SciELO - Scientific Electronic Library Online

 
vol.24 número2Métodos de evaluación de las reacciones álcali-sílice en hormigones con áridos reciclados índice de autoresíndice de materiabúsqueda de artículos
Home Pagelista alfabética de revistas  

Revista ingeniería de construcción

versión On-line ISSN 0718-5073

Rev. ing. constr. v.24 n.2 Santiago ago. 2009

http://dx.doi.org/10.4067/S0718-50732009000200001 

Revista Ingeniería de Construcción Vol. 24 N°2, Agosto de 2009 www.ing.puc.cl/ric PAG. 119-140

 

Control de la tenacidad de los hormigones reforzados con fibras usando el ensayo de doble punzonamiento (ensayo barcelona)

 

Sergio Carmona Malatesta **, Antonio Aguado de Cea**, Climent Molins Borrell**, Manuel Cabrera Contreras*

* Universidad Técnica Federico Santa María, Valparaíso, CHILE

** Universitat Politécnica de Catalunya, Barcelona, ESPAÑA

Autor de correspondencia


RESUMEN

Tradicionalmente, se utiliza el ensayo de vigas prismáticas sometidas a flexión para caracterizar la resistencia y el comportamiento en el régimen post fisuración del hormigón reforzado con fibras (HRF). Sin embargo, estos ensayos presentan una alta dispersión en sus resultados cuestionando su empleo para el control sistemático del HRF en obras; tienen, además el inconveniente de tratarse de ensayos complejos que requieren de probetas pesadas y de personal de laboratorio altamente calificado. Alternativamente, se ha propuesto el uso de otros ensayos normalizados de tracción directa e indirecta para realizar la caracterización de propiedades de los HRF, pero éstos han resultado ser muy complejos de ejecutar, sin obtener grandes mejoras en relación a la alta dispersión de los resultados. Con la finalidad de solucionar esta serie de inconvenientes, se ha propuesto el uso de un ensayo de tracción indirecta basado en una configuración del ensayo de doble punzonamiento, al que se ha denominado "Ensayo Barcelona". Este ensayo requiere de probetas de pequeñas dimensiones, con una alta superficie específica de fractura, permitiendo obtener valores representativos de la resistencia y de la tenacidad del material, con un coeficiente de variación de los resultados inferior al 13%, valor que es considerablemente menor a los alcanzados con otras metodologías experimentales. En este artículo se presentan los resultados de diferentes campañas experimentales, que permiten validar el uso del ensayo Barcelona como una metodología experimental adecuada para la sistemática caracterización del HRF en obras.

Palabras Clave: Hormigón reforzado con fibras, tenacidad de HRF, ensayo Barcelona, ensayo de doble punzonamiento, control de HRF


 

1. Introducción

Durante las últimas décadas se ha producido un gran desarrollo en la industria de la construcción, que ha alcanzado no sólo a las técnicas de diseño y de cálculo, sino también a la tecnología del hormigón y al propio hormigón. Dentro de estas nuevas tecnologías se encuentra en un lugar muy destacado el empleo de fibras con el objeto de reforzar o armar el hormigón.

En los hormigones reforzados con fibras (HRF), la tenacidad o capacidad de absorber energía ha sido reconocida como uno de los beneficios más importantes de la incorporación de fibras, mejorando el comportamiento ante la fractura, al impacto y a la fatiga (Gopalaratnam y Gettu, 1995).

Idealmente, la tenacidad de los HRF ante esfuerzos de tracción se debería cuantificar a través del ensayo de tracción directa o tracción uniaxial. Sin embargo, la dificultad de ejecución de este ensayo impide su uso, y por consiguiente, se recomienda determinar la tenacidad de los HRF a través del ensayo de flexión, el que, además de ser simple, representa las condiciones de carga de muchas aplicaciones de los HRF (ACI, 2008).

Actualmente, existe un gran número de normas y recomendaciones que establecen las condiciones de ensayo y parámetros para evaluar y cuantificar el efecto de la incorporación de fibras en el hormigón. Una de ellas, la norma ASTM C 1018 (ASTM International, 2002), especifica el ensayo de flexión con carga a los tercios, sobre probetas sin entalla, y la tenacidad es cuantificada a través de los índices de tenacidad y de resistencia a la primera fisura de los HRF. Otra recomendación ampliamente aceptada es el ensayo de flexión con carga central, sobre viguetas con entalla, recomendado por RilemTC - 162 (Rilem, 2002), actualmente norma europea EN 14651(CEN, 2005). La ventaja de este método es que es simple y se controla a través del desplazamiento de apertura de los bordes de la fisura (CMOD por el inglés Crack Mouth Opening Displacement), que asegura una propagación estable de la fisura, incluso para hormigón en masa. La curva carga - CMOD o bien la carga -deflexión obtenidas a través de él pueden ser usadas para calcular las relaciones tensión -deformación o tensión- ancho de fisura y, de este modo, evaluar el efecto de la incorporación de las fibras.

El problema para proyectistas y contratistas es que los parámetros de comportamiento en el estado post - fisuración basados en el ensayo de vigas, generalmente ofrecen una exactitud muy baja. Ensayos realizados por Bernard (1999) dieron como resultado una media del coeficiente de variación en el comportamiento post fisuración del 15%, para el índice ASTM I30 (índice de tenacidad definido, en la norma ASTM C-1018, 1997. Este se calcula dividiendo el área de la curva carga deflexión hasta una deflexión de 15.5 veces la deflexión correspondiente a la primera fisura entre el área hasta la primera fisura). Situación similar sucede con el ensayo de flexión en tres puntos propuesto por Rilem, en el que se tiene una dispersión relativamente elevada en los resultados, entre el 20 - 30%. Por tal razón, se presenta una dificultad para poder determinar los valores característicos del material.

