El UHPC tiene una relación de agua-material cementante (w/cm)
menor que 0.2 y por lo tanto, puede ser muy denso y tener altas resistencias
a compresión. Las resistencias a la tensión del UHPC están
limitadas a aproximadamente 8 MPa, y los UHPCs pueden ser frágiles.
Para resolver estos problemas, se les agregaron fibras. Aquí
se resume el estado actual de la investigación en el concreto
de alto desempeño reforzado con fibras de acero (UHPRFC: Ultra
High-Performance Fiber-Reinforced Concrete).
Tipos
Existen tres tipos principales de UHPFRCs:
Tipo 1: UHPFRCs con altas proporciones de fibras cortas:
Un ejemplo es el concreto reforzado compacto. El contenido de fibras
para este producto está entre 5 y 10% por volumen, y las fibras
no exceden 6 mm en longitud. Las fibras mejoran la resistencia a la
tensión del concreto, pero poco contribuyen a aumentar la ductilidad.
El material, por lo tanto, se usa en estructuras con altos porcentajes
de varillas de refuerzo tradicionales.
Tipo 2: UHPFRCs con porciones intermedias de fibras
largas: Los ejemplos incluyen DUCTAL® y CERAMECEM®. El contenido
de fibras para estos productos varía entre 2 y 3% por volumen,
y las fibras están entre 13 y 20 mm de largo.
Las fibras mejoran la resistencia a la tensión y la ductilidad
del concreto y se pretende que reemplacen todas o una parte de las varillas
de refuerzo que normalmente serían usadas en elementos de concreto
presforzado o reforzado.
Tipo 3: UHPFRCs con proporciones muy altas de fibras de varias longitudes:
Un ejemplo de este producto es CEMTECMultiscale®. El contenido de
fibras de este producto puede ser de hasta 11% por volumen y las fibras
cortas pueden variar desde 1 hasta 20 mm de largo. Las fibras incrementan
significativamente tanto la resistencia a la tensión como la
ductilidad del concreto, y pueden reemplazar todas las varillas de refuerzo
tradicionales en un elemento. Al igual que con los compuestos reforzados
con fibras que se forman usando una matriz orgánica, la matriz
de un UHPFRC del Tipo 3 transfieren los esfuerzos entre las fibras y
asegura ciertas propiedades físicas y químicas del material.
Resistencia a la tensión
Es bien sabido que la orientación de las fibras en un elemento
estructural será afectada por las dimensiones de las fibras y
el elemento, así como también por el método de
colocación del concreto. Si un alto porcentaje de fibras de acero
son generalmente paralelas a los esfuerzos de tensión en un miembro,
pueden incrementar significativamente la resistencia a la tensión.
Por lo tanto, el comportamiento en tensión de un UHPFRC puede
variar con su aplicación. Por ejemplo, en un UHPFRC colocado
en un molde para producir una losa delgada con nervaduras delgadas,
las fibras tenderán a tener orientaciones al azar en el plano
en la losa, pero una orientación unidireccional en cada nervadura.
Por lo tanto, el miembro tendrá propiedades isotrópicas
en el plano en la losa, y propiedades no isotrópicas en las nervaduras,
las cuales tendrán resistencias a la tensión más
altas en la dirección longitudinal.
Tensión directa
Las pruebas de tensión uniaxiales son difíciles de llevar
a cabo apropiadamente y es difícil evitar esfuerzos de flexión
o fractura por las mordazas de la máquina. Cuando la proporción
de las fibras bien orientadas (fibras paralelas al esfuerzo de tensión)
es alta y el comportamiento de tensión del compuesto es elástico
–perfectamente plástica o de endurecimiento con deformación
elástica– únicamente la porción elástica
de la curva esfuerzo-deformación determinada experimentalmente
puede ser representativa, ya que la flexión podría ser
un factor después de que se ha iniciado el agrietamiento. A pesar
de las dificultades mencionadas, se han determinado resistencias a la
tensión confiables. Las resistencias medias a la tensión
para los Tipos 2 y 3 de UHPFRCs, por ejemplo, son de aproximadamente
7.7 y 20 MPa, respectivamente. Aunque pueden usarse para evaluar las
características de fractura, los especímenes de tensión
con muescas (Fig. 1) no son medios confiables para la evaluación
directa de la tensión de un UHPFRC.
