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MEDICION DE PROPIEDADES DE FRACTURA EN HORMIGONES
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MEDICION DE PROPIEDADES DE FRACTURA EN HORMIGONES REFORZADOS
CON FIBRAS DE ACERO
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3 authors:
B. Nemi
National Scientific and Technical Research Council
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María Laura Godoy
National University of the Center of the Buenos Aires Province
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SEE PROFILE
Claudio Rocco
Universidad Nacional de La Plata
24 PUBLICATIONS   770 CITATIONS   
SEE PROFILE
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Jornadas SAM � CONAMET � AAS 2001, Septiembre de 2001 927-934
927
MEDICION DE PROPIEDADES DE FRACTURA EN HORMIGONES
REFORZADOS CON FIBRAS DE ACERO
B. Nemi
a , M.L. Godoy
b y C. Rocco
c
a Dto. Ciencia y Técnica de Materiales. Instituto de Investigaciones Científicas y Técnicas de
las Fuerzas Armadas (CITEFA), Juan Bautista de La Salle 4397, (1603) Villa Martelli, Bue-
nos Aires.
b
 Dto. Ingeniería Civil. Facultad de Ingeniería. Universidad Nacional del Centro de la Provin-
cia de Buenos Aires. Av. del Valle 5737, (7400) Olavarría, Buenos Aires.
c Departamento de Construcciones. Facultad de Ingeniería. Universidad Nacional de La Plata.
Calle 48 y 115 (1900) La Plata, Buenos Aires.
RESUMEN
En los últimos años, los hormigones reforzados con fibras (HRF) se han ido incorpo-
rando a la industria reemplazando al hormigón convencional en la construcción de conductos,
pisos industriales, revestimiento y contención de túneles y galerías excavadas en roca. La in-
corporación de fibras al hormigón mejora las propiedades mecánicas del mismo, aumentando
su ductilidad y la energía de fractura, lo que prolonga la vida útil de la estructura consiguien-
do controlar la morfología de la fisuración. Los parámetros fundamentales que permiten eva-
luar las bondades de la adición de fibras a la matriz de mortero se obtienen mediante ensayos
fractomecánicos, que permiten considerar el comportamiento post-pico, registrando la curva
de ablandamiento mecánico. El objetivo de este trabajo es la medición de las propiedades de
fractura del HRF utilizando ensayos fractomecánicos y su comparación con las del hormigón
convencional, utilizando materiales que se obtienen en nuestro país.
Palabras clave:
Hormigón reforzado con fibras de acero, energía de fractura, wedge splitting test
INTRODUCCIÓN
La incorporación de fibras metálicas, plásticas o cerámicas, en materiales compuestos
de matriz frágil o cuasi frágil, ha demostrado ser un medio eficaz para mejorar la tenacidad
del material, aumentar su resistencia y su capacidad de deformación y controlar el desarrollo y
la propagación de fisuras. En el caso del hormigón, su aplicación se ha ido consolidando en
los últimos años, especialmente en la construcción de pavimentos, estructuras hidráulicas,
túneles, tabiques, y en general, estructuras lineales y estructuras sometidas a acciones dinámi-
cas.
Desafortunadamente, a pesar del uso cada vez más creciente de los hormigones con fi-
bras no existe, a nivel normativo, una instrucción que permita establecer un marco de referen-
cia apropiado para la caracterización de los hormigones con fibras. Si bien en la norma ASTM
C1018 se introduce el concepto de índice de tenacidad, es necesario tener en cuenta que dicho
índice no es una propiedad del material, sino un parámetro de carácter tecnológico que puede
ser utilizado para clasificar al material o como parámetro de referencia en un proceso de con-
trol de producción, pero en ningún caso constituye una propiedad útil para el diseño.
