Comparativa entre fibras macro sintéticas estructurales y fibras metálicas

(Artículo publicado en la Revista Obras Urbanas número 67)

MyPHor Materiales Especiales, S.L. es una empresa de ingeniería que basa su estrategia en la búsqueda de soluciones en el mundo del hormigón.

Se buscan continuamente los mejores productos del mercado en cuanto a calidad, innovación, amplitud de gama, cumplimiento de la normativa vigente y respeto al medio ambiente para ofrecérselos a sus clientes con las mismas garantías del fabricante pero con un nivel de servicio mucho más personalizado.

Asimismo, investiga, desarrolla y comercializa productos sintéticos para el hormigón, como son las fibras de polipropileno, campo en el que la empresa es puntera y en constante renovación.

Es un placer el poder presentarles nuestras fibras MPH FIBER PLUS. En el caso de su proyecto, tenemos la certeza que nuestra fibra macro sintética estructural MPH FIBER PLUS es el material más indicado para su obra. A continuación les presentamos un informe comparativo entre nuestra MPH FIBER PLUS y las fibras metálicas. A modo de resumen e introducción les adelantamos las principales ventajas de nuestra fibra sintética respecto de la metálica.

• Durabilidad y nulo deterioro por presencia de aguas y aguas ácidas de mina.
• Reducción de desgastes y mantenimientos de la maquinaria empleada.
• Resistencia pasiva frente al fuego.
• Mejora en operatividad y seguridad.
• Ventajas medioambientales.
• Ventajas económicas.

1.Factores que definen la capacidad de absorción de energía de un hormigón proyectado fibro-reforzado

Hay innumerables factores y condicionantes que afectan a la capacidad de absorción de energía, es decir, de incrementar la ductilidad/tenacidad de un hormigón proyectado:

• Factores de ejecución(proyección/compactación, irregularidad de soporte/espesor, etc.)
• Tipo de hormigón (relación a/c, contenido y tipo de cemento, tipo de áridos, etc.)
• Tipo de fibras (tipo de materia prima, dotación, longitud, sección o diámetro equivalente, resistencia a tracción/adherencia al conglomerado, etc).

Dado que el análisis comparativo es multi – variable, en el presente informe se tendrá en cuenta solo las fibras y sus propiedades para analizar la influencia sobre la ductilidad y tenacidad.

2.Datos comparativos y comentarios

2.1 Resistencia a tracción

Las fibras metálicas, dependiendo de la procedencia (tipo I procedente de hilo como semielaborado ó tipo II procedente de corte de chapa laminada) y dependiendo del proceso de conformado, pueden tener una resistencia a tracción de entre 1.300 – 300 MPa. El polipropileno tiene una resistencia a tracción de entre 300 y 400 MPa, si bien, con procesos de extrusionado, y polímeros aditivados, se llegan a obtener valores por encima de 500 MPa, valor habitual del acero de construcción.

Siendo su resistencia a tracción inferior, las fibras de polipropileno basan la capacidad de refuerzo en la interacción (adherencia) con el conglomerante. En cualquier caso, la resistencia a tracción, es un dato interesante, pero no crucial, ya que las fibras agotan su capacidad por extracción “pull out”, no llegando a romper, y no llegando a agotar la capacidad máxima de resistencia a tracción.

Por tanto, más importante que la resistencia propia a tracción de una fibra, es la adherencia al conglomerante, o al menos el equilibrio entre ambos parámetros.

2.2 Dotación de fibras

A igualdad de tamaño de fibra, el número de fibras de polipropileno por kilo es muy superior al número de fibras metálicas, puesto que la relación de densidades es del orden de 8,5:1 (7,85 gr/cm3 frente a 0,91 gr/cm3). Cuando la rotura por tracción del sistema fibro – reforzado se produce por “pull-out” (pérdida de adherencia), la cantidad de fibras influye en la proximidad entre ellas y en la redistribución de tensiones, así como en la superficie total de contacto.

Es decir, a mayor contenido de fibras (para el resto de variables inalteradas), mayor ductilidad y mayor capacidad de absorción de energía.

2.3 Longitud y geometría

La longitud de la fibra influye en el comportamiento dinámico del hormigón fibro – reforzado. Mayores longitudes mejoran el comportamiento frente a solicitaciones permanentes o prolongadas (redistribución de tensiones y convergencia del terreno), mientras que menores longitudes mejoran el comportamiento frente a solicitaciones instantáneas (golpes, impactos, etc.).

