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MÉTODOS DE PRUEBA PARA EVALUAR LA RESISTENCIA RESIDUAL, ABSORCIÓN DE ENERGÍA Y AGRIETAMIENTO POR CONTRACCIÓN PLÁSTICA DE CONCRETO REFORZADO

CON FIBRAS

Carlos Aire1

RESUMEN

Las fibras juegan un papel importante como material de refuerzo en el concreto. Las fibras proporcionan al

concreto la ductilidad necesaria para absorber una cantidad importante de energía antes de la falla. También,

incrementan algunas propiedades, como la resistencia a la propagación de grietas, la resistencia residual post-

agrietamiento, la capacidad de resistir gran deformación, y la resistencia a tensión, a flexión e impacto.

Existe numerosa investigación sobre la generación de conocimiento en relación al comportamiento de estos

concretos y a su uso en numerosas aplicaciones. Si bien este aporte de investigación es de gran significado

para el uso sistemático del concreto reforzado con fibras (CRF), existen algunos temas que deben estudiarse

con mayor profundidad, para la generación de mayor conocimiento hacia la incorporación de estos concretos

para su ejecución y explotación en las obras de concreto.

Un aspecto fundamental del comportamiento mecánico del CRF es el comportamiento a tensión, el cual puede

relacionarse con los mecanismos de fallo de adherencia y de interface friccional que se desarrollan a lo largo

de la interface de la matriz y las fibras. La resistencia de fractura a tensión se puede caracterizar mediante la

relación entre la tensión y la respuesta de la abertura de grieta. Otro parámetro de interés que caracteriza el

comportamiento del CRF es la absorción de energía, parámetro que se calcula integrando el área que encierra

la curva carga vs desplazamiento obtenida a partir de ensayos. Contra mayor sea la absorción de energía de la

muestra, mayor será su capacidad de soportar una carga en el estado de agrietamiento.

En lo que se refiere al control de calidad del CRF existen diferentes métodos de prueba para evaluar el

comportamiento de resistencia residual y absorción de energía. Entre estos podemos distinguir dos grupos: los

ensayos de vigas (ASTM C1609), en los que una viga (b 150 × h 150 × l 600 mm) se ensaya a flexión; y los

ensayos de panel, para evaluar la capacidad de las fibras en las dos direcciones del plano. De los ensayos de

panel destacan por su mayor difusión el ensayo de la norma europea EN14488, el panel de sección cuadrada (l

600 × a 600 × h 100 mm) y el ensayo de la norma americana ASTM C1550, el panel de sección circular (ϕ

800 × e 75 mm). En la actualidad, una nueva alternativa para evaluar la tenacidad y resistencia residual del

CRF es el ensayo de doble punzonamiento (norma española UNE 83515), en cilindro (h 150 × ϕ 150 mm).

Con respecto al agrietamiento por contracción plástica, aunque se sabe que las fibras reducen este

agrietamiento, no hay un método estándar para evaluar la eficiencia de las fibras en el control del

agrietamiento. El método más común es usar un especimen tipo anillo (ACI 544.2R), en la cual un anillo de

concreto con restricciones es moldeado y sometido a condiciones de secado para inducir el agrietamiento. El

ambiente de secado se mantiene a una temperatura de 20°C, humedad relativa de 40% y viento a una

velocidad de 4 m/seg. Se registra las longitudes y anchos de grieta resultantes.

Este trabajo presenta una revisión de los principales métodos de prueba que se emplean para caracterizar el

comportamiento del concreto reforzado con fibras y los parámetros más representativos de cada ensayo.

Además, se presenta resultados de ensayos de la implementación en el Instituto de Ingeniería de la UNAM de

los métodos tradicionalmente empleados en México para determinar las propiedades de resistencia residual,

absorción de energía y agrietamiento por contracción plástica.

1 Académico UNAM, Instituto de Ingeniería, Av. Universidad 3000 Circuito escolar s/n. Ingeniería Estructural 3-217.

Ciudad Universitaria. 04510 Coyoacán. Mexico DF; Teléfono: 56233600 ext 8435; [email protected]

mailto:[email protected]

XX Congreso Nacional de Ingeniería Estructural Mérida, Yucatán 2016.

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ABSTRACT

TEST METHOD TO EVALUATE THE RESIDUAL STRENGTH, ENERGY ABSORPTION AND PLASTIC SHRINKAGE CRACKING OF FIBER REINFORCED CONCRETE

Fibers play an important role as a reinforcing material in concrete. They provide the ductility need in concrete

to absorb a significant amount of energy before failure. That is, they improve certain properties, such as crack

propagation, resistance, impact resistance, improve tensile strength, provide residual flexural strength (post-

crack) and the ability to support large deformations.

A significant amount of research haves been conducted on Fiber Reinforced Concrete (FRC) behavior and its

applications. However, as an innovative technology, there are related subjects that require deeper analysis in

order to increase the use of FRC.

Tensile behavior is the main feature of FRC. It highly depends on the fiber mechanical properties and the

anchorage with the concrete matrix. Tensile failure resistance can be determined by using the tensile strength

related to the crack opening. Energy absorption is another important parameter that characterizes FRC

behavior. It is calculated by integrating the area under the load vs axial displacement curve, which is obtained

during the test. The higher the energy absorption, the higher the structure capacity to resist loads after

cracking.

