Ensayos Bloque IV

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BLOQUE IV: ENSAYOS.

1. INTRODUCCIÓN

Una vez adquiridos los conocimientos necesarios para poder interpretar resultados

de mecánica de la fractura en hormigón; realizado un resumen histórico de estudios

sobre las fibras de polipropileno en hormigones; y definido el número de probetas que

van a ser ensayadas, es el momento de la realización de los ensayos.

Para poder establecer resultados, es necesario hacer mediciones de la forma más

directa posible. Para ello es necesario, en primer lugar, disponer de un equipo que

consiga cargar las probetas de la forma deseada y que permita controlar todos los

parámetros posibles y en segundo lugar elementos mediante los cuales sea posible

realizar mediciones de variables y que estas sean lo más exactas posibles. La carga de la

probeta se consigue con el uso de una máquina servo hidráulica y para realizar las

mediciones se utilizan transductores de desplazamientos y células de carga.

En este bloque, se van a describir todos y cada uno de los elementos utilizados para

la realización de los ensayos, con sus usos y características, justificando su elección.

Además se va a realizar una descripción de los ensayos, desde el procedimiento de los

ensayos hasta las evidencias experimentales que se obtienen directamente de la

observación de los ensayos.

2. ELEMENTOS UTILIZADOS EN LOS ENSAYOS

Una vez definidas las dimensiones y número de probetas que van a ser ensayadas, es

necesario adecuar la máquina de ensayo para su correcta utilización. En el laboratorio se

dispone de una máquina de ensayos dinámica servo hidráulica con una capacidad de

carga de 25 kN dinámica y de 50 kN estática.

La máquina de ensayos está equipada con dos mordazas de cierre y apertura

hidráulicos. La mordaza superior realiza el movimiento de aproximación para la

Ensayos Bloque IV

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preparación del ensayo y se fija antes de comenzar el ensayo, y la inferior es la que se

desplaza durante el ensayo. Entre la mordaza superior y el cilindro que lo une al marco

se encuentra colocada la célula de carga estática de 50 kN, con la cual se realiza la

medición de la carga aplicada a la probeta. La mordaza inferior esta acoplada a un

pistón que realiza el movimiento (actuador), el cual posee su propio transductor de

desplazamiento. Esta medición que da la máquina de desplazamiento no será

considerada como una medida fiable, por lo que se utilizarán transductores

independientes.

Figura 2.1: Máquina de ensayos servo hidráulica.

Las mordazas tienen una cogida especialmente preparadas para atrapar elementos

cilíndricos, no obstante también es posible que realicen una buena sujeción de

elementos no cilíndricos, por lo que el acople de elementos intermedios a estas no

requiere mayor dificultad.

El equipo de ensayo dispone de un mando de control sobre el que se puede realizar

la aproximación inicial entre las mordazas, el cierre y apertura de las mordazas y la

interrupción inmediata del ensayo.

Ensayos Bloque IV

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Los ensayos que son necesarios realizar requieren tres puntos de apoyo, para lo cual

es necesario adecuar la máquina por medio de elementos auxiliares.

El primer y más importante elemento auxiliar que se coloca a la máquina de ensayos

es una viga de perfil IPE, con el fin de conseguir dos puntos de apoyo inferiores. Para

la colocación de esta viga de 1,5 metros de longitud, ha sido necesario ingeniar un

sistema mediante el cual la viga quede unida de forma solidaria a la mordaza inferior.

Un factor que puede ser de gran influencia sobre los resultados obtenidos es la

posibilidad de realizar los ensayos en un estado tensional distinto del estado de flexión

pura. Con el fin de evitar que en el ensayo se produzcan tensiones diferentes a las

puramente producidas por la flexión en tres puntos, es necesario colocar apoyos de

características especiales. Se utilizan tres apoyos de rodillo, uno en la mordaza superior

y otros dos sobre la viga IPE.

