Concreto reforzado con fibras de acero

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Documento que describe el concreto reforzado con fibras de acero, sus características y ventajas en la ingenieria civil.

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HORMIGÓN CON FIBRAS DE ACERO

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Índice

1. Perspectiva histórica2. Generalidades3. Características de las fibras4. Modelización mecánica5. Propiedades del Hormigón Reforzado con Fibras

de Acero6. Dosificación y fabricación7. Otros hormigones reforzados con fibras

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1. Perspectiva histórica

Inconveniente tradicional del mortero y el hormigón:– Baja resistencia a tracción– Alta fragilidad

control mediante el uso de refuerzos

a) Refuerzo localizado a tracción:HORMIGÓN ARMADO

b) Refuerzo distribuido a fisuración:HORMIGÓN CON FIBRAS

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a. C. Fibras naturales a. C. Crines de caballo 1900 Fibras de asbesto (Hatscheck) 1920 Resistencia teórica/resistencia aparente (1935 - 85) Desarrollo de fibras sintéticas 1935 DuPont: fibra de nylon 1950 Materiales compuestos 1960 FRC (Hormigón armado con fibras) 1970 Hormigón proyectado (gunita) (1985, - ) Fibras orgánicas de altas prestaciones 1990 Micromecánica, sistemas híbridos, fibras

derivadas de la madera, procesos de producción, armadura secundaria, control de la retracción

2000+ Aplicaciones estructurales, integración en normativas, nuevos productos

1. Perspectiva histórica

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1874 A. Berard (California): Primera patente de hormigón reforzado con acero granular procedente de desechos

1927 G. Martin (California): patente de hormigón reforzado con alambres rizados de acero, refuerzo de tuberías

1943 Constantinescu (Inglaterra): patente de hormigón reforzado con fibras helicoidales y espirales, para pavimentos de carros de combate, refugios frente a ataques aéreos, cimentaciones para maquinaria pesada,….

>1950 Proliferación de investigación en hormigón reforzado con fibras de acero

1970 Comienzo de empleo de hormigón reforzado con fibras de acero en España

1. Perspectiva histórica: HRFA

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Índice

1. Perspectiva histórica2. Generalidades3. Características de las fibras4. Modelización mecánica5. Propiedades del Hormigón Reforzado con Fibras

de Acero6. Dosificación y fabricación7. Otros hormigones reforzados con fibras

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Fibras metálicas: refuerzo de estructuras– Acero, acero inoxidable, acero galvanizado

Fibras sintéticas: control de fisuración, mejora de resistencia a impacto– Elevado módulo de deformación, elevada

resistencia a tracción, bajo peso– Polietilenos de alta tenacidad, aramidas,

poliariatos, fibra de carbono

2. Tipos de fibras

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2. Objetivo de las fibras

Control de la fisuración: proporcionan fisuración más dispersa (menor abertura de fisuras)

Aumento de resistencias– Tracción– Compresión

Mayor ductilidad Aumento de la tenacidad

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2. Efectos de las fibras

Similares al efecto de armaduras:– Mejoran el comportamiento del hormigón a tracción– Aumentan la ductilidad del hormigón (área bajo la

curva tensión de compresión-deformación)

Efectos adicionales– Proporcionan isotropía en ft al no presentar dirección

preferente– Aumentan resistencia al impacto y choque– Aumentan resistencia a fatiga– Reducen la abertura de fisuras (+ durabilidad)– Reducen ligeramente la retracción del hormigón

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2. Inconvenientes de las fibras

Empeoran trabajabilidad del hormigón (=áridos aciculares)– El parámetro L/D resulta esencial– Si L/D 1, la “fibra” es esférica y el hormigón

tiene más trabajabilidad

Pueden producir segregación Aumento del coste

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2. Tipos de hormigón con fibras

FRC Fiber reinforced concrete (HRF)

SFRC Steel Fiber Reinforced Concrete (HRFA)

GFRC Glass Fiber Reinforced Concrete

SNFRC Synthetic Fiber Reinforced Concrete

NFRC Natural Fiber Reinforced Concrete

SIFCON Slurry Infiltrated Fibers Concrete= fibras (Vf=5-20%) + cemento + humo de sílice + metacaolín o cenizas volantes. Gran tenacidad y alta resistencia. Contenedores de munición, pavimentos, hormigones refractarios,…

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2. Aplicaciones específicas

Elementos de lámina delgada– No caben las barras– Contenido elevado de fibras (> 5% en volumen)– Las fibras mejoran la resistencia y tenacidad

