Empleo de fibras sintéticas en el concreto proyectado (shotcrete)

Por Sergio Quispe Espinoza. Control de Calidad en Proyectos de Infraestructura Vial / Irrigación / Edificaciones | Especialista en Suelos / Pavimentos / Concreto / Asfalto

Introducción

Las fibras de refuerzo para concreto se emplean en diversas aplicaciones para trabajos de concreto convencional y proyectado (shotcrete).

Las fibras metálicas, por ejemplo, son empleadas como refuerzo estructural en reemplazo del acero de construcción, para prevenir las fisuras por contracción plástica durante el secado del concreto fresco y como reemplazo o complemento de las mallas electro-soldadas en aplicaciones de concreto proyectado (shotcrete). El empleo de estas fibras trae muchas ventajas, por ejemplo, si estas se usan como reemplazo total o parcial de las barras de construcción se puede obtener un considerable ahorro en la mano de obra destinada a las tareas de habilitado y colocación; así mismo, permite ahorrar espacios y tiempos que estas actividades requieren. En aplicaciones de concreto proyectado para el sostenimiento de taludes o de túneles esta fibra reemplaza a la malla electro-soldada; consiguiéndose así un ahorro en mano de obra por colocación, ahorro en espacio de almacenamiento y permite eliminar las dificultades del traslado hasta el punto de aplicación, que comúnmente resulta en accesos dificultosos.

Así mismo, el uso de las fibras sintéticas para concreto se viene presentando cada vez con mayor frecuencia. Las llamadas macro-fibras son empleadas como refuerzo secundario del concreto convencional y en aplicaciones de concreto proyectado (shotcrete) permiten reemplazar a las fibras metálicas y/o mallas electro-soldadas. Las micro-fibras se emplean para mitigar el desarrollo de fisuras por contracción plástica durante el secado del concreto fresco. Las ventajas primarias que tienen estas fibras respecto del acero de construcción son casi las mismas que las que muestran las fibras de acero, sin embargo el empleo de las fibras sintéticas muestran algunas ventajas sobre las fibras de acero en aplicaciones particulares y bajo condiciones específicas, las mismas que serán tratadas en la presente publicación.

Antecedentes

El empleo de fibras como aporte de ductilidad y refuerzo se remonta a épocas antiguas, un ejemplo claro lo tenemos en la fabricación artesanal del adobe que lleva refuerzo de paja, pelo de caballo, y otro tipos de refuerzo similares al que actualmente brindan las fibras de acero y sintéticas.

Los avances tecnológicos en el campo de la química permiten obtener nuevos materiales, en el caso de las fibras de refuerzo se han desarrollado productos sintéticos básicamente constan de polipropilenos fabricados a partir de polímeros.

Las fibras sintéticas permiten reemplazar a las fibras metálicas tradicionales en algunas aplicaciones particulares y bajo condiciones específicas. Estos materiales más livianos también permiten obtener las capacidades mecánicas que aporta el acero y ofrecen además ventajas adicionales como el nulo riesgo de oxidación, corrosión y deterioro, aportando mayor durabilidad a las estructuras. La adherencia fibra – concreto se ve mejorada por los tratamientos físico-químicos que durante el proceso de fabricación se emplean.

El empleo de las fibras sintéticas como reemplazo de las fibras metálicas está tomando cada vez mayor protagonismo dentro de los proyectos de gran envergadura. En el medio internacional se cuenta con muchas experiencias, en Latino-américa las experiencias con este tipo de fibra se están incrementando y en el Perú se han tenido experiencias de aplicación en proyectos de gran magnitud como las Centrales Hidroeléctricas de Cheves, Chaglla y en el Proyecto de Riego Chavimochic – III Etapa.

Fibras sintéticas

Son fibras que se fabrican a partir de materiales sintéticos, resisten el medio alcalino en el cual se desarrolla el concreto, y sustituyen al refuerzo metálico en el concreto.

Ventajas de su empleo en el concreto proyectado

Las fibras sintéticas aportan algunas ventajas respecto de las fibras metálicas. En el caso particular de las aplicaciones en concreto proyectado (shotcrete) tenemos:

· No se oxida ni se corroe.

· Reduce el desgaste en máquinas de proyección, tuberías y mangueras.

· Disminuye el rebote en la proyección o lanzamiento (vía húmeda).

· Retardan el efecto de las altas temperaturas y reducen las fisuras por retracción.

· Menores dificultades en almacenamiento y transporte.

· Mayor seguridad, menos peso para su manipuleo, reduciendo el costo en mano de obra.

· Incrementa la ductilidad a la flexión del concreto.

· Es un material inerte.

· Mayor durabilidad a largo plazo.

· Desarrolla adecuados valores de tenacidad con dosis de consumo más bajas.

