De los materiales que se han utilizado en combinación con el hormigón, de los muchos que se han probado, solo 2 han superado con éxito la prueba del tiempo y el mercado: acero y polipropileno.
Acero
El acero es probablemente el material que mejor combina con el hormigón: su notable resistencia a la tracción se combina perfectamente con la excelente resistencia a la compresión del hormigón. Además, este último, gracias a su basicidad, constituye un entorno favorable para la conservación del acero a lo largo del tiempo. No es de extrañar que las fibras de acero se hayan utilizado en el hormigón durante muchas décadas.
Las fibras de acero se usan casi exclusivamente para aplicaciones estructurales, por dos razones: la primera es que producir fibras de acero extremadamente delgadas y cortas tiene un costo considerable y, por lo tanto, típicamente, en aplicaciones como la fibra para hormigón, para que el producto tenga el sentido económico se produce con un diámetro y una longitud que permite alcanzar unos pocos miles de filamentos por kg de producto. Las aplicaciones anti-grietas necesitan un mayor número de filamentos para uno o dos órdenes de magnitud.
El segundo es que su alta resistencia a la tracción, que puede alcanzar 1200-1400 MPa (N/mm2), va bien con este tipo de aplicación.
Su uso es bastante simple desde el punto de vista del diseño, ya que las regulaciones europeas e italianas sobre el tema han brindado referencias precisas a los diseñadores, que luego pueden prescribirlas en las especificaciones sin demasiados problemas.
Las fibras de acero tienen la desventaja de estar sujetas a oxidación; este aspecto se acentúa por el hecho de que las fibras, por su naturaleza, no pueden controlarse en cuanto a su posición en la matriz de cemento (no se puede respetar la distancia del recubrimiento de hormigón). A la larga, por lo tanto, la oxidación y la corrosión pueden comprometer el buen estado de las fibras más expuestas. También hay aceros especiales que pueden ser utilizados en el campo de mercado de la fibra de hormigón precisamente para contrarrestar estos aspectos negativos: las fibras de acero galvanizado y fibras de acero inoxidable.
Las fibras de acero galvanizado son fibras de acero normales cuyas prestaciones son similares a las de las correspondientes de acero al carbono, la única diferencia significativa está representada por un galvanizado de superficie. Este galvanizado protege el acero de la oxidación mejor y más tiempo que la versión normal. En comparación con las fibras de acero normales, las galvanizadas cuestan alrededor del doble. Las fibras galvanizadas son adecuadas para aplicaciones en ambientes salobres y en el caso de edificios prefabricados pintados, para los cuales la función estética es a menudo primaria en comparación con la estructural y, por lo tanto, la presencia de manchas de oxidación superficiales sería muy perjudicial para la estética del artefacto.
Las fibras de acero inoxidable, por otro lado, son la respuesta definitiva a los problemas de oxidación en las fibras de acero. Existen varios tipos según la calidad del acero utilizado y el grado de resistencia a la oxidación. Aquí los enumeramos, desde los de menor rendimiento hasta los más poderosos:
- AISI 430 – acero inoxidable ferrítico
- AISI 304 – acero inoxidable austenítico
- AISI 310 – acero inoxidable austenítico
Estas fibras se utilizan principalmente (por no decir casi exclusivamente) en el mercado de productores de productos refractarios, que requieren una temperatura de fusión muy alta que solo el acero inoxidable puede garantizar. Los precios de las fibras inoxidables son múltiplos de los de las fibras de acero normales; al momento de escribir, pasa de 4.50 €/kg para los ferríticos a aproximadamente 9.00 €/kg para aquellos en acero austenítico 310. Es completamente superfluo comentar que en aplicaciones “normales” y diarias este tipo de fibra no tiene sentido económico.
Las fibras de acero se clasifican según la norma de referencia (EN 14889-1) en función de uno de los siguientes métodos de producción de los que se obtienen:
- obtenido del alambre de acero (“del alambre”)
- obtenido cortando el plano (“hoja cortada”)
- obtenido de la extrusión en caliente (“fundido extraído”)
- obtenido del estirado en frío (“alambre de tambor frío”)
- otros
Los dos primeros tipos son los más extendidos en el mercado. Durante algún tiempo también se vendieron los tipos 4, cualitativamente peor que los primeros, también debido a la fuerte competencia de precios que ha estado afectando a este mercado durante algún tiempo.
Los dos primeros tipos son fácilmente distinguibles entre sí, ya que los de alambre tienen una sección circular, mientras que los planos son de sección cuadrada. La literatura especializada reconoce las fibras de hilo (tipo 1) como cualitativamente superior a otros tipos.
Fibras poliméricas
Las fibras de polímero son fibras obtenidas a partir de materiales sintéticos que consisten de cadenas de polímero de la misma familia común de plástico. La familia más extendida, en el mercado de fibras de hormigón, son las fibras “poliolefínicas”. Sin embargo, también hay productores que han ofrecido otros tipos de polímeros al mercado, principalmente poliéster y poliacrilonitrilo.
