EVALUACIÓN DE LA RESPUESTA MECÁNICA DE OVERLAYS DE
HORMIGÓN CON FIBRAS SOBRE SUSTRATO DE CONCRETO
ASFÁLTICO
ASSESSMENT OF THE MECHANICAL RESPONSE OF FIBER
REINFORCED CONCRETE OVERLAYS OVER ASPHALT SUBSTRATE
F. Morea1, M.C. Torrijos2,G. Giaccio3, R. Zerbino4
1.- Investigador Asistente CONICET-LEMIT. franmorea@yahoo.com.ar
2.- Investigadora Asistente CONICET-UNLP-LEMIT. celestetorrijos@hotmail.com
3.- Investigadora Independiente CIC-LEMIT-UNLP.
4.- Investigador Independiente CONICET-UNLP-LEMIT
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RESUMEN
El uso de overlays de Hormigón Reforzado con Fibras (HRF) aparece como una alternativa para la
reparación y refuerzo en obras viales. Las fibras ejercen una acción de costura tanto sobre las juntas
constructivas como sobre eventuales fisuras, y como consecuencia permiten reducir el espesor del refuerzo
e incrementar la vida en servicio y prestaciones generales del pavimento. El diseño y comportamiento
de refuerzos tipo whitetopping de bajo espesor está íntimamente ligado al nivel de adherencia con el
sustrato; en este sentido la presencia de las fibras también reduce la propagación de fallas en la interfaz
sustrato-overlay. Este trabajo muestra algunas experiencias orientadas al desarrollo de un método para
evaluar la eficiencia de diferentes tipos de fibras en este tipo de aplicaciones. Con este fin se analiza la
respuesta mecánica de probetas compuestas sustrato-overlay sometidas a ensayos de flexión. Se incluyen
overlays de hormigón simple, de HRF con macrofibras sintéticas y de acero aplicados sobre concreto
asfáltico como sustrato. Adicionalmente se estudió la adherencia en la interfaz mediante ensayos de
corte.
Palabras clave: Hormigón reforzado con fibras, overlay, macrofibras de acero, mocofibras sintéticas.
Revista N°3 - 2013
F. Morea, M.C. Torrijos, G. Giaccio, R. Zerbino
ABSTRACT
The use of overlays of Fiber Reinforced Concrete (FRC) appears as an alternative for the repair and
reinforcement of pavements. The fibers make a sewing action over the construction joints and eventual
cracks and, as a consequence, allow reducing the thickness of the repair and increase service life and
the general performance of the pavements. The design and behaviour of thin concrete overlays is related
to the bond level developed between the substrate and the overlay; in this sense the presence of fibers
also reduces the propagation of cracks through the substrate-overlay interface. This work shows some
experiences oriented to the development of a method for assessing the efficiency of different types of
fibers in this kind of applications. With this aim, the mechanical response of substrate-overlay compound
specimens subjected to flexure test is analysed. It includes overlays of simple concrete, of FRC with
steel and synthetic macrofibers applied over asphalt as substrate. Additionally, the bond strength in the
interface was studied by shear tests.
Keywords: Fiber reinforced concrete, overlay, steel macrofibers, synthetic macrofibers.
INTRODUCCIÓN
Planteo del problema
20
Una vez que un pavimento se encuentra
deteriorado necesita ser intervenido para continuar
prestando un nivel de servicio adecuado. Una de
las soluciones para restablecer el nivel de servicio
del pavimento es el uso de refuerzos u “overlays”
para mejorar o recomponer el desempeño del
mismo, su durabilidad y calidad de servicio al
tránsito. Estos refuerzos pueden ser de distintas
clases, los conocidos como “whitetopping”
consisten en aplicar una capa de hormigón de
cemento portland; en la actualidad se recomienda
el uso de hormigón reforzado con fibras (HRF).
Se distinguen tres tipos de whitetopping, el
convencional, el delgado y el ultra delgado; la
diferencia entre ellos radica en los espesores
pudiendo ser superior a 15 cm, de 10 a 15 cm y de
5 a 10 cm respectivamente para cada clase.
