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ANÁLISIS COMPARATIVO ENTRE EL CONCRETO SIMPLE Y EL CONCRETO CON ADICIÓN DE FIBRA DE ACERO AL 4% Y 6%

HELO NICKOLAS SARTA FORERO JOSÉ LUÍS SILVA RODRÍGUEZ

UNIVERSIDAD CATÓLICA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA

PROGRAMA INGENIERÍA CIVIL ALTERNATIVA TRABAJO DE INVESTIGACIÓN

BOGOTÁ 2017

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ANÁLISIS COMPARATIVO ENTRE EL CONCRETO SIMPLE Y EL CONCRETO CON ADICIÓN DE FIBRA DE ACERO AL 4% Y 6%

HELO NICKOLAS SARTA FORERO JOSE LUÍS SILVA RODRÍGUEZ

Trabajo de grado para optar al título de Ingeniero Civil

Directora Scherazada Calderón Vega

Ingeniera Civil

UNIVERSIDAD CATÓLICA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA

PROGRAMA INGENIERÍA CIVIL ALTERNATIVA TRABAJO DE INVESTIGACIÓN

BOGOTÁ 2017

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Nota de Aceptación

_________________________________ _________________________________ _________________________________ _________________________________ _________________________________

__________________________________ Firma del Presidente del jurado

__________________________________ Firma del jurado

__________________________________ Firma del jurado

Bogotá, mayo, 2017

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CONTENIDO

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INTRODUCCIÓN 12 1. GENERALIDADES 13 1.1 ANTECEDENTES 13 1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 14 1.2.1 Descripción del problema 14 1.2.2 Formulación del problema 14 1.3 OBJETIVOS 14 1.3.1 Objetivo General 14 1.3.2 Objetivos específicos 14 1.4 JUSTIFICACIÓN 15 1.5 DELIMITACIÓN 15 1.5.1 Espacio 15 1.5.2 Tiempo 16 1.5.3 Contenido 16 1.5.4 Alcance 16 1.6 MARCO REFERENCIAL 16 1.6.1 Marco teórico. 16 1.6.1.1 El concreto reforzado con fibras de acero (CRFA) 16 1.6.1.2 Concreto 17 1.6.1.3 Acero 17 1.6.1.4 Fibras de acero 17 1.6.2 Marco conceptual. 18 1.6.2.1 Diseño de mezclas de concreto. 18 1.6.2.2 Manejabilidad 18 1.6.2.3 Resistencia y durabilidad del concreto 19 1.6.3 Marco legal 19 1.6.4 Marco histórico 20 1.6.5 Estado del arte 21 1.7 METODOLOGÍA 22 1.7.1 Tipo de estudio 22 1.7.2 Fuentes de información 23 1.7.3 Proceso para diseño de mezclas en concreto 23 1.7.4 Pasos para las proporciones 23 1.7.5 Construcción de cilindros de concreto 23 1.7.6 Ensayo de compresión y tensión de los cilindros en concreto 23 2. DISEÑO METODOLÓGICO 25 2.1 CARACTERIZACIÓN DE LAS FIBRAS DE ACERO 25 2.1.1 Materiales 26 2.1.2 Equipos 27

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2.1.3 Dosificación 29 2.1.4 Diseño de mezcla 31 2.1.4.1 Procedimiento de diseño 31 2.1.5 Ensayos realizados a los cilindros de concreto con adición y sin adición de fibras de acero 36 2.1.5.1 Probetas. 37 3. ANÁLISIS DE RESULTADOS 40 3.1 ASENTAMIENTO 40 3.2 ENSAYOS DE COMPRESIÓN 40 3.3 ENSAYOS DE TRACCIÓN INDIRECTA 44 3.4 ENSAYOS DE FLEXIÓN DE VIGAS 47 3.5 COMPARACIÓN TIPOS DE CONCRETO 50 4. CONCLUSIONES 54 5. RECOMENDACIONES 55 BIBLIOGRAFÍA 56 ANEXOS 58

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LISTA DE FIGURAS

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Figura 1. Malla en Bolsa Dramix 25 Figura 2. Fibras de Acero Dramix 25 Figura 3. Cemento Cemex 26 Figura 4. Molde probeta 27 Figura 5. Balanza electrónica 27

Figura 6. Varilla Compactadora 28

Figura 7. Prensa Hidráulica para Compresión 28 Figura 8. Prensa hidráulica modificada para flexión 29

Figura 9. Equipo para Tracción Indirecta 29 Figura 10. Ensayo a Tracción Indirecta 45 Figura 11. Ensayo Tracción Falla Convencional I 46

Figura 12. Ensayo a Tracción Falla Convencional II 46 Figura 13. Ensayo a Tracción Falla Modificado 4% 47 Figura 14. Ensayo a Tracción Falla Modificado 6% 47

Figura 15. Viga Convencional 49 Figura 16. Viga Modificada 4% 49

Figura 17. Viga Modificada 6% 50 Figura 18. Resistencia a la compresión 51

Figura 19. Resistencia a la Tracción 51 Figura 20. Resistencia a la Flexión 52

Figura 21. Resistencia Compresión Barras 52 Figura 22. Resistencia a la Flexión Barras 53 Figura 23. Resistencia a la tracción barras 53

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LISTA DE CUADROS

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Cuadro 1 Antecedentes 13 Cuadro 2. Ficha Técnica 26 Cuadro 3. Dosificación Probeta Convencional 30 Cuadro 4. Dosificación Probeta Modificada al 4% 30 Cuadro 5. Dosificación Probeta Modificada al 6% 30

Cuadro 6. Dosificación Viga convencional 30

Cuadro 7. Dosificación Viga Modificada al 4% 31 Cuadro 8. Dosificación Viga modificada al 6% 31

Cuadro 9. Asentamiento Recomendados para Diferentes Tipos de Construcción 32 Cuadro 10. Tamaño Máximo Agregados Según Tipo de Construcción 33 Cuadro 11. Contenido de Aire Esperado en Concreto y Niveles de Aire para Diferentes Tamaños Máximos de Agregados 33 Cuadro 12. Contenido de Agua para los Diferentes Tamaños de Agregado y Asentamientos 34

Cuadro 13. Resistencia Requerida de Diseño, Cuando no hay Datos Estadísticos 34

Cuadro 14. Relación Agua / Cemento 35 Cuadro 15. Volumen de Agregado Grueso por Volumen Unitario de Concreto 36

Cuadro 16. Cantidad de Cilindros para Ensayo de Compresión 37 Cuadro 17. Cantidad de Cilindros para Ensayo de Tracción Indirecta 37

Cuadro 18. Cantidad de Viguetas para Ensayo de Flexión 37 Cuadro 19. Clasificación del Concreto de Acuerdo con los Valores del Asentamiento 38

Cuadro 20. Asentamientos Obtenidos en Laboratorio 40 Cuadro 21. Análisis Ensayos de Compresión 41 Cuadro 22. Resistencia a Través del Tiempo concreto Convencional 41

Cuadro 23. Compresión Tipos de Falla Edad 7 Días 42

Cuadro 24. Compresión Tipos de Falla Edad 14 Días 43 Cuadro 25. Compresión Tipos de Falla Edad 28 Días 44 Cuadro 26. Ensayo de tracción 45 Cuadro 27. Ensayo de Flexión - Módulo de Rotura 48

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LISTA DE ANEXOS

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Anexo A. Fallas 59

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RESUMEN El presente trabajo de grado tiene como objetivo realizar los ensayos mecánicos para determinar la resistencia del concreto adicionándole fibras de acero al 4% y al 6%, las cuales remplazarán un porcentaje del peso del agregado fino de la mezcla. Con este experimento, se espera identificar cuál de los porcentajes de adición de fibras mejora las propiedades mecánicas del concreto, en comparación al concreto convencional. Esto se demostrará experimentalmente mediante ensayos de laboratorio realizados a cilindros y viguetas a las edades de 7, 14 y 28 días, las cuales arrojarán resultaos verídicos permitiendo establecer un análisis comparativo. Palabras Clave: Concreto sin adición, concreto reforzado con fibra, fisuración, resistencia, resistencia a la compresión, resistencia a la tracción, resistencia a la flexión.

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GLOSARIO

AGREGADOS: comprenden las arenas, gravas naturales y la piedra triturada utilizada para preparar morteros y concretos. ARENA LAVADO: agregado que se utiliza para la elaboración del concreto. CEMENTO PORTLAND: cemento hidráulico que se obtiene al calcinar una mezcla de arcillas y piedra caliza en un horno para pulverizar posteriormente la mezcla obtenida. CONCRETO ARMADO: en su interior tiene armaduras de acero, debidamente calculadas, este concreto es apto para resistir esfuerzos de tracción y compresión. CONO DE ABRAHAM: elemento para medir el asentamiento del concreto. CORROSIÓN: se define como el deterioro de un material a consecuencia de un ataque electroquímico por su entorno. DEFLEXIONES: se entiende por deflexión aquella deformación que sufre un elemento por el efecto de las flexiones internas. DUCTILIDAD: capacidad de deformación plásticas una vez rebosado el límite de proporcionalidad sin perder su resistencia. EDIFICACIONES: construcción cuya función principal es alojar a personas, animales o cosas. FIBRAS De Acero: las fibras de acero están específicamente diseñadas para el refuerzo de hormigón, morteros y otros compuestos de cemento en soleras, evitando el uso de mallas electro -soldadas. FRAGUADO: endurecimiento consistente del concreto. GRAVA: termino que se le da en geología y construcción, a las rocas de un tamaño granular específico. GRIETA: aparecen en el hormigón debido a las contracciones irregulares.

