MATERIALES COMPUESTOS Y HORMIGÓN

Económico y versátil, el hormigón es simplemente el mejor material de construcción para muchas aplicaciones. El problema es cómo hacer que el hormigón se adapte a las cargas ambientales y estructurales para un rendimiento a largo plazo. Un concreto compuesto verdadero generalmente consiste en grava y agregado de arena unidos en una matriz de cemento portland fino, con barras de refuerzo de metal generalmente incorporadas para mayor resistencia. Funciona admirablemente bajo compresión, pero tiende a ser frágil y algo débil en tensión. La tensión tensional, así como la contracción del plástico durante el curado, conducen a grietas, que invitan a la entrada de humedad que eventualmente conduce a la corrosión del metal incrustado y a la pérdida de integridad a medida que el metal se deteriora.

Los compuestos de polímeros reforzados con fibra (FRP) se han concebido durante mucho tiempo como un material que permite mejorar el rendimiento del concreto. El American Concrete Institute (ACI) y otros grupos, como la Sociedad Japonesa de Ingenieros Civiles, han sido fundamentales en el desarrollo de especificaciones y métodos de prueba para materiales de refuerzo compuestos, muchos de los cuales son aceptados y están bien establecidos hoy en día en la construcción de hormigón. “Además de los documentos de directrices de diseño, ahora tenemos los métodos de prueba”, dice John Busel, presidente del Comité 440 de ACI, formado en 1990 para proporcionar a ingenieros y diseñadores información y dirección para materiales compuestos. Los métodos de prueba se describen en ACI 440.3 R-04. (Este y otros documentos publicados importantes relacionados con el refuerzo compuesto de hormigón se pueden encontrar en la barra lateral adjunta, “Guías de diseño de hormigón”) “También estamos trabajando firmemente en una revisión de nuestro informe de vanguardia de 1996, para actualizar a los profesionales del concreto sobre las muchas aplicaciones nuevas y las oportunidades de mercado emergentes”, dice Busel.

Las barras de refuerzo de compuesto y las rejillas de refuerzo continúan utilizándose en una serie de aplicaciones. Más recientemente, se han desarrollado productos y están empezando a proliferar las aplicaciones para el hormigón reforzado con fibra, un material que utiliza fibras de acero o polímero como refuerzo en pavimentos, losas de piso y piezas prefabricadas. BARRA DE REFUERZO COMPUESTA

: TECNOLOGÍA ESTABLECIDA

En los últimos 15 años, las barras de refuerzo de material compuesto han pasado de ser prototipos experimentales a ser un reemplazo efectivo del acero en muchos proyectos, particularmente con el aumento de los precios del acero. “Las barras de refuerzo de fibra de vidrio se usan comúnmente, y es un mercado muy competitivo”, dice Doug Gremel, director de refuerzo no metálico de Hughes Bros. (Seward, Neb.), un fabricante establecido de productos de barras de refuerzo. “El estado de conocimiento de la industria sobre el material es inmensamente mejor que hace 10 años.”

Para algunos proyectos de construcción, como las instalaciones de imágenes por resonancia magnética (IRM) en hospitales, o los enfoques de cabinas de peaje que emplean tecnología de etiquetas de identificación por radiofrecuencia (RFID) para identificar a los clientes de prepago, la barra de refuerzo compuesta es la única opción. Las barras de refuerzo de acero no se pueden usar porque interfieren con las señales electromagnéticas. Además de la transparencia electromagnética, las barras de refuerzo de compuesto también ofrecen una resistencia a la corrosión excepcional, un peso ligero (aproximadamente una cuarta parte del peso del acero) y aislamiento térmico, ya que resisten la transferencia de calor en aplicaciones de construcción. Los dos fabricantes más grandes son Hughes y Pultrall (Thetford Mines, Canadá).