With regards to FRC quality control, there are different test methods to evaluate the residual strength and

energy absorption characteristics. Two groups can be distinguished: beam and panel tests. The beam test as

per ASTM C1609 evaluates the flexural behavior considering a specimen of w 150 × h 150 × l 600 mm. The

panel tests evaluate the fibers capacity in two directions. The most known are the one proposed by the

European Standard EN14488, which considers a square panel (l 600 × l 600 × h 100 mm), and the one

proposed by the American Standard ASTM C1550! Which considers a round panel (φ 800 × e 75 mm). At

present, a new test method known as the Barcelona test, has been developed to determine toughness and

residual strength of FRC. It has been adopted by the Spanish Standard under the UNE 83515 and consists of a

double punch test of a cylinder specimen (h 150 × φ 150 mm).

Referring to plastic shrinkage concrete, although, it is well known the role of the fibers to reduce plastic

shrinkage cracking, there is no standard test method to evaluate the effectiveness of the fibers in controlling

shrinkage induced cracking. The most commonly method of plastic shrinkage testing using a ring type

specimen is used (ACI 544.2R). In this method, a fiber reinforced concrete rings is casting on a restrained ring

apparatus and the assembly is subjected to a drying environment to induce cracking. The drying environment

at a constant relative humidity of 40%, a constant temperature of 20°C and a constant wind velocity of 4 m/s

is studied. Length and widths of the resulting cracks on the ring specimens is monitored.

This paper present a review of the main test methods to evaluate FRC and the parameters that characterize its

behavior. Besides, results of the implementation of those methods in Mexico by the UNAM Engineering

Institute are presented.


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INTRODUCCIÓN Los métodos de prueba tradicionales para caracterizar el comportamiento del concreto reforzado con fibras

(CRF) se basan principalmente en vigas con cargas que se aplican al centro o a los tercios del claro entre

apoyos, y los parámetros que se obtienen son la resistencia a la primera grieta y resistencia a falla por flexión.

Sin embargo, existen otros tipos de ensayo que se usan para caracterizar el CRF.

Para evaluar el agrietamiento por contracción plástica del CRF, existen varios métodos de prueba: el ensayo

de vigas, de losas y de anillos. De los tres, el ensayo tipo anillo (ACI 544.2R) es usado con mayor frecuencia

por los investigadores porque proporciona una restricción constante y los resultados son consistentes.

A continuación se describen los diferentes métodos de prueba para caracterizar el comportamiento del CRF

mediante ensayos de tensión directa, tensión indirecta y flexión. También, se presenta el ensayo de anillos

para evaluar el agrietamiento por contracción plástica del CRF. Se describe brevemente la metodología y los

parámetros más representativos de cada tipo de ensayo. Finalmente, se presenta el método conocido como

Ensayo Barcelona y resultados de investigaciones experimentales aplicando varios de estos métodos de

prueba que han sido implementadas en el Instituto de Ingeniería de la UNAM.

ENSAYOS A TENSIÓN

El desempeño más importante del CRF es probablemente el de tensión. Sin embargo, un ensayo a tensión

axial es difícil de realizar, sobre todo si se requiere conocer la respuesta en el post-pico. Hay numerosos

estudios donde se evalúa el ensayo de tensión axial, sin embargo, no hay consenso acerca del método de

ensayo para evaluar el comportamiento bajo tal condición de carga. La resistencia a tensión del CRF se

caracteriza mediante la respuesta de la abertura de grieta y la absorción de energía, que se obtiene integrando

el área bajo la curva carga-desplazamiento.

ENSAYOS DE TENSIÓN DIRECTA

El ensayo de tensión axial es el método más directo para determinar las propiedades del CRF, sin embargo, es

un ensayo de difícil aplicación. El método de prueba consiste en ensayar a tensión un cilindro hasta llegar a la

rotura. La figura 1 muestra un esquema típico del ensayo de tensión axial, sin embargo, existen otros

procedimientos que a continuación se describen brevemente.

Figura 2.1 Ensayo de tensión uniaxial

Especímenes en forma de hueso de perro (Dogbone specimens)

El ensayo consiste en una probeta en forma de hueso (dogbone), como se muestra en la figura 2. La forma de

la geometría sirve para condicionar que la grieta se presente en la parte central de la probeta y lejos de los

apoyos. Es un ensayo estable, siempre que la rotura no sea demasiado frágil y las grietas sean distribuidas. Si

se presenta una única macro grieta, el ensayo es inestable en el post-pico. Durante el ensayo se registra la

deformación axial mediante LVDTs que se colocan en la sección reducida.


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Figura 2 Ensayo de tensión axial tipo hueso

Especímenes con ranuras

El ensayo de especímenes con ranura perimetral tiene la finalidad de forzar la aparición de la grieta a lo largo

de la ranura. El ensayo se utiliza para obtener la respuesta a tensión del CRF versus relaciones anchos de

grieta, a partir del cual se puede calcular la energía de fractura, una medida fundamental para estimar la

resistencia del material. Los más empleados son probetas cilíndricas en lugar de prismáticas por la facilidad

de fabricación, y además se pueden obtener de núcleos de elementos construidos (ver figura 3). La prueba

permite cuantificar la relación tensión-abertura de grieta, que se considera como una propiedad mecánica de

fractura del material. En este tipo de especímenes, la preparación de los cilindros es un proceso complicada,

por el tiempo, esfuerzo considerable, y de requerir fijaciones especiales para adherir la muestra a la máquina

de ensayo. Generalmente, se instrumenta mediante strain gages o extensómetros que miden la abertura de

grieta sobre la ranura sobre el cual se realiza el control del ensayo.