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INTRODUCCIÓN El concreto al ser el material más usado para las obras civiles como la construcción de edificaciones, puentes, túneles, vías y viaductos entre otras, debe poseer ciertas características mecánicas que proporcionen los requerimientos mínimos para el desarrollo de estas obras constructivas mediante sus propiedades físicas como la compresión, duración, impermeabilidad, peso unitario y apariencia entre muchas otras, Además de ser un material versátil en cuanto a forma y función. El desarrollo del concreto armado se encuentra vinculado directamente con el concreto convencional; por tal motivo, las características del concreto se estudian con el fin de determinar el diseño de mezcla adecuado, para unas condiciones específicas de un proyecto. Actualmente, se realizan estudios al concreto convencional para mejorar sus propiedades mecánicas mediante la adición de fibras de acero. Según estudios técnicos realizados, llevados a cabo durante los últimos cincuenta años, “la industria ha desarrollado fibras de polipropileno, vidrio, nylon y acero, que cumplen la misma función de las fibras utilizadas siglos atrás, con la diferencia de que son creadas con especificaciones técnicas y en materiales más resistentes, para responder a estas necesidades”1. Las fibras se han utilizado principalmente en pavimentos y losas, donde la relación área/volumen es alta y se requiere un mecanismo de control de grietas superficiales. “Una de las ventajas que ofrece, es que no se requieren traslapos como en el refuerzo tradicional y el transporte a obra es más económica, ahorra tiempo al no tener que instalarlo previamente siendo una solución rentable en refuerzo puesto que, si se adiciona una cantidad de fibra suficiente, se puede evitar falla frágil por cortante y, al mismo tiempo, generar comportamiento más dúctil en vigas, placas y pavimentos”2 Para el desarrollo del este proyecto de investigación, se determinará experimentalmente el comportamiento del concreto convencional y el concreto modificado con fibra de acero con porcentajes del 4% y 6% respecto al agregado fino para una resistencia de 3000 PSI, el cual se ceñirá con el diseño de mezcla presentado y finalizando con los ensayos de resistencia a la compresión, tracción indirecta y flexión, los cuales se realizarán con base a la norma.

1 LOZANO, E. y SEPÚLVEDA, Carlos Elias. Fibra de acero [en línea]. Bogotá: Revista Metal actual [citado 10

noviembre 2016]. Disponible en Internet: <URL: http://www.metalactual.com/revista/22/materiales_fibra.pdf> 2 VALENCIA CASTRO, Plinio Andrés y QUINTANA CRUZ, Cristian Darío. Análisis comparativo entre el

concreto simple y el concreto con adición de fibra de acero al 12% y 14%. Bogotá: Universidad Católica de Colombia. Facultad de Ingeniería. Modalidad trabajo de grado, 2016. p. 13

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1. GENERALIDADES Existen diversas investigaciones sobre la mejora de las propiedades mecánicas del concreto mediante la adición o reemplazo de un material con mejores características físicas y mecánicas. Existen algunas investigaciones sobre la adición de fibras de acero, virutas de acero, desechos de alto horno, puzolana y otros materiales los cuales incrementaron la resistencia del concreto. 1.1 ANTECEDENTES Teniendo en cuenta los antecedentes que se relacionan en la Tabla 1, y las conclusiones, se determinó un porcentaje de incorporación de fibras de acero como reemplazo parcial del cemento. “La fibra de acero se aplica en diversas obras. Por lo cual decidió analizar el comportamiento de dicha fibra para hacer una indagación sobre la respuesta a la tracción del concreto adicionado con fibras. La fibra de acero proporciona resistencia a la compresión, a la tensión y mejora la ductilidad del concreto”3. Sacando beneficio de la información ya mencionada sobre la fibra, se busca mejorar las técnicas y el conocimiento sobre la tecnología del concreto con adición o sustituido con diversos porcentajes de fibras de acero (véase el Cuadro 1). Cuadro 1 Antecedentes

Titulo Autores Año

Análisis comparativo del concreto simple y concreto reforzado con adición de fibras de acero del 8%, 10%

y 12% del agregado fino de la mezcla

Plinio valencia Cristian Quintana

2015

Comportamiento mecánico de un concreto fluido adicionado con ceniza de cascarilla de arroz (cca) y

reforzado con fibras de acero

Pedro Mattey Rafael Robayo Silvio Delbasto

2013

Comportamiento del concreto reforzado con fibras de acero zp-306 sometido a esfuerzos de compresión

Lina Gallo Arciniegas, Giovani Gonzalez Peñiela,

Julian Carrillo Leon 2013

Exploración con redes neuronales artificiales para estimar la resistencia a la compresión en concretos

reforzados con fibras de acero

Aydee Patricia Guerrero, Luis Octavio González

Salcedo 2012

Hormigones con fibra de acero características mecánicas

Patricia Cristina Mamol Salazar

2010

Análisis comparativo entre concreto hidráulico simple y el reforzado con fibras de acero

José Castañeda Ávila, Cecilia Olague, Facundo Almeralla, Citialli Gaona,

Alberto Martínez

2000

Fuente. Los Autores.

3 Ibíd.,p. 11

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1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA El concreto ha sido uno de los principales materiales aprovechados en la construcción; basta recorrer y observar las distintas obras que se encuentran en las calles de nuestro país y otros países que manejan este material, construcciones tales como casas, edificios, hospitales, centros comerciales, vías y demás estructuras que requieran el uso del concreto. Debido a que en numerosas obras se necesita el concreto tanto convencional como modificado se ha propuesto la implementación de fibras de acero como refuerzo para un desempeño óptimo de las propiedades mecánicas del concreto. Por tal razón se investigará si el porcentaje de 4% y 6% del agregado fino son los ideales para obtener una resistencia mayor que la de diseño. 1.2.1 Descripción del problema. Al analizar y experimentar, con las fibras de acero, poco a poco se ha ido acertando con la dosificación que se debe aplicar a la mezcla de concreto, para obtener la resistencia requerida en las construcciones y generar un factor de seguridad adicional al que se encuentra estimado para un concreto convencional, y con ello asegurar una sobresaliente vida útil a las obras y a su vez disminuyendo el riesgo para la vida humana. Una vez seleccionado el porcentaje de material de refuerzo se realizaran los ensayos de compresión, tracción indirecta y flexión, para garantizar que la resistencia de los concretos modificados sea mayor que la resistencia de los concretos convencionales. 1.2.2 Formulación del problema. ¿La fibra de acero incorporada al concreto incrementa su resistencia a las propiedades mecánicas en comparación con la resistencia del concreto convencional? ¿Un porcentaje adecuado es del 4 o 6%?. 1.3 OBJETIVOS 1.3.1 Objetivo General. Realizar para un concreto de resistencia a la compresión de 3000 PSI un análisis comparativo de la resistencia a la compresión, tensión indirecta y flexión del concreto convencional y el concreto reforzado con la adición de fibras de acero del 4% y 6% en busca de una mejor resistencia a los esfuerzos. 1.3.2 Objetivos específicos. Realizar para un concreto de resistencia a la compresión de 3000 psi, probetas de concreto convencional y probetas de concreto reforzado mediante la adición de las fibras correspondientes al 4% y 6%.

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Ejecutar los ensayos de tensión indirecta, compresión y flexión en cada una de las probetas a edades de 7, 14, y 28 días. Realizar un análisis estadístico de las pruebas arrojadas en los ensayos de laboratorio comparando los resultados a las resistencias de todas las probetas, y establecer cuál es la que presenta mejores resultados en términos de las resistencias evaluadas. 1.4 JUSTIFICACIÓN Dentro de la ingeniería civil, el concreto es uno de los materiales más usados para la construcción, debido a su gran versatilidad, manejabilidad, la característica de poder adaptarse en cualquier espacio o molde donde sea fundido, y al endurecerse obtener las características de las rocas. El concreto se produce mediante la mezcla de componentes esenciales que son, cemento hidráulico, agregados pétreos y agua, su función es resistir a los esfuerzos que se apliquen sobre la misma; por tal motivo, se buscó añadir un cuarto elemento como las fibras de acero buscando mejorar cada una de sus propiedades y dosificarlo de tal manera que resulte económicamente viable. De acuerdo con lo anterior, la presente investigación se realizará con el fin de generar una dosificación óptima con los porcentajes de fibras utilizados, demostrando mediante datos verídicos la eficacia de los mismos. Esto se desarrollará mediante probetas de concreto convencional y modificado, a las que se realizarán los ensayos respectivos para determinar su resistencia. El uso de fibras de acero tendrá un beneficio mutuo, tanto para las personas que habiten las construcciones desarrolladas de esta manera, como para los productores de las fibras que se lucran de dicha actividad. Dicho esto, es necesario implementar las fibras de acero para el mejoramiento y comodidad de las construcciones, impulsando en el país nuevas tecnologías y materiales que generen un impacto en el desarrollo económico, tecnológico y social. La finalidad de este proyecto es analizar mediante ensayos de compresión, tracción y flexión, las muestras de concreto de dosificación normal y compararlo con los resultados obtenidos de muestras modificadas con fibras de acero en un 4% y 6% del volumen del agregado fino, para determinar cuál de estos porcentajes es el óptimo para el uso como concreto estructural de 3000 PSI cumpliendo con los valores exigidos en la norma. 1.5 DELIMITACIÓN 1.5.1 Espacio. Capacidad en el laboratorio, cantidad de moldes disponibles, manejabilidad de las fibras en la generación de los cilindros.

