Efecto del número de ganchos finales de las fibras de acero en el rendimiento del hormigón reforzado con fibras de acero

Resumen

El efecto del número de ganchos finales de fibra de acero en el rendimiento del hormigón reforzado con fibra de acero (SFRC) y su mecanismo se estudiaron mediante la prueba de extracción de alambre simple, la prueba de resistencia a la compresión y la prueba de rendimiento de flexión-tracción de viga entallada. Los resultados muestran que a medida que aumenta el número de ganchos en los extremos de la fibra de acero, también aumenta la resistencia de la unión final entre la fibra de acero y la matriz de hormigón. El número de ganchos finales tiene poco efecto en el rendimiento de compresión de SFRC, aunque las fibras de acero con un solo gancho final pueden mejorar ligeramente la resistencia a la compresión. Con más ganchos finales, la rama descendente de la curva de flexión-tracción del SFRC se vuelve menos pronunciada, la curva se vuelve más completa y las muestras pueden soportar mayores tensiones de flexión-tracción. A medida que las grietas continúan propagándose, las fibras de acero con dos o tres ganchos en los extremos permiten que las muestras de SFRC mantengan una resistencia a la flexotracción residual relativamente alta, incluso después de que se produzcan fracturas y grandes deformaciones.El hormigón reforzado con fibras de acero (SFRC) se utiliza ampliamente para mejorar la resistencia a las grietas y la durabilidad. Según Instituto Americano del Hormigón (ACI), Las fibras de acero mejoran significativamente la resistencia a la tracción del hormigón.

Introducción

El hormigón convencional tiene una resistencia a la tracción muy baja y poca tenacidad. Como resultado, pueden aparecer grietas fácilmente durante la fase plástica, el proceso de endurecimiento y la fase de secado. Incluso bajo cargas de flexión relativamente pequeñas, las estructuras de hormigón son propensas a agrietarse durante el servicio, y estas grietas pueden propagarse rápidamente, provocando un fallo frágil repentino, hormigón reforzado con fibra de acero (HRFA) ha sido ampliamente adoptado. Al añadir fibras de acero para el refuerzo del hormigón, La resistencia a la tracción, la resistencia a las fisuras y la durabilidad general del hormigón pueden mejorarse considerablemente. Debido a su excelente rendimiento, el SFRC se utiliza ahora comúnmente en aplicaciones de ingeniería que requieren una alta resistencia a las grietas y fiabilidad estructural.

Tipos de fibras de acero

Según la forma, fibras de acero utilizados en el hormigón pueden clasificarse en:

• Fibras de acero rectas
• Fibras de acero de extremo enganchado
• Fibras onduladas
• Fibras dentadas
• Fibras fresadas o irregulares

Entre ellas, fibra de acero con extremo en forma de gancho se considera uno de los tipos más eficaces para el refuerzo del hormigón.

Por qué funciona mejor la fibra de acero de extremo enganchado

Las primeras aplicaciones utilizaban principalmente fibras de acero rectas. Sin embargo, los resultados prácticos mostraron que su capacidad para mejorar la resistencia a las grietas y la fuerza era limitada.

En comparación con las fibras rectas, fibras de acero con extremo en forma de gancho proporcionar:

• Anclaje más fuerte con la matriz de hormigón
• Mayor fuerza de adherencia
• Mejor capacidad de transferencia de tensiones
• Mayor resistencia a la tracción

Al optimizar la geometría de los extremos en forma de gancho, se puede mejorar significativamente el rendimiento de la unión entre las fibras de acero y el hormigón, lo que permite que el material resista mejor la propagación de grietas.

Factores que afectan a la fuerza de adherencia

Las investigaciones demuestran que el rendimiento de unión de las fibras de acero enganchadas está estrechamente relacionado con varios parámetros estructurales, entre ellos:

• Diámetro de la fibra
• Ángulo del gancho
• Resistencia a la tracción del material

Estos factores influyen en el comportamiento de extracción y el modo de fallo de las fibras de acero en el hormigón.

Para comprender mejor el mecanismo de anclaje, modelos como el modelo de polea equivalente se han propuesto. En este modelo:

• La sección curvada del gancho proporciona fricción rotacional
• La parte recta proporciona fricción por deslizamiento

Esto ayuda a predecir cómo resisten las fibras la tracción bajo carga.

Vacío en la investigación: Número de anzuelos

Aunque muchos estudios se centran en la forma y el tamaño de las fibras, el efecto del número de ganchos sobre el rendimiento no se ha explorado a fondo. En realidad, el número de ganchos puede influir significativamente:

• Capacidad de anclaje
• Fuerza de adherencia
• Resistencia a las grietas
• Comportamiento de extracción

Objetivo del estudio

Para investigarlo, se utilizaron fibras de acero de longitud y diámetro idénticos pero con diferente número de ganchos (1 gancho, 2 ganchos y 3 ganchosEste estudio se centra en:

• El efecto del número de ganchos en resistencia y tenacidad del hormigón reforzado con fibras de acero (HRFA)
• Comportamiento de extracción de fibras de acero en forma de gancho
• El mecanismo subyacente del anclaje de las fibras

Las conclusiones ofrecen orientaciones prácticas para el diseño y la aplicación de Fibra de acero de extremo enganchado en hormigón reforzado con fibra de acero (SFRC).