Figura 3 Ensayo de tensión axial con ranura

En 2001, la RILEM TC 162 hizo una recomendación para determinar la relación tensión-abertura de grieta

basada en ensayo de cilindro con ranura, (ver figura 4). Es un ensayo estable y representativo del

comportamiento a tensión del CRF. Un estudio sobre la variación de los resultados debido al material no

revela una tendencia relativa al cambio en la dosis de fibra con el cambio en el nivel de la variación en

concretos sin fibra. Sin embargo, la variabilidad en los resultados de cilindros de CRF es relativamente alto,

entre 30% y 50% (Barr y Lee, 1998). Aunque hay dificultades durante la realización de las pruebas, este

ensayo de tensión axial es un ensayo que permite determinar propiedades de fractura del concreto.


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Figura 4 Ensayo de tensión axial con ranura Rilem TC 162

TENSIÓN INDIRECTA

Debido a que lo ensayos de tensión directa son complejos y difíciles de realizar, ha impedido su uso general.

Por esta razón, se han propuesto otros tipos de ensayos indirectos que a continuación se describen.

Ensayo Brasileño

Es un procedimiento ampliamente conocido y aceptado para determinar en forma indirecta la resistencia a

tensión axial del concreto. Se puede realizar en probetas cilíndricas, moldeadas o testigos. Además, es un

procedimiento muy simple y ha sido especificado por varias normas, como la ASTM C496, UNE 83306 y

RILEM CP C6.

El ensayo consiste en aplicar una carga de compresión sobre la probeta cilíndrica, la cual soporta dos fuerzas

concentradas diametralmente opuestas que produce una distribución uniforme de tensiones transversales a lo

largo del eje de carga, causando la rotura a tensión de la muestra (ver figura 5). El ensayo se realiza

generalmente por control de carga, porque es inestable bajo control de desplazamiento, por el aplastamiento

de la probeta en la zona de carga y la dificultad de medir la abertura de grieta a lo largo de toda la longitud de

la probeta.

Con el propósito de solucionar los problemas del ensayo Brasileño, Carmona et al. (1998) propusieron

mejoras al método que consiste en reducir la longitud de la muestra y limitar el área de carga, con el fin de

mantener un ancho constante durante todo el ensayo (ver figura 5b). El ensayo se realiza en un sistema de

control de lazo cerrado (servo-controlado), que usa el desplazamiento de abertura de grieta como variable de

control durante el ensayo. Es un ensayo estable, sin embargo, resulta complejo y poco adecuado para usarse

como ensayo sistemático de control.

a) Ensayo Brasileño b) Ensayo Brasileño modificado

Figura 5 Ensayo de tensión indirecta, ensayo Brasileño


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Ensayo de especímenes tipo Cuña (Wedge-Splitting Test)

El ensayo de la cuña o Wedge-Splitting Test, es un procedimiento para caracterizar el comportamiento a

fractura en tensión de CRF que se realiza en probetas prismáticas con ranura. Durante el ensayo una cuña

carga progresivamente un prisma de CRF, previamente ranurado (ver figura 6). Al descender la cuña produce

en el prisma un desplazamiento de abertura lateral de la ranura que origina la grieta la que se extiende de

manera estable. Aunque, la aplicabilidad de este ensayo para determinar las propiedades de fractura del CRF

está en discusión, recientemente, se utilizó para hallar la capacidad de absorción de energía en CRF. Otro

estudio comparativo usando el método de la cuña y el de flexión a tres puntos siguiendo (RILEM TC-162

TDF) demostró la aplicabilidad del ensayo de la cuña por su menor dispersión. A pesar de que este ensayo ha

sido exitoso para determinar las propiedades de fractura de concretos convencionales, no hay mucha

información disponible para el caso de los CRF.

Figura 6 Ensayo de tensión indirecta: Cuña o Wedge-Splitting Test

Ensayo de Doble Punzonamiento

El ensayo de doble punzonamiento se introdujo como una herramienta para evaluar indirectamente la

resistencia a tensión del concreto simple (Chen, 1970, 1972, 1980). Fue presentado como una alternativa al

ensayo Brasileño, que era el ensayo típico para determinar la resistencia a tensión indirecta del concreto. El

ensayo consiste en aplicar una carga de compresión sobre un cilindro de concreto mediante dos punzones

circulares de acero centrados en la parte superior e inferior del cilindro. La altura y diámetro del cilindro es de

150 mm, y la relación entre los diámetros de los punzones y el cilindro es de 1/4, es decir, 3.75 cm (ver figura

7). Estudios realizados en probetas más pequeñas con idénticas proporciones geométricas muestran que los

resultados de tensión determinados por este método son poco sensibles al tamaño de la muestra.

El control del ensayo se puede realizar por posición del plato de carga, o utilizando la abertura circunferencial

de la probeta, medida mediante una cadena que se coloca en la parte central de la probeta a media altura,

como se muestra en la figura 7b. La figura 8 muestra un diagrama carga-deformación circunferencial típica de

un ensayo Barcelona


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a) Esquema b) Configuración c) Falla típica

Figura 7 Ensayo de tensión indirecta: Probeta del ensayo de doble punzonamiento

Un mecanismo de falla típico presenta tres planos de fractura radial. Sin embargo, es posible encontrar planos

de falla entre dos y cuatro. El patrón de falla final son dos fracturas en cono bajo cada punzón, como se

muestra en la figura 7c. Una de las ventajas de este ensayo es que se puede realizar en una prensa

convencional para rotura de probetas a compresión. El procedimiento de ensayo es de gran facilidad

comparado con los métodos presentados anteriormente. Además, requiere de una prensa de menor capacidad

porque las cargas de rotura son de reducida magnitud. El volumen de concreto necesario es menor en

comparación con otros métodos que se basan en vigas o paneles de sección cuadrada o circular, lo que

significa un ahorro de material y facilidad del manejo de la probeta. Además, las probetas no requieren

preparación (no requiere cabeceo con azufre) y la carga se aplica directamente sobre la superficie de las caras

del cilindro. Otra ventaja asociada es poder usar muestras provenientes de extracción de estructuras

existentes.