Componentes que soportan localmente cargas o deformaciones elevadas– Escudos de protección en túneles– Estructuras resistentes a explosiones y vibraciones– Pilotes prefabricados para hincar

Componentes con control de fisuración– Forjados, soleras, pavimentos– Funciona como refuerzo secundario

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Pavimentos Suelos industriales Bases de carros de combate, hangares, recintos protegidos de

impactos de metralla y proyectiles Hormigón proyectado (gunita),

en revestimientos de túneles y galerías de minas

Láminas Cubiertas Tuberías Prefabricados Paneles Muros cortina Losas de cimentación Capa de compresión de tableros de puentes Elemento de contención de vehículos Elementos de protección frente a impactos

GFRC Trillium Building WoodlandHills, California

2. Aplicaciones

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2. Aplicaciones específicas

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2. Aplicaciones específicas

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Índice

1. Perspectiva histórica2. Generalidades3. Características de las fibras4. Modelización mecánica5. Propiedades del Hormigón Reforzado con Fibras

de Acero6. Dosificación y fabricación7. Otros hormigones reforzados con fibras

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Inorgánicas: fibra de vidrio, fibra de carbono

Orgánicas: vegetales y sintéticas

Metálicas: acero, acero inoxidable y acero galvanizado– Obtención a partir de corte de

alambre trefilado de acero de bajo contenido de carbono, corte de láminas de acero, o arrancamiento en caliente (virutas)

– Para mejorar la adherencia: ondulaciones, corrugas, extremos conformados, ganchos,…

3. Clasificación de las fibras

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3. Requisitos mecánicos

Resistencia a tracción mayor que la matriz Deformación en rotura mayor que la matriz Módulo de deformación: mejor respuesta en

sección compuesta para mayores rigideces Coeficiente de Poisson: similar a la matriz

– Coeficientes de Poisson mayores en las fibras inducen tracciones

Adherencia con la matriz Fluencia controlada

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3. Requisitos geométricos

Relación L/D adecuada Forma y textura adecuadas Tamaño proporcionado al grano de la matriz Estructura filamentosa

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3. Requisitos físico-químicos

Durabilidad– Atención a ambientes agresivos– Posible uso de fibras galvanizadas o inoxidables

en ambientes con cloruros (III, IV)– Estudio específico en ambientes químicos

agresivos

Ausencia de toxicidad

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3. Propiedades de diversas fibras

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3. Tenacidad e índice de tenacidad

UNE 83510:2004

Factor de Tenacidad: Área bajo la curva carga-flecha en ensayo a flexotracción, hasta flecha= (luz /150) entre apoyos

Índice de Tenacidad, I30: Área bajo la curva carga-flecha en ensayo a flexotracción, hasta flecha=15.5 veces flecha 1ª fisura/ Área bajo la curva carga-flecha en ensayo a flexotracción, hasta flecha de 1ª fisura

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3. Tenacidad e índice de tenacidad

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3. EHE-08: resistencia a flexotracción

Ensayo sobre probeta prismática de 150 mm x 150 mm x 600 mm a 28 días– FL: límite de proporcionalidad fct,fl– F1: abertura de fisura 0.5 mm fR,1

– F3: abertura de fisura 2.5 mm fR,3

– fct,fl Resistencia a flexotracción– fR,1 resistencia residual a flexotracción 1– fR,3 resistencia residual a flexotracción 3

fR,1 > 0.40fct,fl ; fR,3 > 0.20fct,fl

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3. EHE-08: resistencia a flexotracción

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3. EHE-08: tipificación

Designación:T - R / f – R1 – R3 / C / TM - TF / A

– T: Tipo {HMF, HAF, HPF}– R: Resistencia característica en N/mm2

– F: Tipo de fibras {A, P, V}– R1, R3: Resistencias fR,1,k ,fR,3,k en N/mm2

– C: Consistencia– TM: Tamaño máximo de árido en mm– TF: Longitud máxima de fibra en mm– A: Ambiente

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3. HRF: Normativa española EHE-08 (dentro de su campo de aplicación): ANEJO 14

UNE-EN 14651: Ensayo de flexotracción (límite de proporcionalidad, resistencia residual)

UNE-EN 14889-1:2008. Fibras para hormigón, Parte 1 : Fibras de acero. Definiciones, especificaciones y conformidad.

UNE-EN 14889-2:2008. Fibras para hormigón, Parte 2 : Fibras poliméricas. Definiciones, especificaciones y conformidad.

