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MANUAL DE MACROFIBRA DE POLIPROPILENO SS 13 MM
AL SUSTITUIR FIBRA DE VIDRIO COMO REFUERZO DE
CONCRETO
Introducción
El uso de fibras en los materiales de construcción es tan antiguo como la
civilización humana. Desde hace cientos, o incluso, miles de años, culturas como los
Egipcios, en el Viejo Continente, o como los pobladores Mesoamericanos, mezclaron
ramas o paja con el barro haciendo
bloques, que dejaban secar al sol o
sometían al fuego para darles mayor
resistencia, creando mejores viviendas,
tan duraderas que algunas se
encuentran aún en nuestros días. Como
lo demuestra la siguiente imagen de la
casa más antigua de E.E.U.U. en Taos
Pueblo, Nuevo México, que data de
1540 d.C.
Durante muchos años se mezclaron materiales creándose así tipos de concretos.
A partir de la creación del Cemento Portland en Inglaterra en el siglo XIX, con la
combinación de diferentes materiales, que ahora conocemos como Agregados, se ha
buscado mejorar las características del concreto, tanto en resistencia como en
durabilidad.
A principios del siglo XX ya se utilizaban fibras de asbesto. Para la década de los
años 50’s ya se comenzaba la usar la fibra de vidrio y en los años 60’s y 70’s otros
tipos de fibras de acero y sintéticas se introdujeron a concretos modernos para
mejorar sus propiedades. Al concreto adicionado con fibra de vidrio se le conoce
actualmente como Concreto Reforzado con Fibra de Vidrio, Glass Fiber Reinforced
Concrete: GFRC o GRC (por su nombre y siglas en Inglés).
Al adicionársele fibras de polipropileno, la mezcla se designa como Concreto Reforzado con Fibras de Polipropileno, Polypropylene Fiber Reinforced Concrete: PPFRC. El presente documento explica el uso de la MacroFibra SS 13 MM y sus ventajas al aplicarse como sustituto de la fibra de vidrio.
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Fibra de Vidrio
Después de la incursión de la fibra de vidrio como refuerzo del concreto se
encontró que los compuestos tendían a perder resistencia con el tiempo debido a la
alta alcalinidad de la mezcla o “matriz” del compuesto con un pH > 12.5 .
La matriz cementosa o mezcla, al momento de hidratarse (adición de agua) genera
Hidróxido de Calcio (Ca(OH)2), lo que la hace alcalina.
La fibra de vidrio, al tener afinidad con este compuesto afecta su desempeño
mecánico (incluso llegando a destruir la fibra), endureciendo por tanto la mezcla y
volviéndose más frágil.
Fue hasta el desarrollo de una Fibra de Vidrio de Resistencia Alcalina, Glass
Fiber Alkaline Resistant: GF-AR que se logró conservar las características mecánicas
del concreto en el largo plazo.
Estas mejoras a las fibras de vidrio se alcanzaron mediante modificaciones en
su composición química, al añadirle una alta cantidad, 16%-20% de Óxido de Zirconio
(ZrO2), incrementando de ese modo su resistencia a la alta alcalinidad de la matriz o
mezcla.
Otro de los intentos para mejorar la durabilidad y evitar la pérdida de resistencia
en el largo plazo ha sido la incorporación de un 10% en volumen de polímeros a la
matriz cementosa, mismos que también ayudan a disminuir la pérdida de ductilidad.
Entre los agregados a la matriz cementosa o mezcla se encuentran las arenas,
los tipos de arenas que se han utilizado más comúnmente son la arena andesita
(volcánica), la arena caliza y el mármol (carbonato de calcio en ambas).
Al buscar una disminución del ataque del Ca(OH)2 a la fibra de vidrio, se
incursionó sustituyendo las arenas comunes por arena sílica, constituida
íntegramente el bióxido de silicio (SiO2), con la ventaja de tener un nivel de acidez-
alcalinidad neutro pH = 7 ó 7.5
.
Este tipo de matriz cementosa o mezcla con fibra de vidrio se le conoce como
Concreto Reforzado con Fibra de Vidrio de Resistencia Alcalina, Alkali Resistant -
Glass Fiber Reinforced Concrete: AR-GFRC.
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La fibra de vidrio GF-AR, tiene una densidad de 2.74 g/cm3 y muestra una
resistencia a la Tensión: 2,448 MPa. Es un producto que puede dividirse en cientos
fibras de unas cuantas micras de grosor, con una textura lisa o sin rugosidad.