Lo ideal es llegar a un equilibrio entre ambos tipos de solicitaciones, teniendo en cuenta que la longitud debe ser coherente con el sistema de ejecución y caso particular (espesor de ejecución, tamaño máximo de árido, facilidad operativa de los procesos de bombeo o proyección, etc.). Asimismo, las fibras de sección circular siempre tendrán menor adherencia por tener menor superficie de contacto, siendo necesario mejorar su geometría superficial (fibras corrugadas, doblado de extremos para mejorar su capacidad de anclaje, etc.).

2.4 Adherencia

La capacidad adherente de las fibras al conglomerante empleado es un parámetro fundamental en la respuesta del hormigón fibro – reforzado. En las fibras metálicas, la mejora de adherencia se basa en la forma y geometría superficial de la misma. En las fibras sintéticas, además de forma y geometría, la adherencia se puede mejorar con tratamientos químicos superficiales que mejoren el anclaje fibra/matriz cementante. En las fibras sintéticas, la adherencia se consigue siempre en toda su longitud.

3.Ventajas de las fibras sintéticas frente a las metálicas

Como a continuación se comentará, las fibras sintéticas frente a las metálicas, tienen ventajas respecto a cuestiones de durabilidad, operatividad y seguridad, huella de carbono (sostenibilidad ambiental), y protección pasiva contra el fuego. Asimismo, presentan ventajas económicas en cuanto al menor desgaste de repuestos en las máquinas gunitadoras (tuberías, codos, etc).

3.1 Durabilidad

Garantizar las propiedades durante la vida útil de una estructura es uno de los principales objetivos de cualquier construcción.

Las fibras metálicas en un Ph alcalino como es el hormigón, mantienen sus propiedades, ya que se impide su oxidación, que provocaría la pérdida de las propiedades con las que han sido diseñadas.

Sin embargo, la oxidación de cualquier fibra metálica se puede producir:

• Bien en el proceso previo de almacenamiento y distribución.
• Bien por carbonatación del hormigón, que provoca una disminución del Ph y una vía de ataque para cualquier fibra metálica.
• Bien por la entrada a través de las micro-fisuras de agua y aire, que provoca la oxidación de las fibras, y más si existe presencia de aguas ácidas o salinas.

Los recubrimientos fijados en la normativa para el hormigón armado, que son los que garantizan la durabilidad o la no oxidación durante la vida útil de la construcción, no se pueden cumplir en un hormigón reforzado con fibras metálicas, ya que la distribución de la fibras es aleatoria.

Las fibras de polipropileno no sufren procesos de oxidación y son mucho más estables químicamente frente a todos los tipos de ataque.

Las fibras de polipropileno, sin ninguna duda, garantizan de manera mucho más efectiva la durabilidad del sistema (mantenimiento de propiedades con respecto a la vida útil). Esta afirmación fue comprobada por el Dr. Stefan Bernard de la universidad de Sídney, que evaluó el comportamiento a largo plazo en términos de durabilidad de muestras fabricadas con fibra metálica y con fibra sintética. Las conclusiones fueron demoledoras ya que, mientras que la capacidad de absorción de energía de las muestras con fibra metálica después de un año, se había reducido prácticamente a la mitad, las muestras con fibra sintética mantenían prácticamente el 100% de su capacidad para absorber energía.

La mayor estabilidad frente a cualquier ataque o proceso químico es la mayor ventaja que aporta la fibra de polipropileno frente a la metálica. Si se produce un proceso de carbonatación en el hormigón o si hay fibras distribuidas superficialmente, la fibra metálica se oxidará, aumentará de volumen, perderá adherencia y el conjunto fibro – reforzado no mantendrá sus propiedades con el tiempo. En caso de aguas ácidas (minería sobre todo y túneles), el deterioro y pérdida de propiedades de cualquier sistema metálico crece exponencialmente. Esto no ocurrirá con un sistema reforzado con fibras tipo FIBER PLUS.

3.2 Ventaja por resistencia pasiva frente al fuego

En caso de incendio, las temperaturas que se alcanzan provocan la transformación del agua de constitución del hormigón en vapor. Las tensiones generadas por este proceso, producen la fisuración y rotura del sistema, que no es capaz de evacuar estas tensiones. El fenómeno de spalling, o desconchado superficial, es habitual en casos de incendio en túneles, pudiendo llegarse a la rotura explosiva. Este proceso se puede reducir con la adición de fibras de polipropileno, ya que las fibras se licuan, dejando pequeños canales libres para la relajación de tensiones internas. Las fibras metálicas no solo no mejoran este proceso, sino que lo pueden agravar debido a la diferencia de retracciones térmicas entre el material metálico y el hormigón por tener diferentes coeficientes de dilatación.