El apoyo superior se coloca en la mordaza superior por medio de un elemento

intermedio que permite ser atrapado por la mordaza (figura 2.3). Los apoyos de rodillo

inferiores, se colocan sobre unos carritos que ruedan sobre unos rieles practicados sobre

la superficie superior de la viga (figura 2.2). Al estar la probeta apoyada sobre unos

rodillos que permiten el deslizamiento, la zona traccionada de la probeta se encontrará

en un estado de flexión pura. En el caso contrario, si los rodillos no permiten el

deslizamiento entre ellos, se producirían tensiones de compresión en la cara inferior de

la probeta, por lo que las tracciones en esos puntos no se corresponderían a las de

flexión pura.

Figura 2.3: Sujeción a mordaza del apoyo superior.

Figura 2.2: Apoyo inferior Figura 2.3: Sujeción a mordaza de apoyo superior

Ensayos Bloque IV

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No obstante, no sólo es necesario permitir el desplazamiento de los apoyos

inferiores, además, es necesario evitar tensiones de torsión. Para ello dos de los tres

rodillos se permite el giro en dirección transversal, por lo que evita que se generen

tensiones de torsión que modificarían los resultados.

Ya se ha comentado que la máquina de ensayos da una medida del desplazamiento

de la mordaza inferior. El objetivo de los ensayos es obtener los puntos de la curva

carga-desplazamiento en el centro de la probeta. Por tanto la medida más fiable para

medir la flecha es medir en el centro de la probeta, respecto a los apoyos de esta. Si se

considera como medida válida la que ofrece la máquina de ensayos, se están asumiendo

como parte del desplazamiento, todas las deformaciones que existen desde la mordaza

inferior hasta la superior, pasando por las deformaciones de la propia viga IPE, las

deformaciones de los apoyos, las deformaciones del marco de la máquina de ensayos,

las deformaciones locales de asentamiento en la zona de contacto probeta-apoyo de

rodilla…etc. Por tanto, para evitar todos estos errores en las mediciones se utiliza un

transductor de desplazamientos independiente del equipo.

El dispositivo utilizado para medir el desplazamiento en el centro de la viga es un

transductor de desplazamientos LVDT de la marca Solatron, modelo AX/5/S analógico.

Modelo A C B1 B2

AX/5/S 87.00 4.00 25.40 14.40

Figura 2.4: Geometría del transductor LVDT

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Transductor de desplazamientos LVDT AX/5/S

Rango de medida (mm) ±5

Precisión (% o µm) 0.5 % / 5 µm

Resolución (analógico) dependiente de electrónica

Sensibilidad (mV/V/mm ±5 %) 40 / 105

Temperatura de funcionamiento (ºC) -40 ºC, +100 ºC

Tabla 2.1: Características del transductor LVDT

Para realizar la medida del desplazamiento en el centro exacto de la probeta, es

necesario acoplarle una pletina de pequeñas dimensiones como la que se observa en la

figura 2.3. Para sostener el transductor se utiliza un brazo hidráulico de fácil ajuste

manual que posee una base magnética. El desplazamiento del centro de la probeta es

necesario referirlo a un punto para obtener el desplazamiento relativo del centro de la

probeta a la zona de contacto probeta-rodillo. Debido a la dificultad real que existe para

realizar este montaje, se coloca la base magnética en la viga IPE justo debajo del punto

de apoyo de la probeta. De este modo, tanto las deformaciones que se producen en la

viga como las del marco de la máquina no son introducidas como error en la medición

del desplazamiento en el centro de la probeta.

Figura 2.5: Montaje del transductor de desplazamientos sobre una probeta de ET1

Ensayos Bloque IV

100

Con el fin de que la propagación de la grieta durante el ensayo se lo más estable

posible, la velocidad de aplicación de la carga ha de ser lo suficiente baja. Además esta

estabilidad es aún mayor si el control se realiza en apertura de la grieta (CMOD del

Inglés “Crack Mouth Opening Displacement”). Para ello se tiene un transductor de

pinzas de alta precisión que mide la apertura entre las dos caras de la entalla. Esto se

consigue con la colocación de dos cuchillas adheridas al hormigón, sobre las que se

coloca las pinzas (Figuras 2.6). Para la colocación de estas cuchillas es necesario utilizar

un pegamento especial para superficies de hormigón.

Figuras 2.6 y 2.7: Pegado de cuchillas porta pinzas y pinza colocada sobre la probeta.