Los concretos que no contienen agregado grueso (grava) también se les
conoce como Morteros. La razón para que en un concreto con fibra de vidrio -GFRC-
se utilice únicamente arena, se debe principalmente a que muchos de los elementos
o precolados son delgados y se adecúan a una necesidad de diseño, buscando su
ligereza, condición indispensable para las aplicaciones en fachadas que se fabrican
en planta y luego enviadas para ser colocadas en edificios.
Macrofibra de Polipropileno
Los primeros ensayos en concreto con fibras sintéticas alrededor de 1965, se
hicieron mediante la utilización de fibras de entre 13 a 25 mm de longitud, con
espesores de un poco más de cuarto de milímetro. Al aplicar este tipo de fibras, en
dosificaciones de 0.5% en volumen, se encontró que a la matriz o mezcla de concreto,
se le incrementaba tanto su ductilidad como su resistencia al impacto.
Posteriormente para los años 70´s y 80´s, se hicieron pruebas, con fibras muy
finas, cercanas a un Denier1, o incluso con diámetros menores, las cuales se conocen
como microfibras, en dosificaciones de 0.1% a 0.3% en volumen, notándose que el
conteo de fibras por unidad de volumen era similar a conteos para fibras de mayor
grosor, mostrando incluso mejoras en distribución de agrietamientos y reducción del
tamaño de las grietas.
Como resultado de investigaciones, se ha
incrementado el volumen de dosificación de las macrofibras
sintéticas, fibras categorizadas como macro por tener un
diámetro equivalente mayor o igual a 0.30 mm, por la
necesidad de mejorar el índice de la tenacidad en el
concreto. Este índice de tenacidad es una medida de la
capacidad de carga de las macrofibras dentro de la matriz
de concreto después de la aparición del primer
agrietamiento.
1 Un Denier es la medida en que 9,000 metros de hilo pesan 1.0 gramo.
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Esta capacidad de otorgarle tenacidad a concreto una vez que ya falló es
despreciable con el uso de microfibras (fibras muy finas).
Para producir las macrofibras SS 13MM, los monofilamentos de polipropileno
se fabrican mediante el proceso de extrusión en caliente a través de un dado que les
da forma, para después someterlos a otros procesos que mejoran sus cualidades
físicas y a un esfuerzo mecánico que les da su rayado característico.
El polipropileno tiene la ventaja de ser hidrofóbico, es decir, no absorbe agua. Las
fibras de polipropileno no presentan ningún tipo de agente químicamente adhesivo, la
adherencia ocurre mecánicamente.
El polipropileno se produce a partir de la polimerización del propileno,
presentando un punto de fusión bajo (176°C) en comparación con otros tipos de
fibras, teniendo así limitación en aplicaciones de mayor temperatura, por ejemplo, de
tipo refractario, aunque esa misma limitación es revertida debido a que algunos
fabricantes aprovechan la fusión o derretimiento porque al fundirse y desaparecer se
crean canales que ayudan a la ventilación y con ello control de temperatura.
Las mejoras en resultados de pruebas de resistencia a la compresión,
resistencia a la tensión y en esfuerzo a la flexión para el concreto, no se verán
incrementadas de manera significativa cuando las macrofibras se aplican en
concentraciones reducidas (0.1% a 0.2%) en volumen; sin embargo, las macrofibras
sintéticas han mostrado ser efectivas en la vida joven del elemento cuando está débil,
quebradizo y con un módulo bajo. Para concretos maduros, el incremento en
tenacidad depende en gran medida del contenido de la macrofibra y de su durabilidad
dentro del concreto; geometría misma de la macrofibra, así como el método de
producción y composición de la matriz cementosa.
Las propiedades de maleabilidad y trabajo en estado fresco están definidas
mediante métodos de ensayo como Revenimiento, Revenimiento invertido o
Extensibilidad. Una maleabilidad satisfactoria debe mantenerse incluso con un
porcentaje alto de contenido de fibra, digamos un 2% en volumen y con la inclusión
de un aditivo para alta reducción de agua pero que mantenga la misma resistencia y
relación agua-cemento. La mezcla correcta no formará erizos en la macrofibra, ni
apreciarse en la superficie o segregarse, aun en cantidades mayores de macrofibra.
Por otro lado, no hay un consenso generalizado, pero se ha encontrado que la adición de macrofibras de polipropileno no influye en ningún tipo de resultado de resistencia a la compresión.
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Sin embargo, en las pruebas de esfuerzo a la compresión, la falla de los
cilindros de ensayo ocurre de manera dúctil, no se presenta una falla súbita en el
elemento. Un cilindro con macrofibra de polipropileno añadida, continúa soportando
carga y se deforma notablemente sin quebrarse de manera intempestiva.
