El hormigón reforzado con fibra de acero (CRFA) es un nuevo tipo de material compuesto que se puede verter y proyectar añadiendo una cantidad adecuada de fibra corta de acero al hormigón convencional. Se ha desarrollado rápidamente tanto a nivel nacional como internacional en los últimos años. Supera las deficiencias del hormigón, como su baja resistencia a la tracción, su bajo alargamiento máximo y su fragilidad. Posee excelentes propiedades como resistencia a la tracción, resistencia a la flexión, resistencia al corte, resistencia al agrietamiento, resistencia a la fatiga y alta tenacidad. Se ha aplicado en ingeniería hidráulica, carreteras y puentes, construcción y otros campos de la ingeniería.

 

一．Desarrollo de hormigón reforzado con fibras de acero

 

El hormigón reforzado con fibra (FRC) es la abreviatura de hormigón reforzado con fibra. Por lo general, es un compuesto a base de cemento compuesto de pasta de cemento, mortero u hormigón y fibra metálica, fibra inorgánica u materiales reforzados con fibra orgánica. Es un nuevo material de construcción formado por la dispersión uniforme de fibras cortas y finas con alta resistencia a la tracción, alta elongación última y alta resistencia a los álcalis en la matriz de hormigón. La fibra en el hormigón puede limitar la generación de grietas prematuras en el hormigón y la expansión posterior de grietas bajo la acción de la fuerza externa, superar eficazmente los defectos inherentes como baja resistencia a la tracción, fácil agrietamiento y baja resistencia a la fatiga del hormigón, y mejorar en gran medida el rendimiento de la impermeabilidad, impermeable, resistencia a las heladas y protección de refuerzo del hormigón. El hormigón reforzado con fibra, especialmente el hormigón reforzado con fibra de acero, ha atraído cada vez más atención en los círculos académicos y de ingeniería en la ingeniería práctica debido a su rendimiento superior. 1907 El experto soviético B П. Hekpocab comenzó a utilizar hormigón reforzado con fibra metálica; En 1910, HF Porter publicó un informe de investigación sobre hormigón reforzado con fibra corta, sugiriendo que las fibras cortas de acero deberían dispersarse uniformemente en el hormigón para fortalecer los materiales de la matriz; En 1911, Graham de los Estados Unidos agregó fibra de acero al hormigón ordinario para mejorar la resistencia y estabilidad del hormigón; En la década de 1940, Estados Unidos, Gran Bretaña, Francia, Alemania, Japón y otros países habían realizado mucha investigación sobre el uso de fibra de acero para mejorar la resistencia al desgaste y la resistencia al agrietamiento del hormigón, la tecnología de fabricación de hormigón con fibra de acero y la mejora de la forma de la fibra de acero para mejorar la fuerza de unión entre la fibra y la matriz de hormigón; En 1963, JP Romualdi y GB Batson publicaron un artículo sobre el mecanismo de desarrollo de grietas en el hormigón confinado con fibra de acero y presentaron la conclusión de que la resistencia al agrietamiento del hormigón reforzado con fibra de acero está determinada por el espaciamiento promedio de las fibras de acero que juega un papel efectivo en la tensión de tracción (teoría del espaciamiento de fibras), iniciando así la etapa de desarrollo práctico de este nuevo material compuesto. Hasta ahora, con la popularización y aplicación del hormigón reforzado con fibra de acero, debido a la diferente distribución de las fibras en el hormigón, existen principalmente cuatro tipos: hormigón reforzado con fibra de acero, hormigón reforzado con fibra híbrida, hormigón reforzado con fibra de acero en capas y hormigón reforzado con fibra híbrida en capas.

 

二.Mecanismo de refuerzo del hormigón reforzado con fibras de acero

 

1. Teoría de la mecánica de compuestos. Esta teoría se basa en la teoría de los compuestos de fibra continua y se combina con las características de distribución de las fibras de acero en el hormigón. En esta teoría, los compuestos se consideran compuestos bifásicos, con la fibra como una fase y la matriz como la otra.

