FIBRAS SINTÉTICAS ESTRUCTURALES EN EL HORMIGÓN. Ing. Leonardo Checmarew

Transcripción

1 FIBRAS SINTÉTICAS ESTRUCTURALES EN EL HORMIGÓN Ing. Leonardo Checmarew

2 FIBRAS SÍNTÉTICAS EN EL HORMIGÓN CARACTERÍSTICAS, NORMATIVA,ENSAYOS Y APLICACIONES ING. LEONARDO CHECMAREW ABRIL. 2017

3 HORMIGÓN REFORZADO CON FIBRAS Fiber reinforced concrete Fiber reinforced concrete is a concrete which shows improved fresh and hardened properties due to the addition of fibers. Fibers in concrete can lead to the following advantages: Improved resistance against early age shrinkage cracks Better cohesion of the fresh concrete Highly improved fire resistance Increased crack resistance Higher Impact resistance Crack bridging capacity of fibers leads to large increase of energy absorption HRF : es un hormigón al cual se han incorporado fibras durante el proceso de elaboración para mejorar sus propiedades tanto en estado fresco, como endurecido. 3

4 HORMIGÓN REFORZADO CON FIBRAS Es la forma mas antigua de reforzar morteros y pastas. Fibras de origen vegetal se han utilizado hace ya años. Cabello animal se ha utilizado tambien para reforzar pastas y morteros. 4

5 HORMIGÓN REFORZADO CON FIBRAS En 1950 se desarrolla la fibra de acero. Las primeras aplicaciones datan entre 1960 y El uso de fibras polimericas comienza en los 90. 5

6 GAMA DE FIBRAS

7 GAMA DE FIBRAS 7

8 GAMA DE FIBRAS NORMATIVA EUROPEA EN EN Fibres for Concrete - Part 1: Steel Fibres EN Fibres for Concrete - Part 2: Polymer Fibres 8

9 GAMA DE FIBRAS NORMA EUROPEA EN Clasificación de Fibras Poliméricas Clase Ia: Micro Fibras: < 0.30 mm diámetro; Monofilamento Clase Ib: Micro Fibras: < 0.30 mm diámetro; Fibriladas Clase II: Macro Fibras: > 0.30 mm diámetro 9

10 GAMA DE FIBRAS NORMA EUROPEA EN Classe 1a - Monofilamento Clase 1b - Fibriladas 10

11 GAMA DE FIBRAS NORMAS ASTM Standard Specification for Fiber-Reinforced Concrete ASTM C1116/C1116M 10a Type I Steel Fiber-Reinforced Concrete ASTM A820/A820M Type III Synthetic Fiber-Reinforced Concrete ASTM D7508/D7508M 11

12 GAMA DE FIBRAS PP Micro Fibras (d<0.30mm) PP Macro Fibras Fibras Metalicas Control de fisuracion por retraccion a edades tempranas Dosificacion: ~600g/m3 Proteccion Pasiva Contra el Fuego Dosificacion: ~2kg/m3 Absorcion de Energia en hormigón proyectado Dosificacion: 5-8kg/m3 Puenteo de fisuras en pavimentos,soleras y revestimientos de hormigón Proyectado Absorcion de Energia en hormigón proyectado Dosificacion: 25-40kg/m3 Puenteo de fisuras en pavimentos,soleras y revestimientos de hormigón proyectado. Dosificacion: 4-6kg/m3 Dosificacion: 20-30kg/m3 12

13 QUE FIBRA EMPLEAR SEGUN LA EDAD DEL HORMIGÓN Resistencia Temprana edad: Reducción de la fisuración por contracción Protección contra el fuego con Microfibras Fiber PPM Microfibra SikaFiber PPM-18 Fiber Force Incremento de la ductilidad estructural y en la absorción de energía ~10hrs 1-2 dias 28dias 13

14 MACRO FIBRAS POLIMERICAS GEOMETRIA DE LAS FIBRAS Para conseguir un buen comportamiento: Relación: Longitud / Diámetro Aspect ratio : l d f f l f d f f Relacion óptima entre 40 y l d f 14