El whitetopping convencional es una capa de
refuerzo sobre el pavimento deteriorado, que en
adelante pasa a ser una base de buena calidad pero
sin considerar de parte de la misma ningún aporte
estructural. No se considera que exista adherencia
entre las capas, Figura 1, y por lo tanto el refuerzo
es el encargado de soportar las tensiones del
tránsito. Esto genera en el diseño un mayor espesor
de la capa de refuerzo.
Dado el interés de generar la rehabilitación del
pavimento al menor costo posible, cuanto menor
Figura 1. Esquema de tensiones en el sistema compuesto con y sin adherencia.
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sea el espesor de refuerzo menor el costo de la
intervención. Considerando la adherencia entre
capas se pueden colocar menores espesores pues
el viejo pavimento aunque deteriorado es un
material de alta calidad y puede ofrecer un soporte
estructural. Al existir adherencia el compuesto
sustrato-refuerzo trabaja como un todo, ver Fig. 1,
se produce un descenso del eje neutro con lo que
se reducen las tensiones de tracción en el overlay
de hormigón y permite diseñar menores espesores
de refuerzo.
de concreto asfáltico, favorecen el despegue entre
capas y, debido al efecto cíclico de las cargas,
dicha fisura en la interfaz progresa en el tiempo.
La adherencia con el sustrato es la base de un diseño
apropiado y un proceso de construcción óptimo
del whitetopping de bajo espesor y debe utilizarse
sobre mezclas que presentan ahuellamientos o
fisuración pero en buenas condiciones estructurales
para poder considerar su aporte. Se necesita tener
adherencia con el sustrato para tener soporte
estructural. Algunas referencias marcan que la
adherencia lograda durante la construcción decae
a lo largo del tiempo [1].
Figura 2. Efecto del tránsito sobre el compuesto.
La adherencia puede disminuir por diversas
causas, condiciones adversas o defectos
(suciedad, aceites) durante la construcción, curado
inapropiado, impacto excesivo de los vehículos
producto de la rugosidad superficial de la capa
de refuerzo, formación de fisuras con acceso
de agua y exposición al congelamiento, entre
otras [2]. Según Turatsinze et al [2] la pérdida
de adherencia desde el punto de vista mecánico
del comportamiento del compuesto se debe a
dos causas: las cargas mecánicas externas y los
cambios en longitud entre el sustrato y el overlay.
En ambos mecanismos la pérdida de adherencia se
inicia preferentemente en las discontinuidades de
la capa de refuerzo, bordes, fisuras y juntas.
El efecto de las cargas de tránsito se observa en
la Figura 2. Bajo el paso de las cargas existe un
momento en el cual el refuerzo de hormigón se
ve sometido a esfuerzos de tracción en la parte
superior. Estos esfuerzos en coincidencia con una
fisura o junta y debido a la diferente respuesta
que ofrecen el overlay de hormigón y el sustrato
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El despegue por variaciones de longitud en el
sustrato y el overlay se asocia principalmente a la
fisuración del refuerzo por cambios de temperatura;
la pérdida de adherencia, a su vez, favorece el
crecimiento de fisuras en el overlay.
Ya sea por efecto de las cargas o por los cambios
de longitud, Turatsinze et al [2] indican que
la causa del despegue se debe al desarrollo de
tensiones perpendiculares de corte (τcorte) en la
interfaz sustrato-overlay debido a que se genera un
momento de “peladura” (peeling) como se observa
en la Figura 3.
Figura 3. Solicitaciones que causan la pérdida de adherencia
El uso de Hormigón Reforzado con Fibras (HRF)
aparece como una alternativa para realizar el
overlay de refuerzo, ya que las fibras permiten
la transferencia de fuerzas a través de las fisuras
disminuyendo la intensidad de la discontinuidad
mecánica y la tensión en la interfaz. Se ejerce
una acción de costura tanto sobre las juntas
constructivas como sobre eventuales fisuras reflejas
o de contracción. Esto permite reducir el espesor
21
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del refuerzo, incrementar la vida en servicio y las
prestaciones generales del pavimento.
La acción de las fibras depende como es lógico del
tipo y contenido de refuerzo, pero también puede
variar en el compuesto con respecto a la respuesta
observada en ensayos normalizados de HRF.