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Nemi, Godoy y Rocco
928
La respuesta mecánica del hormigón reforzado con fibras depende, entre otros factores,
de las dimensiones y de la cantidad de fibras incorporada a la matriz. La inclusión de fibras de
25 a 50 mm de longitud, en cantidades menores del 2% en volumen, constituye la aplicación
mas frecuente en el campo de las estructuras de la ingeniería civil. Con estas cuantías, los
cambios más importantes en la respuesta mecánica del material se ponen de manifiesto para
deformaciones mayores que la correspondiente a la máxima tensión que puede soportar el
material, es decir en la zona de comportamiento post pico. Por esta razón, el estudio de las
propiedades mecánicas de estos materiales requiere de ensayos de fractura en régimen de pro-
pagación estable [1][2]. Mediante este tipo de ensayos es posible cuantificar adecuadamente
el comportamiento post pico del material y obtener información objetiva respecto a sus pro-
piedades en fractura y a los paramentos de diseño que son necesarios para el dimensionado y
la optimización de las estructuras construidas con estos materiales.
Dependiendo del modelo de fractura de referencia, existen distintas propiedades o pa-
rámetros para caracterizar el comportamiento en fractura de un material. En el caso del hor-
migón, uno de los modelos de fractura utilizados con mayor éxito en los últimos años ha sido
el modelo de fisura cohesiva, cuyos conceptos más importantes se describen en el siguiente
apartado. Si bien el modelo se ha aplicado fundamentalmente al hormigón simple, su formu-
lación física y matemática puede extenderse al campo de los hormigones con fibras[3][4]. En
el contexto del modelo, una de las propiedades de mayor interés para caracterizar el compor-
tamiento en fractura del material es la energía especifica de fractura (GF). Conceptualmente,
GF es la energía requerida para producir en el material una superficie de fractura unitaria.
En este trabajo se presentan y analizan resultados de la energía específica de fractura co-
rrespondiente a hormigones reforzados con fibras de acero, obtenidos mediante ensayos de
fractura estable. Los resultados se comparan con los obtenidos sobre el hormigón base, sin
fibras. Para la determinación de la GF se utilizaron dos métodos de ensayos: a) Ensayos de
fractura estables de vigas entalladas sometidas a flexión en tres puntos, y b) Ensayos de
fractura estable ″wedge splitting� (ensayo de tracción indirecta por apertura por cuña)[5].
MARCO TEÓRICO: MODELO DE FISURA COHESIVA
El modelo de fisura cohesiva fue introducido por Hillerborg en la década del �70 y desa-
rrollado por J. Planas y M. Elices, [6][7], en los últimos años, y es en esencia una extensión
del modelo clásico de Barenblatt,[8]. Es un modelo macroscópico en donde el plano de fractu-
ra (zona de microfisuración y crecimiento de fisuras) se representa mediante una fisura entre
cuyas caras se pueden transferir tensiones, tal como se representa esquemáticamente en la
figura 1a. A esta fisura se la denomina fisura cohesiva, y la magnitud de las tensiones σ entre
sus caras depende de la apertura w a través de una función denominada función o curva de
ablandamiento que es una propiedad del material, que se determina experimentalmente y que
constituye uno de los datos fundamentales del modelo.
En la figura 1b se muestra una curva de ablandamiento típica para el hormigón simple,
sin fibras, donde se puede observar que dos propiedades del material asociadas con dicha cur-
va son la resistencia a la tracción fT, y la energía específica de fractura GF, que coincide con el
área encerrada bajo la curva. Un parámetro propio del modelo, que se define a partir de las
propiedades del material, es la longitud característica lch, que está directamente relacionada
con la fragilidad del material:
lch = EGF/fT
2 (1)
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Jornadas SAM � CONAMET � AAS 2001
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donde E es el módulo de elasticidad, GF es la energía específica de fractura y fT es la resisten-
cia a la tracción del material. Para hormigones tradicionales, sin fibras, los valores habituales
de lch varían entre 80 y 600 mm siendo intrínsecamente más frágil el material cuanto más pe-
queño es el valor de lch.
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Tensiones
elásticas
Tensiones
cohesivas
w
σ(w)
Fisura
cohesiva
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e
n
s
ió
n
 c
o
h
e
s
iv
a
, 
 σ
(w
)
fΤ Resistencia a la tracción
wCGF
Apertura de la fisura, w
Función de ablandamiento
a)
b)
Figura 1: Fisura cohesiva y función de ablandamiento.
