Alto Desempeno

NOTAS TCNICAS

HORMIGONES DEALTO DESEMPEOPRIMERA PARTE

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NOTAS TCNICAS

HORMIGN DEALTO DESEMPEO

PRIMERA PARTE

INSTITUTO ECUATORIANO DEL CEMENTO Y DEL HORMIGN - INECYC Primera Edicin: 2011

Fuente: Nota Tcnica escrita por el Ing. Jos A. Camposano L.

Coordinacin: INECYC

Portada e Impresin: Imprenta NOCIN - Quito

INECYC entrega la serie Notas Tcnicas, con el objeto de difundir la tecnologa y el uso eficiente del cemento y hormign. Ni los autores ni el Instituto, se hacen responsables por cualquier error, omisin o dao por el uso de esta informacin. Estos documentos no intentan suplir normas tcnicas, prcticas constructivas ni los conocimientos y criterios de los profesionales responsables de la construccin de las obras.

ISBN: 978-9978-390-05-4

INSTITUTO ECUATORIANO DEL CEMENTO Y DEL HORMIGN - INECYCAvenida de los Shyris N 39 30 y El TelgrafoTelfono (593 2) 246 75 11Fax (593 2) 245 75 08Quito - Ecuadorwww.inecyc.org.ec

PRIMERA PARTE 1

INSTITUTO ECUATORIANO DEL CEMENTO Y DEL HORMIGN


Desde finales del siglo XIX ya se haba estable-cido que la resistencia de un hormign au-menta a medida que disminuye la relacin agua-cemento.

Fret (1896), con su famosa ecuacin, cuya ver-sin simplificada consta a continuacin, fue el primero en analizar y cuantificar la influencia de la relacin agua-cemento en la resistencia del hormi-gn a la compresin

En la que w es el volumen de agua, c es el volu-men de cemento de la mezcla, y k es una cons-tante que depende del tipo de cemento. Muchos estudios posteriores, vigentes hasta la fecha, con-firmaron esta caracterstica de los hormigones.

En la Fig. 1 constan, con valores ligeramente diferen-tes pero con tendencias sensiblemente iguales, las curvas de las ecuaciones de Fret, del ACI 211 y de un estudio realizado con materiales locales, por el Centro Tcnico del Hormign. Las curvas estn gra-ficadas para un rango de variacin, considerado fac-tible hasta mediados del siglo pasado, de la relacin a/c entre 0,4 y 0,8. Sin embargo si esas curvas se extrapolan para una relacin a/c menor que 0,4, los incrementos tericos de resistencias son notables.

Al reducir la relacin a/c de la pasta de cemento hidratada, las partculas de cemento se acercan entre s (Ver Fig. 2 para a/c 0,65 y 0,25), produ-cindose menos porosidad capilar y menos espa-cios libres para que se desarrollen los compuestos de hidratacin que cristalizan en los espacios de agua fuera de las partculas de cemento. Como las partculas de cemento estn ahora ms prximas entre s, estos compuestos tienen ahora menos es-pacio para desarrollar los enlaces tempranos entre esas partculas.

Como las partculas de cemento estn cercanas y se enlazan con rapidez, el movimiento del agua se dificulta, lo que favorece la formacin de compues-tos de hidratacin ms compactos que se desarro-

fc=k1

12

+ wc( )

RELACION A/C

Fret (1896) ACI 211 CTH

0,80,70,60,50,4

RESISTENCIA EN FUNCION DE LA RELACION A/C

Figura 1.

RES

IST

ENC

IA (M

Pa)

10

20

30

40

50

0,3

HORMIGONES DE ALTO DESEMPEO2

llan entre las partculas de cemento. Por esto una menor relacin a/c genera resistencias mayores.

Hasta 1970, las relaciones a/c para hormigones convencionales fluctuaban normalmente entre 0,8 y 0,5 en la poca en que las resistencias de los hormigones estructurales convencionales fluc-tuaban entre 18 y 28 MPa. El valor de 0,40 para la relacin a/c se considera como el mnimo re-comendable para garantizar una hidratacin com-pleta del cemento Prtland y se aproxima al valor sugerido por Powers en 1968.

El uso de aditivos reductores de agua permiti preparar hormigones suficientemente manejables con relaciones a/c prximas a 0,40 y con resisten-cias a la compresin ms elevadas. La demanda de hormigones de resistencias del orden de 40 y 50 MPa era cada vez mayor frente a la necesidad de construir, en hormign armado, columnas de edificios altos que reemplazaran con ventajas eco-nmicas a las de acero.

Lamentablemente en esa poca, los aditivos reduc-tores de agua, disponibles en los mercados, eran con base de lignosulfonatos, cuya composicin era muy variable ocasionando serias alteraciones en las resistencias de los hormigones en los que se empleaban. Esta condicin se agravaba por el he-cho de que si, para compensar las variaciones de resistencia, se empleaban cantidades adicionales de reductor de agua, esto conduca a incrementar

el porcentaje de aire atrapado y a ocasionar retar-dos en los tiempos de fraguado.

De la Fig.1 (en trazos discontinuos) se observa que al extrapolar valores de resistencia para relaciones a/c menores que 0,40 esas resistencias aumen-tan en forma apreciable. La introduccin en los mercados de los aditivos superplastificantes hizo posible que esta condicin pudiera aprovecharse para preparar hormigones de mayor resistencia.