La tabla 1.0 muestra una composición típica de un GFRC y su comparación con un
concreto con las mismas proporciones pero PPFRC de la tabla 1.1:
TABLA 1.1
Kg Kg/m3
Costo
Unitario USD Costo/m3
Cemento 50 936 $ 0.13 $ 124.18
Arena Sílica 50 936 $ 0.19 $ 173.85
Macrofibra SS 13MM 1 19.0 $ 7.96 $ 151.24
Aditivo 120 ml 2.2 $ 2.97 $ 6.54
Agua (litros) 17.75 332 $ 0.05 $ 17.63
2225 $ 473.44
Relación Arena/Cemento 1.00
Relación Agua/Cemento 0.36 Relación FPP/Cemento 2.0%
f´c aproximada: 400 Kg/cm2
TABLA 1.0
Kg Kg/m3
Costo
Unitario USD Costo/m3
Cemento 50 936 $ 0.13 $ 124.18
Arena Sílica 50 936 $ 0.19 $ 173.85
Fibra de Vidrio GF 2.5 47 $ 4.83 $ 226.00
Aditivo 120 ml 2.2 $ 2.97 $ 6.54
Agua (litros) 17.75 332 $ 0.05 $ 17.63
2253 $ 548.20
Relación Arena/Cemento 1.00
Relación Agua/Cemento 0.36
Relación GF/Cemento 5.0%
f´c aproximada: 400 Kg/cm2
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En la tabla 1.1 (PPFRC) puede apreciarse la misma composición que en la tabla 1.0
(GFRC) pero utilizando macrofibra de polipropileno, en una cantidad en peso al 40%
de la utilizada en la mezcla anterior con GF-AR.
La sustitución de la fibra de vidrio (Tabla 1.0) con la Macrofibra de Polipropileno SS
13 MM (Tabla 1.1) representa un ahorro de un 19.1%
$548 USD m3
$473 USD m3
CEMENTO
ARENA
FIBRA
ADITIVO y AGUA
GFRC PP-FRC
VIDRIO MACROFIBRA
Comparación gráfica de las tablas: Tabla 1.0 vs Tabla 1.1
AGREGADOS
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Ventajas de la Macrofibra de Polipropileno SS 13 MM
Como se comentó antes, durante el proceso de hidratación de la matriz
cementosa o mezcla, debido al agua que se agrega, se genera una alta alcalinidad
por la producción de Ca(OH)2, a diferencia de la fibra de vidrio, la macrofibra de
polipropileno tiene la característica de ser inerte a tal nivel de alcalinidad o incluso de
su contraparte, la acidez. Adicionalmente, en contraposición con alguna otra fibra de
vidrio con polímeros añadidos -ya mencionados, el polipropileno es un polímero al
100%. Por lo anterior, la arena sílica utilizada para contrarrestar los efectos de la
alcalinidad en la mezcla pierde relevancia y es viable sustituirla con una arena más
económica.
La tabla 1.2 muestra las mismas proporciones, motivo de nuestra comparación, pero
con la sustitución de la arena sílica por una arena tipo caliza.
TABLA 1.2
Kg Kg/m3
Costo Unitario
USD Costo/m3
Cemento 50 915 $ 0.13 $ 121.42
Arena Caliza 50 915 $ 0.02 $ 21.05
Macrofibra SS 13MM 1 19.0 $ 7.96 $ 151.24
Aditivo 120 ml 2.2 $ 2.97 $ 6.54
Agua (litros) 18.00 329 $ 0.05 $ 17.46
2180 $ 317.70
Relación Arena/Cemento 1.00
Relación Agua/Cemento 0.36
Relación FPP/Cemento 2.1%
f´c aproximada: 400 Kg/cm2
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La sustitución adicional de Arena Sílica (Tabla 1.0) con Arena Caliza (Tabla
1.2) representa un ahorro total de 42%
La matriz cementosa o mezcla de concreto que entre sus agregados contiene
macrofibra de polipropileno, mejora el comportamiento de resistencia en el largo
plazo, incrementa su ductilidad y también su resistencia al impacto.
En las imágenes siguientes se muestra un elemento de prueba delgado, de 20
mm de espesor, de un PPFRC con una proporción de arena/cemento para un
concreto con f´c aproximado de 250 Kg/cm2, a un día de su fraguado y con 19 Kg de
macrofibra de polipropileno por m3, es decir a una proporción de 2.5%/cemento.
