NOTAS TÉCNICAS HORMIGONES DE ALTO DESEMPEÑO PRIMERA PARTE
NOTAS TÉCNICAS HORMIGÓN DE ALTO DESEMPEÑO PRIMERA PARTE
©
INSTITUTO ECUATORIANO DEL CEMENTO Y DEL HORMIGÓN - INECYC Primera Edición: 2011
Fuente:
Nota Técnica escrita por el Ing. José A. Camposano L.
Coordinación:
INECYC
Portada e Impresión:
Imprenta NOCIÓN - Quito
INECYC entrega la serie “Notas Técnicas”, con el objeto de difundir la tecnología y el uso eficiente del cemento y hormigón. Ni los autores ni el Instituto, se hacen responsables por cualquier error, omisión o daño por el uso de esta información. Estos documentos no intentan suplir normas técnicas, prácticas constructivas ni los conocimientos y criterios de los profesionales responsables de la construcción de las obras. ISBN: 978-9978-390-05-4
INSTITUTO ECUATORIANO DEL CEMENTO Y DEL HORMIGÓN - INECYC Avenida de los Shyris N 39 30 y El Telégrafo Teléfono (593 2) 246 75 11 Fax (593 2) 245 75 08 Quito - Ecuador www.inecyc.org.ec
PRIMERA PARTE
HORMIGONES DE ALTO DESEMPEÑO PRIMERA PARTE
D
esde finales del siglo XIX ya se había establecido que la resistencia de un hormigón aumenta a medida que disminuye la relación aguacemento. Féret (1896), con su famosa ecuación, cuya versión simplificada consta a continuación, fue el primero en analizar y cuantificar la influencia de la relación agua-cemento en la resistencia del hormigón a la compresión
f’c=k
1
(1+ wc )
2
Figura 1. RESISTENCIA EN FUNCION DE LA RELACION A/C
RESISTENCIA (MPa)
50
0,3
40
30
20
10 0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
RELACION A/C Féret (1896)
ACI 211
CTH
En la que w es el volumen de agua, c es el volumen de cemento de la mezcla, y k es una constante que depende del tipo de cemento. Muchos estudios posteriores, vigentes hasta la fecha, confirmaron esta característica de los hormigones. En la Fig. 1 constan, con valores ligeramente diferentes pero con tendencias sensiblemente iguales, las curvas de las ecuaciones de Féret, del ACI 211 y de un estudio realizado con materiales locales, por el Centro Técnico del Hormigón. Las curvas están graficadas para un rango de variación, considerado factible hasta mediados del siglo pasado, de la relación a/c entre 0,4 y 0,8. Sin embargo si esas curvas se extrapolan para una relación a/c menor que 0,4, los incrementos teóricos de resistencias son notables. Al reducir la relación a/c de la pasta de cemento hidratada, las partículas de cemento se acercan entre sí (Ver Fig. 2 para a/c 0,65 y 0,25), produciéndose menos porosidad capilar y menos espacios libres para que se desarrollen los compuestos de hidratación que cristalizan en los espacios de agua fuera de las partículas de cemento. Como las partículas de cemento están ahora más próximas entre sí, estos compuestos tienen ahora menos espacio para desarrollar los enlaces tempranos entre esas partículas. Como las partículas de cemento están cercanas y se enlazan con rapidez, el movimiento del agua se dificulta, lo que favorece la formación de compuestos de hidratación más compactos que se desarro-
INSTITUTO ECUATORIANO DEL CEMENTO Y DEL HORMIGÓN
1
2
HORMIGONES DE ALTO DESEMPEÑO
Figura 2. PASTA DE CEMENTO FRESCO
el porcentaje de aire atrapado y a ocasionar retardos 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 aumentan en forma apreciable. La introducción en los mercados de los aditivos superplastificantes hizo posible que esta condición pudiera aprovecharse para preparar hormigones de mayor resistencia.
a/c = 0,65
a/c = 0,25
Granos de cemento anhidro Agua
llan entre las partículas de cemento. Por esto una menor relación a/c genera resistencias mayores. Hasta 1970, las relaciones a/c para hormigones convencionales fluctuaban normalmente entre 0,8 y 0,5 en la época en que las resistencias de los hormigones estructurales convencionales fluctuaban entre 18 y 28 MPa. El valor de 0,40 para la relación a/c se considera como el “mínimo” recomendable para garantizar una hidratación completa del cemento Pórtland y se aproxima al valor sugerido por Powers en 1968. El uso de aditivos reductores de agua permitió preparar hormigones suficientemente manejables con relaciones a/c próximas a 0,40 y con resistencias a la compresión más 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 hormigón armado, columnas de edificios altos que reemplazaran con ventajas económicas a las de acero.
