UNIVERSIDAD SEÑOR DE SIPÁN
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- Alberto Velázquez Plaza
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1 UNIVERSIDAD SEÑOR DE SIPÁN FACULTAD DE INGENIERÍA, ARQUITECTURA Y URBANISMO Tesis de grado para optar el título profesional de Ingeniero Civil Proyecto De Investigación EVALUACIÓN COMPARATIVA DE LA RESISTENCIA A COMPRESIÓN Y A FLEXIÓN DEL CONCRETO CONVENCIONAL, CONCRETO CON FIBRA DE ACERO SIKAFIBER CHO 80/60 NB, Y CONCRETO CON FIBRA SINTÉTICA SIKAFIBER FORCE PP/PE-700/55 AUTOR PEDRO RAMÓN PATAZCA ROJAS JORGE EMHILSSEN TAFUR BUSTAMANTE ASESOR ING. CIVIL MANUEL A. BORJA SUAREZ CHICLAYO PERÚ 2013
2 INTRODUCCÓN En las últimas décadas, el empleo de concreto reforzado con fibras se está generalizando en el mundo de la construcción a escala internacional. Ya es habitual ejecutar con este material obras de soleras y pavimentaciones industriales, concretos proyectados para el sostenimiento de túneles, taludes y ejecución de piscinas, concretos prefabricados, etc. El concreto con fibra es adecuado para sobrellevar acciones dinámicas y prevenir situaciones donde se requiere el control de los procesos de fisuración, ya que cosen las fisuras del concreto formando un puente entre los agregados gruesos, llevando al concreto a un comportamiento dúctil luego de la fisuración inicial evitando así la fractura frágil. El aumento de la tenacidad es una de las características más apreciadas del concreto reforzado con fibra. Actualmente en el Perú, en los últimos años, el uso de fibras en el concreto recién se está dando a conocer y por ende se ha vuelto una nueva tecnología de aplicación, empresas del sector aditivos y concretos premezclados están tomando la iniciativa para la promoción de su uso para su aplicación en el campo de las construcciones industriales y minería, respetando detalladamente las aplicaciones de su uso. FIBRAS INCORPORADAS EN EL CONCRETO Existen diferentes tipos de fibras como fibras metálicas, fibras sintéticas, fibras de vidrio y fibras naturales. En la presente investigación nos centramos en el uso de fibra de acero y fibra sintética ya que son estas dos las más utilizadas en la elaboración de concreto. Las fibras que utilizamos para esta investigación fueron de la marca SIKA. Sikafiber CHO 80/60 NB Son fibras de acero trefilado de alta calidad para reforzamiento del concreto usado en losas de concreto tradicional e industriales y elementos de concreto pre-fabricado, especialmente encoladas (pegadas) para facilitar la homogenización en el concreto durante el mezclado, evitando la aglomeración de las fibras individuales. Sikafiber CHO 80/60 NB son fibras de acero de alta relación longitud / diámetro (l/d) lo que permite un alto rendimiento con menor cantidad de fibra. Página 2 de 11
3 Sikafiber Force PP/PE-700/55 Es una fibra macro sintética de alta densidad diseñada y usada para el refuerzo secundario de concreto. Es fabricada a partir de polipropileno virgen y polímeros de alto desempeño y deformadas mecánicamente, de cuerpo circular para maximizar el anclaje en el concreto y evitar la pérdida excesiva cuando se proyecta (Shotcrete), altamente orientada a permitir un área de contacto de mayor superficie dentro del concreto, lo que resulta en una mayor unión interfacial y eficiencia de la resistencia de la flexión. Entonces En qué manera influye la incorporación de fibra de acero y fibra sintética en el comportamiento del concreto convencional? OBJETIVOS DE LA INVESTIGACION Objetivos General EVALUAR Y COMPARAR LA RESISTENCIA A COMPRESIÓN Y A FLEXIÓN DEL CONCRETO CONVENCIONAL, CONCRETO CON FIBRA DE ACERO SIKAFIBER CHO 80/60 NB, Y CONCRETO CON FIBRA SINTÉTICA SIKAFIBER FORCE PP/PE-700/55 Objetivos específicos Elaborar un diseño de mezcla de concreto convencional usando cemento adicionado (Pacasmayo Extra Forte ICo), piedra chancada