15 Características de las Macro Fibras Propiedades: Geometría optima para el anclaje. d = 0,5/0,7mm, l/d = 65/70 con l = 35 mm. Fibras largas y de alto E para absorber valores altos de Energía. Fibras cortas y bajo E para controlar la fisuración y > ductilidad. Fibras cortas con bajo punto de fusión Protección ignifuga. Combinaciones para cubrir varios requerimientos simultaneamente 15 )

16 Características de las Macro Fibras Propiedades adicionales: Mayor resistencia al impacto. Químicamente inertes. Reduce el desgaste de bombas y tuberías Se almacenan por tiempo indefinido protegida de la humedad. Mayor resistencia a la abrasión en el hormigón. 16

17 Características del hormigón En el Hormigón: Objetivo: Incremento de la tenacidad y resistencia residual del hormigón. Control de la fisuración. Mayor durabilidad Reduce el rebote en hormigón Proyectado No se oxidan (sintéticas )

18 COMPORTAMIENTO DE LAS FIBRAS Y LA RAZÓN A/C La adherencia (fricción) entre la fibra y la matriz depende también de las características del hormigón. Con un hormigón pobre, la mejor fibra funcionara mal. Un concreto con A/C baja ofrece mejor anclaje a las fibras que uno con A/C alta. w/c~0.55 w/c~

19 CANTIDAD DE FIBRAS SEGÚN EL TIPO Tipo de fibra Dosis Cantidad de fibras 6mm PP fibers 2kg mm PP fibers 600g mm steel fibers 25kg mm PP fibers 6kg

20 APORTE DE LAS MICRO Y MACRO FIBRAS

21 APLICACIONES DE LAS FIBRAS MICRO FIBRAS - REDUCCION DE LA FISURACION TEMPRANA 21

22 APLICACIONES DE LAS FIBRAS MICRO FIBRAS PROTECCION PASIVA CONTRA EL FUEGO Full-format picture 22

23 APPLICACIONES DE LAS FIBRAS MICRO FIBRAS PROTECCION PASIVA CONTRA EL FUEGO 23 23

24 APLICACIONES DE LAS FIBRAS COMPORTAMIENTO DEL HORMIGÓN CON MACRO FIBRAS Recordemos: Los sistemas a base de cemento presentan, generalmente, un comportamiento frágil de rotura. El hormigón trabaja bien a compresión pero no a flexion, tracción o cortante. Incluso con fibra la matriz cementicea define la carga máxima 24

25 APLICACIONES DE LAS FIBRAS COMPORTAMIENTO DEL H CON MACRO FIBRAS las Ventajas en la utilización de las Macro fibras: Importante aumento de la ductilidad del hormigón, post fisuracion, medido mediante la energía absorbida = carga por deformación. La energía absorbida es representada por el área bajo la curva, se llama tenacidad del hormigón con fibras, propiedad del sistema, diferente a la propiedad del material como es la resistencia, el PUV. Resistencia residual: Capacidad de soportar cargas aún después de fisurado R 1 Control de la fisuración a largo plazo por el puenteo de fisuras 25

26 APLICACIONES DE LAS FIBRAS REDISTRIBUCION DE TENSIONES Las fisuras aparecen como consecuencia de: Retraccion Dilataciones/Contracciones termicas Cargas mecánicas La fisuracion, a unas determinadas dimensiones, compromete la Durabilidad de la Estructura Al aportar Macrofibras la fisuracion se distribuye en micro fisuras que no afectan a la Durabilidad, al tiempo que mejoran el aspecto del concreto. Macrofibras 26

27 ENSAYOS DE EVALUACION DE DESEMPEÑO

28 APLICACIONES DE LAS FIBRAS AUMENTO DE LA DUCTILIDAD 4 carga o resistencia Deflexión [mm]

29 CONCRETO REFORZADO CON FIBRAS EN SOLERAS Y PAVIMENTOS CARACTERIZACION Y ENSAYO SEGUN NORMA EN Full-format picture 29

30 SOLERAS & VIALES PROPUESTA TÉCNICA De acuerdo con CEN (European Committee for Standardization), para que una fibra sea considerada como estructural la Resistencia residual del Sistema debe alcanzar al menos 1,5 MPa a 0,5 mm (R1) y 1,0 MPa a 3,5 mm (R4). 30