Existen diferentes ecuaciones para el cálculo de la resistencia a tensión del concreto en el ensayo de doble

punzonamiento. Saludes et al. (2007) propusieron la expresión (1), donde fct es la resistencia a la tensión, P es

la carga de rotura, h (l/2) es la altura de la probeta, y a (d’/2) es el radio del punzón que aplica la carga sobre

el cilindro.

(1)

Esta expresión tiene la ventaja de que acepta la fractura de la probeta y por lo tanto permite su uso para el

cálculo de la resistencia última en cuerpos fisurados. Además, no depende del número de grietas que se

formen en el cuerpo y se puede usar para el análisis en el rango post-agrietamiento de los concretos

reforzados con fibra (Mora, 2008).

Figura 8 Diagramas de carga y energía vs deformación circunferencial


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ENSAYOS DE FLEXIÓN

Los ensayos de flexión son los más usados para caracterizar los CRF. Generalmente, se realiza en vigas y

paneles de sección cuadrada o circular: Normalmente se determina la resistencia a primera grieta, la

resistencia a rotura por flexión y la resistencia residual a flexión. Son ensayos más sencillos y fiables que los

ensayos de tensión directa. También se pueden realizar con vigas con ranura para evitar los problemas que

surgen al determinar la respuesta post-pico en flexión. Se usa la abertura de los labios de la ranura para

controlar la estabilidad del ensayo. Los ensayos que se realizan en vigas se apoyan en rodillos situados al

centro o a los tercios de la luz de apoyo, y son de sección transversal cuadrada y su luz es de cómo mínimo

tres veces el espesor. A continuación se presenta los ensayos de flexión más usados.

ENSAYO DE FLEXIÓN CON CARGAS A LOS TERCIOS

El ensayo de flexión con cargas a los tercios es un procedimiento estándar regido por las normas europeas

(NBN B 15-238) y la americana (ASTM C1609).

En la figura 9 se muestra la disposición de los apoyos e instrumentación. Durante el ensayo se registra la

carga y desplazamiento en el centro de la viga. El ensayo evalúa el comportamiento carga-flecha y determina

la resistencia a primera grieta, resistencia residual y tenacidad. La resistencia a la primera grieta caracteriza el

comportamiento a flexión del CRF hasta el inicio del agrietamiento, mientras que la resistencia residual

caracteriza la capacidad residual después del agrietamiento. La tenacidad es una medida de la capacidad de

absorción de energía de la viga de ensayo y se calcula como el área bajo la curva carga-flecha. La resistencia

al primer pico, la resistencia pico y la resistencia residual determinadas por este ensayo refleja el

comportamiento del CRF bajo condiciones de carga estática.

a) Disposición de los apoyos b) Instrumentación

Figura 9 Ensayo de flexión con carga a los tercios

La figura 10 muestra un esquema de comportamiento carga-flecha y el cálculo de los parámetros de

caracterización de este método de prueba. En general, los resultados de este ensayo se pueden usar para

comparar el comportamiento de mezclas de CRF o en investigación. También pueden usarse para control de

calidad del concreto, verificar el cumplimiento de las especificaciones, obtener la resistencia a flexión de

miembros de CRF sujetos a flexión o para evaluar la calidad del concreto en servicio.


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Figura 10 Curva carga-flecha y los parámetros del ensayo de flexión con carga a los tercios

ENSAYO DE FLEXIÓN EN TRES PUNTOS

El ensayo de flexión en tres puntos se realiza en vigas con ranura de CRF donde el comportamiento está

regido únicamente por el agrietamiento. El ensayo se puede realizar en vigas de 100 × 100 × 400 mm o 150 ×

150 × 600 mm con ranura central de 25 mm de profundidad. De acuerdo con la norma europea EN 14651 la

viga debe tener un ancho y profundidad nominal de 150 mm y una longitud L de 550 ≤ L ≤ 700 mm. La viga

se somete a flexión en tres puntos, con una luz igual a tres veces el canto de la viga (ver figura 11). La

deformación se localiza en el extremo de la ranura y con la propagación de la grieta en una zona adyacente a

la grieta. El ensayo se realiza por control de abertura de grieta (CMOD), el cual asegura la estabilidad. La

carga y flecha se registra durante todo el ensayo. Para el registro de las deformaciones se coloca dos

extensómetros como se muestra en la figura 11b.

La figura 12 muestra un diagrama típico de carga-CMOD. Los valores de resistencia residual se determinan

para los valores de CMOD de 0.5, 1.5, 2.5 y 3.5 mm.

La ventaja de este ensayo es que es simple y que el control del CMOD asegura la propagación estable de la

grieta, incluso para concreto masivo. La curva carga-CMOD o carga-deflexión se puede usar para calcular las

relaciones tensión-deformación o tensión-ancho de grieta.

a) Apoyos b) Configuración del ensayo

Figura 11 Ensayo de flexión en tres puntos


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Figura 12 Curva carga-CMOD del ensayo de flexión en tres puntos

ENSAYO DE PANEL

Una alternativa al ensayo de resistencia a flexión basado en vigas es el ensayo de paneles, que pueden ser de

sección cuadrada o circular.

Panel de sección cuadrada -EN14488-5

El ensayo de panel ofrece una mayor fiabilidad en el CRF que con vigas, aunque es un procedimiento que

presenta algunos problemas. En la figura 13 se muestra dos configuraciones del ensayo de panel cuadrado.