de 3/4", arena fina, agua, fibra, sin incorporación de aire Elaborar muestras de concreto endurecido curadas en laboratorio y sin curar. Para el curado del concreto se propone el uso del aditivo Sika Antisol S Evaluar la resistencia a compresión y a flexión (incluyendo absorción de energía) del concreto convencional y del concreto con fibra incorporada Evaluar la trabajabilidad del concreto convencional y del concreto con fibra incorporada Evaluar la resistencia alcanzada por el concreto endurecido a los 7, 14 y 28 días Evaluar con cuales de las dos fibras (acero y sintética) se obtiene mejor resistencia a compresión, resistencia a flexión Página 3 de 11
4 ALCANCES Y LIMITACIONES DE LA INVESTIGACION Para la elaboración de las muestras de concreto se emplearon agregados (fino y grueso) que cumplieron con los requisitos técnicos empleados en las NTP. Se tuvo en cuenta el origen de procedencia de los agregados (cantera y chancadora). De las cuales se optó el uso de piedra chancada TMN de ¾, generalmente empleado en obras de infraestructura real. Se utilizó agregado fino de la cantera La Victoria Pátapo y agregado grueso de la chancadora Piedra Azul - Ferreñafe Así mismo se optó el uso de cemento portland modificado Pacasmayo Extra Forte ICo, debido a uso general sobre las estructuras de concreto en la zona (Chiclayo) En relación a los especímenes de concreto, se optó como mejor alternativa experimental el uso de 3 especímenes de concreto por variable a realizar, de las cuales 2 especímenes fueron curados tipo laboratorio, y un espécimen no se curó, con el fin de representar la realidad problemática que se presenta en la ejecución de las infraestructuras reales Se propone el uso del aditivo curador de concreto Sika Antisol S como medio de investigación en la toma de datos, simulando la realidad de la zona (Chiclayo) POBLACIÓN Y MUESTRA La población destinada para esta investigación fue: Cilindros de concreto ensayadas según NTP :2008 equivalente al ASTM C 39, Vigas de concreto ensayadas según la NTP :2012 equivalente al ASTM C-78, y Paneles circulares según la NTP :2007 equivalente al ASTM C-1550 Se elaboraron y ensayaron un total de 189 muestras de concreto en la siguiente distribución: 63 muestras corresponden a muestras cilíndricas de 30 cm de largo y 15 cm de diámetro 63 muestras corresponden a muestras prismáticas en formas de vigas de 6 de ancho, 6 de altura y 21 de longitud 63 muestras corresponden a muestras cilíndricas en forma de losas de 7.5 cm de espesor y 80 cm de diámetro La hoja técnica de la fibra de acero y fibra sintética nos menciona un rango con respecto a la cantidad utilizada para la elaboración de un 1m3 de concreto siendo: F. de Acero: de 10kg/cm2 a 45kg/cm2 F. Sintética: de 2kg/cm2 a 8kg/cm2 Es por eso que por cada tipo de fibra se hicieron 3 dosis de fibra. Página 4 de 11
5 DISEÑO DE MEZCLAS Para obtener el presente diseño de mezclas, se analizó previamente las características de los agregados a utilizar (agregado grueso y agregado fino) de los cuales se optó por utilizar piedra chancada de 3/4", arena amarilla, agua potable de la zona, el cemento a utilizar: cemento Pacasmayo Extra Forte ICo; para obtener un concreto patrón de resistencia f c = 210 kg/cm2 (sin incorporación de aire) Una vez que obtuvimos el diseño de mezclas adecuado, la dosificación para el concreto patrón es la siguiente: (relación en peso por pie3 de concreto) Cemento: Cemento Pacasmayo Extra Forte ICo: 1.00 Agregado fino: Arena amarilla (45%): 2.18 Agregado grueso: Piedra chancada 3/4" (55%): 2.63 Agua : agua potable: 25.5 Su relación en volumen es: Cemento : 1.00 Agregado fino : 2.15 Agregado grueso : 2.90 Agua : 25.5 Para obtener un diseño técnico, en relación al factor de seguridad requerido f cr, para un f c= 210 kg/cm2 = + 84 kg/ (según ACI), se realizó una serie de diseños (+84 kg/cm2, +54 kg/cm2, +44 kg/cm2), de la cual se optó por utilizar un f cr = +54 kg/cm2= 264 kg/cm2 (teórico) Con este resultado se definió el uso de 8 bolsas de cemento (42.5 kg) por metro cubico de concreto a elaborar, con una relación agua - cemento igual a 0.60 NOMENCLATURA DE LOS TIPOS DE CONCRETO Y SUS DOSIS EN PESO DE FIBRA A UTILIZAR Página 5 de 11