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1.5.2 Tiempo. El tiempo para el desarrollo de este trabajo fue el apropiado, debido a que se realizaron todos los ensayos pertinentes. 1.5.3 Contenido. Se realizarán las pruebas requeridas a las probetas en cada una de las edades 7, 14 y 28 días para los ensayos de compresión y flexión. Por otro lado, para el ensayo de tracción indirecta solo se realizarán a las edades de 7 y 28 días puesto que en la Universidad no se encuentra el equipo necesario para realizar este ensayo y hacerlo en un laboratorio privado sale costoso. 1.5.4 Alcance. Se desea dejar un aporte en la indagación de la mejora de los concretos al adicionar fibras, conociendo cuáles deben ser las proporciones ideales para obtener un concreto con mejoras en las resistencias evaluadas, siendo este tema parte de una de las líneas de investigación del programa de pavimentos y materiales, Concretos modificados. 1.6 MARCO REFERENCIAL 1.6.1 Marco teórico. 1.6.1.1 El concreto reforzado con fibras de acero (CRFA). El concreto reforzado con fibras de acero ha evolucionado desde ser un material de construcción, hasta ser una alternativa usada para mejorar, tanto el concreto convencional simple, como el concreto reforzado con barras o malla electro soldada. Es evidente que el comportamiento a tensión del concreto simple es deficiente, lo cual se podría mejorar con la adición de fibras al concreto.

En general, las fibras controlan la fisuración y mejoran la tenacidad del concreto. Varias investigaciones y proyectos prácticos se han llevado a cabo con éxito para caracterizar y estudiar el comportamiento del concreto. A pesar de esta amplia experiencia, una de las principales causas de la poca utilización del concertó reforzado con fibras de acero en las construcciones de Colombia, ha sido la ausencia de recomendaciones prácticas para estimar el comportamiento. Aunque el Reglamento Colombiano de Construcción Sismo Resistente (NSR-10) permite el uso de fibras de acero en el concreto para resistir cortante en vigas, NSR-10 excluye su uso en otros elementos tales como muros de concreto. Adicionalmente, en NSR-10 no se indican ecuaciones para estimar las propiedades mecánicas del concreto reforzado con fibras de acero. El uso de fibras de acero en el concreto contribuye a mejorar el proceso constructivo y el comportamiento sísmico de elementos estructurales, lo que redunda en viviendas más económicas y seguras4.

4 GALLO-ARCINIEGAS, Lina P.; GONZÁLEZ PEÑUELA, Giovanni y CARRILLO LEÓN, Julián.

Comportamiento del concreto reforzado con fibras de acero ZP-306 sometido a esfuerzos de compresión. En: Ciencia e Ingeniería Neogranada. Enero – junio, 2013. vol. 23, no.1, p. 118.

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1.6.1.2 Concreto. Es la unión de cemento, agua, aditivos, grava y arena lo que genera una mezcla llamada concreto. “El cemento representa sólo el 15% en la mezcla del concreto por lo que es el que ocupa menor cantidad en volumen; sin embargo su presencia en la mezcla es esencial. Al concreto se le agrega un aditivo el cual tiene diferentes funciones tales como reducir el agua, acelerar la resistencia e incrementar su trabajabilidad”5. 1.6.1.3 Acero. El acero es una aleación de hierro con una cantidad de carbono que puede variar entre 0,03% y 1,075% en peso de su composición, dependiendo del grado. Acero no es lo mismo que hierro, y ambos materiales no deben confundirse.

El hierro es un metal relativamente duro y tenaz, con diámetro atómico (dA) de 2,48 Å, con temperatura de fusión de 1535 °C y punto de ebullición 2740 °C. La diferencia principal entre el hierro y el acero se halla en el porcentaje de carbono: el acero es hierro con un porcentaje de carbono de entre el 0,03% y el 1,075%. El acero conserva las características metálicas del hierro en estado puro, pero la adición de carbono y de otros elementos tanto metálicos como no metálicos mejora sus propiedades físico-químicas, sobre todo su resistencia. Cada tipo de acero permitirá diferentes aplicaciones y usos, lo que lo hace un material versátil y muy difundido en la vida moderna, donde se encuentra fácilmente. Los dos componentes principales del acero se encuentran en abundancia en la naturaleza. El acero se puede reciclar indefinidamente sin perder sus atributos, lo que favorece su producción a gran escala. Esta variedad y disponibilidad lo hace apto para numerosos usos como la construcción de maquinaria, herramientas, edificios y obras públicas, aeronáutica, industria automotriz, instrumental médico, etc… contribuyendo al desarrollo tecnológico de las sociedades industrializadas, pues ningún material logra igualarlo cuando se trata de resistencia al impacto o la fatiga6 .

1.6.1.4 Fibras de acero. Las fibras como tal, son elementos delgados de longitud corta y diámetro pequeño, que pueden ser utilizadas para formar hilos del material que estén compuestas. En la actualidad, gracias a estudios de fibras en la construcción –llevados a cabo durante los últimos cincuenta años–, la industria ha desarrollado fibras de polipropileno, vidrio, nylon y acero, que cumplen la misma función de las fibras utilizadas siglos atrás, con la diferencia de que son creadas con especificaciones

5 HOLCIM. Concreto [en línea]. México: La Empresa [citado 10 noviembre, 2016]. Disponible en Internet:

<URL: http://www.holcim.com.mx/productos-y-servicios/concreto.html> 6 EL ACERO. Que es el acero [en línea]. México: La Empresa [citado 10 noviembre, 2016]. Disponible en

Internet: <URL: http://www.alacero.org/es/page/el-acero/que-es-el-acero>

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técnicas y en materiales más resistentes, para responder a necesidades específicas.

Particularmente, las fibras de acero, según estudios técnicos como los realizados por Griffith en 1920 o los de Romualdi y Batson en 1963, mezcladas con el hormigón o concreto, incrementan significativamente las propiedades físicas de este último, le disminuye su tendencia a agrietarse, y le otorga flexibilidad y durabilidad. También es posible que este elemento, que oscila entre 5 y 6 cm de longitud y puede tener menos de 0.025mm de diámetro, añadido en grandes cantidades a la mezcla del hormigón, sea capaz de mejorar la resistencia de la estructura en caso de terremoto. El proceso de fabricación de este insumo es fundamental para lograr dichas características7.

1.6.2 Marco conceptual. 1.6.2.1 Diseño de mezclas de concreto.

Es importante saber que se han realizado una gran cantidad de trabajos relacionados con los aspectos teóricos del diseño de mezclas de concreto, en buena parte se entiende que el diseño de mezcla es un procedimiento empírico, y aunque hay muchas propiedades importantes del concreto, la mayor parte de procedimientos de diseño están basados principalmente en lograr una resistencia a compresión para una edad determinada, así como la manejabilidad apropiada para un tiempo determinado. Además se debe diseñar para unas propiedades que el concreto debe cumplir cuando una estructura se coloca en servicio. Una mezcla se debe diseñar tanto para estado fresco como para estado endurecido. Las principales exigencias que se deben cumplir para lograr una dosificación apropiada en estado fresco son las de manejabilidad, resistencia, durabilidad y economía8.

1.6.2.2 Manejabilidad. “Es importante que el concreto se diseñe con la manejabilidad adecuada para la colocación, esta depende principalmente de las propiedades y características de los agregados y la calidad del cemento. Cuando se necesita mejorar las propiedades de manejabilidad, se puede pensar en incrementar la cantidad de mortero”9.

7 LOZANO, E. y SEPÚLVEDA, Carlos Elias. Fibra de acero [en línea]. Bogotá: Revista Metal actual [citado 10

noviembre 2016]. Disponible en Internet: <URL: http://www.metalactual.com/revista/22/materiales_fibra.pdf> 8 LAURA HUANCA, Samuel. Diseño de Mezclas de Concreto [en línea]. Madrid: Universidad Nacional del

Altiplano [citado 10 noviembre, 2016]. Disponible en Internet: <URL: http://itacanet.org/esp/construccion /concreto/dise%C3%B1o%20de%20mezclas.pdf> 9 LAURA HUANCA, Samuel. Diseño de Mezclas de Concreto [en línea]. Madrid: Universidad Nacional del

Altiplano [citado 10 noviembre, 2016]. Disponible en Internet: <URL: http://itacanet.org/esp/construccion /concreto/dise%C3%B1o%20de%20mezclas.pdf>

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1.6.2.3 Resistencia y durabilidad del concreto. En general las especificaciones del concreto requerirán una resistencia mínima a compresión. Estas especificaciones también podrían imponer limitaciones en la máxima relación agua/cemento (a/c) y el contenido mínimo de cemento. Es importante asegurar que estos requisitos no sean mutuamente incompatibles. No necesariamente la resistencia a compresión a 28 días será la más importante, debido a esto la resistencia a otras edades podría controlar el diseño.

