Palabras clave: hormigón reforzado con fibras; fibra de acero; hormigón de altas prestaciones; desarrollo sostenible
0. En menos de 200 años, el material concreto ha experimentado un proceso de desarrollo continuo, desde una sola variedad de baja resistencia hasta una familia de concreto liviano y de alta resistencia. Sin embargo, los propios materiales de hormigón ordinarios tienen defectos como baja resistencia a la tracción, mala ductilidad y falla frágil bajo tensión de tracción o carga de impacto. Su ciclo de congelación y descongelación, resistencia a la contracción, resistencia al desgaste y otras durabilidades también son deficientes, lo que afecta en gran medida la calidad. y la seguridad del hormigón dificultan la aplicación posterior del mismo. A principios del siglo XX, algunas personas comenzaron a mezclar fibras picadas con hormigón para fabricar hormigón con fibras, lo que mejoró la resistencia a la tracción y la fragilidad del hormigón. Por lo tanto, el hormigón con fibra ha sido ampliamente desarrollado y aplicado en las siguientes décadas. Antes de la década de 1990, el desarrollo del hormigón se centraba exclusivamente en la resistencia, pero la aparición del hormigón con fibra mostró su evolución hacia un alto rendimiento y se convirtió en el hormigón "verde" del siglo XXI. Las cuestiones de recursos, energía y medio ambiente siempre han sido problemas que enfrenta China. El fibrohormigón tiene un rendimiento superior, pero requiere más cemento y consume muchos recursos y energía. Queda por resolver cómo poner el fibrocemento en un camino sostenible.
1. Desarrollo del hormigón reforzado con fibra
Los materiales a base de cemento son materiales de construcción artificiales con una historia de desarrollo de más de 170 años. La resistencia siempre ha sido el principal índice de rendimiento del hormigón como material estructural importante. La alta resistencia del hormigón ha sido la dirección de la investigación y el desarrollo del hormigón durante muchos años. Sin embargo, las debilidades inherentes del concreto [3] (resistencia a la tracción, resistencia a la flexión, resistencia al impacto, resistencia a la explosión y tenacidad deficientes) aún limitan el uso de sus ventajas y, a medida que la resistencia del concreto continúa aumentando, esta debilidad se vuelve cada vez más. prominente es. En general, se cree que cuanto mayor es la resistencia del hormigón, peor es la tenacidad, mayor es la fragilidad, menor es la ductilidad y la resistencia al agrietamiento, lo que conlleva riesgos de seguridad para el comportamiento sísmico de la estructura. Por lo tanto, muchos estudiosos han estado explorando durante mucho tiempo métodos para mejorar las propiedades del hormigón mencionadas anteriormente. El fibrohormigón es uno de los métodos más investigados e importantes en los últimos años. En la actualidad, existen dos tipos principales de hormigón con fibras: uno es el hormigón con fibras cortas de alto módulo elástico, cuyas fibras representativas son fibras de acero; el segundo es el hormigón armado con fibras cortas de bajo módulo elástico, cuyas fibras representativas incluyen fibras de polipropileno y nailon.