El ensayo de panel cuadrado es el procedimiento de evaluación basado en paneles más extendido. El ensayo

consiste en aplicar una carga central puntual en un panel de 100 × 600 × 600 mm apoyado simplemente sobre

cuatro líneas externas situadas en una base plana cuadrada de 500 × 500 mm. El comportamiento

característico se evalúa mediante la carga máxima y la energía absorbida para una flecha central de 25 mm.

La energía absorbida se calcula integrando el área bajo la curva carga-desplazamiento, y mientras mayor sea

este valor, mayor será la capacidad del concreto de soportar carga en el estado de agrietamiento.

Una de las ventajas del panel cuadrado es la gran superficie de rotura que se obtiene al ensayar el panel, por lo

cual la dispersión de los resultados es menor. Sin embargo, presenta algunas dificultades, que se relaciona con

el problema de conseguir un panel con superficie plana. La base del panel estará apoyada totalmente sobre su

superficie si la base es plana, cuando la base no es plana, se deformará en forma impredecible, presentando

múltiples picos. Esta característica del ensayo no es atractiva desde el punto de vista de control de calidad.

Figura 13 Diferentes configuraciones del panel de sección cuadrada


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Panel de sección circular – ASTM C1550

Una alternativa al ensayo del panel cuadrado es el panel de sección circular (ASTM C1550), desarrollado por

Bernard (Bernard, 1999, Bernard y Pircher, 2001), propuesto principalmente para eliminar los defectos que

presenta el panel cuadrado. El ensayo consiste en aplicar una carga puntual central en un panel de 75 × 800 ϕ

mm, apoyada en tres puntos situados simétricamente en un diámetro de 750 mm (figura 2.14). El uso de tres

puntos de apoyo asegura que la distribución de carga al principio del ensayo esté siempre condicionada en el

panel. Los planos de agrietamiento se encuentran bien definidos, en consecuencia, se puede predecir de

manera más real la distribución de carga. El comportamiento del CRF se obtiene a través de las medidas de

capacidad de carga y absorción de energía para deflexiones especificadas de 5 a 40 mm. Sin embargo, el

comportamiento se ve afectado por el espesor del panel. El comportamiento del CRF se mide por la capacidad

de carga a la primera grieta y por absorción de energía para deflexiones centrales dados. Bajo carga puntual,

el panel casi siempre falla formando tres grietas radiales que empiezan en el centro del panel y bisecan cada

uno de los sectores no apoyados del panel. El resultado es un coeficiente de variación en los parámetros de

comportamiento de post-agrietamiento del 6 al 13%.

El ensayo de panel de sección circular es una alternativa importante sobre las vigas y sobre el panel de

sección cuadrada, ya que se elimina la fase previa del corte del panel o viga y solo necesita ser desencofrado y

esperar el tiempo de curado para ensayarlo. Otra ventaja es la simplicidad en la fabricación y en la

configuración del ensayo. Una de las desventajas que presenta el panel de sección circular es que es un ensayo

de difícil aplicación sistemática, debido al tamaño y peso del panel, que es de aproximadamente 90 kg.

Figura 14 Ensayo de panel de sección circular

ENSAYO DE DOBLE PUNZONAMIENTO – ENSAYO BARCELONA – UNE 83515

En la actualidad, existe un gran número de métodos de prueba para evaluar el comportamiento del CRF. La

gran mayoría se basa en ensayos a flexión en vigas sin y con ranura, de 32 kg de peso, el cual requiere de dos

operarios para su manipulación, al que se aplica carga al centro o a los tercios del claro, a partir del cual se

obtienen parámetros de resistencia a la primera grieta, resistencia residual y tenacidad. Además, el ensayo de

vigas requiere de un equipo sofisticado para su ejecución, el cual repercute en el costo y los resultados que se

obtienen tienen una dispersión alta. Esta poca confiabilidad da como consecuencia la no consideración de la

capacidad a tensión del CRF en el cálculo estructural, no permitiendo una mayor optimización del uso de las

fibras, lo que supone una barrera para su uso generalizado.

Con el objetivo de superar estos inconvenientes y mejorar el procedimiento para caracterizar el CRF, el

ensayo de doble punzonamiento, que fue desarrollado hace 30 años, fue retomado como medio de control del

comportamiento a tensión del CRF. Considerando lo anterior y con el fin de disponer de un ensayo adecuado

para el control sistemático de los CRF, Aguado et al. (2005) desarrollaron un ensayo de tensión indirecta

basado en el ensayo de doble punzonamiento propuesto por Chen (1970), el que se ha denominado ensayo

Barcelona (ver figura 15). Estudios recientes muestran el efecto del tipo y tamaño de la probeta en los

resultados del ensayo Barcelona (Aire et al., 2015). Se pretende que este ensayo sea un método alternativo al

ampliamente usado ensayo Brasileño para determinar la resistencia a tensión del concreto simple.


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Figura 15 Ensayo Barcelona de doble punzonamiento

Intensa investigación se ha realizado sobre la contribución del CRF en la capacidad última de miembros

estructurales, por lo cual hay necesidad de desarrollar un ensayo eficiente, fácil y fiable para sistematizar el

control de las propiedades de tensión del CRF, en particular, cuando su resistencia a tensión se toma en cuenta

en la capacidad estructural. El ensayo Barcelona (BCN) ha mostrado su eficiente aplicabilidad como método

de control sistemático del comportamiento del CRF.