31 CONCRETO REFORZADO CON FIBRAS EN SOLERAS Y PAVIMENTOS CARACTERIZACION Y ENSAYO Fiber Dosage [kg/m3] 0.00 LOP f,r1 f,r2 f,r3 f,r

32 Stress [Mpa] FIBRAS DE ACERO VS. MACRO FIBRAS POLIMERICAS RENDIMIENTO Modulus of Elasticity Steel Concrete Polypropylen Concrete Ensayo con: 25kg fibras de acero 6kg PP-macro fibras CMOD [mm] Elongation 32

33 Hormigón proyectado

34 Construcción O las condiciones de colocación Concreto Lanzado Aire Acelerante Concreto

35 HORMIGÓN PROYECTADO El hormigón proyectado se diseña como una capa delgada, que se adapta a las paredes del túnel, con capacidad de carga, resistencia al peso y tenacidad. Esto se puede lograr mediante dos formas; Malla metálica o mediante Macro fibras para reforzar a los morteros y hormigones Proyectados. Se diseña utilizando los resultados de pruebas de placas para definir la resistencia post fisuración y tenacidad El refuerzo tradicional con malla de acero : Instalación laboriosa lleva mas tiempo Riesgos durante la fijación de la malla en el túnel. Falta de adaptación al sustrato. El hormigón debe adaptarse a espesores variables. Mayor consumo de material. Procedimiento más lento y mayor costo. 35

36 ENSAYO DE PLACA, EFNARC Esta propuesta tiende a simular el comportamiento real del revestimiento. El ensayo de placa es apropiado para comparar diferentes tipos de fibras y dosificaciones Mide la energía absorbida a partir de la curva carga - deflexión. Da una idea de : Capacidad soporte de carga Absorción de energía del revestimiento ( gunita). Resistencia residual para una deflexión 25mm.

37 HORMIGÓN PROYECTADO REFORZADO CON FIBRAS ENERGIA DE ABSORCION Clases de Absorción de Energía segun EN Clases de Energia de Absorción Joules hasta w=25mm E E E

38 HORMIGÓN PROYECTADO REFORZADO CON FIBRAS ENSAYO DE PANEL CUADRADO SEGUN EN mm 100mm 600mm 38

39 HORMIGÓN PROYECTADO REFORZADO CON FIBRAS ENSAYO EN DISTRIBUCION DE FISURAS CARA INFERIOR 39

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45 TABLA DE PARAMETROS Y RESULTADOS DE ENSAYO

46 CARGA DE FLEXION Y ENERGIA ACUMULADA K (constante instrumento) 0,01 mm Energía acumulada 1051,94474 J Tiempo entre medidas 15 segundos Tiempo Lectura deflector Deflexión Carga Energía Energía Energía acumulada segundos - mm kg kgf.mm Joule Joule , ,2 3, , , ,05 5, , , ,8 7, , , ,7 9, , , , , ,45 9, , , , , , ,172 83, , ,5 13, , , ,6 31, , , ,375 29, , , ,375 28, , , ,35 31, , , ,2 39, , , , , , , , , ,6 50, ,65976

47 CARGA DE FLEXION Y ENERGIA ACUMULADA

48 Energy in Joule Force in kn HORMIGÓN PROYECTADO REFORZADO CON FIBRAS ENSAYO DE PANEL CUADRADO SEGUN EN Deformation in mm Ca. 850 Joules Joule = 0,0098Kg. mm Deformation in mm 48

49 HORMIGÓN PROYECTADO REFORZADO CON FIBRAS ENSAYO DE PANEL CIRCULAR ASTM C

50 HORMIGÓN PROYECTADO REFORZADO CON FIBRAS ENSAYO DE PANEL CIRCULAR ASTM C mm 800mm 50

51 HORMIGÓN PROYECTADO REFORZADO CON FIBRAS ENSAYO PANEL CIRCULAR ASTM C mm 800mm 51

52 HORMIGÓN PROYECTADO REFORZADO CON FIBRAS EFNARC VS ASTM 52

53 ESTUDIO COMPARATIVO ENTRE MALLA DE ACERO Y MACROFIBRAS EN HORMIGÓN PROYECTADO

54 APLICACION DE MACROFIBRAS AL HORMIGÓN PROYECTADO DOS OBJETIVOS: Sustituir la malla de acero por fibras metálicas en hormigón Proyectado Sustituir fibras metálicas por Macro fibras sintéticas April 15, 2017