Las barras de refuerzo compuestas se pultruyen típicamente, utilizando rovings de fibra de vidrio electrónico y resina de éster de vinilo, con técnicas de conformado estándar. Los productos Aslan de Hughes están hechos con una envoltura helicoidal para crear un perfil ondulado, mientras que la barra en V de Pultrall es lisa. Ambos tienen un revestimiento exterior de arena, aplicado durante la fabricación, para crear una superficie rugosa para una adherencia óptima de la unión. Según Gremel, se necesita una resina de éster de vinilo de alta calidad, junto con los tamaños de fibra correctos, para lograr las mejores propiedades de corrosión y resistencia al alto álcali en el cemento Portland, así como un enlace tenaz.

Debido a que las propiedades mecánicas de la fibra de vidrio son diferentes del acero, el diseño de la estructura de concreto con barras de refuerzo de compuesto se desarrolla utilizando ACI 440.1 R-03, Guía para el Diseño y Construcción de concreto Reforzado con Barras de FRP. La Guía aborda la flexión, la facilidad de servicio, la ruptura por fluencia y la fatiga, además de la cizalla y los detalles para estribos, dice Busel. Tanto Hughes como Pultrall son miembros del Consejo de Fabricantes de Barras de refuerzo de FRP, bajo el paraguas de la American Composites Manufacturers Assn. (ACMA) y están involucrados con ACI en el desarrollo de estándares mínimos de rendimiento para barras de refuerzo. Si bien es cierto que las barras de refuerzo de compuesto no se pueden doblar en el lugar de trabajo para cumplir con condiciones inesperadas, Gremel dice que no es un problema. “Las barras de acero recubiertas de epoxi tampoco se pueden doblar, sin romper el revestimiento de epoxi”, afirma. “Podemos doblar previamente las barras de fibra de vidrio durante la fabricación según el diseño de un ingeniero, de acuerdo con un calendario detallado, que es cómo se debe hacer.”Con el lanzamiento de los nuevos métodos de prueba para hormigón con barras de refuerzo de material compuesto, los propietarios y diseñadores ahora tienen la seguridad de que la estructura funcionará según lo previsto. Gremel señala que el documento de prueba se convertirá a un estándar ASTM.

Pultrall V-ROD se distribuye en los estados UNIDOS exclusivamente por la Protección del Hormigón Products Inc. (CPPI, Dallas, Texas). El presidente de CPPI, Sam Steere, informa de varios proyectos recientes que emplean V-ROD, incluido un nuevo puente que atraviesa la carretera I-65 de los Estados Unidos en el condado de Newton, Indiana. El puente de tres tramos de 58 m/191 pies de largo es de 10,5 m/34,5 pies de ancho con una cubierta de hormigón armado que se asienta sobre vigas en I de acero, que se apoyan en pilares de hormigón. La cubierta de hormigón de 203 mm/8 pulgadas de espesor está reforzada con barras de refuerzo de acero recubiertas de epoxi en la mitad inferior, pero en la mitad superior se utiliza una barra compuesta de varilla en V resistente a la corrosión, donde el potencial de contacto con sales de deshielo es mayor. Se colocaron dos tamaños de barra compuesta, cada una en centros de 152 mm/6 pulgadas: la barra #5 (16 mm/0,625 pulgadas de diámetro) en la dirección transversal y la barra #6 (19 mm/0,75 pulgadas de diámetro) en la dirección longitudinal. Toda la estructura fue instrumentada con sensores de fibra óptica por investigadores de la Universidad de Purdue, para la evaluación continua del rendimiento de la plataforma a través de una conexión remota. Es el primer uso de barra compuesta en una aplicación de cubierta de puente por el Departamento de Transporte de Indiana, dice Steere.

Hughes Bros Recientemente se instalaron barras de fibra de vidrio Aslan 100 en un puente de hormigón colado en Morrison, Colorado. construido por el Colo. Dept. de Transporte (CDOT) en cooperación con el Departamento de Parques y Recreación de la Ciudad y el Condado de Denver. El puente de 13,8 m/45 pies de largo, que se extiende por Bear Creek, usó barras de refuerzo de fibra de vidrio en las zapatas, pilares, paredes alares, parapetos y un arco de concreto curvo vertido en el lugar. Kansas Structural Composites (Russell, Kan.). Se incorporaron varios tamaños de barras de refuerzo diferentes a los elementos fundidos, incluidos #5, #6 y # 7 (diámetro de 19 mm/0,75 pulgadas). Gremel señala que se necesitaban muchos estribos doblados y formas únicas para lograr el diseño detallado, y agregó que todos se fabricaron en la fábrica antes del envío. El ingeniero de CDOT, Mark Leonard, dice que el estado ha tenido un buen éxito con barras de refuerzo de compuesto en proyectos anteriores y seleccionó a Aslan porque Hughes presentó la oferta más baja. Aunque la cubierta recibe un tráfico mínimo a bajas velocidades, Leonard dice que el diseñador del puente, Parsons Brinkerhoff (Denver, Colorado.), siguió todas las directrices de diseño de ACI y utilizó los nuevos métodos de prueba ACI440.3R-04 para certificar los materiales.

