Consideraciones relativas al diseño y a la alta durabilidad de dovelas de hormigón reforzado con fibras no metálicas (HRFnM)

Aplicat embargament des de la data de defensa fins al dia 1 d'abril de 2022The use of the fibre reinforced concrete (FRC) as a construction material has expanded beyond the traditional applications since the publication of design codes and structural guidelines. Fibre reinforced concrete for tunnel lining segments rings is already a standard practice worldwide, where the technical advantages that its use leads are known. Despite of numerous advantages of the FRC, incertitude still exists regarding the design, characterization and performance of these materials. There are several references in the literature on experimental campaigns reinforced with conventional rebars as reinforced with the partial or total replacement of conventional rebars by structural steel fibres. However, studies on the concept of a sustainable precast tunnel segment, reinforced only with macro-synthetic structural fibres is for the moment very minority, in a few cases barely existing, due to the lack of experience with this type of fibres and the lack of knowledge of the benefits they can offer in a long term. In this context, further research is required to improve current tools to characterize and design nonmetallic FRC structures. The main topics addressed in this thesis are oriented to: 1. analyse the structural viability of non-metallic structural macrofibres for tunnel lining segments. 2. Study the durability of plastic fibres against external agents. 3. Establish a design proposal for non-metallic structural fibre-reinforced segments on a real scale. In order to achieve the objectives of the present doctoral thesis, the first part is focused on the study of the structural viability of non-metallic macro-fibres with a structural purpose. For this purpose, several experimental campaigns are carried out in order to evaluate the characterization of the material, observing the influence on the physical and mechanical properties from the type and content of fibers used in the concrete. Subsequently, the study focuses on quality control at early ages. Finally, this first part is concluded with the development of a new technique capable of determining the fibre content in the nMFRC. As important as the resistant capacity of the structures, is their ability to resist during their lifetime period of aggressions that the segments are exposed to. Therefore, it has been considered to study the durability of plastic fibres against external agents. As such, an experimental campaign is carried out in which the filament of the non-metallic fibres is subjected to various aggressive environments and exposures in order to characterise the physical and mechanical properties. Finally, once the structural and durable viability of non-metallic fibres with a structural purpose has been studied, the need to carry out a study of the element on a real scale arises. In this sense, a full-scale study of the segment is carried out, based on the experimental results of the bending test on segments reinforced with polypropylene fibres (10 kg/m3) and metallic fibres (40 kg/m3).El uso del hormigón reforzado con fibras (HRF) como material de construcción se ha expandido más allá de las aplicaciones tradicionales, donde su uso como material estructural ha sido aceptado por diferentes códigos y guías de diseño. El empleo del hormigón reforzado con fibras para anillos de dovelas de revestimiento de túneles ya es una práctica estándar en todo el mundo, donde se conocen las ventajas técnicas que conlleva su uso. A pesar de las numerosas ventajas del HRF, todavía existe incertidumbre en cuanto al diseño, caracterización y rendimiento de los materiales. Existen en la literatura técnica trabajos, investigaciones y campañas experimentales tanto en dovelas reforzadas con armadura convencional, como reforzadas con la sustitución parcial o total de la armadura convencional por fibras de acero estructural. Sin embargo, los estudios sobre el concepto de dovelas de t úneles prefabricados, reforzados únicamente con fibras estructurales macro sintéticas, son por el momento muy minoritarios. En algunos casos apenas son existentes, debido a la falta de experiencia con este tipo de fibras y al desconocimiento de los beneficios que pueden ofrecer a largo plazo. En este sentido, se hace necesario continuar investigando con el objetivo de mejorar los métodos actuales de caracterización y diseño del hormigón reforzado con fibras no metálicas. Los principales aspectos que se abordan en esta tesis están orientados a: 1. Analizar la viabilidad estructural de las macrofibras no metálicas con finalidad estructural destinadas al uso en dovelas de revestimiento de t úneles, 2. Estudiar la durabilidad de las fibras plásticas frente a agentes externos y, 3. Establecer una propuesta de diseño de dovelas reforzadas con fibras con finalidad estructural no metálicas a escala real. Para alcanzar los objetivos de la presente Tesis Doctoral, el primer bloque se enfoca al estudio de la viabilidad estructural de las macrofibras no metálicas con finalidad estructural. Para ello se realizan diversas campañas experimentales con el fin de caracterizar el material, observándose la influencia en las propiedades físicas y mecánicas a partir del tipo y contenido de fibras empleadas en el hormigón. Posteriormente, el estudio se enfoca en la influencia de la incorporación de fibras en función a las edades tempranas. Finalmente, se concluye esta primera parte con el desarrollo de una nueva técnica capaz de determinar el contenido de las fibras en el HRFnM. Tan importante como la capacidad resistente de las estructuras, es su capacidad para resistir durante su período de vida útil las agresiones a las que las dovelas están expuestas. Por ello, en el segundo bloque se ha considerado estudiar la durabilidad de las fibras plásticas frente a agentes externos. A tal efecto, se realiza una campaña experimental en la que se somete el hilo madre de las fibras no metálicas a diversos ambientes agresivos y exposiciones para as í caracterizar sus propiedades físicas y mecánicas. De manera general, los resultados no demuestran degradaciones significativas en las muestras sobre ninguna de las diferentes disoluciones agresivas empleadas. Finalmente, una vez estudiado la viabilidad en términos estructural y durabilidad de las fibras no metálicas con finalidad estructural, surge la necesidad de realizar un estudio de la dovela a escala real. Los resultados demuestran la viabilidad de dovelas reforzadas totalmente con fibras de polipropileno (cuantía de 10 kg/m3) como con fibras metálicas (40 kg/m3), demostrando un comportamiento dúctil a partir del ensayo a flexión y a la vez con gran capacidad de redistribuir esfuerzos.Postprint (published version

