Nuevo material para fortalecer el hormigón frente a la flexión

El ingeniero Pello Larrinaga Alonso ha comprobado los efectos positivos de un material innovador compuesto de matriz inorgánica denominado Textile Reinforced Mortar (TRM). El estudio, fruto de una tesis realizada en la unidad de Construcción de Tecnalia Construcción, ha analizado numéricamente un novedoso sistema para el refuerzo frente a flexión de elementos de hormigón de bajas prestaciones, que puede ser una solución alternativa a los métodos habituales.

El hormigón armado resulta esencial en la construcción. Bloques de apartamentos, edificios públicos, firmes, puentes, pasarelas, o incluso bancos son algunos de los elementos que lo utilizan. Cada año la producción de este básico material se mide por medio de grandes cifras y es difícil imaginar otro producto capaz de reemplazarle a corto plazo.

Como la mayoría de los materiales, el hormigón armado padece el paso de los años, un envejecimiento que afecta claramente el rendimiento mecánico y la durabilidad del material. Este efecto negativo se aprecia con mayor incidencia en los denominados hormigones de bajas prestaciones. Estos hormigones, fabricados principalmente con anterioridad a 1970, son el resultado de diseños erróneos, ejecuciones incorrectas, uso de materiales inadecuados o mantenimiento insuficientes. El progresivo deterioro de las condiciones del hormigón puede condenar a las diversas estructuras elementos a su demolición.

En un tiempo marcado por una grave crisis económica que afecta principalmente al macro sector de la construcción es necesario buscar nuevos nichos de mercado. La rehabilitación es un negocio con amplias posibilidades de crecimiento. Por ello es conveniente potenciar el estudio y desarrollo de nuevas soluciones sencillas, efectivas, económicas y sostenibles.

La investigación ha tratado de aportar mayor conocimiento sobre la efectividad del sistema de refuerzo basado en tejidos técnicos embebidos en una matriz inorgánica cementicia (mortero modificado ligeramente con polímeros), el TRM. Asimismo se ha realizado un pequeño estudio sobre el hormigón de bajas prestaciones a fin de definir sus propiedades, analizar sus patologías y comprender sus causas mediante el estudio de casos reales, revisar la bibliografía y evaluar la evolución histórica del material.

Una nueva técnica

Son numerosos los métodos existentes para el refuerzo a flexión de elementos de hormigón armado, el recrecido con hormigón armado o el uso de materiales compuestos fibroplásticos (FRP) son las soluciones más empleadas por ingenieros y calculistas. Sin embargo, estos métodos ya asentados presentan numerosos inconvenientes en determinadas situaciones. El TRM se presenta principalmente como una alternativa para superar los problemas derivadas de estas situaciones.

Su empleo está justificado por las características físico-químicas de los materiales que componen el refuerzo (resistencia a altas temperaturas, permeabilidad al vapor de agua, flexibilidad, etc.), que hacen de esta solución compuesta una tecnología compatible y de fácil aplicación para elementos construidos con hormigón. Cabe destacar también, el coste competitivo de este sistema en comparación con los métodos de refuerzo más habituales empleados hasta la fecha.

Los trabajos desarrollados se han planteado desde un enfoque integral de esta solución de refuerzo en su aplicación al hormigón. En una primera fase, se engloban los ensayos de caracterización de todos los materiales que intervienen en el estudio, desde el hormigón armado (hormigón y acero) hasta el TRM (mortero y tejidos). Como refuerzo interno del TRM tres materiales diferentes se han empleado: carbono, basalto y alambre de acero trefilado.

En una segunda etapa, se ha profundizado en el sistema de refuerzo planteado, realizando ensayos a tracción uniaxial sobre probetas de TRM y estudiando la adherencia del material compuesto sobre bloques de hormigón. En una tercera etapa, se han ensayado, mediante control por desplazamiento y hasta rotura treinta y seis vigas escaladas a un tercio (1.5 metros de luz) y dieciséis vigas a escala real (4.5 metros de luz) reforzadas con diferentes materiales y técnicas (uso de anclajes mecánicos). Con el fin de imitar el comportamiento del hormigón de bajas prestaciones, las vigas ensayadas fueron fabricadas con un hormigón de baja calidad.

Posteriormente, se ha realizado estudios numéricos para evaluar el efecto de esta solución de refuerzo. En primer lugar se ha desarrollado un modelo matemático para simular el comportamiento del TRM a tracción y se ha comprobado su validez en una aplicación numérica desarrollada en Excel. En segundo lugar se ha simulado numéricamente, por medio del Método de Elementos Finitos (MEF), el comportamiento a tracción del TRM y su efecto como material de refuerzo con resultados satisfactorios.

Los resultados experimentales alcanzados han mostrado la efectividad mecánica del TRM en el refuerzo a flexión de vigas de hormigón armado. Asimismo se ha podido simular correctamente el efecto del material compuesto mediante sencillas aplicaciones que facilitarán el diseño de futuros refuerzos. En definitiva, se ha verificado que existen razones suficientes para presentar esta solución de refuerzo como alternativa óptima a los métodos más tradicionales.

Esta investigación es fruto de la tesis doctoral europea Flexural strengthening of low grade concrete through the use of new cement-based composite materials desarrollada en Tecnalia y ha sido defendida en la Escuela de Ingenieros de Bilbao de la UPV/EHU.