Desempeño de la fibra sintética

El desempeño técnico de la fibra sintética está influenciada de manera directa por la calidad y dosificación del concreto empleado debido a que existe una relación directa entre la adherencia de la fibra a la pasta del cemento. Para conseguir una buena adherencia debe considerarse factores de forma de la fibra como son: longitud, diámetro y el relieve de su superficie.

El desempeño del concreto proyectado reforzado con fibras (metálicas o sintéticas) se determina de acuerdo a ensayos en paneles normados, en los cuales se mide la absorción de energía del material (en Joules) frente a una dosis de fibra y resistencia especificada del concreto proyectado.

Dosis óptima de fibras sintéticas para concreto proyectado

La dosis óptima de fibra sintética estará en función de las exigencias de tenacidad (energía absorbida para una cierta deformación) que requiere el tipo de macizo rocoso por sostener.

Un método muy usado para determinar el requerimiento de tenacidad del concreto proyectado a partir de la calidad del macizo es la correlación del sistema Q de Barton. El gráfico siguiente permite definir el requerimiento de energía absorbida para los tipos de macizos (roca buena, regular y mala).

Pruebas para determinación de la tenacidad del concreto proyectado

Un método de ensayo usado para la determinación de la tenacidad del concreto proyectado está detallado en el procedimiento EFNARC 1996 (European Federation of National Associations Representing for Concrete). Este ensayo consiste en una prueba de flexión en paneles cuadrados que se apoyan sobre un marco cuadrado rígido y se cargan a través de un bloque de acero cuadrado, las muestras se someten hasta un nivel de deformación predeterminado (25 mm comúnmente). La curva esfuerzo-deformación es registrada hasta alcanzar la deformación indicada en el centro del panel. De esta curva, se obtiene por integración la curva energía-deflexión. Este método es recomendado por para modelar de una manera más realista, la flexión biaxial en ciertas aplicaciones. Entre las ventajas del método tenemos: las condiciones hiper-estáticas de apoyo que permiten la redistribución de los esfuerzos y la baja dispersión en los resultados. Actualmente este método de ensayo ha sido adoptado por la norma Europea EN 14488-5.

Para el ensayo de tenacidad se requiere de un equipo altamente sofisticado, muchas veces su elevado costo hace poco factible que pueda montarse en los laboratorios o centros tecnológicos a pie de obra.

Cuando el tema económico es una limitante existen alternativas para emplear equipos «adecuados» que pueden constituirse de un marco metálico rígido con una gata de carga o con un sistema de carga constante que permita estimar inicialmente los valores de tenacidad. Esto es útil sobre todo cuando se desee establecer comparaciones entre las diversas opciones de fibras que el mercado ofrece, de esta manera puede definirse la marca de fibra que otorgue mayor beneficio técnico-económico para un proyecto bajo sus condiciones particulares. Posteriormente se deben enviar los paneles a laboratorios equipados adecuadamente, para la confirmación de estos valores. En las imágenes siguientes se aprecia la ejecución de un ensayo con equipo aproximado.

Beneficio económico

El consumo de fibras sintéticas por unidad (m3) de volumen de concreto se encuentra entre 4 kg/m3 a 7 kg/m3, dependiendo de las condiciones del macizo rocoso por soportar. En el caso de las fibras metálicas este consumo se encuentra entre 20 kg/m3 a 50 kg/m3. Esta diferencia en consumos se debe principalmente a que la fibra sintética tiene mayor cantidad de elementos que la fibra metálica para unidad de peso.

El costo de la fibra sintética por unidad de peso es mayor que el de la fibra metálica, pero en la comparación global de consumo el beneficio económico se inclina hacia el uso de la fibra sintética. Casos comprobados han arrojado un ahorro hasta del 50% en el costo de las fibras de refuerzo. A esto se le debe sumar el ahorro en los beneficios indicados anteriormente.

Conclusiones

· El uso de las fibras sintéticas como reemplazo de las fibras metálicas trae ventajas, haciendo que cada vez más proyectos definan su empleo para el refuerzo del concreto proyectado.

· Las fibras sintéticas, tanto macro-fibras como micro-fibras están tomando cada vez mayor protagonismo en las soluciones de ingeniería debido a sus óptimos resultados y ventajas comprobadas.

· La dosis óptima se puede determinar en base a los requisitos de soporte que requiere el macizo según sus condiciones geológicas.

· Ensayos aproximados pueden ser empleados en la etapa de la estimación inicial de las dosis y posteriormente estos valores se pueden ratificar o rectificar con equipos sofisticados y normados.

· El costo de la fibra sintética resulta siendo más bajo que el de la fibra metálica. El porcentaje de disminución dependerá de las dosis requeridas de ambas alternativas en función de la calidad del macizo rocoso a sostener. Sumados los otros beneficios relacionados con la logística y productividad, hacen que el empleo de la fibra sintética sea una alternativa cada vez más atractiva para los proyectos de sostenimiento.