La muesca perturba la tendencia natural del material a tener grietas
múltiples, y cuando se inicia una sola grieta, el espécimen
entra en flexión. Si se ignora esta flexión en los cálculos,
la resistencia a tensión uniaxial es sobreestimada.
Flexión
Pueden obtenerse datos de resistencia a tensión representativos
usando especímenes de flexión con muescas (Fig. 2). Se
han propuesto recomendaciones provisionales para pruebas a flexión
en el punto central de especímenes con muescas y un método
para determinar la relación de la resistencia a tensión
uniaxial al ancho de la grieta, a partir de estas pruebas. La base del
modelo cinemático para determinar esta relación es que
únicamente se propaga una grieta localizada, de modo que no es
apropiado en el dominio de deformación- endurecimiento, cuando
deben aparecer varias grietas (visibles o no). También pueden
obtenerse datos representativos de resistencia a la tensión usando
especímenes de flexión sin muescas. Al igual que con los
especímenes con muescas, se ha propuesto un método para
determinar el comportamiento a tensión uniaxial. En este caso,
se utilizó una prueba de flexión de cuatro puntos. El
comportamiento del concreto es simulado usando un modelo de material
elastoplástico en un programa de análisis de elementos
finitos, y el modelado se basa en la suposición de que no aparece
ninguna localización de agrietamiento en el material. Se ha demostrado
que el método proporciona una buena caracterización del
comportamiento de tensión uniaxial de un UHPFRC.
Ductilidad
Un objetivo importante para los desarrolladores de UHPFRCs consistía
en el reemplazo total o parcial de las varillas de refuerzo tradicionales.
De modo que es necesario que el UHPFRC seleccionado asegure un cierto
nivel de ductilidad en las estructuras.
Escala material
La ductilidad de la escala material está relacionada con el comportamiento
antes de un agrietamiento localizado; es decir, antes de que se desarrolle
el esfuerzo pico. El índice de ductilidad (Id) está dado
por: Id = ep/(sp/E) En donde ep y sp son la deformación y el
esfuerzo en el pico en la curva de esfuerzo de tensión-deformación,
respectivamente, y E es el módulo de Young para el material (Fig.
3).
Para comparación: • Los concretos ordinarios y de alta
resistencia tienen Id = 1
• El UHPFRC Tipo 2 tiene Id = 1.3 a 3
• El UHPFRC Tipo 3 tiene Id = 17.5 a 30, y
• El acero tiene Id = 30 a 60.
Escala estructural
La ductilidad en la escala estructural es condicional. En primer lugar,
las fibras deben estar bien orientadas
respecto a las macrogrietas que se desarrollan en la estructura. En
segundo lugar, la estructura no debe tener gran espesor debido a que
un ancho unitario de la abertura de grietas en un miembro peraltado
produce menos rotación y menos ductilidad que la misma extensión
de la abertura de una grieta en un miembro menos peraltado (un efecto
puramente geométrico). Para el UHPFRC, un espesor máximo
razonable es aproximadamente tres veces el largo máximo de la
fibra. Así pues, el espesor máximo para un UHPFRC con
una longitud máxima de fibras de 30 mm debe ser de aproximadamente
100 mm. Para estructuras presforzadas, generalmente se usarán
las fibras en el UHPFRC para reemplazar los estribos para comportamiento
en cortante. Puesto que las grietas de cortante son más numerosas
y tienen anchos más pequeños que las grietas de flexión
en un elemento de concreto reforzado de las mismas dimensiones, la escala
estructural es menos importante.
