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1
Diciembre, 2013
MÁSTER UNIVERSITARO EN INGENIERÍA DE LAS ESTRUCTURAS, CIMENTACIONES Y MATERIALES
HORMIGÓN REFORZADO CON FIBRAS SINTÉTICASESTRUCTURALES
EJEMPLO EXPERIMENTAL:HORMIGÓN AUTOCOMPACTANTE REFORZADO CON
FIBRAS DE POLIOLEFINA
Marcos García AlbertiDepartamento de Ingeniería Civil: ConstrucciónETSICCP
1
Hormigón: materialcompuesto cuasi-frágil
Agua+
Cemento+
Árido fino+
Árido grueso+
Otros
¿Por qué no reforzar la matriz añadiendo un nuevo componente depequeño tamaño y distribuido aleatoriamente en el amasado deforma que permita mantener las propiedades del hormigón en
estado fresco y mejore su respuesta estructural bajo solicitacionesde tracción y flexión?
Hormigón reforzado con fibras: conceptos previos
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2
1 Hormigón reforzado con fibras: conceptos previos
Desde desechos hasta formas artificiales con acero
1 Hormigón reforzado con fibras: conceptos previos
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3
Tipologías de fibras
Normativa y recomendaciones
HORMIGÓN REFORZADO CON FIBRAS
1
• Han impulsado el uso de fibrasproporcionando al ingenieroherramientas para el diseño dehormigones reforzados con fibras
• Permiten evaluar la aptitud de las fibraspara tener en cuenta su contribución enel cálculo estructural
• Basados en la experiencia con fibras deacero
Hormigón reforzado con fibras: conceptos previos
1 Hormigón reforzado con fibras: conceptos previos
Hormigón Reforzado con macro-fibras sintéticas estructurales
Macro-fibras sintéticas estructuralesMacro fibra EHE-08:
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1
Fibras sintéticas (poliméricas)
• Estables químicamente frente a todo tipo de ataques (garantizan ladurabilidad del sistema de forma más efectiva)
• Si son estructurales: – Menor dosificación en kg de fibra/m³ de hormigón – Inferior desgaste de bombas, mangueras (hormigón proyectado) – Menores riesgos en su manipulación – Riesgo muy bajo de degradación y oxidación – Menor coste por m³ de hormigón
– Afectan en menor medida a la docilidad del hormigón en estadofresco
Hormigón reforzado con fibras: conceptos previos
1
Fibras sintéticas
Hormigón reforzado con fibras: conceptos previos
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Fibras sintéticas
1 5Hormigón reforzado con fibras: conceptos previos
1 Hormigón reforzado con fibras: conceptos previos
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1 Hormigón reforzado con fibras: conceptos previos
Comparación de fibras de acero con fibras sintéticas más comunes
Geometrías habituales Forma/ Textura Longitud (mm) Diámetro eq (mm)
Fibras de acero Lisa con extremos conformados 65/35 0,75
Microfibras sintéticas Recta y lisa 12 0,02 -0,023
Macrofibras sintéticas Rugosidad superficial (relieve continuo) 60/48 0,5 - 1
1 Hormigón reforzado con fibras: conceptos previos
Comparación de fibras de acero con fibras sintéticas más comunesCaracterísticashabituales
Resistencia atracción (MPa)
Módulo deelasticidad (GPa)
Dosificación(kg/m³) Material base
Fibras de acero 1050 210 25-70 Acero al carbono
Microfibrassintéticas 30 2 1- 2 Polipropileno
Macrofibrassintéticas 550 5-15 3 - 12
Poliolefina (polipropileno,polietileno,..)