Como alternativa, se ha utilizado el ensayo de flexión, según la normativa belga (NBN B 15-238, 1992), en el control de obras. No obstante, en el preámbulo de esa norma queda expresamente establecido que se trata de un ensayo de caracterización y que no es aplicable para el control sistemático del hormigón reforzado con fibras. Además, esta tipología de ensayos requiere de probetas relativamente pesadas, procedimientos experimentales complejos y sus resultados presentan dispersiones significativas, debido a que depende directamente del número específico de fibras que cosen la sección en donde se produce la fisura.

Considerando lo anterior y con el fin de disponer de un ensayo adecuado para el control sistemático de los HRF en obras, Aguado et al. (2005) han desarrollado un ensayo de tracción indirecta basado en el ensayo de doble punzonamiento (Double - Punching Test, DPT) propuesto por Chen (1970), el que se ha denominado ensayo Barcelona (BCN).

Este ensayo de doble punzonamiento, para el caso de hormigones convencionales no presenta ventajas significativas, con respecto a otros ensayos de determinación indirecta de la resistencia a tracción, como es el caso del ensayo brasileño (Molins et al., 2008a), por lo que no logró imponerse en su momento. Ahora bien, en el caso del comportamiento post pico de hormigones con fibras tiene numerosas ventajas frente a los otros ensayos existentes, por lo que parece procedente profundizar en su estudio dado que, por ejemplo, con menor peso da mayor superficie de rotura (o el equivalente en energía).

En este artículo se muestran las ventajas que presenta el ensayo de doble punzonamiento, también conocido como ensayo Barcelona, en comparación a diferentes ensayos recomendados internacionalmente para caracterizar las propiedades de los HRF, frente al control sistemático de hormigones reforzados con fibras en obras. Estas ventajas están validadas por extensas campañas experimentales, desarrolladas a partir de muestras obtenidas en obras realizadas en Barcelona en los últimos años y por ensayos realizados en la Universidad Técnica Federico Santa María, en Valparaíso - Chile.

2. Ensayos para determinar la tenacidad de los hrf

El ensayo a tracción uniaxial o tracción directa, es considerado como el modo más adecuado para determinar las propiedades de fractura de materiales frágiles. Sin embargo, es un ensayo difícil de ejecutar, con altas dispersiones en sus resultados, debido a la incapacidad de obtener de manera razonable distribuciones uniformes de tensiones a través de la fisura. Esto se puede atribuir a la heterogeneidad del material, a imperfecciones de la probeta y a excentricidades durante el proceso de carga. Además, existen otros inconvenientes tales como la sujeción de la probeta y la dificultad de asegurar la estabilidad del ensayo.

En los últimos años, el Comité Técnico de RILEM TC 162 (2002) ha propuesto un ensayo de tracción uniaxial sobre probetas con entallas. Un estudio realizado por Gettu y Barragán (2003) demuestra que es un método de ensayo robusto y representativo de la respuesta del material. Sin embargo, las tensiones post fisuración y los parámetros de tenacidad obtenidos en este ensayo presentan unos coeficientes de variación de aproximadamente un 30%. Esta elevada dispersión que presentan los parámetros medidos hace que el ensayo sea de difícil aplicación como control sistemático del HRF (Saludes et al., 2007).

Normalmente, la tenacidad de los HRF se cuantifica a través del área bajo la curva carga - deflexión (P - δ) obtenida en un ensayo de flexión de viguetas prismáticas (ACI, 2008), cargadas en el centro de la luz (Figura 1), como se indica en la norma europea EN 14651 (CEN, 2005) y la japonesa SF -4 (JSCE, 1984a) o dos cargas ubicadas a los tercios de la luz , como se establece en las normas ASTM C - 1018 (ASTM International, 2002) de Estados Unidos, UNE 83 - 510 (AENOR, 1989) de España y NBN B 15 - 238 (NBN, 1992) de Bélgica. Otras recomendaciones basadas en ensayos de flexión, tanto sobre viguetas prismáticas como paneles, fueron presentadas in extenso por Gopalaratnam y Gettu (1995). En su artículo, estos autores concluyen que la determinación de la tenacidad de los HRF a través de los ensayos de viguetas sin entallas con cargas a los tercios, deben ser mejoradas considerando, entre otras, el uso de probetas prismáticas con relación largo/altura mayor que 5 y recomiendan el uso de viguetas con entallas sometidas a flexión con carga en el centro, usando la CMOD como variable de control en un sistema de ensayo servo -controlado de alta rigidez.

Figura 1. Ensayo de flexión de acuerdo a las recomendaciones de Gopalaratnam y Gettu (1995)

La tenacidad de los HRF también se puede determinar usando el ensayo de compresión, como se indica en la norma española UNE 83 508 (AENOR, 2004) y en la recomendación japonesa SF - 5 (JSCE, 1984b). En estos casos, durante el ensayo se debe registrar el desplazamiento axial de la probeta, por medio de tres transductores de desplazamiento montados en un compresómetro, el que se fija sobre la probeta, como se muestra en la Figura 2. Sin embargo, para grandes deformaciones, las mediciones se distorsionan a causa del agrietamiento que experimenta el manto del cilindro de hormigón en el rango post - fisuración.

