Los compuestos están conformados por fibras de refuerzo, resinas, materiales de relleno y aditivos. Cada uno de estos materiales o ingredientes tiene un papel muy importante en el proceso y perfil del producto final.

El refuerzo y la resina

Las fibras de refuerzo proporcionan el esfuerzo mecánico, la resina o polímero es el “pegamento” que mantiene unido al compuesto y da las propiedades físicas del producto terminado, mientras que los materiales de relleno y aditivos son usados como proceso para dar propiedades especiales al producto final.

En los Compuestos de Fibras de Refuerzo con Polímeros (FRP) se combinan dos materiales que, al unirse, crean un sistema en el que se aprovechan sus cualidades mecánicas de tal manera que dan por resultado un tercer material de características mecánicas superiores a las del acero.

Hay varias formas de refuerzo, como hilos de varios tipos, tejidos o telas y colchonetas, pero la primera función de todos es tomar la carga a través de la longitud de la misma para dar resistencia y rigidez en la dirección de la fibra. Los refuerzos pueden ser orientados para dar las propiedades deseadas en la dirección de la aplicación de la carga.

Por lo regular, los refuerzos se clasifican por su forma. Actualmente están disponibles en barras circulares con las fibras rectas, torcidas o entrelazadas, con diferentes tipos de superficie o acabado, como corrugado o recubiertas con arena; también hay barras rectangulares con los mismos tratamientos de superficie.
Hay mallas de refuerzo planas y tridimensionales; y también en láminas y tiras, así como perfiles de forma definida –ángulos, T´s, cuadrados, etcétera.
Las resinas están divididas en dos grandes grupos, conocidos como termofijas y termoplásticas; pueden ser de poliéster, epóxicas, de viniléster, fenólicas y de poliuretano, y se utilizan según los requerimientos solicitados.
La función principal de la resina, que actúa como un pegamento, es mantener las fibras unidas, transferir la carga entre las fibras de refuerzo y protegerlas del daño ambiental y mecánico.
En cuanto a su densidad, los Compuestos FRP son entre cuatro y seis veces más ligeros que el acero, lo que nos lleva a tener menores cargas de transportación y costos de almacenamiento, disminución de la mano de obra y menores tiempos de instalación en el sitio de trabajo en comparación con el acero.

De fibras a fibras

Dada la gran variedad de propiedades que existen para las fibras y las matrices, sólo se puede tener un rango determinado de combinaciones de fibra-polímero. Las fibras pueden ser de varios materiales (vidrio, carbono, aramida), los cuales tienen una gran variedad de resistencias y rigideces, y pueden realizarse de varias formas.
Las láminas de refuerzo con fibras de alto desempeño generalmente exhiben un comportamiento elástico lineal a la falla, dependiendo de la dirección en donde se aplique la carga con respecto a la orientación de la fibra.
Las láminas FRPVidrio tienen mayor resistencia a la tensión y mayor módulo que la madera, el acero, el aluminio o el concreto.
Las láminas de FRPCarbono tienen una resistencia a la tensión específica (relación resistencia a tensión-densidad del material) de aproximadamente 4 – 6 veces mayor y un módulo específico (relación módulo- densidad del material) 3.5 – 5 veces mayor que el acero o el aluminio.
Los materiales FRP no poseen un alto grado de ductilidad y exhiben muy poca fluencia antes de la falla. En términos de fatiga, la mayoría de los materiales FRP no exhiben ningún límite de fatiga.
También se ha observado que los ciclos de carga con frecuencia alta pueden generar calor interno, el cual no se disipa.

¿Materiales del futuro?