IMPLEMENTACIÓN DE MÉTODOS DE PRUEBA PARA EVALUAR LAS PROPIEDADES DE POST-AGRIETAMIENTO Y DE AGRIETAMIENTO POR CONTRACCIÓN PLÁSTICA DEL CRF

Durante los últimos años se ha incrementado el uso del concreto reforzado con fibras (CRF) y concreto

lanzado reforzado con fibras (CLRF) en la Industria de la Construcción en aplicaciones de elementos y

estructuras de concreto armado. Las atractivas propiedades del CRF en aplicaciones de pisos industriales y

dovelas; y principalmente del CLRF han implicado que su uso en aplicaciones como sostenimiento de túneles,

minas, excavaciones y estabilidad de taludes, haya ido en aumento y en la actualidad el concreto lanzado es

una técnica de construcción que constituye un gran avance dentro de los procedimientos constructivos ya que

convierte la colocación y compactación del concreto en un único proceso.

En general, es conocido que la incorporación de fibras en el concreto mejora distintas vertientes de su

comportamiento como material estructural en lo que se refiere, fundamentalmente, al agrietamiento, tenacidad

y resistencia al impacto. En este sentido, la incorporación de fibras en el CLRF es interesante desde el punto

de vista de las grandes deformaciones a las que puede estar sometido el concreto en determinadas

aplicaciones (p. e., sostenimiento de túneles, estabilización de taludes, otras).

Desde el punto de vista constructivo, el uso de fibras incrementa el rendimiento y mejora la seguridad en

obra, al reducir operaciones de colocación, y costos al requerir menor espesor de capa en aquellas zonas

donde la malla no se ajuste al soporte.

En los apartados anteriores se ha presentado algunos de los principales métodos que existen para evaluar el

desempeño del CRF, principalmente para determinar la resistencia residual y tenacidad, entre los que destacan

los ensayos de vigas y los ensayos de panel. Además, en la actualidad, una nueva alternativa para evaluar la

tenacidad y resistencia residual del CRF y del CLRF es el ensayo de la norma española UNE 83515, el ensayo

de doble punzonamiento, conocido como Ensayo Barcelona.

En respuesta al interés e importante incremento del uso del CRF en el Sector de la Construcción en el Instituto

de Ingeniería de la UNAM (II-UNAM) se dio continuidad a la línea de investigación de CRF y fruto de ello

es el reciente desarrollo e implementación de los métodos de prueba para determinar la resistencia residual y

absorción de energía, y otros de interés como el ensayo de anillos para agrietamiento por contracción plástica.

El Laboratorio de Estructuras y Materiales del II-UNAM, implementó con éxito los métodos de ensayo de

flexión en vigas (ASTM C1609), de flexión en panel (ASTM C1550), y de doble punzonamiento (UNE

83515), metodologías de ensayo que se han empleado para determinar los parámetros de caracterización. A

continuación se describe brevemente los métodos de prueba para CRF implementados en el II-UNAM.


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ENSAYO DE VIGAS – ASTM C1609

Las pruebas de comportamiento a flexión en vigas se realizan de acuerdo con la norma ASTM C1609. La

prueba evalúa el comportamiento a flexión de concreto usando parámetros derivados de la curva carga-flecha

obtenida para carga a los tercios usando un equipo servo-hidráulico de lazo cerrado. Mediante la prueba se

determina la resistencia máxima calculada en el primer pico de la curva y las resistencias residuales en las

flechas especificadas en la norma.

Las vigas se ensayan a flexión con un arreglo de carga a los tercios similar al especificado en la norma ASTM

C78, pero incorporando un sistema de prueba de servo-control y de lazo cerrado. El dispositivo de carga

consiste de apoyos que aseguran que la fuerza aplicada a la viga sea perpendicular a la cara del espécimen sin

excentricidad. La altura de la viga (d) es 1/3 de la longitud de claro (L). Las vigas son de 150 × 150 × 600 mm

y L 450 mm. La prueba consiste en centrar la viga sobre los apoyos, y sobre este conjunto se coloca el sistema

de carga centrado con respecto a la carga por aplicar. Durante la prueba se registra de forma continua la carga

y flecha, y posteriormente se obtiene la curva carga-flecha a partir del cual se determina la resistencia residual

para los niveles de flecha especificados en la norma ASTM C1609.

La prueba se realiza en un marco de carga muy rígido con actuador de 500 kN y un sistema de control con

lazo cerrado. La velocidad de desplazamiento aplicada es de 0.09 mm/min, conforme lo establece la norma

ASTM C1609. La prueba finaliza cuando se alcanza una flecha de L/150 (3 mm).

Para la instrumentación se coloca dos transductores de desplazamiento tipo LVDT de 50 mm de rango, que se

coloca al centro del claro de la viga, una en cada cara. La resistencia residual se calcula a las flechas de L/600,

L/300 y L/150. La prueba también permite evaluar la tenacidad, en caso lo solicite la especificación, para lo

cual se emplea el área bajo la curva carga-flecha hasta la flecha especificada (L/150). La figura 16 muestra

una vista del montaje e instrumentación de la prueba ASTM C1609, y curvas de carga vs flecha de un

proyecto de investigación para evaluar el desempeño a tenacidad de concreto reforzado con macrofibras

sintéticas solicitadas por una empresa local fabricante de fibras para concreto.

F

150

600

75 75

150

150

150 150

F

mm

Configuración del ensayo Montaje e instrumentación de viga

Flecha

Ca

rga

Área bajo la curva carga vs flecha 0 a L/150

Resistencia Residual a una flecha de L/150

Longitud del claroCarga Pico = Carga a primer pico

Flecha en la carga pico

Resistencia Residual a una flecha de L/600

Carga Residual a una flecha de L/600

Carga Residual a una flecha de L/150

Resistencia en la carga pico

Curva característica con parámetros de cálculo Curvas fuerza vs flecha de estudio

Figura 16 Ensayo a flexión en vigas – ASTM C1609


14

ENSAYO DE PANEL – ASTM C1550

Las pruebas de tenacidad a flexión en panel de sección circular, de 75 × 800 ϕ mm, se realizan de acuerdo con

la norma ASTM C1550. La prueba permite caracterizar el comportamiento de flexión del concreto expresado

como absorción de energía en el rango de post-agrietamiento.