Si bien ya se habían patentado reductores de agua a base de policondensados de sulfonato de naftaleno, estos no se empleaban porque los reductores a base de lignosulfonatos tenían costos inferiores y sus resultados se aceptaban como satisfactorios. Esos reductores de naftaleno serían los precursores de los superplastificantes, que originalmente se utilizaron como fluidificantes que debían adicionarse al hormigón en la obra, ya que su efecto de incrementar la fluidez y evitar la segregación tenía un período muy limitado y, además, en corto tiempo producían aceleración del fraguado. Los superplastificantes comenzaron a usarse en su verdadera función en 1981, por iniciativa de Meyer en Alemania y de Hattori en el Japón. Su efecto en los hormigones permitió romper por primera vez la barrera de la relación a/c “mínima” de 0,40 (Fig. 3) y de conseguir resistencias que superaron el límite de resistencia de los hormigones convencionales, fijado entonces en 50 MPa. Se generaban así los “Hormigones de Alta Resistencia”. Cabe mencionar que la frontera entre hormigones convencionales y hormigones de alta resistencia se ha ido incrementando progresivamente, aceptándose, en forma generalizada, que está actualmente en los 70MPa. Figura 3.
Lamentablemente en esa época, los aditivos reductores de agua, disponibles en los mercados, eran con base de lignosulfonatos, cuya composición era muy variable ocasionando serias alteraciones en las resistencias de los hormigones en los que se empleaban. Esta condición se agravaba por el hecho de que si, para compensar las variaciones de resistencia, se empleaban cantidades adicionales de reductor de agua, esto conducía a incrementar
RELACION AGUA / CEMENTO (A/C) Valor teórico sugerido por Powers (1968) para cemento Pórtland convencional Para reacción química (hidratación) Adicional para hidratación completa
0,25 0,15
Relación A/C con “mínimo” de agua
0,40
PRIMERA PARTE
Los superplastificantes más usados, entre los disponibles en el mercado actual, son a base de melamina (policondensado de formaldehído y sulfonato de melamina) y a base de naftaleno (policondensado de formaldehído y sulfonato de naftaleno) . Cada uno de ellos con funciones similares pero con características y presentaciones diferentes. Algunos fabricantes producen superplastificantes similares a los antes mencionados, pero mezclados con aditivos retardadores para minimizar la aceleración de fraguado que aquellos producen. Por la época en que comenzaron a utilizarse los superplastificantes, algunos investigadores estudiaban la posibilidad de emplear materiales que, con propiedades cementantes, pudieran sumarse a la acción del cemento para conseguir incrementos en las resistencias y mejoras en algunas de las características de los hormigones. En 1980, en Noruega se reportó la utilización del “humo de sílice”, como material ligante suplementario en la preparación de hormigones. Este material se lo obtiene como subproducto en la fabricación del silicio y su utilización proporciona al hormigón características especiales. Otros materiales cementantes 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 sílice. La utilización de estos materiales ligantes (o cementantes) suplementarios ha obligado a modificar un tanto el concepto de la relación agua-cemento, ya que para considerar su efecto es necesario adicionarlos a la cantidad de cemento empleada, generándose así el concepto de relación agua-materiales ligantes(a/ml) o agua-materiales cementantes(a/mc). La utilización de superplastificantes y materiales cementantes suplementarios, estaba orientada, mediante la reducción cada vez mayor de las relaciones a/c ó a/ml (rompiendo la barrrera “mínima” de 0,40), hacia la obtención de hormigones con resistencias cada vez mayores. Se los seguía denominando como hormigones de “Alta Resistencia”. Sin embargo, con el uso cada vez más frecuente de bajas relaciones a/ml, pudo comprobarse que
los hormigones obtenidos no solamente eran más resistentes a la compresión, sino que mejoraban su resistencia a la tracción por flexión (MR); sus módulos de elasticidad y su consistencia eran mayores; presentaban una mejor resistencia a la abrasión y una permeabilidad más baja, demostrando una mayor durabilidad. Tomando en consideración esta importante gama de características especiales, la designación de “Hormigones de Alta Resistencia” comenzó a reemplazarse por la designación de “Hormigones de Alto Desempeño”. La paternidad de esta designación es generalmente atribuida al científico Pierre-Claude Aïtcin, cuyo aporte al desarrollo de la tecnología de estos hormigones es probablemente la mayor contribución recibida para la utilización masiva y práctica de la amplia gama de los hormigones de este tipo. Sin embargo, hay otros investigadores como el francés Yves Malier, quien asegura que él junto con Roger Lacroix “acuñaron”, en 1980, la expresión “concreto de alto desempeño”.