Es importante indicar que si bien la curva de ablandamiento es una propiedad macros-
cópica del material, su forma y los parámetros que la describen dependen fuertemente de los
micromecanismos que controlan el proceso de propagación de la fisura. La inclusión de fibras
al hormigón aumenta notablemente la capacidad del material de transferir tensiones entre las
caras de la fisura, mejorando su comportamiento post pico e incrementando la energía especí-
fica de fractura. Este cambio en la curva de ablandamiento, reduce significativamente la fra-
gilidad del material.
TRABAJO EXPERIMENTAL
Materiales y Probetas
Para la ejecución de los ensayos se elaboraron dos tipos de hormigones. Un hormigón
reforzado con fibras metálicas, siguiendo [9][10], con una cuantíade 50 kg de fibras por me-
tro cúbico de hormigón y un hormigón patrón o de referencia elaborado con los mismos mate-
riales y las mismas proporciones que el hormigón anterior, pero sin la inclusión de fibras. Pa-
ra la elaboración de estos hormigones se utilizó Cemento Pórtland con Filler Calcáreo CPF40
según Norma IRAM 50000, Agregado grueso de trituración de origen granítico con un tama-
ño máximo de 10 mm, Agregado fino de origen silíceo con un Módulo de Finura 2,4 y Aditi-
vo súperfluidificante marca SIKAMENT N. En el hormigón con fibras se adicionaron Fibras
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Nemi, Godoy y Rocco
930
de acero Fibracero Acindar modelo Tabix, con una esbeltez 45.
En la tabla 1 se muestran las proporciones de los distintos materiales componentes utili-
zados para la elaboración de los hormigones. Los mismos se fabricaron en una amasadora
convencional de 100 lts de capacidad nominal con la siguiente secuencia de mezclado: a) en
primer lugar se incorporaron las fracciones de agregado grueso, agregado fino, cemento y
agua, y se amasaron durante 2 minutos, b) seguidamente se incluyó la fracción de aditivo y se
amasó durante 7 minutos, c) finalmente, en el caso del hormigón con fibras, se agregaron las
fibras continuando el amasado durante 1 minuto más. Una vez terminado el mezclado se
efectuó un control de la trabajabilidad del hormigón para lo cual se realizó un ensayo de
asentamiento con el cono de Abrams. Los valores del asentamiento para cada una de las ama-
sadas fue de 7,5 cm en el hormigón sin fibras y 7 cm en el hormigón con fibras.
Tabla 1. Dosificación del hormigón en kg/m3
Hormigón Cemento Agua Agregado
 Fino
Agregado
Grueso
Aditivo
SP(1)
Fibras
Con Fibras 400 160 915 915 10 50
Sin Fibras 400 160 915 915 12 0
SP(1) Superplastificante.
Para la ejecución de los ensayos se moldearon tres tipos de probetas: a) probetas cilín-
dricas de150x 300 mm para ensayos de compresión simple b) probetas prismáticas de 100 x
150 x 550 mm para los ensayos de fractura estable de flexión en tres puntos y c) probetas
prismáticas de 200 x 200 x 80 mm para los ensayos de fractura estable de tracción por abertu-
ra por cuña ″wedge splitting�. Todas las probetas, de un mismo hormigón, fueron moldeadas
a partir de una única amasada.
Después del moldeo las probetas fueron almacenadas en ambiente de laboratorio y pro-
tegidas superficialmente para evitar la desecación del hormigón. Transcurridas 24 horas des-
pués de su fabricación, las probetas se desmoldaron y se almacenaron en agua saturada en cal
a la temperatura de laboratorio. En estas condiciones se mantuvieron hasta la edad de ensayo.