UNE 83501:2004 a 83514:2005: Ensayos en hormigones con fibras de acero y/o polipropileno

– Toma de muestras y medida de docilidad– Fabricación, conservación y tratamiento de probetas– Ensayos mecánicos– Determinaciones de contenidos de fibras

Importante verificar contenido en cloruros de materiales componentes para evitar corrosión de las fibras

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Índice

1. Perspectiva histórica2. Generalidades3. Características de las fibras4. Modelización mecánica5. Propiedades del Hormigón Reforzado con Fibras

de Acero6. Dosificación y fabricación7. Otros hormigones reforzados con fibras

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Relaciones tensión deformación en fase elástica para materiales formados por matriz + partículas. Dos modelos:En paralelo (máximo) En serie (mínimo)

Vm = volumen de matriz; Em = módulo de la matrizVp = volumen de partículas; Ep = módulo de partículas

4. Comportamiento general de materiales compuestos

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Aumento de resistencias (tracción, compresión) respecto a la matriz

Rotura por deslizamiento de fibras “pull-out”

Fragilidad

4. Efecto de las fibras cortas

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Aumento de resistencias (tracción, compresión) respecto a la matriz

Proporcionan efecto compuesto Las fibras se encuentran ancladas de

forma efectiva en la matriz Las fibras transmiten la mayor parte de la

carga No se evita la fisuración de la matriz Se limita la abertura de fisuras, fisuración

repartida Se reparte el daño y la disipación de

energía de forma uniforme en todo el elemento

Proporcionan ductilidad al material

4. Efecto de las fibras largas

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Equilibrio de fuerzas:

Equilibrio de deformaciones:

REGLA DE MEZCLAS:

4. Modelo de Voight (paralelo) para las fibras cortas

Fc

Fc

c m fF F F c c f f m mA A A

c c c f f f f m mE A E A E A

c f m

c c f f m mE A E A E A f m

c f mc c

A AE E E

A A

C f f m mE E V E V

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4. Modelo de Voight (paralelo) (2)

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4. Modelo realista para HF

Ec = Módulo compuesto Ef = Módulo fibra Vf = Fracción volumétrica de fibra Em = Módulo matriz Vm = Fracción volumétrica de matriz K = factor de eficiencia de la fibra

c f f m mE KE V E V

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4. Rotura del material compuesto

Se considera que el material falla cuando falla uno de sus componentes (eg la fibra)

f ultf ult

fE

1

Tc f c f f f m mult ultult

f f f m fult ult

E V E V E

V E V

m ultm ult

mE

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4. Rotura del material compuesto (2)

Si la cantidad de refuerzo es demasiado baja, es posible que la resistencia a tracción del compuesto sea inferior a la de la matriz sola: Vf,crit

, ,1m c f f crit f m f critult ult ult ultV E V

,

m f mult ultf crit

f f mult ult

EV

E

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4. Respuesta del material compuesto (1)

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4. Respuesta del material compuesto (2)

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4. Relación tenso-deformacional del HF

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4. Efecto de la longitud de la fibra corta

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Para

4. Tensiones medias en la fibra. Eficiencia de la longitud de la fibra

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4. Mejoras del anclaje y de la fibra

Se intenta reducir al máximo lc para aumentar la eficiencia de la fibra añadida

Además se aumenta la resistencia a tracción de la fibra

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4. Ecuaciones de diseño ACI

Tensión en primera fisuración (MPa)

Tensión última en flexotracción (MPa)

0.843 2.93 /cf r m ff V V l d

0.970 3.41 /cu r m ff V V l d

fr = tracción en la matriz (módulo de rotura en flexotracción), MPa

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4. Ecuaciones de diseño ACI

Momento último en Dominio 3

2 2 2 2n s y t

a h e aM A f d b h e

Fbe = eficiencia adherencia (1.0 – 1.2)f = porcentaje en volumen de fibrass,fib = deformación de las fibras en el instante de agotamiento a

flexión (= f/Es con f = tracción en arrancamiento = 2.3 MPa)

,s fib cu

cu

e c

0.00772 /t be f fF l d

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4. Ecuaciones de diseño ACI 544

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4. Diagramas EHE-08: rectangular

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4. Diagramas EHE-08: multilineal

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4. Diagramas EHE-08: multilineal

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4. Diagramas EHE-08: multilineal

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1. Perspectiva histórica2. Generalidades3. Características de las fibras4. Modelización mecánica5. Propiedades del Hormigón Reforzado con Fibras

de Acero6. Dosificación y fabricación7. Otros hormigones reforzados con fibras

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5. Resistencia a compresión/deformación última en función de Vf

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5. Efecto del aspecto (L/D) de la fibra en la resistencia a compresión

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5. Aumento de la ductilidad, en función de Vf