Definición del American Concrete Institute (ACI) para los hormigones de alto desempeño El ACI define en la siguiente forma a un hormigón de alto desempeño: “Es un hormigón que cumple con la combinación de desempeño especial y requisitos de uniformidad, combinación que no puede ser rutinariamente conseguida usando solamente los componentes tradicionales y las prácticas normales de mezcla colocación y curado”. Esta definición recoge un hecho categórico mencionado por P-C Aïtcin en su tratado sobre Hormigones de Alto Desempeño: es muy difícil, si no imposible, hacer un hormigón manejable con la mayoría de los cementos Pórtland convencionales, con una relación a/c menor que 0,40, sin ayuda de un superplastificante. Sugiere además que esa relación a/c de 0,40 puede ser tomada como
INSTITUTO ECUATORIANO DEL CEMENTO Y DEL HORMIGÓN
3
4
HORMIGONES DE ALTO DESEMPEÑO
el límite entre hormigones comunes o convencionales y los hormigones de alto desempeño.
Diferentes clases de hormigón de alto desempeño actualmente en uso Entre los de mayor desarrollo por su utilización, pueden mencionarse los siguientes: • Hormigón de Alta Resistencia • Hormigón de Alta Resistencia Inicial • Hormigón Auto Compactante o Auto Nivelante • Hormigón Compactado con Rodillo • Hormigón de Polvo Reactivo o de Ultra Alto Desempeño Todos los hormigones de alto desempeño antes mencionados tienen como denominador común una relación a/mc menor que 0,40. Por ello la recomendación sugerida por Aïtcin de tomar este valor como límite entre los hormigones convencionales y los de alto desempeño perece totalmente lógica. Sin embargo, existe una clasificación actual para hormigones de alto desempeño, que tiende a confundir el concepto de hormigones de alto desempeño con el de hormigones de alta resistencia, por el hecho de clasificar a los primeros en función de su resistencia a la compresión. Figura 4. Resistencia a Compresión (MPa)
Tipo de Hormigón de Alto Desempeño
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
Clasificación de Hormigones de Alto Desempeño
Las resistencias del Cuadro de Clasificación de Hormigones de Alto Desempeño (Fig.4) se obtienen del promedio de ensayos a 28 días de probetas cilíndricas de 100x200 mm curadas en condiciones normalizadas y no consideran las desviaciones estándar generadas por la producción del hormigón. Como esta clasificación parte de valores de 50 MPa o mayores, puede excluir a hormigones de alto desempeño que por su relación a/mc menor que 0,40 y gran compactación tienen características muy diferentes a las de los hormigones convencionales. Este es el caso del hormigón compactado con rodillo y de algunos hormigones autocompactantes. Para evitar posibles confusiones conviene analizar las características y aplicaciones del hormigón de alta resistencia y del hormigón de alta resistencia inicial, considerándolos como parte de la lista general de hormigones de alto desempeño. HORMIGONES DE ALTA RESISTENCIA Tal como se mencionó anteriormente, el límite entre los hormigones convencionales y los de alta resistencia 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 construir edificios de gran altura con hormigón armado, es necesario que sus columnas no sobrepasen dimensiones que impidan una adecuada utilización de las plantas bajas. Hormigones con resistencias superiores a los 80 MPa han permitido que se construyan, en hormigón armado, edificios que antes solo podían construirse con estructuras metálicas. 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 más económicas que aquellas construidas con hormigones convencionales.