6 RESULTADOS DE LOS ENSAYOS REALIZADOS AL CONCRETO CONCRETO FRESCO Se cálculo el Peso Específico y la Trabajabilidad (Slump) del concreto patrón (convencional), del concreto con fibra de acero y del concreto con fibra de acero obteniéndose: De los resultados obtenidos del ensayo a compresión del concreto patrón a los 28 días: se obtuvo una resistencia f c = 228 kg/cm2 (curado) y f c = 165 kg/cm2 (sin curar). Se aprecia una reducción del -28% de su resistencia. cantidad de fibra de acero al concreto patrón f c = 228 kg/cm2 (curado): La resistencia a compresión de las muestras curadas disminuye en: Un -2% dosis 1 (f c = 223 kg/cm2) Un -26% dosis 2 (f c = 169 kg/cm2) Un -23% dosis 3 (f c = 176 kg/cm2). CONCRETO ENDURECIDO Ensayo normalizado para la determinación de la resistencia a la compresión del concreto, en muestras cilíndricas. Ntp GRÁFICA 1: Determinación del f c - Concreto Patrón (%) La resistencia a compresión de las muestras sin curar disminuye en: Un -32% dosis 1 (f c = 154 kg/cm2) Un -34% dosis 2 (f c = 151 kg/cm2) Un -30% dosis 3 (f c = 160 kg/cm2). cantidad de fibra sintética adicionado al concreto patrón f c = 228 kg/cm2 (curado) La resistencia a compresión de las muestras curadas disminuye en: Un -22% dosis 1 (f c = 178 kg/cm2) Un -16% dosis 2 (f c = 191 kg/cm2) Un -21% dosis 3 (f c = 181 kg/cm2). La resistencia a compresión de las muestras sin curar disminuye en: Un -29% dosis 1 (f c = 162 kg/cm2) Un -33% dosis 2 (f c = 152 kg/cm2) Un -34% dosis 3 (f c = 151 kg/cm2). Página 6 de 11
7 GRÁFICA 2 : Porcentaje de variación CP vs CP + Fibra de Acero (Curado) Máquina de rotura de testigos a compresión Préstamo Universidad Señor de Sipán - Chiclayo GRÁFICA 3: Porcentaje de variación CP vs CP + Fibra Sintética (Curado) Ensayo para determinar la resistencia a la flexión del concreto en vigas simplemente apoyadas con cargas a los tercios del tramo. NTP De los resultados obtenidos del ensayo a flexión en vigas, del concreto patrón a los 28 días: se obtuvo una resistencia Mr = 35 kg/cm2 (curado) y Mr = 29 kg/cm2 (sin curar). Se aprecia una reducción del -16% de su resistencia. cantidad de fibra de acero al concreto patrón Mr = 35 kg/cm2 (curado): Página 7 de 11
8 La resistencia a flexión de las muestras curadas aumenta en: Un +16% dosis 1 (Mr = 40 kg/cm2) Un +20% dosis 2 (Mr = 42 kg/cm2) Un +25% dosis 3 (Mr = 43 kg/cm2). GRÁFICA 4 : Porcentaje de variación CP vs CP + Fibra de Acero (Curado) La resistencia a flexión de las muestras sin curar aumenta/disminuye en: Un +5% dosis 1 (Mr = 36 kg/cm2) Un -2% dosis 2 (Mr = 34 kg/cm2) Un +5% dosis 3 (Mr = 36 kg/cm2). cantidad de fibra sintética adicionado al concreto patrón Mr = 35 kg/cm2 (curado): GRÁFICA 5: Porcentaje de variación CP vs CP + Fibra Sintética (Curado) La resistencia a flexión de las muestras curadas aumenta en: Un +11% dosis 1 (Mr = 39 kg/cm2) Un +13% dosis 2 (Mr = 39 kg/cm2) Un +19% dosis 3 (Mr = 41 kg/cm2). La resistencia a flexión de las muestras sin curar aumenta/disminuye en: Un -1% dosis 1 (Mr = 34 kg/cm2) Un +2% dosis 2 (Mr = 35 kg/cm2) Un -1% dosis 3 (Mr = 34 kg/cm2). Acople de flexión en vigas a los tercios para maquina a compresión Préstamo DINO - Chiclayo Página 8 de 11
