Hormigones de Ultra Alto Desempeño

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En este artículo, se analizan aspectos técnicos relacionados con los hormigones de ultra alto desempeño (UHPC, en sus siglas en inglés) y cómo la incorporación de fibras metálicas aporta a las características de este material.

Autor: Pierre Rossi, Revista Construcción y Tecnología IMCYC

El hormigón de ultra alto desempeño (UHPC) ha sido objeto de numerosas investigaciones. El UHPC tiene una relación agua-material cementante (w/cm) menor que 0,2 y, por lo tanto, puede ser muy denso y tener altas resistencias a la compresión. Las resistencias a la tensión del UHPC están limitadas a, aproximadamente, 8 MPa y los UHPCs pueden ser frágiles. Para resolver estos problemas, se agregaron fibras.

Aquí se resume el estado actual de la investigación en el hormigón de ultra alto desempeño reforzado con fibras de acero (UHPRFC: Ultra High-Performance Fiber Reinforced Concrete).

Tipos

Existen tres tipos de UHPRFCs:

Tipo 1: UFRRFCs con altas proporciones de fibras cortas. Un ejemplo es el hormigón reforzado compacto. El contenido de fibras para este producto está entre 5 y 10% por volumen y las fibras no exceden los 6 mm en longitud. Las fibras mejoran la resistencia a la tensión del hormigón, pero poco contribuyen a aumentar la ductilidad. El material, por lo tanto, se usa en estructuras con altos porcentajes de varillas de refuerzo adicionales.

Tipo 2: UHPRFCs con porciones intermedias de fibras largas. Los ejemplos incluyen DUCTAL y CERAMECEM. El contenido de fibras para estos productos varía entre 2 y 3% por volumen y las fibras están entre 13 y 20 mm de largo. Las fibras mejoran la resistencia a la tensión y la ductilidad del hormigón se pretende que reemplacen todas o una parte de las varillas de refuerzo que normalmente serían usadas en elementos de hormigón presforzado o reforzado.

Tipo 3: UHPRFCs con proporciones muy altas de fibras de varias longitudes. Un ejemplo de este producto es CEMTECMultiscale. El contenido de fibras en este producto puede ser de hasta 11% por volumen y las fibras cortas pueden variar desde 1 hasta 20 mm de largo. Las fibras incrementan significativamente tanto la resistencia a la tensión como la ductilidad del hormigón y pueden reemplazar todas las varillas de refuerzo tradicionales en un elemento.

Al igual que con los compuestos reforzados con fibras que se forman usando una matriz orgánica, la matriz de un UHPRFC del Tipo 3 transfiere los esfuerzos entre las fibras y asegura ciertas propiedades físicas y químicas del material.

Resistencia a la tensión

Es bien sabido que la orientación de las fibras en un elemento estructural será afectada por las dimensiones de las fibras y el elemento, así como también, por el método de colocación del hormigón. Si un alto porcentaje de fibras de acero son generalmente paralelas a los esfuerzos de tensión en un miembro, pueden incrementar significativamente la resistencia a la tensión.

Por lo tanto, el comportamiento en tensión de un UHPRFC colocado en un molde para producir una losa delgada con nervaduras delgadas, las fibras tenderán a tener orientaciones al azar en el plano en la losa, pero una orientación unidireccional en cada nervadura. Por lo tanto, el miembro tendrá propiedades isotrópicas en el plano en la losa, y propiedades no isotrópicas en las nervaduras, las cuales tendrán resistencias a la tensión más altas en la dirección longitudinal.

Tensión directa

Las pruebas de tensión uniaxiales son difíciles de llevar a cabo apropiadamente y es difícil evitar esfuerzos de flexión o fractura por las mordazas de la máquina. Cuando la proporción de las fibras bien orientadas (fibras paralelas al esfuerzo de tensión) es alta y el comportamiento de tensión del compuesto es elástico -perfectamente plástico o de endurecimiento con deformación elástica- únicamente la porción elástica de la curva esfuerzo-deformación determinada experimentalmente puede ser representativa, ya que la flexión podría ser un factor después de que se ha iniciado el agrietamiento.