Si bien ya se haban patentado reductores de agua a base de policondensados de sulfonato de nafta-leno, estos no se empleaban porque los reductores a base de lignosulfonatos tenan costos inferiores y sus resultados se aceptaban como satisfactorios. Esos reductores de naftaleno seran los precurso-res de los superplastificantes, que originalmente se utilizaron como fluidificantes que deban adicio-narse al hormign en la obra, ya que su efecto de incrementar la fluidez y evitar la segregacin tena un perodo muy limitado y, adems, en corto tiem-po producan aceleracin del fraguado.

Los superplastificantes comenzaron a usarse en su verdadera funcin en 1981, por iniciativa de Me-yer en Alemania y de Hattori en el Japn. Su efec-to en los hormigones permiti romper por primera vez la barrera de la relacin a/c mnima de 0,40 (Fig. 3) y de conseguir resistencias que superaron el lmite de resistencia de los hormigones conven-cionales, fijado entonces en 50 MPa. Se genera-ban as los Hormigones de Alta Resistencia. Cabe mencionar que la frontera entre hormigones convencionales y hormigones de alta resistencia se ha ido incrementando progresivamente, acep-tndose, en forma generalizada, que est actual-mente en los 70MPa.

Granos de cemento anhidro

Agua

a/c = 0,65 a/c = 0,25

Figura 2. PASTA DE CEMENTO FRESCO

Figura 3.

RELACION AGUA / CEMENTO (A/C)

Valor terico sugerido por Powers (1968)para cemento Prtland convencional

Para reaccin qumica (hidratacin) 0,25

Adicional para hidratacin completa 0,15

Relacin A/C con mnimo de agua 0,40

PRIMERA PARTE 3


Los superplastificantes ms usados, entre los dis-ponibles en el mercado actual, son a base de mela-mina (policondensado de formaldehdo y sulfonato de melamina) y a base de naftaleno (policonden-sado de formaldehdo y sulfonato de naftaleno) . Cada uno de ellos con funciones similares pero con caractersticas y presentaciones diferentes. Al-gunos fabricantes producen superplastificantes si-milares a los antes mencionados, pero mezclados con aditivos retardadores para minimizar la acele-racin de fraguado que aquellos producen.

Por la poca en que comenzaron a utilizarse los superplastificantes, algunos investigadores estu-diaban la posibilidad de emplear materiales que, con propiedades cementantes, pudieran sumarse a la accin del cemento para conseguir incremen-tos en las resistencias y mejoras en algunas de las caractersticas de los hormigones. En 1980, en Noruega se report la utilizacin del humo de slice, como material ligante suplementario en la preparacin de hormigones. Este material se lo ob-tiene como subproducto en la fabricacin del sili-cio y su utilizacin proporciona al hormign carac-tersticas especiales. Otros materiales cementan-tes como las cenizas volantes y la escoria de altos hornos se han utilizado como materiales ligantes suplementarios, pero con menos efectividad que el humo de slice.

La utilizacin de estos materiales ligantes (o ce-mentantes) suplementarios ha obligado a modifi-car un tanto el concepto de la relacin agua-ce-mento, ya que para considerar su efecto es nece-sario adicionarlos a la cantidad de cemento em-pleada, generndose as el concepto de relacin agua-materiales ligantes(a/ml) o agua-materiales cementantes(a/mc).

La utilizacin de superplastificantes y materiales cementantes suplementarios, estaba orientada, mediante la reduccin cada vez mayor de las re-laciones a/c a/ml (rompiendo la barrrera mni-ma de 0,40), hacia la obtencin de hormigones con resistencias cada vez mayores. Se los segua denominando como hormigones de Alta Resis-tencia.

Sin embargo, con el uso cada vez ms frecuente de bajas relaciones a/ml, pudo comprobarse que

los hormigones obtenidos no solamente eran ms resistentes a la compresin, sino que mejoraban su resistencia a la traccin por flexin (MR); sus mdulos de elasticidad y su consistencia eran ma-yores; presentaban una mejor resistencia a la abra-sin y una permeabilidad ms baja, demostrando una mayor durabilidad.

Tomando en consideracin esta importante gama de caractersticas especiales, la designacin de Hormigones de Alta Resistencia comenz a reemplazarse por la designacin de Hormigones de Alto Desempeo.

La paternidad de esta designacin es generalmen-te atribuida al cientfico Pierre-Claude Atcin, cuyo aporte al desarrollo de la tecnologa de estos hor-migones es probablemente la mayor contribucin recibida para la utilizacin masiva y prctica de la amplia gama de los hormigones de este tipo.

Sin embargo, hay otros investigadores como el francs Yves Malier, quien asegura que l junto con Roger Lacroix acuaron, en 1980, la expre-sin concreto de alto desempeo.

Definicin del American Concrete Institute (ACI) para los hormigones de alto desempeo

El ACI define en la siguiente forma a un hormign de alto desempeo:

Es un hormign que cumple con la combinacin de desempeo especial y requisitos de unifor-midad, combinacin que no puede ser rutinaria-mente conseguida usando solamente los compo-nentes tradicionales y las prcticas normales de mezcla colocacin y curado.

Esta definicin recoge un hecho categrico men-cionado por P-C Atcin en su tratado sobre Hormi-gones de Alto Desempeo: es muy difcil, si no imposible, hacer un hormign manejable con la mayora de los cementos Prtland convenciona-les, con una relacin a/c menor que 0,40, sin ayu-da de un superplastificante. Sugiere adems que esa relacin a/c de 0,40 puede ser tomada como


el lmite entre hormigones comunes o convencio-nales y los hormigones de alto desempeo.

