Fuente: AZO Materials

 

El nuevo estudio en Materiales y Estructuras explora cómo los diferentes tipos de fibras y composiciones de cemento influyen en el comportamiento a la tracción del hormigón reforzado con fibra de alto rendimiento (HPFRC).

Mediante modelado avanzado y pruebas mecánicas, los investigadores evaluaron tres mezclas de hormigón que combinaban acero puro o fibras metálicas amorfas con cemento CEM I o CEM III. Su objetivo era diseñar un hormigón sostenible capaz de resistir el agrietamiento y la degradación en entornos agresivos.

HPFRC es un material útil debido a su capacidad para controlar el agrietamiento bajo tensión, extender la vida útil y reducir los requisitos de mantenimiento.

Al incorporar fibras en la matriz cementosa, estos materiales de alto rendimiento aumentan la ductilidad y permiten la propagación estable de microfisuras. Esto es especialmente importante en el estado límite de servicio (ELS), donde el hormigón experimenta tensiones de tracción sostenidas.

La combinación del control de grietas finas y la autorreparación autógena mejora la durabilidad incluso en condiciones de exposición adversas, como las que se encuentran en entornos marinos o geotérmicos.

Una comparación de cementos de alto rendimiento

La investigación se centró en tres mezclas: una de referencia con fibras de acero y cemento CEM I; una variante con fibras metálicas amorfas en lugar de acero; y una tercera mezcla con cemento CEM III y fibras de acero. Todas contenían un 1,5 % de fibra por volumen.

Las muestras se moldearon como vigas profundas (100 × 100 × 500 mm ^{3 )} y vigas delgadas (100 × 25 × 500 mm³) para simular aplicaciones estructurales como tanques geotérmicos prefabricados.

Después de curar durante 90 días, se probaron utilizando flexión de cuatro puntos (4PBT), división de cuña de doble filo (DEWS) y análisis inverso para derivar el comportamiento de tracción.

Se utilizó el método de análisis inverso, validado para vigas de gran altura, para estimar las leyes de tensión-deformación y de tensión-apertura de grietas. Los resultados de vigas delgadas y DEWS se compararon con los obtenidos mediante modelado inverso, aunque estas comparaciones fueron exploratorias.

El equipo también utilizó un modelo de bisagra para simular el comportamiento de flexión basado en las leyes de tracción.

Hallazgos clave sobre el comportamiento de tracción

Las mezclas mostraron resistencias a la tracción similares, que oscilaron entre 8 y 9 MPa, pero mostraron claras diferencias en la ductilidad y el comportamiento posterior al agrietamiento:

• – Las mezclas de fibras de acero alcanzaron valores de deformación en la localización de entre el 2,9 % y el 3,5 %, superando la deformación del 2,1 % al 2,5 % asociada con la fluencia del acero de refuerzo. Esto es crucial para el control de grietas cuando la varilla de refuerzo cede en SLS. 
• – La mezcla de fibras amorfas, por el contrario, se localizó en solo el 1,4 %, revelando un comportamiento más frágil.

En pruebas de viga profunda, la mezcla de referencia alcanzó una tensión de flexión máxima de 16,78 MPa, la mezcla de fibra amorfa 19,04 MPa y la mezcla basada en CEM III 20,19 MPa.

Las vigas delgadas, que se beneficiaron de una mejor alineación de las fibras gracias a la dirección de colada, presentaron resistencias más altas entre 21 y 25 MPa. Este efecto de alineación fue especialmente pronunciado en las mezclas de fibras de acero.

Los hormigones reforzados con acero también desarrollaron patrones de grietas más densos con espaciamiento menor y, bajo cargas cíclicas, conservaron la rigidez.

Por el contrario, la mezcla de fibras amorfas mostró un espaciamiento de grietas más amplio y una disminución notable de la rigidez con una mayor deflexión.

La ductilidad reducida en esta mezcla se atribuyó a una interfaz de unión-deslizamiento más rígida, una superficie de fibra hidrófoba, así como una mayor probabilidad de ruptura de la fibra en el plano de la grieta.

Durabilidad a pesar de las duras condiciones

Para evaluar el rendimiento a largo plazo, se sumergieron vigas delgadas durante seis meses en agua geotérmica o del grifo.

La mezcla de fibras amorfas demostró una impresionante resistencia a la corrosión, aumentando un 9 % en resistencia a la flexión después de la inmersión en agua geotérmica.

Sin embargo, las mezclas de fibras de acero perdieron entre un 11 y un 23 % de resistencia en las mismas condiciones, posiblemente debido a la degradación de la unión fibra-matriz por la corrosión de la superficie.

A pesar de la reducción de la resistencia, las mezclas de fibras de acero conservaron sus ventajas previas a la exposición en capacidad de deformación y control de grietas.

Esto los hace adecuados para aplicaciones estructurales donde la ductilidad y la limitación de grietas son fundamentales para el rendimiento a largo plazo.

Implicaciones de diseño y direcciones futuras

El estudio destaca la importancia de seleccionar un tipo de fibra y una composición de cemento que se adapten a las exigencias estructurales y ambientales.

CEM III fue la alternativa más sostenible a CEM I, pero esta sostenibilidad no sacrificó el rendimiento mecánico (cuando se combinó con fibras de acero). 

El análisis inverso y las simulaciones del modelo de bisagra demostraron ser herramientas eficaces para caracterizar y predecir el rendimiento de tracción. 

Estos hallazgos también respaldarán la siguiente fase del proyecto ReSHEALience , que implica validar los materiales en demostradores a escala real, como tanques de agua geotérmica.