El transductor de pinzas utilizado es de la marca Kyowa, modelo DTC-A-5 y sus

dimensiones vienen detalladas en la figura 2.8. Las cuchillas auxiliares que son

necesario colocar se suministra con cada equipo.

Figura 2.8: Geometría del transductor de pinzas.

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Transductor de desplazamientos Pinzas DTC-A-5

Rango de medida (mm) 5 mm (de 4 a 9 mm)

Precisión (% ±1%

Peso (gramos) Aprox. 20 g

Sensibilidad (mV/V) 2.5 mV/V (5000 µm/m) +20/-10 %

Temperatura de funcionamiento (ºC) -10 ºC, +60 ºC

Tabla 2.2: Características del transductor de Pinzas DTC-A-5

La máquina de ensayos dispone de un programa informático que trata y almacena la

señal que recibe de los diferentes canales de medida. El programa utilizado se denomina

PCD 2K. Las principales ventanas que posee este programa es la de generación de

funciones, trazador, configuración de trazador, control y alarmas. En la configuración

del trazador es posible configurar en número de puntos que se van de tomar en cada

ensayo y cada cuanto tiempo se realiza el muestreo. Como el número de probetas a

ensayar es muy alto, se estima un tiempo de ensayo de entre 1 y 2 horas por probeta, por

lo que se realiza un muestreo cada 0.2 segundos.

Con la ventana de control es posible aproximar las mordazas antes de comenzar el

ensayo y decidir bajo que señal se realiza la aproximación. La ventana de alarmas, se

puede configurar para que no se sobrepasen una serie de limitaciones previamente

establecidas.

La zona de generación de funciones permite configurar cualquier forma de carga de

la probeta, con control en desplazamiento, control en carga, control en apertura de

grieta…etc. Es posible realizar funciones a trozos mediante las cuales se puede realizar

una mejor adaptación de los parámetros a las exigencias de los ensayos.

Resumiendo se tienen cuatro canales que miden las siguientes señales con los

siguientes elementos de medición:

• Canal 1: Fuerza (kN) – Célula de carga

• Canal 2: Posición del pistón (mm) – Actuador de la máquina.

• Canal 3: Apertura de Grieta (mm) – Transductor de pinzas

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• Canal 4: Posición (mm) – Transductor LVDT

3. DESCRIPCIÓN DEL ENSAYO. PARÁMETROS.

Para obtener la curva completa carga-desplazamiento de cada probeta, es necesario

que el crecimiento de la grieta se produzca de forma estable. La mejor forma de simular

un crecimiento de grieta estable, es controlando la velocidad de carga de la probeta por

medio de la apertura de la grieta. Es decir, el uso del transductor de pinzas, está

indicado principalmente para la búsqueda de un ensayo con crecimiento estable de

grieta.

El procedimiento general de ensayos de las probetas es el siguiente:

• Se toman las probetas de la cámara húmeda 24 horas antes de iniciar su

ensayo en la máquina dinámica.

• Se prepara el pegamento para hormigones y se realiza el pegado de las

cuchillas y la placa para medir en el centro de la viga con el transductor

LVDT. Se realizan unas marcas a la probeta en el centro de aplicación de la

carga y en los puntos de apoyo, consiguiéndose que la probeta este

perfectamente centrada tanto longitudinal como transversalmente. Es

necesario esperar aproximadamente 15 minutos hasta el completo secado del

pegamento.

• Colocada la viga sobre la máquina de ensayos, se realiza la primera

aproximación de la mordaza superior a la probeta mediante el sistema de

control de la máquina.

• Tras esto, se definen los parámetros de ensayo para la viga que va a ser

ensayada. Es decir, los diferentes tramos en el generador de funciones junto

con las velocidades de carga y límites.

• A continuación se realiza la aproximación más ajustada por medio de la

ventana de control del programa PCD 2K, con control en desplazamiento del

actuador.

• Una vez que todo lo anterior ha sido comprobado, se comienza el ensayo

propiamente dicho de la probeta.

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• Es necesario prever que cuando la probeta alcance su máximo

desplazamiento, esta caerá y podría dañar los elementos de medida. Para

evitar que esto ocurra, se colocan dos tacos de madera (figura 3.1 y 3.2) de

tal forma que al caer la probeta proteja los elementos de medida.

