PAVIMENTOS DE CONCRETO REFORZADO CON FIBRAS

FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL

PAVIMENTOS

 

USO DE FIBRAS EN PAVIMENTACIÓN

A. Generalidades

Las fibras son elementos delgados y alargados naturales o artificiales que se introducen en la mezcla del concreto como un refuerzo, para evitar los agrietamientos que tienden a producirse por contracción de fragua y por cambios de temperatura, así como para mejorar algunas de sus propiedades como son : su impermeabilidad, su resistencia a los impactos y a la abrasión, su resistencia a la flexión, su resistencia al corte y su durabilidad.

Teniendo en cuenta que los pavimentos de concreto refrozado pueden ser:

Pavimentos con refuerzo contínuo, en los que la armadura cumple una función estructural (figura 8.4.1.a); o

Pavimentos con acero de temperatura, en los que la armadura no cumple una función estructural (figura 8.4.1.b).

Es posible considerar a los Pavimentos con Fibras como pavimentos reforzados en los que las fibras son colocadas para reemplazar al acero de temperatura, pero que pueden servir también para mejorar algunas propiedades estructurales del conjunto (figura 8.4.1.c).

En el Perú no se ha construido hasta el momento ningún pavimento con refuerzo contínuo, limitándose el empleo de los pavimentos con acero de temperatura a la construcción de pisos industriales y de aeropistas. El más famoso pavimento urbano con acero de temperatura se encuentra en la avenida Venezuela, la cual con una antigüedad cercana a los 50 años se conserva en buen estado, con excepción de algunas fallas tipo escalonamiento en las juntas de dilatación y la rotura típica de los bordes en las juntas de contracción (figura 8.4.1.c).

Las primeras sugerencias en el sentido de que las propiedades del concreto podían mejorarse con la adición de fibras de acero fueron hechas por Porter (1910) y Ficklen (1914) en el Reino Unido, pero no es sino hasta 1963 en que

Romualdi y Batson ponene evidencia la función en el concreto de las fibras metálicas como elemntos inhibidores del agrietamiento.

La experiencia nacional con el uso de fibras ha estado restringida tradicionalmente al uso de fibras naturales para mejorar las propiedades del adobe y más recientemente al uso de fibras de madera mineralizada o de asbestos cementados para la fabricación de paneles y cuberturas, más no así en la construcción de pavimentos.

B. Clasificación

Las fibras pueden clasificarse en dos grandes grupos en dos grandes grupos: naturales y artificiales.

Las fibras naturales se dividen a su vez en:

Naturales orgánicas como la celulosa; o Naturales inorgánicas como los asbestos.

Las fibras artificiales, se dividen en:

Sintéticas inorgánicas como el acero o el vidrio; y Sintéticas orgánicas como el carbón;

Algunas otras fibras sintéticas inorgánicas son: de polipropileno, de polietileno, de poliéster, acrílicas de nylon; y aramidas.

Su forma de presentación es en: atados, en mallas, o como monofilamentos.-

Su rango de aplicación en el concreto varía del 0.1% al 10% en volúmen.

Las fibras metálicas, son generalmente de acero: liso, corrugado, ondulado, fresado o con extremos deformados. Su presentación puede ser como: elementos aislados o encoladas en peines.

Su rango de aplicación en el concreto varía del 0.2% al 1% en volúmen.

En la tabla 8.4.1.a, se muestran las principales propiedades de las fibras y en la tabla 8.4.1.b, las características de algunas fibras comerciales.

Tabla 8.4.1.a

Propiedades típicas de las fibras

(Ref. ACI 544.1R-82)

 

TIPO DE FIBRA

RESISTENCIA A LA TENSIÓN (Kg/cm2)

MÓDULO DE YOUNG*10-3

(Kg/cm2)

ELONGACIÓN ÚLTIMA

(%)

GRAVEGAD ESPECÍFICA

ACERO 2800-28000 2030 0.5-3.5 7.8

ACRÍLICO 2100-4200 21 25-45 1.1

ALGODÓN 4200-7000 49 3-10 1.5

ASBESTO 5600-9800 840-1400 ~ 0.6 3.2

LANA DE ROCA(Escandinavia)

4900-770 700-1190 ~ 0.6 2.7

NYLON (Alta Tenacidad)

770-8400 42 16-20 1.1

POLIETILENO ~ 7000 1.4-4.2 ~ 10 0.95

POLIPROPILENO 5600-7700 3.5 ~ 25 0.90

POLYESTER(Alta Tenaciadad)

7350-8750 84 11-13 1.4

RAYON(ALTA Tenaciadad)

4200-6300 70 10-25 1.5

VIDRIO 10500-38500 700 1.5-3.5 2.5

 

C. Aspectos de Diseño

Aún no ha sido hallada la "fibra ideal" que pueda ser aplicada satisfactoriamente en todos los casos, sin embargo, dejando de lado el aspecto económico, es aceptado en general que las fibras de polipropileno solo se emplean como inhibidoras del agrietamiento primario, mientras que las fibras de acero permiten en ciertos casos, mejorar las propiedades resistentes del concreto (figuras 8.4.1.d, e, f y g).