Figura 2. Montaje de un ensayo para determinar las propiedades de los HRF en compresión (Flores, 2005)

 

Menos frecuente ha sido la cuantiflcación de la tenacidad a través del ensayo de tracción indirecta o ensayo brasileño. Éste es un método ampliamente aceptado para determinar en forma indirecta la resistencia a tracción uniaxial del hormigón, principalmente debido a que se puede ejecutar sobre probetas cilindricas, moldeadas o testigos, cúbicas o prismáticas. Además, es un procedimiento muy simple y ha sido especificado por varias normas y recomendaciones, entre las que cabe señalar ASTM C - 496 (ASTM International, 2002), UNE 83306 (AENOR, 1985), NCh 1170 (INN, 1977) y Rilem CP C6 (Rilem, 1994).

Los resultados de algunos autores (Nanni 1988; Nanni 1991; Cho et al., 1992) que han usado este ensayo para determinar la tenacidad de HRF, permiten concluir que la respuesta post - agrietamiento obtenida no representa el efecto de fibras satisfactoriamente, debido a que el estado tensional, especialmente en la zona de aplicación de la carga, no permite que las fibras dominen el comportamiento post - agrietamiento del material. Frente a esos resultados, este ensayo se ha considerado inapropiado para el hormigón reforzado con fibras básicamente por tres razones (Carmona et al., 1998):

(1) El área de carga para grandes deformaciones, como sucede en el estado de post - fisuración de probetas de HRF, aumenta continuamente conduciendo a un incremento en la carga incluso después de la fisuración de la matriz;

(2)   el ensayo es inestable bajo el control de desplazamiento; y

(3) la considerable longitud de las probetas permite a la fisura iniciarse dentro de ella, dificultando la medición de la apertura de fisura y el control de estabilidad.

Con el propósito de solucionar los problemas observados en el ensayo de tracción indirecta y beneficiarse del uso de un procedimiento experimental altamente difundido y aceptado, que hace uso de una probeta estandarizada para el ensayo de compresión, Carmona et al. (1998) realizaron las siguientes mejoras (mostradas en la Figura 3): se redujo la longitud de la probeta; se limitó el área de carga, con el fin de mantener una anchura constante durante todo el ensayo; y los ensayos se realizaron en un sistema servo - controlado, usando el desplazamiento de la apertura de la fisura (COD) como variable de control durante el ensayo. Como se puede ver en la Figura 4, incorporando estas mejoras se han podido realizar ensayos brasileños estables capaces de reflejar claramente la ventaja que conlleva la incorporación de Abras de acero en los hormigones de alta resistencia. Sin embargo, el ensayo resulta complejo y poco adecuado para ser utilizado como ensayo de control rutinario en obra.

Figura 3. Ensayo brasileño realizado usando las modificaciones propuestas por Carmona et al. (1998)

Figura 4. Resultados de los ensayos brasileños realizados por Carmona et al. (1998), sobre hormigones en masa (HPC - 0.0) y HRF on FRC and casts in-situ concrete (HPC - 0,0; HRF - 0.5; HRF - 1.0)

 

Finalmente, el ensayo de la cuña o Wedge -Splitting Test (WST), propuesto por Linsbauer y Tschegg (1986) y desarrollado más tarde por Brühwiler y Wittmann (2003), también ha sido utilizado para caracterizar la tenacidad de los HRF. Durante este ensayo, una cuña va cargando progresivamente un cubo de HRF, previamente entallado, como se muestra esquemáticamente en la Figura 5. El descenso de la cuña produce en la probeta un desplazamiento de apertura lateral de la entalla que origina la aparición y propagación estable de la fisura. Según Saludes et al. (2007), este es un método de ensayo interesante ya que presenta una serie de ventajas:

•  No requiere de un equipo de ensayo sofisticado, puede ser realizado en máquinas habituales de ensayos mecánicos.

•  El ensayo es estable.

•  Gracias al tipo de configuración del ensayo el desplazamiento coincide con la apertura de fisura. El ensayo se puede realizar con muestras prismáticas o cilindricas, permitiendo la posible extracción de muestras provenientes de estructuras existentes para su posterior control de calidad.

•  Requiere cantidades inferiores de hormigón para realizar el ensayo, debido a que la muestra que se necesita es menor en comparación con otros métodos de ensayo, como por ejemplo en aquellos que usan como muestras vigas o paneles.

A pesar de que este ensayo ha sido exitoso para determinar las propiedades de fractura de hormigones normales, no hay mucha información disponible para el caso de los HRF. Una investigación de Lófgren et al. (2004), en la que ha comparado el WST con los ensayos de tracción uniaxial y de flexión en tres puntos, realizados siguiendo las recomendaciones de RILEM TC-162 TDF (2002) demuestra la aplicabilidad del ensayo WST, con una dispersión general de los resultados inferior a la obtenida el ensayo de flexión en tres puntos.

Figura 5. Esquema general del ensayo de la cuña

3. Ensayo de doble punzonamiento         

El ensayo de doble punzonamiento, propuesto por Chen (1970), consiste en someter compresión uniaxial a un cilindro mediante dos placas de carga cilindricas de acero de diámetro menor (del orden de un cuarto del diámetro del cilindro ensayado), dispuestas concéntricamente por encima y por debajo de la probeta, como se muestra en la Figura 6.