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5. Aumento de la resistencia a tracción con la reducción del espacio entre fibras

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5. Aumento de la tenacidad en función de Vf

Flexión

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5. Deformación última a compresión

45 MPa

22.5 MPa

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5. Deformación última a compresión

45 MPa

22.5 MPa

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5. Comportamiento a flexotracción

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5. Comportamiento a flexotracción

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5. Comparación con otros hormigones

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5. Fibra de carbono

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5. Comparación con fibra de vidrio

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5. Otros efectos de las fibras metálicas en el hormigón

Mejora de comportamiento a cortante de hormigón con fibras, reducción de armadura a cortante

Aumento de resistencia al impacto: energía disipada= 40-100% superior a HC

Mejora de comportamiento a fatiga a flexión Mejora de la adherencia de las armaduras Menor tendencia a fisuración por splitting Mayor energía de fractura: área bajo la

curva F-desp. del ensayo a tracción directa

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Índice

1. Perspectiva histórica2. Generalidades3. Características de las fibras4. Modelización mecánica5. Propiedades del Hormigón Reforzado con Fibras

de Acero6. Dosificación y fabricación7. Otros hormigones reforzados con fibras

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6. Composición del hormigón con fibras (HF)

Cemento Portland Agua: agua potable, analizar componentes

que puedan causar corrosión de fibras. Áridos: conveniente empleo de arena

rodada. Preciso mayor contenido en finos. Tmáx< 20 mm

Fibras continuas ó discontinuas Aditivos superfluidificantes Aditivos aireantes: hormigones sometidos a

hielo-deshielo

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6. Principales parámetros de las fibras de acero

Material (acero, densidad= 7850 kg/m3) Geométricos:

– Sección transversal– Diámetro real o equivalente, D– Longitud, L– Esbeltez o índice de aspecto: L/D

Mecánicos– Resistencia a tracción– Ductilidad

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Propiedades recomendables de las fibras:– Longitud de fibra 12.5 mm – 62.5 mm: > 1.5 Tmax árido,

ideal 2 Tmáx– Secciones transversales habituales

Canto 0.25-1 mm Ancho 0.5-1 mm 0.5-1 mm de diámetro

– Diversas formas de anclaje de las fibras en la matriz

Principales parámetros de diseño:– Esbeltez o índice de aspecto L/D: 40-100– Fibras de acero: fmax= 345 MPa > 310 MPa, hasta 1100 MPa– Vf (%), volumen de fibras/volumen de hormigón– Tamaño máximo de árido recomendado =10 mm

6. Diseño de la mezcla

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6. Diseño de la mezcla Contenido de fibras, Vf = 0.35-2.0% 30-1500 kg/m3

– Hormigón proyectado: L 30 mm 40 mm (limitación de tamaño de boquilla)

Posibilidad de fibras encoladas en peines 25-35 fibras, reduce probabilidad de formación de erizos

Tipo de superfluidificante, contenido

Tipo de adiciones, contenido: microsílice=4-8%C, cenizas volantes=20-35%C

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6. Dosificación

Efecto de las fibras: áridos aciculares, reducen docilidad

Necesidad de efectuar reajustes en granulometría para mantener trabajabilidad

Punto de partida: dosificación de HC + reajustes

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Método dosificación: HC (Bolomey, de la Peña, ACI 211, Faury,…) + correcciones árido fino/árido grueso

Relación agua/cemento: HC, 0.40-0.65

Contenido de cemento: C, 300-450 kg/m3

Contenido de pasta: 35-45% de Vtotal (25-35% en HC)

Granulometría de los áridos– Contenido en arena superior al HC para conseguir buen recubrimiento

de fibras– A mayor Vf reducir Tmax

Cantidad de fibras: Vf =0.25-0.75<2% (20-60 kg/m3 , <160 kg/m3)

Aditivo superfluidificante: 0.5 – 3% en peso de cemento, según especificaciones

Adiciones: cenizas volantes y humo de sílice aumentan resistencia a compresión, durabilidad

6. Parámetros de dosificación

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SECUENCIA AMASADO: PREMEZCLA EN SECO

– Arena 30s– Cemento 60s– Gravilla (D=12) 60s– Agua 60s– Aditivo 60s– Fibras 60s

6. Secuencia de amasado

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Método Bolomey, ajuste compensando áreas, con finos en exceso

Cemento 400 kg/m3

Agua 205 kg/m3

Arena caliza 1310 kg/m3

Gravilla granítica 6-12 488 kg/m3

Superfluidificante (Melcret222) 12.3 kg/m3

Fibras 35 kg/m3

Consistencia: plástica a blandaResistencia en probeta cúbica: 45 MPaResistencia brasileño: 3.7 MPa