Diferentes clases de hormign de alto desempeo actualmente en uso

Entre los de mayor desarrollo por su utilizacin, pueden mencionarse los siguientes:

HormigndeAltaResistencia HormigndeAltaResistenciaInicial HormignAutoCompactanteoAutoNivel-

ante HormignCompactadoconRodillo HormigndePolvoReactivoodeUltraAlto

Desempeo

Todos los hormigones de alto desempeo antes mencionados tienen como denominador comn una relacin a/mc menor que 0,40. Por ello la recomendacin sugerida por Atcin de tomar este valor como lmite entre los hormigones convencio-nales y los de alto desempeo perece totalmente lgica.

Sin embargo, existe una clasificacin actual para hormigones de alto desempeo, que tiende a con-fundir el concepto de hormigones de alto desem-peo con el de hormigones de alta resistencia, por el hecho de clasificar a los primeros en funcin de su resistencia a la compresin.

Las resistencias del Cuadro de Clasificacin de Hormigones de Alto Desempeo (Fig.4) se obtie-nen del promedio de ensayos a 28 das de probe-tas cilndricas de 100x200 mm curadas en con-diciones normalizadas y no consideran las desvia-ciones estndar generadas por la produccin del hormign.

Como esta clasificacin parte de valores de 50 MPa o mayores, puede excluir a hormigones de alto desempeo que por su relacin a/mc me-nor que 0,40 y gran compactacin tienen carac-tersticas muy diferentes a las de los hormigones convencionales. Este es el caso del hormign compactado con rodillo y de algunos hormigones autocompactantes.

Para evitar posibles confusiones conviene analizar las caractersticas y aplicaciones del hormign de alta resistencia y del hormign de alta resistencia inicial, considerndolos como parte de la lista ge-neral de hormigones de alto desempeo.

HORMIGONES DE ALTA RESISTENCIA

Tal como se mencion anteriormente, el lmite en-tre los hormigones convencionales y los de alta re-sistencia se ha fijado en la actualidad en 70 MPa. La necesidad de resistencias cada vez mayores se fundamenta en el hecho de que para poder cons-truir edificios de gran altura con hormign armado, es necesario que sus columnas no sobrepasen di-mensiones que impidan una adecuada utilizacin de las plantas bajas.

Hormigones con resistencias superiores a los 80 MPa han permitido que se construyan, en hormi-gn armado, edificios que antes solo podan cons-truirse con estructuras metlicas. No solo porque las columnas tienen secciones mucho menores, sino porque se ha demostrado ampliamente que las estructuras construidas con hormigones de alta resistencia son apreciablemente ms econ-micas que aquellas construidas con hormigones convencionales.

Figura 4.

Resistencia aCompresin (MPa)

Tipo de Hormign deAlto Desempeo

Entre 50 y 74,99 I

Entre 75 y 99,99 II

Entre 100 y 124,99 III

Entre 125 y 149,99 IV

De 150 en adelante V

Clasificacin de Hormigones de Alto Desempeo

PRIMERA PARTE 5


UnejemplomuysimplesedesprendelalaFig.5,en la que se comparan las cantidades de materia-les que se necesitan para construir un grupo de columnas de una planta baja, usando hormign convencional de 25 MPa , con aquellas requeridas para la misma obra pero usando hormign de alta resistencia de 75 MPa.

En el cuadro de la Fig. 5 se establece que para el metro cbico de hormign de 25 MPa se requie-ren aproximadamente 300 (kg/m3) de cemento, y que para el de 75 MPa se requieren alrededor de 450 (kg/m3) de cemento.

Se asume que el volumen de hormign requerido para todas las columnas es de 300 m3 cuando se usa el hormign de 25 MPa. Para determinar la Re-sistencia Nominal (Pn) de una columna, se aplica la sencilla frmula que consta en la parte inferior de la Fig. 5. Si la resistencia a la compresin fc se triplica (75 MPa en lugar de 25 MPa) y se mantie-ne la misma cuanta de acero, puede asumirse con suficiente aproximacin, que para un mismo valor de Pn, la seccin de hormign de cada columna (Ac) se reduce a la tercera parte.

En estas condiciones el volumen total de hormi-gn requerido para las columnas ser de solo 100 m3 en lugar de 300 m3.

En las tres ltimas filas del grfico constan las cantidades, en toneladas mtricas, de materiales requeridos para las soluciones con fc = 25 MPa y con fc = 75 MPa. Se aprecia claramente que las cantidades de materiales requeridas al usar el hormign de 75 MPa son notablemente menores Edificio Burj Khalifa Dubai

2009 Altura 828 m

Torres Petronas. Kuala Lumpur1997 Altura 452 m

Figura 5.

RESISTENCIA DEL HORMIGN 25 MPa 75 MPa

ECONOMA CON EL USO DE HAR EN COLUMNAS

Cemento (kg/m3)

Volumen de hormign (m3)

Cantidad de cemento (T)

Acero de varillas (T)

Agregados (T)

300

300

90

30

540

450

100

45

20

180

Pn = 0,85 (fc)Ac + (fs) As


que las requeridas al usar hormign de 25 MPa, generando as una solucin ms econmica.

No se consideran en este ejemplo, las ventajas adi-cionales de un menor costo de acarreo de materia-les ni las importantes ventajas, especialmente por durabilidad, proporcionadas por un hormign de alto desempeo.