Caracterización de la adherencia en refuerzos de Ultra-Thin Whitetopping (UTW)

El uso moderno del asfalto para carreteras y construcción de calles comenzó a finales del siglo pasado, y creció rápidamente el surgimiento de la industria automotriz. Desde entonces, la tecnología del asfalto ha dado grandes pasos con el objetivo de obtener la reducción de los costes de mantenimiento. Hoy en día un tipo de rehabilitación de pavimentos asfálticos es el Whitetopping, el cual se conoce como el recubrimiento de un pavimento asfáltico existente con una capa de hormigón de cemento Portland. Los Whitetopping se clasifican dependiendo del espesor de la losa, si es superior a 200 mm se considera Whitetopping convencional (CWT), este se caracteriza por su diseño ya que no considera adherencia entre el asfalto y el hormigón. Los espesores de 100 a 200 mm se consideran delgados (TWT), estos se diseñan y construyen generalmente con una adherencia intencionada. Los espesores inferiores a 100 mm se consideran Whitetopping ultra-delgado (UTW), donde es obligatorio una maximización de la adherencia entre las capas para lograr un buen funcionamiento. Para la investigación a realizar, se observarán los diferentes tipos de adherencia entre la base y el whitetopping, con el fin de analizar la capacidad de resistencia. Los métodos de adherencia entre capas a utilizar serán: La técnica de adherencia sin tratamiento, el Abujardado, ligante asfáltico, con emulsión bituminosa (ECR1), la emulsión bituminosa + arena 2/5mm (ECR2), y para finalizar la técnica de adherencia de una imprimación asfáltica + polvo. Con el fin de valorar la adherencia se realizarán ensayos a tracción “Pull-out”, ensayos LCB y de Slant Shear. Se evaluará la influencia de la rugosidad en la superficie de las probetas asfálticas. Además se propone realizar análisis de correlaciones de los ensayos entre sí, con el fin de determinar si algunos ensayos puedan depender del otro. En cuanto a los ensayos, se determinará cuál es el más adecuado, para probar la adherencia en la interfaz asfalto-hormigón, realizando una evaluación llamada Múltiples Criterios de Evaluación (MCA). Finalmente, se realizará un análisis sobre el criterio de rotura, para poder identificar el fallo mayor de la adherencia en la interfase

