Usos, Beneficios y Preguntas Clave del Hormigón Reforzado con Fibras

El hormigón sirve como base de la construcción moderna, y las mejoras continuas en su rendimiento son un enfoque principal en la ingeniería. La aparición del hormigón reforzado con fibra (FRC) ha aportado nueva vitalidad a este material esencial. Sin embargo, también plantea numerosas preguntas: ¿Qué son exactamente las fibras? ¿Qué distingue a las macrofibras de las microfibras? ¿Cómo se debe seleccionar el tipo y la dosis de fibra adecuados? Este artículo proporciona una exploración en profundidad del hormigón reforzado con fibra, abordando las preocupaciones de aplicación práctica y ofreciendo orientación para construir edificios más robustos y duraderos.

Las fibras juegan un papel crucial en el hormigón, funcionando como materiales de refuerzo en lugar de meros aditivos. Como se define en ACI CT-18 (Terminología del Hormigón), las fibras unen las grietas, uniendo el hormigón y mejorando significativamente su rendimiento general.

La principal distinción entre macrofibras y microfibras radica en su tamaño, que normalmente se mide por el diámetro equivalente o la densidad lineal. En la industria del FRC, la densidad lineal se expresa a menudo en denier, que representa la masa (en gramos) de 9.000 metros de fibra.

Las diferencias clave entre microfibras y macrofibras incluyen:

• Fibras sintéticas: ASTM D7508/D7508M especifica los requisitos para macrofibras, microfibras y fibras híbridas (combinaciones de ambas). Esta norma también utiliza la resistencia a la tracción y la longitud de corte como propiedades distintivas adicionales.
• Microfibras naturales: ASTM D7357 describe los requisitos de cumplimiento para las fibras de celulosa utilizadas en FRC.
• Fibras de acero: Clasificadas como macrofibras, ASTM A820/A820M establece los requisitos mínimos para las fibras de acero en aplicaciones de FRC.

• Microfibras: Controlan principalmente el agrietamiento por retracción plástica. En dosis típicas, no proporcionan control de grietas por temperatura o retracción, ni mejoran otras propiedades del hormigón. Sin embargo, las microfibras fibriladas utilizadas en dosis mínimas de 1,5 lb/yd³ (0,9 kg/m³) pueden reemplazar el refuerzo de alambre soldado ligero (WWR) para el control de grietas por temperatura y retracción.
• Macrofibras: Mejoran significativamente el rendimiento del hormigón, incluida la resistencia residual posterior a la fisuración, la transferencia de carga a través de las fisuras, la durabilidad mejorada, la tenacidad a la flexión, la resistencia a la fatiga, la resistencia al impacto y la capacidad de corte.

Existen varios tipos de macrofibras sintéticas, cada uno con ventajas únicas. Más allá de las propiedades físicas como la resistencia a la tracción, el módulo elástico, la composición del material o la forma, las diferencias menos obvias incluyen el rendimiento de la mezcla, la tendencia a formar bolas, la calidad del acabado superficial y las características de adherencia con el hormigón.

La clave para el uso exitoso de macrofibras sintéticas radica en la selección de dosis apropiadas que cumplan tanto los requisitos de rendimiento como las necesidades de trabajabilidad/acabado. Las fibras más fuertes o aquellas con mejores características de adherencia pueden requerir menos material que las alternativas más débiles. Los fabricantes deben proporcionar datos de prueba para respaldar las recomendaciones de dosis, con mezclas de prueba recomendadas cuando existan incertidumbres.

Las microfibras controlan principalmente el agrietamiento por retracción plástica. La investigación muestra que proporcionan una capacidad de carga insignificante en el hormigón endurecido en dosis típicas. Las dosis más altas de microfibras pueden complicar la mezcla debido al aumento del número de fibras y la superficie, lo que podría causar problemas de trabajabilidad y una pérdida significativa de asentamiento.

En comparación con las fibras más cortas del mismo tipo, las fibras más largas tienen una mayor superficie, lo que mejora el anclaje en el hormigón endurecido y mejora el rendimiento posterior a la fisuración en dosis equivalentes. Sin embargo, existe una longitud óptima para cada tipo de fibra, dependiendo de la forma específica, las características de rigidez y la resistencia a la compresión del hormigón.

Las mezclas de prueba previas al proyecto que consideran los métodos de colocación y los requisitos de acabado ayudan a determinar las longitudes de fibra ideales, evitando problemas como la formación de bolas o la protuberancia de la fibra superficial.

Las macrofibras sintéticas (particularmente los monofilamentos grandes y gruesos) pueden proporcionar una resistencia residual comparable a las fibras de acero, dependiendo de la dosis. Otros factores como la deformación anticipada y las condiciones ambientales también deben influir en la selección de la fibra. Para algunas aplicaciones estructurales que requieren fibras de acero, las alternativas sintéticas no han sido validadas.