PRIMERA PARTE
Un ejemplo muy simple se desprende la la Fig. 5, en la que se comparan las cantidades de materiales que se necesitan para construir un grupo de columnas de una planta baja, usando hormigón convencional de 25 MPa , con aquellas requeridas para la misma obra pero usando hormigón de alta resistencia de 75 MPa. Figura 5. ECONOMÍA CON EL USO DE HAR EN COLUMNAS RESISTENCIA DEL HORMIGÓN
25 MPa
75 MPa
Cemento (kg/m )
300
450
Volumen de hormigón (m3)
300
100
Cantidad de cemento (T)
90
45
Acero de varillas (T)
30
20
540
180
3
Agregados (T)
Pn = 0,85 (f’c)Ac + (fs) As
Torres Petronas. Kuala Lumpur 1997 Altura 452 m
En el cuadro de la Fig. 5 se establece que para el metro cúbico de hormigón de 25 MPa se requieren 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 hormigón requerido para todas las columnas es de 300 m3 cuando se usa el hormigón de 25 MPa. Para determinar la Resistencia Nominal (Pn) de una columna, se aplica la sencilla fórmula que consta en la parte inferior de la Fig. 5. Si la resistencia a la compresión f’c se triplica (75 MPa en lugar de 25 MPa) y se mantiene la misma cuantía de acero, puede asumirse con suficiente aproximación, que para un mismo valor de Pn, la sección de hormigón de cada columna (Ac) se reduce a la tercera parte. En estas condiciones el volumen total de hormigón requerido para las columnas será de solo 100 m3 en lugar de 300 m3.
Edificio Burj Khalifa Dubai 2009 Altura 828 m
En las tres últimas filas del gráfico constan las cantidades, en toneladas métricas, de materiales requeridos para las soluciones con f’c = 25 MPa y con f’c = 75 MPa. Se aprecia claramente que las cantidades de materiales requeridas al usar el hormigón de 75 MPa son notablemente menores
INSTITUTO ECUATORIANO DEL CEMENTO Y DEL HORMIGÓN
5
6
HORMIGONES DE ALTO DESEMPEÑO
que las requeridas al usar hormigón de 25 MPa, generando así una solución más económica. No se consideran en este ejemplo, las ventajas adicionales de un menor costo de acarreo de materiales ni las importantes ventajas, especialmente por durabilidad, proporcionadas por un hormigón de alto desempeño. En la mayoría 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 diseño no se aplica a corto plazo, sino que se va incrementando a medida que se construye la estructura. Por esta razón las especificaciones sobre el tiempo para medir la resistencia del hormigón (tradicionalmente 28 días), consideran actualmente tiempos mayores (90 días o más) para los hormigones de alta resistencia. Esto es importante para la selección del tipo de cemento a usarse en el diseño de la mezcla, como se verá más adelante. Figura 6.
• Cemento:
513 kg/m3
• a/c:
0,25
• Humo de sílice:
43 kg/m3
• Agregado Fino:
685 kg/m3
• RAAR:
15,7 L/m3
• Resistencia 28 d:
119 MPa
• Resistencia 91 d:
145 MPa
Nota: RAAR = Reductor de Agua de Alto Rango El diseño de hormigón que consta en la Fig. 6 fue empleado en la construcción del Edificio Two Union Square, en Seattle (USA). Este edificio fue uno de los primeros con estructura básica de hormigón armado. Puede apreciarse como la resistencia del hormigón tuvo un incremento de más de 20% entre los 28 días (119 MPa) y los 91 días (145 MPa), justificando la conveniencia de especificar resistencias de diseño a edades mayores de 28 días, tal como es la tendencia actual con el uso de hormigones de alta resistencia.
La literatura técnica recoge actualmente una buena cantidad de estudios comparativos realizados para estructuras de acero, de hormigón convencional y de hormigón de alta resistencia. Es un denominador común, en esos estudios, que las estructuras en hormigón de alta resistencia son las más económicas, aparte de las importantes ventajas generadas por su durabilidad. Como una ratificación a estos estudios se da el hecho de que el edificio actualmente más alto del mundo tenga su estructura de hormigón armado.
