198 198 Departamento de Construcciones HORMIGONES
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3ras Jornadas ITE - 2015 -Facultad de Ingeniería - UNLP HORMIGONES REFORZADOS CON MACROFIBRAS DE VIDRIO Monetti Diego H., Torrijos María C., Giaccio Graciela M., Zerbino Raúl L. Departamento Construcciones de la Facultad de Ingeniería Calle 115 y 48 La Plata, y Laboratorio de Entrenamiento Multidisciplinario para la Investigación Tecnológica (LEMIT-CIC), Calle 52 entre 121 y 122 La Plata. [email protected] Palabras Claves: hormigón reforzado con fibras, macrofibras de vidrio, fluencia, orientación. INTRODUCCIÓN El Hormigón Reforzado con Fibras (HRF) es un material de alto desempeño. En la actualidad existe una amplia variedad de fibras no metálicas con capacidad estructural (macrofibras sintéticas y macrofibras de vidrio) que se suman a las tradicionales fibras de acero. Es conocido que existe una estrecha relación entre el número de fibras en las superficies de fractura y los parámetros postpico del HRF; la eficiencia del refuerzo dependerá además del tipo de fibra y sus características geométricas, de la cantidad, distribución y orientación. En Hormigones Autocompactantes Reforzados con Fibras (HACRF) si bien existe una distribución tipo 2D similar a la del HRF vibrado, se reconoce la influencia de la velocidad de flujo y el efecto pared sobre la orientación (1-3). No existen mayores antecedentes sobre la orientación de las macrofibras de vidrio en mezclas de alta fluidez. Por otro lado las macrofibras de vidrio dan lugar a una respuesta residual diferente a otros tipos de fibras, con resistencias residuales significativas para pequeñas aperturas de fisuras que permiten la transferencia de carga en las juntas o en zonas fisuradas de elementos estructurales como losas sobre el piso. Ante esta aplicación resulta de interés el estudio del comportamiento de elementos fisurados ante cargas de larga duración. El trabajo analiza la tendencia a la orientación de este tipo de fibras y su vinculación con los parámetros de resistencia y tenacidad previstos en la norma EN 14651 (4), como así también, la respuesta en el tiempo del HRF fisurado. EXPERIENCIAS Estudio de la orientación de las fibras en elementos delegados Se elaboraron dos HACRF incorporando macrofibras de vidrio multifilamento de 36 mm de largo y relación longitud/diámetro 67. El primero incorporó 5 kg/m3 (HACRFV-5) de fibras en un hormigón de base de relación agua/ligante 0,40 preparado con cemento portland normal, filler calcáreo y cenizas volantes, arena silícea natural y piedra partida granítica de 19 mm de tamaño máximo. El diámetro de escurrimiento fue igual a 650 mm sin fibras y sólo se redujo a 620 mm al incorporar las fibras mostrando que las mismas resultan compatibles con este tipo de mezclas. El escurrimiento con anillo alcanzó un diámetro de 610 mm y se redujo a 530 mm en el HACRF con algunos signos de bloqueo. El segundo HACRF incorporó 10 kg/m3 (HACRFV-10) de fibras a un hormigón de base con relación agua/ligante 0,35, preparado con cemento portland con filler calcáreo, cenizas volantes, arena silícea natural y piedra partida granítica de 12 mm de tamaño máximo; en este caso el diámetro de escurrimiento fue de 610 mm. En ambos casos se moldeó un panel de 580 mm de altura, 2000 mm de largo y 80 mm de espesor para estudiar la distribución de las fibras y sus efectos sobre las propiedades mecánicas residuales, cilindros de 100x200 mm para ensayos de compresión, y prismas de 150 x 150 x 600 mm que fueron entallados y ensayados hasta una apertura de