En abril del 2001, la Junta de Carreteras de Japón encargó a la Corporación Krosaki Harima la investigación de la exfoliación de hormigón reforzado con fibras, para suministrar información técnica relacionada con el deterioro de revestimiento de túneles durante un incendio. El método de prueba, desarrollado en Holanda, involucró la exposición de los paneles al régimen del fuego RWS con temperaturas de 1350°C durante dos horas.

Las muestras de hormigón reforzado con fibras sintéticas demostraron temperaturas menores en todas las profundidades y en consecuencia sufrieron menos desgastes causados por la exfoliación explosiva comparado con el hormigón sin refuerzo o reforzado con fibra de acero.

3.3 Ventaja por operatividad y seguridad

Las fibras de polipropileno no necesitan estar almacenadas en condiciones especiales, puesto que no sufren procesos de oxidación. Al ser su dotación en kilos/m³ de hormigón menor, simplifican los procesos de adición. Pueden dosificarse de manera directa, o mediante sistemas automatizados.

La manipulación es más sencilla, puesto que no “pinchan”. Desde el punto de vista de seguridad y riesgos para el personal, las fibras de polipropileno son más seguras.

3.4 Ventaja Medioambiental. Huella de Carbono

En cuanto a la ventaja o mejora medioambiental, que en algunos casos puede parecer ambigua por falta de datos hormigons, se plasma a continuación la comparativa de Huella de Carbono de las fibras metálicas frente a las sintéticas, para dar un valor comparativo que arroje conclusiones ciertas y cuantificables.

Para el correcto cálculo de la huella de carbono, hay que tener en cuenta tanto el coste de producción, como el de transporte, así como de la comparativa a igualdad prestacional, es decir, la cantidad empleada de uno u otro tipo, para obtener las mismas prestaciones buscadas en un hormigón fibro reforzado. Vamos a partir de una relación de cantidad de cada tipo de fibra, para igualar en prestaciones los resultados. En función de la experiencia (y de muchos ensayos realizados), la relación prestacional puede variar entre 5/1 y 8/1, según tipos de fibras. Vamos a tomar un valor conservador a favor de las fibras metálicas (5/1) para los cálculos de Huella de Carbono a igualdad prestacional (necesidad de 5 veces menos de fibras sintéticas que metálicas).

La huella de carbono para producción del acero, según varios autores, está entre 2,40 y 2,50 toneladas de CO₂ equivalente por tonelada de acero producido. Tomamos nuevamente el valor conservador: 2,40 t CO₂ eq.

La huella de carbono para el PP, según el informe “Franklin Associates, A Division of Eastern Research Group, Inc. «Cradle-to-Gate Life Cycle Inventory of Nine Plastic Resins and Two Polyurethane Precursors.» Prairie Village, Kansas, 2007.”, es de , 1,343 t CO₂ eq. Si bien hay informes más favorables en cuanto a la huella de carbono del PP (otros informes hablan de valores en el entorno de 0,26 t CO₂ eq), tomaremos nuevamente el valor más conservador, para este caso, de 1,343 t CO₂ eq.

En cuanto al transporte, según la guía “2008 Guidelines to DEFRA’s GHG Conversion Factors”, los factores de conversión en cuanto a huella de carbono son:

Emisión de CO₂ por kilómetro/Tonelada

• Por barco 20 gramos.
• Por carretera 50 gramos.
• Por aire 540 gramos.

En general, se puede hablar de que de media, el transporte incide en un 10% en la huella de carbono final de un producto.

Hay que tener en cuenta que, al introducir el término de “Huella de Carbono a igualdad prestacional”, no queremos definir la huella de carbono por tonelada, sino por comparativa entre ambas opciones.

Así, para obtener prestaciones similares, tendremos que adicionar 5 kg de fibra macro sintética, frente a 25 kg de la metálica. Es decir, aunque la huella de carbono por tonelada fuera la misma (que no lo es), la ventaja de tener que emplear cinco veces menos cantidad, repercute directamente en la huella de carbono a igualdad prestacional.

Pero no solo se emplea menos (por la menor densidad), sino que también se transporta menos cantidad, con lo que todo ello implica. Finalmente y, sin que el presente informe pretenda dar un dato exacto en esta comparativa, la relación quedaría aproximadamente en:

(Huella Carbono Acero/Huella Carbono Polipropileno) x (Proporción en prestación Acero/Polipropileno)

(2,40/1,343) x ((5/1) x 0,9 + (5/1) x 0,1) = 8,935

Aproximadamente una relación de 9 veces más para la fibra metálica.