Se espera que el mercado de barras de refuerzo compuestas se vuelva aún más competitivo a medida que un nuevo material, la fibra de basalto, gane terreno. Sudaglass Fiber Technology (Houston, Texas), un productor de fibra de basalto con instalaciones en Rusia y Ucrania, ha comenzado a construir una planta de producción en Estados Unidos en el norte de Texas, dice Graham Smith, vicepresidente ejecutivo de Sudaglass. Las barras de refuerzo de basalto / epoxi se están extruyendo actualmente en Ucrania y están en proceso de certificación para la construcción en Estados Unidos, según Smith.

Con una densidad solo ligeramente mayor que las fibras de vidrio típicas, las fibras de basalto de la compañía tienen un rango térmico mucho más amplio de -260°C a 982°C (-436°F a 1850°F) en comparación con un rango nominal de -60°C a 650°C (-76°F a 1202°F) para el vidrio, y un punto de fusión de 1450°C (2642°F), lo que hace que el basalto sea útil en aplicaciones que requieren fuego resistencia. Además, Smith señala que el material demuestra una excelente resistencia al contenido de álcalis en el hormigón sin recurrir a los tamaños especiales utilizados para proteger las fibras de vidrio.

Cualquiera que sea la opción de refuerzo, se espera que las barras de refuerzo compuestas tengan un amplio atractivo entre los responsables de la toma de decisiones del proyecto. “La conclusión es que un buen ingeniero o diseñador está tratando de resolver el problema de corrosión”, concluye Gremel. “Con un costo entre un 5 y un 7 por ciento mayor en materiales de proyecto, se logra una vida útil de 10 a 20 años más larga para la estructura con este producto.”

REJILLAS COMPUESTAS EN PANELES PREFABRICADOS: ALTO POTENCIAL

Desde que CT informó por primera vez sobre el uso de rejillas de polímeros reforzadas con fibra en paneles de construcción de hormigón prefabricado (“Las soluciones compuestas satisfacen las crecientes Demandas de construcción Civil”, CT agosto de 2002, p. 40), el mercado ha sido testigo de un crecimiento significativo, dice Busel. “Esta solicitud es enorme”, sostiene. “Hay un enorme potencial.”

La carga está siendo liderada por AltusGroup, un consorcio de cinco fabricantes de hormigón prefabricado y fabricante de armaduras TechFab LLC (Anderson, S. C.), formado específicamente para promover la tecnología de fundición de carbono en la que las rejillas de fibra de carbono/epoxi de esta última, C-GRID, reemplazan la rejilla de acero tradicional o las barras de refuerzo en estructuras prefabricadas como refuerzo secundario. TechFab es una empresa conjunta 50/50 de Hexcel (Dublín, California).) y Grupo Chomarat (Le Cheylard, Francia). Hasta ahora, los miembros de AltusGroup incluyen a Oldcastle Prefabric (Edgewood, Md.), Estructuras de Hormigón ALTAS (Denver, Pa.), dos prefabricados propiedad de empresas Cretex (Elk River, Minn.) y Metromont Prestress (Greenville, Carolina del Sur), pero es probable que se agreguen nuevos miembros debido al creciente volumen de ventas, dice John Carson, director de desarrollo comercial de TechFab y líder de programas para tecnología C-GRID.