Las especificaciones también podrían requerir que el concreto cumpla ciertos requisitos de durabilidad, tales como resistencia al congelamiento y deshielo o ataque químico. Estas consideraciones podrían establecer limitaciones adicionales en la relación agua cemento (a/c), el contenido de cemento y en adición podría requerir el uso de aditivos. Entonces, el proceso de diseño de mezcla, envuelve cumplir con todos los requisitos antes vistos. Asimismo debido a que no todos los requerimientos pueden ser optimizados simultáneamente, es necesario compensar unos con otros; (por ejemplo puede ser mejor emplear una dosificación que para determinada cantidad de cemento no tiene la mayor resistencia a compresión pero que tiene una mayor trabajabilidad). Finalmente debe ser recordado que incluso la mezcla perfecta no producirá un concreto apropiado si no se lleva a cabo procedimientos apropiados de colocación, acabado y curado10.

1.6.3 Marco legal. Especificaciones técnicas de la sección 400 (concreto hidráulico), normas de ensayo de materiales para carreteras, instituto nacional de vías INVIAS: I.N.V.E – 401 Toma de muestra de concreto fresco. I.N.V.E – 402 Elaboración y curado de especímenes de concreto en la elaboración para ensayos de compresión y flexión. I.N.V.E – 404 Asentamiento del concreto de cemento hidráulico I.N.V.E – 408 Uso de tapas no adheridas en la determinación de la resistencia a la compresión de cilindros de concreto endurecido. I.N.V.E – 410 Resistencia del concreto a la compresión.

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LAURA HUANCA, Samuel. Diseño de Mezclas de Concreto [en línea]. Madrid: Universidad Nacional del Altiplano [citado 10 noviembre, 2016]. Disponible en Internet: <URL: http://itacanet.org/esp/construccion /concreto/dise%C3%B1o%20de%20mezclas.pdf>

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I.N.V.E – 411 Ensayo tracción por hendimiento (Tracción indirecta) de cilindros de concreto. I.N.V.E – 414 Resistencia a la flexión del concreto usando una viga simplemente apoyada y cargada en los tercios de la luz libre. I.N.V.E – 415 Resistencia a la flexión del concreto usando una viga simplemente apoyada y cargada en el punto central. I.N.V.E – 422 Medida de la resistencia a la compresión del concreto a una edad temprana y proyección a una edad posterior 1.6.4 Marco histórico. La historia registra que fue en 1874 cuando se patentó el primer concreto reforzado con fibra, aunque es bien conocido que en épocas inmemoriales se usaban fibras de origen natural para reforzar las estructuras en concreto. “Las fibras no son un material reciente o nuevo. Remontándose hace 4000 años ya se empleaban fibras como adición a otro material para mejorar sus propiedades. Hay muchos ejemplos a lo largo de la historia del uso de las fibras: en la baja Mesopotamia los adobes de barro cocidos al sol se armaban con paja y hasta hace unos años se utilizaban los pelos de cabra o caballo para armar el yeso”11. Este tipo de fibras naturales se utilizaron hasta el año 1935 aproximadamente. Las fibras para el refuerzo del concreto son pequeños filamentos, de diversos materiales, cortados y formados en distintas y pequeñas longitudes y diámetros (diámetros entre 0.1 y 1.30 milímetros y longitudes que llegan hasta los 90 milímetros); éstas características de forma depende de los usos o aplicaciones a los que serán sometidas dichas fibras. Clasificación de las fibras: Las fibras pueden ser de tipo metálico o de tipo sintético según el material con el que son fabricadas. Las fibras sintéticas: son fabricadas a partir de nylon, polipropileno, poliéster, polietileno, acrílico, carbón, vidrio, etc. Estas fibras se utilizan como complemento del concreto en construcciones para controlar los efectos de humedad y las pérdidas de agua en la etapa plástica, es decir, en las primeras 48 horas de vertido el concreto, previniendo la formación de fisuras o la segregación de la mezcla.

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BEKAER, R. Fibras de acero DRAMIX [en línea]. Lima: Colegio de Ingenieros de Perú [citado 13 noviembre, 2017]. Disponible en Internet: <URL: http://www.cip.org.pe/imagenes/temp/tesis/40625031.pdf>

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Las fibras metálicas: pueden ser fabricadas a partir de láminas de acero cortadas o por medio de hilos de acero bajo en carbono trefilado a los diámetros de la fibra.

Las fibras metálicas son utilizadas para reforzar el concreto proporcionando propiedades mecánicas para fines de diseño estructural; éstas incrementan la tenacidad del concreto, agregan capacidad de carga posterior al agrietamiento del concreto y le dan un incremento en la resistencia al impacto, adicionalmente, previenen el agrietamiento durante su vida útil y dan mayor resistencia a la fatiga. Existen diversas aplicaciones de las fibras para el refuerzo del concreto. Las principales aplicaciones son: pisos y pavimentos, prefabricados, concreto lanzado, construcción de túneles, concreto resistente a explosiones y concreto de ultra-alta resistencia. Como se mencionó anteriormente, las fibras se fabrican dependiendo de éstas aplicaciones, ya que según los requerimientos estructurales que se busquen en las obras se utilizan fibras con unas u otras características técnicas. Por ejemplo, para construcción de túneles, se utilizan fibras cortas, en longitudes de hasta 50mm de largo, ya que el concreto debe ser lanzado y las dimensiones de las boquillas de salida del equipo de bombeo no permiten que se utilicen fibras largas dado que se atorarían dentro del dispositivo; Para aplicación en pisos industriales, por ejemplo, la fibra recomendada por los constructores es la ondulada, ya que se busca obtener una mayor adherencia dentro del piso de

concreto, garantizando mejores propiedades finales12. El uso de fibras metálicas y sintéticas en el refuerzo del concreto puede ser complementario, estos tipos de fibras juntos son una excelente mezcla para evitar fisuras en estado fresco o plástico (Sintéticas) y limitar las fisuras que se pueden generar en estado endurecido (Metálicas), como se menciona anteriormente. 1.6.5 Estado del arte. Actualmente el desarrollo del concreto con la adición de fibras de acero, ha tenido un auge importante en Colombia. Entre sus aplicaciones más comunes se tienen desde el refuerzo de pisos industriales, comerciales y pistas de aeropuertos, hasta el lineamiento de túneles y la estabilización de taludes, a través de concreto lanzado. Las fibras metálicas adicionadas al concreto han demostrado mejorar el desempeño mecánico y su capacidad portante. Las fibras pueden reemplazar el uso de las mallas electrosoldadas para el refuerzo del concreto, dependiendo de la calidad y del tipo de fibra que se utilice. En ocasiones, este producto se utiliza como complemento de las mallas electrosoldadas, dependiendo de los intereses y gustos de los constructores y de la obra que se quiera reforzar.

12

ANGEL ARANGO, Alejandro y LOPERA RENDÓN, Daniel. Estudio de factibilidad para producción de fibras de acero para refuerzo del concreto, caso: TRETECSA S.A.S. [en línea]. Envigado: Escuela de Ingeniería de Antioquia [citado 13 noviembre, 2016]. Disponible en Internet: <URL: http://repository.eia.edu.co/ bitstream/11190/240/1/ADMO0819.pdf>

22

Las fibras metálicas para el refuerzo del concreto, no sólo pueden reemplazar las mallas electrosoldadas, sino que también pueden disminuir los costos en los que se incurre si sólo se utiliza malla para el mismo fin. El trabajo con fibra se hace mucho más sencillo, teniendo en cuenta el manejo y el armado del armazón de las mallas, por lo que se hace, para el constructor, más rentable utilizar fibra por el ahorro en la mano de obra; al utilizar fibra no se generan desperdicios de material, lo que sí puede suceder si se utiliza malla, tampoco exige inversiones importantes para el transporte y almacenamiento, como sí lo hacen las mallas electrosoldadas. El uso de fibras metálicas y sintéticas en el refuerzo del concreto puede ser complementario, estos tipos de fibras juntos son una excelente mezcla para evitar fisuras en estado fresco o plástico (Sintéticas) y limitar las fisuras que se pueden generar en estado endurecido (Metálicas), como se menciona anteriormente13.

Al analizar y experimentar, con las fibras de acero, poco a poco se ha ido acertando con la dosificación que se debe aplicar a la mezcla de concreto, esto con el fin de asegurar prolongar la vida útil del concreto, adicionalmente la disminución en los tiempos y costos de construcción. 1.7 METODOLOGÍA En este estudio se diseñarán mezclas de concreto simple y reforzado; el concreto reforzado se diseñará con diferentes porcentajes de fibra de acero respecto al agregado fino, con el fin de poder analizar el comportamiento de los diferentes diseños mencionados, a partir de las recomendaciones realizadas en los trabajos previos, respecto al comportamiento de concreto cuando se le adiciona fibras de acero. Vale la pena resaltar que para poder obtener la finalidad que se quiere en este estudio debemos seguir un proceso, el cual comienza desde el lavado de la viruta de acero siguiendo con el diseño de mezcla y finalizando con los ensayos de resistencia a la compresión, tensión y flexión, teniendo en cuenta que el material que se va a utilizar cuenta con unas propiedades fisicoquímicas que hay respetar para no cometer errores y lograr la resistencia a compresión del concreto con adición de fibra de acero en distintos porcentajes 4% y 6%, respecto al agregado fino de la mezcla. 1.7.1 Tipo de estudio. Será investigativo en la medida que se observarán y analizarán cada una de las variables en estudio, porque se trabajará con probetas de concreto las cuales se les estará tomando datos verídicos en las edades establecidas.