En la mayora de los elementos en que se usan hormigones de alta resistencia, como en el caso de columnas de edificios altos, la totalidad de la carga de diseo no se aplica a corto plazo, sino que se va incrementando a medida que se cons-truye la estructura. Por esta razn las especifica-ciones sobre el tiempo para medir la resistencia del hormign (tradicionalmente 28 das), conside-ran actualmente tiempos mayores (90 das o ms) para los hormigones de alta resistencia. Esto es importante para la seleccin del tipo de cemento a usarse en el diseo de la mezcla, como se ver ms adelante.

El diseo de hormign que consta en la Fig. 6 fue empleado en la construccin del Edificio Two UnionSquare,enSeattle (USA).Esteedificio fueuno de los primeros con estructura bsica de hor-mign armado.

Puede apreciarse como la resistencia del hormi-gn tuvo un incremento de ms de 20% entre los 28 das (119 MPa) y los 91 das (145 MPa), justifi-cando la conveniencia de especificar resistencias de diseo a edades mayores de 28 das, tal como es la tendencia actual con el uso de hormigones de alta resistencia.

La literatura tcnica recoge actualmente una bue-na cantidad de estudios comparativos realizados para estructuras de acero, de hormign conven-cional y de hormign de alta resistencia. Es un denominador comn, en esos estudios, que las estructuras en hormign de alta resistencia son las ms econmicas, aparte de las importantes ventajas generadas por su durabilidad. Como una ratificacin a estos estudios se da el hecho de que el edificio actualmente ms alto del mundo tenga su estructura de hormign armado.

Materiales requeridos para los Hormigones de Alta Resistencia

Unelevadoporcentaje(alrededordel90%)delvo-lumen de hormign premezclado que se produce en el mundo tiene resistencias a la compresin que fluctan entre 20 y 40 MPa. Sin embargo la tendencia actual conduce a resistencias cada vez mayores que se aproximan al lmite entre hormigo-nes convencionales y hormigones de alta resisten-cia fijado al presente en 70 MPa.

El producir hormigones con resistencias mayores a 70 MPa puede ser, para constructores y produc-tores de hormign, un verdadero reto, salvo que se cuente en su zona con los materiales adecua-dos. La seleccin correcta de los materiales, el uso de procedimientos calificados de dosificacin de esos materiales, la seleccin correcta de equipos y la cuidadosa vigilancia de los procesos de mez-clado y colocacin del hormign, deben ser ms ri-gurosos que para los hormigones convencionales.

Agregado Grueso.- Al ocupar el mayor volumen que cualquier otro ingrediente en el hormign y por influir significativamente en la resistencia y otras propiedades de dicho material, los agrega-dos requieren de una cuidadosa seleccin.

Es comn utilizar agregados de peso normal en los hormigones de alta resistencia, pero no se descar-ta el uso de agregados livianos para hormigones estructurales y de agregados pesados para hormi-gn de alta densidad.

Es indudable que la resistencia a la compresin de los agregados no puede ser menor que la resisten-

Figura 6.

513 kg/m3

0,2543 kg/m3

685 kg/m3

15,7 L/m3

119 MPa145 MPa

Cemento:a/c:Humo de slice:Agregado Fino:RAAR:Resistencia 28 d:Resistencia 91 d:

Nota: RAAR = Reductor de Agua de Alto Rango

PRIMERA PARTE 7


cia de diseo del hormign que se pretende pre-parar. La mayor parte de los agregados aprobados para ser utilizados en hormigones convencionales tienen resistencias promedio del orden de los 170 MPa y podran ser usados para hormigones de alta resistencia que no tengan que sobrepasar esa resistencia. Debe seleccionarse un agregado que adems de su resistencia est libre de fisuras o de planos dbiles, limpio y sin recubrimientos super-ficiales.

Para altos niveles de resistencia del hormign, con una pasta con relacin agua/materiales cemen-tantes de 0,20 a 0,25, es casi seguro que la falla por resistencia a la compresin se producir por rotura de los agregados, si stos no alcanzan las resistencias requeridas por el hormign.

Es especialmente importante la seleccin del ta-mao mximo del agregado grueso ya que si su resistencia es lo suficientemente alta y la pasta a utilizar se disea para soportar los esfuerzos re-queridos, la falla potencial del hormign podra presentarse en la zona de transicin interfacial entre pasta y agregado. El ACI 211 seala que se ha demostrado que los agregados de tamao mximo nominal ms pequeo proporcionan ma-yor resistencia potencial en el hormign.

El Comit ACI 363R-92 public (en su edicin del 2003) un grfico (Fig. 7) con la Envolvente de Efi-ciencias por Resistencia (curva en rojo) mediante el cual se establece que para una determinada re-sistencia del hormign, la mezcla que menor con-tenido de cemento requiere, es la que presenta mayor Eficiencia:

En el grfico del ACI 363R figuran curvas (color amarillo) para las diferentes resistencias del hormi-gn en funcin del tamao mximo de los agrega-dos (eje X) y de las correspondientes Eficiencias (eje y). De este grfico se establece que hay un ta-mao mximo ideal para cada resistencia del hor-mign, y ese tamao mximo ideal es tanto menor cuanto mayor es la resistencia del hormign que se requiere. Como ejemplo, para un hormign de

50 MPa el tamao mximo de agregado con el que se obtiene la mayor eficiencia (menor conteni-do de cemento) es de 9 milmetros.