A dicha muestra se golpeó una esquina para ver su resistencia empírica al impacto con resultados satisfactorios.
$548 USD m3
$317 USD m3
CEMENTO
ARENA
FIBRA
ADITIVO y AGUA
GFRC PP-FRC
VIDRIO MACROFIBRA
Comparación gráfica de las tablas: Tabla 1.0 vs Tabla 1.2
AGREGADOS
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Puede apreciarse en la imagen inicial que la superficie del elemento de prueba
es lisa, no muestra macrofibra alguna, desde el impacto inicial aparecen las primeras
macrofibras, lo que indica una distribución uniforme. Fácilmente se ve que la esquina
está rota, sin embargo no hay desprendimiento debido a la resistencia que oponen
las fibras a ser arrancadas.
A diferencia de las fibras de vidrio, que poseen una superficie lisa, las
macrofibras de polipropileno Super Slim 13 MM tienen un acabado texturizado. Como
una característica particular dicho acabado (crimped), le permite a la macrofibra
realizar un anclaje con los otros agregados de la mezcla. De hecho, las macrofibras
de polipropileno tienen una resistencia a la tensión de 580 MPa, cuando se someten
a ensayos destructivos no presentan falla por rotura, sino porque se pierde la
adherencia mecánica con la mezcla cementosa que ya se ha comentado en este
documento. De forma distinta a la fibra de vidrio, la macrofibra se ancla en la mezcla
y por ello la ventaja de utilizar dosificaciones menores.
En comparación con las macrofibras cortas y delgadas de acero, la macrofibra
de polipropileno, al igual que su resistencia a la alcalinidad, no presenta oxidación,
por lo tanto, no manchará los elementos o precolados de fachadas expuestas a la
intemperie. Tampoco se va a exponer como la fibra de acero, haciéndola insegura
tanto al colocarla como al estar expuesta en lugares públicos.
Dependiendo de la aplicación del elemento precolado del que se trate, dado
que todas las fachadas de edificación son distintas y están sujetas al capricho creativo
del diseñador, pero cuidadas por el diseño del estructurista, en la sustitución de la
pareja Fibra de Vidrio + Arena Sílica con la mancuerna Macrofibra de Polipropileno +
Arena Caliza (como ejemplo), se obtienen beneficios económicos difíciles de ignorar.
Elemento de
prueba liso
Aparición de
macrofibras
Agrietamiento
sin
desprenderse
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El proyectista o diseñador de la matriz cementosa o mezcla tiene la
prerrogativa de realizar diferentes mezclas que le lleven a una disminución en costo
aún mayor, por ejemplo, aumentando la proporción arena / cemento a 2:1 o más, pero
sin olvidar que la f´c es la que disminuye. Una f´c no es ni mala ni buena, simplemente
deberá ajustarse para la aplicación deseada.
En las siguientes mezclas se muestran comparativos en los que la relación
agua/cemento se incrementa, sin una disminución excesiva en la f’c esperada (o
aproximada) pero sí apreciándose ventajas económicas notables.
Las gráficas comparativas de las mezclas tipo, aquí mencionadas, aparecen
más adelante:
TABLA 2.0
Kg Kg/m3
Costo
Unitario USD Costo/m3
Cemento 50 824 $ 0.13 $ 109.34
Arena Sílica 50 824 $ 0.19 $ 153.08
Fibra de Vidrio GF 2.5 41 $ 4.83 $ 199.05
Aditivo 120 ml 2.2 $ 2.97 $ 6.54
Agua (litros) 25.00 413 $ 0.05 $ 21.92
2104 $ 489.93
Relación Arena/Cemento 1.00
Relación Agua/Cemento 0.50
Relación GF/Cemento 5.0%
f´c aproximada: 350 Kg/cm2
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TABLA 2.1
Kg Kg/m3
Costo Unitario
USD Costo/m3
Cemento 50 822 $ 0.13 $ 109.08
Arena Caliza 50 822 $ 0.02 $ 16.44
Macrofibra SS 13MM 1 17.0 $ 7.96 $ 135.32
Aditivo 100 ml 2.0 $ 2.97 $ 5.94
Agua (litros) 25.00 413 $ 0.05 $ 21.92
2076 $ 288.70
Relación Arena/Cemento 1.00
Relación Agua/Cemento 0.50
Relación FPP/Cemento 2.1%
f´c aproximada: 350 Kg/cm2
$489 USD m3