fisura de 3,5 mm de acuerdo a la norma EN 14651. Cada panel fue aserrado para obtener vigas de aproximadamente 80x80x300 mm en direcciones paralela y perpendicular a la dirección de 198 Departamento de Construcciones 2015 - Año Internacional de la Luz 3ras Jornadas ITE - 2015 -Facultad de Ingeniería - UNLP moldeo (figura 1). Se denominan vigas V a las paralelas a la dirección de moldeo y H a las aserradas en dirección perpendicular; a su vez las vigas V se cortaron en dos partes, a la mitad inferior se la identifica con la letra b. Las pequeñas vigas se ensayaron a flexión con control de la velocidad de apertura de fisura (CMOD) siguiendo los lineamientos de la norma EN 14651, con una luz de 270 mm y una entalla de 13 mm para mantener constantes las relaciones luz/altura y profundidad de entalla/altura de la citada norma. De este modo los parámetros residuales resultan similares a los que se obtendrían en vigas estándar de 150 mm de altura, si los mismos se calculan a igual rotación; para ello se corrigen las deformaciones por el factor 150 mm / h (mm) y luego se calculan los parámetros postpico como indica la norma. En este trabajo se analizan la tensión máxima (f M) que coincide con la tensión de primera fisura, y las resistencias residuales fR1 y fR3, correspondientes a aperturas de fisura iguales a 0,5 mm y 2,5 mm en la viga estándar. La afectación de estos resultados por “efecto tamaño” no resulta significativa. Finalmente, para estudiar la orientación y distribución de las fibras se contó el número de ellas en las superficies fracturadas de las vigas. Nótese que las vigas se aserraron en dos direcciones perpendiculares entre sí y en distintas posiciones a lo largo y alto del panel. Inicio y dirección de llenado V6 V7 V8 V9 V6b V7b V8b V9b V5b V4b 300 mm H8 H9 H10 H11 H12 H13 H14 Figura 1: Esquema de llenado y aserrado del panel. V5 V4 V2b V3b V2 V1b 80 mm H1 H2 H3 H4 H5 H6 H7 final V3 V1 580 mm inicio 2000 mm Estudio del efecto de las cargas de larga duración en HRF en estado fisurado Los estudios bajo cargas de larga duración se desarrollaron sobre probetas moldeadas en obra correspondientes a un HRF utilizado para la construcción de un piso industrial en Ituzaingó, provincia de Buenos Aires (6). El HRF se elaboró con relación agua/cemento 0,49, 340 kg/m3 de cemento, 20 kg/m 3 de microsílice, 830 kg/m 3 de arena y 1050 kg/m 3 de piedra (tamaño máximo 19 mm), como aditivos se introdujo un expansor (20 kg/m 3), un reductor de contracción (5,1 kg/m3) y una combinación de reductores de agua de medio y alto rango, que permitieron incorporar 10 kg/m 3 de fibras y obtener un HRF bombeable con un asentamiento promedio de 18 cm. A los 28 días la resistencia a compresión fue igual a 48,4 MPa, el módulo de rotura a 6 MPa y la resistencia residual para una apertura de fisura de 0,5 mm igual a 2 MPa. El piso se construyó en cuatro jornadas. De los prismas moldeados para el control de calidad en cada jornada, cuatro vigas se utilizaron para la caracterización mecánica del HRF siguiendo la norma europea EN 14651 y una para los estudios de fluencia. La metodología de fluencia se inicia con un ensayo de prefisuración hasta alcanzar una apertura de fisura (CMOD) de 0,2 mm, un límite acorde con los tolerados en usos convencionales para pavimentos y algunos pisos industriales. Luego las vigas se retiraron de la máquina de ensayo y se ubicaron en pórticos donde mediante un sistema de palancas se aplicaron cargas sostenidas. Se registraron las variaciones de apertura de fisura mediante un comparador mecánico. La tensión máxima