Barras de refuerzo de alta resistencia: métodos de producción y propiedades esenciales

Durante las últimas décadas, la construcción de hormigón armado ha utilizado generalmente barras de refuerzo con límite elástico de 415 MPa (415 N/mm²) para la mayoría de vigas, vigas principales y columnas, y con menos frecuencia barras de 500 MPa para columnas que no forman parte de un marco resistente a momentos especiales. Sin embargo, actualmente las barras de refuerzo de alta resistencia están sustituyendo a las de 415 MPa en la construcción de edificios y estructuras de gran altura, especialmente en zonas de alto riesgo sísmico, para resistir las fuerzas del terremoto. Una barra de refuerzo de alta resistencia se define normalmente como aquella con un límite elástico (YS) de 500 MPa o superior. En Japón, se emplean barras con límites elásticos de hasta 690 MPa en elementos estructurales diseñados para resistir fuerzas sísmicas.

Beneficios y necesidad de barras de alta resistencia

Diversos estudios han evaluado el uso de barras de mayor resistencia para vigas, vigas principales y columnas que soportan cargas vivas y muertas. Estos estudios indican una necesidad creciente de barras de alta resistencia tanto en aplicaciones sísmicas como no sísmicas. Los beneficios potenciales incluyen ahorro de costes, reducción del tiempo de construcción y disminución de la congestión de armaduras.

Estándares internacionales de comparación

En EE. UU., los productores de acero están desarrollando barras con límites elásticos que alcanzan 830 MPa y propiedades mecánicas y químicas variables. Sin embargo, ninguna de estas barras iguala las propiedades mecánicas de referencia de las barras de grado 415 MPa; cada variante de alta resistencia difiere del comportamiento de referencia de maneras distintas. Existe la preocupación de que las barras de alta resistencia menos dúctiles puedan fracturarse en los dobleces y requieran diámetros de curvatura mayores.

En Japón, un proyecto de cinco años bajo el nombre en clave «New RC» finalizó en 1993. Una de sus tareas fue establecer estándares para barras de refuerzo de alta resistencia para uso en edificios en regiones sísmicas. La tabla 1 compara este estándar con otros estándares internacionales.

Tabla 1: Comparación de algunos estándares para barras de refuerzo de alta resistencia
N.º	País	Estándar	Límite elástico (MPa)	Observaciones
1	Japón	Proyecto New RC 1993	980	Incluye también grado 1275 MPa solo para armadura transversal
2	EE. UU.	ASTM 1035-14	830	Alta resistencia por control de microestructura
3	India	IS 1786–2008	650	Acero microaleado con CE máx. 0,53
4	Rusia	GOST 10884-94	1200	Alta resistencia con adición de silicio hasta 2,3 %
5	Corea	KS D3504-11	700	CE permitido hasta 0,63
6	Ucrania	DSTU 3760-06	1000
7	Reino Unido	BS 6744-01 + A2:09	650	Barras de acero inoxidable
8	China	GB 1499.2-07	500	CE máx. 0,55

Nota: Equivalente de carbono CE = C + Mn/6 + (Cu + Ni)/15 + (Cr + Mo + V)/15

Métodos de producción de barras de refuerzo de alta resistencia

Existen tres métodos principales para producir barras de refuerzo de alta resistencia: (i) trabajo en frío, (ii) adición de elementos de aleación en la composición del acero, y (iii) temple y revenido del acero durante su laminación. Las barras producidas mediante temple y revenido muestran típicamente ratios de resistencia a la tracción/límite elástico relativamente bajos y deformaciones a fractura relativamente altas. Las producidas por microaleación presentan un ratio tracción/límite elástico relativamente alto y deformaciones a fractura elevadas.

Trabajo en frío

El trabajo en frío es un método tradicional para producir barras de alta resistencia. La deformación del acero se realiza mediante procesos como laminado en frío, torcido en frío o estirado en frío. Este método permite producir barras de alta resistencia a partir de aceros de bajo carbono y manganeso que son soldables. Las barras se someten a un endurecimiento por deformación tras el laminado en caliente; el límite elástico aumenta con el grado de deformación. El trabajo en frío se realiza por debajo de la temperatura de recristalización del acero, generando y moviendo dislocaciones en la estructura cristalina, lo que afecta fuertemente al límite elástico y la ductilidad. Elimina el plateau de fluencia y endurece el acero. Aunque mejora el límite elástico, reduce tanto la ductilidad como el ratio de resistencia a la tracción/tensión de fluencia, por lo que normalmente no es adecuado para producir barras de alta resistencia para elementos que resisten efectos sísmicos.