$288 USD m3
CEMENTO
ARENA
FIBRA
ADITIVO y AGUA
GFRC PP-FRC
VIDRIO MACROFIBRA
AGREGADOS
Comparación gráfica de las tablas: Tabla 2.0 vs Tabla 2.1
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La sustitución de Arena Sílica + Fibra de Vidrio (Tabla 2.0) con Arena Caliza +
Macrofibra de Polipropileno SS 13 MM (Tabla 2.1), para un concreto con una relación
agua-cemento de un 50% representa un ahorro de un 41%
TABLA 3.0
Kg Kg/m3
Costo
Unitario USD Costo/m3
Cemento 50 734 $ 0.13 $ 97.40
Arena Sílica 50 734 $ 0.19 $ 136.36
Fibra de Vidrio GF 2.5 37 $ 4.83 $ 178.72
Aditivo 100.00 2.0 $ 2.97 $ 5.94
Agua (litros) 32.50 477 $ 0.05 $ 25.32
1984 $ 443.74
Relación Arena/Cemento 1.00
Relación Agua/Cemento 0.65
Relación GF/Cemento 5.04%
f´c aproximada: 300 Kg/cm2
TABLA 3.1
Kg Kg/m3
Costo
Unitario USD Costo/m3
Cemento 50 732 $ 0.13 $ 97.13
Arena Caliza 50 732 $ 0.02 $ 14.64
Macrofibra SS 13MM 1 15.0 $ 7.96 $ 119.40
Aditivo 100 ml 2.0 $ 2.97 $ 5.94
Agua (litros) 32.50 475 $ 0.05 $ 25.21
1956 $ 262.33
Relación Arena/Cemento 1.00
Relación Agua/Cemento 0.65
Relación FPP/Cemento 2.0%
f´c aproximada: 300 Kg/cm2
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La sustitución de Arena Sílica + Fibra de Vidrio (Tabla 3.0) con Arena Caliza +
Macrofibra de Polipropileno SS 13MM (Tabla 3.1), para un concreto con una relación
agua-cemento de un 65% representa un ahorro de un 40.9%
La utilización de Macrofibra de Polipropileno SS 13MM con Arena Caliza (o similar)
en la matriz cementosa o mezcla de concreto genera ahorros en promedio de un
41.3%
$443 USD m3
$262 USD m3
CEMENTO
ARENA
FIBRA
ADITIVO y AGUA
GFRC PP-FRC
VIDRIO MACROFIBRA
AGREGADOS
Comparación gráfica de las tablas: Tabla 3.0 vs Tabla 3.1
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Conclusiones
En los resultados encontrados anteriormente, al sustituir la Fibra de Vidrio con
Macrofibra de Polipropileno SS 13MM, estos no arrojaron grandes diferencias
favorables en pruebas de compresión o en el módulo de ruptura, aún contra concretos
convencionales. Actualmente se realizan estudios prometedores que indican mejoras
en estos indicadores.
Por otro lado, la cantidad de Macrofibra de Polipropileno añadida, al buscar una
optimización de la mezcla del concreto, tiene gran influencia tanto en pruebas de
fatiga como en las pruebas de tenacidad, las cuales aumentan proporcionalmente al
contenido de fibra por unidad de volumen, mejorando, por tanto, el desempeño de los
elementos.
Las ventajas económicas y ahorros, por otro lado, son factores determinantes a ser
considerados al momento de diseñar un concreto.
Aunque aún no hay pruebas concluyentes, se trabaja en reducción del espesor de
elementos con Macrofibra de Polipropileno SS-13 MM para hacerlos más delgados
que los convencionales, el peso por unidad de área es un punto clave en los
precolados de fachadas; el total del peso soportado por el edificio, cuando disminuye
es claramente representativo.
Algunas otras aplicaciones, además de las fachadas, son fabricación de paneles,
tanto sencillos de una sola hoja, como paneles dobles con aislamiento térmico
intermedio o para recubrimiento de columnas, pilares o paredes aparentes por
mencionar algunas.
Terminado de un elemento de fachada de 50 mm de espesor con Macrofibra de Polipropileno
Super Slim 13 mm al 2% en peso/cemento, con agregados de mármol y cemento blanco.
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Referencias:
• Fiber Reinforced Concrete ACI Committee 544.1R-96; American Concrete
Institute.
• https://www.concretenetwork.com/glass-fiber-reinforced-concrete/mix.html
• http://jestec.taylors.edu.my/Vol%2011%20issue%205%20May%202016/Volu
me%20(11)%20Issue%20(5)%20684%20-%20693.pdf
• http://onlinepubs.trb.org/Onlinepubs/trr/1989/1226/1226-003.pdf