Si bien tamaos menores de agregados exigen contenidos de agua mayores, esta condicin se ve compensada con amplitud al aumentarse la super-ficie de contacto entre la zona de transicin interfa-cial de la pasta y los agregados. Esta superficie de contacto, por unidad de volumen del hormign, es tanto mayor mientras menor es el tamao mximo de los agregados. De all la conveniencia de usar agregados de tamao mximo menor, mientras ms alta sea la resistencia que se quiere alcanzar.

Algunos investigadores discrepan ligeramente de los valores para el tamao mximo de los agrega-dos dados por la Envolvente de Resistencias por Eficiencias del Comit 363 R del ACI, y conside-ran que agregados de 20 a 25 mm pueden usarse para alcanzar 75 MPa; de 10 a 20 mm permiten alcanzar 100 MPa; y, que resistencias de 125 MPa se han conseguido con agregados de 10 mm.

El ACI 211 considera que para cada nivel de re-sistencia del hormign existe un tamao ptimo

Figura 7.

Eficiencias

Tamao Mximo de los Agregados, mm

Eficiencia = Resistencia (MPa)

Contenido de Cemento (Kg/m3)


para el agregado grueso que producir la mayor resistencia a compresin por kilogramo de cemen-to. Seala adems que se ha demostrado que los agregados de menor tamao proporcionan mayor resistencia potencial. Agrega sin embargo, que el uso de un agregado del mayor tamao posible, es una consideracin importante cuando tambin son importantes la optimizacin del mdulo de elasticidad, la fluencia y la contraccin por secado.

Agregado Fino.- Para la produccin de hormigo-nes de alta resistencia son factores significativos tanto la forma del agregado fino como su granulo-metra. La forma de la partcula y la textura de su superficie pueden tener tanta influencia en la de-manda de agua y en la resistencia a la compresin del hormign, como la tiene el agregado grueso.

El incremento del volumen relativo del agregado grueso con respecto al del material fino produce una reduccin en la cantidad de pasta requerida por unidad de volumen de una mezcla de hormi-gn. En los hormigones de alta resistencia, debido a la elevada demanda de material cementante, el volumen de materiales finos (partculas menores a 150 m, tamiz ASTM N100) tiende a ser alto. Por esto el volumen de la arena (agregado fino) debe mantenerse al mnimo necesario para lograr tra-bajabilidad y una buena compactacin. Esto hace posible alcanzar las ms altas resistencias del hor-mign para un contenido determinado de material cementante.

Para hormigones de resistencias de 70 MPa o ma-yores, es recomendable el empleo de agregados finos con un mdulo de finura (MF) dentro del ran-go de 2,5 a 3,2. El uso de agregados finos con un MF menor que 2,5, genera hormigones viscosos, con baja trabajabilidad, con mayor demanda de agua y la consiguiente disminucin de resistencia.

La mezcla de arenas naturales de diferentes fuen-tes permite optimizar su granulometra y conseguir incrementos de resistencia. En las arenas manu-facturadas producidas por trituracin, la forma de sus partculas y el incremento del rea superficial pueden afectar en forma apreciable la demanda de agua, con la correspondiente prdida de resis-tencia.

Cementos.- La seleccin de los cementos a usar-se en los hormigones de alta resistencia es mucho ms rigurosa que en el caso de los hormigones convencionales. Diferentes cementos Prtland, que cumplan con todas las normas y sean esen-cialmente similares, pueden comportarse de una manera diferente cuando las relaciones agua/material cementante, de los hormigones en que se utilizan, son ms bajas que lo usual. Segn At-cin, en los hormigones cuyas relaciones a/mc se encuentran entre 0,20 y 0,35, las diferencias de comportamiento de cementos Prtland similares, pueden deberse a diversos factores:

Finura del cemento Reactividad del C3A y del C3S Solubilidad de las diferentes formas de sulfa-

to de calcio en el cemento Solubilidad de los lcalis

Para una adecuada seleccin del cemento a em-plearse se realizan ensayos de mortero en cubos que deben arrojar resistencias de 30 MPa a los 7 das. Con cada tipo de cemento se preparan probetas de ensayo de hormign cuya resisten-cia debe comprobarse a los 28, 56 y 91 das. Es conveniente seleccionar aquellos cementos que, aunque produzcan hormigones menos resistentes a los 28 das, generen las mayores resistencias a los 91 das. Normalmente las pruebas se realizan con contenidos de cemento de entre 400 y 500 kg/m3.

Se ha comprobado tambin que el comportamien-to de los cementos depende muy estrechamente de su compatibilidad con los superplastificantes que se utilicen en las mezclas con muy bajas rela-ciones a/mc. Se han desarrollado procedimientos que permiten cuantificar las compatibilidades ce-mento-superplastificantes. Estos procedimientos, que se revisarn ms adelante (Segunda Parte), fa-cilitan una seleccin adecuada de los materiales a emplearse en los hormigones de alta resistencia y en los hormigones de alto desempeo en general.

La correcta seleccin de la combinacin cemento-superplastificante es de tanta importancia, que una mala seleccin puede ocasionar que no se al-cancen resistencias de 70 MPa, aunque el conte-

PRIMERA PARTE 9


nido de cemento se incremente, o se trate de dis-minuir la relacin a/mc con el uso de aditivos. Esta situacin puede conducir a costos de produccin elevados y a incrementos severos de los tiempos de fraguado.