Adición de elementos de aleación (microaleación)

En este método, el límite elástico se incrementa modificando la composición química mediante la adición de elementos de aleación, manteniendo bajos los contenidos de carbono y manganeso para no disminuir significativamente la soldabilidad. Normalmente, la alta resistencia se logra añadiendo pequeñas cantidades de titanio, niobio o vanadio, lo que se denomina microaleación. Este proceso introduce pequeñas cantidades de elementos de aleación para lograr las propiedades deseadas. La microaleación puede producir un punto de fluencia marcado y un ratio resistencia a la tracción/tensión de fluencia mayor que el de barras templadas y revenidas (del orden de 1,25 para grado 690 MPa).

La microaleación forma carburos intermetálicos que producen refinamiento de grano y endurecimiento por precipitación. El refinamiento de grano ocurre por el anclaje de defectos planares (límites de grano) durante el procesamiento termomecánico (laminado), produciendo un tamaño de grano muy fino. En general, cuanto más fino el grano, mayor el límite elástico (relación de Hall-Petch). Cuando estos carburos se dispersan en los granos de ferrita, anclan defectos lineales (dislocaciones), elevando aún más el límite elástico (endurecimiento por precipitación).

La microaleación con titanio contribuye al endurecimiento por precipitación, pero su fuerte tendencia a combinarse con oxígeno, azufre y nitrógeno dificulta el control de los efectos de fortalecimiento. El niobio se usa ampliamente en chapa y cinta, donde la temperatura final de producción es baja y la deformación alta; la producción de barras requiere altas temperaturas de laminado y menos deformación, haciendo al niobio ineficaz para barras de alta resistencia.

El vanadio es uno de los elementos más usados para aumentar la resistencia de las barras. La microaleación con vanadio o vanadio-nitrógeno produce barras de alta resistencia soldables. El vanadio aumenta el límite elástico y la tenacidad a fractura principalmente por inhibición del crecimiento de grano durante el tratamiento térmico y precipitación de carburos y nitruros. La microaleación solo con vanadio resulta en el 35,5 % formando precipitados, mientras que el 56,3 % queda en solución sólida sin mejorar el límite elástico. Con adición de nitrógeno, la fracción que forma precipitados puede aumentar hasta el 70 %. Otra ventaja del vanadio-nitrógeno es que elimina los efectos adversos del envejecimiento por deformación al fijar el nitrógeno soluble. El uso de vanadio reduce la cantidad de carbono necesaria para lograr mayores resistencias, facilitando barras de alta resistencia soldables.

Temple y revenido

El temple es el enfriamiento rápido del acero calentado a la fase austenítica. El proceso consiste en templar el acero inmediatamente después del laminado y permitir que la barra se revenga con el calor residual del núcleo mientras se enfría gradualmente en la cama de enfriamiento. Esto produce acero con propiedades mecánicas que varían significativamente entre el núcleo interno y la capa externa, con el núcleo teniendo menor límite elástico y mayor ductilidad que la capa externa. Las barras tratadas por temple y revenido mantienen su plateau de fluencia, ya que no han sido endurecidas por deformación y la composición química global no se ha alterado. Pueden ser soldables si su química cumple los requisitos. Típicamente muestran un ratio tracción/fluencia bajo (del orden de 1,15 para grado 690 MPa).

El acero se templea normalmente en agua, resultando en una estructura dura y frágil. El revenido es el calentamiento del acero templado, que modifica la microestructura para disminuir la dureza y aumentar la ductilidad.

El proceso de producción se basa en el procesamiento termomecánico, que combina deformación plástica con procesos térmicos (tratamiento térmico, temple en agua, calentamiento y enfriamiento a diversas tasas) en un solo proceso. Confiere alta resistencia mediante tratamiento termomecánico frente al trabajo mecánico en frío. La resistencia proviene de la capa externa de martensita revenida, mientras que la ductilidad proviene de la estructura ferrita-perlita en el núcleo.

El tratamiento termomecánico convierte la superficie en una estructura endurecida (martensita) y, tras enfriamiento ambiente, el núcleo caliente revene la superficie por intercambio térmico. Resulta en una microestructura compuesta única: martensita revenida en la zona periférica, zona de transición de perlita y bainita, y ferrita-perlita de grano fino en el núcleo (Fig. 2). Por este proceso de temple y auto-revenido, estas barras también se llaman «barras templadas y auto-revenidas (QST)».