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1 Hormigón reforzado con fibras: conceptos previos
1
EFECTO SOBRE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS
Hormigón reforzado con fibras: conceptos previos
Comparación con hormigón convencional si n armadura(CONSIDERACIONES GENERALES CUALITATIVAS)
Prestación Fibras de acero Microfibras sintéticas Macrofibras sintéticasTrabajabilidad reducida ligeramente reducida ligeramente reducidaFisuración porretracción inicial no afecta reduce reduce ligeramenteFisuración poracciones térmicas reduce no afecta reduce ligeramenteResistencia al"spalling" porfuego incrementa ligeramente
incrementanotablemente incrementa
Resistencia acompresión no afecta no afecta no afectaResistenciaresidual a flexión incrementa no afecta incrementaResistencia frentea impacto importante incremento no afecta incrementa
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1
EFECTO SOBRE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS
Hormigón reforzado con fibras: conceptos previos
Comparación con hormigón convencional si n armadura(CONSIDERACIONES GENERALES CUALITATIVAS)
Prestación Fibras de acero Microfibras sintéticasMacrofibrassintéticas
Tenacidad defractura incrementa no afecta incrementaResistencia a laabrasión incrementa incrementa ligeramente
incrementaligeramente
Resistencia frente ahielo-deshielo
incrementaligeramente incrementa incrementa
Permeabilidadincrementa
ligeramente incrementa ligeramenteincrementa
ligeramenteDesgaste de equipos(proyectado) incrementa se reduce se reduce
Acabados Tratamientoespecial fibras expuesta sedesgasta Pueden sobresalirfibras (flotan)Durabilidadexposición cloruros incrementa no afecta
incrementanotablemente
Seguridad riesgo en el manejo incrementa incrementa
1 Hormigón reforzado con fibras: conceptos previos
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1 Hormigón reforzado con fibras: conceptos previos
1 Hormigón reforzado con fibras: conceptos previos
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Hormigón reforzado con fibras1 Hormigón reforzado con fibras: conceptos previos
1 Hormigón reforzado con fibras: conceptos previos
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1 Hormigón reforzado con fibras: conceptos previos
1 Hormigón reforzado con fibras: ensayos de fractura
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1 Hormigón reforzado con fibras: ensayo de fractura
1 Hormigón reforzado con fibras: ensayos de fractura
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1 Hormigón reforzado con fibras: ensayos de fractura
1 Hormigón reforzado con fibras: conceptos previos
VÍDEO ENSAYO DE FRACTURA:
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1 Hormigón reforzado con fibras: resultados típicos SFRC
Hormigón reforzado con fibras: modelos constitutivos1
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2
Hormigón de altas prestaciones
Hormigón de altas prestaciones
Definición:Hormigón que mejor cumple los requisitos para una aplicaciónconsiderada, incluyendo entre otros el coste, la resistencia acompresión, la resistencia a la fatiga, ductilidad, fluencia, retraccióno durabilidad (Gettu et al. 1998)
Para ello, se pueden combinar tecnologías de hormigonesespeciales, como: – Hormigón de alta resistencia reforzado con fibras – Hormigón autocompactante reforzado con fibras
HORMIGÓN AUTOCOMPACTANTE: ¿Cómo afecta a la orientación de las fibras?
