La incorporación de fibras y el desarrollo de un hormigón de altas

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La incorporación de fibras y el desarrollo de un hormigón de altas
8/19/2013
La incorporación de fibras y el
desarrollo de un hormigón de
altas prestaciones
Dr. Ing. Raúl Zerbino
Facultad de Ingeniería - UNLP
Los materiales en la ingeniería
• Madera y roca
• Los metales
• El hormigón, hormigón armado y pretensado
1
8/19/2013
El hormigón entre los materiales de ingeniería
6000 millones de toneladas cada año
resiste la acción del agua sin un serio deterioro,
elementos con una gran variedad de formas y tamaños,
económico y rápidamente disponible en las obras,
requiere menor consumo de energía que otros materiales
puede utilizar gran cantidad de desperdicios o subproductos
El hormigón ha hecho historia!
Glenfinnan Viaduct, Scotland, 1897
Cleft Ridge Span, Prospect
Park, Brooklyn, 1872
Ingalls Building,
Cincinnati, 1902
Canal de Panamá – 1939
2
8/19/2013
• Puentes
• Edificios
• Premoldeados
• Estructuras offshore
• Cáscaras
• Túneles
• Diques
• Canales
• Pistas y pavimentos
• Centrales nucleares
• Estadios
Central nuclear Atucha
Great Belt Link, 1998
Presa de Itaipú
Torres Petronas, Malasia
Millau Viaduct, 2004
Fisuras en hormigón y otros materiales
a base de cemento portland
• El hormigón es un material frágil (cuasifrágil)
• Fisuras y mecanismo de rotura
• Fisuras y durabilidad
• Procesos de fisuración
Acción de las cargas
Hidratación y cambios de volumen
Secado (contracción)
Altas temperaturas
Reacciones deletéreas
3
8/19/2013
Desarrollo de tecnología y diseño estructural
100000
C os to (U $ S /ton )
10000
Tita n io
A lu m in io
N ylon
1000
A cero
V id rio
P olietilen o
M ad era
L adrillo s
100
H o rm ig ón
10
1
10
100
1000
10000 100000 1E+06
1E+07
1E+08
P rod u c c ió n a n u al (m iles ton )
Materiales reforzados con fibras
Matrices
Resinas poliéster,
epoxi, metálicas,
cerámicas,
cemento portland...
4
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¿Por qué incorporar fibras?
En el compuesto al incorporar fibras
resistentes dentro de una matriz frágil, crece la
capacidad de carga post-fisuración
arrancamiento
arrancamiento
T
Fisuración múltiple,
fallas de
adherencia y
deslizamientos
deformación
Contenido de fibras
5
8/19/2013
Efecto de las fibras
Control de fisuración
Incrementos de:
Tenacidad
Resistencia a tracción
Resistencia a compresión
Control de los efectos de la contracción
Refuerzo de morteros y hormigones
Fibras de
Acero
Vidrio
Sintéticas
Naturales
Carbono
6
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Fibras de acero
volúmenes en hormigón
entre 0,25 y 1 %
entre 20 y 80 kg/m3
Fibras sintéticas
Macrofibras
entre 2 y 8 kg/m3
Microfibras
unos 0,6 kg/m3
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Fibras de vidrio
Macrofibras
entre 5 y 15 kg/m3
Microfibras
entre 0,3 y 0,6 kg/m3
Parámetros de las fibras:
•
•
•
•
Tipo de material
Longitud, l
Diámetro, d, o aspecto geométrico, l/d
Volumen, Vf
Cuando las fisuras se propagan
principalmente por las
interfaces mortero-agregado
(hormigón convencional), la
fibra será efectiva si su longitud
es mayor que el tamaño
máximo del agregado (dmax).
 l ≥ 2.5 dmax
Cuando existe fisuración a través de los agregados (HAR), el
largo de la fibra no es tan importante como el Vf (que suele
ser mayor que en hormigones convencionales).