AltusGroup ofrece una variedad de productos de fundición de carbón, que incluyen paneles de pared aislados estructurales y no estructurales y revestimientos arquitectónicos. La rejilla en C generalmente reemplaza los elementos de refuerzo de malla de alambre de acero secundario: las barras de refuerzo de acero convencionales todavía se utilizan para el refuerzo primario en la mayoría de los casos. C-GRID está hecho en un proceso de cuasi tejido eficiente y patentado que alinea fibras de carbono superpuestas de urdimbre y trama de gran remolque mojadas con un epoxi de curado rápido, en una estructura abierta. Las aberturas de rejilla varían en tamaño de 25,4 mm a 76 mm (0,25 a 3 pulgadas), según los requisitos de resistencia del panel, el tipo de concreto y el tamaño del agregado. Durante el proceso de fabricación, la rejilla recibe una superficie rugosa que mejora la resistencia de unión entre la rejilla y el hormigón curado. Las rejillas, con fibras de vidrio, aramida o polímero en combinación con cualquiera de una variedad de resinas, también están disponibles en la línea de productos MeC-GRID de TechFab. Las rejillas de carbono y sin carbono se usan en otras aplicaciones, como elementos decorativos, hormigón fundido en el lugar y reparación/rehabilitación.

Las ventajas de los paneles de carbón son significativas, dice Carson. La REJILLA EN C es mucho más ligera y tiene casi siete veces más propiedades de tracción que el acero. El agrietamiento debido a la contracción de curado se reduce en gran medida, y la REJILLA en C no se corroe, lo que elimina las manchas de superficie a menudo antiestéticas que se producen en paneles de concreto con rejillas de acero. Su resistencia a la corrosión permite el uso de tan solo 6,35 mm/0,25 pulgadas de cubierta de concreto, mientras que se pueden requerir hasta 76,2 mm/3 pulgadas de cubierta para proteger la rejilla de acero de la humedad. Por lo tanto, el peso del panel se puede reducir hasta en un 66 por ciento, en comparación con los prefabricados convencionales. Los paneles más ligeros permiten un menor peso total de la pared, lo que a su vez requiere una subestructura de acero menos sustancial, lo que resulta en costos de construcción significativamente más bajos. La REJILLA C también es térmicamente no conductora, por lo que el valor de aislamiento del panel no se ve comprometido. Además, las aberturas se pueden cortar en los paneles en el sitio de trabajo con una sierra eléctrica, lo que no es posible con una rejilla de acero. Todos estos beneficios se traducen en menores costos de transporte, montaje y superestructura para una construcción más eficiente.

Más de 3 millones de m2 de CarbonCast panel de productos han sido vendidos a la fecha y la demanda es tan alta que TechFab recientemente anunciado importantes planes de expansión. Una nueva planta albergará una línea de fabricación de red adicional que, según Carson, debería estar operativa en octubre de este año. El anuncio siguió de cerca el acuerdo de varios años anunciado por la compañía con Zoltek Corp. (St. Louis, Mo.), el proveedor de la fibra de remolque grande Panex 35 utilizada en la rejilla C. Según Carson, el acuerdo garantizará un suministro consistente para C-GRID durante los años iniciales de lanzamiento del producto. “Zoltek ha sido nuestro principal proveedor y defensor de fibra desde el primer día de este proyecto”, señala.

Los paneles prefabricados se han utilizado en proyectos tan diversos como salas de cine, iglesias y estacionamientos. Un proyecto reciente fue el complejo de oficinas/almacenes Cardinal Health de 332,000 pies y 2 pies cerca de Baltimore, Md. Se fundieron paneles de carbón de hasta 15,5 m/51 pies de largo para formar las paredes exteriores verticales del edificio de dos pisos. Cada panel es una construcción tipo sándwich con aislamiento de espuma de 152 mm/6 pulgadas (alcanzando el valor de aislamiento R-16) entre hojas laterales que consisten en una malla externa de 50 mm/2 pulgadas de espesor (capa de concreto) y una malla interna de 100 mm/4 pulgadas de espesor, la REJILLA en C colocada perpendicular a las caras del panel conecta las redes internas y externas, proporcionando refuerzo de corte.