Figura 6. Configuración del ensayo de doble punzonamiento y definición de parámetros geométricos

Durante el ensayo, la carga aplicada a través de las placas de acero produce una zona cónica de compresiones bajo estos (Figura 7). Esta situación origina un incremento del diámetro del cilindro produciendo esfuerzos de tracción perpendiculares a las líneas radiales de la probeta. Cuando el estado tensional sobrepasa la resistencia del hormigón se produce la fractura del hormigón.

Debido a la concentración de tensiones en planos concéntricos, en el momento de la rotura se producen grietas radiales perpendiculares a este campo de tensiones. Las grietas se propagan desde el centro de la probeta, específicamente desde el borde formado por el punzón de acero hacia el manto del cilindro. Una vez ocurrida la formación de la primera grieta, generalmente suelen aparecer una o dos fisuras más, como se puede ver en la Figura 8, en la que se muestra los planos de fisuración típicos observados en los ensayos.

Figura 7. Cuñas de compresiones y esfuerzos de tracción desarrollados en un cilindro sometido a doble punzonamiento

Diferentes estudios han propuesto ecuaciones para el cálculo de la resistencia a la tracción del hormigón (ft) en el ensayo de doble punzonamiento (Chen, 1970; Chen y Yuan, 1980; Bortolotti, 1988; Martí, 1989), las que, en general dependen de las dimensiones de la probeta y del ángulo de la cuña de compresiones que se forma al interior del cilindro. Basándose en un modelo elástico para la distribución de tensiones circunferenciales y verticales en el ensayo de doble punzonamiento, desarrollado por Wei y Chau (1999), Saludes el al. (2007), usando un modelo de bielas y tirantes, propusieron la relación:

(1)

Donde P es la carga de rotura del material, a y h son la dimensiones de la probeta, definidas en la Figura 5. Esta expresión tiene la ventaja de ser la única que acepta la fractura de la probeta y, por lo tanto, permite su utilización para el cálculo de la resistencia última en cuerpos fisurados. Además, no depende del número de fisuras que se formen en el cuerpo y se puede usar para el análisis en el rango post - fisuración de los HRF (Mora, 2008).

Considerando que a través del modelo de bielas y tirantes es posible determinar la resistencia a tracción (ecuación 1) y la resistencia residual de los HRF, parámetros fundamentales para cuantificar la contribución estructural de las fibras. Saludes at al (2007) propusieron utilizar el ensayo de doble punzonamiento para la cuantiflcación y control sistemático del efecto de las fibras sobre la ductilidad de los HRF, considerando que, con frecuencia, para este propósito se utiliza el ensayo a flexotracción establecido en la normativa belga NBN 15 - 238 (IBN, 1992), el que, como la propia normativa señala, no es un ensayo de control. Además, los resultados del ensayo belga presentan altas dispersiones, del orden del 20 %, introduciendo un factor distorsionador en el control de las obras.

En la Tabla 1 se presentan las características de los principales ensayos normalizados para determinar propiedades de los HRF. En ella se observa que la probeta especificada para el ensayo de doble punzonamiento tiene un peso considerablemente menor que la mayoría de las probetas utilizadas en los ensayos de flexotracción, con una superficie de fractura considerablemente mayor. Por otra parte, el coeficiente de variación (C.V.), se encuentra entre los más bajos.

Figura 8. Planos de flsuración observados en los ensayos de doble punzonamiento

Tabla 1. Características de los principales ensayos utilizados para caracterizar HRF

Cabe señalar que se han recomendado ensayos de paneles, tanto cuadrados (100 mm x 600 mm x 600 mm) como circulares (75 mm x <|> 800 mm), sometidos a flexión con carga puntual en el centro, con los que se han alcanzado resultados con coeficientes de variación entre 6 y 13%. No obstante, estas probetas son considerablemente grandes, con pesos cercanos a los 90 kg, de modo que no son adecuadas para ser utilizadas en el control sistemático de los HRF en obra.

Considerando la alta variabilidad de los ensayos de flexión y sus inconvenientes experimentales, señalados detalladamente por Gopalaratnam y Gettu (1995), el ensayo de doble punzonamiento, también conocido como ensayo Barcelona (BCN), ha surgido como una alternativa bastante viable para caracterizar y controlar de modo sistemático la tenacidad de los HRF, lo que ha sido validado en extensas campañas experimentales, las que además han demostrado la gran versatilidad que presenta esta ensayo.

4. Validación y aplicación del ensayo Barcelona

La equivalencia entre el ensayo a flexión establecido en la NBN 15 - 238 y el ensayo BCN, se ha enfrentado en términos de la absorción de energía para los diferentes parámetros medidos: carga - deflexión y carga - deformación circunferencial a mitad de altura de la probeta, respectivamente (Molins et al., 2007).

Para obtener la relación, es necesario definir el desplazamiento de apertura circunferencial total (TCOD por el inglés Total Circumferential Opening Displacement), medido como una apertura circunferencial (ΔΦ) para el ensayo BCN y la deflexión vertical (δ) para el ensayo de flexión, el que proporciona la misma apertura promedio de fisura (w) en ambos ensayos.