El hormigón fibroso es un material compuesto a base de cemento con lechada de cemento, mortero y árido grueso como material base, y materiales metálicos, materiales inorgánicos o fibras orgánicas como materiales de refuerzo. Es un nuevo tipo de material de construcción formado mediante la dispersión uniforme de fibras cortas y delgadas con alta resistencia a la tracción, alto alargamiento final y alta resistencia a los álcalis en la matriz de hormigón. El desarrollo del hormigón con fibra comenzó a principios del siglo XX, especialmente el hormigón con fibra de acero, que fue el primero y el más utilizado en investigación y aplicación. Ya en 1910, H. F. Porter [7] en los Estados Unidos propuso añadir fibras cortas de acero al cemento y al hormigón para mejorar su resistencia a la tracción, y publicó el primer artículo sobre el hormigón con fibras de acero. En 1911, Graham de los Estados Unidos mezcló oficialmente fibra de acero con hormigón e inicialmente verificó su superioridad. En 1963, el académico estadounidense Romuldi elaboró teóricamente el efecto de refuerzo y el mecanismo de la fibra de acero, sentando una base teórica para futuras investigaciones y desarrollo del hormigón con fibra de acero, permitiéndole saltar de la etapa experimental y de exploración a pequeña escala a una nueva etapa de desarrollo a gran escala. Estados Unidos celebró informes especiales sobre el hormigón con fibra en 1990 y 1991, iniciando oficialmente la investigación y aplicación del hormigón con fibra. 65438-0995, Corea del Sur realizó un informe especial sobre concreto de cemento reforzado con fibra, 65438-0996, el 3er Informe Internacional de Concreto de Cemento se llevó a cabo en Beijing, China, lo que indica que la investigación y aplicación del concreto reforzado con fibra se ha internacionalizado. En el extranjero, los materiales compuestos de hormigón y cemento reforzado con fibra se han utilizado ampliamente en componentes no portantes. La investigación nacional comenzó tarde. Inicialmente, el Instituto de Investigación de Fibras Sintéticas de Shanghai estudió el efecto de refuerzo de las fibras cortas de nailon sobre el hormigón de cemento, y Anhui Wanwei Company utilizó vinilon para reforzar el hormigón.
En la actualidad, muchos países en desarrollo han comenzado a investigar y fabricar productos de fibrocemento de bajo costo utilizando fibras vegetales como refuerzos [8]. publicado y se ha utilizado inicialmente en el proyecto piloto [9]. Wu Zhongwei [1], académico de la Academia China de Ingeniería, señaló que los compuestos son una de las principales formas de desarrollo de materiales. La idea técnica de los compuestos es el efecto de superposición, es decir, 1+2 >: 3. El refuerzo de fibra juega un papel importante en los composites. En el siglo XXI, el hormigón de fibra debe desarrollarse en la dirección de la protección del medio ambiente, la economía y el alto rendimiento, de modo que el excelente rendimiento del hormigón de fibra pueda aportar mayores beneficios sociales y económicos a la humanidad.
2. Propiedades mecánicas del hormigón reforzado con fibras
El papel de la fibra en la matriz del cemento se refleja principalmente en tres aspectos: refuerzo, prevención de fisuras y endurecimiento.
2.1 Refuerzo
La capacidad de tracción del hormigón es sólo aproximadamente una décima parte de la capacidad de compresión y, a menudo, presenta falla frágil bajo cargas externas. Se puede ver claramente en la prueba de división del concreto que el bloque de prueba de concreto ordinario se rompe repentinamente en dos pedazos cuando alcanza la carga máxima, lo cual es una falla frágil (Figura 1). La adición de fibra puede mejorar eficazmente la resistencia a la tracción del hormigón. Cuando se producen grietas en la matriz del hormigón, parte de la carga se transfiere a las fibras, aumentando así la capacidad de tracción del hormigón. El proceso de rotura del bloque de hormigón que contiene fibras en el ensayo de resistencia a la tracción mostró una buena pseudoductibilidad. Cuando se alcanza la resistencia máxima a la tracción, no se rompe repentinamente por la mitad, sino que muchas microfisuras se expanden a lo largo de la grieta principal cerca de la línea central, pero todo el bloque siempre está unido por fibras (Figura 2).
2.2 Efecto antifisuras
Cuando la matriz de cemento se encuentra en estado plástico, es probable que se produzcan microfisuras. Durante el proceso de endurecimiento, las grietas de contracción se expandirán debido a. pérdida de agua y producir nuevas grietas. Agregar fibras a la matriz de cemento puede prevenir la expansión de las grietas originales, retrasar la aparición de grietas y mejorar significativamente la impermeabilidad y la resistencia a las heladas del material compuesto en comparación con la matriz. Después de que el material base de cemento ordinario se endurece, cuando la carga alcanza la carga de agrietamiento del material base, el material base se agrieta rápidamente y se expande rápidamente a lo largo de las grietas principales, lo que resulta en una fractura frágil que penetra la sección de la viga. Sin embargo, debido a la presencia de una gran cantidad de fibras cortadas, el fibrohormigón aún puede soportar la carga después de que la matriz se agrieta, por lo que el fibrohormigón muestra una alta ductilidad y tiene ciertos signos antes de fallar.
