Propiedades mecánicas y mecanismos de falla del hormigón reforzado con fibras: influencia del tipo y contenido de fibra.
El hormigón es el más utilizado Construcción El hormigón ofrece numerosas ventajas, como su amplia disponibilidad, su sencillo proceso de producción, su bajo coste y su facilidad de aplicación. Se utiliza ampliamente en diversos campos, como la construcción de edificios, carreteras, puentes, túneles e ingeniería hidráulica. Con el desarrollo de numerosos proyectos de ingeniería, las exigencias sobre el rendimiento del hormigón también han aumentado gradualmente. En consecuencia, se han hecho evidentes las deficiencias del hormigón tradicional, como su insuficiente resistencia a la tracción, su escasa resistencia al agrietamiento y su inestabilidad volumétrica. Por lo tanto, mejorar el rendimiento del hormigón ha sido una de las principales líneas de investigación en ingeniería civil.
Para mejorar el rendimiento del hormigón, normalmente se añaden fibras para mejorar sus propiedades mecánicas y su resistencia. Algunos ejemplos son: Fibra de acerofibras de sílice (SF), fibras sintéticas (como las de polipropileno), fibras minerales (como las de basalto - BF) y fibras de carbono (CF). Este enfoque ha mejorado aún más el rendimiento del hormigón de alto rendimiento (HPC) y del hormigón de ultra alto rendimiento (UHPC).
Las fibras pueden, hasta cierto punto, mejorar las propiedades mecánicas del hormigón. Sin embargo, los diferentes tipos y contenidos de fibras inevitablemente conducen a variaciones significativas en su impacto sobre las propiedades mecánicas del hormigón. Actualmente, el contenido óptimo de fibras, la relación cuantitativa entre los parámetros relevantes y las propiedades mecánicas, y los mecanismos subyacentes del hormigón reforzado con fibras todavía requieren mayor aclaración. Este estudio investigó las fibras de carbono (FC), fibras de basalto Se utilizaron fibras de acero (BF) y fibras de acero (SF) como sujetos de investigación, preparando probetas de hormigón con diferentes contenidos de fibra. Estas fibras se eligieron debido a su bien documentada mejora del rendimiento en el hormigón y su amplia aplicación. Mediante experimentos controlados con variables, se analizaron sistemáticamente los efectos del tipo y el contenido de fibra sobre la resistencia a la compresión, el módulo elástico y el modo de falla del hormigón. Combinando técnicas de análisis de imagen digital y microscopía electrónica de barrido (MEB), se observó el comportamiento de la evolución de las fisuras en el hormigón reforzado con fibras durante los experimentos, lo que condujo a las siguientes conclusiones:
1. En comparación con el hormigón ordinario (PC), la incorporación de fibras de acero (SF), fibras de carbono (CF) y fibras de basalto Las fibras de basalto (BF) mejoraron significativamente las propiedades mecánicas del hormigón reforzado con fibras (FRC) y modificaron su modo de falla. Estas fibras alteraron la compacidad del hormigón y las características iniciales de compresión de los poros. A medida que aumentaba el contenido de fibras, el modo de falla pasó de frágil a dúctil. El punto de transición crítico fue del 0,5 % para el hormigón con fibras de acero (SFC) y del 1,0 % para el hormigón con fibras de carbono (CFC) y el hormigón con fibras de basalto (BFC). Para maximizar el rendimiento mecánico, el contenido óptimo fue del 2,0 % para las fibras de acero, del 1,0 % para las fibras de carbono y del 0,5 % para las fibras de basalto.
2. Si bien el contenido de fibra puede mejorar la compacidad y la capacidad portante del hormigón, un contenido excesivamente alto puede provocar un fenómeno de saturación, causando la aglomeración de las fibras. Esto afecta negativamente las propiedades físicas, la resistencia y las características de deformación del hormigón. El hormigón con fibras de acero alcanzó un rendimiento óptimo con una fracción volumétrica de fibra del 2,0 %, mientras que el hormigón con fibras de carbono y el hormigón con fibras de basalto alcanzaron su rendimiento óptimo con un 1,0 % y un 0,5 %, respectivamente. Por encima de estos contenidos óptimos, el rendimiento disminuyó.
3. El análisis mediante microscopía electrónica de barrido (MEB) reveló que la unión interfacial entre las fibras y la matriz cementicia influye significativamente en las propiedades mecánicas macroscópicas del hormigón. Una cantidad adecuada de fibras forma una densa red tridimensional dentro del hormigón, mejorando la conectividad de la matriz y su rendimiento general. Sin embargo, un contenido excesivo de fibras provoca su aglomeración, creando regiones interfaciales débiles y reduciendo la densidad y la resistencia del hormigón. Los cambios en la microestructura fueron altamente consistentes con la evolución de las propiedades mecánicas macroscópicas.
4. La adición de fibras alteró significativamente el modo de falla del hormigón. En comparación con el hormigón simple, el hormigón reforzado con fibras mostró una mayor integridad posterior a la falla, con menos fisuras y más estrechas, y una mayor tenacidad. Las fibras de acero fueron las más efectivas en la inhibición de fisuras, seguidas de las fibras de carbono y las de basalto. El "efecto puente" de las fibras desempeñó un papel crucial en la supresión de la propagación de fisuras, mientras que el "efecto de interfaz débil" tuvo un impacto negativo en las propiedades mecánicas.