Otras ventajas de las fibras metálicas son: su mayor resistencia a la abrasión y a los impactos y a la menor permeabilidad de la losa construidas con ellas.

Con excepción de algunos fabricantes de fibras metálicas la recomendación general es de no reducir los espesores ni aumentar los espaciamientos entre juntas por la incorporación de fibras. Sin embargo, la mejora en las propiedades resistentes prolongará evidentemente la vida de servicio del pavimento.

A continuación se presenta un método de diseño de pavimentos de concreto con fibras.

Tabla 8.4.1.c

RANGO DE PROPORCIONES PARA CONCRETO DE PESO NORMAL REFORZADO CON FIBRAS

(ref ACI 544.IR-82)

  Mortero CON AGREGADO DE 3/8" TAMAÑO MÁXIMO

CON AGREGADO DE 3/4" TAMAÑO MÁXIMO

Cemento (Kg/m3) 415-712 356-593 297-534

a/c 0.30-0.45 0.35-0.45 0.40-0.50

Ag.Fino/AgGrueso(%) 100 60 55

Aire Atrapado(%) 7-10 4-7 4-6

Contenido de Fibra

(%) en Volúmen)

Acero Deformado

Acero Liso

Fibra de Vidrio

 

0.5-1.0

1.0-2.0

2-5

 

0.4-0.9

0.9-1.8

0.3-1.2

 

0.3-0.8

0.8-1.6

ACLARACIÓN PRELIMINAR

El contenido de fibras comunmente usado para reforzar losas de pisos no incrementa esencialmente la resistencia a la flexión del concreto. La manera más fácil y económica de mejorarla es optimizando el contenido

cemento, la relación a/c, la naturaleza de los agregados y la forma de compactar y curar el concreto.

La principal función de las fibras con anclajes en sus extremos, es transformar la naturaleza del concreto simple, de quebradizo a tenaz, haciendo así posible tomar en cuenta una resistencia adicional.

1. CONDICIONES GENERALES

El concreto reforzado con fibras es un material homogéneo. El mayor esfuerzo flexor sobre las losas deberá ser menor que la

resistencia a la flexión permisible. Los esfuerzos en las losas dependen de: Propiedades de la sub-rasante (módulo K); Magnitud y tipo de las condiciones de carga (P) Espesor de las losas. (ht)

1. SUB-RASANTE

Debe ser uniforme y homogénea Las pruebas de placa deben ser de 750 mm (Corregir dividiendo por 2.3

para placas de 30 mm y por 3.8 para placas de 160 mm). Valores recomendados de K

Tipo de Material K(N/mm3)

Arcilla con arena 0.08-0.10

Humus 0.005-0.015

Relleno reciente 0.01-0.02

Arena fina o ligeramente compactada 0.015-0.03

Arena bien compacta 0.05-0.1

Arena muy bien compacta 0.1-0.15

Marga o arcilla (húmeda) 0.03-0.06

Marga o arcilla (seca) 0.08-0.10

Piedra chancada con arena 0.10-0.15

Piedra chancada gruesa 0.20-0.25

Piedra chancada bien compacta 0.20-0.30

1. CONDICIONES DE CARGA

Los cálculos realizados bajo estas consideraciones llevan a resultados obtenidos con las fórmulas de Westergaard , de 1.2 a1.6 veces mayores que los obtenidos para cargas de ruedas y de 2.5 veces mayores que los obtenidos para cargas estáticas puntuales

Método de cálculo basado en la teoría de la viga soportada por un medio elástico.

Las fórmulas de Hetenyi : Se utilizan para carga uniforme con una distribución aleatoria.

Fórmulas de Westergaard : Se utilizan para carga de ruedas de elevadores y camiones.

Carga de diseño: 1.5 de la carga característica. Para cargas muy pesadas añadir otro factor.

Para cargas puntuales excepcionales, usar 1.2.