2 Hormigón de altas prestaciones
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2 Influencia de las condic iones de hormigonado
EJEMPLO EXPERIMENTAL:
HORMIGÓN AUTOCOMPACTANTE
REFORZADO CON FIBRAS DE POLIOLEFINA
Con los condic ionantes añadidos:
- Uso estructural susti tuyendo las fibras de acero porsintéticas
- Contenido de cemento y aditivos moderado
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Gran facilidad de colocaciónElimina los medios de compactaciónEs un material adecuado paracolocarlo mediante bombeoMejora la calidad de acabado de lassuperficies vistasReduce el coste global de la obra
Capaz de rellenar zonas fuertementearmadas
HORMIGÓN AUTOCOMPACTANTE
Ventajas
3 Hormigón autocompactante reforzado con fibras de poliolefina
MOTIVACIÓN
Gran facilidad de colocaciónElimina los medios de compactaciónEs un material adecuado para
colocarlo mediante bombeoMejora la calidad de acabado de lassuperficies vistasReduce el coste global de la obraCapaz de rellenar zonas fuertementearmadas
• Problemas de retracción por elevadocontenido de pasta
• Necesidad de ajustes experimentales
previos• Tendencia a dosificar con elevadas
cantidades de cemento y finos queelevan el coste
Ventajas Inconvenientes
3 Hormigón autocompactante reforzado con fibras de poliolefina
HORMIGÓN AUTOCOMPACTANTEMOTIVACIÓN
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Aumento de la resistencia aflexotracción
Aumento de la tenacidad
Control de la fisuración
Posible reducción de armados
Ventajas Inconvenientes de las fibras de acero
• Corrosión en las fibras• Mayor peso y coste• Peor docilidad : pérdida
autocompactabilidad con laadición de fibras
• Interferenciaselectromagnéticas
HORMIGÓN REFORZADO CON FIBRAS
3 Hormigón autocompactante reforzado con fibras de poliolefina
MOTIVACIÓN
Ventajas delhormigón
autocompactante
Hormigón reforzado
con fibras condurabilidadmejorada
HORMIGÓN AUTOCOMPACTANTE
HORMIGÓN REFORZADOCON FIBRAS
ESTRUCTURALES
HORMIGONES AUTOCOMPACTANTES
REFORZADOS CONFIBRAS DE POLIOLEFINA
3 Hormigón autocompactante reforzado con fibras de poliolefina
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Campañas experimentales
• Campaña para la obtención de la dosificación patrón
• Campaña experimental con hormigonesautocompactantes con contenidos medios de fibras depoliolefina
• Campaña experimental con hormigonesautocompactantes con alto contenido de fibras
• Obtención de un hormigón autocompactante con contenidomoderado de cemento y aditivos adecuado para los usos máshabituales de la Ingeniería Civil y la Edificación
• Ajuste y comprobación de una mezcla capaz de mantener suspropiedades en estado fresco con la aportación de las fibrasde poliolefina (hasta 6 kg/m³)
• Resistencias características en rangos habituales
4
• Campaña para la obtención de la dosificación patrón
OBJETIVOS:
METODOLOGÍA:• Obtención de una dosificación de partida cuidadosamente
estudiada y elección de materiales
• Ajuste empírico mediante ensayos en estado fresco(escurrimiento, embudo en V)
• Rotura a compresión a 7 días cuando la mezcla obtenida seconsideró adecuada en estado fresco
Descripc ión de las campañas experimentales
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Selección de materiales
Adición de Filler calizo
Cemento CEM I 52,5 R/SR 5
Esqueleto granular
Aditivo superplastificante:• Sika ViscoCrete 5720
Composición de la pasta
• Ári dos si líceos machacados
Grava (TMA 12,7 mm, 24%)+
Gravilla (16%)+
Arena (60%)
• Campaña para la obtención de la dosificación patrón
4 Descripc ión de las campañas experimentales
• Máxima compacidad en seco ymínimo volumen de huecos