Hace no mucho tiempo, los Compuestos FRP eran considerados de la “era del espacio”, utilizados sólo en los transbordadores espaciales y
aviones de caza.
Este material tan versátil se ha convertido en parte de nuestra vida diaria y es utilizado hoy día como parte de nuestra rutina en automóviles, botes, clubes de golf, bicicletas, componentes de computación, chalecos antibalas y miles de productos más.
Los Compuestos FRP también nos dan soluciones prácticas para la construcción en los retos de restauración estructural integral, incremento de las capacidades de carga y aumento de resistencia y rigidez de estructuras antiguas.
La ventaja de los compuestos es la variedad de los sistemas de resinas y fibras que nos permite la mayoría de las veces una solución. Dependiendo del producto y la aplicación, el uso de los productos FRP para la infraestructura y construcción civil plantea diversas soluciones.

• El diseño del producto y del sistema puede ser optimizado para cargas específicas.
• Con la reducción de las dimensiones de la estructura por cargas muertas, se pueden aumentar los valores de carga en estructuras ya existentes.
• Los costos de mantenimiento son reducidos debido a la resistencia a agentes corrosivos y también al descongelamiento.
• El sistema en paquetes disminuye el tiempo de instalación en campo.
• La construcción rápida reduce los posibles retrasos.
• Se cuenta con la seguridad de los sistemas prediseñados.
• Aumenta la durabilidad y las características de fatiga han sido probadas en otras industrias.
• Los sistemas y productos permiten un valor agregado a la ingeniería que resulta en instalaciones eficientes e innovadoras.
Muchos productos FRP se encuentran disponibles para reparar o reemplazar las estructuras existentes.
Gran cantidad de ellos han sido usados extensivamente y han demostrado su eficacia en todo el mundo. Algunos ejemplos de los productos de Compuestos FRP son:

• Nuevas formas estructurales aplicadas a vigas para plataformas de puentes.
• Sistemas de puentes vehiculares y peatonales.
• Barras y tendones de FRP para refuerzo de concreto.
• Sistemas y productos de pilotaje para estructuras marinas.
• Sistemas de Compuestos FRP para reparar, reforzar y dar rehabilitamiento sísmico a vigas, columnas, losas y muros.
• Barras de unión (pasajuntas) para los pavimentos de concreto hidráulico.

Los Compuestos FRP para concreto reforzado

Los Compuestos FRP en sus diferentes formas pueden ser utilizados como refuerzo para concreto reforzado; como elemento para reforzamiento, rehabilitación, reparación o mejoramiento de estructuras existentes de concreto reforzado, mampostería y madera –losas, muros, columnas, vigas, etc.– ; para elementos presforzados y postensados de concreto; elementos prefabricados; infraestructura ferroviaria –durmientes–; elementos arquitectónicos y muchas otras aplicaciones más.
Por las condiciones de operación de las estructuras, los Compuestos FRP pueden ser empleados en estructuras expuestas a salinidad, plantas de procesos químicos, plantas de tratamiento de aguas residuales, instalaciones petroquímicas, en la industria papelera y textil, torres de enfriamiento de agua, plantas nucleares, estructuras cerca y dentro del mar, instalaciones telefónicas, torres de telecomunicaciones y de transmisión, torres de control en aeropuertos, hospitales (instalaciones de resonancia magnética y rayos X), acuarios, albercas, muelles, puertos, diques, pilotes, postes de concreto de alumbrado o conducción, centros de cómputo, instalaciones subterráneas, ductos, estructuras sujetas a agentes corrosivos, entre otros usos.