6. Ejemplo de dosificación laboratorio ETSICCP

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Vista lateral Vista interior

6. Mezcladoras

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6. Propiedades del hormigón fresco

Consistencia: equivale a la “cohesión” Consistencia seca-plástica-blanda-fluida (EHE)

Docilidad: aptitud del hormigón de adaptarse a la forma del molde, con cierta compactación previa, sin perder homogeneidad

Homogeneidad: propiedad del hormigón por la cual este presenta las mismas propiedades en cualquier parte de su masa

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Problemas en cuanto a la homogeneidad – Segregación: separación de componentes, por

diferente densidad. Viscosidad de pasta reduce riesgo pero aumenta aire ocluido. Compactación reduce aire ocluido.

– Exudación: exceso de agua, arrastre a superficie

– Formación de bolas y erizos. Causa: exceso de fibras, defecto de fracción fina de árido, amasado o transporte excesivo, fibras demasiado esbeltas, introducción incorrecta de fibras

6. Propiedades del hormigón fresco

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Determinación de la consistencia– Cono de Abrams: no adecuado cuando consistencias secas

o plásticas. Al no contemplar vibrado, no es un método adecuado para HRFA

– Cono invertido (UNE 83503): se mide el tiempo necesario para que el volumen de hormigón contenido fluya por la boca de menos diámetro del cono, sometido a vibración interna. Mide indirectamente la docilidad de la masa.

– Consistómetro VeBe (UNE 83314). Se mide el tiempo que tarda en perder su forma una masa de hormigón enmoldada en el cono de Abrams, sometida a vibración exterior. Poco manejable para uso en obra.

6. Propiedades del hormigón fresco

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Propiedades del hormigón endurecido: efecto de las fibras,respecto a HC

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1. Perspectiva histórica2. Generalidades3. Características de las fibras4. Modelización mecánica5. Propiedades del Hormigón Reforzado con Fibras

de Acero6. Dosificación y fabricación7. Otros hormigones reforzados con fibras

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7. Fibras de asbesto

Buenas características mecánicas Buena manejabilidad

– Las fibras se dispersan con facilidad– Las imbricaciones se diluyen en el agua– El cemento envuelve bien las fibras

Toxicidad en el ser humano Coste reducido

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7. Fibras de vidrio

Obtenidas por hilado en masa o soplado:– Fibra muy corta, de 1 a 10 mm de longitud– No se separan en agua– El cemento no penetra bien en el tejido– Lana de vidrio: se emplea como aislamiento

Obtenidas por hilado de fibras individuales– Mejor manejabilidad– Buenas características mecánicas

Dosificación orientativa: 5% en peso de hormigón

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7. Fibras de vidrio: reacción álcali-silicato

El vidrio eléctrico (Vidrio-E) reacciona con los álcalis del cemento.

Soluciones:1. Sustitución del cemento Portland por

aluminoso: NO2. Modificación de la composición de fibras

– Desarrollo de vidrios con circonio (vidrio-AR, vidrio-S)

3. Impregnación de fibras– Resinas epoxi– Resinas de poliuretano

Page 44: Concreto reforzado con fibras de acero

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7. Fibras de vidrio: aplicaciones

Edificación– Paneles de fachada o interiores tipo sandwich– Barreras antirruidos– Elementos de cubierta

Obras hidráulicas– Depósitos, elementos de piscina, drenajes,

tuberías

Obras marinas– Pontones, barcos

Obras industriales– Particiones antiincendios a base de paneles

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7. Polipropileno Polímero de bajo coste Alta resistencia química (especialmente frente a

álcalis) Alta resistencia mecánica Alta resistencia a la oxidación (previa estabilización

química) Punto de reblandecimiento ligeramente superior a

otros polímeros similares (polietileno, poliéster) Baja densidad Fácil estructuración en fibras

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7. Polipropileno (2)

Presentación:– Monofilamento (baja adherencia)– Fibrilado

Amasado– Se incorpora en la hormigonera tras mezclado del resto– Evitar tiempos largos de amasado: desmenuzamiento de fibras– Se puede emplear en proyección– No suele dar problemas de trabajabilidad

Dosificación:– Monofilamento: 0.1 – 6% en volumen– Fibrilado: 0.2 – 1.2% en volumen

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7. Polipropileno: aplicaciones

Postes prefabricados Paneles de fachada

– Sustitución de paneles con malla metálica

Pequeñas estructuras flotantes en el mar Bloques de disipación de energía en diques Hormigón proyectado en reparaciones