Materiales requeridos para Hormigones de Alta Resistencia
los
Un elevado porcentaje (alrededor del 90%) del volumen de hormigón premezclado que se produce en el mundo tiene resistencias a la compresión que fluctúan entre 20 y 40 MPa. Sin embargo la tendencia actual conduce a resistencias cada vez mayores que se aproximan al límite entre hormigones convencionales y hormigones de alta resistencia fijado al presente en 70 MPa. El producir hormigones con resistencias mayores a 70 MPa puede ser, para constructores y productores de hormigón, un verdadero reto, salvo que se cuente en su zona con los materiales adecuados. La selección correcta de los materiales, el uso de procedimientos calificados de dosificación de esos materiales, la selección correcta de equipos y la cuidadosa vigilancia de los procesos de mezclado y colocación del hormigón, deben ser más rigurosos que para los hormigones convencionales. Agregado Grueso.- Al ocupar el mayor volumen que cualquier otro ingrediente en el hormigón y por influir significativamente en la resistencia y otras propiedades de dicho material, los agregados requieren de una cuidadosa selección. Es común utilizar agregados de peso normal en los hormigones de alta resistencia, pero no se descarta el uso de agregados livianos para hormigones estructurales y de agregados pesados para hormigón de alta densidad. Es indudable que la resistencia a la compresión de los agregados no puede ser menor que la resisten-
PRIMERA PARTE
cia de diseño del hormigón que se pretende preparar. La mayor parte de los agregados aprobados para ser utilizados en hormigones convencionales tienen resistencias promedio del orden de los 170 MPa y podrían ser usados para hormigones de alta resistencia que no tengan que sobrepasar esa resistencia. Debe seleccionarse un agregado que además de su resistencia esté libre de fisuras o de planos débiles, limpio y sin recubrimientos superficiales.
Figura 7.
Eficiencias
Para altos niveles de resistencia del hormigón, con una pasta con relación agua/materiales cementantes de 0,20 a 0,25, es casi seguro que la falla por resistencia a la compresión se producirá por rotura de los agregados, si éstos no alcanzan las resistencias requeridas por el hormigón. Es especialmente importante la selección del tamaño máximo del agregado grueso ya que si su resistencia es lo suficientemente alta y la pasta a utilizar se diseña para soportar los esfuerzos requeridos, la falla potencial del hormigón podría presentarse en la zona de transición interfacial entre pasta y agregado. El ACI 211 señala que se ha demostrado que los agregados de tamaño máximo nominal más pequeño proporcionan mayor resistencia potencial en el hormigón. El Comité ACI 363R-92 publicó (en su edición del 2003) un gráfico (Fig. 7) con la Envolvente de Eficiencias por Resistencia (curva en rojo) mediante el cual se establece que para una determinada resistencia del hormigón, la mezcla que menor contenido de cemento requiere, es la que presenta mayor Eficiencia:
Eficiencia =
Resistencia (MPa) Contenido de Cemento (Kg/m3)
En el gráfico del ACI 363R figuran curvas (color amarillo) para las diferentes resistencias del hormigón en función del tamaño máximo de los agregados (eje X) y de las correspondientes Eficiencias (eje y). De este gráfico se establece que hay un tamaño máximo ideal para cada resistencia del hormigón, y ese tamaño máximo ideal es tanto menor cuanto mayor es la resistencia del hormigón que se requiere. Como ejemplo, para un hormigón de
Tamaño Máximo de los Agregados, mm
50 MPa el tamaño máximo de agregado con el que se obtiene la mayor eficiencia (menor contenido de cemento) es de 9 milímetros. Si bien tamaños menores de agregados exigen contenidos de agua mayores, esta condición se ve compensada con amplitud al aumentarse la superficie de contacto entre la zona de transición interfacial de la pasta y los agregados. Esta superficie de contacto, por unidad de volumen del hormigón, es tanto mayor mientras menor es el tamaño máximo de los agregados. De allí la conveniencia de usar agregados de tamaño máximo menor, mientras más alta sea la resistencia que se quiere alcanzar. Algunos investigadores discrepan ligeramente de los valores para el tamaño máximo de los agregados dados por la Envolvente de Resistencias por Eficiencias del Comité 363 R del ACI, y consideran 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 resistencia del hormigón existe un tamaño óptimo
INSTITUTO ECUATORIANO DEL CEMENTO Y DEL HORMIGÓN
7
8
HORMIGONES DE ALTO DESEMPEÑO