 

Teoría del espaciamiento de fibras. La teoría del espaciamiento de fibras, también conocida como teoría de la resistencia a la fisuración, se propone con base en la mecánica de fractura elástica lineal. Esta teoría sostiene que el efecto de refuerzo de las fibras solo está relacionado con la distribución uniforme del espaciamiento entre fibras (espaciamiento mínimo).

 

三．Análisis del estado de desarrollo del hormigón reforzado con fibras de acero

 

1.Hormigón reforzado con fibras de acero.El hormigón reforzado con fibra de acero es un tipo de hormigón armado relativamente uniforme y multidireccional formado mediante la adición de una pequeña cantidad de acero bajo en carbono, acero inoxidable y fibras de FRP al hormigón ordinario. La cantidad de fibra de acero mezclada es generalmente del 1% al 2% en volumen, mientras que se mezclan de 70 a 100 kg de fibra de acero por cada metro cúbico de hormigón en peso. La longitud de la fibra de acero debe ser de 25 a 60 mm, el diámetro debe ser de 0,25 a 1,25 mm y la mejor relación entre longitud y diámetro debe ser de 50 a 700. En comparación con el hormigón ordinario, no solo puede mejorar la resistencia a la tracción, al corte, a la flexión, al desgaste y al agrietamiento, sino que también mejora en gran medida la tenacidad a la fractura y la resistencia al impacto del hormigón, y mejora significativamente la resistencia a la fatiga y la durabilidad de la estructura, especialmente la tenacidad puede aumentarse de 10 a 20 veces. Las propiedades mecánicas del hormigón reforzado con fibra de acero y el hormigón ordinario se comparan en China. Cuando el contenido de fibra de acero es del 15% al ​​20% y la relación agua-cemento es de 0,45, la resistencia a la tracción aumenta entre un 50% y un 70%, la resistencia a la flexión entre un 120% y un 180%, la resistencia al impacto se multiplica por 10 y 20, la resistencia a la fatiga por impacto entre 15 y 20, la tenacidad a la flexión entre 14 y 20 y la resistencia al desgaste también mejora significativamente. Por lo tanto, el hormigón reforzado con fibra de acero presenta mejores propiedades físicas y mecánicas que el hormigón simple.

2.Hormigón híbrido con fibras. Datos de investigación relevantes muestran que la fibra de acero no mejora significativamente la resistencia a la compresión del hormigón, o incluso la reduce. En comparación con el hormigón simple, existen perspectivas positivas y negativas (aumento y disminución) o incluso intermedias sobre la impermeabilidad, la resistencia al desgaste, el impacto y la resistencia al desgaste del hormigón reforzado con fibra de acero, así como sobre la prevención de la retracción plástica prematura del hormigón. Además, el hormigón reforzado con fibra de acero presenta algunos problemas, como una alta dosificación, un precio elevado, la oxidación y una resistencia casi nula al estallido por fuego, lo que ha afectado su aplicación en diversos grados. En los últimos años, algunos investigadores nacionales e internacionales han comenzado a prestar atención al hormigón de fibra híbrida (HFRC), buscando combinar fibras con diferentes propiedades y ventajas, aprender mutuamente y aprovechar el "efecto híbrido positivo" en diferentes niveles y etapas de carga para mejorar las diversas propiedades del hormigón y satisfacer las necesidades de diferentes proyectos. Sin embargo, con respecto a sus diversas propiedades mecánicas, especialmente su deformación por fatiga y daño por fatiga, la ley de desarrollo de la deformación y las características de daño bajo cargas estáticas y dinámicas y cargas cíclicas de amplitud constante o amplitud variable, la cantidad de mezcla óptima y la proporción de mezcla de fibra, la relación entre los componentes de los materiales compuestos, el efecto de fortalecimiento y el mecanismo de fortalecimiento, el desempeño antifatiga, el mecanismo de falla y la tecnología de construcción, los problemas del diseño de la proporción de mezcla necesitan ser estudiados más a fondo.