Puede modificarse debido al cambio en la forma
de propagación de la fisura al llegar a la interfaz
overlay-sustrato, por la diferencia de rigidez entre
hormigón y concreto asfáltico que implica un
esfuerzo diferente para un mismo giro (apertura
de fisura), por las modificaciones en la rigidez
del concreto asfáltico por efecto de la velocidad
de deformación o la temperatura, por el grado
de adherencia que exista en la interfaz, o ante la
aplicación de cargas repetidas, entre otras.
22
En este sentido resulta de interés valorar
experimentalmente el comportamiento del
compuesto sustrato-overlay. Este trabajo muestra
experiencias realizadas con el fin de desarrollar una
forma de evaluación del efecto de la incorporación
de las fibras en la respuesta mecánica en flexión
de probetas compuestas sustrato-overlay. Se
comparan overlays de hormigón sin fibras con
los realizados con hormigones reforzados con
macrofibras sintéticas y con fibras de acero, todos
ellos aplicados sobre un sustrato de concreto
asfáltico. Asimismo se realizaron ensayos de corte
para evaluar la adherencia entre capas.
Algunos antecedentes sobre el uso de fibras en
overlays
El estudio de la adherencia en la interfaz overlaysustrato ha sido motivo de diversos trabajos
[3-7]. Turatsinze y Tran [3-5] analizaron la
respuesta en flexión de compuestos de HRF
como refuerzo de sustratos de hormigón simple
o sobre una viga de acero hueca que simula un
sustrato de rigidez equivalente. Su investigación
se orienta a la reparación o refuerzo de estructuras
de hormigón armado. Entre sus conclusiones
destacan: a) que el fenómeno de traba mecánica
(interlocking) gobierna la fisuración del overlay
y la propagación de fisuras en la interfaz, b) que
existe un efecto significativo de la contracción por
secado en la aparición de fisuras y en su velocidad
de propagación y que este proceso reduce la
durabilidad de la reparación, c) que el refuerzo con
fibras mejora la durabilidad de overlays delgados
a partir de una reducción de la velocidad de
crecimiento de fisuras y d) que una menor rigidez
y una mayor resistencia del overlay favorece la
adherencia y durabilidad al igual que la resistencia
a tracción entre overlay y sustrato lo que enfatiza
la importancia de una preparación adecuada de
la superficie a tratar. También indican que un
ensayo monotónico en flexión no evidencia todos
los efectos beneficiosos que generan las fibras ya
que, además del control de fisuras de contracción y
retardo del crecimiento de fisuras en la interfaz, las
fibras aún en bajas dosis son capaces de transferir
esfuerzos que limitan el crecimiento de fisuras por
fatiga mejorando la respuesta en comparación con
un refuerzo de hormigón simple.
Por otro lado los resultados de Fabien Perez et al
[6], que estudiaron el efecto de la adherencia entre
material de reparación y sustrato, indican que una
mejora de la rugosidad y adherencia no siempre
asegura una respuesta monolítica y que, si bien
la adherencia es importante, por encima de cierto
grado de rugosidad decrece rápidamente el riesgo
de pérdida de adhesión.
Tayeh et al [7] estudiaron la adherencia de un HRF
de ultra alta performance para uso como reparación
de estructuras de hormigón en ensayos de corte y
tracción directa. Emplearon un hormigón simple
como sustrato que fue sometido a diferentes
preparaciones de la superficie que actúa como
interfaz, previo a la colocación del HRF. Sus
resultados muestran que la preparación de la
superficie del sustrato es altamente recomendable
para obtener una mejor adherencia mecánica del
compuesto.
Ya en el campo de la ingeniería vial una síntesis
de uso de whitetopping fino y ultra fino que
data del 2004 [8] muestra que gran parte de las
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obras realizadas incorporaron fibras en la capa de
reparación; también indica que existe un óptimo
en la relación de costos considerando contenido
de fibras y separación de juntas. A la vez consigna
que las fibras otorgan beneficios reduciendo
la permeabilidad, minimizando el ancho de
fisuras, reduciendo las saltaduras superficiales e
incrementando la resistencia al desgaste. Entre las
fibras más utilizadas aparecen las de polipropileno
fibriladas, poliolefinas monofilamento y, en menor
porcentaje, fibras de acero.