Zhang Yilun y Deng Zongcai realizaron estudios experimentales sobre la resistencia temprana al agrietamiento de la fibra de polipropileno y la fibra de poliacrilonitrilo, respectivamente. Los resultados de las pruebas muestran que la fibra tiene un importante efecto antifisuras en el hormigón y el mortero, y el efecto se vuelve más significativo a medida que aumenta el contenido de fibra dentro de un cierto rango. Debido a la baja relación agua-cemento, la contracción autógena del hormigón de alto rendimiento se produce principalmente en las primeras etapas, lo que da lugar a una gran cantidad de microfisuras en la superficie del hormigón. Ba Hengjing [12] descubrió a través de experimentos que la contracción autógena de 1 día representa del 50% al 60% de la contracción autógena de 28 días, que es la principal causa del agrietamiento temprano del hormigón de alto rendimiento. Incorporar una cierta cantidad de fibra al hormigón de alto rendimiento es una forma ideal de solucionar el agrietamiento temprano. Pang Xinfeng [14] de la Universidad de Tsinghua utilizó una prueba de placa plana [13] para estudiar el efecto de la fibra de poliacrilonitrilo modificado sobre la resistencia temprana al agrietamiento del hormigón de alto rendimiento y descubrió que la fibra de poliacrilonitrilo modificado y el mortero pueden unirse bien, añadiendo 0,12. El % de fibra puede inhibir significativamente el agrietamiento temprano del concreto.
2.3 Mejorar la capacidad de deformación del hormigón (efecto endurecimiento)
Cuando el hormigón reforzado con fibras se somete a tensión (flexión), incluso si han aparecido un gran número de grietas en la matriz , todavía puede soportar una cierta carga, tiene pseudoductibilidad, mejorando así significativamente la tenacidad y la resistencia al impacto de los materiales compuestos. Esta pseudoductibilidad del hormigón con fibras hace que su capacidad de deformación sea mucho mayor que la del hormigón ordinario. Han Rong et al. [15] utilizaron experimentos comparativos para estudiar la deformación por tracción del hormigón con fibras de acero. Los resultados de las pruebas muestran que la curva tensión-deformación del hormigón con fibras de acero tiene una sección descendente obvia y una buena pseudoductibilidad.
La tenacidad de los materiales de hormigón, es decir, el rendimiento de deformación y la capacidad de absorción de energía de los materiales de hormigón, es crucial para las estructuras de hormigón, especialmente mejorar la resistencia sísmica de las estructuras es de gran importancia. Las investigaciones han demostrado [16] que la adición de fibra puede mejorar significativamente la tenacidad a la flexión del hormigón y, a medida que aumenta el contenido de fibra, aumentan el índice de tenacidad a la flexión y el índice de resistencia residual del hormigón. En el terremoto de Wenchuan en China, muchas casas sufrieron daños frágiles, lo que no dejó tiempo suficiente para que la gente escapara. La aplicación de fibrohormigón será un medio importante para mejorar la resistencia sísmica de las estructuras.
3. Aplicación del hormigón con fibra
El hormigón con fibra se ha desarrollado rápidamente en los 100 años transcurridos desde su aparición y se utiliza ampliamente en los campos de la ingeniería. Principalmente la investigación de aplicaciones de hormigón con fibras de acero, hormigón con fibras de carbono y hormigón con fibras sintéticas.