Si bien las macrofibras sintéticas suelen tener una resistencia a la tracción y un módulo elástico más bajos que las fibras de acero, proporcionan significativamente más fibras para unir posibles grietas. Cuando se dosifican correctamente, la capacidad total de transferencia de tensión a través de las grietas debe ser equivalente. La resistencia seccional efectiva también depende de la calidad de la adherencia matriz-fibra: las fibras de alta resistencia con una adherencia insuficiente hacen que los candidatos de refuerzo sean deficientes. El rendimiento del FRC refleja el comportamiento compuesto, no las propiedades individuales de la fibra.

El hormigón reforzado con fibra (FRC) incorpora fibras discretas (típicamente hasta 2,5 pulgadas o 64 mm) en hormigón de cemento hidráulico. Los polímeros reforzados con fibra (FRP) utilizan fibras sustancialmente más largas incrustadas en matrices de polímero sin cemento ni agregados.

Las cantidades de fibra requeridas dependen de los criterios de rendimiento FRC especificados. Para las microfibras que controlan la retracción plástica, las relaciones de reducción de grietas (CRR) guían la determinación de la dosis según ASTM C1579. Para las macrofibras en hormigón endurecido, las dosis deben cumplir con la resistencia residual especificada (ASTM C1399), la resistencia a la flexión equivalente posterior a la fisuración (ASTM C1609) o la capacidad de absorción de energía (ASTM C1550), considerando el tipo/espesor del elemento, la resistencia del hormigón, las especificaciones de refuerzo y los requisitos de carga.

Muchos proveedores ofrecen herramientas de diseño (particularmente para losas) para calcular las dosis adecuadas.

Para las losas, las dosis mínimas suelen ser establecidas por los fabricantes en función de las pruebas de productos estandarizadas para cumplir con los requisitos o las normas de la industria.

ANSI/SDI C-2017 para cubiertas metálicas compuestas especifica dosis mínimas de macrofibra de 4,0 lb/yd³ (2,4 kg/m³) para fibras sintéticas y 25,0 lb/yd³ (14,8 kg/m³) para fibras de acero cuando se utilizan para el control de temperatura/retracción. Según los requisitos de UL, los límites superiores son 5,0 lb/yd³ (3,0 kg/m³) para fibras sintéticas y 66,0 lb/yd³ (39,2 kg/m³) para fibras de acero. El refuerzo con fibra actualmente no reemplaza el acero de momento negativo en los conjuntos de cubiertas compuestas.

No se recomiendan dosis por debajo de las recomendaciones del fabricante o los requisitos del código. Los ingenieros deben consultar a los fabricantes de fibra cuando no estén seguros de las aplicaciones o dosis.

Varias fuentes proporcionan orientación de diseño para el hormigón reforzado con macrofibra en diversas aplicaciones estructurales:

• ACI 544.4R-18: Guía para el diseño con FRC
• ACI 360R-10: Guía para el diseño de losas
• ACI 322-14: Requisitos del código de hormigón residencial

Los fabricantes de fibra pueden ofrecer orientación adicional específica del producto.

Las especificaciones de macrofibra FRC deben estar basadas en el rendimiento y ser específicas de la aplicación, utilizando métodos aprobados de ACI 544.4R para calcular parámetros característicos como:

• Resistencia residual promedio (ASTM C1399)
• Resistencia residual o resistencia a la flexión equivalente (ASTM C1609)

Ejemplo de especificación: "La dosis de fibra proporcionará una resistencia residual mínima de 200 psi (1,4 MPa) en hormigón de 4.000 psi (28 MPa)". El cumplimiento debe verificarse a través de los datos de prueba del fabricante según las normas ASTM pertinentes.

Para el hormigón proyectado, el rendimiento del hormigón proyectado reforzado con fibra (FRS) se determina por la capacidad de absorción de energía (ASTM C1550 o EN 14488-5). Ejemplo de especificación: "La dosis de fibra proporcionará una absorción de energía mínima de 280 J a los 7 días en hormigón proyectado de 4.000 psi (28 MPa)".

El rendimiento posterior a la fisuración del FRC se puede evaluar a través de ASTM C1609, C1399 o C1550 (absorción de energía). Los ingenieros deben determinar los valores apropiados en función de la intención del diseño y los niveles de rendimiento requeridos, haciendo referencia a ACI 544.4R para obtener orientación.

Ciertas fibras (por ejemplo, acero) cerca de las superficies de hormigón en entornos expuestos pueden corroerse. Si bien dicha corrosión localizada no compromete la integridad estructural, su impacto estético debe evaluarse de antemano. Las fibras sintéticas y naturales son no corrosivas y químicamente inertes, no se ven afectadas por las condiciones ambientales.

Si bien las fibras normalmente no aumentan la resistencia a la flexión a la primera fisura del hormigón (módulo de rotura, ASTM C78), mejoran la capacidad de flexión de la losa y la resistencia a la fatiga. Los valores de tenacidad específicos de la fibra apropiados permiten que las secciones de hormigón más delgadas soporten las cargas de diseño.

