Las fibras poliméricas como refuerzo del concreto

El concreto armado es el material más común en las estructuras alrededor del mundo. Suele ser la alternativa recurrente debido, principalmente, a que los elementos que lo constituyen, como la grava, arena, cemento, agua y barras de acero, son fáciles de encontrar en el mercado y a precios cómodos en comparación con otros materiales de construcción. Además, el concreto en estado plástico es fácilmente trabajable y vertible en los encofrados o moldes que dan forma a los elementos estructurales. Sin embargo, como todo material, presenta desventajas que provocan problemas en las estructuras.

Uno de los problemas en cuestión es la durabilidad de las estructuras de concreto armado. En un inicio, se estimó que la prestación de servicio de estas sería equivalente a una vida útil de aproximadamente 100 años con un mantenimiento poco significante; no obstante, la realidad indica que el concreto, luego de alrededor de 30 años, debería pasar por un mantenimiento importante para alargar su tiempo de servicio (Vinayak, 2015).

Entre las razones de la necesidad de mantenimiento del concreto armado, se encuentran la exposición a condiciones ambientales agresivas, tales como, ataque de cloruros, sulfatos y ácidos; ciclos de hielo y deshielo; y la carbonatación. Estas reacciones químicas y físicas generan fisuras y grietas en el concreto que favorecen la corrosión de las barras acero de refuerzo.

Particularmente, en regiones de países de climas tropicales como la costa del Perú, la corrosión del acero puede verse inducida por la filtración de fluidos a través de las grietas que se pueden originar en el concreto por los ciclos de humedecimiento y secado, durante las lluvias. También es el caso de India, en donde se estima que, en 2012, este país gastó en estructuras que padecieron de corrosión 70.3 billones de dólares, monto equivalente al 4.2 % del PBI (Gerhardus et al., 2016, como se citó en Hinostroza, 2018).

La problemática de la durabilidad hace que las armaduras de acero se vean comprometidas y pierdan varias de sus propiedades, entre ellas, la resistencia a la tracción. Lo que hace encender las alarmas de un urgente reforzamiento de la estructura. Sin embargo, hay más razones por las cuales se hace necesario esto, como por ejemplo, la actualización de códigos de diseño, errores de diseño y/o construcción, exposición de cargas imprevistas como terremotos de gran intensidad y cambio de uso de la estructura (Grace et al., 1999).

Es así que surgen materiales relativamente nuevos con propiedades y características que los hacen muy ventajosos en comparación del refuerzo convencional con acero. Este es el caso de los polímeros reforzados con fibra (FRP, por sus siglas en inglés), los cuales son materiales compuestos que normalmente consisten en fibras incrustadas en una matriz de resina. Las fibras son las que otorgan resistencia y rigidez al material; mientras que la matriz, se encarga de unir y proteger las fibras. Asimismo, cumple la función de transferir la tensión de fibra a fibra a través de esfuerzos de corte (American Concrete Institute, 2015).

Dentro de los materiales poliméricos reforzados con fibra, los más conocidos son los que están compuestos por fibras de vidrio (GFRP), de carbono (CFRP) y de aramida (AFRP). Estos son usados, convenientemente, bajo solicitaciones de flexión, cortante y confinamiento, debido a las poderosas propiedades físicas y mecánicas que presentan.

Entre estas propiedades, se pueden destacar la gran resistencia a tracción; la ligereza en términos de peso, lo que se traduce entre un cuarto y un quinto del peso del acero, permitiendo una mayor facilidad de transporte, reducción de costos por instalación y una rápida puesta en servicio; corrosión nula, que conlleva una reducción drástica de los costos de reparación de las estructuras; y alta resistencia a la fatiga, que no implica degradación del material y, por consiguiente, no es necesario un mantenimiento frecuente.

Los FRP se suelen emplear en las estructuras en forma de tiras, que han sido utilizadas para reforzar las superficies de puentes de acero por la facilidad de colocación y ahorro en costo debido a que estas representan solo el 20 % del peso de tiras de acero de alta resistencia y son cuatro veces más resistentes (Izat, 2018). También, es usual aplicarlas como envolturas, que se emplean para rehabilitar columnas de mampostería y en la construcción de estructuras con responsabilidad sísmica; láminas, que son comunes en el fortalecimiento de vigas en edificios y puentes; y barras, que pueden ser utilizadas como las armaduras de nuevas construcciones y en el reforzamiento de estructuras, montándolas muy cerca de las superficies de concreto.

A pesar del abanico de bondades que los FRP pueden llegar a ofrecer, estos tienen desventajas que tienen que ser tomadas en consideración cuando se decida emplearlos. Probablemente, la fragilidad sea el punto más flojo pues, como se muestra en la Figura 5, los FRP no tienen una plataforma de fluencia que permita apreciar deformaciones plásticas en los elementos estructurales. Por el contrario, tienen un comportamiento linealmente elástico hasta que alcanzan el esfuerzo de rotura, estado en el que la falla del elemento se produce súbitamente. En este sentido, si hablamos de ductilidad, el acero estructural sigue siendo el material que, por excelencia, desarrolla esta propiedad con creces por sobre varios materiales del mercado de construcción civil.

A modo de cierre, se puede decir que actualmente los polímeros de fibra constituyen una alternativa muy conveniente cuando se requiere fortalecer o reparar estructuras de concreto armado pues son capaces de aportar resistencia, rigidez y durabilidad. Lo que claramente se refleja en casos emblemáticos en el Perú, como la reparación y reforzamiento del puente Pacto Callun en Ancash, puente El Mirador en el camino Chimbote – Huallanca, muelle San Nicolás en Nazca y el incremento de la capacidad resistente de vigas, losas y columnas del Jockey Plaza.

Sin embargo, no hay que dejar de lado que los FRP también tienen limitaciones, que dan a entender que su uso debe ser prudente y siguiendo las recomendaciones de códigos y normas internacionales, tales como las del ACI 440 y CSA Standard-S806. Estos códigos internacionales dan las pautas para el diseño y construcción de elementos de concreto reforzado con FRP.

REFERENCIAS

Guide for the Design and Construction of Structural Concrete Reinforced with Fiber-Reinforced Polymer (FRP) Bars (2015). Michigan: American Concrete Institute.

Baca, W. (2010). Experiencia Peruana en el Diseño y Aplicación de Reforzamiento Estructural con Fibra de Carbono [Diapositiva de PowerPoint]. Repositorio del Capítulo Peruano del American Concrete Institute. https://www.aci-peru.org/eventos/IX_Conv_Nov/12_William_Baca_Experiencia_Peruana_Diseno_Aplicacion_Reforzamiento_Estructural_Fibra_Carbono.pdf

Matsagar, V. (Ed.), (2015). Advances in Structural Engineering. New Delhi, India: Springer India.

Grace N., Sayed G., Soliman A. y Saleh K., (1999). Strengthening Reinforced Concrete Beams Using Fiber Reinforced Polymer (FRP) Laminates, ACI Structural Journal, 96(5), 865-875.

The constructor, (s.f.). Carbon Fiber Reinforced – Properties and Appications. Recuperado el 23 de abril de 2021 de https://theconstructor.org/concrete/carbon-fibre-reinforced-polymers-applications/1588/.

Hinostroza, J. (2018). Estudio del comportamiento estructural de vigas de concreto reforzadas con varillas de basalto. [Tesis de maestría]. Pontificia Universidad Católica del Perú.