55 Mesh Fibers 55 May 21, 2015 Fiber Training

56 COMO SUSTITUIR MALLA METALICA POR FIBRAS EN HORMIGÓN PROYECTADO VENTAJAS APLICACION Colocacion de la malla metálica El armado metálico es dificil de colocar y en general requiere de mayores volumenes de hormigón proyectado para recubrir los elementos metálicos. Elevado riesgo de huecos detras de las barras metálicas. Vibracion durante el proyectado aumenta el rebote y en consecuencia en costo final. April 15, 2017

57 COMO SUSTITUIR LA MALLA DE ACERO POR FIBRAS EN PROYECTADO VENTAJAS APLICACION Aplicacion Las fibras reducen los descuelgues y el rebote al tiempo que son seguras en el uso y manejo Se emplea menos proyectado/menor costo Menos tiempo colocando el hormigón. Las fibras se pueden adicionar en la planta de elaboración del hormigón. April 15, 2017

58 APLICACIONES SHOTCRETE Malla de Acero - Rebote de hormigón - Sombras detrás de la malla - Sobre espesor de hormigón - Dificultad de instalación - Puntos en contacto con el terreno Fibra de Acero Sika Fiber Sika Fiber otorga resistencia a tracción en todo punto de la capa de hormigón proyectado El hormigón proyectado queda reforzado homogéneamente con excelente densidad e impermeabilidad previniendo el paso de agua. Sika Fiber permite al hormigón proyectado seguir mejor las irregularidades del terreno. Ventajas Mayor ductilidad Mayor absorción de energía Control de fisuras

59 HORMIGÓN PROYECTADO REFORZADO CON FIBRAS PROBLEMAS AL PROYECTAR CONTRA MALLAS DE ACERO Spraying Direction 59

60 HORMIGÓN PROYECTADO REFORZADO CON FIBRAS PROBLEMAS AL PROYECTAR CONTRA MALLAS DE ACERO 60

61 PROBLEMAS CON LA MALLA DE ACERO 61 May 21, 2015 Fiber Training

62 INCORPORACIÓN DE MACROFIBRAS AL HORMIGÓN PROYECTADO: CAMBIOS SUGERIDOS A LAS MEZCLAS

63 CONCRETO LANZADO REFORZADO CON FIBRAS CARACTERISTICAS DE LA MEZCLA Fibras de Acero Concretos con menos de 25kg/m3 generalmente no necesitan ninguna modificación de la mezcla. Cada +5kg/m3 adicionales desde los 25kg demandan un incremento de la cantidad de finos < 4mm del +1% sobre el total de masa de los áridos. Concretos muy fluidos (HAC) necesitan una estabilización adicional debido al riesgo de segregación al emplear tanto fibras de acero como poliméricas. En general, se debe seleccionar la fibra mas larga posible para reducir el riesgo de atranques en las líneas de bombeo. Thumb rule longitud mínima de las fibras = 3 x máximo árido con la idea de reducir la propagación de las fisuras por la matriz cementicea. 63

64 CONCRETO LANZADO REFORZADO CON FIBRAS CARACTERISTICAS DE LA MEZCLA PP Macro Fibras La geometría de las PP Macro Fibras tiene un impacto importante en la reología del concreto. No es necesario modificar la mezcla con dosificaciones de hasta 4kg/m3 para fibras del tipo rígido Cada +1kg/m3 adicional desde los 4kg se debería aumentar la cantidad de los finos < 4mm con +1% del total de la masa de los áridos. 64