Proceso MMFX (Manipulación de Microestructura)

Otro método está cubierto por la especificación ASTM A1035; 2011. Estas barras suelen tener ratios tracción/fluencia grandes pero deformaciones a fractura relativamente bajas. Es un proceso patentado conocido como «Manipulación de Microestructura (MMFX)». Implica manipular la microestructura del acero para obtener propiedades mecánicas y resistencia deseadas. Genera barras con relaciones tensión-deformación sin punto de fluencia bien definido, ratio tracción/fluencia relativamente alto, pero alargamientos a fractura bajos. Las barras MMFX satisfacen la especificación ASTM A1035.

Otros aspectos de producción

Las barras de alta resistencia se producen normalmente en longitudes rectas en el tren de laminación. Sin embargo, el bobinado de barras de menor diámetro se está volviendo práctica común. Las barras se bobinan justo después del laminado, atrapando calor en la bobina, por lo que la velocidad de enfriamiento es algo más lenta que en barras rectas. Como las probetas deben enderezarse antes del ensayo, las barras bobinadas tienden a tener menor tensión de fluencia y la curva tensión-deformación puede ser algo redondeada. Para contrarrestar esto, las barras bobinadas de alta resistencia necesitan mayores cantidades de elementos de microaleación que las rectas de tamaño correspondiente.

En el proceso de producción, las marcas de identificación se añaden durante el laminado y las propiedades mecánicas se ensayan tras el laminado (y marcado). Si no se logran las propiedades mecánicas, las barras no cumplen las especificaciones asociadas a la marca.

Cuestiones de fabricación

Los problemas de fabricación se agrupan en dos categorías: (i) la introducción de múltiples grados de barras que deben programarse, recibirse y almacenarse en la fábrica de fabricación antes de su uso, y (ii) cambios en el proceso de fabricación debido a las propiedades de las barras de alta resistencia.

Los procesos de cizallado y doblado se ven afectados. Las barras de alta resistencia requieren mayores fuerzas de cizallado y doblado para el mismo diámetro, y experimentan mayor rebote elástico tras el doblado, generando preocupaciones sobre: (i) desgaste de equipos existentes y posible necesidad de nuevos equipos de mayor capacidad, (ii) seguridad de los operarios en caso de fallo de barra o equipo durante el doblado, y (iii) cumplimiento de tolerancias de fabricación. Hay fallos de equipos más frecuentes. Las preocupaciones de seguridad aumentan cuando defectos en la barra causan fractura durante el doblado a mayores niveles de fuerza. Se requieren precauciones adicionales para mantener un entorno seguro, lo que puede afectar la eficiencia.

Propiedades del material

La resistencia y ductilidad de las barras de alta resistencia se definen de diversas formas. Las propiedades tensiles y otros requisitos que definen resistencia y ductilidad incluyen: (i) tensión de fluencia mínima o límite inferior, (ii) tensión de fluencia máxima o límite superior, (iii) longitud del plateau de fluencia o deformación al final del plateau, (iv) resistencia a la tracción, (v) alargamiento uniforme y total, (vi) ratio de resistencia a la tracción/tensión de fluencia (o su inverso, ratio de fluencia), y (vii) resultados de ensayo de doblado o doblado-redoblado. No todas estas propiedades se especifican para cada barra. Varias se indican en la curva tensión-deformación idealizada de la Fig. 3.

Tensión de fluencia

Para todas las barras, se especifica normalmente el punto de fluencia o tensión de fluencia. En algunos estándares (ej. ASTM), se especifica la deformación al final del plateau para algunas barras de alta resistencia. ASTM no permite que el valor medido de la tensión de fluencia caiga por debajo del grado del acero, mientras que otros estándares (ej. australiano/neozelandés) usan el concepto del percentil 5 %, permitiendo que un pequeño porcentaje de ensayos esté por debajo de la resistencia mínima. ASTM A370 define punto de fluencia como «la primera tensión en un material inferior a la máxima obtenible, en la que un aumento de deformación ocurre sin aumento de tensión». El punto de fluencia aplica a armaduras que muestran aumento de deformación sin aumento de tensión, lo que generalmente solo ocurre en barras de menor resistencia.

