El formigó, un dels materials de construcció més utilitzats, té importants avantatges en resistència a la compressió i altres aspectes a causa de les seves propietats compostes úniques. Tanmateix, la baixa resistència a la tracció del formigó i la tenacitat insuficient limiten la seva aplicació més àmplia en enginyeria estructural. El formigó convencional és propens a esquerdar-se sota tensió o flexió, que es propaga ràpidament fins a fallar. En la construcció d'infraestructures modernes, les condicions de treball complexes i els entorns durs (com ara càrregues elevades, atacs de solucions salines i cicles de congelació-descongelació) exigeixen més el rendiment dels materials.
L'aparició del formigó-armat amb fibra proporciona un enfocament eficaç per millorar la fragilitat del formigó. Afegir un sol tipus de fibra (com ara fibra d'acer, fibra de polipropilè o fibra de vidre) al formigó pot millorar significativament la seva resistència a les esquerdes, la resistència a l'impacte i la durabilitat. Tanmateix, l'efecte de reforç d'una sola fibra sovint té limitacions. Per exemple, mentre que la fibra d'acer és eficaç per millorar la resistència a la tracció i la resistència a les esquerdes, no té dispersió i resistència química. Les fibres sintètiques (com la fibra de polipropilè), encara que estan ben disperses, pateixen una rigidesa i una resistència baixes. Per tant, ha sorgit la tecnologia de fibra híbrida, que combina dues o més fibres per aprofitar plenament les propietats de diferents fibres.
El paper de les fibres híbrides
El concepte bàsic de la tecnologia de fibra híbrida és aprofitar les propietats complementàries de diferents fibres per superar les limitacions del reforç de fibra única-, aconseguint així un rendiment global més elevat. Per exemple, la combinació de fibra d'acer i fibra de polipropilè pot millorar simultàniament la resistència a la tracció i la resistència a les esquerdes del formigó alhora que redueix l'amplada de les esquerdes. L'efecte sinèrgic de la fibra de carboni i la fibra de basalt pot reduir el pes de l'estructura alhora que millora la resistència del material a altes temperatures i corrosió química. A més, investigacions recents han trobat que la introducció de microfibres com nanofibres o bigotis pot millorar significativament la microestructura del formigó, millorant encara més el seu rendiment global. Amb l'-estudi en profunditat del formigó armat de fibra-híbrid, la seva aplicació en enginyeria pràctica és cada cop més extensa. Des d'estructures de càrrega pesada-com ara ponts i túnels fins a enginyeria marina i instal·lacions d'alta-temperatura, el formigó de fibra híbrid ofereix solucions innovadores per a condicions de treball complexes a les quals els materials tradicionals lluiten per fer front.
Tipus comuns de fibres de formigó:
Els compostos de fibra són materials compostos compostos per dues o més fibres reforçades amb la mateixa matriu. No només redueixen els costos, sinó que també aprofiten els punts forts i febles, creant un efecte híbrid. Hi ha molts tipus diferents de fibres, cadascuna amb les seves pròpies propietats físiques i químiques. Segons el material de fibra, es poden classificar de la següent manera:
Fibra d'acer:Una de les fibres més comunes utilitzades per reforçar el formigó, presenta propietats de reforç importants a causa de la seva alta resistència a la tracció i rigidesa. La fibra d'acer uneix eficaçment les esquerdes, reduint la propagació de les esquerdes i augmentant la resistència a la tracció, la flexió i l'impacte del formigó. El seu mecanisme d'acció principal és el pont de fissures i l'augment de la tenacitat a la fractura, millorant eficaçment la duresa general del formigó. Tanmateix, la fibra d'acer té certes limitacions en la dispersió, especialment en grans volums de formigó, on la distribució desigual de la fibra pot afectar el rendiment del formigó. A més, la fibra d'acer presenta poca resistència a la corrosió química i a la humitat, limitant la seva aplicació en determinats entorns especialitzats.
Fibra de polipropilè:una fibra sintètica, presenta una excel·lent dispersibilitat i resistència química i s'utilitza àmpliament en el formigó. La fibra de polipropilè pot millorar eficaçment la resistència a les esquerdes del formigó i reduir la propagació de les microesquerdes dins del formigó a través de la seva xarxa de fibra fina. La fibra de polipropilè té una baixa resistència a la tracció i rigidesa, de manera que quan s'utilitza sola, pot afectar la resistència general del formigó. Tanmateix, pot controlar eficaçment la propagació de les esquerdes i millorar significativament la resistència a les gelades i la impermeabilitat del formigó, fent-lo especialment eficaç en entorns de baixa-temperatura i en enginyeria hidràulica.
Fibra de vidre:S'utilitza principalment per millorar la resistència a la tracció, la resistència a la flexió i la resistència a l'impacte del formigó. La seva alta resistència i excel·lent dispersibilitat fan que sigui àmpliament utilitzat en molts projectes. En comparació amb la fibra d'acer, la fibra de vidre ofereix una resistència química i a la humitat superior, la qual cosa la fa adequada per al seu ús en entorns altament corrosius com l'enginyeria hidràulica i marina. No obstant això, la fibra de vidre és trencadissa i propensa a trencar-se, limitant la seva aplicació en projectes que requereixen una gran ductilitat o resistència a la fatiga.