65 CONCRETO REFORZADO CON SIKA FIBER RESULTADOS LABORATORIO SIKA PERU Resultados de la Practica 1 Tipo de Concreto Cono [cm] Densidad [kg/m3] Contenido de Aire [%] Concreto Patron sin fibras 17,5 2,33 3,0 Concreto Patron + 600g Micro fibras Acrilicas 12,5 2,27 5,5 Concreto Patron + 4kg PP Macro Fibras 15,0 2,34 3,5 Concreto Patron + 8kg PP Macro Fibras 7,0 2,35 3,3 65

66 APLICACIONES DE MACROFIBRAS: SOLERAS Y PAVIMENTOS

67 SOLERAS & VIALES Conductividad (No se pierde electricidad por derivaciones en la via en placa) 67

68 APLICACIONES DE MACROFIBRAS: PREFABRICADOS

69 INDUSTRIA DEL PREFABRICADO: DOVELAS April 15, 2017

70 INDUSTRIA DEL PREFABRICADO VENTAJAS DEL PFRC Existe una gran oportunidad de uso para macrofibras en la Industria Prefabricada debido entre otros factores a: Posibilidad de optimizar los costes de materiales (PP vs Acero) Reducir los tiempos de colocación del concreto Mejorar los rendimientos de producción Mejora de los costes totales del proceso Refuerzo homogéneo y eficaz en zonas con espesor reducido Durabilidad control de fisuras / No corrosión Fácil manejo y mezclado 70

71 INDUSTRIA DEL PREFABRICADO PREFABRICADO LIGERO Los elementos prefabricados ligeros no son estructurales y no precisan de un calculo estructural. Estimación de la cantidad de acero a reemplazar por macrofibra Ensayos comparativos a escala real de acuerdo con las especificaciones / necesidades de la pieza seleccionada 71

72 INDUSTRIA DEL PREFABRICADO Cliente: Sika Fiber 4 kg/m 3 Desmolde a 3 horas sin fisuras 72

73 INDUSTRIA DEL PREFABRICADO Cliente: Sika Fiber 4-5 kg/m 3 Desmolde a 18 horas sin fisuras Ensayos escala real a 44 horas 73

74 INDUSTRIA DEL PREFABRICADO 74

75 INDUSTRIA DEL PREFABRICADO PREFABRICADO PESADO En general, se necesita un calculo para justificar el reemplazo del acero por macrofibra y en muchas ocasiones deberá tener carácter estructural. En el caso de los paneles de cerramiento se puede preparar una propuesta empleando el cálculo y completar el proceso con ensayos a escala real simulando la carga de viento en servicio. 75

76 APLICACIONES POTENCIALES DE MACROFIBRAS NUEVAS APLICACIONES Segmentos premoldeados TBM Puertos Diques flotantes Aeropuertos Pilotes y muros de contención DIANA (FEA) 76

77 CONSIDERACIONES GENERALES Las Macro fibras otorgan un refuerzo tridimencional que mejora la resistencia residual Post pico y mantiene la capacidad de transferir esfuerzos a medida que se deforma. Las Macrofibras actúan luego de la fisuración, controlando el ancho de las mismas, no aumenta la resistencia a compresión o flexión porque primero falla la matriz cementicea. Elevados contenidos de fibras pueden afectar la trabajabilidad de los hormigones, debiendo contemplarse la posibilidad de aumentar la cantidad de finos y la utilización de un super plastificante para aumentar la fluidez sin segregación. 77 April 15, 2017 Title of Presentation / Meeting Name

78 CONSIDERACIONES GENERALES Durante los ensayos se observó, que al finalizar los mismos, las fibras mantenían la integridad de toda la probeta sin producirse la separación de los fragmentos delimitados por la fisuración El hormigón sin fibra, al alcanzar la carga final, colapsa en forma total. Los resultados de tenacidad obtenidos del ensayo muestran claramente la influencia de las fibras en la capacidad de absorber energía en el período post pico. Los valores de resistencia no se ven modificados en gran medida, como si se observa en la Tenacidad que aumenta considerablemente en los hormigones con la incorporación de fibras. 78

79 SikaFiber Force PP 48-S 100 a 140 cajas por pallet. Cajas de 5 kgs, conteniendo rollos con film envolvente hidrosoluble. 79

80 SikaFiber Force PP 48-S 80

81 GRACIAS POR SU ATENCION