplicaciones estructurales para el FRC: re-
fecha, existe basta investigación en relación con su com- vestimientos y sostenimientos para túneles [3], tuberías de
portamiento mecánico (considerando incluso temperaturas saneamiento [4-5], forjados de losa maciza [6], y soleras y pa-
elevadas), durabilidad y aspectos de diseño. Sin embargo, vimentos para usos industriales [7], entre otras. En este con-
hay datos limitados en relación con su respuesta a bajas texto, la fibras metálicas son las que se han empleado predo-
temperaturas. Es sabido que el hormigón (y el acero) pue- minantemente para este tipo de aplicaciones. Sin embargo,
den sufrir procesos de fragilización a bajas temperaturas las macrofibras sintéticas han surgido como alternativa para
y, por tanto, la ductilidad de la estructura puede verse reemplazar (o combinar) con otros tipos de refuerzo en base
comprometida. Si bien, los primeros resultados obtenidos a acero en varias aplicaciones estructurales.
en hormigones reforzados con fibras poliméricas llevados Existe extensa literatura en relación con la respuesta mecá-
a cabo en la Universidad Politécnica de Cataluña (UPC, nica del FRC sujetos a temperaturas normales, así como a
BarcelonaTech) prueban que la resistencia pre- y post-fi- temperaturas elevadas y extremadamente elevadas (fuego).
suración augmenta con la reducción de la temperatura. No obstante, la respuesta del FRC sujeto a bajas tempera-
Este resultado es de especial interés para aplicaciones, por turas (< 0ºC) ha sido escasamente estudiado. Por tanto, hay
ejemplo, en pavimentos industriales (externos sujetos a una laguna en el conocimiento en este campo. En este sen-
condiciones severas de temperatura en invierno), y otras tido, existen numerosas estructuras de hormigón que pue-
tipologías estructurales. den estar sujetas a bajas temperaturas en fases transitorias
(elementos prefabricados en fase de acopio, ver Figura 1)
El hormigón reforzado con fibras (FRC, en adelante) ha sido y en fase de servicio (soleras para cámaras frigoríficas, por
aceptado como material estructural en distintos países, y su ejemplo) y para las cuales el refuerzo del hormigón puede
diseño puede ser abordado con distintas normativas (el fib llevarse a cabo mediante fibras estructurales.
Fig. 1: Elementos prefabricados de hormigón sujetos a bajas temperaturas en fase de acopio.
Cortesía de СТРОЙБИЗНЕС –STROYBIZNES– (Chelíabinsk, Rusia)
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Foto: © Concrete Rudolph GmbH
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TECNOLOGIA DEL HORMIGÓN Equipo
n Francsico Mena es investigador postdoctoral en el Departa-
mento de Ingeniería Civil y Ambiental de la UPC (Barcelona,
España). En 2011 obtuvo el grado de Ingeniero de Caminos,
Canales y Puertos en la UPC, y en 2015 el título de doctor. Sus
campos de investigación son los hormigón reforzados con fibras,
el hormigón con áridos reciclados, la construcción sostenible, y
la caracterización de materiales de construcción.
francisco.mena@upc.edu
kniele.de/en
n Igor Reynvart es un estudiante del grado de Ingeniería de
Caminos, Canales y Puertos de la Universidad Politécnica de
Catalunya Barcelona (España). Su campo de experiencia es el Mezclador de cono KKM
hormigón reforzado con fibras. Es ingeniero junior en Smart Datos y hechos
Engineering (Spin-off UPC) reynvart97@gmail.com
n Alberto de la Fuente es Doctor Ingeniero de Caminos, Canales
y Puertos y profesor en el Departamento de Ingeniería Civil y
Ambiental de la UPC (Barcelona, España). Su campo de experien-
cia es la tecnología de los hormigones reforzados con fibras, la
optimización estructural, y el análisis de sostenibilidad mediante
herramientas multi-criterio para la toma de decisión. Es so-
cio-fundador de la empresa Smart Engineering (Spin-off UPC).
albert.de.la.fuente@upc.edu kniele.de/en/kkm
Bajo estas condiciones, la matriz de hormigón puede sufrir
fenómenos de fragilización y el refuerzo debe garantizar la
respuesta dúctil del material en el caso que se produzca la
fisuración. Sin embargo, los ensayos de caracterización del
HRF se llevan a cabo en condiciones normalizadas (20 ºC) y,
por tanto, se desconoce la capacidad del material para hacer
frente a las cargas en condiciones de bajas temperaturas.