Materiales Cementantes Suplementarios (Adiciones).- Son materiales finamente pulveriza-dos con caractersticas cementantes, actualmente conocidos y usados en los hormigones convencio-nales, que han sido clasificados y sus especifica-ciones han sido definidas por la ASTM C 618. Son de gran utilidad, y en ocasiones indispensables, para la preparacin de hormigones de alta resis-tencia.

Estos materiales son generalmente subproductos de otros procesos industriales, o son de origen na-tural. En la preparacin del hormign pueden usar-se individualmente o combinados. Pueden aadir-se a la mezcla de hormign a travs de cementos que contengan estos materiales (cementos hidru-licos compuestos, NTE INEN 490), o dosificados directamente en las hormigoneras de las plantas .

Entre las adiciones estn las puzolanas, que deben ser materiales silceos o slico-aluminosos, los cua-les por s mismo poseen muy poco o ningn valor cementante pero que, en forma finamente dividida y en presencia de humedad, reaccionan qumica-mente, a temperatura ambiente con el hidrxido de calcio que se libera en el proceso de hidrata-cin del cemento, para formar compuestos que poseen propiedades cementantes. Otros, como las escorias de altos hornos, si presentan caracte-rsticas cementantes.

Para preparar hormigones de alta resistencia son normalmente necesarios, la ceniza volante, el humo de slice (microslice) y la escoria de altos hornos; se utilizan tambin otras adiciones cemen-tantes como el metacaoln y las cenizas de cas-carilla de arroz. El rango de la dosis flucta gene-ralmente entre el 5% y el 20% , con relacin al peso del cemento. Como ejemplo, algunas espe-cificaciones indican humo de slice al 10% como mximo.

Los materiales cementantes suplementarios re-accionan ms lentamente que el cemento Prt-land generando beneficios reolgicos para los hormigones de alta resistencia. En la primera hora posterior al mezclado no se aprecia prcticamen-te ninguna reaccin, por lo que su uso reduce la cantidad y el costo de los superplastificantes. Por ello permiten no solo controlar la rpida prdida de asentamiento, caracterstica de los hormigones de alta resistencia, sino que permiten alcanzar impor-tantes economas en esos hormigones.

En funcin de la resistencia mnima requerida y de las condiciones climticas se puede estimar la substitucin de parte del peso de cemento por materiales cementantes segn la prdida de resis-tencia que se considere aceptable en el perodo entre 12 y 24 horas.

Para hormigones con resistencias menores que 75 MPa, no se requiere humo de slice, sin em-bargo, con los materiales disponibles actualmente no se ha podido alcanzar resistencias mayores que 75 MPa sin humo de slice.

La cuantificacin de la relacin a/mc se hace en funcin de la suma de los pesos del cemento ms los materiales cementantes suplementarios. Es sin embargo de inters conocer la relacin a/c para tener una mejor idea de las condiciones en que se desarrollar el fraguado de la mezcla. Puesto que las adiciones no tienen las mismas propiedades cementantes, y que no reaccionan en la misma for-ma que el cemento Prtland, podran presentarse distorsiones sobre las resistencias a determinadas edades.

Aditivos Qumicos.- Como ya se ha establecido en la parte inicial de esta Nota Tcnica, para al-canzar altas resistencias es necesario minimizar la relacin a/mc, llevndola a valores menores que 0,4. Es usualmente ms conveniente disminuir la relacin a/mc con una reduccin del agua nece-saria para la mezcla, que aumentar la cantidad de cemento y de materiales cementantes. Para con-seguirlo es necesario utilizar aditivos qumicos que adems de permitir apreciables reducciones del agua de mezclado, pueden controlar y mejorar los


tiempos de fraguado, la prdida de revenimiento, la trabajabilidad y la durabilidad de los hormigo-nes.

Para mezclas ricas en cemento y otros materiales cementantes son especialmente efectivos los re-ductores de agua de alto rango (RAAR) llamados tambin superfluidificantes o superplastificantes. Estos aditivos ayudan a dispersar las partculas de cemento y pueden reducir hasta en un 30% la demanda de agua de mezclado, aumentando apreciablemente las resistencias a compresin del hormign.

Los superplastificantes reducen de forma aprecia-ble los tiempos de inicio de fraguado, por lo que generalmente se usan asociados con aditivos re-tardantes. Hay fabricantes que incorporan a los RAAR aditivos retardantes que contrarrestan el en-durecimiento rpido del hormign. Sin embargo ocurre a menudo que la dosificacin recomendada por los fabricantes tenga que ser cambiada como consecuencia de los ensayos de laboratorio que se requieren al disear las mezclas. Generalmente los mejores resultados se obtienen si el superplas-tificante se agrega despus de que el cemento ha recibido agua en las operaciones de dosificacin y mezclado.

Solo si existe peligro de perodos de congelacin y deshielo con posterioridad a la terminacin de la obra puede recomendarse el uso de aditivos inclusores de aire, ya que estos aditivos reducen significativamente la resistencia a la compresin del hormign.

HORMIGONES DE ALTA RESISTENCIA INICIAL

Este tipo de hormigones se utilizan cuando por ra-zones constructivas se necesitan altas resistencias acortoplazo.Unejemplotpicoloconstituyenlaspiezas prefabricadas de hormign preesforzado, en las que las mximas resistencias a la compre-sin se requieren al momento del tensado de ca-bles que, por razones de reutilizacin de moldes, debe realizarse en el menor tiempo posible poste-rior al hormigonado.

Un hormign de alta resistencia inicial es aquelque alcanza 20 MPa a la compresin en un pero-do de 3 a 12 horas, y 28 MPa en un perodo de 1 a 3 das, en ensayos realizados segn la norma INEN 1 573 (ASTM C 39) .