3. Hormigón reforzado con fibras de acero en capas.El hormigón monolítico reforzado con fibra no se mezcla uniformemente, se aglomera fácilmente, presenta una gran cantidad y un coste relativamente elevado, lo que afecta a su amplia aplicación. A través de numerosas investigaciones teóricas y prácticas de ingeniería, se ha propuesto un nuevo tipo de estructura de fibra de acero: el hormigón reforzado con fibra de acero en capas (LSFRC). Una pequeña cantidad de fibra de acero se distribuye uniformemente en las superficies superior e inferior de la losa, quedando la capa intermedia de hormigón simple. La fibra de acero en el LSFRC se distribuye generalmente de forma manual o mecánica. La fibra de acero es larga, con una relación longitud-diámetro generalmente entre 70 y 120, mostrando una distribución bidimensional. Sin afectar las propiedades mecánicas, este material no solo reduce considerablemente la cantidad de fibra de acero, sino que también evita la aglomeración de fibras durante la mezcla del hormigón reforzado con fibra integral. Además, la posición de la capa de fibra de acero en el hormigón influye considerablemente en su resistencia a la flexión. El efecto de refuerzo de la capa de fibra de acero en la base del hormigón es óptimo. Al desplazarse hacia arriba la capa de fibra de acero, el efecto de refuerzo disminuye significativamente. La resistencia a la flexión del LSFRC es más de un 35 % superior a la del hormigón simple con la misma proporción de mezcla, ligeramente inferior a la del hormigón reforzado con fibra de acero integral. Sin embargo, el LSFRC permite un ahorro considerable en el coste del material y elimina las dificultades de mezclado. Por lo tanto, el LSFRC es un nuevo material con excelentes beneficios socioeconómicos y amplias perspectivas de aplicación, que merece su popularización y aplicación en la construcción de pavimentos.

 

4.Hormigón híbrido de fibras en capas.El hormigón reforzado con fibra híbrida en capas (LHFRC) es un material compuesto formado mediante la adición de 0,1% de fibra de polipropileno sobre la base de LSFRC y distribuyendo uniformemente una gran cantidad de fibras de polipropileno finas y cortas con alta resistencia a la tracción y alta elongación última en el hormigón de fibra de acero superior e inferior y el hormigón simple en la capa intermedia. Puede superar la debilidad de la capa intermedia de hormigón simple LSFRC y prevenir los posibles riesgos de seguridad después del desgaste de la fibra de acero superficial. El LHFRC puede mejorar significativamente la resistencia a la flexión del hormigón. En comparación con el hormigón simple, su resistencia a la flexión del hormigón simple aumenta en aproximadamente un 20%, y en comparación con el LSFRC, su resistencia a la flexión aumenta en un 2,6%, pero tiene poco efecto en el módulo elástico a la flexión del hormigón. El módulo elástico a la flexión del LHFRC es un 1,3% mayor que el del hormigón simple y un 0,3% menor que el del LSFRC. El LHFRC también puede mejorar significativamente la tenacidad a la flexión del hormigón, con un índice de tenacidad a la flexión aproximadamente 8 veces superior al del hormigón simple y 1,3 veces superior al del LSFRC. Además, debido al diferente rendimiento de dos o más fibras de LHFRC en el hormigón, según las necesidades de ingeniería, el efecto híbrido positivo de la fibra sintética y la fibra de acero en el hormigón puede aprovecharse para mejorar considerablemente la ductilidad, la durabilidad, la tenacidad, la resistencia a la fisuración, la resistencia a la flexión y la resistencia a la tracción del material, mejorar su calidad y prolongar su vida útil.

——Resumen (Arquitectura Shanxi, Vol. 38, No. 11, Chen Huiqing)