Uso de polímeros reforzados con fibras (FRP) como refuerzo externo de elementos de concreto. El deterioro que se observa en losas, vigas, columnas, uniones viga-columna, pilas, bastiones de muchos puentes de nuestro país es atribuido al envejecimiento, a la degradación por factores ambientales, a la falta de mantenimiento y/o al efecto de eventos de la naturaleza (terromotos, desborde de rieras y/o ríos).
Este deterioro combinado con un aumento del tráfico rodado; que excede la carga de diseño del puente y/o carretera, ha acelerado el daño sobre éstas estructuras a tal punto que la vida útil de muchas infraestructuras va ir reduciendo la capacidad de poderlas utilizar de forma segura. Este panorama nos hace meditar en la necesidad de buscar soluciones de reforzamiento de fácil y rápida aplicación.
Entre las tecnologías de vanguardia para el refuerzo estructural de elementos de concreto de puentes y edificios se encuentra el uso de Polímeros Reforzados con Fibras (PRF) o Fibre Reinforced Polymer (FRP) como es conocido en el mundo anglosajón.
El uso de éstos materiales compuestos es una alternativa comúnmente utilizada en países como EUA, Japón, Canadá y Europa donde se han utilizado no solo como refuerzo externo, sino también como sustitución del acero estructural y como un aditivo en concretos de alta y ultra alta resistencia mediante el uso de micro fibras.
El material FRP resulta ser una opción competitiva a mediano y largo plazo si se compara con sistemas convencionales de reforzamiento y se toman en consideración las desventajas que estos sistemas convencionales presentan.
1. Componentes y Propiedades de los materiales FRP
Los polímeros reforzados con fibras (FRP) es un material compuesto el cual consiste de fibras, una matriz y adhesivos.
1.2. Fibras
Las fibras son las responsables de brindarle las propiedades estructurales al material compuesto debido a que su rigidez y resistencia es mucho mayor que la de la matriz. Las fibras empleadas propiamente como refuerzo, consisten en fibras pequeñas, continuas y con una direccionalidad dada.
Existen distintos tipos de fibra predominantemente utilizadas con polímeros: la fibra de vidrio (GFRP), la fibra de aramida (AFRP), la fibra continua de basalto para rebars-barras (CBFR), y la fibra de carbono (CFRP).
1.3. Matriz
La matriz de un material compuesto se encarga de proteger las fibras contra la abrasión y la corrosión ambiental, mantiene las fibras unidas y distribuye la carga entre ellas. Esta puede ser del tipo termoendurecible (tipo mas común) o termoplástico. Los materiales termoendurecibles son materiales originalmente suaves que al recibir calor se convierten en sólidos insolubles; una acción que no es reversible. Por el otro lado, los materiales termoplásticos se comportan como un líquido cuando se les transfiere calor. La matriz utilizada influye grandemente en muchas de las propiedades mecánicas del material tales como su módulo y resistencia transversal y sus propiedades de cortante y compresión.
Los tipos de matrices más comunes son las resinas epóxicas, el poliéster y el viniléster. Estos polímeros son del tipo termoendurecible, de gran resistencia química y fácil de procesar. Las resinas epóxicas tiene mejores propiedades mecánicas que los poliéster y viniléster y una durabilidad excepcional. Por el otro lado, los poliéster y viniliéster son más baratos.
1.4. Adhesivos
Los adhesivos son los materiales utilizados para adherir el material FRP a la superficie de concreto, con el fin de que se dé una adecuada transferencia de carga por cortante entre el elemento de concreto y el sistema FRP y así trabajen como una sección compuesta. Generalmente, se componen de una mezcla de resina epóxica (polímero) con un endurecedor. Las características de los adhesivos se pueden variar para adaptarse a las necesidades del trabajo a realizar.
2. Sistemas de reforzamiento externo utilizando materiales FRP
Existen dos sistemas para el reforzamiento externo de elementos de concreto: los sistemas de curado en sitio y los sistemas de elementos prefabricados (o precurados).
2.1 Sistemas de curado en sitio
Estos sistemas también conocidos como sistemas de colocación húmeda (wet layup), puede disponer de las fibras ya sea en una o en varias direcciones, cubriendo parcialmente o totalmente el elemento. La superficie de concreto debe tratarse previamente para promover la adherencia.
Su instalación se puede realizar de dos maneras:
•La fibra se aplica directamente sobre la resina la cual ha sido previamente aplicada sobre la superficie del concreto.
•La fibra es impregnada con la resina en una máquina saturadora y luego aplicada húmeda a la superficie del concreto.
2.2. Elementos pre-curados
Los elementos prefabricados pueden ser cintas o láminas rectas o también elementos con formas predefinidas tales como cascaras, chalecos o angulares los cuales se instalan con adhesivos. Estos elementos se encuentran listos para ser instalados en obra por medio de adhesivos fríos.
3. Técnicas de aplicación de materiales FRP
Existen dos técnicas para la aplicación de materiales FRP a elementos de concreto: la técnica básica y la técnica especial.
La técnica básica consiste en la aplicación manual de los sistemas de curado en sitio y elementos prefabricados.
La técnica especial consiste en la aplicación de los sistemas de reforzamiento antes expuestos según métodos especializados, en muchos casos, patentados, que se explican a continuación.
a. Envolver automáticamente los elementos de concreto con fibras húmedas de FRP mediante un robot especializado, lo cual permite garantizar la calidad del proceso así como una rápida aplicación.
b. Adherir el material FRP a la superficie en un estado pre-esforzado.
c. Adherir cintas de FRP con pines de carga mediante un proceso de fusión entre capas de FRP que permite el movimiento relativo de las fibras.
d. Colocar el FRP mediante curado rápido en sitio empleando dispositivos de calentamiento (infrarrojo, calentadores eléctricos, entre otros) para disminuir el tiempo de curado.
e. Adherir elementos preformados tales como ángulares o cascaras de material FRP.
f. Realizar rendijas en el concreto para colocar tiras de material FRP.
g. Impregnar el material FRP a la superficie de concreto mediante el uso de bolsas de vacio.
4. Conclusiones
El uso del material FRP para el refuerzo externo de elementos de concreto es una práctica comúnmente utilizada en países desarrollados. Este material compuesto, en especial el FRP a base de fibras de carbono, presenta enormes ventajas cuando se le compara con el acero estructural ya que exhibe una alta resistencia a la tensión, un alto modulo de elasticidad, es fácil de aplicar e inmune a la corrosión.