13

ANGEL ARANGO, Alejandro y LOPERA RENDÓN, Daniel. Estudio de factibilidad para producción de fibras de acero para refuerzo del concreto, caso: TRETECSA S.A.S. [en línea]. Envigado: Escuela de Ingeniería de Antioquia [citado 13 noviembre, 2016]. Disponible en Internet: <URL: http://repository.eia.edu.co/ bitstream/11190/240/1/ADMO0819.pdf>

23

1.7.2 Fuentes de información. Las fuentes de información para este trabajo de investigación se desarrolla con base en libros, artículos científicos y normas debidamente relacionadas en la bibliografía. 1.7.3 Proceso para diseño de mezclas en concreto. Para el diseño de mezclas se tendrá en cuenta: Verificar las granulometrías de los agregados Contenido de material cementante Definición de la resistencia Compresión/flexión Definir relación agua/material cementante Los métodos de diseño de mezclas de concreto, “van desde los analíticos experimentales y empíricos, hasta volumétricos, todos estos métodos han evolucionado y ha llevado a procedimientos acordes con las necesidades de los proyectos y se han desarrollado algunas guías ya normalizadas para darle cumplimiento a la calidad del concreto en la obras”14. 1.7.4 Pasos para las proporciones. Se resume la secuencia del diseño de mezclas de la siguiente manera: Estudio detallado de los ensayos y especificaciones técnicas del concreto. Elección de la resistencia promedio. Elección del Asentamiento (Slump) Selección del tamaño máximo del agregado grueso. Estimación del agua de mezclado y contenido de aire. Selección de la relación agua/cemento (a/c). Cálculo del contenido de cemento. Estimación del contenido de agregado grueso y agregado fino. 1.7.5 Construcción de cilindros de concreto. La construcción de los cilindros de concreto vendrá después de haberse desarrollado el diseño de mezcla de concreto en la Universidad Católica de Colombia. Se desarrolla en el mismo proceso los treinta (36) cilindros que se van a ensayar diez (10) de cada una de las mezclas, a tres (3), siete (7) y veintiocho (28) días 1.7.6 Ensayo de compresión y tensión de los cilindros en concreto. En los laboratorios de la Universidad Católica de Colombia se probarán los cilindros de concreto ya curados.

14

OSORIO, Jesús David. Diseño De mezclas de concreto: conceptos básicos [en línea]. Bogotá: 360 en Concreto [citado 13 febrero, 2016]. Disponible en Internet: <URL: http://blog.360gradosenconcreto.com /diseno-de-mezclas-de-concreto-conceptos-basicos/>

24

Se obtendrán los diámetros y las fuerzas máximas aplicadas, para poder realizar los cálculos respectivos y obtener los esfuerzos de compresión y tensión de las muestras.

25

2. DISEÑO METODOLÓGICO 2.1 CARACTERIZACIÓN DE LAS FIBRAS DE ACERO Para el uso de las fibras de acero como material de refuerzo se trabajó con el material del proveedor BEKAERT, el cual viene en una presentación de bolsa de 9 Kg. (véase las Figura 1 y Figura 2). Figura 1. Malla en Bolsa Dramix

Fuente. BEKAERT. Mala dramix [en línea]. Bogotá: La Empresa [citado 10 febrero, 2017]. Disponible en Internet: <URL: http://www.bekaert.com/es-MX/productos/construccion/refuerzo-de-hormigon/fibras-de-acero-dramix-3d-para-refuerzo-de-hormigon> Figura 2. Fibras de Acero Dramix

Fuente. BEKAERT. Mala dramix [en línea]. Bogotá: La Empresa [citado 10 febrero, 2017]. Disponible en Internet: <URL: http://www.bekaert.com/es-MX/productos/construccion/refuerzo-de-hormigon/fibras-de-acero-dramix-3d-para-refuerzo-de-hormigon>

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Cuadro 2. Ficha Técnica

TIPO DE FIBRA DRAMIX 3D

Longitud (L) 35 mm

Diámetro (d) 0,55 mm

Relación de esbeltez (L/d) 63,63

Resistencia a la tracción 1345 N/mm2

Módulo de Young ± 210000 N/mm2

Red de fibra 14.500 fibras/ Kg

Fuente. BEKAERT. Mala dramix [en línea]. Bogotá: La Empresa [citado 10 febrero, 2017]. Disponible en Internet: <URL: http://www.bekaert.com/es-MX/productos/construccion/refuerzo-de-hormigon/fibras-de-acero-dramix-3d-para-refuerzo-de-hormigon> 2.1.1 Materiales. Durante la elaboración de los ensayos se utilizaron los siguientes materiales: Cemento CEMEX súper resistente (véase la Figura 3). Arena Agua Grava Figura 3. Cemento Cemex

Fuente. CEMEX. Productos [en línea]. Bogotá: La Empresa [citado 10 febrero, 2017]. Disponible en Internet: <URL: http://www.cemexcolombia.com/Index.aspx>

27

2.1.2 Equipos. Los equipos que se usarán son los siguientes: Molde de probetas (10x20) con dos ajustes uno inferior y uno superior (véase la Figura 4) Balanza electrónica (véase la Figura 5). Varilla compactadora (véase la

28

Figura 6). Figura 4. Molde probeta

Fuente. Los Autores. Figura 5. Balanza electrónica

Fuente. Los Autores.

29

Figura 6. Varilla Compactadora

Fuente. Los Autores. Flexómetro Pie de rey Carretilla Palustre Probeta de 1000 ml Martillo de Goma Prensa hidráulica para ensayos de compresión (véase la Figura 7) y flexión (véase la

30

Figura 8(. Figura 7. Prensa Hidráulica para Compresión

Fuente. Los Autores

31

Figura 8. Prensa hidráulica modificada para flexión

Fuente. Los Autores Equipo para tracción indirecta Figura 9. Equipo para Tracción Indirecta

Fuente. Los Autores 2.1.3 Dosificación. Para 1 probeta convencional. A continuación se presenta la dosificación de materiales para 1 probeta convencional (véase el

32

Cuadro 3).

33

Cuadro 3. Dosificación Probeta Convencional

INGREDIENTE CANTIDAD

Agua 350 mililitros

Grava 2 kg

Cemento 670 g

Arena 1.330 g

Fuente. Los Autores Para 1 probeta modificada al 4% con fibras de acero. A continuación se presenta la dosificación de materiales para 1 probeta modificada al 4% (véase el Cuadro 4). Cuadro 4. Dosificación Probeta Modificada al 4%

INGREDIENTE CANTIDAD

Agua 350 mililitros

Grava 2 kg

Cemento 670 g

Arena 1.280 g

Fibras de acero 53,33 g

Fuente. Los Autores Para 1 probeta modificada al 6% con fibras de acero. A continuación se presenta la dosificación de materiales para 1 probeta modificada al 6% (véase el Cuadro 5). Cuadro 5. Dosificación Probeta Modificada al 6%

INGREDIENTE CANTIDAD

Agua 350 mililitros

Grava 2 kg

Cemento 670 g

Arena 1.254 g

Fibras de acero 80 g

Fuente. Los Autores Para 1 Viga convencional. A continuación se presenta la dosificación de viga convencional (véase el Cuadro 6). Cuadro 6. Dosificación Viga convencional

INGREDIENTE CANTIDAD

Agua 2.190 mililitros

Grava 12 kg

Cemento 4 Kg

Arena 8 Kg

Fuente. Los Autores

34

Para 1 Viga modificada al 4% con fibras de acero. A continuación se presenta la dosificación de viga modificada 4%l (véase el Cuadro 7). Cuadro 7. Dosificación Viga Modificada al 4%

INGREDIENTE CANTIDAD

Agua 2190 mililitros

Grava 12 Kg

Cemento 4 Kg

Arena 7680 g

Fibras de acero 320 g

Fuente. Los Autores Para 1 Viga modificada al 6% con fibras de acero. A continuación se presenta la dosificación de viga modificada 6%l (véase el Cuadro 8). Cuadro 8. Dosificación Viga modificada al 6%

INGREDIENTE CANTIDAD

Agua 2190 mililitros

Grava 12 Kg

Cemento 4 Kg

Arena 7520 g

Fibras de acero 480 g

Fuente. Los Autores 2.1.4 Diseño de mezcla. El diseño de una mezcla consiste en elaborar los pasos a desarrollar durante el producto deseado, así como la selección de las proporciones ideales de cada elemento que conforma el concreto, con el fin de obtener mejores resultados, Actualmente se están manejando varios métodos para el diseño de mezclas como el método ACI, método de FULLER, método de WALKER, método de módulo de Fineza. Para el desarrollo de este proyecto de investigación se desarrollará el procedimiento empírico del libro Tecnología del concreto y del mortero de Diego Sánchez de Guzmán. 2.1.4.1 Procedimiento de diseño. Selección del asentamiento. Para determinar el asentamiento se desarrolló con base a la siguiente tabla en la que se muestra la relación que hay entra la consistencia de la mezcla y el asentamiento, además de señalar el tipo de construcción, el sistema de colocación y de compactación para los distintos tipos de mezcla. Para esta investigación se seleccionó un asentamiento entre 50 y 100 mm de la cual se tomó como promedio 75 mm para una colocación manual, la cual resulta la más apropiada para lo que se desea realizar (véase el Cuadro 9).