Fibra de carboni:A causa de la seva resistència extremadament alta, baixa densitat i excel·lent resistència a la corrosió, recentment s'ha convertit en un material de reforç de formigó cada cop més popular. La fibra de carboni pot augmentar significativament la resistència a la tracció del formigó. La seva baixa densitat redueix el pes del formigó, el que el fa apte per al seu ús en estructures lleugeres. La fibra de carboni presenta una excel·lent resistència a les altes temperatures i a la corrosió química, la qual cosa la fa adequada per a projectes que operen en entorns d'alta-temperatura i medis químics durs. Tanmateix, el seu cost relativament elevat limita la seva aplicació a gran-escala.
Fibra de basalt:Una fibra natural amb una excel·lent resistència a les altes temperatures i als atacs químics. La fibra de basalt presenta una estabilitat superior en comparació amb les fibres d'acer i de vidre en entorns d'alta-temperatura i corrosius, de manera que ofereix àmplies perspectives d'aplicació en enginyeria marina, condicions d'alta-temperatura i enginyeria química. L'addició de fibra de basalt pot millorar la resistència al foc i la resistència a la corrosió del formigó, fent-lo especialment adequat per al seu ús en medis corrosius com ara aigua salada i ambients àcids. Tanmateix, a causa de l'elevat cost de processament de la fibra de basalt, la seva adopció generalitzada en algunes aplicacions segueix sent un repte.
Nanofibres o bigotis:Un material de reforç recentment emergent amb una superfície i una força excepcionals. La incorporació d'aquestes microfibres al formigó pot millorar la seva microestructura, millorant encara més la seva resistència a la compressió, la resistència a les esquerdes i la impermeabilitat. Per exemple, els bigotis de carbonat de calci, com a material de reforç a nano-escala, poden millorar significativament les propietats compressives del formigó alhora que milloren l'estructura microscòpica dels porus del formigó, millorant la seva durabilitat i la seva resistència al congelació-.
Mecanisme sinèrgic de fibres de formigó
2.1 Mecanisme d'acció de la fibra d'acer
Les fibres d'acer són un component crucial per millorar la resistència a les esquerdes del formigó, amb una alta resistència, un alt mòdul i excel·lents propietats de tracció. Les fibres d'acer solen fer ponts a les esquerdes, limitant-ne la propagació i, per tant, millorant eficaçment la tenacitat i la resistència a l'impacte del formigó. Quan el formigó està sotmès a forces externes, les fibres d'acer, actuant com a reforç, resisteixen la propagació de les esquerdes a través de la seva alta resistència, evitant la fractura ràpida sota tensió. Una vegada que es desenvolupen les esquerdes, les fibres d'acer fan un pont amb les esquerdes, actuant com ponts, absorbint l'esforç de tracció i evitant el creixement de les esquerdes.
La introducció de fibres d'acer normalment millora significativament la resistència a la tracció del formigó, les propietats de flexió i la resistència a la fatiga. S'utilitzen especialment en projectes subjectes a variacions de càrrega elevades, com ara projectes d'infraestructura com carreteres, ponts i túnels. Tanmateix, quan s'utilitzen soles, les fibres d'acer presenten una mala dispersió en el formigó i una baixa resistència química. Les fibres d'acer es corroeixen fàcilment per àcids forts, bases o humitat elevada, cosa que provoca una degradació del rendiment. Per tant, en aplicacions pràctiques, sovint es combinen amb altres tipus de fibres per compensar aquestes mancances.
2.2 El paper de les fibres sintètiques
La fibra de polipropilè, una fibra sintètica d'ús habitual, es caracteritza per una bona dispersibilitat, una excel·lent resistència química i una resistència a la humitat. La fibra de polipropilè forma una xarxa de microfibra dins de la matriu de formigó. Aquesta xarxa millora significativament la resistència a les esquerdes del formigó reduint l'amplada de les esquerdes i distribuint l'esforç en les primeres etapes de les esquerdes.
El principal mecanisme d'acció de la fibra de polipropilè és el control de les esquerdes. Quan el formigó està sotmès a forces externes, la fibra de polipropilè redueix la velocitat de propagació de les microesquerdes augmentant la xarxa de fibres dins del formigó. Quan es produeixen esquerdes, les fibres omplen les esquerdes i distribueixen l'estrès, evitant eficaçment una major expansió de les esquerdes, millorant així la duresa i la resistència a l'impacte del formigó. A més, la introducció de fibra de polipropilè ajuda a millorar la resistència a les gelades i la impermeabilitat del formigó.