ANSI/SDI C-2017 permite que las macrofibras de acero o sintéticas (en dosis determinadas por el fabricante que cumplan con los requisitos mínimos) reemplacen el refuerzo de alambre soldado (WWR) para el control de grietas, no para la resistencia a la tensión estructural.

Según las evaluaciones de UL e ICC-ES, algunas microfibras se reconocen como alternativas de WWR en conjuntos específicos de pisos/techos con clasificación de incendio.

Este problema histórico se produjo principalmente con microfibras sintéticas cuando se utilizaron técnicas de acabado inadecuadas. Las microfibras de monofilamento modernas (normalmente limitadas a 1,0–1,5 lb/yd³ o 0,6–0,9 kg/m³) y las macrofibras minimizan este efecto. La mezcla, colocación y acabado adecuados producen superficies excelentes. La protuberancia de la fibra superficial no compromete la integridad de la losa: los sopletes de capullo pueden derretir las fibras expuestas si surgen problemas estéticos.

Si bien algunos sintéticos (por ejemplo, nailon) absorben pequeñas cantidades de agua de mezcla, las fibras comunes de polipropileno/polietileno son hidrofóbicas. La aparente reducción del asentamiento a dosis más altas resulta de que las fibras actúan como agentes cohesivos en lugar de la absorción de agua.

Agregar agua reduce la resistencia del hormigón. Cuando el alto contenido de fibra afecta la trabajabilidad, se deben utilizar aditivos químicos, no agua adicional.

Los puntos de adición ideales varían según la forma, la rigidez y la dosis de la fibra: algunos funcionan mejor como primeros ingredientes, otros después de que se cargan todos los materiales. Los fabricantes pueden proporcionar orientación, con pruebas previas al proyecto recomendadas para determinar el momento óptimo de adición y la duración de la mezcla.

Para el hormigón normal, normalmente se recomiendan de 4 a 5 minutos de mezcla después de agregar todos los ingredientes para las operaciones de hormigón premezclado.

Todos los tipos de fibra pueden formar bolas debido a una mezcla insuficiente, una secuencia incorrecta o la adición a mezclas demasiado secas que carecen de suficientes finos para recubrir las fibras. Las pruebas previas al proyecto ayudan a verificar la compatibilidad de la mezcla con el tipo y la dosis de fibra previstos.

Los efectos del asentamiento dependen de:

• Asentamiento inicial de la mezcla (mayor impacto en asentamientos iniciales más bajos)
• Número de fibras y dosis (las dosis más altas aumentan el impacto)
• Superficie total de la fibra (un área más grande aumenta el impacto)

Tenga en cuenta que las mediciones del cono de asentamiento indican la consistencia del lote, no necesariamente la trabajabilidad real. Si bien el asentamiento visual puede parecer reducido, la trabajabilidad real podría verse menos afectada. Las pruebas previas al proyecto determinan si se necesitan ajustes de trabajabilidad.

Las microfibras pueden afectar el asentamiento más que las macrofibras a relaciones de longitud a diámetro y dosis equivalentes debido a los mayores recuentos de fibras por libra. Generalmente:

• Microfibras sintéticas (1,0–3,0 lb/yd³ o 0,6–1,8 kg/m³): pérdida de asentamiento de 1–3 pulgadas (25–75 mm)
• Macrofibras sintéticas (3,0–10,0 lb/yd³ o 1,8–6,0 kg/m³) o fibras de acero (15–50 lb/yd³ o 9–29,6 kg/m³): pérdida de asentamiento de 1–5 pulgadas (25–125 mm)

Los plastificantes (reductores de agua de rango medio o alto) deben compensar la pérdida de asentamiento. Es posible que se necesiten ajustes de la mezcla a dosis altas para garantizar un contenido de pasta adecuado. Evite el exceso de agua para evitar la reducción de la resistencia y la segregación.

Las macrofibras generalmente no afectan negativamente el contenido de aire ni la resistencia a la compresión. Los cambios percibidos a menudo se derivan de la mezcla excesiva, el agua agregada, las variaciones de temperatura o la medición incorrecta de la humedad en los agregados. Las fluctuaciones de aire también pueden estar relacionadas con los cambios reales de asentamiento. Ciertos tratamientos superficiales históricos de fibra podrían introducir aire no deseado, pero esto ahora es raro.

Los cambios en el peso unitario dependen del tipo de fibra y los ajustes del diseño de la mezcla. Las fibras sintéticas normalmente no alteran el peso unitario si el contenido de aire permanece constante. Las fibras de acero de mayor densidad pueden aumentar el peso unitario dependiendo de la fracción de volumen y los ajustes de la mezcla.

En hormigón de peso normal, las fibras debidamente proporcionadas y mezcladas ni flotan ni se hunden debido a la gravedad específica del material y la viscosidad del hormigón mezclado. Las fibras en realidad ayudan a suspender los agregados más grandes y evitan la segregación.

Generalmente compatibles, pero algunas ayudas de procesamiento de fibra o acabados de hilado podrían afectar a otros productos químicos del hormigón. Verifique siempre con los fabricantes de fibra.