Figuras 3.1 y 3.2: Colocación de tacos de madera para evitar el daño de los transductores.

• El ensayo finaliza cuando la probeta alcanza su desplazamiento máximo y

cae por la pérdida de capacidad portante.

• Finalmente se pesan las probetas y se almacenan para cualquier medición

posterior.

A medida que se sigue el protocolo anterior para cada una de las probetas se observa

una evidencia experimental: a medida que el tamaño de las probetas aumenta, el

máximo desplazamiento disminuye y a para un mismo tamaño, la adición de fibras

aumenta el desplazamiento máximo al que rompe la probeta.

Se ha de saber que las probetas ensayadas poseen un peso propio que podría

haberse tratado a priori utilizando compensadores, pero que debido a la dificultad de su

montaje, se realizan correcciones por el peso propio propuestas por autores de valioso

prestigio en la mecánica de la fractura [12].

En un primer lugar, para el ensayo de las probetas de efecto tamaño 1 de hormigón

sin fibras, se toma una velocidad de carga en el transductor de pinzas de 0,017 mm/min,

y con un límite impuesto por el rango del transductor de pinzas, es decir, 4 mm. A pesar

de que el rango de este transductor es de 5 mm, es difícil colocar las cuchillas ajustando

la distancia entre ellas perfectamente a los 4 mm de apertura inicial que tiene, por lo que

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inicialmente, sin carga, el transductor de pinzas marca unos 0,5 mm y por tanto no es

posible que alcance los 5 mm de rango que tiene.

Esta velocidad de apertura de la grieta (0,017 mm/min) se obtiene tras la imposición

de que la duración del ensayo sea de aproximadamente 1 hora. Esta velocidad funciona

correctamente para los tres tamaños de hormigón sin fibras ya que los desplazamientos

aunque varían inversamente al tamaño, se mantienen considerablemente constantes, y

por tanto todos los ensayos se realizan en aproximadamente 1 hora.

En la representación gráfica de los datos exportados, se observa que en la zona

inicial de carga existen muy pocos puntos exportados (figura 3.3), y por tanto un salto

busco de la carga. Esto se debe a que el control se realiza en la apertura de la grieta.

Para poder controlar con un elemento auxiliar la aplicación de la carga, es decir, que no

sea ni en carga ni con el desplazamiento del actuador, esta comienza moviendo el pistón

con una velocidad determinada hasta que la célula de carga detecta haber entrado en

carga, y es en el instante en el que el transductor de pinzas (elemento auxiliar)

experimenta una variación cuando el control pasa a la apertura de la grieta. Lógicamente

es imposible que esto se pueda realizar desde el inicio ya que algo tiene que causar la

apertura de la entalla.

Figura 3.3: Curva de carga-desplazamiento. Defecto de datos en la zona inicial.

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

Ca

rga

(N

)

Desplazamiento (mm)

Probeta ET1. Hormigón Sin Fibras

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105

Se observa que ese control inicial que realiza la máquina para poder posteriormente

controlar en apertura de la grieta es a una velocidad excesiva e introduce un salto brusco

inicial en la curva carga-desplazamiento. Por tanto, con el fin de evitar, que se

introduzca muy rápidamente una carga inicial alta en el inicio del ensayo, se divide la

generación de funciones en dos tramos. En la figura 3.4 se observa como la curva carga-

desplazamiento presenta una mayor homogeneidad en los puntos exportados de la zona

de carga inicial.

Figura 3.4: Curva carga desplazamiento. Corrección de datos iniciales.

El primer tramo se controla en desplazamiento del actuador de la máquina con una

velocidad de 0,2 mm/min hasta que se llegue a una carga de 30 N donde comienza el

tramo segundo. Obsérvese que la velocidad de carga se tiene en milímetros por minutos

y el límite en Newtons, es decir en carga. Esto es una de las opciones que tiene el

programa informático utilizado en la venta de generador de funciones.

En el segundo tramo, una vez que la carga alcanza los 30 N comienza el control en

apertura de la grieta, con una velocidad de 0,017 mm/min, hasta que finalice el ensayo.