En otro extenso reporte Cervantes y Roesler
[9] indican que el uso de macrofibras sintéticas
aumenta la vida en fatiga a partir de una mayor
capacidad y eficiencia en la transferencia de
cargas en las juntas con respecto a las losas de
hormigón simple. Al mismo tiempo se previenen
los movimientos entre losas adyacentes. En otro
trabajo se muestra que la tecnología de hormigones
autocompactantes con fibras sintéticas también
puede aplicarse al refuerzo mediante capas
ultrafinas [10]. Finalmente Bordelon and Roesler
[11] presentan un método de diseño para overlays
ultrafinos donde se aprecia una significativa
contribución de la incorporación de fibras.
METODO DE EVALUACIÓN
El método estudiado consiste básicamente en
un ensayo de flexión en tres puntos ubicando el
sustrato en la zona comprimida y el overlay en la
parte traccionada. Para localizar la falla se realiza
una entalladura en el overlay y se ubica sobre la
misma un extensómetro tipo clip gage para medir
la apertura de fisura y al mismo tiempo controlar el
ensayo. A la vez se registran las deformaciones en
dirección vertical a la altura de la interfaz sustratooverlay a través de un LVDT, con el fin de observar
el desarrollo de fisuras.
Fabricación de las probetas
Se elaboraron probetas prismáticas compuestas de
400 mm de largo, 100 mm de ancho y 100 mm de
altura. Los prismas constan de dos capas de igual
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espesor, aproximadamente 50 mm, un sustrato de
concreto asfáltico y un overlay de hormigón. Para
fabricarlas se moldearon placas de 300 x 400 x 50
mm de concreto asfáltico en un compactador de
placa según EN 12697-33 [12]. Luego las placas
fueron cortadas en prismas de aproximadamente
100 mm de ancho sobre los que se moldeó el
hormigón. En la Figura 4 se observa un esquema de
este proceso y una fotografía de la viga compuesta.
Figura 4. Proceso de elaboración de las vigas compuestas.
Los prismas compuestos fueron entallados en
la zona correspondiente al overlay de hormigón
con una profundidad de 10 mm, simulando una
situación de carga como la que muestra la Fig. 2.
Los prismas se ensayaron a flexión con carga al
centro ubicando la entalladura en el centro de la
cara traccionada en coincidencia con el punto de
aplicación de la carga. Para el control del ensayo
se empleó un clip gage que registra la apertura
de fisura estableciendo una velocidad inicial de
0,05 mm/min, una vez alcanzados 0,3 mm de
apertura la velocidad se incrementó a 0,2 mm/
min. Simultáneamente se ubicó un LVDT para
medir los movimientos en dirección vertical en la
interfaz sustrato–overlay a un lado del centro de
la probeta y apreciar posibles fallas de adherencia
entre las capas. La Figura 5 muestra el aspecto
de las probetas y su disposición en la máquina de
ensayo.
Finalizados los ensayos de flexión y para evaluar
de algún modo la adherencia en la interfaz overlay
– sustrato, se realizó un ensayo de resistencia al
corte sobre elementos obtenidos a partir de las
23
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vigas compuestas. La Figura 6 muestra algunos
detalles del procedimiento. Los resultados de
ensayo se discriminaron entre probetas internas (II
y III) y externas (I y IV) para contemplar posibles
diferencias de adherencia entre la zona cercana a la
fisura donde debería empezar el desprendimiento,
y la zona más alejada.
24
Figura 5. Ensayo de flexión sobre prismas compuestos
sustrato-overlay.
Figura 6. Ensayos de corte sobre la interfaz sustrato-overlay
A la misma edad a la cual se ensayaron las probetas
compuestas overlay-sustrato se realizaron ensayos
complementarios para caracterizar tanto el overlay
como el sustrato.