para el agregado grueso que producirá la mayor resistencia a compresión por kilogramo de cemento. Señala además que se ha demostrado que los agregados de menor tamaño proporcionan mayor resistencia potencial. Agrega sin embargo, que el uso de un agregado del mayor tamaño posible, es una consideración importante cuando también son importantes la optimización del módulo de elasticidad, la fluencia y la contracción por secado. Agregado Fino.- Para la producción de hormigones de alta resistencia son factores significativos tanto la forma del agregado fino como su granulometría. La forma de la partícula y la textura de su superficie pueden tener tanta influencia en la demanda de agua y en la resistencia a la compresión del hormigón, como la tiene el agregado grueso. El incremento del volumen relativo del agregado grueso con respecto al del material fino produce una reducción en la cantidad de pasta requerida por unidad de volumen de una mezcla de hormigón. En los hormigones de alta resistencia, debido a la elevada demanda de material cementante, el volumen de materiales finos (partículas menores a 150 µm, tamiz ASTM N°100) tiende a ser alto. Por esto el volumen de la arena (agregado fino) debe mantenerse al mínimo necesario para lograr trabajabilidad y una buena compactación. Esto hace posible alcanzar las más altas resistencias del hormigón para un contenido determinado de material cementante. Para hormigones de resistencias de 70 MPa o mayores, es recomendable el empleo de agregados finos con un módulo de finura (MF) dentro del rango 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 disminución de resistencia. La mezcla de arenas naturales de diferentes fuentes permite optimizar su granulometría y conseguir incrementos de resistencia. En las arenas manufacturadas producidas por trituración, la forma de sus partículas y el incremento del área superficial pueden afectar en forma apreciable la demanda de agua, con la correspondiente pérdida de resistencia.
Cementos.- La selección de los cementos a usarse en los hormigones de alta resistencia es mucho más rigurosa que en el caso de los hormigones convencionales. Diferentes cementos Pórtland, que cumplan con todas las normas y sean esencialmente similares, pueden comportarse de una manera diferente cuando las relaciones agua/ material cementante, de los hormigones en que se utilizan, son más bajas que lo usual. Según Aïtcin, en los hormigones cuyas relaciones a/mc se encuentran entre 0,20 y 0,35, las diferencias de comportamiento de cementos Pórtland similares, pueden deberse a diversos factores: • Finura del cemento • Reactividad del C3A y del C3S • Solubilidad de las diferentes formas de sulfato de calcio en el cemento • Solubilidad de los álcalis Para una adecuada selección del cemento a emplearse se realizan ensayos de mortero en cubos que deben arrojar resistencias de 30 MPa a los 7 días. Con cada tipo de cemento se preparan probetas de ensayo de hormigón cuya resistencia debe comprobarse a los 28, 56 y 91 días. Es conveniente seleccionar aquellos cementos que, aunque produzcan hormigones menos resistentes a los 28 días, generen las mayores resistencias a los 91 días. Normalmente las pruebas se realizan con contenidos de cemento de entre 400 y 500 kg/m3. Se ha comprobado también que el comportamiento de los cementos depende muy estrechamente de su compatibilidad con los superplastificantes que se utilicen en las mezclas con muy bajas relaciones a/mc. Se han desarrollado procedimientos que permiten cuantificar las compatibilidades cemento-superplastificantes. Estos procedimientos, que se revisarán más adelante (Segunda Parte), facilitan una selección adecuada de los materiales a emplearse en los hormigones de alta resistencia y en los hormigones de alto desempeño en general. La correcta selección de la combinación cementosuperplastificante es de tanta importancia, que una mala selección puede ocasionar que no se alcancen resistencias de 70 MPa, aunque el conte-
PRIMERA PARTE
nido de cemento se incremente, o se trate de disminuir la relación a/mc con el uso de aditivos. Esta situación puede conducir a costos de producción elevados y a incrementos severos de los tiempos de fraguado. Materiales Cementantes Suplementarios (Adiciones).- Son materiales finamente pulverizados con características cementantes, actualmente conocidos y usados en los hormigones convencionales, que han sido clasificados y sus especificaciones han sido definidas por la ASTM C 618. Son de gran utilidad, y en ocasiones indispensables, para la preparación de hormigones de alta resistencia. Estos materiales son generalmente subproductos de otros procesos industriales, o son de origen natural. En la preparación del hormigón pueden usarse individualmente o combinados. Pueden añadirse a la mezcla de hormigón a través de cementos que contengan estos materiales (cementos hidráulicos compuestos, NTE INEN 490), o dosificados directamente en las hormigoneras de las plantas .