8
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Aplicaciones
Hormigones con fibras de acero
Guidance for the Design of Steel-Fibre-Reinforced Concrete.
Concrete Society, Tech Report Nº63, March 2007
• Losas
Losas sobre el piso: pisos industriales, caminos, aeropuertos y áreas
pavimentadas exteriores, overlays, railways
Losas elevadas: Sobre pilas (losas de 3x3 a 4x4 aprox) o sobre
columnas eliminando todas las armaduras
In situ, combinado con hormigón armado convencional: reducción del
50 % de armaduras en estructuras para contención de aguas;
reemplazo de armaduras en muros; reemplazo en fundaciones de
casas, muros de seguridad ante impactos
Losas compuestas con perfiles de acero
• Elementos premoldeados
Segmentos para túneles (transporte y manipuleo)
Tanques de almacenamiento, tuberías (formas, fatiga, durabilidad)
Vigas y paneles
9
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Hormigones con fibras de acero
Guidance for the Design of Steel-Fibre-Reinforced Concrete.
Concrete Society, Tech Report Nº63, March 2007
• Hormigón proyectado
Minería, túneles, proyectos hidráulicos: eliminación de mallas,
adaptación a movimientos de tierra súbitos, mejoras en la adherencia
sustrato – hormigón
Revestimiento de túneles (alto rendimiento, automatización),
Estabilizado de taludes.
Reparaciones: puentes, edificios, túneles, estructuras en el mar,
torres de enfriamiento
• Estructuras expuestas a impactos y explosiones
• Durabilidad (para w < 0.5 mm no se detecta corrosión).
Ventajas que pueden motivar la elección del
HRF frente al hormigón armado convencional
Costos de suministro y ahorro de tiempos de obra para
la ubicación de las barras convencionales soldadas
Beneficios de salud y seguridad en los operarios
durante el manipuleo del refuerzo
Solución de problemas derivados de defectos en la
ubicación del refuerzo
Aumentos de ductilidad o tenacidad estructural
10
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Hormigones con macrofibras sintéticas
Guidance on the use of Macro-synthetic-fibre-reinforced Concrete.
Concrete Society, Tech Report Nº65, April 2007.
Si es admisible cierta apertura de fisuras pueden ser más eficientes que
las de acero; si hay fuego su uso es cuestionable pues se degradan.
Losas sobre el piso: Pavimentos y playas de estacionamiento
(mejoras en zonas expuestas a sales descongelantes), caminos, pisos,
refuerzo de losas para trenes (efectos magnéticos)
Hormigón proyectado: Túneles y minería; pueden reemplazar a las
de acero y ser convenientes en ambientes agresivos (corrosión) y por el
menor desgaste en los equipos; la pérdida de performance por fuego
puede inhabilitarlas.
Construcción in situ: revestimiento de túneles; en aplicaciones
marinas en reemplazo de las de acero, muros, estructuras para
contención de aguas.
Elementos premoldeados: baldosones para veredas, tanques y
tuberías (formas, fatiga, durabilidad), paneles para viviendas.