Las barras de alta resistencia típicamente no tienen un punto de fluencia definido, por lo que es necesario otro medio para definir la tensión de fluencia. ASTM A370 la define como «la tensión en la que un material exhibe una desviación límite especificada de la proporcionalidad entre tensión y deformación». Puede determinarse por el método de compensación del 0,2 % o el método de «extensión bajo carga» (EUL) de ASTM A370. El método del 0,2 % se usa para calcular la tensión de fluencia, pero se requiere una verificación adicional con el método EUL para una deformación de 0,0035 para definir la tensión de fluencia mínima. El método EUL con deformación 0,0035 produce tensiones mínimas de 550 MPa y 620 MPa para grados 690 y 830 respectivamente. El método del 0,2 % también se usa en especificaciones de muchos países.

Resistencia a la tracción

En las especificaciones, la resistencia a la tracción se define consistentemente como la tensión pico en la curva tensión-deformación. Se calcula dividiendo la carga máxima que soporta la probeta por el área nominal de la barra.

Alargamiento

El alargamiento se reporta normalmente como alargamiento total sobre una longitud de base prescrita que se extiende a través de la fractura. ASTM A370 proporciona dos métodos para determinar el «alargamiento total». En uno, se marca una longitud de base inicial de 200 mm y se tracciona hasta la fractura; no tiene en cuenta el alargamiento elástico. Los extremos fracturados se ajustan y se vuelve a medir la longitud de base. El alargamiento se reporta como aumento porcentual respecto a la longitud original. En el segundo método, el alargamiento a fractura se mide con un extensómetro, incluyendo el alargamiento elástico. Ambos incluyen el alargamiento localizado en la región de estrangulamiento más el alargamiento en las porciones no estranguladas dentro de la longitud de base.

El alargamiento uniforme es la deformación que ocurre cuando la barra alcanza su tensión pico (resistencia a la tracción), expresada como porcentaje. Es la mayor deformación en la probeta mientras las tensiones de tracción son uniformes a lo largo de la longitud entre garras. Ocurre justo antes del inicio del estrangulamiento. Se mide típicamente con extensómetro durante el ensayo. Incluye tanto la deformación plástica como la recuperada al descargar. También puede determinarse midiendo la deformación plástica al retirar la probeta y sumando la deformación recuperada.

El alargamiento uniforme calculado según la norma canadiense CSA G30.18 (2009) asume descarga lineal con módulo igual al módulo inicial del acero (200 000 MPa). Sin embargo, datos de ensayo en barras de 415 MPa indican que: (i) el módulo de descarga disminuye con el aumento de la deformación de tracción, (ii) la curva de descarga es lineal solo en la fase inicial, y (iii) la respuesta se vuelve progresivamente no lineal al descargar completamente. Una linealización puede resultar en un módulo de descarga alrededor de dos tercios del módulo de carga inicial. Para barras de alta resistencia, la deformación recuperada puede llegar al 1 %. Algunos estándares (ej. AS/NZS 4671:2001) exigen reportar el alargamiento uniforme.

El alargamiento uniforme es útil para diseño sísmico, ya que está más relacionado con el alargamiento máximo (alargamiento utilizable) en una zona de fluencia (bisagra plástica). El alargamiento utilizable se toma como el 75 % o menos del alargamiento uniforme, porque bajo carga cíclica las barras pueden alcanzar el estado de daño equivalente al alargamiento uniforme a una deformación menor. Las barras suelen tener una relación característica entre alargamiento uniforme y alargamiento a fractura, que varía según el tipo.

Ductilidad

Los ensayos de doblado y doblado-redoblado son dos formas de evaluar la ductilidad. Normalmente, las especificaciones incluyen un ensayo de doblado en el que las barras se doblan alrededor de un pasador o mandril de diámetro especificado y a un ángulo especificado. El diámetro de curvatura varía con el diámetro de la barra. La probeta pasa si no aparecen grietas en el exterior de la porción doblada.

Tres categorías principales de ensayos experimentales son útiles para investigar el comportamiento de los dobleces: (i) inspecciones visuales de dobleces (ensayos ASTM), (ii) ensayos de doblado/redoblado, y (iii) ensayos de doblado en hormigón.

Las especificaciones ASTM exigen: «La probeta de ensayo de doblado soportará ser doblada alrededor de un pasador sin agrietarse en el exterior de la porción doblada». El ensayo implica doblar a 180° (o 90° para barras ≥ 43 mm) a un diámetro de pasador especificado. Se realiza inspección visual para identificar grietas. Si no se observan grietas, la probeta pasa. Aunque simple, no proporciona medida de la reserva de resistencia y ductilidad de los dobleces, como lo haría un ensayo bajo carga. Es posible que microfisuras no visibles comprometan el rendimiento in situ.