Los materiales cementantes suplementarios reaccionan más lentamente que el cemento Pórtland generando beneficios reológicos para los hormigones de alta resistencia. En la primera hora posterior al mezclado no se aprecia prácticamente ninguna reacción, por lo que su uso reduce la cantidad y el costo de los superplastificantes. Por ello permiten no solo controlar la rápida pérdida de asentamiento, característica de los hormigones de alta resistencia, sino que permiten alcanzar importantes economías en esos hormigones. En función de la resistencia mínima requerida y de las condiciones climáticas se puede estimar la substitución de parte del peso de cemento por materiales cementantes según la pérdida de resistencia que se considere aceptable en el período entre 12 y 24 horas. Para hormigones con resistencias menores que 75 MPa, no se requiere humo de sílice, sin embargo, con los materiales disponibles actualmente no se ha podido alcanzar resistencias mayores que 75 MPa sin humo de sílice.
Entre las adiciones están las puzolanas, que deben ser materiales silíceos o sílico-aluminosos, los cuales por sí mismo poseen muy poco o ningún valor cementante pero que, en forma finamente dividida y en presencia de humedad, reaccionan químicamente, a temperatura ambiente con el hidróxido de calcio que se libera en el proceso de hidratación del cemento, para formar compuestos que poseen propiedades cementantes. Otros, como las escorias de altos hornos, si presentan características cementantes.
La cuantificación de la relación a/mc se hace en función de la suma de los pesos del cemento más los materiales cementantes suplementarios. Es sin embargo de interés conocer la relación a/c para tener una mejor idea de las condiciones en que se desarrollará el fraguado de la mezcla. Puesto que las adiciones no tienen las mismas propiedades cementantes, y que no reaccionan en la misma forma que el cemento Pórtland, podrían presentarse distorsiones sobre las resistencias a determinadas edades.
Para preparar hormigones de alta resistencia son normalmente necesarios, la ceniza volante, el humo de sílice (microsílice) y la escoria de altos hornos; se utilizan también otras adiciones cementantes como el metacaolín y las cenizas de cascarilla de arroz. El rango de la dosis fluctúa generalmente entre el 5% y el 20% , con relación al peso del cemento. Como ejemplo, algunas especificaciones indican humo de sílice al 10% como máximo.
Aditivos Químicos.- Como ya se ha establecido en la parte inicial de esta Nota Técnica, para alcanzar altas resistencias es necesario minimizar la relación a/mc, llevándola a valores menores que 0,4. Es usualmente más conveniente disminuir la relación a/mc con una reducción del agua necesaria para la mezcla, que aumentar la cantidad de cemento y de materiales cementantes. Para conseguirlo es necesario utilizar aditivos químicos que además de permitir apreciables reducciones del agua de mezclado, pueden controlar y mejorar los
INSTITUTO ECUATORIANO DEL CEMENTO Y DEL HORMIGÓN
9
10
HORMIGONES DE ALTO DESEMPEÑO
tiempos de fraguado, la pérdida de revenimiento, la trabajabilidad y la durabilidad de los hormigones. Para mezclas ricas en cemento y otros materiales cementantes son especialmente efectivos los reductores de agua de alto rango (RAAR) llamados también superfluidificantes o superplastificantes. Estos aditivos ayudan a dispersar las partículas de cemento y pueden reducir hasta en un 30% la demanda de agua de mezclado, aumentando apreciablemente las resistencias a compresión del hormigón. Los superplastificantes reducen de forma apreciable los tiempos de inicio de fraguado, por lo que generalmente se usan asociados con aditivos retardantes. Hay fabricantes que incorporan a los RAAR aditivos retardantes que contrarrestan el endurecimiento rápido del hormigón. Sin embargo ocurre a menudo que la dosificación recomendada por los fabricantes tenga que ser cambiada como consecuencia de los ensayos de laboratorio que se requieren al diseñar las mezclas. Generalmente los mejores resultados se obtienen si el superplastificante se agrega después de que el cemento ha recibido agua en las operaciones de dosificación y mezclado. Solo si existe peligro de períodos de congelación y deshielo con posterioridad a la terminación de la obra puede recomendarse el uso de aditivos inclusores de aire, ya que estos aditivos reducen significativamente la resistencia a la compresión del hormigón. HORMIGONES INICIAL