3.1 Hormigón con fibras de acero
El hormigón con fibras de acero apareció por primera vez a principios del siglo XX, y Rusia comenzó a utilizar hormigón con fibras metálicas desde 65438 hasta 0907. En 1910, H.F. Porter de los Estados Unidos publicó un informe de investigación sobre el hormigón con fibras cortas de acero. En 1911, Grhama de los Estados Unidos mezcló fibras de acero con hormigón ordinario. Después de décadas de desarrollo, la teoría del hormigón con fibras de acero [17] básicamente ha madurado. Un gran número de estudios experimentales han demostrado que el hormigón con fibras de acero tiene propiedades mecánicas normales y superiores y se utiliza ampliamente en ingeniería. En la actualidad, el hormigón con fibra de acero se utiliza ampliamente en varios campos: (1) Ingeniería de la construcción [19-20]: se utiliza principalmente para la impermeabilización de techos, la conexión entre la estructura del marco y las columnas del marco de edificios de gran altura mejora la resistencia a los terremotos; la estructura del Instituto de Tecnología de Harbin Run Run Shaw El techo del estadio está hecho de hormigón con fibra de acero. (2) Carreteras y puentes [21]: El túnel Jiazhuqing del ferrocarril Nankun, terminado en 1997, gracias a la estructura de hormigón y fibra de acero, pasó con éxito a través de grandes áreas de fractura y deformación. (3) Proyecto de conservación del agua: se ha utilizado fibra de acero en la central eléctrica secundaria Shimian del río Nanya, un afluente del río Dadu, y la resistencia al impacto y al desgaste del hormigón con fibra de acero ha quedado bien demostrada.
Pero cuando la proporción de volumen de las fibras de acero excede un cierto rango, es fácil de aglomerar y las fibras de acero son relativamente caras, lo que aumenta los costos de construcción y limita la aplicación de hormigón con fibras de acero.
3.2 Hormigón reforzado con fibra de carbono
La fibra de carbono se desarrolló en la década de 1960. Tiene un alto módulo elástico y capacidad de tracción y se utiliza generalmente para refuerzo estructural [22][23]. La fibra de carbono tiene mejores propiedades que el acero en términos de rigidez y resistencia. En comparación con el material compuesto a base de cemento de referencia, el módulo elástico del material compuesto a base de cemento con un contenido de volumen de fibra de carbono del 3% es 2 veces mayor que el del material compuesto a base de cemento de referencia, y la resistencia a la tracción es 5 veces mayor. del material compuesto a base de cemento de referencia [24]. Sin embargo, debido al elevado precio de la fibra de carbono, la aplicación de fibras picadas en el hormigón ha sido limitada. Se utiliza mucho en forma de láminas para el refuerzo de puentes y casas.
3.3 Hormigón de fibras sintéticas
Existen muchos tipos de fibras sintéticas, entre ellas la fibra de polipropileno, la fibra de poliacrilonitrilo y la fibra de alcohol polivinílico. Debido a su bajo precio, propiedades químicas estables y excelentes propiedades de tracción, ha sido ampliamente investigada y aplicada en el extranjero desde la década de 1980, especialmente la fibra de polipropileno. En la década de 1990, se utilizaron fibras de polipropileno en el proyecto de la autopista Guangzhou-Foshan, el proyecto de plataforma del puente del río Wuhan Yangtze y el proyecto de presa de enrocado de cara de concreto del embalse de Ningbo Baixi. Hay muchos estudios relacionados sobre las propiedades mecánicas del hormigón con fibras sintéticas en el país y en el extranjero [26][27][28], que han mejorado muchos datos para la aplicación del hormigón con fibras sintéticas. Las fibras sintéticas son rentables, por lo que se están desarrollando rápidamente en China. Se utiliza principalmente en construcción, pavimentación de puentes, piscinas y otros proyectos con muy buenos resultados.
3.4 Hormigón híbrido con fibras
El hormigón híbrido con fibras combina racionalmente dos o más fibras en la matriz de cemento para producir un hormigón que puede aprovechar al máximo las ventajas de las diferentes fibras. Nuevo material compuesto que puede reflejar su efecto sinérgico. Ya en los años 1970, los extranjeros Walton [29] y Majumdar comenzaron a estudiar suelos fibrosos híbridos, y posteriormente otros investigadores llevaron a cabo esta investigación.