Suponiendo que después del agrietamiento en el ensayo de flexión se desarrolla sólo una fisura cercana al centro de la luz y su altura es casi la altura de la viga, de este modo, las dos mitades rotan como cuerpos rígidos en torno a una rótula (Figura 9), es posible obtener a relación geométrica entre la deflexión vertical y el ancho de la fisura:

(2)

donde h es la altura de la probeta prismática, l la mitad de la luz, δ la deflexión vertical, θ la rotación en los apoyos, w la apertura de desplazamiento de punta de la fisura y wNBN la apertura media de la fisura, considerando la superficie de fractura completa. Tomado las proporciones geométricas y el tamaño real de la probeta en el ensayo de flexión belga, la ecuación (2) se puede reescribir como:

(3)

Figura 9. Movimiento ideal supuesto para el ensayo de flexión después del agrietamiento y parámetros geométricos involucrados

 

Una relación similar entre TCOD (ΔØ) y la apertura media de la fisura se puede establecer para el ensayo BCN. Se considera que la probeta falla con tres fisuras radiales de ancho similar. Normalmente, los ensayos muestras tres grietas radiales, pero ellas no suelen ser del mismo ancho. Sin embargo, este último supuesto ayuda a correlacionar los resultados de ambos ensayos. De acuerdo al supuesto considerado, la relación entre la apertura promedio de la fisura y el TCOD es:

(4)

 

donde ΔØ es el TCOD y wBCN el ancho medio de las fisuras radiales.

Imponiendo la condición de que el ancho medio de las fisuras en ambos ensayos debe ser igual, se tiene:

(5)

Para validar el ensayo Barcelona, en la Universidad Politécnica de Cataluña en Barcelona, se han planteado y desarrollado una serie de campañas experimentales (Aguado et al., 2005). A partir de los resultados alcanzados se han fijado los parámetros geométricos y las condiciones de carga que definen y caracterizan el ensayo.

Saludes et al. (2007) desarrollaron una amplia campaña experimental utilizando muestras de hormigón reforzado con fibras obtenidas en las obras de construcción de dos estaciones de la Línea 9 del Metro de la ciudad de Barcelona. Esta campaña consideró el estudio de diferentes parámetros que influyen en los resultados del ensayo, incluyendo el tipo y contenido de fibras, esbeltez y altura de la probeta, tamaño del cuño de carga y la velocidad de carga. Con los resultados de cada ensayo, se calculó la energía disipada por las probetas durante el proceso de rotura y el correspondiente coeficiente de variación (C.V.) de los resultados, los que se presentan en la Tabla 2.

Tabla 2. Coeficientes de variación máximos obtenidos por Saludes (2006).

 

Los valores del C.V. de la Tabla 2 corresponden a los máximos obtenidos en las diferentes series de ensayos. Considerando esos resultados, se han establecido las siguientes condiciones generales para le ejecución del ensayo:

•  Diámetro de la probeta (d): 150 mm.

•  Altura de la probeta (h): 150 mm.

•  Diámetro del disco de carga (a): 38 mm (equivalente a d/4).

•  Velocidad de desplazamiento del actuador: 0,5 mm/min.

•   Control del ensayo a través de la deformación circunferencial del cilindro.

Estas condiciones fueron especificadas en la norma UNE 83 - 515, Hormigones con fibras -Determinación de la resistencia a fisuración, tenacidad y resistencia residual a tracción, recientemente aprobada por AENOR (2008).

Para contrastar el ensayo Barcelona con el procedimiento establecido en la norma belga NBN B 15 - 238, Saludes et al. (2007) realizaron ensayos utilizando muestras de hormigón reforzados con distintos contenidos de fibras de plástico (5kg/m3 y 6,5 kg/m3) y de acero (25 kg/m3), obtenidas en la construcción de la estación Bon Pastor del Metro de Barcelona. De los resultados alcanzados (mostrados en la Tabla 3), se concluye que las dispersiones medias (coeficientes de variabilidad respecto los valores individuales obtenidos para cada probeta) que se obtienen con los resultados derivados del ensayo Barcelona son bajas, en comparación con las obtenidas en el ensayo a flexotracción basado en la norma NBN B 15-238. Para probetas ensayadas a 28 días se obtiene una dispersión media del 7,7% para la carga máxima, del 15,1% respecto la absorción de energía para una carrera de 3 mm medida desde el origen y del 17,3% para la tenacidad medida para una apertura circunferencial de 3 mm. Además, para los casos estudiados, se ha establecido una buena equivalencia entre ambos ensayos (Figura 10), de modo que, los valores de la tenacidad determinada usando el ensayo Barcelona (EBCN) y la energía obtenida con el ensayo de la viga (ENBN), se pueden calcular usando la ecuación (Molins et al., 2008b):

(6)

 

Tabla 3. Resultados de Saludes et al. (2007), a los 28 días, en N x mm

 

Figura 10. Regresión lineal entre EBCNy ENBN obtenida con los resultados de saludes et al. (2007)

Guardia y Molins (2008) realizaron la caracterización y control de diferentes hormigones de alta trabajabilidad, con y sin fibra, de resistencia convencional y de alta resistencia utilizando el ensayo BCN, contrastando los resultados obtenidos con la caracterización por medio del ensayo establecido en la recomendación EN 14561:2005 (CEN, 2005).

A partir de la comparación entre los ensayos BCN y EN 14561:2005, se ha obtenido una correlación entre los resultados de la resistencia residual a tracción del ensayo Barcelona con la resistencia residual calculada a partir de los resultados de los ensayos de flexotracción. Dicha correlación consiste en aplicar un factor de 1,5 a la resistencia residual obtenida mediante el ensayo Barcelona para una elongación circunferencial de valor 2,5 mm y es aplicada con éxito a otros HRF, demostrando la aplicabilidad del ensayo Barcelona al control de calidad del HRF en aplicaciones estructurales. Asimismo, esa correlación puede ser empleada para determinar el contenido óptimo de fibras correspondiente a una prestación exigida al hormigón, sin tener que recurrir a los laboriosos ensayos de vigas a flexión. Además, los resultados de Guardia y Molins (2008) muestran que el ensayo Barcelona permite evaluar la resistencia a tracción del hormigón sin necesidad de recurrir a ensayos complementarios.