El hormigón reforzado con macrofibras poliméricas (PPFRC)
puede ser una solución adecuada para estructuras que pue-
den estar sujetas a bajas temperaturas en alguna fase de la
vida útil, pues la interacción matriz-fibra mejora con la reduc-
ción de temperaturas. Si bien, en base al conocimiento de
los autores, no hay referencias científicas relacionadas con
la caracterización de comportamiento mecánico de PPFRC a
bajas temperaturas.
En base a lo expuesto, el objetivo principal de este docu-
mento técnico es presentar los resultados de una campaña
experimental consistente en la caracterización de la res-
puesta a compresión, pre- y post-fisuración a flexión de HRFP
sometidos a bajas temperaturas. Esta campaña experimental
se llevó a cabo en la Universidad Politécnica de Catalunya
(UPC) en el contexto de un proyecto de transferencia tecno-
lógica con MBCC Group.
Campaña Experimental
El programa experimental se llevó a cabo en el Laboratorio
de Tecnología de Estructuras y Materiales de la UPC entre los
meses de septiembre y diciembre de 2020. Como refuerzo
del hormigón se utilizaron macrofibras de polipropileno su-
ministradas por MBCC Group, en contenidos de 4 y 8 kg/m³.
Los PPFRC resultantes fueron sometidos a cuatro temperatu-
ras diferentes: 20ºC (referencia), 0, -10 y -30ºC. Previamente,
se había determinado que dichas temperaturas pueden ser
representativas de las condiciones de exposición en varios
países para estructuras exteriores de hormigón en algunos
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tipos de instalaciones industriales (tales como pavimentos de Tabla 1: Propiedades de la fibra
almacenes frigoríficos).
Para cada contenido de fibra y temperatura, se fabricaron seis Propiedad
probetas prismáticas de 150x150x600 mm y seis probetas Material Polipropileno transparente
cilíndricas de Ø100x200 mm, con el objetivo de caracterizar
la resistencia a flexión (antes y después de la fisuración) y la Forma Monofilamentada grafilada
resistencia a compresión, respectivamente. En total se anali- Diámetro equivalente (d) 0.85 mm
zaron 48 probetas prismáticas y 48 cilíndricas.
Número de fibras/kg 41200
Materiales Longitud (l) 48 mm
Esbeltez (ratio l/d) 56,5
Para la fabricación de las los PPFRC se utilizó un cemento
Portland tipo CEM II-A/L 42.5R proporcionado por la empresa Resistencia a tracción > 400 MPa
Cementos Molins (Barcelona, España). La matriz de hormigón Densidad 0.91 g/cm³
consta de tres tamaños de áridos: arena 0/4 y grava 4/10 y
10/20 de piedra caliza triturada. Los ensayos de caracteriza- Módulo de elasticidad > 6,0 GPa
ción de los áridos se realizaron de acuerdo con la norma EN Módulo de elasticidad > 4,7 GPa
933-2 [8], cuyos resultados se recogen en la figura 2. secante
Temperatura de distorsión 110°C
100 100
Temperatura de 249°C
90 90
descomposición
80 80
Resistencia a los ácidos/ Excelente
álcalis
70 70
60 60
Pasa (%)
Pasa (%)
50 50
Tabla 2: Dosificación del hormigón (kg/m³)
40 40
30 30 Material PPFRC-4 PPFRC-8
Arena 0-4
20 20
Cemento 310 310
Grava 4-10
10
Grava 10-20
10
Arena 0-4 1025 1025
0 0
0 5 10 15 20 25 30 Gravilla 4-10 125 125
Tamaño del tamiz (mm) Grava 10-20 680 680
((Fig. 2))
Fibra de polipropileno 4 8
Fig.
80 2: Curvas granulométricas de los áridos
Agua 180 180
70
Durante el amasado del hormigón, se añadieron un plasti- Plastificante 1,25 1,55
Resistencia a compresión (MPa)
ficante
60 de base lignosulfonato (Pozzolith 7003) y un super-
Superplastificante 1,50 3,10
plastificante
50 de base policarboxilato (Masterase 3850) para
obtener la trabajabilidad deseada. Relación a/c 0,58 0,58
40
Como
30 refuerzo del hormigón se utilizaron macrofibras sintéti-
cas20Masterfiber 249 proporcionadas por MBCC Group. Estas gas indirectas mencionadas anteriormente, se deben resistir
fibras están hechas de polipropileno 100% transparente. Las cargas externas de magnitud significativa.