El cálculo más beneficioso para la fibra sintética, sería partiendo del menor valor de la huella de carbono al producir PP, y daría un resultado en dicha equivalencia, en torno a 45 veces más para la fibra metálica.

Es decir, la huella de carbono producida para obtener las mismas prestaciones requeridas (igualdad prestacional) es, al menos 9 veces menor con fibras de PP frente a las fibras metálicas, pudiendo llegar a ser 45 veces menor, según las fuentes del estudio para calcularlo.

Anexo I: Coste comparativa por solución a igualdad prestacional

A 1.1 Costes directos

Las ventajas técnicas, de operatividad, seguridad y de durabilidad, frente a fibras metálicas (o mallas) son muchas, como se ha comentado. En cuanto a la parte económica, la comparativa de un sistema y otro, al igual que al analizar la huella de carbono, se debe hacer a igualdad prestacional. La ventaja (o desventaja) vendrá definida por el coste de cada solución.

Según las experiencias acumuladas todos estos años, la comparativa a igualdad prestacional, se obtiene con una relación que oscila entre 1/5 y 1/8.

Partiendo, como se ha hecho anteriormente, de un valor conservador (1/5), y dando valores de coste medios de 1500 $/tonelada (para fibras de acero) y 5000 $/tonelada (para PP), la comparativa quedaría: (1500/5000) x (5/1) = 1,5. (50%).

El coste, de las fibras metálicas es, como mínimo, un 50% superior al de las fibras sintéticas.

A 1.2 Costes indirectos

Ya se han comentado a lo largo de este informe pero es necesario a la hora de hacer una comparativa el por lo menos, dejarlos marcados.

Ahorro de Coste Medioambiental:

El ahorro en coste medioambiental, no es a priori un ahorro para el constructor, ni para la propiedad, aunque si los puede situar en una posición favorable. Es un ahorro para todos, ya que menor huella de carbono, significa menor coste medioambiental para las actuales y futuras generaciones.

A la hora de evaluar con números este ahorro, se puede calcular el ahorro de coste medioambiental, basado en el diferencial de huella de carbono de ambos tipos de fibras (metálicas y sintéticas).

El dato a tener en cuenta para poder valorar de manera tangible este parámetro, es el precio/coste por tonelada de CO₂, es decir, el valor de compra/venta de emisiones de CO₂. El precio actual es de 5,75 € (EUA).

((2,40/0,9)x(30/1000)-(1,343/0,9)x(5/1000))x5,75 = 0,42 €

Este es el ahorro medioambiental (para todos) por m3 de hormigón/shotcrete.

Ahorro de Coste por menor rebote:

Es mucha la bibliografía y de distintos países así como asociaciones de constructores, que destacan que un hormigón reforzado con fibras reduce el índice de rebote o rechazo en el hormigón proyectado. Las fibras sintéticas al ser más largas, el entrelazado dentro de la gunita es mayor, aumentando la resistencia al descuelgue en el hormigón fresco. Asimismo la fibra metálica al chocar contra el árido o roca, tiende a rebotar más fácilmente que la fibra sintética, más flexible. Puede que un 2% aparentemente no sea una cantidad enorme pero en obras de entidad la reducción de 2% de rechazo (en un proyecto con 100.000 m3 de hormigón proyectado por ejemplo supone un ahorro de 2000 m3 ). Pero el ahorro neto es realmente importante si se considera en el volumen real e íntegro del proyecto.

Ahorro de Coste por desgaste de maquinaria:

Otro ahorro importante es en desgaste de maquinaria, debido a la nula agresión de las fibras FIBER PLUS. Y en este caso el ahorro es doble, tanto en la maquinaria en si, como en horas de parada para la sustitución de las mismas. En este caso, como en el anterior, el ahorro se ve claramente en proyectos de entidad. El ahorro en mano de obra y tiempo de parada de equipos es mayor incluso, que en el coste de los equipos en sí.

Ahorro de Coste por transporte y manipulación:

Asimismo, debemos considerar otro ahorro en el transporte y manipulación de la fibra metálica frente a la fibra sintética, ya que como se ha indicado anteriormente, es necesario transportar y manipular cinco veces más de peso de fibras metálicas, con lo que ello implica de gastos de combustible, desgastes, etc.