“Nos estamos moviendo en marcha con este concepto”, dice Carson. “Estamos agregando nuevos productos para satisfacer el crecimiento de las aplicaciones.”

HORMIGÓN REFORZADO CON FIBRA: VIENE FUERTE

El uso de fibras cortas en el hormigón para mejorar las propiedades ha sido una tecnología aceptada durante décadas, incluso siglos, teniendo en cuenta que en el Imperio Romano los morteros estructurales se reforzaban con crin de caballo. Los refuerzos de fibra aumentan la dureza y la ductilidad del concreto (la capacidad de deformarse plásticamente sin fracturarse) al transportar una parte de la carga en caso de falla de la matriz y detener el crecimiento de grietas. Dr. Victor Li, de la Universidad de Michigan, ha investigado las propiedades de los compuestos cementosos reforzados con fibra de alto rendimiento, un subconjunto de concreto reforzado con fibra de muy alto rendimiento, y cree que la aceptación del material crecerá, siempre y cuando se mantengan el rendimiento, el bajo costo y la fácil ejecución.

” El uso de este material puede llevar a la eliminación de barras de refuerzo de corte, lo que resulta en una reducción de los costos de material y mano de obra”, dice Li. ” Una estructura más delgada reduce el volumen de material y la carga muerta, y facilita el transporte. Estas reducciones de costos generales pueden justificar fácilmente el costo del material reforzado con fibra.”

El reconocimiento oficial del hormigón reforzado con fibras ha estimulado la publicación de normas y directrices para su uso en los últimos cinco años (véase CT julio/agosto de 2001, pág. 44). Desde entonces, las aplicaciones comerciales han florecido.

El gigante de los materiales de construcción Lafarge SA (París, Francia) ha promovido su material de hormigón reforzado con fibra de ultra alto rendimiento, con el nombre comercial Ductal, durante casi diez años, dirigido a una amplia variedad de aplicaciones de infraestructura civil y arquitectónicas. Ductal es una mezcla de cemento Portland, humo de sílice, harina de cuarzo, arena fina de sílice, plastificantes, agua y fibras de acero u orgánicas, típicamente de 12 mm/0,5 pulgadas de longitud. Vic Perry, vicepresidente/gerente general de Ductal, dice que la combinación de polvos finos, seleccionados por tamaño de grano relativo, crea la máxima compactación durante el curado, lo que resulta en una ausencia completa de porosidad continua, lo que elimina virtualmente la entrada de humedad y la corrosión potencial de las fibras de acero. Para estar seguros, las fibras de alcohol polivinílico (PVAL) se especifican típicamente para aplicaciones arquitectónicas o decorativas, para evitar cualquier posibilidad de manchas superficiales que puedan ocurrir con fibras de acero oxidadas y eliminar la abrasividad donde el contacto humano es una preocupación. Los materiales se venden en bolsas a granel a prefabricados o proveedores de hormigón premezclado.

“La adición de las fibras hace que el material se deforma de una manera dúctil y soporte de cargas de tracción”, dice Perry. “Las fibras proporcionan resistencia y propiedades microestructurales mejoradas.”

Dependiendo del tipo de fibra utilizada, la resistencia a la compresión de Ductal varía de 150 MPa a 200 MPa (21,750 psi a 29,000 psi), en comparación con el concreto estándar de 15 MPa a 50 MPa (2,175 psi a 7,250 psi). La resistencia a la flexión probada es de hasta 40 MPa/5,800 psi, dice Perry. Ductal reforzado con fibras de acero Forta de Lafarge se ha utilizado para la construcción prefabricada y en varias aplicaciones de vigas de puente de pretensado. En Saint Pierre La Cour, Francia, se diseñó un puente vehicular de 20 m/65 pies de largo con 10 vigas ductales en I que soportaban una plataforma de concreto reforzado con barras de refuerzo de 170 mm/6,5 pulgadas de espesor tradicional colada en el lugar. Las vigas prefabricadas, que no contienen barras de refuerzo, tienen una profundidad de 600 mm/24 pulgadas y se pretensaron con cables de acero de 13 mm/0,5 pulgadas, colocados en la brida inferior. La tensión se aplica a las hebras antes de que el Ductal se vierta en la forma de viga. Una vez que el hormigón cubre los hilos y el material ha comenzado a curarse, se cortan, lo que en efecto ejerce presión de compresión sobre la mezcla de hormigón.