Sin embargo, los resultados obtenidos en la campaña experimental realizada por Guardia y Molins (2008) no han sido satisfactorios para todas las cuantías de fibras de acero, debido a que, a diferencia del ensayo de flexión, no se observaron diferencias significativas entre los resultados alcanzados con hormigones reforzados con cuantías de fibras de 40 y 60 kg/m3. De la observación de las probetas, se concluyó que este hecho se debió a una orientación en planos verticales de las fibras que se produjo durante el vertido, lo que debilitaba la resistencia post - fisuración en dichos planos.

Mora (2008) realizó otra extensa campaña experimental que ha permitido validar el uso del ensayo Barcelona sobre testigos de hormigón endurecido. En estos ensayos se utilizaron testigos de diferentes diámetros (Φ = 75 mm, 100 mm y 150 mm) extraídos de dovelas utilizadas en la construcción del tramo Can Zam de la Línea 9 del Metro de Barcelona, las que estaban reforzadas con 60 kg/m3 de fibra de acero con extremos conformados.

De esos ensayos se concluyó que los resultados obtenidos en las probetas Φ 100 mm son muy similares a los alcanzados en las probetas Φ150 mm. Sin embargo, para el caso de las probetas de Φ75 mm se obtiene resultados de resistencias a tracción indirecta con variación más alta en cargas residuales y sus tenacidades asociadas, respecto a las probetas Φ150 mm, que la obtenida en las probetas Φ100 mm. Observándose que los resultados del ensayo de doble punzonamiento también entregan resultados satisfactorios de resistencia a tracción en los tres diámetros estudiados, con bajas dispersiones entre probetas de la misma zona, y entre probetas de diferentes zonas y diferentes dovelas.

Los resultados de carga y tenacidad para probetas de Φ150 mm, permiten concluir que la dispersión de resultados, con C.V. entre 18 y 27% para cargas, y de 9 a 17% para tenacidades, es de un orden de magnitud inferior, y en el peor de los casos similar al obtenido en otros ensayos (sobre el 30% para el cálculo de cargas y tenacidades) utilizados para caracterizar la resistencia a tracción del hormigón y sus tenacidades asociadas.

Zepeda (2008), desarrolló en Chile una campaña experimental siguiendo las recomendaciones de Saludes et al. (2007), pero usando un sistema de ensayos convencional, con control de desplazamiento del actuador. Este planteamiento abre las puertas a un uso generalizado de este tipo de ensayo ya que no requiere de equipamiento adicional al que ya se dispone usualmente en todos los laboratorios.

Esta campaña incluyó hormigones de resistencia normal ( fc = 30 MPa a los 28 días), reforzados con diferentes cuantías de fibras de acero (40 y 80 kg/m3). Durante los ensayos se obtuvo las curvas carga -desplazamiento relativo de las placas de carga, la que se utilizó para determinar la tenacidad absoluta y los índices de tenacidad en forma satisfactoria. Adicionalmente, en su trabajo Zepeda comparó los valores de la resistencia a la tracción determinada en forma indirecta mediante el ensayo brasileño (fBRA ) Y Barcelona (fBCN), obteniendo, como se puede ver en la Tabla 4, coeficientes de variación significativamente menores con este último ensayo.

Tabla 4. Coeficientes de variación de hormigones con diferentes contenidos de fibras

Finalmente, García (2006) concluyó que, a las ventajas operacionales que presentan el ensayo de doble punzonamiento, se debe sumar un menor costo, con un ahorro del orden del 64% frente al uso del ensayo de flexión según la norma belga NBN B 15 238.

5. Conclusiones

Existen diferentes normas y recomendaciones internacionales que permiten cuantificar la tenacidad de los HRF, basadas, principalmente, en el ensayo de flexotracción. Sin embargo, los procedimientos experimentales y las metodologías de análisis presentan una serie de inconvenientes que han sido previamente discutidos. Además, los resultados alcanzados a través de ellos presentan una alta variabilidad.

El ensayo de tracción indirecta o ensayo brasileño ha demostrado ser poco apropiado para el control sistemático de los HRF, debido a que el estado tensional que se genera no permite que toda la energía almacenada en la probeta se disipe a través de la zona Asurada, además, presenta una serie de inconvenientes y dificultades experimentales.

El ensayo de doble punzonamiento o ensayo Barcelona ha demostrado ser adecuado para el control sistemático de HRF en obra, debido a que requiere de una probeta de pequeñas dimensiones, que se pueden obtener mediante probetas moldeadas o a través de testigos de hormigón endurecido. Además tiene la ventaja de que presenta una su superficie específica de fractura significativamente mayor que las vigas utilizadas en los ensayos de flexotracción establecido en otras recomendaciones.

Los resultados de diferentes campañas experimentales, realizadas utilizando tanto probetas moldeadas como testigos de hormigón endurecido, permiten establecer un coeficiente de variación medio del 13%, ubicando al ensayo Barcelona entre los que presentan menor variabilidad para el control sistemático de los HRF. Al mismo tiempo, usando este ensayo se puede determinar la resistencia a tracción indirecta con variabilidades menores que el ensayo brasileño.