10 PPFRC-4
propiedades geométricas y mecánicas de estas fibras se de-
PPFRC-8
tallan
0 en la tabla 1. Plan de ensayos
-30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25
Temperatura de las probetas (°C)
La dosificación del hormigón se diseñó para alcanzar una Tanto la consistencia (determinada con el cono de Abrams),
((Fig.resistencia
5)) característica a compresión (fck) de 35 MPa. En como la densidad del hormigón en estado fresco se caracte-
la Tabla 2 se detallan las dos dosificaciones de hormigón, rizaron de acuerdo con la norma EN 12350-2 [9] y EN 12350-6
con 4 kg/m³ (PPFRC-4) y 8 kg/m³ (PPFRC-8) de macrofibras [10], respectivamente. El hormigón sobrante se utilizó para la
sintéticas, realizadas durante el programa experimental. Por fabricación de probetas, las cuales se compactaron con de
un lado, el hormigón PPFRC-4 está orientado a pavimentos ayuda de una mesa vibrante
industriales en los que solo se requiere un refuerzo de fibras
mínimo para controlar la fisuración debido a fenómenos ter- Se fabricaron seis muestras prismáticas de 150x150x600 mm
mohigrométricos (gradientes de temperatura y de retracción) y seis muestras cilíndricas de Ø100x200 mm para cada dosifi-
y fricción (con la base), mientras que el hormigón PPFRC-8 cación y temperatura objetivo. Las muestras se desmoldaron
está destinado a pavimentos para los que, además de las car- trascurridas 24 horas desde su fabricación y fueron almace-
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Tabla 3: Plan de ensayos (por dosificación y temperatura)
Propiedad Norma Tipo de probeta Edad # muestras
Consistencia EN 12350-2 - En fresco -
Densidad en estado fresco EN 12350-6 - En fresco -
Densidad EN 12390-7 [11] Cilíndrica ø100x200 28 6
Resistencia a compresión EN 12390-3 Cilíndrica ø100x200 28 6
Res. a flexión y residual EN 14651 Prisma 150x150x600 28 6
nadas durante 28 días en cámara climática, en condiciones Las probetas cilíndricas fueron pulidas y posteriormente en-
estables de temperatura (20ºC) y humedad (95%). sayadas para determinar la resistencia a la compresión de
acuerdo con la norma EN 12390-3 [12]. Para ello se utilizó
La Tabla 3 resume el plan de ensayos realizado para la ca- una prensa universal de ensayos Ibertest de 3000 kN de ca-
racterización de las PPFRC, tanto en estado fresco como en- pacidad de carga (figura 4a). Por otra parte, las probetas pris-
durecido. máticas de 150x150x600 mm se entallaron con una sierra de
diamante y se ensayaron bajo la configuración de flexión de
Las muestras se enfriaron en un congelador del propio la- tres puntos (figura 4b) establecida en la EN 14651 [13]. Para
boratorio (figura 3). Para garantizar que la temperatura de la ello, se empleó la prensa Instron 8505, dotada con una célula
probeta fuera la objetivo, a modo de control, en cada serie de carga de 100 kN.
de 6 probetas se colocó un termopar dentro de una muestra También se obtuvieron el valor del límite de proporcionali-
prismática, a fin de monitorizar la evolución de la tempera- dad (fLOP), así como las resistencias residuales a flexión en
tura en el interior de las probetas. el tramo post-fisuración, asociadas a una apertura de fisura
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(CMOD) de 0,5 mm (fR1) y 2,5 mm (fR3), con las expresiones
propuestas en la EN 14651. Los valores de fR1 y fR3 están
relacionados con los Estados Límite Último y de Servicio,
respectivamente, y pueden usarse para deducir la ecuación
constitutiva del hormigón reforzado con fibras para su diseño
estructural.
Análisis y los resultados
Estado fresco
En la tabla 4 se recogen los resultados del cono de Abrams
Fig. 3: Procedimiento de congelación y monitorización de y densidad en estado fresco para ambas dosificaciones
temperatura de PPFRC, y cada temperatura (no aplica en esta etapa). El
asentamiento medio vario entre 15 y 17 cm y la densidad en
estado fresco entre 2,29 y 2,34 kg/cm³. Ambos rangos son
a) esperados para el tipo de hormigón considerado (tabla 2) y
apropiadas para su uso en pavimentos industriales.