La investigación de mi país sobre fibras híbridas es relativamente tardía y solo hubo algunos informes relevantes hasta la década de 1970. En la actualidad, el hormigón con fibras híbridas es un foco de investigación y ha logrado resultados relevantes. No basta con utilizar un solo tipo de fibra para mejorar la resistencia y ductilidad del hormigón, porque cuanto mayor sea la proporción de volumen de la fibra, peor será su dispersión, pero no desempeñará ningún papel en el fortalecimiento y endurecimiento. La incorporación de fibras con diferentes propiedades al hormigón puede aprovechar al máximo las propiedades de diversas fibras y fortalecerlas y endurecerlas en diferentes etapas de tensión y diferentes niveles estructurales, lo que refleja el efecto mixto de las dos. El hormigón de fibra híbrido es un material compuesto multifásico con muchas interfaces y su teoría de diseño aún no está completa. En los últimos años, Str Oven [32] y Nandakumar [33] aplicaron la mecánica de fractura para estudiar la teoría del refuerzo, pero se necesitan más investigaciones. No hay muchas aplicaciones de ingeniería del hormigón fibroso híbrido, lo que tiene mucho que ver con el progreso actual de la investigación.
Con la profundización de la investigación, las perspectivas de aplicación del hormigón de fibra híbrido son muy buenas.
3.5 Investigación sobre componentes reforzados locales del hormigón con fibra
Añadir fibras al hormigón ordinario puede mejorar significativamente las propiedades mecánicas del hormigón, pero también aumenta el coste del hormigón. Para mejorar las propiedades mecánicas del hormigón y minimizar el coste del proyecto, se propone el concepto de refuerzo local, es decir, se utiliza hormigón reforzado con fibra en las partes estresadas del componente para mejorar el rendimiento de trabajo del componente. Partiendo del concepto de que "en la pala se utiliza buen acero", se siguen estudiando los componentes de fibrohormigón y se han obtenido algunos resultados preliminares de la investigación. Las investigaciones muestran que el uso de fibras para reforzar localmente piezas especiales con grandes distancias de flexión puede aumentar la capacidad de carga de los componentes, reducir la presión de las barras de acero demasiado densas, aumentar la duración de los componentes y reducir los costos del proyecto.
No hay mucha investigación sobre componentes reforzados localmente con fibra de hormigón en el país y en el extranjero, y el objeto de investigación es la fibra de acero. En el extranjero, ya en la década de 1980 se realizaron investigaciones en esta área y se lograron algunos resultados [39][40], principalmente vigas y columnas. El uso de hormigón de fibra de acero en uniones viga-columna no solo ahorra barras de acero cortantes, sino que también aumenta la resistencia al corte y flexión de las uniones, mejora la resistencia a la fatiga de las uniones y muestra una buena ductilidad cuando se daña. Desde entonces, Naaman[38] et al. han estudiado las uniones sísmicas de estructuras de hormigón pretensado. Los resultados muestran que la ductilidad y la capacidad de absorción de energía de este tipo de junta de fibra de acero reforzada localmente son significativamente mayores que las de las juntas de hormigón, y puede desempeñar un buen papel de bisagra plástica durante los terremotos. Swamy [18] realizó una prueba de refuerzo local de hormigón con fibra para vigas y llevó a cabo un refuerzo local de hormigón con fibra de acero en la superficie del hormigón en la zona de compresión, la zona de tensión y la zona de tensión. Los resultados de las pruebas muestran que el efecto de refuerzo local del hormigón con fibra de acero es muy obvio: la carga de agrietamiento inicial aumentó en un 10%, el ancho de las grietas disminuyó, el número aumentó y la deflexión también se redujo considerablemente, lo que indica que el refuerzo local de. La fibra de acero mejoró enormemente la rigidez de la viga. Sin embargo, su investigación es limitada y sus conclusiones deben perfeccionarse y complementarse aún más. Los académicos chinos Gao Danying y Zhao Jun [35-37] continuaron sus investigaciones en esta área y obtuvieron las reglas para vigas de hormigón con fibras de acero parcialmente reforzadas: agregar fibras de acero dentro de las 0,3 h del componente puede aumentar el momento de flexión de fisuración del componente, y el El efecto de refuerzo es el mismo que el de todo el componente. Agregue fibras de acero a la sección transversal para que sea consistente. Para vigas de hormigón parcialmente armado equipadas con barras de acero y fibras de acero, cuando el espesor de la capa de hormigón con fibras de acero es mayor o igual a hf ≥ 0,3 h, las barras de acero se pueden cortar por completo.