Sobre cada uno de los hormigones empleados
como overlay se evaluó la resistencia a
compresión y el módulo de elasticidad mediante
los ensayos habituales utilizando en este caso
cilindros de 100x200 mm. Además se evaluó la
respuesta a flexión sobre cada overlay siguiendo
los lineamientos generales de la norma EN14651
para hormigones con fibras [13] empleando vigas
pequeñas, de similar tamaño al de los prismas
compuestos: 105 mm de altura, 75 mm de ancho y
430 mm de largo. De este modo se podrá comparar
la respuesta de los prismas compuestos con la de
prismas de HRF ensayados bajo una configuración
de carga similar. A los prismas de hormigón se
les realizó una entalladura de 18 mm en la cara
traccionada y fueron ensayados con carga central
y 350 mm de luz entre apoyos. Como resultados
se calcularon [14] los parámetros de resistencia y
capacidad residual que indica la norma: la tensión
de primera fisura (fL), la tensión de rotura para la
carga máxima (fmax) y las resistencias residuales
(fR1, fR2, fR3, fR4 correspondientes a aperturas
de fisura de 0,5, 1,5, 2,5 y 3,5 mm respectivamente
en el ensayo EN14651).
Para caracterizar el sustrato de concreto asfáltico
se hicieron ensayos tradicionales aplicados en
ingeniería vial: módulo dinámico, estabilidad
Marshall y resistencia a tracción indirecta.
Pero además, y considerando que el sustrato
asfáltico trabajaría en compresión al flexionar
la probeta compuesta y que se necesitaría este
dato para modelar la respuesta del compuesto,
se implementaron ensayos de compresión con
medidas de la deformación axial sobre los laterales
de las muestras a una velocidad similar a la que
estaría sometido el sustrato de la viga compuesta
en el ensayo de flexión. En base a las medidas de
deformación se calculó un “módulo de elasticidad
estático” siguiendo un criterio semejante al
utilizado en hormigón pero sin realizar ciclos
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de carga. La Figura 7 muestra detalles de dichos
ensayos y una curva típica obtenida en compresión
estática.
Algunas pruebas preliminares
Para ajustar aspectos de la metodología de ensayo
como las velocidades de carga e instrumentación
del ensayo, en una etapa previa se realizaron
probetas compuestas aplicando diferentes tipos de
overlay tanto sobre sustratos de hormigón simple
como de concreto asfáltico. Por ejemplo la Figura
8 izquierda compara la respuesta de un overlay
con 40 kg/m3 de fibras de acero tipo hooked
end con la de una probeta compuesta de iguales
dimensiones que utiliza hormigón simple como
25
Figura 7. Ensayo de compresión sobre el sustrato de concreto asfáltico.
Figura 8. Experiencias preliminares Izquierda: Respuesta en flexión de probetas compuestas sobre un sustrato de hormigón
simple reforzadas con un overlay de hormigón simple y con el mismo overlay reforzado con 40 kg/m3 de fibras de acero
tipo hooked end. Derecha: Curvas carga – COD de overlay con 3,5 kg/m3 de macrofibras sintéticas aplicados
sobre distintos sustratos
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overlay. En otro ajuste se comparó la respuesta de
un overlay con 3,5 kg/m3 de macrofibras sintéticas
(HRFS) aplicado sobre un sustrato de hormigón
simple adherido, sobre el mismo sustrato pero
eliminando la adherencia mediante un film
plástico y sobre un concreto asfáltico (CA). En la
Figura 8 derecha se aprecia el efecto de la falta
de adherencia. También se verifica como era de
esperar una menor capacidad de carga en la probeta
compuesta con sustrato de CA, de menor rigidez,
pero es interesante notar que a diferencia de los
sustratos de hormigón donde, como es habitual en
HRFS, la carga disminuye a lo largo del postpico
hasta estabilizarse en un valor relativamente
constante, en el caso del CA a medida que crecen
las deformaciones comienza a crecer la capacidad
residual.
sustrato overlay se identifican respectivamente
como B, FS y FA.
Como sustrato se empleó un Concreto Asfáltico en
Caliente (CAC), tamaño máximo de agregado de 19
mm, elaborado con un asfalto convencional CA-30
(penetración de 47 dmm, punto de ablandamiento
de 54,8 ºC y una viscosidad cinemática a 60 ºC de
3350 dPa.s), dos agregados gruesos (6-20 mm y
6-12 mm), arena de trituración y cal. El diseño de
esta mezcla se hizo a partir del método Marshall,
resultando un porcentaje óptimo de asfalto de 5 %,
una densidad de 2,389 g/cm3 y un porcentaje de
vacíos de 4,1 %.
La Tabla 1 muestra las proporciones de las mezclas.