Selección de materiales Fibras de poliolefina Sikafiber:• Longitud : 60 mm• Densidad: 0,910 gr/cm³• Diámetro equivalente: 0,903 mm• Resistencia a tracción: > 500 MPa• Módulo de Elasticidad: > 9 GPa• Rugosidad y tratamiento superficial
• Campaña para la obtención de la dosificación patrón
4 Descripc ión de las campañas experimentales
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Dosificación patrón:
Peso(kg/m³)
Cemento 375 Agua 187,50a/c 0,50Filler calizo 200
Arena 917,74Gravilla 244,73Grava 367,09Plastificante 1,25%
Dosificación competitiva de HAC:
• Cantidad moderada decemento
• 1,25 % de superplastificante• Sin aditivo modulador de
viscosidad• Resistencia característica del
entorno de los 40MPa• Secuencia de amasado
Ensayo de escurrimiento Ensayo delEmbudo en V
T50 (s) d1 (mm) d2 (mm) df (mm) Tiempo de flujo (s)D4 5 700 700 700 12
D4F 6 660 670 665 14,5
• Campaña para la obtención de la dosificación patrón
4 Descripc ión de las campañas experimentales
• Evaluación de la influencia de la aportación de fibras endistintos contenidos en estado fresco y en estado endurecido
• Evaluación de las características mecánicas y en fractura
OBJETIVOS:
METODOLOGÍA:
• Campaña experimental con hormigones autocompactantes con contenidos medios de fibras de poliolefina
F a
b r i c a c i ó n
d e
h o r m
i g o n e s
Peso
(kg/m³)Cemento 375
Agua 187,50a/c 0,50Filler calizo 200
Arena 917,74Gravilla 244,73Grava 367,09Plastificante 1,25%
2298
Sin fibras (hormigónde referencia) HAC
HAC + 3kg/m³ defibras
HAC3
HAC + 4,5kg/m³ defibras
HAC4,5
HAC + 6kg/m³ defibras HAC6
4 Descripc ión de las campañas experimentales
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• Fabricación de hormigones autocompactantes con 10kg/m³ defibras de poliolefina
• Obtención de hormigones aptos para uso estructural• Evaluación de la aportación del aditivo mejorador de
adherencia Sikatell 250
OBJETIVOS:
METODOLOGÍA:
4 Descripc ión de las campañas experimentales
• Campaña experimental con hormigones autocompactantes con alto contenido de fibras de poliolefina
• Dosificación patrón con 10kg/m³ de fibras→ evaluación delcomportamiento en estado fresco
• Fabricación con ligeras variaciones en esqueleto granular ysuperplastificante
• Fabricación de hormigón con las mismas variaciones y el mejorador deadherencia
• Campaña experimental con hormigones autocompactantes con alto contenido de fibras de poliolefina
Fabricación de hormigones
4 Descripc ión de las campañas experimentales
Dosificación patrón + 10kg/m³
Árid o (%) HAC10a HAC10b Arena 60% 65%Gravilla 16% 14%Grava 24% 21%
Superplastificante 1,25% 1,50%
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• Campaña experimental con hormigones autocompactantes con alto contenido de fibras de poliolefina
F a
b r i c a c i ó n
d e
h o r m
i g o n e s c o n
1 0 k g / m ³
d e f i b r a s
d e p o
l i o l e f i n a
4 Descripc ión de las campañas experimentales
Dosificación patrón HAC10a
Dosificación modificada HAC10b
Dosificación modificadacon mejorador de
adherenciaHAC10M
De cada dosificación se fabricaron:
10 probetas cilíndricas Ø=150 mm y altura 300 mm
3 probetas prismáticas de 430x100x100 mm³
4 Descripc ión de las campañas experimentales
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Escurrimiento Embudo en V
T50 (s) df (mm) Tv (s)
HAC 3,5 655 8
HAC3 3 642 12
HAC4,5 3,5 600 11
HAC6 4 590 16
HAC10a 6 570 20
HAC10b 4 580 16,5
HAC10M 7 580(535) 15,5
Resultados:
5 Resultados y discusión
Todos los hormigones están en los rangos admisiblesde autocompactabilidad, no presentando segregación nibloqueos.