Cuando se somete una viga pretensada a cualquier flexión, explica Perry, no experimenta tensión tensional, sino que “no se comprime”, lo que mejora en gran medida el rendimiento. Debido a la resistencia de Ductal, las vigas no requieren barras de refuerzo, lo que reduce significativamente el peso por pie.

Las estructuras ductales con forma de sección transversal como la letra mayúscula griega “Π” (esencialmente una viga de caja sin brida inferior) funcionan como cubierta y vigas en un puente experimental instalado en una pista de pruebas en el Laboratorio Turner Fairbank de la Autoridad Federal de Carreteras de los Estados Unidos (FHWA), para investigar la idoneidad del diseño para la construcción de carreteras futuras. La viga/cubierta” Π ” está diseñada para soportar configuraciones de carga HL-93 de la Asociación Estadounidense de Funcionarios Estatales de Carreteras y Transporte (AASHTO).

“El Ductal vigas de permitir que los intervalos más largos para la misma viga de peso”, dice Perry. “Eventualmente, veremos concreto reforzado con fibra en vigas y cubiertas de puentes.”

SI Sistemas de hormigón. (Chattanooga, Tenn.) es un fabricante de refuerzo de fibra para hormigón. SI ofrece Novomesh, Fibermesh y otros productos de fibra que se utilizan como una alternativa al refuerzo de malla de alambre de acero secundario y barras de refuerzo ligeras en aplicaciones comerciales y residenciales, dice Hal Payne de SI, gerente de alianzas estratégicas. SI ofrece fibras de polipropileno (PP), fibras de acero, fibras macrosintéticas y mezclas diseñadas. Según Payne, los productos de fibra de polipropileno de SI son críticos para controlar las grietas de contracción de plástico de “edad temprana” para evitar que estas grietas se conviertan en fallas importantes a medida que el concreto se cura. Novomesh 950 es un nuevo producto para la compañía, y consiste en una mezcla de fibras microsintéticas fibriladas y macrosintéticas de monofilamento grueso. Según Payne, el producto da un resultado tan bueno como las fibras de acero en su uso previsto para losas de piso comerciales.

Kingspan (Sherburn, Malton, N. Yorkshire, Reino Unido) es un especialista en construcción de hormigón que utiliza aditivos de fibra de hormigón de Bekaert Building Products (Friedrichsdorf, Alemania). Las fibras de acero Dramix en forma de Bekaert se agregan al hormigón para producir pisos y techos sin rejillas de acero de refuerzo. Se informa que el producto es ideal para sitios de construcción estrechos como el desarrollo de Spurriergate de tres pisos en la histórica ciudad de York del Reino Unido. Dado que el concreto no requiere refuerzo de rejilla de acero, se elimina por completo el costo de la rejilla de acero y la mano de obra requerida para entregar los rollos voluminosos, luego cortarlos y colocarlos en edificios de varios pisos antes de las operaciones de vertido de concreto. Los pisos de concreto reforzado con fibra del proyecto se colocaron en una sola operación, simplemente entregando el material reforzado con fibra directamente a cada piso utilizando equipos de bombeo automatizados.

En Australia, Francia, Japón y los Estados Unidos, las guías de diseño provisional (que se enumeran en la barra lateral) ahora proporcionan orientación y elementos permitidos para el hormigón reforzado con fibra, un factor importante en su mayor aceptación por parte de diseñadores, ingenieros y responsables de la toma de decisiones de proyectos en el mercado de la infraestructura. “El material ofrece soluciones como velocidad de construcción, estética mejorada, durabilidad superior y resistencia a la corrosión”, concluye Perry. “Eso se traduce en un mantenimiento reducido y una vida útil más larga para la estructura.”

Nota del editor: Vea nuestro próximo artículo sobre el uso de materiales compuestos para la reparación de infraestructura (CT, junio de 2005) y futuros artículos sobre barras de espiga de fibra de vidrio y tendones de pretensado.