El límite de carga en el tramo 1 indicado en el párrafo anterior de 30 N, está

especialmente indicado para las probetas de efecto tamaño 1. Para las de efecto tamaño

2 se toma un límite algo superior, 50 N y para las de mayor tamaño se toman 80 N.

-

100

200

300

400

500

600

700

- 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20

Ca

rga

(N

)

Desplazamiento (mm)

Probetas de ET2 de Hormigón SF

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Una vez finalizados los ensayos correspondientes a hormigones sin fibras, se

comienzan a realizar los ensayos para hormigones con fibra corta, es decir, fibra G1A.

La primera probeta se ensaya con los parámetros anteriores, es decir, control inicial con

el actuador a 0,2 mm/min hasta 30 N y con posterior control en apertura de grieta a

0,017 mm/min hasta la ruptura. Tras este ensayo se observa que el desplazamiento en el

punto de rotura de la probeta es considerablemente mayor al de la misma probeta pero

con hormigón sin fibras. El ensayo tiene una duración de aproximadamente 3 horas y el

desplazamiento máximo es del orden de 5 mm.

Con el fin de evitar ensayos de muy larga duración una posible solución es aumentar

la velocidad de carga al doble o al triple según sea necesario. Esto tiene el inconveniente

de que en la zona de la curva carga-desplazamiento donde se están produciendo las

micro-fisuraciones interiores, se deja de tener un crecimiento estable debido a la alta

velocidad de aplicación de la carga. La solución aportada es el uso de un tramo más en

la generación de las funciones. De este modo, se tiene un tramo inicial de ajuste de

carga en el que se controla en desplazamiento del actuador, un segundo tramo con

control en apertura de la grieta hasta que se haya superado claramente el pico de

máxima carga y un tercer tramo con control en el desplazamiento del transductor LVDT

para el tramo final.

Se observa que el último tramo no es posible controlarlo en apertura de la grieta ya

que el rango máximo de este transductor es de 5 mm y las probetas con fibras pueden

llegar a un desplazamiento máximo de has 10 mm.

Las velocidades de aplicación de carga de los tramos 2 y 3 se calculan estimando el

desplazamiento máximo que tendrá la probeta para que la duración del ensayo

permanezca aproximadamente en 1 hora. Esto se hace imponiendo que el primer tramo

tenga una duración aproximada de 20 minutos hasta un desplazamiento correspondiente

al 75 % de la carga máxima aproximada pasado el pico (δ1) y que la duración del

segundo tramo sea de 40 minutos desde que pasa δ1 hasta que llega a δmax.

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Figura 3.4: Curva carga-desplazamiento

���� = 20 �; �� ���� − ��� = 40 �;

Los valores de δ1 y δmax se estiman con aproximaciones a partir de otras probetas del

mismo tamaño ensayadas anteriormente. Normalmente para todas las probetas con

fibras de cualquier tipo el valor de δ1 es de 0,25 mm y δmax es más variable con el tipo

de fibra y con el tamaño de la probeta.

A continuación se presenta una tabla donde se tienen todos los valores de los

parámetros de ensayos utilizados para cada probeta. En el caso de que el ensayo se haya

realizado sin tramos aparece un guión en la casilla correspondiente.

Tramo 1 Tramo 2 Tramo 3

Hormigón Tamaño V1 (mm/min) Actuador

Límite (N)

V2 (mm/min) CMOD

Límite (mm)

V3 (mm/min)

LVDT

Límite (mm)