Ensayos
Para determinar las propiedades en fractura de los hormigones estudiados se realizaron
los dos tipos de los ensayos que se describen a continuación:
Ensayos de fractura estable en flexión en tres puntos
Estos ensayos se realizaron siguiendo el procedimiento de ensayo recomendado por el
comité RILEM 50-FMC, con las mejoras propuestas en las referencias. El ensayo consiste en
someter a flexión en tres puntos, una probeta prismática con una entalla central en correspon-
dencia con el plano de aplicación de la carga. En el caso de las probetas ensayadas la entalla
fue de 75mm de profundidad y la luz entre apoyos de 450 mm. Durante el ensayo se registra
de manera continuada la carga y el desplazamiento relativo, respecto del plano de los apoyos,
de la sección central de la probeta coincidente con el plano de aplicación de la carga. Para
compensar la acción del peso propio de la probeta se utilizaron dos muelles colocados en la
parte central de la probeta y a ambos lados del plano de la entalla.
Los ensayos se realizaron en control de desplazamiento en una máquina de acciona-
miento mecánico, marca Instron a una velocidad de 0,05 mm/minuto. Para la medida de las
cargas se utilizó una celda electrónica de 5000 N de capacidad, mientras que el desplaza-
miento se midió con un extensómetro marca Instron de ± 10 mm de rango. El registro de las
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931
mediciones se realizó a través de un sistema de adquisición de datos con una frecuencia de
muestreo de 400 Hz. Las probetas se ensayaron a la edad de 28 días, en condiciones saturadas
a superficie seca. En todos los casos, los ensayos fueron estables y se pudo registrar la curva
carga desplazamiento completa hasta una deflexión de 5 mm en el hormigón sin fibras y 20
mm en el hormigón con fibras.
Ensayos de fractura estable de tracción por abertura por cuña ″″″″Wedge Splitting�
Estos ensayos se realizaron siguiendo el procedimiento recomendado por RILEM[11].
El ensayo se realiza sobre una probeta prismática con una entalla por aserrado en su sección
central y consiste en inducir la rotura por tracción de la misma mediante la abertura de la en-
talla. Para ello, a cada lado del plano de la entalla, se aplican, sobre sendos rodamientos, car-
gas iguales y opuestas de tracción que se materializan a través de una cuña que se introduce
en la misma mediante una carga de compresión. En la figura 1 se muestra una foto de la pro-
beta y del dispositivo de ensayo. Durante el ensayo se registra de manera continuada la carga
de compresión aplicada sobre la cuña, y por tanto la componente horizontal que �abre� la en-
talla, y la abertura, CMOD, de la misma en correspondencia con los puntos de contacto de la
cuña y el plano de la entalla. El ensayo finaliza cuando las probetas se parten totalmente en
dos y la carga registrada es cero. En las probetas ensayadas se utilizó una entalla de 70 mm de
profundidad. Los ensayos se realizaron en una máquina servohidráulica marca MTS, de 10t de
capacidad, con control electrónico mediante sistema de lazo cerrado. La CMOD se midió con
un extensómetro tipo clip centrado en la entalla. La velocidad de apertura de la entalla du-
rante la fase inicial del ensayo fue de 0,1 mm/minuto. En este caso, también se ensayaron las
probetas a los 28 días , en condiciones saturadas a superficie seca.
 
 
Figura 1. Dispositivo y probeta del ensayo de tracción por abertura por cuña
Complementariamente a los ensayos de fractura descriptos, se realizaron ensayos de
compresión diametral para la determinación de la resistencia a la tracción indirecta, fST. Estos
ensayos se realizaron sobre probetas prismáticas de 150 x 150 x 100 mm obtenidas por corte a
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Nemi, Godoy y Rocco
932
partir de las mitades restantes de las probetas ensayadas a flexión. Para su ejecución se siguie-
ron las especificaciones de la Norma BS 1881, con las recomendaciones indicadas en [12].
RESULTADOS DE LOS ENSAYOS Y DISCUSIÓN
En la tabla 2a y 2b se muestran los resultados de la resistencia a la tracción indirecta, fST
y de la energía específica de fractura GF, correspondientes a los hormigones ensayados con y
sin fibras. Para el caso de la GF, se indican los valores obtenidos a partir de cada uno de los
dos tipos de ensayos de fractura realizados. El cálculo de GF se realizó siguiendo las reco-
mendaciones indicadas en [9][13]. En las tablas se incluyen, para cada propiedad, el numero
de probetas ensayadas, el valor medio, la desviación estándar y el coeficiente de variación.