A pesar de las dificultades mencionadas, se han determinado resistencias a la tensión confiables. Las resistencias medias a la tensión para los Tipos 2 y 3 de UHPRFCs, por ejemplo, son de aproximadamente 7,7 y 20 MPa, respectivamente. Aunque pueden usarse para evaluar las características de fractura, los especímenes de tensión con muescas (Fig. 1) no son medios confiables para la evaluación directa de la tensión de un UHPFRC.

La muesca perturba la tendencia natural del material a tener grietas múltiples y cuando se inicia una sola grieta, el espécimen entra en flexión. Si se ignora esta flexión en los cálculos, la resistencia a tensión uniaxial es sobreestimada.

Flexión

Pueden obtenerse datos de resistencia a tensión representativos usando especímenes de flexión con muescas (Fig. 2). Se han propuesto recomendaciones provisionales para pruebas a flexión en el punto central de especímenes con muescas y un método para determinar la relación de la resistencia a tensión uniaxial del ancho de la grieta, a partir de las pruebas.

La base del modelo cinemático para determinar esta relación es que únicamente se propaga una grieta localizada, de modo que no es apropiado en el dominio de deformación-endurecimiento, cuando deben aparecer varias grietas (visibles o no). También pueden obtenerse datos representativos de resistencia a la tensión usando especímenes de flexión sin muescas.

Al ideal que con los especímenes con muescas, se ha propuesto un método para determinar el comportamiento a tensión uniaxial. En este caso, se utilizó una prueba de flexión de cuatro puntos. El comportamiento del hormigón es simulado usando un modelo de material elastoplástico en un programa de análisis de elementos finitos y el modelado se basa en la suposición de que no aparece ninguna localización de agrietamiento en el material. Se ha demostrado que el método proporciona una buena caracterización del comportamiento de tensión uniaxial de un UHPFRC.

Ductilidad

Un objetivo importante para los desarrolladores de UHPFRCs consistía en el reemplazo total o parcial de las varillas de refuerzo tradicionales. De modo que es necesario que el UHPFRC seleccionado asegure un cierto nivel de ductilidad en las estructuras.

Escala Material

La ductilidad a escala material está relacionada con el comportamiento antes de un agrietamiento localizado, es decir, antes de que se desarrollo el esfuerzo máximo. El índice de ductilidad (Id) está dado por: Id=ep/(sp/E), en donde ep y sp son la deformación y el esfuerzo en el máximo de la curva de esfuerzo de tensión-deformación, respectivamente; y E es el módulo de Young para el material (Fig. 3).

Los hormigones ordinarios y de alta resistencia tienen Id = 1

  • El UHPRFC Tipo 2 tiene Id = 1,3 a 3
  • El UHPRFC Tipo 3 tiene Id = 17,5 a 30, y
  • El acero tiene Id = 30 a 60.

Escala estructural

La ductilidad en la escala estructural es condicional. En primer lugar, las fibras deben estar orientadas respecto a las macrogrietas que se desarrollan en la estructura. En segundo lugar, la estructura no debe tener gran espesor debido a que un ancho unitario de la abertura de grietas en un miembro peraltado produce menos rotación y menos ductilidad que la misma extensión de la abertura de una grieta en un miembro menos peraltado (un efecto puramente geométrico). Para el UHPFRC, un espesor máximo razonable es aproximadamente tres veces el largo máximo de la fibra.

Así pues, el espesor máximo ara un UHPFRC con una longitud máxima de fibras de 30 mm debe ser de aproximadamente 100 mm. Para estructuras presforzadas, generalmente se usarán fibras en el UHPFRC para reemplazar los estribos para comportamiento en cortante. Puesto que las grietas de cortante son más numerosas y tienen anchos más pequeños que las grietas de flexión en un elemento de hormigón reforzado de las mismas dimensiones, la escala estructural es menos importante.

