Barras GFRP de refuerzo para concreto provienen de una larga y exitosa trayectoria industrial

El espectro de productos de polímeros reforzados con fibras (FRP: Fiber-Reinforced Polymers) para el refuerzo interno de elementos de concreto es bastante completo. El mercado cuenta con barras FRP rectas y dobladas, estribos, espirales, barras con anclaje adherido, pernos y espigos o dovelas. En América Latina se puede acceder a todos estos productos de manera directa desde compañías certificadas en Norteamérica.

La fábrica canadiense Pultrall Inc. produce todos estos refuerzos FRP bajo la marca V-ROD^®. Ha desarrollado dos referencias de barras para usos estructurales y una referencia adicional para aplicaciones ligeras y trabajos planos, en los que las cargas en servicio no lleguen a sobrepasar las cuatro toneladas. Estas últimas reemplazan con una resistencia muy superior y efectividad a las mallas electrosoldadas (Ver Imagen n.º 1).

Las barras rectas se fabrican en las mismas dimensiones que las varillas de acero. Para propósitos de diseño, se realizan los cálculos con el área nominal de la sección transversal. El área efectiva, en el caso de las barras GFRP de refuerzo V-ROD^®, es superior por su revestimiento, destinado únicamente a alcanzar los efectos de adherencia con el concreto.

Las barras V-ROD^® se clasifican según su módulo de elasticidad: Grado 46 y Grado 60, con matriz polimérica de viniléster. Están diseñadas para el refuerzo de columnas, vigas, losas, pilotes, cimentaciones o muros de retención. La barra Grado 40, para usos no estructurales, embebe en poliéster a las fibras de vidrio durante su proceso de curado (Ver Imagen n.º 2).

Las resinas utilizadas en los refuerzos FRP son termoestables, las cuales se producen mediante la polimerización o reticulación de derivados del petróleo que dan lugar a uniones irreversibles de moléculas de bajo peso. Por tanto, no cabe comparar las resinas utilizadas en productos FRP con aquellas que componen los múltiples objetos de plástico para el consumo final y masivo (botellas, recipientes, juguetes, etc.). Estas últimas proceden de resinas termoplásticas, que tienen una composición química de menor complejidad y no se suelen reforzar.

El viniléster, procedente de resinas epoxi, asegura propiedades mecánicas superiores; resistencia a líquidos y ambientes corrosivos; óptima protección a la alcalinidad y a la absorción de humedad; transparencia electromagnética, excelente rendimiento a temperaturas elevadas y buena adhesión a sustratos.

Por su parte, las fibras de vidrio poseen propiedades de aislamiento eléctrico y transparencia a la radiación de radiofrecuencia, baja susceptibilidad a la humedad y altas propiedades mecánicas. Las barras GFRP de refuerzo V-ROD^® se fabrican con fibras E-CR, que se distinguen además por tener propiedades superiores de resistencia a la corrosión.

Trayectoria

La industria de materiales compuestos se remonta a los años cuarenta. Las fibras de vidrio se comenzaron a fabricar en la década anterior, mientras que la invención de los procesos de polimerización se consiguió desde finales del siglo XIX. Los materiales compuestos se emplearon inicialmente en prototipos de partes para vehículos (p. ej., botes) y rápidamente su uso se expandió a varias aplicaciones militares durante la Segunda Guerra Mundial. Su crecimiento continuó luego de la mano de la industria aeroespacial, de hidrocarburos (p. ej., tuberías, tanques) y automotriz.

La investigación y desarrollo para la creación de refuerzos en materiales compuestos para concreto comenzó en los años setenta y estuvo comercialmente disponible al finalizar esta década. Sus aplicaciones avanzaron rápidamente durante los años ochenta en construcciones especializadas para salas con máquinas para imágenes de de resonancia magnética (MRI), laboratorios de investigación, centros de datos, plantas industriales, subestaciones eléctricas y pistas de aeropuertos. Desde entonces, se establecieron como el refuerzo natural de estas instalaciones, dado que no interfieren con radiaciones electromagnéticas, carecen de conductividad eléctrica y no generan puentes térmicos entre elementos.