El panel de ensayo se apoya en los tres pivotes dispuestos simétricamente sobre un anillo circular de acero y

se aplica una carga puntual sobre el centro del panel. Durante la prueba se registra la carga y flecha de manera

continua y se obtiene la curva carga-flecha a partir del cual se puede obtener la absorción de energía.

La información de la respuesta completa carga-flecha de la prueba de tenacidad en flexión, requiere de un

equipo de prueba muy rígido y un sistema de control que permita obtener información del post-pico (post-

agrietamiento). Para esto se emplea un marco de carga con actuador de 500 kN de capacidad, controlado por

un sistema analógico de lazo cerrado que permite controlar el ensayo por desplazamiento. La velocidad de

desplazamiento que se aplica es de 4 mm/min, como lo establece la norma. La prueba finaliza cuando se

alcanza, como mínimo, una flecha de 40 mm. Para registrar la flecha se coloca un transductor de

desplazamiento tipo LVDT de 100 mm de rango, que se coloca al centro del panel. La tenacidad en esta

prueba se define a las flechas de 5, 10, 20 ó 40 mm.

De acuerdo con la ASTM C1550, se debe fabricar un mínimo de tres paneles para cada edad de ensayo. Para

considerar un ensayo exitoso, la ASTM requiere que el modo de falla del panel debe presentar tres grietas

radiales y que al menos dos de los tres paneles deben presentar este modo de falla.

La figura 17 muestra una vista de la configuración de un ensayo típico de panel de acuerdo con el ASTM

C1550, y además curvas carga vs flecha de paneles sin fibra (M3-1) y con dos diferentes dosis de fibra (M3-2

y M3-3), resultados de un estudio solicitado por una empresa fabricante de macrofibras sintéticas, interesadas

en evaluar el desempeño post-agrietamiento de sus fibras en el concreto mediante la medición de la absorción

de energía, que se calcula como el área bajo la curva carga vs flecha.

Configuración del montaje de panel

Montaje de panel Curvas carga vs flecha de estudio

Figura 17 Ensayo a flexión en panel – ASTM C1550


15

ENSAYO DE DOBLE PUNZONAMIENTO – UNE 83515

El ensayo de doble punzonamiento (DPT), consiste en someter a compresión uniaxial un cilindro de concreto

(150 ϕ × 150 H, mm) mediante dos discos cilíndricos de acero de 37.5 mm diámetro y 30 mm de altura

dispuestos concéntricamente por encima y por debajo del cilindro de ensayo. La prueba permite determinar la

resistencia máxima, residual y absorción de energía del CRF.

El control del ensayo se realiza por posición, y se registra de forma continua la carga aplicada y la abertura

circunferencial (∆ϕ) para lo cual se usa una cadena circunferencial con extensómetro. Durante el ensayo se

registra de manera continua la carga y abertura circunferencial. La carga se aplica a una velocidad de 0.5

mm/min, lo que hace que sea un ensayo rápido. El ensayo termina cuando se alcanza una abertura mínima de

6 mm, como lo especifica la UNE 83515.

Una ventaja de este método es que requiere probetas que se pueden fabricar individualmente (150 ϕ × 150 H

mm), obtener mediante corte de cilindros convencionales de 150 ϕ × 300 H mm o de extracción de testigos de

estructuras existentes. Son probetas de peso y volumen pequeño (7 kg, 3 lt), lo que representa una muestra de

fácil manejo comparado con otros métodos que emplea vigas (a 150 × b 150 × h 600 mm, 32 kg) o paneles

[sección circular (ϕ 80 × h 75 mm, 90 kg); o sección cuadrada (l 600 × a 600 × h 100 mm, 86 kg)], para

caracterizar el CRF.

La variabilidad de los resultados de resistencia a tensión presenta coeficientes de variación (CV) bastante

aceptables; del orden de 6 – 8 %. Esto confirma que la variabilidad de los resultados que se obtienen mediante

el ensayo DPT es menor que aquellos obtenidos mediante otros métodos tradicionales como el ensayo a

flexión de vigas. La repetitividad de los resultados permite consolidar al ensayo DPT como un método de

control sistemático para evaluar el comportamiento de CRF. La figura 18 muestra la configuración típica del

ensayo DPT y resultados de una amplia campaña experimental desarrollada para implementar el método DPT

con el patrocinio del Instituto de Ingeniería.

Configuración Montaje de cilindro Modo de falla

Curvas carga vs deformación del ensayo DPT

Figura 18 Ensayo de doble punzonamiento – UNE 83515


16

ENSAYO DE AGRIETAMIENTO POR CONTRACCIÓN PLÁSTICA – ACI 544.2R

Para el ensayo de agrietamiento por contracción plástica del concreto, se emplea el método del anillo

recomendado por el ACI 544.2R. El dispositivo que se emplea para la prueba de agrietamiento por

contracción plástica es similar al desarrollado por Dahl (Dahl, 1985). El equipo consiste de 2 anillos de acero

de 5 mm de espesor, con diámetros interior y exterior de 280 y 580 mm, respectivamente; y 80 mm de altura,

que se colocan sobre una superficie metálica no absorbente de 16 mm de espesor. El anillo exterior tiene

soldadas sobre su circunferencia 12 placas de acero de 5 mm de espesor, 30 mm de longitud y 80 mm de

altura, cuya función es inducir el agrietamiento.