Su procedimiento ha sido recientemente normalizado por AENOR (UNE 83515) en España, estableciéndose las condiciones que permitirán realizar ensayos comparativos entre laboratorios.

Por último, cabe reseñar que es necesario desarrollar campañas experimentales que permitan ampliar su aplicabilidad, por ejemplo, utilizando diferentes sistemas de control y relacionando diferentes parámetros experimentales que pueden tener efecto sobre las mediciones y resultados alcanzados.

6. Agradecimientos

La estadía del primer autor en Barcelona durante la elaboración de este artículo fue financiada parcialmente por el Departamento de Obras Civiles de la Universidad Técnica Federico Santa María de Valparaíso, Chile, y el Departamento de Ingeniería de la Construcción de la Universidad Politécnica de Cataluña de Barcelona, España. Los ensayos realizados en Chile fueron financiados por la compañía Cementos Polpaico S.A. (Grupo Holcim).

7. Referencias

ACI (2008), Measurement of Properties of Fiber Reinforced Concrete, Reported by ACI Committee 544, ACI 544.2R89 (Reaproved 1999), ACI Manual of Concrete Practice, Part 6, 11 pp.

Aenor (1985), UNE 83 - 306 Resistencia a Tracción Indirecta (Ensayo Brasileño), Madrid, España. 4 pp.         [ Links ]

Aenor (2004), UNE 83 - 508 Hormigones con Fibras. Determinación del índice de Tenacidad a Compresión, Madrid, España, 6pp.         [ Links ]

Aenor (2004), UNE 83 - 510 Hormigones con fibras. Determinación del índice de tenacidad y resistencia a primera fisura, Madrid, España, 6 pp.         [ Links ]

Aenor (2008), UNE 83-515 Hormigones con fibras. Determinación de la resistencia a fisuración, tenacidad y resistencia residual a tracción. Ensayo Barcelona, Madrid, España, 7 pp.         [ Links ]

Aguado A., Mari A y Molins C. (2005), Estudio de viabilidad del ensayo Barcelona. III Congreso de ACHE de Puentes y Estructuras. Zaragoza 14 - 17 de noviembre de 2005. Vol. 1. Gestión de Estructuras, pp 275 - 288.         [ Links ]

ASTM International (2002), C 1018-97, Standard Test Method for Flexural Toughness and First Crack Strength of Fiber Reinforced Concrete (Using Beam With Third Point Loading), ASTM Annual Book of Standards, Vol 04.02, Philadelphia, USA, pp 546 - 553.         [ Links ]

ASTM International (2002), C 496 - 96, Standard Test Method for Splitting Tensile Strength of Cylindrical Concrete Specimens, ASTM Annual Book of Standards, Vol 04.02, Philadelphia, USA, pp 281 - 287.         [ Links ]

Bernard E. S. (1999), Correlations in the Performance of Fibre Reinforced Shotcrete Beams and Panels. Engineering Report CE9, School of Civic Engineering and Environment, University of Western Sydney, Nepean, Australia.         [ Links ]

Brühwiler E. y Wittmann F.H. (2003), The Wedge Splitting Test. A New Method of Performing Stable Fracture Mechanics Test". Eng. Fracture Mechanical. Vol.35, pp 117 - 125.         [ Links ]

Bortolotti L. (1988), Double Punch Test for Tensile and Compressive Strengths in Concrete. ACI Materials Journal. Vol. 85, pp 26-32.         [ Links ]

Carmona S., Gettu R. y Aguado A. (1998), Study of the post peak behavior of Concrete in the Splitting Tension Test, FRAMCOS - 3, Fracture Mechanics of Concrete Structures, Gifu flapón) 12 - 16 de octubre de 1998. Eds. H. Mihashi y K. Rokugo, AEDIFICATIO Publishers, Feiburg, Alemania, Vol. 1, pp 111 - 120.

CEN (2005), EN 14651: Test method for metallic fibered concrete - Measuring the flexural tensile strength (limit of proportionality (LOP), residual). European Committee for Standaritzation, Bruselas, Bélgica. 20 pp.        [ Links ]

Chen W. F. (1970), Double Punch Test for Tensile Strength of Concrete, ACI Materials Journal, Vol. 67 (2), pp 993 - 995.         [ Links ]

Chen W. F. y Yuan R. L. (1980), Tensile Strength of Concrete: Double Punch Test. Journal of the Structural Division, ASCE, Vol. 106, pp 1673- 1693.         [ Links ]

Cho B. El - Shakra Z. y Gopalaratnam VS. (1992), Failure of FRC in Direct and Indirect Tensile Test Configuration, Proceedings of International Symposium on Fatigue and Fracture Steel and Concrete Structures, Oxford & IBH Publ., New Delhi, India, pp 587-601.         [ Links ]

CEN (2005), EN 14651: Test Method for Metallic Fibered Concrete - Measuring the Flexural Tensile Strength (limit of proportionality (LOP), residual). European committee for standaritzation, Bruselas, Bélgica.         [ Links ]

Flores B. (2005), Propiedades del Hormigón Reforzado con Fibras de Acero Sometido a Compresión. Memoria para optar al título de Constructor Civil, Universidad Técnica Federico Santa María, Valparaíso, Chile, 96 pp.         [ Links ]