La década de los noventa conoció una gran expansión del uso de este refuerzo en Japón, China y Norteamérica. El refuerzo con barras GFRP se popularizó desde entonces para la construcción o rehabilitación de tableros de puentes y demás elementos subestructurales. A la fecha, Canadá y Estados Unidos cuentan incluso con estándares internacionales que fijan las especificaciones para el refuerzo integral (estructuras y subestructuras) de puentes, autopistas o pasos peatonales con barras y dovelas en GFRP (AASHTO LRFD, 2018, Bridge Design Guide Specifications for GFRP-Reinforced Concrete, Second Edition).

El uso de barras GFRP en edificaciones de altura, hasta este momento exitosa en mampostería, balcones, tanques y áreas comunes, está a punto de ampliar notablemente su territorio de aplicación (p. ej., columnas, vigas maestras), con la próxima expedición del Código estructural ACI 440, del American Concrete Institute.

Los materiales compuestos también hacen parte actualmente de los progresos en nanotecnología, donde aportan sus destacadas propiedades físico-mecánicas (p. ej., nanotubos de carbono); así como para la impresión en 3-D.

Estándares del material

La estandarización de las características y el desempeño de este material se encuentra muy avanzada. La American Society for Testing and Materials (ASTM International), por ejemplo, regula firmemente los productos FRP para refuerzo de concreto bajo el capítulo D y E (diferentes materiales y asuntos).

La mayoría de los estándares ASTM se agrupan bajo la categoría de “materiales compuestos para aplicaciones estructurales”. A continuación, se enumeran doce de estos, algunos de ellos con fechas de renovación o actualización de este mismo año (Ver Imagen n.º 3).

En países de América Latina y varios estados de Estados Unidos, los procesos de homologación y de habilitación de lotes específicos para obras de las barras GFRP de refuerzo recurren por lo general a la prueba de tracción consignada en el ASTM D7205/D7205M-06(2016), Standard Test Method for Tensile Properties of Fiber Reinforced Polymer Matrix Composite Bars.

Este último estándar se encuentra armonizado con el estándar CSA-S807, Specification for Fibre-Reinforced Polymer, elaborado por el organismo internacional de normalización canadiense CSA Group. En Colombia, este último estándar se adoptó como Norma Técnica Colombiana: NTC-6280, Especificaciones para Polímeros Reforzados con Fibras (ICONTEC, en 2018).

Adopción generalizada

Los productos FRP para refuerzo del concreto son otro resultado exitoso de la convergencia entre la ingeniería química y la civil. Han conseguido en cuarenta años cumplir con la promesa de valor de la revolución tecnológica de materiales compuestos avanzados: (a) reducir el impacto ecológico de su fabricación en comparación con materiales naturales o metálicos; (b) contribuir a la sostenibilidad reduciendo consumos de agua, agregados y cemento; (c) garantizar obras de mejor calidad y mayor durabilidad; y (d) reducir los altos costos de mantenimiento y reemplazo que exige el concreto con refuerzos tradicionales. Costos que terminan asumiendo los propietarios de las obras (p. ej., concesionarios), en muchos casos los ciudadanos.

Como producto, los refuerzos FRP suben cada tanto a lo que parece ser el pináculo de su evolución. Su capacidad para cumplir con exigentes pruebas físicas, químicas y mecánicas está probada por sus miles de aplicaciones a lo largo del mundo y la sólida reglamentación que rige a cada uno de sus componentes y a su desempeño compuesto.

En la revista Composites World (2018), Dale Brosius señalaba hace poco que “[…] estamos al borde de la adopción generalizada de barras de refuerzo de polímeros reforzadas con fibra (FRP) en la construcción de infraestructura” (Passion, persistence and patience. Winning the long game).

El mundo se prepara para el establecimiento de un nuevo paradigma del concreto reforzado. Existe un gran número de fábricas a nivel mundial de productos FRP, así como marcas muy reconocidas y respetadas por su calidad, fiabilidad y trayectoria, tal como V-ROD^®.

Todos los sectores de la economía en América Latina que descansan sobre esa gran invención del concreto reforzado u hormigón armado, cuentan ahora con la opción de adquirir los refuerzos FRP para las las nuevas generaciones de obras civiles o para la rehabilitación de las existentes.