35

Cuadro 9. Asentamiento Recomendados para Diferentes Tipos de Construcción

Fuente. SÁNCHEZ DE GUZMÁN. Diego. Tecnología del concreto y del mortero. Bogotá Pontificia Universidad Javeriana, 2001.p. 228 Selección del tamaño máximo del agregado. Se sabe que el agregado dentro del concreto cumple una función muy importante la cual es darle el relleno a la mezcla reduciendo la cantidad de cemento por metro cúbico, como también ayuda a reducir los cambios volumétricos resultantes del fraguado, curado y secado de la mezcla de concreto. Para clasificar por tamaño el agregado, es necesario dividirlo de acuerdo a lo que pasa o queda retenido en el tamiz, con base a lo estipulado en la norma técnica colombiana NTC 32 el tamaño de la partícula se divide en dos clases de agregados, finos y gruesos, el fino es aquel que pasa el tamiz N° 4 y queda retenido en el tamiz N° 200 y el grueso es aquel que queda retenido el 100% en el tamiz N° 4 o superior. De acuerdo a lo anterior existe un límite en la cantidad de agregados en la mezcla de concreto, sí la cantidad de agregados gruesos es excesiva se presentará un fenómeno denominado segregación; por otro lado, si hay gran cantidad de agregados finos perjudicarán en la manejabilidad y la resistencia del concreto.

36

Otro de los factores es la geometría del material, como lo son las caras fracturas ya que pueden “asegurar un buen desempeño en el concreto, también se tiene en cuenta la forma del agregado, en el cual no deberían usarse agregados lisos, planos y alargados ya que disminuyen su resistencia. Se debe considerar el uso que va a tener el concreto, por lo cual se hizo el diseño con una dimensión mínima de 10 cm, para muros reforzados y columnas, los datos que nos arrojó (véase tabla 6) fue un tamaño máximo entre y ”15 (véase el Cuadro 10). Cuadro 10. Tamaño Máximo Agregados Según Tipo de Construcción

Fuente. SÁNCHEZ DE GUZMÁN. Diego. Tecnología del concreto y del mortero. Bogotá Pontificia Universidad Javeriana, 2001.p. 230 Estimación del contenido de aire. En el desarrollo de una mezcla de concreto, queda aire naturalmente atrapado, donde se tienen en cuenta los tipos de ambiente a las que puede estar sometido una mezcla de concreto, relacionados en la siguiente tabla. Para la mezcla que se realizó no hubo una exposición severa de la mezcla al aire, ya que se trabajó en el laboratorio y es un ambiente controlado; por tal motivo, se asume que el porcentaje de aire por volumen de mezcla será de 2,5% para un tamaño de agregado de ½” (véase el Cuadro 11). Cuadro 11. Contenido de Aire Esperado en Concreto y Niveles de Aire para Diferentes Tamaños Máximos de Agregados

Fuente. SÁNCHEZ DE GUZMÁN. Diego. Tecnología del concreto y del mortero. Bogotá Pontificia Universidad Javeriana, 2001.p. 232

15

SÁNCHEZ DE GUZMÁN. Diego. Tecnología del concreto y del mortero. Bogotá Pontificia Universidad Javeriana, 2001.p. 230

37

Estimación del contenido de agua mezclado. La estimación de la cantidad de agua que debe tener la mezcla es fundamental para cumplir con la resistencia del diseño, además de que al entrar en contacto con el cemento genera un proceso de hidratación que desencadena una serie de reacciones que terminan dándole al material sus propiedades físicas y mecánicas, adicionalmente proporciona las condiciones de manejabilidad adecuadas que permiten su aplicación. Para el diseño se busca el asentamiento esperado el cual será de 4” y con el tamaño máximo del agregado, se conoce cuál es el valor de contenido de agua 207 Kg/m3

(véase el Cuadro 12). Cuadro 12. Contenido de Agua para los Diferentes Tamaños de Agregado y Asentamientos

Fuente. SÁNCHEZ DE GUZMÁN. Diego. Tecnología del concreto y del mortero. Bogotá Pontificia Universidad Javeriana, 2001.p. 233 Estimación de la resistencia de diseño. La norma sismo resistente y las normas de diseño y construcción exigen que se cumpla con unos parámetros para que el concreto cumpla la resistencia mínima esperada. Con relación al proyecto de investigación que se está realizando es con una resistencia de 3000 PSI o 210 Kgf/cm2, y al no poseer datos estadísticos se asume el valor especificado a continuación (véase el Cuadro 13) Cuadro 13. Resistencia Requerida de Diseño, Cuando no hay Datos Estadísticos

Fuente. SÁNCHEZ DE GUZMÁN. Diego. Tecnología del concreto y del mortero. Bogotá Pontificia Universidad Javeriana, 2001.p. 237

38

Estimación relación agua/cemento. Determinar la relación agua/cemento es la parte fundamental para obtener la resistencia de diseño deseada por eso es importante el control de adición de agua a la mezcla, concretos con alto contenido de agua pueden generar resistencias bajas a cambio de mejor manejabilidad, por el contrario relación de agua/cemento bajas contribuyen de manera significativa a su resistencia, pero afecta la manejabilidad, por tal motivo se desarrollaron tablas que fueron preparadas empíricamente. Para la resistencia de diseño que se manejará en este proyecto de investigación al ser un concreto de 3000 PSI o 210 Kg/cm2 la relación agua cemento usada fue de 0,58 (véase el Cuadro 14). Cuadro 14. Relación Agua / Cemento

Fuente. SÁNCHEZ DE GUZMÁN. Diego. Tecnología del concreto y del mortero. Bogotá Pontificia Universidad Javeriana, 2001.p. 238 Calculo del contenido de cemento. Una vez que el contenido de agua cemento y la relación de agua cemento han sido determinados, el contenido de cemento por metro cubico de concreto es fácilmente establecido, al dividir el contenido de agua de mezclado sobre la relación agua-cemento

Donde C = Contenido de cemento, en kg/mᶾ A = Requerimiento de agua de mezclado, en Kg/mᶾ A/C = Relación agua-cemento, por peso. Por lo tanto, C = 207 Kg/m3 / 0,58 = 362 Kg / m3

39

Estimación de las proporciones de los agregados. La estimación de los volúmenes de los agregados dependen del módulo de finura de la arena y del tamaño máximo nominal del agregado. El método más eficaz es el método de volumen absoluto, es igual al peso de cemento, agua, contenido de aire y agregado grueso, dividido por su peso específico, como se indica en la siguiente expresión.

Vi = Pi/Gi Vi= Volumen absoluto del ingrediente, en L/m3

Pi=Peso seco del ingrediente, en kg/mᶾ Gi= Peso específico del ingrediente (para los agregados debe usarse el peso específico aparente seco) (véase el Cuadro 15). Cuadro 15. Volumen de Agregado Grueso por Volumen Unitario de Concreto

Fuente. SÁNCHEZ DE GUZMÁN. Diego. Tecnología del concreto y del mortero. Bogotá Pontificia Universidad Javeriana, 2001.p. 241. En esta tabla para un módulo de finura de 2.78 y un tamaño máximo nominal de agregado grueso 12.7mm (½”) de agregado grueso, se encuentra el resultado de 0.55 de agregado grueso por metro cubico de concreto. 2.1.5 Ensayos realizados a los cilindros de concreto con adición y sin adición de fibras de acero. Para poder analizar el comportamiento del concreto simple y el concreto con adición de fibra de acero con 4 % y 6 %, y poder determinar la dosificación ideal para generar resistencias mayores con estos porcentajes para cada uno de los ensayos el de compresión, flexión y tensión indirecta.