Tabla 4: Resultados de caracterización en estado fresco
PPFRC-4 PPFRC-8
Amasada
Cono Densidad Cono Densidad
(cm) (kg/cm³) (cm) (kg/cm³)
N° 1 16 2.35 15 2.33
Tenv N° 2 15 2.35 15 2.32
N° 3 15 2.32 17 2.32
N° 4 13 2.32 15 2.34
0° C N° 5 13 2.33 16 2.32
N° 6 17 2.31 18 2.32
N° 7 14 2.36 16 2.29
-10° C N° 8 16 2.33 18 2.31
N° 9 15 2.32 19 2.31
N° 10 15 2.33 14 2.31
-30° C N° 11 14 2.31 18 2.31
N° 12 12 2.33 17 2.34
Promedio 15 2.33 17 2.32
b)
Caracterización en estado endurecido
La resistencia a compresión media a 28 dias (fcm,28) y 20ºC
(Tamb) varió entre 37,6 MPa (CoV = 5,2%) y 39,9 MPa (CoV
= 2,2%) para mezclas con PPFRC-4 y PPFRC-8, respectiva-
mente.
Según los resultados representados en la figura 5, se detectó
un incremento de fcm con la disminución de temperatura.
Dicho incremento varió entre 0% (20ºC, referencia) hasta 87%
(-30ºC); en base a la tabla 5, este fenómeno era esperado y
mencionado anteriormente en literatura científica. Cabe se-
ñalar que dicho aumento de fcm es independiente del con-
tenido de fibras (para el tipo y cantidad de fibra utilizadas), y
que el CoV de fcm fue inferior al 6% para todas las tempera-
Fig. 4: (a) Ensayo de compresión y (b) ensayo de flexión turas analizadas.
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30 30
Arena 0-4
20 20
Grava 4-10
10 10
Grava 10-20
0 0
0 5 10 15 20 25 30
Tamaño del tamiz (mm)
TECNOLOGIA DEL HORMIGÓN
((Fig. 2))
80
Tabla 5: ∆fcm,28 respeto a la referencia a 20ºC
70 (37,6 MPa para HRFP-4 y 39,9 MPa para HRFP-8)
Resistencia a compresión (MPa)
60
T [° C] HRFP-4 HRFP-8
50
0 6,3 % 15,4 %
40
-10 46,5 % 45,1 %
30
-30 83,3 % 87,3 %
20
10 PPFRC-4
PPFRC-8
0 Los resultados presentados en la figura 5 confirman que la
-30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25
disminución de temperatura también conduce a una mejora
Temperatura de las probetas (°C)
de la capacidad de flexión del HRFP a lo largo del todo el
((Fig. 5))
Fig. 5: Resistencia a compresión media de HRFP a diferentes rango de la apertura de fisura (CMOD) analizada. Este incre-
temperaturas mento es aún más significativo para el HRFP-8.
Esta mejora del rendimiento mecánico del HRFP se atribuye
principalmente a dos aspectos: (1) las propiedades mecáni-
Los resultados más prometedores, en términos de compor- cas de las fibras de polipropileno resultaron invariables para
tamiento mecánico y aplicaciones estructurales de HRFP en el rango de temperaturas analizadas. Se espera que la tem-
elementos sometidos a bajas temperaturas, son los relacio- peratura de transición este por debajo de la temperatura mí-
nados con la resistencia a la flexión antes y después de la nima (-30ºC) considerada en este programa experimental. (2)
fisuración. Las figuras 6 (a) y (b) presentan la relación entre la La matriz de hormigón que embebe las fibras se contrae con
resistencia residual a flexión media y CMOD (abertura de la la disminución de T, lo que provoca un aumento de la pre-
boca de la fisura) para el HRFP-4 y HRFP-8, respectivamente, sión de confinamiento a lo largo de las fibras y, por lo tanto,
derivados de los ensayos de flexotracción de tres puntos un incremento de las tensiones de unión que eventualmente
sobre probetas prismáticas entalladas. mejora la capacidad de anclaje de las fibras.
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00
00 0 10 1 20 2 0 40
(mm)
((Fig. ))
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0 0
20°C
( Pa)
0 0°C 0
( Pa)
-10°C
0 0
- 0°C
esiste ia a le i
40 40
esiste ia a le i
0 0
20 20
20°C 0°C
10 10
-10°C - 0°C
00 00
00 0 10 1 20 2 0 40 00 0 10 1 20 2 0 40
a) (mm) b) (mm)
Fig.
((Fig. 6:))Curvas de la resistencia residual a flexión media – CMOD para:
((Fig. (a)
)) HRFP-4 y (b) HRFP-8.
