Propiedades mecánicas y mecanismos de fallo del hormigón reforzado con fibras: influencia del tipo y contenido de fibra.
El hormigón es el más utilizado Construcción El hormigón es un material que ofrece numerosas ventajas, como su amplia disponibilidad, un proceso de producción sencillo, un bajo coste y una fácil aplicación. Se utiliza extensamente en diversos campos, como la construcción de edificios, carreteras, puentes, túneles e ingeniería hidráulica. Con el desarrollo de un gran número de proyectos de ingeniería, las exigencias sobre el rendimiento del hormigón también han aumentado gradualmente. En consecuencia, las deficiencias del hormigón tradicional, como su insuficiente resistencia a la tracción, su escasa resistencia a la fisuración y su inestabilidad volumétrica, se han hecho evidentes. Por lo tanto, la mejora del rendimiento del hormigón ha sido, de forma constante, una de las principales líneas de investigación en ingeniería civil.
Para mejorar el rendimiento del hormigón, se suelen añadir fibras para mejorar sus propiedades mecánicas y su resistencia. Algunos ejemplos son: Fibra de aceroEste enfoque ha mejorado aún más el rendimiento del hormigón de altas y ultra altas prestaciones (HPC) y del hormigón de ultra altas prestaciones (UHPC).
Las fibras pueden, en cierta medida, mejorar las propiedades mecánicas del hormigón. Sin embargo, los diferentes tipos y contenidos de fibras inevitablemente generan variaciones significativas en su impacto sobre dichas propiedades. Actualmente, el contenido óptimo de fibras, la relación cuantitativa entre los parámetros relevantes y las propiedades mecánicas, así como los mecanismos subyacentes del hormigón reforzado con fibras, aún requieren mayor investigación. Este estudio investigó las fibras de carbono (FC). fibras de basalto Se utilizaron fibras de acero (SF) y fibras de fibra de carbono (BF) como sujetos de investigación, preparando probetas de hormigón con diferentes contenidos de fibra. Estas fibras se seleccionaron debido a su bien documentada mejora del rendimiento en el hormigón y su amplia aplicación. Mediante experimentos con variables controladas, se analizaron sistemáticamente los efectos del tipo y el contenido de fibra sobre la resistencia a compresión, el módulo de elasticidad y el modo de fallo del hormigón. Combinando técnicas de análisis de imagen digital y microscopía electrónica de barrido (MEB), se observó la evolución de las grietas en el hormigón reforzado con fibras durante los experimentos, lo que permitió llegar 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 La adición de fibras de acero (BF) mejoró significativamente las propiedades mecánicas del hormigón reforzado con fibras (HRF) y modificó su modo de fallo. Estas fibras alteraron la compactación del hormigón y las características de compresión inicial de los poros. Con el aumento del contenido de fibras, el modo de fallo pasó de frágil a dúctil. El punto de transición crítico fue del 0,5 % para el hormigón con fibras de acero (HFA) y del 1,0 % tanto para el hormigón con fibras de carbono (HFC) como para el hormigón con fibras de basalto (HFB). Para maximizar el rendimiento mecánico, el contenido óptimo de fibras de acero fue del 2,0 %, el de fibras de carbono del 1,0 % y el de fibras de basalto del 0,5 %.
2. Si bien el contenido de fibra puede mejorar la compactación 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 cementosa influye significativamente en las propiedades mecánicas macroscópicas del hormigón. Una cantidad adecuada de fibras forma una densa estructura de red tridimensional dentro del hormigón, mejorando la conectividad de la matriz y su rendimiento general. Sin embargo, un contenido excesivamente alto 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 modificó significativamente el modo de falla del hormigón. En comparación con el hormigón simple, el hormigón reforzado con fibras presentó mayor integridad post-falla, con menor cantidad de fisuras y de menor diámetro, además de una mayor tenacidad. Las fibras de acero fueron las más efectivas para inhibir la propagación de fisuras, seguidas por las fibras de carbono y las fibras 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.