Macrofibras de vidrio:
Soluciones estructurales para viviendas
• Losas sobre el piso
• Pisos ahuecados
• Cubiertas
autonivelantes
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Macrofibras de vidrio:
Reparación de una autovía
en Alemania
Estado previo, deterioro por RAS
Aspecto del hormigón fresco
Aplicación del HRF por
pavimentadoras con TAR
Remoción de la capa
superficial (10 cm)
Luego de 8 meses no se
observaron fisuras ni fibras
visibles en la superficie
Comportamiento mecánico
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Carga – desplazamiento en flexión
Mayor l/d.V
Tenacidad por
efecto de la
presencia de las
fibras
carga
sin fibras
desplazamiento
Evaluación de la resistencia
y capacidad residual
ACI comité 544.2R –1988 (1.9 mm)
 ASTM C-1609/07
ASTM C-1018 –1992
JCI-SF4 – 1984: l/150, TJCI l/(dlimit . bd2)
Alemania - DBV 1991, 1992
Bélgica IBN, 1992
España AENOR UNE 83-509-88 y 83-510-89
AFNOR P 18-409 – 1993
EFNARC. ASTM C 1550 (ensayos de paneles)
 EN14651/05
RILEM TC 162-TDF – 2002
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Flexión con carga a los tercios
h
L
b
ASTM C-1609
Flexión con carga a los tercios
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Flexión con carga a los tercios
Flexión sobre vigas
entalladas
L
hsp
a
entalladura
EN 14651
15
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Flexión con carga al centro
Hormigones
con fibras de
acero
Load (kN)
20
15
C35/40
10
C 35/20
Carga - flecha
5
C35/00
0
0
1
2
3
4
Deflection (mm)
20
Load (kN)
C35/40
15
Carga - CMOD
10
C35/20
5
C35/00
0
0
1
2
3
CMOD (mm)
16
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Giaccio G., Tobes, J. M., and Zerbino R. “Use of small beams to obtain
design parameters of fibre reinforced concrete” Cement Concrete
Comp, 2008, V 30 N 4, pp. 297-306.
EN 14651
HRF con macrofibras sintéticas
Ensayos sobre vigas de 150 mm de altura
5
5
4
4
3
3
2
2
Fibras/cm2: 0,42
1
T
1
Fibras/cm2: 0,56
0
0
0
1000
2000
3000
Flecha (micrones)
4000
0
1000
2000
3000
CMOD (micrones)
4000
Izqierda: ASTM C-1609; Derecha: EN 14651.
17
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Ensayo de paneles
Ensayo de paneles
18
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EFNARC
50
Carga (kN)
40
30
20
10
Fibras/cm2: 0,51
0
0
5
10 15 20 25 30
Deformación (mm)
Otros avances en HRF
• Desarrollo de Hormigones de Alta
Resistencia Reforzados con Fibras (HARRF)
• Caracterización mecánica en tracción y corte
• Desarrollo de Hormigones Autocompactantes
Reforzados con Fibras (HACRF)
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Fibras en HAR
Platos de carga
Curva tensión – deformación axial
LVDT
100
Strain gauges
Extensómetro
circunferencial
60
Probeta
HAR
HAR
40
3 de
HARcon
+ 8080kg/m
HAR
kg/m.cu.
fibras
demetálicas
acero
de
fibras
T
Tensión (MPa)
80
20
Hormigón
Hn convencional
Convencional
0
0
3000
6000
9000
12000
Deformación
axial (micrones)
Deformación
axial (microdeformaciones)
HAR-RFA
f´c = 60 MPa
1400
80 kg/m3
1200
Carga (kg)
1000
800
40 kg/m3
600
400
200
Flecha
CMOD
sin fibras
0
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
Desplazamiento (mm)
Giaccio, G. and Zerbino, R., 2002,
20
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80
70
C a rg a (k N )
60
50
40
30
20
10
0
0
2
4
6
8
Deformación (mm)
HARRFA
Colaboración con UNT
2008-2010
Isas Pedraza, Torrijos, Giaccio,
Zerbino, Luccioni, Sfer, 2010 - 2º
Congresso Ibérico sobre betão
auto-compactável,
Corte (push-off test)
Cooperación UPC (Barcelona) LEMIT (La Plata) 2001 - 2004
Barragán, Gettu, Giaccio, Zerbino - 2001
21
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12
Shear stress,  (MPa)
Corte (push-off test)
C70/40
C70/20
C70/00
8
4
0
0
0.25
0.5
0.75
1
Vertical displacement (mm)
Barragán, B., Gettu, R., Agulló, L. and Zerbino, R.