El momento flector resistente a fisuras Mfcr se calcula utilizando el método de cálculo de una viga plana de hormigón con fibras de acero. El efecto de refuerzo de este tipo de viga de fibrohormigón es el mismo que el del refuerzo de fibra, pero la cantidad de fibra se reduce considerablemente y el costo también se reduce considerablemente.
En mi país, los componentes reforzados locales de hormigón con fibra de acero se han utilizado en proyectos y generalmente se utilizan en partes clave de marcos, puntas de pilotes y traviesas. y logró ciertos beneficios económicos.
4. Problemas existentes
Aunque el hormigón con fibra puede mejorar mucho las propiedades mecánicas del hormigón, debido a la gran superficie específica de la fibra, reducirá la fluidez del mismo. concreto en el concreto. Se requiere más lechada de cemento para envolver las fibras, lo que aumenta la cantidad de cemento utilizada en un solo concreto. China es un país en desarrollo. Según las estimaciones de Wu Zhongwei, China necesitaba 800 millones de toneladas de cemento en 2010, lo que representaba cerca de la mitad de la producción mundial en ese momento. Una industria cementera tan enorme es insoportable en términos de consumo de energía, consumo de materiales y, especialmente, carga medioambiental. Además, producir una cantidad tan grande de cemento supondrá una gran presión para el medio ambiente. La combinación de fibras y hormigón de alto rendimiento será la tendencia de desarrollo del hormigón en el futuro: por un lado, puede resolver el problema de agrietamiento temprano del hormigón de alto rendimiento, por otro lado, debido a la presencia de diversos finos. aditivos minerales, se puede mejorar el rendimiento de trabajo del hormigón de fibra. Para poner el desarrollo del hormigón en nuestro país en el camino del desarrollo sostenible, el desarrollo del hormigón debe realizarse desde los siguientes aspectos:
(1) Desarrollar activamente hormigón de alto rendimiento, mejorar la rendimiento de trabajo del hormigón de fibra y reducir la cantidad de cemento, utilizando racionalmente los residuos de residuos industriales para reemplazar parte del cemento y reducir la contaminación ambiental.
(2) Explorar activamente nuevos materiales. El compuesto es un medio importante para mejorar el rendimiento del hormigón. Mejorar el nivel científico del hormigón a partir de la investigación teórica del compuesto, explorar el compuesto de cemento, fibra barata y mineral. aditivos, y aprovechar plenamente el efecto de superposición y los beneficios técnicos y económicos.
(3) Fortalecer los métodos de investigación y combinar la experimentación con el análisis teórico.
La investigación sobre las propiedades mecánicas de nuevos materiales a menudo se lleva a cabo mediante experimentos, lo que conduce a la separación del análisis de la mecánica de materiales y el análisis de la mecánica estructural. Por lo tanto, se deben aplicar nuevos materiales en el modelo estructural y se deben realizar análisis de simulación de software para verificar la precisión de los resultados de las pruebas y derivar correctamente las fórmulas de cálculo teórico para guiar mejor las aplicaciones de ingeniería.
(4) Investigación teórica sobre la aplicación de estructuras de hormigón armado con fibras. El hormigón de fibra se ha utilizado en ingeniería. Zhao Jun y otros han realizado algunas investigaciones en esta área, pero sólo en hormigón con fibras de acero. Actualmente, los autores están estudiando el refuerzo local del hormigón con fibras híbridas. Los componentes de hormigón de fibra local pueden reducir en gran medida la cantidad de fibra, reducir los costos del proyecto, mejorar el rendimiento del hormigón y tener grandes beneficios económicos.
Al mejorar el rendimiento laboral y las propiedades mecánicas del fibrohormigón, los investigadores científicos de nuestro país deben considerar la relación entre los recursos, la energía y el medio ambiente, para que el desarrollo del fibrohormigón pueda emprender el camino del desarrollo sostenible. .