Experimental and analytical investigation on bond behavior between steel bars and steel fiber reinforced recycled aggregate concrete

Resumen Técnico: Investigación Experimental y Analítica sobre el Comportamiento de la Adherencia entre Barras de Acero y Concreto de Agregado Reciclado Reforzado con Fibras de Acero

Planteamiento del Problema
El rápido agotamiento de los recursos naturales de arena y piedra, junto con la acumulación de desechos de construcción y demolición, ha hecho necesaria la utilización de Concreto de Agregado Reciclado (RAC, por sus siglas en inglés). Sin embargo, el RAC exhibe propiedades mecánicas inferiores en comparación con el Concreto de Agregado Natural (NAC), incluyendo menor resistencia a la compresión y tracción, durabilidad reducida y un desempeño de adherencia comprometido entre el refuerzo de acero y la matriz de concreto. Estos defectos inherentes, atribuidos a la menor resistencia, mayor absorción de agua y porosidad del agregado grueso reciclado (RCA), limitan la aplicación del RAC en elementos estructurales. Si bien la adición de fibras de acero (SF) es reconocida como un método efectivo para mejorar las propiedades mecánicas y la ductilidad del RAC, existe una falta de datos exhaustivos sobre el comportamiento de adherencia-deslizamiento entre barras de acero y el Concreto de Agregado Reciclado Reforzado con Fibras de Acero (SFRAC), particularmente para concretos de resistencia normal. Los estudios existentes suelen centrarse en variantes de alta resistencia o fibras híbridas, dejando un vacío en la comprensión de los mecanismos de adherencia fundamentales y los modelos constitutivos para el SFRAC en estructuras de ingeniería práctica.

Metodología
Este estudio empleó un enfoque sistemático que combina pruebas experimentales, análisis microscópico, modelado analítico y simulación numérica:

1. Programa Experimental: Se realizaron un total de 27 ensayos de extracción (pullout tests) en especímenes de adherencia. Los parámetros de prueba incluyeron cuatro variables: grado de resistencia del concreto (C30, C45, C60), relación de reemplazo de agregado grueso reciclado (RCA) (0%, 50%, 100%), fracción de volumen de fibra de acero (0%, 1.0%, 1.5%) y longitud de anclaje (3d, 5d, 7d, donde d es el diámetro de la barra). Los especímenes utilizaron barras de acero HRB400 (16 mm de diámetro) embebidas en bloques cúbicos de concreto de 150 mm.
2. Análisis Microestructural: Se utilizó Microscopía Electrónica de Barrido (SEM) para caracterizar la zona de transición interfacial (ITZ) y el mecanismo de adherencia de las fibras de acero dentro de la matriz de concreto.
3. Modelado Analítico: Basándose en las curvas experimentales de esfuerzo de adherencia-deslizamiento, se desarrolló un modelo constitutivo de cuatro secciones (ascendente, horizontal, descendente y residual). Se realizó un análisis estadístico para derivar fórmulas predictivas para la resistencia de adherencia última y residual como funciones de la resistencia del concreto, la relación de reemplazo de RCA, las características de la fibra de acero y la longitud de anclaje.
4. Análisis de Elementos Finitos (FEA): Las simulaciones numéricas se realizaron utilizando el software ABAQUS. Se estableció un modelo de simetría de cuarto de sección utilizando elementos C3D8R para el concreto y el acero. Para simular el comportamiento de adherencia sin modelar explícitamente la geometría de las corrugaciones (lo que causa problemas de convergencia), se implementó un elemento de resorte no lineal (Spring2) mediante la modificación del archivo INP para representar la relación constitutiva de esfuerzo-deslizamiento de adherencia derivada de los datos experimentales.

Resultos Clave

• Modos de Falla: Se observaron tres modos de falla primarios: división (splitting) (predominante en especímenes sin fibras de acero), fluencia de la barra de acero (observada en especímenes de alta resistencia, alta cantidad de fibra o largo anclaje) y extracción (pullout) (común en especímenes con alta cantidad de fibra y corto anclaje). La adición de fibras de acero mejoró significativamente la integridad de los especímenes, evitando fallas de división frágiles.
• Tendencias de Resistencia de Adherencia:
  • Resistencia del Concreto: Tanto la resistencia de adherencia última como la residual aumentaron con grados de resistencia de concreto más altos.
  • Reemplazo de RCA: La resistencia de adherencia disminuyó a medida que aumentó la relación de reemplazo de RCA, debido a la ITZ más débil y la menor resistencia de los agregados reciclados.
  • Longitud de Anclaje: La resistencia de adherencia disminuyó a medida que la longitud de anclaje aumentó debido a la distribución no uniforme del esfuerzo de adherencia a lo largo de la barra.
  • Fibra de Acero: La fracción de volumen de fibras de acero tuvo un efecto insignificante en la resistencia de adherencia última, pero mejoró significativamente la resistencia de adherencia residual. Los especímenes con contenido de fibra de 1.0% y 1.5% mostraron incrementos en la resistencia residual de aproximadamente 73% y 77%, respectivamente, en comparación con el RAC sin fibras.
• Hallazgos Microestructurales: El análisis SEM confirmó que las fibras de acero actúan efectivamente como puentes en las grietas y dificultan su propagación. La ITZ entre la fibra y la pasta de cemento mostró la formación de gel C-S-H, contribuyendo al mejor desempeño post-fisuración.
• Precisión del Modelo: El modelo constitutivo de esfuerzo-desliz sea de adherencia de cuatro secciones propuesto demostró una alta precisión, con una relación promedio de la resistencia de adherencia última calculada frente a la experimental de 1.013 y de la resistencia residual de 0.950. Las simulaciones de elementos finitos utilizando el método de elemento de resorte propuesto replicaron con éxito las curvas de carga-deslizamiento experimental y las distribuciones de esfuerzo.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo sostiene que el modelo analítico y el método de simulación de elementos finitos propuestos proporcionan una herramienta práctica y precisa para predecir el comportamiento de adherencia entre barras de acero y SFRAC. Específicamente, el estudio afirma que:

1. El modelo constitutivo derivado puede simular con precisión toda la respuesta de adherencia-deslizamiento, incluyendo la fase crítica residual donde las fibras de acero juegan un papel dominante.
2. El método de FEA propuesto, utilizando elementos de resorte no lineales para representar el comportamiento de adherencia, ofrece una alternativa computacionalmente eficiente a la generación de mallas complejas de geometrías de corrugación, reduciendo significativamente la carga de trabajo para los investigadores que analizan estructuras de SFRAC.
3. Los hallazgos validan la viabilidad del uso de SFRAC en aplicaciones estructurales, siempre que se tengan en cuenta las características específicas de adherencia-deslizamiento —particularmente el incremento de la resistencia residual debido a las fibras de acero— en el diseño y análisis.

El estudio concluye que comprender estos mecanismos de adherencia es esencial para promover la aplicación del SFRAC en estructuras de concreto reforzado, cerrando la brecha entre la innovación de materiales y la práctica de la ingeniería estructural.