Investigación experimental del efecto de fibras de acero en el comportamiento multiaxial del hormigón ligero

Edificios más ligeros que siguen siendo resistentes

Las ciudades modernas dependen del hormigón, pero todo ese material gris pesa mucho. Los ingenieros emplean hormigón ligero para reducir el peso de rascacielos y puentes largos, lo que puede abaratar costes y mejorar la eficiencia energética. El inconveniente es que este material más ligero suele ser más débil y más frágil. Este estudio plantea una pregunta sencilla pero importante: ¿puede la mezcla de finas fibras de acero en el hormigón ligero, junto con aplicarle compresión lateral mientras se carga, hacer que se comporte más como el hormigón convencional resistente usado en estructuras exigentes?

Por qué el hormigón ligero necesita ayuda adicional

El hormigón ligero reemplaza parte del árido habitual por piezas de arcilla expandida y porosa llamadas LECA. Estas perlas llenas de aire aligeran mucho el hormigón y mejoran el aislamiento térmico, pero también introducen numerosos vacíos y puntos débiles. Bajo cargas elevadas, este hormigón tiende a fisurarse de forma repentina en lugar de deformarse gradualmente, lo cual no es ideal para pilares o muros resistentes a terremotos. Los ingenieros saben que añadir fibras cortas de acero puede ayudar a controlar las fisuras, y que el confinamiento lateral puede aumentar la resistencia y la ductilidad. Sin embargo, hasta ahora no se había estudiado de forma sistemática su efecto combinado en hormigón ligero bajo tensiones tridireccionales realistas.

Cómo se llevaron a cabo los ensayos

Los investigadores produjeron un hormigón ligero de clase estructural usando LECA, arena natural, cemento, agua y un superplastificante moderno para mantener la trabajabilidad de la mezcla. A continuación crearon versiones de este hormigón con tres cantidades diferentes de fibras de acero con gancho: 0,5 %, 1,0 % y 1,5 % en volumen. Se moldearon y curaron decenas de probetas cilíndricas, que luego se ensayaron en una celda de presión de acero especial. Algunas cilindros fueron únicamente comprimidos desde arriba (compresión uniaxial), mientras que otros fueron comprimidos tanto desde arriba como uniformemente por todos los lados (compresión triaxial) con presiones laterales de 5 y 10 megapascales —niveles similares a los que podría estar sometido el hormigón en el interior de un pilar fuertemente cargado.

Qué ocurrió cuando se trituró el hormigón

Bajo carga simple de arriba abajo, la adición de fibras de acero ayudó claramente. La mezcla con aproximadamente 1 % de fibras alcanzó alrededor de un 40 % más de resistencia a compresión que el hormigón ligero sin fibras y mostró una curva tensión‑deformación más rígida y gradual, lo que significa que podía soportar más carga y deformarse un poco más antes de fallar. Sin embargo, cuando el contenido de fibra se elevó al 1,5 %, las ganancias de resistencia se estabilizaron y los resultados fueron menos consistentes, probablemente porque demasiadas fibras tienden a agruparse y alteran la pasta de cemento. En todos los casos, las fibras actuaron como pequeñas puntadas a través de las microfisuras, ralentizando su crecimiento y transformando la fractura repentina en un fallo más controlado.

El confinamiento convierte la rotura frágil en daño controlado

Cuando los cilindros también se comprimieron lateralmente, el comportamiento cambió de forma drástica. Incluso el hormigón ligero sin fibras aumentó mucho su resistencia bajo confinamiento, pero las mayores mejoras se dieron cuando confinamiento y fibras actuaron juntos. Con una presión lateral de 10 megapascales, la resistencia a compresión del hormigón ligero sin fibras fue de aproximadamente 33 megapascales. Con 1 % de fibras, esto subió hasta cerca de 45 megapascales, y con 1,5 % de fibras llegó a unos 55 megapascales —alrededor de dos tercios más que la mezcla sin fibras confinada. También cambió la forma de fracaso de las probetas. En lugar de largas grietas verticales que parten las muestras, las mezclas confinadas con fibras mostraron grietas inclinadas más cortas, aplastamiento localizado y claros indicios de que las fibras se arrancaban en vez de romperse. El hormigón permaneció cohesionado por más tiempo, absorbiendo más energía antes de perder su capacidad.

Traducir los resultados al lenguaje del diseño

Para hacer los hallazgos útiles en el diseño real, el equipo analizó los datos con modelos ingenieriles estándar que relacionan la presión lateral con la resistencia. Un indicador clave, el coeficiente de eficacia del confinamiento (denominado K), describe cuánto incremento de resistencia aporta el esfuerzo lateral. Para el hormigón ligero sin fibras este valor fue alrededor de 1,8 bajo mayor confinamiento, claramente inferior a lo típico en hormigón de peso normal. Con 1,5 % de fibras, K aumentó hasta aproximadamente 3,4 —dentro del rango reportado para hormigón estructural ordinario. En otras palabras, añadiendo una cantidad moderada de fibras de acero y proporcionando un confinamiento adecuado, los ingenieros pueden lograr que el hormigón ligero se comporte, bajo cargas complejas, de forma mucho más parecida a su contraparte más pesada.

Qué significa esto para las estructuras de uso cotidiano

Para quienes no son especialistas, la conclusión es sencilla: es posible construir estructuras más ligeras sin renunciar en gran medida a la seguridad y la robustez. El estudio muestra que dosis bien elegidas de fibras de acero (alrededor del 1 % en elementos con confinamiento ligero y hasta el 1,5 % en los bien confinados) pueden compensar las debilidades naturales de los áridos ligeros. Cuando estas mezclas ricas en fibras se emplean en pilares, núcleos de muros o módulos prefabricados que ya están sostenidos por elementos circundantes, el hormigón puede soportar cargas mayores, deformarse con más mesura durante terremotos y sufrir menos fisuras catastróficas. En términos prácticos, esto abre la puerta a componentes de edificación más delgados y ligeros que siguen cumpliendo exigentes demandas de rendimiento.

Cita: Sorkohi, S.M., Hashemi, S.K., Naghipour, M. et al. Experimental investigation of the effect of steel fibers on the multiaxial behavior of lightweight concrete. Sci Rep 16, 6461 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36168-z

Palabras clave: hormigón ligero, fibras de acero, confinamiento, compresión triaxial, pilas estructurales