García T. (2006), Aplicació de L'Assaig Barcelona pel Control del Formigó Reforcat amb Fibres Utilitzat en la Construcció d'un Edifici Industrial Projecte de Fi de Carrera Enginyer en Organització Industrial, Escola Técnica Superior d'Enginyeria Industrial de Barcelona, Universitat Politécnica de Catalunya, Barcelona, España, 94 pp.         [ Links ]

Gettu R. y Barragán B. (2003), Direct tension test and interpretation. Proceeding of the Rilem TC 162 TDF. Workshop. Editado por B. Schnütgen y L Vanderwalle, pp 15 30.         [ Links ]

Gopalaratnam V. y Gettu R. (1995), On the Characterization of Flexural Toughness in Fiber Reinforced Concrete. Int. Journal Cement and Concrete Composites. Vol. 17, pp 239 - 254.         [ Links ]

Guardia J. y Molins C. (2008), Caracterizació del Comportament a Tracció del Formigó D'Alta Traballabilitat Reforcat amb Fibres D'Acer Mitjancant L'Assaig Barcelona. 2008 PI 01, Cátedra BMB Innovación en tecnología del hormigón. Publicacions del Dept. d'Enginyeria de la construcció, Barcelona, 290 pp.        [ Links ]

INN (1977), Hormigón - Ensayo de Tracción por Hendimiento, Instituto Nacional de Normalización, Santiago de Chile, 5 pp.         [ Links ]

JSCE (1984 a), SF - 4, Method of Test for Flexural Strength and flexural Toughness of Fiber Reinforced concet, JCI Standard SF - 4, Japan Society of Civil Engineers, Tokyo, Japón, pp 45 - 51.         [ Links ]

JSCE (1984 b), SF - 5, Method ofTest for Compressive Strength and Compressive Toughness of Steel Fibre Reinforced Concrete, Recommendation for Design and Construction of Steel Fibre Reinforced Concrete. Japan Society of Civil Engineers, Tokyo, Japón, pp 63 - 66.         [ Links ]

Linsbauer H.N. y Tschegg E.K. (1986), Fracture Energy Determination of Concrete with Cube Shaped Specimens. Zemenet und Beton,Vol. 31, pp 38-40.         [ Links ]

Lófgren I., Stang H. y Olesen J.F. (2004), Wedge Splitting Test A Test to Determine Fracture Properties of FRC. 6th RILEM Symposium on FRC BEIFIB, Varenna. Italia, pp 379 - 388.         [ Links ]

Marti P. (1989), Size Effect in Double Punch Tests on Concrete Cylinders. ACI Materials Journal, Vol. 86, p. 597 601.         [ Links ]

Molins C, Aguado A., Saludes S. y Garcia T. (2007), New Test to Control Tension Properties of FRC. ECCOMAS Thematic Conference on Computational Method in Tunnelling (EURO:TUN 2007), Editado por J. Eberhardsteiner et al., Viena, Austria, 27 - 29 agosto de 2007, Vol. 1, 11 pp.         [ Links ]

Molins C, Aguado A. y Guardia T. (2008a), Control de la Resistencia a Fisuración y Tracción Residual de HRFA Mediante el Ensayo Barcelona, IV Congreso ACHE - Congreso Internacional de Estructuras, Valencia, 24 - 27 noviembre de 2008, Vol. 1, 10 pp.         [ Links ]

Molins C, Aguado A. y Saludes S. (2008b), Doble PunchTest to Control the Tensile Properties of FRC (Barcelona Test). Material and Structures. Accepted 13 may 2008.         [ Links ]

Mora F. (2008), Distribución y Orientación de Fibras en Dovelas, Aplicando el Ensayo Barcelona Tesis Doctoral, ETSECCPB, Universitat Politécnica de Catalunya, Barcelona, España, 428 pp.         [ Links ]

Nanni A. (1988), Splitting - Tension Test for Fiber Reinforced Concrete, ACI Material Journal, Vol 85, pp 229 - 233.         [ Links ]

Nanni A. (1991), Pseudoductility of Fiber Reinforced Concrete, ASCE Journal Structural Engineering, Vol 117, 78 - 90.        [ Links ]

NBN B 15 238 (1992), "Test on Fibre Reinforced Concrete Bending Test on Prismatic Simples". Norme Beige, Institut Beige de Normalisation, Brussels.         [ Links ]

Rilem (1994), Tension Splitting of Concrete Specimen CPC6, 1975, Rilem Technical Recommendation for the Testing and Use of Construction Materials, E & FN Spon, London, pp 21 - 22.         [ Links ]

Rilem (2002), TC 162 TDF Test and Design Methods for Steel Fibre Reinforced Concrete: Bending Test. Materials and Structures, Vol. 35, p. 579 582.         [ Links ]

Saludes S., Aguado A. y Molins C. (2007), Ensayo de doble punzonamiento aplicado al hormigón reforzado con fibras (Ensayo Barcelona). Cátedra BMB Innovación en tecnología del hormigón. 1 ed. Barcelona: Publicacions del Dept. d'Enginyeria de la construcció. 338 pp.         [ Links ]

Zepeda Y. (2008), Implementacion del Ensayo Barcelona Para Hormigones Reforzados Con Fibra, Memoria de titulación para optar al título de Constructor Civil, Universidad Técnica Federico Santa María, Valparaíso, Chile, 64 pp.        [ Links ]

E-mail: sergio.carmona@usm.cl

Fecha de recepción: 30/ 04/ 2009 Fecha de aceptación: 20/ 07/ 2009