Caracterización de los overlays y el sustrato
EXPERIENCIAS
Para caracterizar los hormigones utilizados como
overlays se realizaron ensayos de compresión y
flexión.
Materiales y mezclas
26
Se prepararon vigas compuestas empleando tres
overlays caracterizados por una respuesta postpico
marcadamente diferente, todos ellos a partir del
mismo hormigón de base: el hormigón simple
(HB), un HRF incorporando 3kg/m3 de macrofibras
sintéticas (HRFS) de 60 mm de largo y 0,62 mm
de diámetro y un HRF con 40 kg/m3 de fibras de
acero tipo hooked end (HRFA) de 35 mm de largo
y 0,55 mm de diámetro. Las vigas compuestas
La resistencia a compresión del hormigón de
base sin fibras (HB) resultó igual a 37,3 MPa y el
módulo de elasticidad igual a 27,2 GPa. En el caso
de los HRF los valores fueron, como es lógico,
similares alcanzado una resistencia a compresión
y módulo de elasticidad de 33,0 MPa y 26,4 GPa y
de 38,0 MPa y 26,1 GPa para el HRFS y el HRFA
respectivamente.
Tabla 1. Materiales utilizados.
Overlay de hormigón
Materiales
Agua
Cemento
Filler
Ag. Fino
Ag. Grueso (6-12 mm)
Superfluidificante
Fibras de acero
Fibras sintéticas
HB
(kg/m3)
-
HRFS
(kg/m3)
157
259
175
735
865
2,5
3
HRFA
(kg/m3)
40
-
Sustrato de concreto asfáltico
Materiales
(%)
Asfalto
5,0
Ag. Grueso (6-20 mm)
23,7
Ag. Grueso (6-12 mm)
28,5
Ag. Fino (0-6 mm)
40,9
Cal
1,9
-
-
-
-
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En cuanto a la capacidad residual, la Figura 9
presenta curvas típicas obtenidas en ensayos de
flexión realizados sobre los hormigones usados
como overlays. En la Tabla 2 se resumen los
resultados obtenidos como promedio de tres
vigas de cada hormigón. La tensión de primera
fisura fL como era de esperar fue similar en los
tres casos ya que depende de la resistencia del
hormigón de base. En los valores de la tensión
máxima y de las resistencias residuales se observa
el diferente comportamiento de los HRF, una
respuesta con endurecimiento en el caso de las
fibras de acero mientras que en el hormigón con
macrofibras sintéticas luego de la primera fisura la
capacidad de carga disminuyó en forma continua
hasta una tensión residual del orden del 30% de la
carga de fisuración. Como es lógico el hormigón
simple presentó una capacidad de carga residual
despreciable
overlay de hormigón simple es cualitativamente
similar a la de una viga del mismo hormigón (ver
HB, Figura 9). En cambio en el caso de la viga
FS con el overlay de HRFS es interesante observar
que, luego de la fisuración de la matriz, las
tensiones residuales aumentan progresivamente
hasta casi un 70 % de la tensión de primera fisura
Sobre el concreto asfáltico utilizado como
sustrato se obtuvieron los siguientes resultados:
módulo dinámico a 20ºC Ed=7.453 MPa,
estabilidad Marshall E=15,3 kN y resistencia a
tracción indirecta RTI=1.448 kPa. En los ensayos
realizados para estimar la respuesta en compresión
se obtuvieron como resultados una resistencia del
orden de 2,3 MPa y un “módulo de elasticidad
estático” de 1,5 GPa.
Figura 9. Curvas típicas obtenidas a partir de ensayos de
flexión realizados sobre los hormigones usados
como overlays.
27
Análisis de los resultados
La Figura 10 compara curvas típicas cargaCMOD (apertura de fisura) correspondientes a
las vigas compuestas sustrato-overlay. Se aprecia
con claridad la contribución de las fibras; el
comportamiento de la viga compuesta B que tiene
Figura 10. Curvas Carga-CMOD.
Tabla 2. Caracterización en flexión de los hormigones aplicados como overlays.