40

2.1.5.1 Probetas. Se manejaron dos tipos de moldes: Probeta cilíndrica de 10 x 20 cm Vigueta de 25 x 14.5 x 15.5 cm Se elaboraron 18 cilindros, para poder analizar la resistencia a la compresión, y 9 cilindros para analizar la resistencia a la tracción con adición y sin adición de fibras de acero, en las cantidades señaladas, y para el ensayo de flexión se realizaron 9 viguetas. A continuación se puede apreciar el número de cilindros y viguetas por mezcla y las edades a las cuales fueron fallados los cilindros (véase los Cuadros 16, 17 y 18). Cuadro 16. Cantidad de Cilindros para Ensayo de Compresión

Tipo de mezcla Concreto sin

adición

Concreto con adición del 4% de

fibra de acero

Concreto con adición del 6% de

fibra de acero

Edad de falla (días)

7 14 28 7 14 28 7 14 28

Número de cilindros

2 2 2 2 2 2 2 2 2

Fuente. Los Autores Cuadro 17. Cantidad de Cilindros para Ensayo de Tracción Indirecta

Tipo de mezcla Concreto sin

adición

Concreto con adición del 4% de

fibra de acero

Concreto con adición del 6% de

fibra de acero

Edad de falla (días)

7 28 7 28 7 28

Número de cilindros

1 1 1 1 1 1

Fuente. Los Autores Cuadro 18. Cantidad de Viguetas para Ensayo de Flexión

Tipo de mezcla Concreto sin

adición

Concreto con adición del 4% de

fibra de acero

Concreto con adición del 6% de

fibra de acero

Edad de falla (días)

7 14 28 7 14 28 7 14 28

Número de viguetas

1 1 1 1 1 1 1 1 1

Fuente. Los Autores

41

Las mezclas de concreto fueron elaboradas en el Laboratorio de Materiales de la Universidad Católica, se llevaron a un tanque de curado y se fallaron a las edades indicadas. Una vez se obtuvo la mezcla de concreto se realizó la prueba de Slump, la cual permite determinar la consistencia del concreto en su estado fresco. La consistencia que tiene la mezcla, indica la mayor o menor facilidad que tiene el concreto fresco para ser manejable y por consiguiente para ocupar todos los espacios en donde sea fundido. Este ensayo fue desarrollado por el norteamericano Abrams, y consiste básicamente en rellenar un molde metálico de forma cónica (como se muestra en la siguiente figura), se rellena por medio de tres capas, las cuales deben ser cada una apisonada 25 veces con la varilla compactadora, finalmente se retira el molde y se determina cuál fue el asentamiento presentado. Con base al asentamiento presentado se referencia el siguiente cuadro (véase Cuadro 19). Cuadro 19. Clasificación del Concreto de Acuerdo con los Valores del Asentamiento

Fuente. BLOG DEL INGENIERO CIVIL. Ensayo de consistencia del concreto [en línea]. Bogotá: Blogspot [citado 20 marzo, 2017]. Disponible en Internet: <URL: http://ingcivil-notasapuntes.blogspot.com.co/2015/02/ensayo-de-consistencia-del-concreto.html>

42

Después de haber realizado la mezcla de los ingredientes, de escoger el tipo de probeta cilíndrica, la prueba del slump y conocer el asentamiento de la mezcla, se procede al armado de las camisas: Al molde se le colocó aceite en su parte interior, para que el concreto no se adhiera. Se vertió la primera capa y se aplicaron 25 golpes con el martillo de goma. La segunda y tercera capa se realiza el mismo proceso. Se enraza la mezcla, después de terminar las 3 capas. Al día siguiente se desencofra. Se lleva al tanque de curado. Después de curado y de haber cumplido los días que se solicitan, se lleva a fallar. Después de cumplir la edad definida, se realizaron los ensayos de resistencia a la compresión, acorde a la norma NTC 673. Resistencia a la tracción indirecta, acorde a la norma NTC 722 Resistencia a la flexión, acorde a la norma NTC 2871 Durante el ensayo se registró la carga y el tipo de falla que se presentó en cada uno de los cilindros y Vigas.

43

3. ANÁLISIS DE RESULTADOS A continuación se relacionan los resultados de los ensayos desarrollados. 3.1 ASENTAMIENTO De acuerdo a la norma INV E-404-07 “Asentamiento del concreto” se realizó la prueba de asentamiento para cada una de las diferentes mezclas y se obtuvieron los siguientes resultados (véase el Cuadro 20). Cuadro 20. Asentamientos Obtenidos en Laboratorio

Tipo de mezcla Asentamiento (Pulg)

Concreto sin adición de fibras de acero 3,1

Concreto con adición de fibras de acero correspondiente al 4%

2,5

Concreto con adición de fibras de acero correspondiente al 6%

2,6

Fuente. Los Autores. Con base en el diseño de mezcla sugerido por (Guzmán, 2001) el cual señala que para obtener una consistencia media de la mezcla el asentamiento debe estar entre un rango de 50 mm a 100 mm (1,9 pulg – 3,9 Pulg), se tomó para el caso teórico un asentamiento 75 mm (3”), debido a que la compactación que se le realizó fue de tipo manual para secciones medianamente reforzadas, sin vibración y que se aplican para obras como pavimentos, losas, etc. Ver tabla Asentamiento recomendados para diferentes tipos de construcciones. 3.2 ENSAYOS DE COMPRESIÓN A continuación se presenta el análisis de ensayos de comprensión (véase los Cuadros 21 y 22).

44

Cuadro 21. Análisis Ensayos de Compresión CARGA

MÁXIMA

kg-f/cm2 AREA

(cm)psi PROMEDIO psi

221,16 81,391 3148

214,17 81,711 3048,6

243,81 82,032 3470,5

226,16 79,589 3219,3

262,29 80,064 3733,6

257,68 81,497 3667,9

CARGA

MÁXIMA

kg-f/cm2 AREA

(cm)psi PROMEDIO psi

225,12 79,958 3204,5

221,3 81,337 3150,1

257,17 81,657 3660,7

258,18 81,337 3675,1

304,96 81,978 4341

304,96 81,978 4341

CARGA

MÁXIMA

kg-f/cm2 AREA

(cm)psi PROMEDIO psi

239,12 81,551 3403,7

246,37 81,178 3507

283,83 79,273 4040,2

268,36 80,117 3820

304,4 80,487 4332,9

306,82 79,852 4367,4

4340,956

RESISTENCIA DE

DISEÑO DE 3000 psi

RESISTENCIA A LA

COMPRESIÓN

6% fibra

de acero

7 3455,349

14 3930,081

28 4350,164

28 3700,753

RESISTENCIA DE

DISEÑO DE 3000 psi

RESISTENCIA A LA

COMPRESIÓN

4% fibra

de acero

7 3177,28

14 3667,923

28

RESISTENCIA DE

DISEÑO DE 3000 psi

RESISTENCIA A LA

COMPRESIÓN

Sin fibra

de acero

7 3098,3

14 3344,9

Fuente. Los Autores. Cuadro 22. Resistencia a Través del Tiempo concreto Convencional

Fuente. Los Autores. Se observa que hay un aumento en la resistencia con el uso de fibras de acero, ya que para la edad de 7 días las fibras al 4%, respecto a las convencionales han aumentado un 2,5% y en las fibras al 6% hay un aumento considerable del 11,5%.

45

Para la edad de 14 días, en las fibras al 4% se obtuvo un aumento del 9,6% y para las fibras al 6%, se obtuvo un aumento de 17,49% respecto a la probeta de concreto convencional. Por último, para la edad de 28 días, en las fibras al 4% se obtuvo un aumento del 17,29 y para las fibras al 6% se obtuvo un aumento del 17,54% (véase el Cuadro 23). Cuadro 23. Compresión Tipos de Falla Edad 7 Días

Fuente. Los Autores

46

Cuadro 24. Compresión Tipos de Falla Edad 14 Días

Fuente. Los Autores

47

Cuadro 25. Compresión Tipos de Falla Edad 28 Días

Fuente. Los Autores 3.3 ENSAYOS DE TRACCIÓN INDIRECTA El ensayo de tracción indirecta consiste en someter una carga a compresión diametral a una probeta cilíndrica, por tal motivo el cilindro debe estar en posición horizontal como se muestra en la siguiente imagen (véase la Figura 10).

48

Figura 10. Ensayo a Tracción Indirecta

Fuente. GARROTE VILLAR, Elisabet. Capítulo 2 ensayo de tracción indirecta [en línea]. Valencia: Universidad Politécnica de Valencia [citado 20 marzo, 2017]. Disponible en Internet: <URL: https://upcommons.upc.edu/bitstream/handle/2099 .1/3324/55872-8.pdf?sequence=8> En el Cuadro 26 se ven reflejados los resultados obtenidos de los ensayos de tracción indirecta realizadas a las probetas a las diferentes edades planteadas. Se obtuvo una clara evidencia del aumento en la resistencia de las probetas a las cuales se les adicionó las fibras de acero en comparación a las probetas convencionales. Adicionalmente las probetas tanto convencionales como modificadas cumplieron con el parámetro del 10% al 20% de fc; por lo tanto, el diseño de mezcla desarrollado fue el óptimo para el desarrollo de los ensayos de laboratorio realizados (véase el Cuadro 26).. Cuadro 26. Ensayo de tracción

RESISTENCIA A LA

TRACCION (T)

Lb-f kg-fLONGITUD

(pg)

DIAMETRO

(pg) π psi

7 15432,36 7000,00 8,07 3,96 3,14 307,20

28 15873,28 7200,00 8,07 4,00 3,14 312,86

RESISTENCIA A LA

TRACCION (T)

Lb-f kg-fLONGITUD

(pg)

DIAMETRO

(pg) π psi

7 17636,98 8000,00 4,00 8,07 3,14 347,91

28 18077,91 8200,00 4,00 8,13 3,14 354,42

RESISTENCIA A LA

TRACCION (T)

Lb-f kg-fLONGITUD

(pg)

DIAMETRO

(pg) π psi

7 22046,23 10000,00 3,96 8,14 3,14 435,54

28 22487,15 10200,00 3,98 8,08 3,14 445,42

RESISTENCIA DE

DISEÑO DE 3000

psi

CARGA MÁXIMA DIMENCIONES

Sin fibra

de acero

RESISTENCIA DE

DISEÑO DE 3000

psi

CARGA MÁXIMA DIMENCIONES

4% fibra

de acero

RESISTENCIA DE

DISEÑO DE 3000

psi

CARGA MÁXIMA DIMENCIONES

6% fibra

de acero Fuente. Los Autores.