Heterogeneidad
La distribución espacial de las fibras en un UHPFRC es un factor
que afecta el comportamiento en tensión, y la heterogeneidad
de la distribución de las fibras tiene un fuerte efecto sobre
la variabilidad en el comportamiento de tensión. Los factores
principales que afectan la heterogeneidad incluyen el método
de colocación y la proporción de las fibras. Puesto que
la variabilidad en el comportamiento de tensión es tan importante,
debe tomarse en cuenta de una manera rigurosa. Los cálculos de
diseño deben incluir valores característicos, no valores
y curvas promedio. Los valores promedio no son de gran interés
e inclusive pueden llevar a resultados equivocados.
Comportamiento de fatiga
Aparentemente, los estudios sobre el comportamiento de fatiga de los
UHPFRCs son del dominio público. Un estudio, sobre el UHPFRC
Tipo 2, no proporciona datos suficientes para permitir la determinación
del límite de resistencia. El otro estudio sobre el UHPFRC Tipo
3 indica que el límite de resistencia para ese material es el
60% de la resistencia a la tensión característica.
En general, los concretos reforzados con fibra parecen tener pobre comportamiento
de fatiga. La carga por fatiga es muy demandante en la adherencia de
la fibra con la matriz, y por eso afecta de modo importante el comportamiento
mecánico del UHPFRC. A medida que la relación longitud
de fibras-diámetro se incrementa, la adherencia de las fibras
a la matriz se reduce y la sensibilidad a la fatiga se incrementa.
Efectos de los incrementos de esfuerzo
Al igual que con los efectos de la fatiga, existen pocos estudios que
describen los efectos de los incrementos en las características
mecánicas acrecentarse los esfuerzos para los UHPFRCs. Sin embargo,
es claro que los efectos crecen al incrementarse el número de
las fibras.
Para comparación, se probaron la resistencia a la tensión
uniaxial para diferentes materiales a base de cemento cargados a un
régimen de esfuerzo de entre 10-4 y 10 GPa/s. Para cada orden
de incremento en la magnitud del régimen de carga, los incrementos
en la resistencia a tensión fueron de:
• 0.7 MPa para concretos ordinarios y de alto desempeño
• 0.8 MPa para UHPFRC Tipo 2 con 7.7 x 107 fibras/m3
• 1.5 Mpa para UHPFRC Tipo 3 con 1.9 x1010 fibras/m3
Claramente, los efectos de la tasa se incrementan al aumentarse el
contenido de fibras. Los beneficios de la mayor capacidad y ductilidad
asociadas con el refuerzo de fibras son más grandes para estructuras
sometidas a cargas de impacto que para aquellas sometidas a cargas estáticas.
Durabilidad
Al considerar los UHPFRCs es natural sentir preocupación por
el potencial de corrosión de las fibras de acero. Aun cuando
las fibras localizadas cerca de la superficie pueden corroerse ligeramente,
las pruebas han demostrado que esta corrosión superficial no
conduce a pérdida de las propiedades mecánicas. Los estudios
demuestran que los especímenes con el nivel de servicio que se
agrietan en soluciones acuosas (con y sin cloruro) exhiben calentamiento
autógeno en las grietas. El UHPFRC Tipo 2 con aberturas de grietas
de 55 a 200 µm mostraron reducciones de 0% y 12% en la capacidad
de soporte después de la exposición a soluciones de cloruro.
Después de una exposición similar, los especímenes
de UHPFRCs Tipo 3 mostraron un incremento de 14% en la capacidad de
soporte comparados con los especímenes de referencia no agrietados
almacenados al aire libre.
Para grietas muy finas de menos de aproximadamente 50 µm, el alivio
autógeno parece ser suficiente para evitar daños por corrosión.
No se han llevado a cabo pruebas en especímenes UHPFRC sometidos
simultáneamente a cargas por fatiga y exposición a cloruros.
Nota: Este documento está basado en el
artículo “Ultra High Performance Concretes”, publicado
por el American Concrete Institute (www.concrete.org) en Concrete International,
febrero de 2008.