Viga
HB
HRFS
HRFA
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fL
(MPa)
4,7
4,8
5,0
fM
(MPa)
4,7
4,8
5,6
fR1
(MPa)
0,7
1,6
4,0
fR2
(MPa)
0,1
1,5
4,8
fR3
(MPa)
0
1,6
5,1
fR4
(MPa)
0
1,7
5,1
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28
en lugar de permanecer la capacidad residual
relativamente constante como ocurre en el
propio HRFS (Figura 9). Esto que ya había sido
observado en las experiencias previas difiere de lo
que ocurre al aplicar un overlay con macrofibras
sintéticas sobre un sustrato de hormigón donde no
existe incremento de la capacidad de carga durante
el postpico (Figura 8 derecha). Estas mejoras
progresivas en la capacidad de carga residual de las
vigas compuestas puede deberse a un cambio en
la dirección de propagación de la fisura que no se
interna fácilmente en el sustrato y a la rigidización
del concreto asfáltico debido al aumento de las
cargas para mantener la velocidad de apertura de
fisura. El comportamiento de la viga FA con un
overlay reforzado con fibras de acero fue también
similar al del respectivo hormigón (HRFA,
Figura 9); sin embargo la respuesta residual
observada fue comparativamente superior a la
que se encontró en estudios previos con overlays
reforzados con el mismo tipo y contenido de fibras
aplicados sobre sustratos de hormigón (Figura 8
izquierda). De esta observación, es posible inferir
que la capacidad residual del HRF se incrementará
al reforzar sustratos más deformables (tal el caso
del CA) con respecto a sustratos de hormigón y
cuando la adherencia demore la propagación de la
fisura a lo largo de la interfaz.
La Figura 11 representa la variación de la
deformación vertical que registra el LVDT en la
zona de interfaz con respecto al crecimiento de la
apertura de fisura (CMOD). Es posible observar
Figura 11. Curvas LVDT-CMOD.
que el LVDT se comprime rápidamente hasta
alcanzar la carga pico, luego cuando se produce
una apertura de fisura (giro) importante en el
overlay comienza a descomprimirse en función
de la carga aplicada, pero sin llegar a estar
traccionado. Con el overlay de hormigón sin fibras
(B) cuando la carga empieza a caer la deformación
del LVDT varía poco hasta llegar a una carga
inferior a los 500 N (coincidente con CMOD
igual a 500 micrones) y luego se descomprime
rápidamente. En el caso de la viga compuesta FS,
que posee como overlay HRFS, cuando se alcanza
la menor carga postpico (correspondiente a un
CMOD mayor a 600 micrones) el LDVT empieza
a descomprimirse. En las probetas FA el LVDT
recién comienza a descomprimirse a partir de una
apertura de fisura mucho mayor, aproximadamente
de 2500 micrones.
Si bien el comportamiento descripto no parece
deberse a una pérdida de adherencia entre el
sustrato y el overlay, en algunos casos se observó
el inicio de fisuras en la interfaz sustrato-overlay
(Figura 12).
Para comparar los resultados obtenidos en los
ensayos de flexión sobre las vigas compuestas
sustrato-overlay en la Tabla 3 se indican las
capacidades residuales como valores relativos a la
carga de primera fisura (primer pico, P1ª fisura).
A la vez y para asimilarlos al criterio utilizado
Figura 12. Detalle de una probeta luego de ser ensayada.
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para caracterizar al HRF (ver Tabla 2), se toman
como puntos característicos los correspondientes
a la carga máxima (Pmáx), y a las rotaciones (giros)
utilizados para definir las tensiones residuales, que
se corresponderían, en una viga ensayada según
norma EN 14651, con aperturas de fisura iguales
a 0,5, 1,5, 2,5 y 3,5 mm (P0,5, P1,5, P2,5 y P3,5). Se
aprecia que comparadas con las vigas de hormigón
de cada overlay de referencia, la capacidad residual
crece en las vigas compuestas en especial cuando
el overlay se realizó con macrofibras sintéticas,
donde la misma casi se duplica.
Con el objetivo de evaluar el nivel de adherencia en
la interfaz sustrato-overlay se realizaron ensayos
de resistencia al corte de elementos obtenidos
de las vigas compuestas luego del ensayo de
flexión. En la Tabla 4 se resumen los resultados
de los ensayos de adherencia para las dos zonas
planteadas (externa e interna). En el caso de los
overlays realizados con HRF la resistencia al corte
fue ligeramente menor en la zona interior, con
el hormigón simple el resultado fue el opuesto.