Modified digital image correlation aided measurement of the transverse to longitudinal deformation ratio for polymeric macro-fibres

Considering the increasing interest of polymeric macro-fibres reinforced concrete, a simple and straightforward method to assess the fibre’s transverse to longitudinal deformation ratio (¿f) becomes a determining aspect in terms of fibre both characterization and fibre–matrix interaction optimization. A noncontact optical measurement procedure to assess this ratio (¿f) - for concrete reinforcement - by a modified 2D Digital Image Correlation method is presented in this paper. This ratio (¿f) has influence on the matrix-fibre interaction and, thus, on the post-cracking tensile response of the concrete composite. Details on the definition, implementation and validation of this measurement procedure are presented. Additionally, an experimental program on 20 selected lab grade and commercial fibres was carried out to analyse the consistency of the measurements and the influence of the fibre’s geometric characteristics (flat, curved, embossed or crimped) on the ¿f. The outcomes of this research and the experimental procedure proposed are meant to assist fibre producers on the design process of optimized fibres to be used in structural concrete.Peer ReviewedPostprint (published version

Non-destructive test approach for assessing the amount of fibre in polymeric fibre reinforced concrete

Over the past decade, significant efforts have been made to develop polymeric-based macro-fibre reinforced concrete (PFRC) for structural applications. Consequently, remarkable growth has been reported in the use of this type of fibres as concrete reinforcement. However, advances in quality control methods for PFRC lie behind any progress observed in polymeric fibre (PF) technology. In particular, cost-effective and efficient test procedures for quantifying the amount of fibre in fresh/hardened concrete matrices are, to the author’s best knowledge, non-existent, hindering the expansion of this innovative concrete reinforcement. This paper discusses a non-destructive method based on measuring electrical impedance to assess the content of polymeric fibres embedded in concrete matrices. A detailed experimental programme was performed to prove the capacity of the test method to obtain reliable results. The results confirm that the test approach proposed herein has interesting potential as a quality control method.Postprint (published version

Dovelas innovadoras de alta durabilidad reforzadas sólo con fibras no metálicas

Los anillos de dovelas prefabricadas de HRF son un revestimiento habitual en túneles excavados con tuneladora. DRAGADOS-gGRAVITY Engineering-UPC han querido ir un paso más allá estudiando el comportamiento de dovelas reforzadas únicamente con fibras no metálicas. Las exigencias mínimas de durabilidad de los proyectos actuales alcanzan una vida útil de hasta 150 años que es difícil de asegurar con refuerzos metálicos. Se ha analizado el comportamiento estructural, de durabilidad, sostenibilidad y frente al fuego llegando a resultados muy positivos que abren la puerta a esta solución innovadora para estos elementos estructurales y otras muchas aplicaciones.Postprint (published version

Innovative non-metallic structural fibre reinforced concrete tunnel segments of high durability and improved sustainability

Esta investigación se ha orientado a los aspectos mecánicos y de durabilidad de hormigones reforzados con fibras no metálicas para dovelas de túneles. Se han abordado los requerimientos de resistencias residuales a flexotracción, durabilidad, respuesta frente a fuego, así como los procedimientos de control tanto durante la fase de fabricación como durante la fase de colocación. Los resultados abren la puerta para que este nuevo tipo de dovelas para el revestimiento de túneles se implemente a nivel mundial en futuros túneles.Los autores desean expresar su agradecimiento al Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades de España por el apoyo financiero en el ámbito del proyecto I+D DURADOV (RTC-2015-3617-4). También reconocer la beca FI-AGAUR otorgada por la Secretaria d´Universitats I Investigació de la Generalitat de Catalunya. (Resolucio ECO/1794/2015).Postprint (published version