Programa experimental

Materiales

El hormigón utilizado en este estudio se preparó con cemento Portland ordinario (Grado 42,5), que cumplía los requisitos estándar.

Fibras de acero de extremo enganchado se utilizaron como refuerzo, con:

• Longitud: 60 mm
• Diámetro: 0,9 mm
• Números de gancho: 1 gancho, 2 ganchos y 3 ganchos

Árido fino: arena de río natural (módulo de finura 2,7)
Agregado grueso: piedra triturada (5-16 mm)
Reductor de agua: superplastificante de policarboxilato (reducción ≥25%).
Agua: agua del grifo estándar para la mezcla de hormigón

Diseño de la mezcla

Dos grados de resistencia de hormigón reforzado con fibra de acero (HRFA) se prepararon:

• C30
• C50

Dosificación de fibra de acero:
👉 40 kg/m³ (ampliamente utilizado en ingeniería práctica)

Métodos de ensayo

Resistencia lexural y resistencia residual

El comportamiento a la flexión es uno de los indicadores más importantes para evaluar fibra de acero para el hormigón reforzado con fibra de acero (HRFA), especialmente su resistencia al agrietamiento y su tenacidad.

$f_L = \frac{3F_L L}{2BH_{sp}^2}$fL=2BHsp23FLL

$f_{CMOD} = \frac{3F_{CMOD} L}{2BH_{sp}^2}$fCMOD=2BHsp23FCMODL

Dónde:

• $f_L$fL: resistencia última a la flexión
• $f_{CMOD}$fCMOD: resistencia residual a la flexión
• $F_L$FL: carga máxima
• $F_{CMOD}$FCMOD: carga en la apertura de la grieta
• $L$L: longitud del vano
• $B$B: anchura de la muestra
• $H_{sp}$Hsp: altura efectiva

👉 Estos indicadores reflejan la capacidad de carga después de la fisura, que es fundamental para el rendimiento de los SFRC.

Resultados y debate

Efecto del número de ganchos en la fuerza de adherencia

• Aumentar el número de ganchos mejora significativamente fuerza de adherencia
• Clasificación de la resistencia a la extracción:

3 ganchos > 2 ganchos > 1 gancho

• El anclaje máximo se alcanza con un desplazamiento similar (2-3 mm), pero:
  • Mayor número de ganchos = mayor capacidad de carga

Información clave:
Más ganchos crean un anclaje mecánico más fuerte, no sólo fricción.

Efecto sobre la resistencia a la compresión

• Para Hormigón C30:
  • Impacto mínimo de las fibras de acero
• Para Hormigón C50:
  • Aumenta la resistencia a la compresión:
    • 1 gancho: +13.4%
    • 2 ganchos: +10.8%
    • 3 ganchos: +9.7%

Importante:

• Más ganchos ≠ siempre mejor
• Demasiados ganchos pueden reducir la dispersión de la fibra

Efecto sobre el comportamiento a la flexión (más importante)

• Después de agrietarse:
  • El hormigón deja de soportar carga
  • Las fibras de acero toman el relevo
• Con más ganchos:
  • Mayor esfuerzo de flexión
  • Mejor puenteo de grietas
  • Reducción más lenta de la resistencia

Clasificación del rendimiento de nuevo:

3 ganchos > 2 ganchos > 1 gancho

Mecanismo de comportamiento de las grietas

• En carga temprana:
  • El hormigón soporta la carga
• Después de agrietarse:
  • Transferencias de carga a las fibras de acero
  • Los ganchos anclan las fibras a través de las grietas
• Diferencia clave:
  • 1 gancho fibra → fácil de arrancar o enderezar
  • 2-3 fibras de gancho → permanecer anclado más tiempo

👉 Resultado:
Mayor durabilidad y seguridad estructural

Conclusión práctica

• Más ganchos mejoran:
  • Fuerza de adherencia
  • Resistencia a las grietas
  • Comportamiento a la flexión
• Sin embargo:
  • Demasiados ganchos pueden reducir la trabajabilidad y aumentar el coste

👉 La mejor opción en la mayoría de los proyectos: fibra de acero de 2 ganchos
👉 Proyectos de alto rendimiento: Fibra de acero de 3 ganchos

Extremo con gancho de fibra de acero se utiliza ampliamente en el refuerzo del hormigón. Más información sobre nuestros productos de fibra de acero enganchada.