Hormigón

Sin

Fibras

ET1-1 - - 0,017 4 - -

ET1-2 - - 0,017 4 - -

ET1-3 - - 0,017 4 - -

ET2-1 - - 0,017 4 - -

ET2-2 - - 0,017 4 - -

ET2-3 - - 0,017 4 - -

ET3-1 0,2 80 0,017 4 - -

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ET3-2 0,2 80 0,017 4 - -

ET3-3 0,2 80 0,017 4 - -

Hormigón

con fibras

G1A

ET1-1 0,2 30 0,017 4 - -

ET1-2 0,2 30 0,035 4 - -

ET1-3 0,2 30 0,05 4 - -

ET2-1 0,2 50 0,02 4 - -

ET2-2 0,2 50 0,125 0,25 0,094 10

ET2-3 0,2 50 0,125 0,25 0,094 10

ET3-1 0,2 80 0,125 0,25 0,094 10

ET3-2 0,2 80 0,125 0,25 0,05 10

ET3-3 0,2 80 0,125 0,25 0,05 10

Hormigón

con fibras

G1C

ET1-1 0,2 30 0,125 0,20 0,094 10

ET1-2 0,2 30 0,125 0,20 0,20 10

ET1-3 0,2 30 0,125 0,20 0,20 10

ET2-1 0,2 50 0,125 0,20 0,20 10

ET2-2 0,2 50 0,125 0,20 0,20 10

ET2-3 0,2 50 0,125 0,20 0,20 10

ET3-1 0,2 80 0,125 0,20 0,20 10

ET3-2 0,2 80 0,125 0,20 0,20 10

ET3-3 0,2 80 0,125 0,20 0,20 10

Hormigón

con fibras

G2C

ET1-1 0,2 30 0,125 0,20 0,20 10

ET1-2 0,2 30 0,125 0,20 0,20 10

ET1-3 Probeta desechada por encontrarse previamente fisurada

ET2-1 0,2 50 0,125 0,20 0,20 10

ET2-2 0,2 50 0,125 0,20 0,20 10

ET2-3 0,2 50 0,125 0,20 0,20 10

ET3-1 0,2 80 0,125 0,15 0,15 10

ET3-2 0,2 80 0,125 0,15 0,15 10

ET3-3 0,2 80 0,125 0,15 0,15 10

Tabla 3.1: Condiciones de aplicación de carga. Tramos del generador de funciones.

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4. EVIDENCIAS EXPERIMENTALES.

Durante la realización de los ensayos, se puede observar como la grieta se va

propagando a través del canto de la probeta. Se observa claramente que las probetas de

hormigones reforzados con fibras mantienen su capacidad portante hasta una apertura

de grietas muy superiores a lo hormigones sin reforzar. En las figuras 4.1 y 4.2 se

observa el inicio de la grieta una vez que se ha superado la carga última de la probeta.

Figuras 4.1 y 4.2: Fisuras iníciales durante la realización del ensayo a flexión.

Hormigones sin fibras.

En la figura 4.3, 4.5 y 4.6 se pueden ver las probetas a punto de perder toda su

capacidad portante para una probeta de tamaño pequeño con un hormigón sin reforzar.

Figuras 4.3 y 4.4: Fisuras en el estado de rotura inminente de hormigones

reforzados con fibras G1A.

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110

Figura 4.5: Estado de rotura inminente. Hormigón sin fibras.

A continuación se muestran una serie de probetas de hormigón reforzado con fibras,

donde se observa el efecto de cosido que realizan las fibras en el hormigón.

Figuras 4.6 y 4.7: Fisuras en el estado de rotura inminente de hormigones

reforzados con fibras G1C y G2C.

Con las figuras anteriores se observa claramente el efecto que tienen las fibras al

reforzar hormigones. La propiedad de energía de fractura, objeto de estudio de este

proyecto, no es observable de forma visual, pero se intuye que el entramado de fibras

Ensayos Bloque IV

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que enlaza al hormigón en todo su cuerpo aumenta considerablemente la energía

necesaria para que la grieta pueda seguir propagándose.

Este aumento de energía de fractura se debe principalmente a dos causas. Por un

lado es necesario vencer una zona de proceso de fractura, donde se producen las

microroturas del hormigón. La cantidad de energía necesaria para romper los vínculos

internos en la zona de proceso de fractura será mayor para hormigones reforzados con

fibras que para hormigones sin reforzar, debido a que se aumentan las fuerzas de enlace

entre los agregados del hormigón. Por otro lado se encuentra la zona ya fisurada pero

que sigue teniendo una pequeña capacidad a tracción debido al efecto de cosido

producido por las fibras.

Con este repaso visual de las probetas ensayadas se ha observado una aproximación

cualitativa de la influencia de las fibras, no habiéndose realizado observación alguna

sobre los diferentes tipos de fibras. Este estudio de mayor profundidad y cuantitativo,

entre otros, se realiza en el siguiente bloque dedicado a los resultados obtenidos.