“Shear Failure of Steel Fiber-Reinforced Concrete
Based on Push-Off Tests“. ACI Mat Journal, 2006
Tracción directa
Tensión
Stress(MPa)
(MPa)
4
3
2
C 70/40
C 70/20
1
C 70/00
0
0
0.5
1
1.5
2
Apertura
de fisura
CMOD
(mm) (mm)
Barragán, B.E. Gettu, R. Martín, M.A. y Zerbino, R.L. 2003 “Uniaxial
tension test for steel fibre reinforced concrete - A parametric study”
Cement Concrete Comp, V 25, N 7
22
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Ensayo de testigos
3
Horizontal
Reference cylinder
Vertical
Testigo vertical
(MPa)
2
1
Dirección
de llenado
0
0
500
1000
1500
2000
w (m)
Testigo horizontal
Desarrollo de HAC con fibras de acero
Barragán, Giaccio, Soriano y Zerbino
15 R Técnica AATH, 2003
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700
HACRFA
600
3
60 Kg/m
Carga (kg)
500
400
300
200
100
40 Kg/m
3
20 Kg/m
3
sin fibras
0
0
200
400
600
800
1000
1200
CMOD (m)
Hormigón
HAC
HACRFA-20
HACRFA-40
HACRFA-60
Slump flow
T-50 (s) Df (cm)
6
64,5
4
65,5
5
65,0
7
65,0
V - funnel
(s)
9
4
5
11
L - Box
(RBL)
0,84
0,92
0,89
0,75
Box - filling capacity
(RBF)
0,95
0,98
0,93
-
Barragán, Zerbino, Gettu, Soriano, de la Cruz, Giaccio and Bravo, 2004,
Hormigones autocompactantes
reforzados con fibras
Aplicaciones en Francia:
Cimentaciones
Capas de compresión en losas
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HACRF: llenado de elementos esbeltos
M. C. Torrijos, B. Barragán and R. Zerbino
Construction and Building Materials 22 (2008) 1780–1788
HACRF: condiciones de llenado
M. C. Torrijos, B. Barragán and R. Zerbino,
Construction and Building Materials 24 (2010) 1078–1085
A
B
según norma (C)
A
B
en posición horizontal a través
de una tubería (T)
con los moldes ubicados en
posición vertical (V)
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Placing conditions, mesostructural characteristics and post-cracking
response of fibre reinforced self-compacting concretes
Fibras de acero, 50 mm
Fibras de acero, 35 mm
30000
30000
T
T
C
C
V
20000
V
Load (N)
Load (N)
20000
10000
10000
0
0
0
1000
2000
3000
4000
CMOD (microns)
0
1000
2000
3000
4000
CMOD (microns)
Placing conditions, mesostructural characteristics and post-cracking
response of fibre reinforced self-compacting concretes
α
α
β
γ
Casting direction
26
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Placing conditions, mesostructural characteristics and post-cracking
response of fibre reinforced self-compacting concretes
Las fibras se orientan en planos horizontales no sólo en hormigón
vibrado sino también en el HAC tanto con fibras de acero como
sintéticas.
El efecto pared influye en la distribución de las fibras de acero,
conforme la relación entre las dimensiones del molde y la
longitud de las fibras.
El flujo durante el transporte y llenado de los moldes influye en la
disposición de las fibras en HAC.
La orientación de las fibras puede adquirir significativa
importancia en la performance de elementos de HACRF. La
comprensión de las causas de orientación favorece un
mayor aprovechamiento del refuerzo, por ejemplo al definir
las condiciones de llenado.
HACRF: orientación en elementos delgados
On the orientation of fibres in structural members fabricated with self
compacting fibre reinforced concrete
Zerbino, Bossio, Tobes & Giaccio,
Cement & Concrete Composites, 2012
Tres clases de prototipos con HACRF (losa, panel y viga
larga) con 35 kg/m3 de fibras de acero de 35 mm.
Panel: con 3 kg/m3 de macrofibras sintéticas de 50 mm.