49

Por otro lado los porcentajes de aumento de la resistencia de las probetas de concreto modificado con base a las probetas de concreto convencional obtenidos con los anteriores resultados fueron: para la edad de 7 días, el uso de fibras al 4% aumentó un 13,25% y para las fibras al 6% aumentó un 41,77%. Para la edad de 28 días el uso de fibras al 4% aumentó un 13,28% y el uso de fibras al 6% obtuvo un aumentó de 42,26%, por lo que se puede inferir que el uso de estas fibras metálicas tiene un aumento considerable en la resistencia del concreto en sus propiedades mecánicas logrando que su resistencia se duplique (véase las Figuras 11, 12, 13 y 14) Figura 11. Ensayo Tracción Falla Convencional I

Fuente. Los Autores Figura 12. Ensayo a Tracción Falla Convencional II

Fuente. Los Autores

50

Figura 13. Ensayo a Tracción Falla Modificado 4%

Fuente. Los Autores Figura 14. Ensayo a Tracción Falla Modificado 6%

Fuente. Los Autores 3.4 ENSAYOS DE FLEXIÓN DE VIGAS El ensayo consiste en la aplicación de una carga expresada en Kg-f, en los tercios de la luz de una viga simplemente apoyada, con una sección transversal de 150x150 mm y una longitud de 500 mm. Una vez realizado esto, se determina la resistencia expresada como el módulo de rotura, dado por la siguiente fórmula.

51

A continuación se muestran los datos obtenidos en los ensayos de laboratorio para los concretos convencionales y modificados con fibras de acero a sus diferentes edades (véase el Cuadro 27). Cuadro 27. Ensayo de Flexión - Módulo de Rotura

MODULO DE

ROTURA (R)

Lb-f kg-f ANCHO (pg) ALTO (pg)LONGITUD ENTRE

APOYOS (pg)psi

7 6172,94 2800 5,91 5,76 14,37 452,39

14 7054,79 3200 5,98 5,83 14,37 498,77

28 7495,71 3400 6,07 5,76 14,37 534,85

MODULO DE

ROTURA (R)

Lb-f kg-f ANCHO (pg) ALTO (pg)LONGITUD ENTRE

APOYOS (pg)psi

7 6613,86 3000 5,91 5,63 14,37 507,35

14 8818,49 4000 5,99 5,75 14,37 639,87

28 11023,11 5000 6,01 5,83 14,37 775,44

MODULO DE

ROTURA (R)

Lb-f kg-f ANCHO (pg) ALTO (pg)LONGITUD ENTRE

APOYOS (pg)psi

7 7054,79 3200 5,98 5,81 14,37 502,21

14 9038,95 4100 5,92 5,8 14,37 652,22

28 11464,03 5200 5,9 5,78 14,37 835,77

DIMENSIONES

DIMENSIONES

DIMENSIONES CARGA MÁXIMA

CARGA MÁXIMA

CARGA MÁXIMA

RESISTENCIA DE

DISEÑO DE 3000

psi

6% fibra

de acero

RESISTENCIA DE

DISEÑO DE 3000

psi

Sin fibra

de acero

RESISTENCIA DE

DISEÑO DE 3000

psi

4% fibra

de acero

Fuente. Los Autores. Con base en los resultados obtenidos se compara cada probeta a una misma edad, en la que se determinó una mejoría porcentual a su resistencia específicamente a flexión. Por otro lado, la adicción de fibras permite que el concreto al momento de presentarse su falla sea un poco más dúctil, evitando fallas explosivas. Adicionalmente los porcentajes de aumento de la resistencia del concreto obtenidos tomando de punto de partida las probetas de concreto convencionales según los anteriores resultados fueron: para la edad de 7 días con una adición de fibras al 4%, un aumentó de 12,14% y para las fibras al 6% un aumento de 11,01%. Para la edad de 14 días el uso de fibras al 4% aumento un 28,28% y en las fibras al 6% se obtuvo un aumento de 30,76%. Para la edad de 28 días el uso de fibras al 4% aumento un 44,98% y en las fibras al 6% se obtuvo un aumento de 56,26%, por lo que se puede inferir, que el uso de estas fibras metálicas tiene un aumento considerable logrando que su resistencia se duplique (véase las Figuras 15, 16 y 17).

52

Figura 15. Viga Convencional

Fuente. Los Autores Figura 16. Viga Modificada 4%

Fuente. Los Autores

53

Figura 17. Viga Modificada 6%

Fuente. Los Autores 3.5 COMPARACIÓN TIPOS DE CONCRETO A continuación, se relacionan las figuras donde se muestra la diferencia de resistencia para cada uno de los ensayos a sus diferentes edades, en donde se evidencia que las fibras de acero al 6% obtienen 17,59% de aumento en la resistencia de sus propiedades mecánicas, comparadas con las fibras al 4%. (véase las Figuras 18, 19, 20, 21, 22 y 13).

54

Figura 18. Resistencia a la compresión

Fuente. Los Autores. Figura 19. Resistencia a la Tracción

Fuente. Los Autores.

55

Figura 20. Resistencia a la Flexión

Fuente. Los Autores. Figura 21. Resistencia Compresión Barras

Fuente. Los Autores

56

Figura 22. Resistencia a la Flexión Barras

Fuente. Los Autores Figura 23. Resistencia a la tracción barras

Fuente. Los Autores

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4. CONCLUSIONES El presente trabajo investigativo complementó los conocimientos educativos teórico-prácticos, adquiridos durante el proceso de formación en la Universidad Católica de Colombia con un enfoque netamente experimental. Con base en los análisis de resultados, se pueden observar los porcentajes de aumento que se tuvieron de los concretos modificados respecto al concreto convencional, en donde en todos los casos se evidenció un aumento considerable en la resistencia del concreto medido por cada uno de los ensayos realizados. Adicionalmente, las fibras de acero generaron la propiedad de la ductilidad, lo que permite que al momento de fallar se muestre como un deformación, mas no una falla explosiva. La resistencia a la compresión de los cilindros de concreto fallados a las edades de 7,14 y 28 días para un concreto de 3000 PSI, presentaron una mejoría debido a la adición de fibras de acero, trayendo consigo beneficios mecánicos y un aumento de su resistencia en 17,54% a la edad de 28 días. La resistencia a la tracción de los cilindros de concreto fallados a sus diferentes edades obtuvieron resultados favorables, frente a los cilindros convencionales demostrando que las fibras reaccionan positivamente frente a las cargas vivas, generando una mejor cohesión con los agregados pétreos de la mezcla con un aumento en su resistencia del 42,26%. La resistencia a la flexión de vigas con la adición de fibras de acero dio resultados favorables y cumplió con las normas establecidas; adicionalmente, las vigas modificadas al 6% presentaron un aumento en la resistencia a la flexión del 56,26% a la edad de 28 días. La adición de fibras de acero al concreto generó una gran mejoría en la ductilidad, teniendo en cuenta que al momento de realizarse las pruebas, presentaron deformaciones durante la aplicación de la carga y se evitaron fallas súbitas o explosivas. Con base en los resultados obtenidos en este trabajo de investigación y sus notables mejoras que genera en el concreto, se espera que el uso de las fibras de acero sea contemplado con mayor frecuencia en la construcción de obras de alta infraestructura.

58

5. RECOMENDACIONES Evaluar la resistencia a la compresión, flexión y tracción, de las mezclas con diferentes sustituciones de fibras de acero respecto al agregado fino, para realizar una comparativa frente a los resultados obtenidos en el presente proyecto, con el fin de identificar el porcentaje óptimo, con el cual se pueda establecer un parámetro de referencia para el uso del concreto modificado en diferentes tipos de construcción. Incrementar el tiempo de falla de las muestras, para obtener datos de resistencia a largo plazo, y así ver cómo se comportan las estructuras construidas con este concreto modificado. Realizar los ensayos de resistencia del concreto a la abrasión mediante chorro de arena con el fin de determinar si el concreto modificado con fibras obtiene mejores resultados que el concreto convencional frente a las condiciones de abrasión. Desarrollar ensayos con fibras sintéticas, sometiendo el concreto modificado con estas fibras a ensayos de compresión, tracción y flexión, y así observar el comportamiento de estas, adicionalmente realizar una comparativa entre los resultados de las fibras sintéticas y metálicas para determinar cuál de estas dos fibras le da una mayor resistencia al concreto.

59

BIBLIOGRAFÍA

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60

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61

ANEXOS

62

Anexo A. Fallas

Falla a compresión concreto convencional

Falla a compresión concreto modificado 4%

63

Falla a compresión concreto modificado 6%

Falla a tracción concreto convencional

64

Falla a tracción concreto modificado 4%

Falla a tracción concreto modificado 6%

65

Falla a flexión concreto convencional

Falla a flexión concreto modificado 4%

66

Falla a flexión concreto modificado 6%