aplicada en los pórticos se definió como el 70% de la tensión aplicada al momento de detener el ensayo de fisuración inicial RESULTADOS Y DISCUSIÓN 199 Departamento de Construcciones 2015 - Año Internacional de la Luz 3 ra sJo rnada sITE- 20 15-Fa cu l tadd eIng en i e r ía-UNLP P rop iedadesres idua lesyo r ien tac ióndelasf ib rasene lemen tosde legadosdeHACRF Lare s i s tenc iaacomp re s iónde lHACRFV5fue41 MPaye l módu lodero tu ra4 ,3MPa ;ene l HACRFV10as cend ie rona46 MPay5 ,2MParespec t i vamen te . EnlaFigu ra2sep resen tan cu r vast íp i castens ión-ape r tu radef i su ra(CMOD )delasv igasded i cho sho rm igones.Como esca ra c te r í s t i codee s tet ipode ma c ro f ib rase lHRFposeee le vadacapa c idadre s idua lpa ra ape r tu ra spequeña s ,yluegoun ma r cadodec re cim ien to . F igu ra2.Cu r vast íp i casTen s iónCMOD LaFigu ra3rep resen t alascu r vasten s ión-CMODdecadaunadelasv igasde lho rm igón HACRFV5.Engene ra l ,lasv igasHp resen tan mayo rcapa c idadpos tp i coquelasv iga sV ,lo que pe rm i tein fe r i r quelasf ib ras se o r ien tan p re fe ren temen te en la d i recc ión de lf lu jo ; ademásseobse r vaun me jo rcompo r tam ien toenlasv igasdelazonadondesein i c ióe l l lenadode lpane l(H1 H7 )re spec todelasv igas H8H14 .Asuvezlasv igasase r rada sdela pa r tein fe r io rde lpane l(H67y H1214 )p resen tan mayo resten s iones máx imasycapac idad r es idua lquelaso t rasv igasho r i zon ta lesdelazonasupe r io r ,e le fec toes másno to r ioenlas v iga sde lf ina lde lpane l(H1214 ) . Esin te resan teno ta rquepa rao t ro st iposdef ib ranose sue len ob se r va r mod i f i cac iones enlares i s tenc ia de p r ime raf i su ra que se co r responde muchasve ce sconlares i s tenc iade lho rm igóndebase ;es tenopa recese re lcasopa ralas mac ro f ib rasdev id r io . En lasv igas Vlastens ionesre s idua lessonmeno re squelasdelas v iga sH ,yl ige ramen te mayo re senlasv igasdela m i tadsup e r io rdelap lacarespec toalas dela m i tadin fe r io r(Vb ) ,ve r i f i candola mayo ro r ien tac iónend i recc iónho r i zon ta lenlazona in fe r io rde lpane l .Uncompo r tam ien tos im i la rfueencon t radocono t rost iposdef ib ras( 8) . En e l HACRFV10 la capac idadres id ua l fuemayo r pe rolos e fec tos de o r ien tac ión y d i s t r ibuc ióndelasf ib rasve r i f i cantenden c iass im i la resalasobse r vada spa raHACRFV5 :un me jo rcompo r tam ien toenlasv igas H ob ten idasenlazonadondesein i c ióe ll lenadode l pane lrespe c todelasde lf ina lde lpane lyla meno rcapa c idadres idua ldelasv igas V ,en espec ia ldelas Vb.Pa raes tecon ten idodef ib raslacapac idadre s idua ldelasv igas Vno pa recees ta rtana fe c tadayresu l ta másce r cana(aunquein fe r io r )aladelasv igas H .La res i s tenc iadep r ime raf i su rat iendeac re ce renlasv igasconmayo rcapac idadre s idua l . LaFigu ra4mue s t ralava r iac ióndeladen s idaddef ib rasenlospane les . Lao r ien tac ión adqu i r idapo rlasf ib rassedebep r inc ipa lmen tealain f luenc iadelaspa redesde l mo lde .En lasv igasV ,enlosp lano sve r t i ca les,ladens idadd i sm inuyeene lcen t rode lpane lyaumen ta hac ialosbo rde s ,pon iendoene v iden c iaun“ e fec topa red”ene lin i c ioyf ina lde l mo lde . Al 2 0 0 D epa r tam en t od eC on s t ru c c i on e s 20 15-AñoIn t e rna c iona ld elaLu z 3 ra sJo rnada sITE- 20 15-Fa cu l tadd eIng en i e r ía-UNLP d i sc r im ina ren t ree lrecuen todef ib rasenlasv igas Vsupe r io res (V )ein fe r io res(Vb )se obse r vaqueladen s idaddef ib rases ma yo renlasV ,dadoquelaba sede lpane lo r ien taa lasf ib rasensud