Viga larga: con 40 kg/m3 de fibras de acero de 50 mm.
27
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12
12
12
Losa con HACRF de acero de 35 mm
10
6
4
ID-1
ID-2
ID-3
IIC1 IIC2
IE2
2
IE1
IC1 IC2
10
8
Stress (MPa)
8
Stress (MPa)
6
IIE2
IIE1
4
8
6
IIIE2
4
2
0
0
1000
2000
0
IB1 IB2
IIG1
0
IIID3
1000
2000
0
IIIG1IIIG2
1000
IIID2CMOD (microns)
0
IID1
IIID1
IF1 IF2
IIF1 IIF2 IIF3
IIIA3
IA2
IIA2
12
IIIA2
IA1
IIA1
IIIA110
10
Group I
Group II
8
6
4
IIIA-1
IIIA-2
IIIA-3
2
3000
IIIF1 IIIF2 IIIF3
Group III
8
6
4
IIA-1
IIA-2
2
0
0
0
0
3000
2000
CMOD (microns)
IIB1
IA3
Stress (MPa)
IID2
ID1
Entrance
12
IG1
IIC-1
IIC-2
IIIF-1
IIIF-2
IIIF-3
2
3000
CMOD (microns)
ID3
ID2
IIIE1
IIIC1IIIC2
Stress (MPa)
Stress (MPa)
10
1000
2000
1000
3000
2000
3000
CMOD (microns)
CMOD (microns)
12
D-1
D-2
D-3
D-4
D-5
12
10
Stress (MPa)
8
6
B-1
B-2
B-3
B-4
4
2
8
6
4
2
0
0
0
1000
2000
3000
0
CMOD (microns)
1000
2000
3000
CMOD (microns)
12
10
En un panel
Stress (MPa)
Stress (MPa)
10
8
6
C-1
C-2
C-3
4
2
0
0
1000
2000
3000
CMOD (microns)
28
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Tensión residual (MPa) para COD 3,5 mm
Losa – Normal al llenado
Losa - Paralelo al llenado
10.4
9.6
8.8
8.0
7.2
6.4
5.6
4.8
4.0
3.2
2.4
1.6
0.8
0.0
Panel dirección horizontal
12.0
11.2
10.4
9.6
8.8
8.0
7.2
6.4
5.6
4.8
4.0
3.2
2.4
1.6
0.8
0.0
Densidad de fibras (fibras/cm2)
Losa - Normal al llenado
Losa - Paralelo al llenado
2.4
2.2
2.0
1.8
1.6
1.4
1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
Fibras/cm2 – Panel dirección horizontal
2.4
2.2
2.0
1.8
1.6
1.4
1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
29
8/19/2013
Orientación de las fibras en HAC
• La velocidad de flujo y el efecto pared producen anisotropía
y heterogeneidad en la orientación de las fibras.
• En elementos delgados las propiedades residuales del
HACRF pueden ser bastante diferentes en distintas zonas
y/o direcciones de los elementos estructurales.
• La respuesta post-pico en un mismo elemento puede pasar
de una tipo “endurecimiento” (hardening type) a una con
caída substancial de la capacidad residual.
• Aunque la distribución y orientación de las fibras no son
independientes del tipo de fibra, la geometría de los
elementos aparece como el principal factor a considerar.
Luccioni, Ruano, Isla, Zerbino, Giaccio. "A simple approach
to model SFRC" Construction and Building Materials, 2012
Necesidades y desafíos actuales
• Caracterización de nuevas fibras, obtención de
las propiedades residuales y su uso en el diseño
estructural
• Estudio de la respuesta en estado fisurado
• Desarrollo de pruebas a escala real (full-scale)
30
8/19/2013
150
Load (N)
Bossio, M.E. Torrijos, M.C. Zerbino, R. Giaccio G.