También para la arquitectura

En la construcción de vivienda o residencial, se pueden utilizar en la
fabricación de componentes para instalaciones hidráulicas o sanitarias, que logran una gran resistencia, además de ligereza. A diferencia de la porcelana o el acero, la superficie de los Compuestos FRP es cálida al tacto. El moldeo de los compuestos permite formas más estéticas y acabados
más funcionales.
También existen pisos de teja o azulejo que pueden ser fabricados con Compuestos FRP. Los constructores los usan para cubrir grandes áreas de piso en oficinas de diseño modular. Además existen pisos de vinilo, en una gran variedad de diseños y colores, que son de bajo mantenimiento, higiénicos y repelentes.
Los paneles suspendidos, más comúnmente llamados falsos plafones, hechos con Compuestos FRP incrementan la rigidez y la resistencia, además de permitir el fácil ensamblado. Sirven para las aplicaciones
convencionales de cubrir las instalaciones eléctricas, ductos, tuberías, etc. Muchos de estos plafones mejoran la calidad acústica de los sitios de trabajo.
Hay también techos artificiales, listos para cubrir las losas de concreto. Los productos para estos techos reforzados con FRP mantienen su forma durante el envío y el manejo. Una vez instalados, los techos presentan una mayor resistencia y estabilidad dimensional por arriba de las temperaturas promedio,- sin absorber humedad como los techos convencionales.

El siguiente paso

Los materiales de alto desempeño como los Compuestos FRP no han sido usados en gran escala en proyectos de construcción debido a las barreras económicas y técnicas. La principal barrera económica es su alto costo inicial. Con respecto a cómo el costo hace efectivo un material por encima del ciclo de vida del
proyecto, los obstáculos que mencionan las industrias es que elevan los costos de obra, particularmente cuando los costos del ciclo de vida de un material nuevo son relativamente desconocidos.
Alemania, Japón y Estados Unidos tienen el liderazgo mundial en el uso de FRP en la construcción. Si las compañías mexicanas quieren entrar a una competencia global, deben empezar a introducir en sus proyectos materiales de nuevas tecnologías como los FRP. Si bien es cierto que los métodos de análisis deben cumplir con la reglamentación vigente para los proyectos, se debe crear una cultura del ciclo de vida de las estructuras. Si la durabilidad de una estructura se puede probar en 75 años, también se debe poder justificar económicamente el proyecto por un análisis de costo de ciclo de vida.

Los productos patentados en países que tienen muy desarrollada el área de los Compuestos FRP son muchos, y existen alternativas para los diferentes usos que se requieren. La situación en Centro y Suramérica es muy parecida a la de México, con excepción de Colombia, que tiene mayor difusión en el ámbito estructural. Actualmente, en México existen tres empresas que brindan la tecnología FRP en su forma de lámina para refuerzo externo; también hay dos distribuidores de barras FRP y un nuevo productor de ellas.

* Ingeniero Civil, egresado de la UNAM, formó parte del equipo ganador del FRP Composites Competition y fue premiado por el Instituto Americano del Concreto (ACI) en 2001.

Desde el principio, las aplicaciones de los Compuestos FRP han revolucionado industrias enteras, como la aeroespacial, la marítima, la de procesos químicos y transportación. Ahora, la atención mundial está puesta en las oportunidades de los compuestos estructurales para la industria de la construcción e infraestructura civil.
Los Compuestos FRP presentan las siguientes ventajas sobre algunos materiales tradicionales:
• Ligereza
• Alta relación esfuerzo – su peso y resistencia es direccional
• Alta resistencia a la corrosión
• Resistencia al ambiente
• Estabilidad estructural con baja conductividad térmica y bajo coeficiente de expansión térmica lineal
• No son magnéticos
• Son transparentes a las ondas de radar
• Son aislantes
• Requieren bajo mantenimiento
• Poseen gran durabilidad
• Se pueden tener partes geométricas pequeñas o muy grandes
• Se les puede dar el acabado deseado
• Presentan alta resistencia al impacto

Los Compuestos de Fibras de Refuerzo con Polímeros (FRP) se definen como una matriz termofija o termoplástica que contiene materiales de refuerzo como las fibras –que pueden ser de vidrio, carbono o aramida–. Los Compuestos FRP son anisotrópicos (las propiedades sólo aparecen en la dirección donde se
aplica la carga), a diferencia del acero o el aluminio, que son isotrópicos (las propiedades son uniformes en todas direcciones, independientemente de la aplicación de la carga).