i recc ión .E lcompo r tam ien toe ss im i la renambo s HACRFV.Enlasv igas H seve r i f i caqueladen s idaddef ib rases mayo rce r cade lp i sode l mo ldeyd i sm inuyeconla a l tu ra .Enambosho rm igone ses tee fec toes mayo renlasv igasase r radasa lf ina lde lpane l (H8 H14 ) . En HACRFV5 ,ene lin i c iode lpane l ,laden s idaddef ib rasene lbo rdesupe r io r (H1 )esun10% meno rqueene lbo rd ein fe r io r(H7 ) ,yhac iae lf ina lde lpane lene lbo rde supe r io r(H8 )ladens idaddef ib rasesun64% meno r .En HACRFV10e s tasd i fe renc iasson aún mayo re s ,igua lesa30%y74%re spec t i vamen te . Cons ide randoe le fec tode lf lu jo ,las v iga s ase r rada sa lin i c i o de lpane l(H1H7 )p resen tan mayo rdens idad def ib ras quelas ase r radasa lf ina l(H8H14 ) .EnHACRFV5laden s idadva r íaen t re0 ,550 ,82f / cm2enH1H7 2 y en H8H14 en t re 0 ,170 ,56 f / cm.En HACRFV10las dens idades as c ienden a 0 ,852 1 ,43f / cm pa raH1H7 ya0 ,291 ,19f / cm2pa ra H8H14 .Lao r ien tac ión delasf ib rasenlas v iga s Hsepuedeexp l i ca rpo re le fec topa redp roduc idopo rlabasede lpane l(H7y H14 )y po rlave loc idadde lf lu joquees mayo ra lin i c iode lm i smoyvad i sm inuyendoha c iae lf ina l . Lao r ien tac ióndelasf ib rasjus t i f i cae lcompo r tam ien tod i fe renc ia ldelasv igasenf lex ión . F igu ra3 :HACRFV5 :cu r vasten s iónape r tu radef i su ra(CMOD ) . 2 0 1 D epa r tam en t od eC on s t ru c c i on e s 20 15-AñoIn t e rna c iona ld elaLu z 3ras Jornadas ITE - 2015 -Facultad de Ingeniería - UNLP 60 Altura (cm) 50 Densidad de fibras (f/cm2) H5 inicio H5 final 40 30 20 10 0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 Densidad de fibras (f/cm2) 60 40 30 20 10 0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 Densidad de fibras (f/cm2) 1,6 V5 Vb5 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 0 Densidad de fibras (f/cm2) H10 inicio H10 final 50 Altura (cm) 1,0 0,6 50 100 150 Longitud (cm) 1,2 200 V10 Vb10 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 0 50 100 150 Longitud (cm) 200 Figura 4: Variación de la densidad de fibras. Arriba: HACRFV-5, abajo: HACRFV-10. Fluencia en estado fisurado de hormigones con macrofibras de vidrio. Los valores promedio de la resistencia de primera fisura (f L) y las resistencias residuales (fR1, fR2, fR3, fR4) obtenidos en los ensayos de caracterización de las vigas moldeadas en obra fueron iguales a 4,6, 1,7, 1,0 0,6 y 0,4 respectivamente, destacando una muy baja variabilidad a lo largo de las cuatro jornadas. Apertura (mm) La Tabla 1 sintetiza los ensayos de larga duración incluyendo la identificación de cada viga, la tensión nominal aplicada, el tiempo bajo carga y la apertura alcanzada, y la velocidad en el tramo de velocidad de apertura constante (etapa 2 de creep). La Figura 5 muestra la evolución de la apertura de fisura. Las tasas de crecimiento de fisura calculadas para este HRF de vidrio se asemejan o incluso están por debajo de las obtenidas con fibras de acero y son muy inferiores a las que mostraron las macrofibras sintéticas obtenidas en estudios previos (7). Esto resulta muy significativo teniendo en consideración el pequeño tamaño de fisuras tolerado tanto para pisos industriales (<0,2mm), como para pavimentos de hormigón, permitiendo un crecimiento de fisura muy lento durante el rango aceptado para la vida útil. 