Para cargas uniformes solamente con distribución indefinida usar 2.0.

E=10000N/mm2 : Cargas uniformes y puntuales (causadas por anaqueles de almacenamiento).

E=20000 N/mm2: cargas de ruedas

La superficie de contacto de diseño para cargas puntuales y de ruedas, se deriva de la superficie de contacto entre la losa y el piso, asumiendo una distribución a 50 hasta la mitad de la losa para cargas dinámicas (ruedas) y hasta el fondo de la losa para cargas estáticas (anaqueles).

Para ejes con cuatro ruedas, se considera a las ruedas duales como una simple, con una superficie de contacto equivalente si la superficie de contacto es pequeña (menor que el espesor de la losa, mas el diámetro de la superficie de contacto de una rueda).

1. ESPESOR DE LAS LOSAS

Se estima por aproximaciones sucesivas. La RESISTENCIA FLECTORA o FACTOR DE TENACIDAD

FLEXORA (fe) es el parámetro que mejor caracteriza el comportamiento

de las losas de concreto reforzado con fibras. Se determina a partir del ensayo de la viga (de 150*150*450 mm) cargada en los tercios:

Fe= 4.4*10-5 Db (N/mm² )

Siendo Db la TENACIDAD FLEXORA (N*mm), determinada como el área bajo la curva carga-deformación de 3mm.

LA RESISTENCIA FLEXORA EQUIVALENTE DE DISEÑO (ff) es el promedio de 6 medidas fe.

En caso de no efectuarse los ensayos se recomienda usar los siguientes valores empleados en Holanda para una resistencia característica (cúbica) de 30N/mm2):

 

TIPO DE FIBRA Dosificación en kg/m3

ZC 60/1.00 20 25 30 35 40

ZC 60/0.80 20 25 30 35

Ff N/mm2 2.4 2.8 3.2 3.5 3.8

 

* Se pueden emplear valores mayores, para concretos de mayor resistencia, con tal que se haga una verificación siguiendo la metodología de ensayos empleada por el Instituto TNO para Materiales y Estructuras de Edificación de Holanda.

1. FÓRMULAS

Carga uniforme con distribución indefinida:

s f máx = 1.008q/l 2ht2

l =4Ö E3K/ht³

Carga de ruedas:

(6) RECOMENDACIONES PARA LA CONSTRUCCION

La subrasante debe ser homogénea en calidad y uniforme en su compactación.

Contenido de cemento Portland: entre 320 y 350 kg/m3. Arena de rio: entre 750 y 850 kg/m3.

Tamaño máximo del agregado: 28 mm (redondeado).

32 mm (piedra chancada).

Fracción mayor de 14 mm: entre 15% y 20%. Relación a/c: 0.5 pero nunca mayor que 0.55. Slump : 120 mm (mínimo). Resistencia característica del concreto: 25 N/mm2 (minimo). Usar (super) plastificantes para mejorar la trabajabilidad. No usar aditivos basados en cloruros. Añadir las fibras en planta (al mismo tiempo que los agregados), o in-situ

(lo cual requiere un mezclado adicional de 5 minutos. Para concreto bombeado: tamaño máximo de 32 mm, con 135 a 140 lts/m3,

de finos (menor que 0.25 mm). Preferible no usar mangueras flexibles hasta el tramo final.

El baseado del concreto, se hará sobre una membrana de polietileno de 0.2 mm de espesor, con traslapes de 500 mm.

Usar las técnicas convencionales de colocación, consolidación y acabado. Después de la colocación y consolodación y al tiempo apropiado, esparcir

productos contra el desgaste (endurecedores de piso) y cemento, para garantizar una buena liga y una superficie libre de fibras. El acabado se hará con equipo mecánico (helicópteros).

Usar compuestos para el curado. El aserrado de juntas deberá hacerse un día después del vaceado o dos días

después en climas frios. Máxima distancia entre juntas simuladas: 8 m Las losas deberán tener de preferencia una forma cuadrada o en todo caso

una relación l/a no mayor de 1.5. Usar una malla de refuerzo de 1 m sobre los bordes libres sujetos a cargas

de transito (por ejemplo puertas grandes).