L'efecte de la incorporació de fibres híbrides en el rendiment del formigó
L'aplicació de fibres híbrides al formigó s'ha estudiat àmpliament i la investigació ha demostrat que poden millorar significativament les propietats mecàniques del formigó, especialment les seves propietats fonamentals com la compressió, la tensió i la resistència a la flexió. Aquestes millores no només milloren el rendiment estructural del formigó, sinó que també en reforcen la capacitat de càrrega-i la seva durabilitat en condicions de treball extremes. Combinant racionalment diferents tipus de fibres, com ara fibres d'acer, fibres d'alcohol polivinílic i fibres de vidre, les fibres híbrides poden aconseguir efectes sinèrgics, superant les limitacions de les fibres individuals i millorant significativament el rendiment del formigó.
La resistència a la compressió és una de les propietats mecàniques més importants del formigó, que afecta directament la seguretat i la capacitat de càrrega{0}}de les estructures de formigó. Normalment, quan el formigó està sotmès a càrregues de compressió, les esquerdes es propaguen inicialment des de punts febles o zones irregulars del formigó. Aquesta propagació d'esquerdes no només redueix la capacitat de càrrega-del formigó, sinó que també accelera la fallada per fatiga. Tanmateix, l'addició de fibres híbrides pot modificar eficaçment el comportament de càrrega-del formigó, augmentant així la seva resistència a la compressió.
La investigació ha demostrat que la introducció de fibres híbrides pot millorar significativament la resistència a la compressió del formigó. L'addició d'un 0,5% i un 1,0% de fibra d'acer al ciment autoconsolidant (HSSCC) d'alta -resistència- va augmentar la resistència a la compressió de 28-dies un 1% i un 11%, respectivament. La resistència a la compressió dels grups experimentals que contenien fibres de polipropilè va ser inferior a la del grup control. La substitució de les fibres d'acer per fibres de polipropilè del 0,3% i del 0,4% en mostres reforçades amb fibra híbrida que contenien un 0,5% de fibra va reduir significativament la resistència a la compressió de les mostres híbrides.
Les resistències a la compressió del ciment de pou de petroli-reforçat amb fibra híbrida- després de curar durant 3, 7 i 28 dies van ser de 18,4 MPa, 28,2 MPa i 38,7 MPa, respectivament. En comparació amb el ciment de pou-de petroli estàndard, aquestes resistències a la compressió van augmentar un 48,94%, un 24,05% i un 25,68%, respectivament. La fibra híbrida va millorar significativament la resistència a la compressió. L'addició de fibres actua com a connector dins de la matriu de ciment-del pou de petroli, inhibint el desenvolupament de fissures i millorant la resistència de la matriu. Tanmateix, a mesura que augmenta el contingut de fibra, les fibres es dispersen de manera desigual dins de la matriu de ciment i tendeixen a aglomerar-se, compensant parcialment l'efecte de reforç de les fibres a la matriu de ciment. Concretament, la distribució de fibres mixtes-d'acer, polipropilè i bambú-en el formigó crea una xarxa de fibres-tridimensionals. Aquestes fibres resisteixen eficaçment l'inici i la propagació d'esquerdes quan el formigó està sotmès a càrregues de compressió. Les fibres d'acer, amb la seva alta resistència i rigidesa, suporten i dispersen eficaçment les càrregues de compressió, reduint la concentració de tensions internes al formigó i evitant la ràpida propagació de les esquerdes.
Resum:
El formigó armat amb fibra de formigó (CFRC) s'ha aplicat gradualment en diversos camps a causa de les seves propietats mecàniques i de durabilitat úniques. El formigó híbrid reforçat amb fibra (HFRC) mostra àmplies perspectives d'aplicació en ponts, carreteres, estructures marines i instal·lacions d'alta-temperatura. En la construcció de ponts, HFRC pot millorar significativament la durabilitat i la resistència a les esquerdes de les estructures, allargant eficaçment la seva vida útil. A les zones de gran-trànsit com ara carreteres i pistes d'aeroport, la resistència a l'impacte i la resistència a les esquerdes de l'HFRC el converteixen en una opció de material ideal.
A més, l'HFRC és especialment destacat en el formigó d'ultra--eficiència (UHPC) i el formigó auto-compactant (SCC). L'UHPC presenta una durabilitat i una resistència excel·lents en condicions extremes, mentre que l'SCC té una excel·lent fluïdesa i propietats d'auto-compactat, el que el fa adequat per a estructures complexes. La introducció de l'HFRC ha optimitzat encara més les propietats mecàniques, la durabilitat i la treballabilitat d'aquests dos tipus de formigó d'alt rendiment-.
Tot i que l'HFRC pot millorar significativament les propietats mecàniques i la durabilitat del formigó, la seva aplicació pràctica encara s'enfronta a diversos reptes. En primer lloc, la distribució uniforme de HFRC al formigó continua sent un tema clau. A causa de les diferències en els tipus i longituds de les fibres híbrides, la distribució de les fibres en el formigó pot ser desigual, cosa que pot provocar desviacions de rendiment en determinades àrees. Per tant, com assegurar la dispersió uniforme de fibres híbrides al formigó s'ha convertit en un repte tècnic en aplicacions d'enginyeria.