La mezcla de concreto se vierte entre los dos anillos de acero, para formar anillos de concreto de 145 mm de

espesor y 80 mm de altura. El moldeado de anillos se realiza en una sola capa, compactado en una mesa de

vibrado durante 25 segundos. Además, se moldean cubos de concreto, que se usan para medir la pérdida de

agua durante el secado. Todo el dispositivo se coloca en un ambiente sometido a condiciones controladas de

temperatura (20°C), humedad relativa (40%) y viento (4 m/s). La figura 19 muestra un esquema del montaje

de la prueba.

Cubos de

concreto

SECCIÓN A - A

Viento

Cámara de condiciones climáticas Termómetro Higrómetro

AA

Anillo de concretoRestricciones

Calentador

Mesa de vibrado

Figura 19 Disposición de prueba para estudiar el agrietamiento por contracción plástica

El desarrollo de la prueba consiste en monitorear la aparición de las primeras fisuras y agrietamiento final de

la superficie de concreto. La prueba tiene una duración de 6 horas desde que los anillos se someten a la

condición de secado (Branch et al., 2002).

Un parámetro representativo de esta prueba es el índice de grieta. El índice de grieta se refiere al valor

promedio de todos los anchos de grieta acumulado de los especímenes ensayados. El ancho de grieta

acumulado es el promedio de la suma de los anchos de grieta medida a lo largo de dos secciones circulares

sobre la superficie superior de cada espécimen (NT Build, 1999). Las secciones circulares son dos círculos

concéntricos que se trazan sobre la superficie de concreto a una distancia de 48.3 mm una de otra. La figura

20 muestra un esquema característico del desarrollo de grietas, la ubicación de las secciones circulares y el

dispositivo de medición.

Las figuras 21 a 23 y la tabla 1 muestran la configuración típica del ensayo de agrietamiento por contracción

plástica y los resultados de una campaña experimental desarrollada para evaluar el desempeño de una fibra de

polipropileno en el control de agrietamiento, estudio realizado para una empresa fabricante de fibras para

concreto (Aire et al. 2012).


17

Grieta

Sección 1

Sección 2

145 280 48.3 48.3 48.3

Índice de grieta =∑S1 + ∑S2

2

Figura 20 Esquema del desarrollo de grietas y comparador de grietas

Tabla 1 Resultados de las mediciones de grietas (agregado de 9.5 mm)

Grieta Área Área

ID Anillo Control Reduc Ancho Índice Área Control Reduc M-%Fibra 1-2 [#] máximo fisura grieta

# % % mm mm2 % % M1-0.0% 5 - 3 100 0 0.30 0.11 32.7 100 0

M2-0.1% 2 - 1 37 63 0.20 0.07 15.0 46 54

M3-0.3% 1 - 1 25 75 0.10 0.04 5.9 18 82

M4-0.5% 0 - 0 0 100 0.00 0.00 0.0 0 100

Anillos dentro de la cámra de condicioes climpaticas Detalle de anillos y muestras de concreto para determinar la veñocidad de evaporación del agua Detalle de las secciones 1 y 2 para determinar el índice de grieta Detalle de grieta y su medición


18

Calculo del área de grietas

Figura 21 Ensayo típico de agrietamiento por contracción plástica

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0 0.1 0.3 0.5

An

ch

o d

e g

rieta

máx

imo

, m

m

Contenido de fibra, %

9.5 mm

19.0 mm

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0 0.1 0.3 0.5

Índ

ice

de

gri

eta


9.5 mm19.0 mm

Figura 22 Parámetros de referencia del ensayo de agrietamiento por contracción plástica

0

20

40

60

80

100

120

0 0.1 0.3 0.5

Áre

a d

e g

rieta

, m

m2


9.5 mm

19.0 mm

Figura 23 Influencia del contenido de fibra en la reducción del área de agrietamiento


19

CONCLUSIONES

En este artículo se presentó una descripción general de los principales métodos de prueba para evaluar el

desempeño del comportamiento de post-agrietamiento y en estado plástico del concreto reforzado con fibras.

Las propiedades características del CRF y CLRF se miden mediante parámetros de resistencia residual y

absorción de energía. Destacan entre los métodos, aquellos que se basan en el ensayo de vigas, sin embargo,

el ensayo de panel surge como alternativa de caracterización, principalmente para concreto lanzado reforzado

con fibras. También, se presentó el ensayo de agrietamiento por contracción plástica que permite evaluar la

contribución de la incorporación de fibras en la reducción del agrietamiento en estado plástico del concreto.

El ensayo de doble punzonamiento, conocido también como Ensayo Barcelona, es un ensayo alternativo al

ensayo de flexión en vigas y al de panel para determinar la resistencia a tensión y absorción de energía

(tenacidad) del CRF. Es un procedimiento sencillo que requiere de equipos convencionales para ensayo de

rotura de cilindros. Para el ensayo se emplea probetas de menor volumen comparados con otros métodos que

resultan en ahorro de tiempo de preparación y costo.

Se presentó también, los métodos de prueba que han sido implementados en el Laboratorio de Estructuras y

Materiales del Instituto de Ingeniería de la UNAM, que son: Determinación de resistencias residuales y

absorción de energía mediante los ensayos de flexión en vigas (ASTM C1609), ensayo de panel (ASTM

C1550) y el ensayo Barcelona (EN 83515); y el ensayo para la determinación del índice de agrietamiento por

contracción plástica del concreto.

Es importante destacar, que el Instituto de Ingeniería ha propuesto el desarrollo de anteproyectos de normas

nacionales NMX, basadas en los procedimientos de ensayo ASTM (C1609 y C1550) y UNE (83515), los

cuales actualmente se están revisando.

REFERENCIAS

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20

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