La resistencia a la traccin por flexin de un hor-mign de alta resistencia inicial debe alcanzar 2 MPa en un perodo de 3 a 12 horas y 4 MPa en un perodo de 1 a 3 das, en ensayos realizados segn la norma INEN 2 554 (ASTM C 78).

Adems de sus numerosas aplicaciones en la prefabricacin, cabe mencionar la utilizacin de los hormigones de alta resistencia inicial en la co-locacin de carpetas adheridas de alta resisten-cia sobre pavimentos rgidos de autopistas, que permiten una rpidahabilitacindel trnsito.Unejemplo de las resistencias que pueden obtenerse consta en la tabla adjunta. (Fig. 8)

Materiales y procedimientos requeridos para los Hormigones de Alta Resistencia Inicial

Las condiciones mencionadas en los hormigones de Alta Resistencia, para los agregados gruesos y finos, materiales cementantes suplementarios (adi-ciones) y aditivos qumicos se aplican igualmente para los Hormigones de Alta Resistencia Inicial.

Figura 8.

HORMIGONES DE ALTA RESISTENCIA INICIALPARA SOBRECARPETAS ADHERIDAS EN

PAVIMENTOS (FAST TRACK)

RESISTENCIAS (en MPa)EDAD

a Comprensin a Flexin de Adherencia

4 horas

6 horas

8 horas

12 horas

24 horas

7 das

28 das

1,7

7,0

13,0

17,6

23,9

34,2

40,7

0,9

2,0

2,7

3,4

4,2

5,0

5,7

0,9

1,1

1,4

1,6

2,1

2,1

2,5

PRIMERA PARTE 11


En cuanto a los cementos, se aplican tambin las condiciones establecidas para los hormigones de alta resistencia pero se diferencia el proceso de seleccin del tipo de cemento ms adecuado. Es conveniente utilizar cementos especiales de endu-recimiento rpido, como el Tipo III NTE INEN 152 (ASTM C 150), o el Tipo HE NTE INEN 2 380 (ASTM C 1157). Los contenidos de cemento estn entre 400 y 600 kg por cada metro cbico de hor-mign y las relaciones a/mc se mantienen entre 0,20 y 0,40.

Para acelerar la obtencin de altas resistencias ini-ciales en los hormigones convencionales, y apro-vechando caractersticas derivadas del proceso de hidratacin de los cementos, puede recurrirse se-gn el ACI, a algunos de los procedimientos cons-tructivos que se mencionan a continuacin:

Temperatura ms elevada del hormign fresco.

Aprovechamiento del calor de hidratacin del hormign, impidiendo su fuga, median-te mantas aislantes que lo cubran para man-tener ese calor el mayor tiempo posible.

Curado del hormign a temperaturas eleva-das. Mientras mayor es la temperatura de curado, mayor es el incremento de resisten-cias iniciales, hasta un mximo del orden de 80oC; con temperaturas mayores el efecto es negativo. Uno de los procedimientospara aplicar esta caracterstica es el curado a vapor. Para el ejemplo del grfico adjunto (Fig. 9), puede apreciarse que los mayores incrementos de resistencias tempranas se producen cuando se inicia el curado a vapor a las cinco horas posteriores al vaciado, y mantenindolo por un perodo de trece ho-ras. Para cada tipo de cemento los valores pueden cambiar pero manteniendo tenden-cias aproximadamente iguales.

Los incrementos de temperatura como consecuen-cia del curado a vapor son del orden de entre 40 a 50oC por encima de las temperaturas ambiente. In-vestigadores de estos procedimientos, entre ellos Adam Neville, han demostrado que si los hormi-gones convencionales se calientan con esos altos valores de temperatura, aumentan efectivamente

sus resistencias tempranas, pero en cambio, sus resistencias a largo plazo disminuyen.

Estos procedimientos, que se han aplicado con xito en hormigones con relaciones a/mc de 0,40 o superiores, pueden no siempre dar los resultados esperados cuando las relaciones a/mc estn por debajo de 0,40 y los contenidos de superplastifi-cante son elevados.

Cuando se aplica curado caliente a un elemento de hormign convencional, el enfriamiento poste-rior de toda la masa de hormign ocurre de una manera uniforme una vez que cesa la aplicacin del calor; no ocurre as, si se aplica calor a un ele-mento de hormign de alta resistencia para au-mentar su resistencia inicial. Su comportamiento es diferente al de un hormign convencional a punto tal que algunos investigadores consideran que es incorrecto aplicar dichos procedimientos, cuando se trata de incrementar la resistencia tem-prana en los hormigones de alta resistencia.

Procedimientos de curado.- La extensa expe-riencia en el uso de hormigones convencionales ha demostrado categricamente las grandes dife-rencias que, en cuanto a resistencias y durabilidad, existen entre hormigones bien curados y hormi-gones no curados, o curados en forma deficiente.

Figura 9.