Caracterización en estado fresco:
Propiedades mecánicas:
Resistencia a compresióncaracterística:
5 Resultados y discusión
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Caracterización de las propiedades mecánicas:
Resistencia acompresión:
5 Resultados y discusión
Caracterización de las propiedades mecánicas:
Módulo de elasticidad en compresión:
5 Resultados y discusión
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Caracterización de las propiedades mecánicas:
Resistencia a tracción indirecta:
5 Resultados y discusión
Caracterización de las propiedades mecánicas:
Resistencia a tracción indirecta:
5 Resultados y discusión
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Caracterización de las propiedades mecánicas:
Resistencia a tracción indirecta:
5 Resultados y discusión
Ensayos de penetración de agua bajo presión
5 Resultados y discusión
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Ensayos de Fractura
• Ensayo de flexión en tres puntos conentalla según las indicaciones de lanorma RILEM TC-187-SOC (Indirecttest for stress-crack opening curve)
• Dimensiones 430x100x100 mm³• Luz 3D = 300 mm• Entalla D/3= 33,33 mm• 2 LVDT laterales y control con el
dispositivo CMOD• Se extraen también valores de carga
y posición del actuador
Descripción de los ensayos:
5 Resultados y discusión
Ensayos de Fractura
• Deformaciones muy superiores a lasque se producen en hormigonesconvencionales
• Se continuó el ensayo una vezsaturaba el dispositivo CMODtomando valores de posición deLVDT, carga y posición
Hormigones con fibras• Todos los ensayos de HACRF se
detuvieron sin alcanzar el colapsocomprobándose el incremento en laductilidad que aportan las fibrasalcanzando flechas de hasta 15 mm
5 Resultados y discusión
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Resultados de los Ensayos de Fractura
Energía de fractura
5 Resultados y discusión
Resultados de los Ensayos de Fractura
Energía de fractura
5 Resultados y discusión
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5 Resultados y discusión
Resultados de los Ensayos de Fractura
• Carga máxima se incrementó en todoslos hormigones respecto al hormigónsin fibras
Carga máxima (FL)
5 Resultados y discusión
Figura 121. FMINy FREM
Resultados de los Ensayos de Fractura
• F MIN se incrementa con la aportaciónde fibras a pesar de la dispersiónobservada en HAC4,5 y HAC6
• La acción del mejorador de adherencia
en hormigones idénticos es efectivapara elevar el valor de F MIN• Este valor marca el menor valor de
carga para pequeñas deformaciones(ELS) y de ahí su importancia
Carga mínima post-fisuración (FMIN)
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5 Resultados y discusión
Resultados de los Ensayos de Fractura
• F REM se incrementa con la aportaciónde fibras a pesar de la dispersiónobservada en HAC4,5 y HAC6
• La acción del mejorador de adherenciaen hormigones idénticos es efectivapara elevar el valor de F REM
• Este valor marca el menor valor decarga para pequeñas deformaciones(ELU) y se obtienen paradeformaciones importantes (4-5mm)
Carga máxima post-fisuración (FREM )
5 Resultados y discusión
Resultados de los Ensayos de Fractura
Curvas de fractura
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5 Resultados y discusión
Resultados de los Ensayos de Fractura
Resultados de los Ensayos de Fractura
Análisis de las superficies de fractura
5 Resultados y discusión
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5 Resultados y discusión
Resultados de los Ensayos de Fractura
Análisis de las superficies de fractura
5 Resultados y discusión
Resultados de los Ensayos de Fractura
Análisis de los valores de referencia en la normativa existente
• Entre los requisitos exigidos en el Anejo 14º de la EHE-08 para el usoestructural de las fibras se incluyeque la tensión para una apertura defisura de 0,5mm (f
R1) en el ensayo
normalizado EN-14651 sea superioral 40% de la tensión obtenida en ellímite de proporcionalidad o cargapico, mientras que para la tensiónobtenida para la apertura de loslabios de la entalla de 2,5mm (f R3)solamente tiene que ser mayor del20%.
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5 Resultados y discusión
Resultados de los Ensayos de Fractura
Análisis de los valores de referencia en la normativa existente
5
Resultados de los Ensayos de Fractura
Análisis de los valores de referencia en la normativa existente
Resultados y discusión
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6
Resultados de los Ensayos de Fractura
Comparación con fibras de acero:
Comparación con fibras de acero
6 Comparación con fibras de acero
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• Se consiguió fabricar un hormigón autocompactante con una aportación defibras de poliolefina de hasta 10kg/m³ y además con contenidos moderadosde cemento y superplastificante .