 

7. SUSTENTO EXPERIMENTAL DEL METODO DE DISEÑO

(Scientific and Technical Central for Building Construction - Bruselas)

Ensayos de ZWEVEGEM

Losas :

Concreto :

Piedra chancada 7/20 885 Kg

Piedra chancada 4/7 300 Kg

Arena Gruesa 660 Kg

Cemento P40 350 Kg

Plastificante 1.25%

Fibras DRAMIX ZC 60/.80 30 Kg

a/c 0.68

f'c (cúbica 158*158 mm) 36.4 N/mm2

s f (prismas 150*150*450mm) 3 N/mm2

s f (precarga) 2.8 N/mm2

E 28000 N/mm2

Resultados :

Punto de aplicación de la carga

Carga teórica de agrietamiento P cal (kN)

Carga real de agrietamiento P exp (kN)

Factor

Centro

Borde libre

Junta de Construcción

29.1

17.0

17.0 - 29.1 (c)

138.3 (a)

105.0 (b)

9.0 (a)

4.8

6.2

7.8 - 4.4

 

a. Sin agrietamiento en mediciones con ultrasonido.

( b) 1ra. Grieta en el fondo de la losa y perpendicular al borde libre a los 105 kN. 2da. Grieta a 123.8 kN en la superficie, la cual se cierra cuando se descarga.

c. La carga teórica de agrietamiento está entre los valores correspondientes a carga en el centro y en el borde.

d. Posible carga de agrietamiento.

Ensayos en AALTER

Losas : 5.5m*5.5m(*33m) juntas aserradas

Espesor : 150mm

Concreto : igual al anterior pero con a/c=0.53

F'c (cubos 158*158) 49.8 N/mm2

s f (prismas 150*150*450) 3.8 N/mm2

s f (Precarga) 3.6 "

Resultados :

Punto de aplicación de la carga

Carga teórica de agrietamiento P cal (kN)

Carga real de agrietamiento P exp (kN)

Factor

Centro

Borde libre

Esquina

61.6

36.2

34.0

175.0 (a)

170.0 (b)

(a)

2.8

4.7

5.0

 

a. Sin agrietamiento en mediciones con ultrasonido.b. 1er. Agrietamiento en mediciones con ultrasonido.

Conclusión

El hecho de que las fórmulas clásicas subestimen la carga de agrietamiento de las losas es debido en parte tal vez a que la carga está siendo aplicada sobre una gran área mayor que la asumida en la fórmula.

7. Fórmulas clásicas empleadas para el diseño estructural de losas sobre una Sub-rasante Elástica

Punto de Aplicación de la Carga Fórmula

En el centro s máx=0.275(1+n )(P/h2)log0.36(Eh3/kb4)

En el borde s máx=0.529(1+0.54n )(P/h2)log(Eh3/kb4)

En la esquina s máx=(3P/h2)(1-1.414Ö (12(1-n2)kb4/Eh3)

s máx : Esfuerzo máximo (N/mm2)

: Módulo de Poisson

P : Carga aplicada sobre una superficie de radio r (N)

h : espesor de la losa (mm)

E : Módulo de Elasticidad del material de la losa (N/mm2)

k : Módulo de reacción de la sub-rasante (N/mm2)

b : Radio del área cargada a emplearse en los cálculos (mm)

b=(1.6r2+h2)1/2-0.675h , para r<1.724h

=r , para r>1.724h

r : Radio del área actual

GRÁFICOS Y CUADROS

D. Aspectos Constructivos

La construcción de un pavimento con fibras no difiere grandemente de la construcción normal de pavimentos con o sin refuerzo de malla. En un sentido estricto, toda la diferencia estriba en la forma como se incorporan las fibras a la mezcla y en el acabado que se le deberá dar a las lozas.

Existen muchas caraterísticas particulares a cada tipo de fibra (tabla 8.4.1.a), sin embargo, los aspectos constructivos más importantes a tomarse en cuenta son:

Deberá considerarse en el diseño de mezcla que la fibra metálica es una porción del agregado grueso.

Ciertas fibras, sobre todo las de polímeros tienden a disminuir el slump de la mezcla.

Las fibras permiten reducir los tiempos de ejecución respecto de las mallas y eliminan el problema de su ubicación adecuada.

Los pavimentos reforzados con fibras requieren una mayor compactación que los de concreto simple.

Los pavimentos de concreto reforzados con fibras pueden ser empleados para la construcción de pavimentos nuevos así como para el refuerzo (recapado) de pavimentos existentes.

En resúmen los pavimentos de concreto reforzados con fibras artificiales, pueden ser considerados como pavimentos de concreto convencional a los que se les ha añadido fibras de polímeros o de acero según una distribución al azar, para evitar el fisuramiento por contracción al azar, para evitar el fisuramiento por contracción de fragua en primer término y para mejorar sus resistencias a la flexión y a la fatiga en segundo lugar.