9 Máquina de rotura de testigos a compresión Préstamo Distribuidora del Norte DINO Chiclayo La energía absorbida de las muestras curadas aumenta en: Un +97% dosis 1 (EA = J) Un +198% dosis 2 (EA = J) Un +206% dosis 3 (EA = J). La energía absorbida de las muestras sin curar aumenta en: Un +70% dosis 1 (EA = J), Un +136% dosis 2 (EA = J) Un +158% dosis 3 (EA = J) cantidad de fibra sintética adicionado al concreto patrón EA = J (curado): Ensayo estándar para la determinación de la resistencia a la flexión del concreto con fibras de refuerzo (usando cargas centrales alrededor de un panel). NTP De los resultados obtenidos del ensayo de absorción de energía del concreto patrón a los 28 días a una deflexión de 10 mm: se obtuvo una tenacidad EA = 54.77J (curado) y EA = J (sin curar). Se aprecia una reducción del -8% de su resistencia. La energía absorbida de las muestras curadas aumenta en: Un +39% dosis 1 (EA = J), Un +48% dosis 2 (EA = J) y Un +121% dosis 3 (EA = J) La energía absorbida de las muestras sin curar aumenta en: Un +13% dosis 1 (EA = J), Un +28% dosis 2 (EA = 70.22J) y Un +103% dosis 3 (EA = J) cantidad de fibra de acero adicionado al concreto patrón EA = J (curado): Página 9 de 11
10 Máquina de determinación de absorción de energía en PSI GRÁFICA 6 : Porcentaje de variación CP vs CP + Fibra de Acero (Curado) GRÁFICA 7: Porcentaje de variación CP vs CP + Fibra Sintética (Curado CONCLUSIONES Se elaboró un diseño de mezclas por el método del ACI, del concreto convencional (normal o patrón) con una resistencia a la compresión de diseño f c = 210 kg/cm2, obteniéndose la dosificación: En peso: y en volumen: (cemento arena piedra agua) por pie3 de concreto Se elaboraron un total de 189 muestras ensayadas (concreto patrón y concreto con fibras) de las cuales 63 especímenes fueron probetas, 63 especímenes fueron vigas, y 63 especímenes fueron losas en relación a sus NTP Del concreto fresco: A medida que aumentamos la proporción de fibra de acero al concreto, la trabajabilidad (slump) de la mezcla disminuye considerablemente; en el caso de la fibra sintética, disminuye moderadamente. Se empleó el uso del aditivo curador de concreto Sika Antisol S aplicado a 126 muestras (distribuidas equitativamente entre probetas, vigas y losas). 63 muestras no fueron curadas Página 10 de 11
11 Del concreto endurecido a los 28 días: El uso de fibras de acero como sintéticas, no influyen en el aumento de la resistencia a compresión. El uso de fibras de acero como sintéticas aumentan la resistencia a flexión del concreto, siendo la fibra de acero dosis 3 = 45 kg/cm2 con la que se obtuvo mejores resultados. El uso de fibras de acero como sintéticas aumentan considerablemente la tenacidad del concreto. Siendo la fibra de acero dosis 3 = 45 kg/cm2 con la que se obtuvo mejores resultados. BIBLIOGRAFÍA PATAZCA ROJAS PEDRO, TAFUR BUSTAMANTE JORGE.Evaluación comparativa de la resistencia a compresión y a flexión del concreto convencional, concreto con fibra de acero sikafiber Cho 80/60 Nb, y concreto con fibra sintética sikafiber force PP/PE- 700/55 NTP :2009. HORMIGÓN (CONCRETO). Práctica normalizada para la elaboración y curado de los especímenes de concreto de campo. 3a. ed. Lima: INDECOPI, p. NTP :2008. HORMIGÓN (CONCRETO). Método de ensayo normalizado para la determinación de la resistencia a la compresión del concreto, en muestras cilíndricas. 3a. ed. Lima: INDECOPI, p. NTP :2012. CONCRETO. Método de ensayo para determinar la resistencia a la flexión del concreto en vigas simplemente apoyadas con cargas a los tercios del tramo. 3a. ed. Lima: INDECOPI, p. NTP :2007. HORMIGÓN (CONCRETO). Método de ensayo estándar para la determinación de la resistencia a la flexión del concreto con fibras de refuerzo (usando cargas centrales alrededor de un panel). 1a. ed. Lima: INDECOPI, p. Hoja técnica digital. Sikafiber CHO 80/60 NB. Sika Perú S.A. Lima, Febrero a ed. Disponible en: Hoja técnica digital. Sikafiber Force PP-PE Sika Perú S.A. Lima, Octubre a ed. Disponible en: Hoja técnica digital. Sika Antisol S. Sika Perú S.A. Lima, Febrero a ed. Disponible en: Página 11 de 11
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