Sin embargo, la dispersión propia del ensayo no
permite concluir que la diferencia sea significativa.
Como hecho particular en las fotos de la Figura 13
se puede apreciar que en los overlays de HRF parte
del sustrato quedó adherido al overlay, no así en el
caso del overlay de hormigón simple. Es posible
que las fibras al restringir las deformaciones,
eviten el desprendimiento del HRF del sustrato
asfáltico.
Tabla 4. Resultados de los ensayos de corte.
Zona
B
FS
FA
τprom (MPa)
Externa
Interna
0,86
0,92
0,72
0,67
0,98
0,94
Figura 13. Fotos de probetas luego del ensayo de corte.
CONCLUSIONES Y PERSPECTIVAS
FUTURAS
En ensayos de flexión se comparó la respuesta
mecánica de probetas compuestas por un sustrato
de concreto asfáltico y un overlay de hormigón.
El método empleado aplica cargas en tres puntos;
el overlay se ubica en la zona traccionada y lleva
una entalladura en el centro sobre la que se fija un
Tabla 3. Comparación entre la capacidad residual observada en los ensayos de flexión sobre vigas compuestas sustratooverlay y vigas de hormigón. Valores de carga relativos a la carga de primera fisura.
B
FS
FA
HB
HRFS
HRFA
Revista N°3 - 2013
P1ª fisura
Pmáx
P0,5
P1,5
P2,5
Vigas compuestas overlay-sustrato de concreto asfáltico
1
1
0,20
0,08
0,05
1
1
0,38
0,50
0,59
1
1,44
0,89
1,24
1,41
Vigas de hormigón simple y reforzado con fibras
1
1
0,15
0,02
0,00
1
1
0,33
0,31
0,33
1
1,12
0,80
0,96
1,02
P3,5
0,05
0,67
1,43
0,00
0,35
1,02
29
F. Morea, M.C. Torrijos, G. Giaccio, R. Zerbino
extensómetro tipo clip gage para la medición de la
apertura de fisura y el control del ensayo. Una vez
finalizado, el ensayo de flexión se complementa
con ensayos de corte que se realizan sobre bloques
aserrados en dirección transversal, con el fin
de valorar la adherencia de la interfaz sustratooverlay.
30
La metodología adoptada permitió comparar y
diferenciar con claridad la respuesta de overlays
de hormigón simple y overlays reforzados con
fibras de acero y con macrofibras sintéticas. Entre
las observaciones de mayor interés surge que
en el caso de las vigas compuestas con overlay
reforzado con macrofibras sintéticas, a diferencia
de lo que ocurre en vigas de hormigón, el postpico
muestra un aumento progresivo y muy importante
de la capacidad de carga residual, que llega a
alcanzar casi un 70% de la tensión de primera
fisura. El comportamiento de las vigas compuestas
con overlay reforzado con fibras de acero fue
cualitativamente similar al de las respectivas
vigas de hormigón reforzado con fibras de acero,
pero también se observó mayor crecimiento de la
capacidad residual verificando un decrecimiento
en la carga residual para aperturas de fisura
mayores a 2,5 mm.
Los ensayos de corte no evidenciaron diferencias
significativas de adherencia entre los compuestos
estudiados, sin embargo se apreció que, a
diferencia del hormigón simple, en el caso de los
overlays con fibras parte de la matriz del sustrato
quedó adherida en el overlay.
Además de apreciar el efecto del uso de diferentes
tipos y contenidos de fibras, el método permitiría
comparar compuestos con diferentes grados
de adherencia en la interfaz sustrato–overlay,
como los provocados por distintas rugosidades
(escarificado) o por efecto de la falta de limpieza
del sustrato (una situación frecuente en obra). A la
vez la configuración de ensayo adoptada parece
apropiada para evaluar el efecto de la velocidad
de deformación, la aplicación de ciclos de carga
o cargas repetidas de diferente frecuencia (fatiga),
así como, variando el acondicionamiento previo
de las probetas podría evaluarse la respuesta del
compuesto dentro de un rango considerable de
temperaturas.
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