Heterogeneidad

La distribución espacial de las fibras en un UHPFRC es un factor que afecta el comportamiento en tensión, y la heterogeneidad de la distribución de las fibras tiene un fuerte efecto sobre la variabilidad en el comportamiento de tensión. Los factores principales que afectan la heterogeneidad incluyen el método de colocación y la proporción de las fibras.

Puesto que la variabilidad en el comportamiento de tensión es tan importante, debe tomarse en cuenta de una manera rigurosa. Los cálculos de diseño deben incluir valores característicos, no valores y curvas promedio. Los valores promedio son de gran interés e inclusive pueden llevar a resultados equivocados.

Comportamiento de fatiga

Aparentemente, los estudios sobre el comportamiento de fatiga de los UHPFRCs son de dominio público. Un estudio sobre el UHPFRC Tipo 2 no proporciona datos suficientes para permitir la determinación del límite de resistencia. El otro estudio sobre el UHPFRC Tipo 3 indica que el límite de resistencia para ese material es el 60% de la resistencia a la tensión característica. En general, los hormigones reforzados con fibra parecen tener pobre comportamiento de fatiga.

La carga de fatiga es muy demandante en la adherencia de la fibra con la matriz y por eso afecta de modo importante el comportamiento mecánico del UHPFRC. A medida que la relación longitud de fibras-diámetro se incrementa, la adherencia de las fibras a la matriz se reduce y la sensibilidad a la fatiga se incrementa.

Efectos de los incrementos de esfuerzo

Al igual que con los efectos de la fatiga, existen pocos estudios que describen los efectos de los incrementos en las características mecánicas acrecentarse los esfuerzos para los UHPRFCs. Sin embargo, es claro que los efectos crecen al incrementarse el número de fibras.

Para comprobación, se probaron la resistencia a la tensión uniaxial para diferentes materiales a base de cemento cargados a un régimen de esfuerzo de entre 10-4 y 10 GPa/s. Para cada orden de incremento en la magnitud del régimen de carga, los incrementos en la resistencia a tensión fueron de:

  • 0,7 MPa para hormigones ordinarios y de alto desempeño.
  • 0,8 MPa para UHPFRC Tipo 2 con 7,7 x 107 fi/m3
  • 1,5 MPa para UHPFRC Tipo 3 con 1,9 x 1010 f/m3

Claramente, los efectos de la tasa se incrementan al aumentarse el contenido de fibras. Los beneficios de la mayor capacidad y ductilidad asociadas con el refuerzo de fibras son más grandes para estructuras sometidas a cargas de impacto que para aquellas sometidas a cargas estáticas.

Durabilidad

Al considerar los UHPFRCs es natural sentir preocupación por el potencial de corrosión de las fibras de acero. Aún cuando las fibras localizadas cerca de la superficie pueden corroerse ligeramente, las pruebas han demostrado que esta corrosión superficial no conduce a pérdida de las propiedades mecánicas.

Los estudios demuestran que los especímenes con el nivel de servicio que se agrietan en soluciones acuosas (con y sin cloruro) exhiben calentamiento autógeno en las grietas. El UHPFRC Tipo 2 con aberturas de grietas de 55 a 200 um mostraron reducciones de 0% y 12% en la capacidad de soporte después de la exposición a soluciones de cloruro. Después de una exposición similar, los especímenes de UHPFRCs Tipo 3 mostraron un incremento de 14% en la capacidad de soporte comparados con los especímenes de referencia no agrietados al aire libre.

Para grietas muy finas de menos de aproximadamente 50 um, el alivio autógeno parece ser suficiente para evitar daños por corrosión. No se han llevado a cabo pruebas en especímenes UHPFRC sometidos simultáneamente a cargas por fatiga y exposición a cloruros.

Nota: Este documento está basado en el artículo “Ultra High Performances Concretes”, publicado por el American Concrete Institute (www.concrete.org) en Concrete International, febrero de 2008.

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