Temperatura de vapor max. 80oC

65oC

52oC

Nota: La temperatura de vapor aument22oC/h hasta el mximoCemento Tipo I INEN 152 (ASTM C 150)

Perodo de retraso antes del vapor, horas

Perodo de vapor, horas

0

20

40

60

80

1 3 5 7 9 11 13 15

17 15 13 11 9 7 5 3

Res

iste

nci

a a

com

pre

sin

en

18

hor

as,

% e

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res

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8 d

as

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cur

ado

hm

edo


Se ha demostrado tambin que un curado que se inicia tan pronto como sea posible, es mejor que un curado tardo, aunque este ltimo es siempre mejor que la falta de curado. El curado garantiza que el proceso de hidratacin del cemento, que forma parte de la pasta del hormign, se realice en la forma ms completa posible, y ayuda adems, a minimizar el proceso de contraccin presente en todo tipo de hormign. En el proceso de endureci-miento del hormign se produce esa contraccin volumtrica o retraccin. Se mencionan a conti-nuacin diferentes tipos de retraccin:

Retraccin Plstica que ocurre en la superfi-cie del hormign durante el secado

Retraccin Autgena por la hidratacin del cemento con el agua de mezclado; se co-noce tambin como Contraccin Qumica o Auto Desecacin

Retraccin por Secado Contraccin Trmica Contraccin por Carbonatacin

En la Fig. 10, la primera franja de la izquierda re-presenta el volumen de cemento sin hidratar ms el volumen de agua de la mezcla. Al iniciarse el fraguado parte del volumen de agua es utilizado en la hidratacin de las partculas de cemento y el volumen de la pasta se reduce generando una contraccin qumica. Al final del fraguado (tercera franja) la hidratacin de las partculas de cemento prcticamente se ha completado dejando vacos en la pasta cuyo volumen se ha reducido ms que

al inicio del fraguado. Si se considera el volumen acumulado de todos los vacos puede establecer-se el volumen absoluto de la pasta (cuarta franja) despus del fraguado final y, adems, la diferencia entre la contraccin aparente y la contraccin ab-soluta del volumen de la pasta.

Mtodos recomendables de curado

Dentro del estado actual de la tecnologa de los hormigones de alto desempeo se sigue mante-niendo opiniones contrarias sobre la necesidad de curarlos y sobre el tipo y oportunidad de ese curado.

Algunos especialistas consideran que debido a la microestructura especialmente densa de los hor-migones de alto desempeo su curado es inne-cesario; otros, por el contrario, consideran que los hormigones de alto desempeo deben ser cura-dos no solo como los hormigones convencionales, sino que debe hacrselo en forma ms completa y cuidadosa.

Segn Atcin es absolutamente necesario en-tender lo que sucede cuando se desarrolla la reaccin de hidratacin en un hormign de alto desempeo (como en un hormign convencional) para tomar las medidas apropiadas para reducir, tanto como sea posible, las contracciones que se desarrollarn en un hormign sin curado.

Podra suponerse que la contraccin autgena de un hormign de alto desempeo es mayor que la de un hormign convencional por el hecho de la pasta se contrae en aproximadamente un 10% de su volumen absoluto. Por su alto contenido de ce-mento el volumen absoluto de la pasta es mayor lo que ocasionara una contraccin mayor.

Sin embargo si se inicia el curado continuo con agua, al iniciarse la hidratacin del cemento, no tiene lugar la contraccin autgena. Por esta razn la retraccin del hormign de alto desempeo de-pende ms del proceso y oportunidad del curado que de su alto contenido de cemento. Es por esto de gran importancia que el curado con agua en los hormigones de alto desempeo se inicie tan pronto como sea posible ya que de lo contrario su

Figura 10.

Cemento nohidratado

y agua

Contraccinqumica

Contraccinautgena(antes del fraguado)

Contraccinautgena(reduccinaparente delvolumen)

Contraccinqumica(reduccindel volumenabsoluto)

Pasta despus delfraguado final

Pasta en elfraguado final

Vaco

s gen

erad

os po

r la h

idrat

acin

Pasta en el iniciodel fraguado

Pasta al colocarse

Contraccinautgena (despusdel fraguado)

Vacosacumulados

PRIMERA PARTE 13


contraccin autgena es mayor que la de un hor-mign convencional sin curado inicial inmediato.Por otra parte, la contraccin por secado es insig-nificante, tomando en cuenta que la porosidad del hormign de alto desempeo es muy cerrada y el secado de su superficie se desarrolla muy lenta-mente. En los hormigones convencionales la con-traccin por secado es mucho ms significativa. Ocurre normalmente que la contraccin total de los hormigones convencionales depende de la cantidad de agua usada en sus mezclas lo cual no pasa en los hormigones de alto desempeo.

Las retracciones plsticas, por el bajo ndice de exudacin de los hormigones de alto desempeo, son ms crticas que en los hormigones conven-cionales y deben ser contrarrestadas por un cura-do temprano.

Resulta evidente que si las contracciones totales son de tal magnitud que produzcan fisuraciones en la masa del hormign, que permitan la penetra-cin de agentes agresivos, la durabilidad se ver gravemente afectada. De all la necesidad de un curado oportuno y efectivo de los hormigones.

En el estado actual de la tecnologa de los hormi-gones de alto desempeo no se mencionan proce-dimientos especficos para su curado ptimo, pero por todo lo expuesto se concluye que es necesario un curado inicial temprano con aporte continuo de agua durante un perodo no menor de siete das seguido de un recubrimiento con curado qumico para evitar el desarrollo del secado externo poste-rior.

Suministrando agua adicional por aspersin con yute que debe mantenerse constantemente hmedo

Evitando la fuga de agua mediante lminas plsticas cubrindolo completamente con compuestos curadores

DEBE MANTENERSE EL CONTENIDO DE AGUA INDISPENSABLE PARA LA HIDRATACIN DEL CEMENTO:

NOTAS :

NOTAS TCNICAS


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