"Pull out behaviour of macro synthetic fibres…",
Bond in concrete 2012, Brescia, Italy.
Ensayos de adherencia
M1
100
50
0
0
150
M3
200
100
Load (N)
Load (N)
300
0
M2
100
50
0
0
3
6
9
12
Displacement (mm)
0
300
3
6
9
12
Displacement (mm)
150
M4
200
100
0
Load (N)
Load (N)
3
6
9
12
Displacement (mm)
M5
100
50
0
0
3
6
9
Displacement (mm)
0
3
6
9
12
Displacement (mm)
31
8/19/2013
Ensayos de pull-out
M2
ENSAYO PULLOUT
Aspecto de las fibras
previo y postarrancamiento
M4
M5
32
8/19/2013
Zerbino, R. and Barragán, B., “Long-term behavior of cracked steel fiber
reinforced concrete beams under sustained loading”, ACI Mat J, 2012
Fluencia en
estado fisurado
Crack opening (microns)
2500
H - 0.5 mm - 0.96
I - 0.5 mm - 0.81
K - 1.0 mm - 0.78
M - 1.0 mm - 0.66
O - 1.5 mm - 0.66
2000
1500
1000
500
0
0
2000
4000
6000
Time (hours)
Technical University of Catalonia, Barcelona, Spain
LEMIT
Multidisciplinary Training Laboratory for Technological Research
La Plata, Argentina
Monetti, D. H. et al. - 2010
Estudios en La Plata, fibras de acero y sintéticas
0.8
3
2
1
0
0.6
2
0.4
1
0.2
0
0
0
0.4
0.8
1.2
Apertura diferida (mm)
f / fR4
Tensión (MPa)
Tensión (MPa)
3
0
100
200
300
Tiempo (días)
33
8/19/2013
Aplicaciones en obras viales:
uso de fibras para refuerzo y reparación.
Refuerzo de tableros de puentes
Colaboración con DVBA en RN6
Monetti, Tobes, Héctor, Martín, Giaccio y Zerbino “Uso de fibras
sintéticas en hormigones para obras viales”. Rev. Carreteras, 2009.
White topping en Ruta 24 Uruguay
34
8/19/2013
6
Tensión (MPa)
5
4
P91 H
3
2
1
0
0
500
1000 1500 2000 2500 3000 3500
Deformación (micrones)
Ruta 24
Uruguay
Miguez Passada, González, Violini, Pappalardi y Zerbino
“Desarrollo e implementación de un hormigón reforzado con
fibras sintéticas para la repavimentación de la ruta 24 de
Uruguay”. V Cong. Internac. 19 Reunión Técnica AATH, 2012
Otros estudios en marcha
• Empleo de fibras para el control de los efectos
adversos de la reacción álcali sílice
• Propiedades de transporte en HRF en estado
fisurado
• Pruebas a escala real para el desarrollo de
pavimentos y pisos sin juntas
35
8/19/2013
A modo de conclusión
El HRF ofrece ventajas ante muchos problemas que aparecen
durante la construcción y vida en servicio de las estructuras.
Permite reducir espesores y mantener en servicio elementos
fisurados que, en otros casos, habrían acabado su vida útil. En
ocasiones, pueden reemplazarse armaduras convencionales
en forma parcial o total. El fib model code 2010 considera el
diseño con HRF.
Las fibras dan lugar a un material de altas prestaciones,
incluso pueden obtenerse HACRF que ofrecen particulares
ventajas para realizar reparaciones y refuerzos. A la vez
confieren ductilidad a piezas de HAR.
En los últimos años se han desarrollado macrofibras sintéticas
y recientemente macrofibras de vidrio. Entre las aplicaciones
del hormigón con estas macrofibras se destaca el refuerzo de
pisos industriales y pavimentos, donde mejora la durabilidad y
posibilita mayor confort al usuario y menor mantenimiento.
MUCHAS GRACIAS
POR SU ATENCIÓN
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