Tabla 2a. Propiedades de fractura del hormigón sin fibras
Propiedad Probetas
ensayadas
Valor medio Desviación
estándar
Coeficiente de
variación %
Resistencia tracción indirecta, MPa 4 3.43 0.15 4.5
Flexión 3 133 10 7.5Energía específica
de fractura, N/m Tracción por Cuña 3 113 6 5.5
Tabla 2b. Propiedades de fractura del hormigón con fibras
Propiedad Probetas
ensayadas
Valor medio Desviación
estándar
Coeficiente de
variación %
Resistencia tracción indirecta, MPa 4 3.14 0.113.5
Flexión 3 3560 535 15Energía específica
de fractura, N/m Tracción por Cuña 2 3663 ----- -----
Como surge de los resultados indicados en las tablas, la incorporación de las fibras
prácticamente no modifica la resistencia a la tracción del material pero sin embargo provoca
un incremento muy significativo de la energía específica de fractura. Comparado con el hor-
migón simple, la GF del hormigón con fibras resulta casi 30 veces mayor, alcanzando valores
cercanos a los 4000 N/m. Es importante mencionar además que las energías específicas de
fractura medidas con las dos configuraciones de ensayo utilizadas, flexión en tres puntos y
wedge splitting, resultan prácticamente similares. Esto se ha podido verificar tanto para el
hormigón simple como para el hormigón con fibras.
El incremento de la GF en el caso de la incorporación de las fibras, se produce como
consecuencia de un incremento en la capacidad del material de transferir esfuerzos de tracción
en la zona de procesos de fractura. Cuando en la matriz del material se alcanza la tensión de
fisuración, y comienza la apertura de las fisuras, las fibras actúan como puentes entre los la-
bios de las mismas transfiriendo tensiones a través de su longitud de anclaje. De esta manera
se produce un mecanismo de puenteo o bridging que le confiere al material una mayor ducti-
lidad y una mayor capacidad para transferir tensiones durante el proceso de fractura.
 En los ensayos se ha podido verificar que la rotura final se produce por arrancamiento
y/o rotura de las fibras. En las figuras 3 y 4 se muestran las curvas cargas desplazamiento ob-
tenidas en los ensayos de fractura estable por flexión en tres puntos y wedge splitting, corres-
pondientes a las probetas de hormigón con y sin fibras. En las mismas se puede apreciar cla-
ramente la influencia de las fibras durante el comportamiento post pico de la probeta.
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0
1000
2000
3000
4000
5000
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0
C
a
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N
Desplazamiento, mm
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Hormigón
con Fibras
Hormigón 
sin Fibras
Figura 3. Curva carga- desplazamiento correspondiente a los ensayos de fractu-
ra estable por flexión en tres puntos.
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500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
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Hormigón
con Fibras
Hormigón 
sin Fibras
Figura 4. Curva carga de apertura- desplazamiento correspondiente a los ensa-
yos de fractura estable tracción por apertura por cuña.
Si bien la carga máxima es similar para ambos hormigones, la capacidad resistente de
las probetas en la etapa de fractura o de ablandamiento, se incrementa notablemente en el
hormigón con fibras aumentando significativamente el trabajo consumido durante el proceso
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Nemi, Godoy y Rocco
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de fractura. Es importante destacar también que si bien en los dos ensayos de fractura realiza-
dos la geometría y las condiciones de contorno de las probetas son muy diferentes, las curvas
obtenidas en ambos ensayos reflejan de igual manera el efecto de la incorporación de las fi-
bras sobre el comportamiento en fractura del material.
AGRADECIMIENTOS
A la Ing. Viviana Rahhal de la UNCPBA, al Taller de Prototipos de CITEFA, al
LEMIT, al Ing. Alvarez Villar, Ing. Alvarez y Sra. Mª del Carmen Pullano de CITEFA, a
ACINDAR, y al Prof. Wittmann del Instituto Politécnico de Zürich .
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