En los ensayos de doblado y redoblado, las probetas se doblan al ángulo y diámetro requeridos, y luego se enderezan a velocidades de carga cuasi-estáticas o dinámicas. Para barras de 415 MPa, el endurecimiento por trabajo aumenta la resistencia en los dobleces y típicamente causa fractura lejos de ellos de manera dúctil. Sin embargo, si las barras tienen ductilidad limitada (como las de alta resistencia), las demandas de deformación en los dobleces pueden causar grietas, haciendo los dobleces más débiles que las porciones sin doblar y más susceptibles a fractura frágil. Si una barra falla frágilmente en un doblece, se considera que falla el ensayo. Si falla dúctilmente, se considera que pasa. Este ensayo tiene la ventaja de someter los dobleces a carga, proporcionando medida directa del rendimiento de resistencia y ductilidad.

Algunos estándares exigen ensayo de doblado-redoblado para diámetros pequeños y ensayo de doblado para diámetros grandes. En el doblado-redoblado, la probeta se dobla alrededor de un mandril de diámetro especificado a 90° en su longitud media. Se hacen dos dobleces adicionales de 45° para que la probeta quede recta en una parte, en V cerca del centro, y recta en el otro extremo (Fig. 4). Luego se envejece en aceite una hora a 100 °C, se enfría y se redobla en sentido inverso aplicando fuerza de tracción a los extremos. El envejecimiento y enfriado simulan los efectos perjudiciales del envejecimiento por deformación. Al doblar, el nitrógeno puede liberarse del acero, causando fragilización. Al redoblar, el acero fragilizado es más propenso a agrietarse. No deben evidenciarse grietas en la barra redoblada para pasar.

Cabe notar que los ensayos de doblado/redoblado aplican demandas mayores a los dobleces de las que normalmente ven en una estructura de hormigón. Por ello, es mejor comparar el rendimiento de barras de alta resistencia con el de barras de 415 MPa, usadas durante décadas con rendimiento adecuado. Los dobleces también pueden ensayarse en hormigón, investigando la interacción hormigón-doblece. Versiones simplificadas incluyen embutir una barra con gancho en un bloque de hormigón y traccionar hasta el fallo. Modos de fallo posibles: (i) fractura de la barra fuera del bloque donde las demandas son máximas, (ii) fallo dentro del bloque cerca o en el doblece, o (iii) apertura del bloque. Sin embargo, estos ensayos pueden no exponer los dobleces a la peor carga experimentada en una estructura, ya que el hormigón circundante puede aliviar parte de la carga. En contraste, las peores cargas pueden surgir en aplicaciones de confinamiento, donde un núcleo de hormigón en expansión endereza parcialmente los dobleces de estribos aplicando altas cargas de tracción. Otra aplicación crítica es en regiones dañadas, donde el anclaje al hormigón y sus efectos beneficiosos en los dobleces se reducen (ej. nudos bajo carga sísmica severa, o regiones muy fisuradas). Los ensayos de dobleces en elementos de hormigón son esenciales para validar el rendimiento adecuado en barras de alta resistencia, aunque son costosos y no se prestan fácilmente a determinar diámetros mínimos de curvatura explorando las numerosas variables que afectan el rendimiento.

Envejecimiento por deformación

El envejecimiento por deformación es el proceso por el cual el acero deformado más allá de su límite elástico sufre cambios dependientes del tiempo en sus propiedades mecánicas. Típicamente, las barras deformadas más allá de su límite elástico verán, con el tiempo, un aumento de su resistencia a la tracción y una disminución de su ductilidad (Fig. 5). También afecta la temperatura de transición frágil. Los factores que lo afectan incluyen la composición del acero, la temperatura y el tiempo transcurrido desde que se produjeron grandes deformaciones. Se atribuye principalmente a la reubicación del nitrógeno en la matriz del acero. Temperaturas más altas aceleran el proceso; por tanto, ocurre más rápido en regiones cálidas.

La mayoría de los efectos en barras de refuerzo ocurren dentro de unos meses tras incurrir deformaciones inelásticas. Al doblarse, las barras experimentan grandes deformaciones inelásticas, por lo que los dobleces son propensos a fragilización por envejecimiento, pudiendo fracturarse prematuramente y limitar su capacidad para sostener deformaciones inelásticas durante la carga estructural.

Un estudio sugiere que aceros microaleados con titanio y vanadio pueden reducir los efectos del envejecimiento. Estos elementos se unen al nitrógeno para formar nitruros, limitando el nitrógeno libre responsable de los efectos de envejecimiento.