Los detractores de las fibras sintéticas (generalmente los productores de fibras de acero) acusan a estos modelos de tener un comportamiento plástico viscoso (también llamado “arrastre”) cuando se someten a tensiones constantes y prolongadas a lo largo del tiempo. El origen de esta acusación, ciertamente fundada, radica en el hecho de que muchos polímeros utilizados en la fabricación de fibras para hormigón exhiben naturalmente este comportamiento y, por lo tanto, mantienen que incluso las fibras repetirán el mismo fenómeno. Es cierto que las fibras poliméricas estructurales casi siempre se obtienen de polímeros pretensados y orientados, para aumentar su resistencia. Esto reducirá en gran medida el fenómeno de fluencia. Sin embargo, la legislación sobre el tema todavía está completamente ausente, al igual que las regulaciones específicas están ausentes para probar y medir este fenómeno. La única información a este respecto se debe a las pruebas encargadas por productores individuales o llevadas a cabo por institutos de investigación, interesados en investigar el fenómeno y las implicaciones desde el punto de vista de la estructura en su conjunto. Son pruebas que duran al menos 2 años y por el momento no hay datos públicos y ciertos (también porque no hay legislación sobre el tema que homogeneice la metodología, cualquier resultado sería completamente arbitrario y no muy comparable con otros).
Veamos ahora los principales materiales con los que se producen las fibras sintéticas.
Con el término técnico “poliolefina” se define un conjunto de materiales en la química de los plásticos, de los cuales los más famosos son el polipropileno (PP) y el polietileno (PE).
El polipropileno virgen, entre los de la familia de las poliolefinas, es el polímero generalmente utilizado en la fabricación de fibras. El polipropileno no orientado normalmente tiene resistencias a la tracción de alrededor de 30-50 MPa. ¡En el caso de los hilos, es decir, con cadenas orientadas, las resistencias a la tracción alcanzan fácilmente 250-400 MPa! En el caso de las fibras auxiliares, este valor es más que suficiente.
Sin embargo, para aplicaciones estructurales, se requieren resistencias más altas y, por lo tanto, a menudo se usan mezclas de polímeros de poliolefina de mayor rendimiento que el polipropileno virgen, o técnicas de procesamiento tales como “planchado” de hilo. Estos dispositivos adicionales permiten alcanzar fuerzas máximas que incluso pueden superar los 600 MPa.
Cabe señalar que la costumbre se ha establecido durante mucho tiempo en el mercado, ahora comúnmente aceptada por los productores y técnicos del sector, para definir las fibras de menor rendimiento como fibras de “polipropileno” (auxiliar) y “poliolefina” o “poliolefínica” (las estructurales). Esta definición no es del todo cierta, dado que decir poliolefina no excluye que la fibra sea polipropileno virgen, pero es una costumbre establecida.
Las fibras de poliacrilonitrilo (PAN), también llamadas simplemente “acrílicos”, son fibras sintéticas obtenidas de una cadena polimérica diferente de las poliolefinas. Lo principal que debes saber sobre los acrílicos son:
- Generalmente fibras de baja calidad, obtenidas a partir de restos de otros procesos. Su fuerza comercial radica únicamente en el precio.
- Normalmente están presentes en pequeñas escamas que por sí solas tendrían dificultades para dispersarse adecuadamente en la matriz de cemento, por lo tanto, están “revestidos” para aumentar el índice de humectabilidad. En ciertas aplicaciones, esta escala causó la creación de espuma en el hormigón durante la mezcla, con reducciones drásticas en el rendimiento.
- Son fibras que en muchos casos tienden a incorporar más aire que otras fibras de forma y tamaño similares.
Solo las fibras auxiliares de este tipo son conocidas en el mercado. Al momento de escribir, no hay fibras estructurales acrílicas.
El poliéster es un hilo sintético que a menudo se usa en la industria textil. Es un polímero tenaz y resistente, con un módulo elástico más alto que el polipropileno (más rígido). A pesar del hecho de que el poliéster tiene los “papeles en orden” para constituir un buen material para fabricar fibras para hormigón, de hecho, casi ningún fabricante lo ha adoptado y aquellos que lo han hecho han logrado poca satisfacción en términos de rendimiento en hormigón y contrapartida mercado!
Vidrio
En principio, el hilo de vidrio es un material con una resistencia a la tracción muy alta: puede alcanzar valores de hasta 1700 MPa, muy por encima de los mejores aceros, si el hilo es suficientemente delgado (un hilo de vidrio más delgado está estadísticamente más libre de microfracturas que mejoran la increíble fragilidad, ya que estos alambres de vidrio muy delgados en el laboratorio alcanzan las resistencias del material que son incluso mayores que el acero). El problema, como todos saben, es su fragilidad inherente, que por lo tanto en las aplicaciones cotidianas no permite alcanzar estos rendimientos.
Por lo tanto, el vidrio se usa principalmente para aplicaciones anti-agrietamiento, con las cuales las fibras de vidrio se comportan muy bien (los morteros Azichem hacen un uso extensivo de las fibras de vidrio de hecho) incluso si tienen un costo mayor que los primos de polipropileno más extendidos.
Lo fundamental para que una fibra de vidrio se use en hormigón es que es resistente a los alcalinos (AR), o cuando se inserta en el hormigón es resistente al ambiente altamente básico de las mezclas de cemento o cal. También hay fibras no AR en el mercado que son claramente mucho más baratas que las AR pero que después de un tiempo se disuelven en la mezcla.