En la tabla 6 se presenta la relación fR – temperatura (T) para reducción de temperaturas. Dicho aumento de la pre-
fR1 (CMOD = 0,5 mm) y fR3 (CMOD = 2,5 mm) para ambos sión de confinamiento conduce a mejorar la unión ma-
HRFP caracterizados. Cabe destacar el efecto de la disminu- triz-fibra y, finalmente, a un incremento de la capacidad
ción de0 las temperaturas sobre el comportamiento post-fi- adherencia/anclaje de las fibras.
suración
0 de estos hormigones, el aumento (tabla 6) de fR • Las resistencias residuales a flexión fR1 y fR3 aumentaron
( Pa)
(respecto a fR a 20ºC) varía entre 27,7% y 30,9% para fR1 y de hasta un 50% y un 70%, respectivamente, para tempera-
0
35,9% hasta 47,6% para fR3 para el HRFP-4. Para el HRFP-8, turas inferiores a 0ºC.
esiste ia a le i
40
los rangos eran de 27,7 a 53,7% y de 33,6% hasta 71,2% para
fR1 y fR3
0 , respectivamente. Los resultados de este programa experimental permiten con-
20
firmar la idoneidad de los refuerzos a base de fibra polimé-
Tabla 6: ∆fR1 y ∆fR3 respecto a la referencia 20°C
fR1 y fR3 a 20ºC.
0°C rica para elementos estructurales de hormigón que serán so-
10 metidos a temperaturas bajas durante situaciones transitorias
-10°C - 0°C
00 HRFP-4 HRFP-8 o en servicio. n
00 0 10 1 20 2 0 40
T [° C] ΔfR1 ΔfR3 ΔfR1 ΔfR3
(mm)
0 27.7% 35.9% 27.7% 33.6% Referencias
((Fig. ))
-10 30.9% 44.7% 53.7% 71.2%
[1] fib. fib Model Code for Concrete Structures 2010. Lausanne:
-30 29.8% 47.6% 39.4% 65.9% 2013.
[2] Comision Permanente del Hormigón, CPH. Instrucción de
Hormigón Estructural EHE-08. Ministerio de Fomento.
Hay que destacar que los mayores incrementos se observan Gobierno de España, Madrid. 2008
para fR3 (relacionado con las condiciones del estado final); [3] de la Fuente A, Pujadas P, Blanco A, Aguado A. Experiences
in Barcelona with the use of fibres in segmental linings. Tunn
esto es atribuible al aumento de la interacción matriz-fibra, Undergr Sp Technol 2012;27:60–71. https://doi.org/10.1016/
que suele ser el mecanismo de fallo que gobierna (desunión j.tust.2011.07.001.
de la fibra) de las fibras individuales. [4] de la Fuente A, Escariz RC, De Figueiredo AD, Aguado A. Design of
macro-synthetic fibre reinforced concrete pipes. Constr Build Mater
2013. doi:10.1016/j.conbuildmat.2013.02.036.
Conclusiones [5] Monte R, de la Fuente A, De Figueiredo AD, Aguado A. Bar-
celona test as an alternative method to control and design fi-
Los resultados obtenidos de la campaña experimental pre- ber-reinforced concrete pipes. ACI Struct J 2016;113:1175–84.
doi:10.14359/51689018.
sentada permiten confirmar que el comportamiento mecá-
[6] de la Fuente A, Casanovas-Rubio MDM, Pons O, Armengou J. Sus-
nico de las macrofibras poliméricas mejora con el descenso tainability of Column-Supported RC Slabs: Fiber Reinforcement as
de temperatura (temperatura de referencia de 20ºC). Esta an Alternative. J Constr Eng Manag 2019;145:1–12. doi:10.1061/
mejora es particularmente evidente para la resistencia a fle- (ASCE)CO.1943-7862.0001667.
[7] Meda A, Plizzari GA, Riva P. Fracture behavior of SFRC slabs on
xión después de la fisuracion (fR1 y fR3, utilizados para el di-
grade. Mater Struct Constr 2004;37:405–11. doi:10.1617/14093.
seño estructural). Las conclusiones principales obtenidos a [8] EN 933-2. Test for geometrical properties of aggregates. part 2:
partir de los resultados se resumen a continuación: determination of particle size distribution. test sieves, nominal size
of apertures. 1999.
[9] EN 12350-2. Testing fresh concrete - Part 2: Slump test. 2020.
• La resistencia mecánica de las macrofibras poliméricas
[10] EN 12350-6. Testing fresh concrete - Part 6: Density. 2020
consideradas en este programa experimental resulto in- [11] EN 12390-7. Testing hardened concrete - Part 7: Density of harde-
alterada al ser sometidas al rango de bajas temperaturas ned concrete. 2020
analizadas. [12] EN 12390-3. Testing hardened concrete - Part 3: Compressive
strength of test specimens. 2020
• Las fibras experimentaron un aumento de la presión de [13] EN 14651. Test method for metallic fibre concrete - Measuring the
confinamiento debido a la contracción de la matriz (y de flexural tensile strength (limit of proportionality (LOP), residual).
las cavidades que embeben las fibras) provocada por la 2005
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