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 0 50 100 150 Tiempo (días) 200 250 Figura 5. Curvas típicas Apertura de fisura- tiempo y tensión-tiempo 202 Departamento de Construcciones 2015 - Año Internacional de la Luz 3 ra sJo rnada sITE- 20 15-Fa cu l tadd eIng en i e r ía-UNLP Tab la1-Ensayosdela rgadu rac ión V iga Tens ión máx (MPa ) tens ión (%f R1 ) A 1 ,8 116 126 0 ,17 0 ,52 B 2 ,3 141 229 0 ,10 0 ,02 C 1 ,8 98 126 0 ,15 0 ,29 D 2 ,2 124 229 0 ,32 0 ,49 T iempoba joca rga ape r tu ra máx Ve loc idad (d ías ) (mm ) (m i c rone s /d ía ) CONCLUS IONES Seve r i f i caunao r ien tac iónde lre fue r zoquesedebep r inc ipa lmen tealain f luenc iadelas pa redesde l mo ldeyalave loc idaddef lu jode lho rm igón .Lao r ien tac ióndelasf ib ras exp l i cae lcompo r tam ien tod i fe renc ia lenlosensayosdef lex ión .Lasv iga sa se r radasen d i recc iónho r i zon ta lco inc iden tecone le jede lpane l(H )p resen tan me jo rrespue s tapos t p i coquelasv igasend i recc iónve r t i ca l(V ) . Compa randolazonasupe r io rein fe r io rde l pane llas v igas V dela m i tad supe r io r mue s t ran tens ionesres idua lesl ig e ramen te mayo resquelasco r respond ien tesalasv igasdela m i tadin fe r io r(Vb ) . A ligua lquepa rao t rost iposdef ib raslastens ione sres idua lesc re cenconladens idadde f ib ras ;pe rol os HRFconma c ro f ib rasdev id r io mues t rancomoca rac te r í s t i cad i s t in t ivaun aumen todelatens ióndep r ime raf i su raconladens idaddef ib ras . Es tud iosdef luenc iaenes tadof i su rado mue s t ranquepa ra ape r tu ra sdef i su rain i c ia les de0 ,2mm seob se r vaunarespue s taes tab lepa raunn i ve ldeso l i c i tac iónigua la l70 % delatens iónf ina la l canzadaene lp rocesodep re f i su rac ión . B IBL IOGRAF IA (1 ) To r r i jos MC ,Ba r ragánB ,Ze rb ino R .P lac ingcond i t ions , mesos t ruc tu ra lcha rac te r is t icsandpos tc rack ingresponse o ff ib rere in fo rced se l fcompac t ing conc re tes , Cons t ruc t ion and Bu i ld ing Ma te r ia ls2010 ,24 :1078–1085 . (2 )S täh l iP ,van M ie rJGM . Manu fac tu r ing ,f ib rean iso t ropyandf rac tu reo fhyb r idf ib reconc re te . EngngF rac t Mech2007 ;74 :pp .223–242 . (3 ) Vandewa l le L , He i rman G ,R icks ta l FV .F ib re o r ien ta t ionin se l fcompac t ingf ib rere in fo rced conc re te .In : Ge t tu R ,ed i to r .P roceed ingso f7 thIn t .R ILEM S ympos iumon F ib re Re in fo rced Conc re te .Ind ia :Chenna i2008 .p .719728 . (4 ) EN14651 :2005 ,“Tes t Me thodfo r Me ta l l ic F ibe red Conc re te -Measu r ingthe F lexu ra l Tens i le S t reng th (L im i t o f P ropo r t i ona l i ty (LOP ) , Res idua l )” CEN - Eu ropean Comm i t tee fo r S tanda rd iza t ion ,B russe ls ,(2005 ) ,117 . (5 ) Mone t t i ,D .H . ,G iacc io ,G .yZe rb ino ,R .“Compo r tam ien topos tf isu rac ióndev igasdeho rm igones re fo rzadosconf ib rassome t idasaca rgasdef lex ión ” .IV Cong .I n t .deTecno log íade l Ho rm igón ; 18Reun iónTécn icaAATH ,(2010 ) ,121128 . (6 ) Ze rb ino R . ,G iacc io G . , Ba r ragán B .y Pey rú E . ,“Ho rm igones Re fo rzadoscon Mac ro f ib rasde ª Reun ión Técn ica dela A soc iac ión A rgen t ina De V id r io ” ,V I Cong resoIn te rnac iona l – 20 Tecnolog íaDe lHo rm igon(AATH ) ,(2014 ) (7 ) Ze rb ino R . , Mone t t i ,D .H . ,G iacc io G . ,“C reep Behav iou ro fS tee l and Mac roS yn the t ic F ib re Re in fo rcedConc re te :Ana lys iso fC reepRa te ” ,eneva luac iónpa rapub l icac ión . (8 ) Ze rb ino R . , Tobes J .M . , Boss io M .E . ,G iac c io G . ,“On the o r ien ta t ion o ff ib resin s t ru c tu ra l membe rsfab r ica ted w i th se l f compac t ingf ib re re in fo rced conc re te” , Cemen t & Conc re te Compos i tes34(2012 )pp .191–200 . 2 0 3 D epa r tam en t od eC on s t ru c c i on e s 20 15-AñoIn t e rna c iona ld elaLu z