7 Hormigón reforzado con fibras de poliolefina
CONCLUSIONES
• Los hormigones reforzados con fibras de poliolefina mantuvieron laspropiedades mecánicas y mejoraron la respuesta en todos los mecanismosrelacionados con la tracción y, en especial en fractura, mostrando ademásun modo de fallo más dúctil y sin desprendimientos.
• Los hormigones fabricados fueron todos de buena calidad y durabilidadsegún los resultados de penetración de agua bajo presión.
• Se fabricó un hormigón reforzado con fibras de poliolefina que cumple losrequerimientos de la EHE-08 para su uso con función estructural.
EJEMPLO EXPERIMENTAL 2:
HORMIGÓN AUTOCOMPACTANTE
REFORZADO CON FIBRAS DE POLIOLEFINA Y CON FIBRASDE ACERO
Comparación entre fibras y estudio de las posibles sinergias
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8 Hormigón autocompactante reforzado con cóctel híbrido de fibras
¿Qué ocurriría si combinamos ambas fibras en proporciones bajas?
8 Hormigón autocompactante reforzado con cóctel híbrido de fibras
¿Qué ocurriría si combinamos ambas fibras en proporciones bajas?
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Concrete mix proportions
Cement(kg/m³)
Limestone powder(kg/m³)
Superplasticizer Water (kg/m³) Sand (kg/m³)Grit(kg/m³)
Gravel(kg/m³)
375 200 1.25 % (CEM) 187.5 918 245 367
SCC PFRC SFRC Hybrid FRCMixture HAC P49 P66 S33 S49 H1 H2
Steel fibers (kg/m³) - - - 26 39 26 20Polyolefin fibers (kg/m³) - 4.5 6 - - 4.5 6
8 Hormigón autocompactante reforzado con cóctel híbrido de fibras
ConcreteSlump flow test V-funnel f ck (MPa) E (GPa) f ct (MPa)
d (mm) T500 (s) t (s) 28d 28d 28d
HAC 655 3.5 8 39.0 35.8 3.78
S26 570 3,5 10 41.7 33.7 5.32
S49 570 3.5 14 43.0 31.9 6.19
HAC4,5 600 3.5 11 38.5 31.2 4.18
HAC6 590 4.0 16 41.4 31.6 4.09
H1 565 4.0 14 36.5 33.0 5.41
H2 560 4.0 25 36.9 31.8 5.35
8 Hormigón autocompactante reforzado con cóctel híbrido de fibras
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Propiedades mecánicas
8 Hormigón autocompactante reforzado con cóctel híbrido de fibras
Resultados de los Ensayos de Fractura
Comparación con fibras de acero:
8 Hormigón autocompactante reforzado con cóctel híbrido de fibras
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Resultados de los Ensayos de Fractura
Hormigón híbrido
8 Hormigón autocompactante reforzado con cóctel híbrido de fibras
Resultados de los Ensayos de Fractura
Comparación con fibras de acero:
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Resultados de los Ensayos de Fractura
Hormigón híbrido
Mean values of load and fracture energy ( GF) of concretes mixtures
Concrete LR0.5 (N) LR1.5 (N) LR2.5 (N) LR3. 5 (N)Fracture energy , G F (N/m)
1mm 5mm 8mm
S26 3764 3943 3406 2689 570 2135 2621
P4,5 1131 1301 1640 1810 254 1292 1846
S26+P4,5 4895 5244 5046 4499 824 3427 4467
H1 4893 5827 5294 4627 709 3577 4931
8 Hormigón autocompactante reforzado con cóctel híbrido de fibras
Superficies de fractura del hormigón híbrido
8 Hormigón autocompactante reforzado con cóctel híbrido de fibras