Caracterización de la adherencia en refuerzos de Ultra-Thin Whitetopping (UTW)

El uso moderno del asfalto para carreteras y construcción de calles comenzó a finales del siglo pasado, y creció rápidamente el surgimiento de la industria automotriz. Desde entonces, la tecnología del asfalto ha dado grandes pasos con el objetivo de obtener la reducción de los costes de mantenimiento. Hoy en día un tipo de rehabilitación de pavimentos asfálticos es el Whitetopping, el cual se conoce como el recubrimiento de un pavimento asfáltico existente con una capa de hormigón de cemento Portland. Los Whitetopping se clasifican dependiendo del espesor de la losa, si es superior a 200 mm se considera Whitetopping convencional (CWT), este se caracteriza por su diseño ya que no considera adherencia entre el asfalto y el hormigón. Los espesores de 100 a 200 mm se consideran delgados (TWT), estos se diseñan y construyen generalmente con una adherencia intencionada. Los espesores inferiores a 100 mm se consideran Whitetopping ultra-delgado (UTW), donde es obligatorio una maximización de la adherencia entre las capas para lograr un buen funcionamiento. Para la investigación a realizar, se observarán los diferentes tipos de adherencia entre la base y el whitetopping, con el fin de analizar la capacidad de resistencia. Los métodos de adherencia entre capas a utilizar serán: La técnica de adherencia sin tratamiento, el Abujardado, ligante asfáltico, con emulsión bituminosa (ECR1), la emulsión bituminosa + arena 2/5mm (ECR2), y para finalizar la técnica de adherencia de una imprimación asfáltica + polvo. Con el fin de valorar la adherencia se realizarán ensayos a tracción “Pull-out”, ensayos LCB y de Slant Shear. Se evaluará la influencia de la rugosidad en la superficie de las probetas asfálticas. Además se propone realizar análisis de correlaciones de los ensayos entre sí, con el fin de determinar si algunos ensayos puedan depender del otro. En cuanto a los ensayos, se determinará cuál es el más adecuado, para probar la adherencia en la interfaz asfalto-hormigón, realizando una evaluación llamada Múltiples Criterios de Evaluación (MCA). Finalmente, se realizará un análisis sobre el criterio de rotura, para poder identificar el fallo mayor de la adherencia en la interfase

Circuit model for mode conversion in coplanar waveguide assymmetric series-impedances

A new 'circuit model' for converting between even and odd modes in asymmetric series impedances in the ground plane of a coplanar waveguide is presented. The model is based on the separation of modes into two input and two output ports. In contrast to previous work, it enables a quantitative analysis of the energy exchange between modes to be obtained.Peer Reviewe

Circuit model for mode conversion in coplanar waveguide assymmetric series-impedances

A new 'circuit model' for converting between even and odd modes in asymmetric series impedances in the ground plane of a coplanar waveguide is presented. The model is based on the separation of modes into two input and two output ports. In contrast to previous work, it enables a quantitative analysis of the energy exchange between modes to be obtained.Peer Reviewe

Dovelas innovadoras de alta durabilidad reforzadas sólo con fibras no metálicas

Los anillos de dovelas prefabricadas de HRF son un revestimiento habitual en túneles excavados con tuneladora. DRAGADOS-gGRAVITY Engineering-UPC han querido ir un paso más allá estudiando el comportamiento de dovelas reforzadas únicamente con fibras no metálicas. Las exigencias mínimas de durabilidad de los proyectos actuales alcanzan una vida útil de hasta 150 años que es difícil de asegurar con refuerzos metálicos. Se ha analizado el comportamiento estructural, de durabilidad, sostenibilidad y frente al fuego llegando a resultados muy positivos que abren la puerta a esta solución innovadora para estos elementos estructurales y otras muchas aplicaciones