DE
ALTA
Un hormigón de alta resistencia inicial es aquel que alcanza 20 MPa a la compresión en un período de 3 a 12 horas, y 28 MPa en un período de 1 a 3 días, en ensayos realizados según la norma INEN 1 573 (ASTM C 39) . La resistencia a la tracción por flexión de un hormigón de alta resistencia inicial debe alcanzar 2 MPa en un período de 3 a 12 horas y 4 MPa en un período de 1 a 3 días, en ensayos realizados según la norma INEN 2 554 (ASTM C 78). Además de sus numerosas aplicaciones en la prefabricación, cabe mencionar la utilización de los hormigones de alta resistencia inicial en la colocación de carpetas adheridas de alta resistencia sobre pavimentos rígidos de autopistas, que permiten una rápida habilitación del tránsito. Un ejemplo de las resistencias que pueden obtenerse consta en la tabla adjunta. (Fig. 8) Figura 8. HORMIGONES DE ALTA RESISTENCIA INICIAL PARA SOBRECARPETAS ADHERIDAS EN PAVIMENTOS (FAST TRACK) EDAD
RESISTENCIAS (en MPa) a Flexión
de Adherencia
1,7
0,9
0,9
6 horas
7,0
2,0
1,1
8 horas
13,0
2,7
1,4
12 horas
17,6
3,4
1,6
24 horas
23,9
4,2
2,1
7 días
34,2
5,0
2,1
28 días
40,7
5,7
2,5
4 horas
a Comprensión
RESISTENCIA
Este tipo de hormigones se utilizan cuando por razones constructivas se necesitan altas resistencias a corto plazo. Un ejemplo típico lo constituyen las piezas prefabricadas de hormigón preesforzado, en las que las máximas resistencias a la compresión se requieren al momento del tensado de cables que, por razones de reutilización de moldes, debe realizarse en el menor tiempo posible posterior al hormigonado.
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 (adiciones) y aditivos químicos se aplican igualmente para los Hormigones de Alta Resistencia Inicial.
11
PRIMERA PARTE
Para acelerar la obtención de altas resistencias iniciales en los hormigones convencionales, y aprovechando características derivadas del proceso de hidratación de los cementos, puede recurrirse según el ACI, a algunos de los procedimientos constructivos que se mencionan a continuación: • Temperatura más elevada del hormigón fresco. • Aprovechamiento del calor de hidratación del hormigón, impidiendo su fuga, mediante mantas aislantes que lo cubran para mantener ese calor el mayor tiempo posible. • Curado del hormigón a temperaturas elevadas. Mientras mayor es la temperatura de curado, mayor es el incremento de resistencias iniciales, hasta un máximo del orden de 80oC; con temperaturas mayores el efecto es negativo. Uno de los procedimientos para aplicar esta característica es el curado a vapor. Para el ejemplo del gráfico 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 manteniéndolo por un período de trece horas. Para cada tipo de cemento los valores pueden cambiar pero manteniendo tendencias aproximadamente iguales. Los incrementos de temperatura como consecuencia del curado a vapor son del orden de entre 40 a 50oC por encima de las temperaturas ambiente. Investigadores de estos procedimientos, entre ellos Adam Neville, han demostrado que si los hormigones convencionales se calientan con esos altos valores de temperatura, aumentan efectivamente
Figura 9. 80 Resistencia a compresión en 18 horas, % en relación a la resistencia a compresión a los 28 días con curado húmedo
En cuanto a los cementos, se aplican también las condiciones establecidas para los hormigones de alta resistencia pero se diferencia el proceso de selección del tipo de cemento más adecuado. Es conveniente utilizar cementos especiales de endurecimiento rápido, 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 están entre 400 y 600 kg por cada metro cúbico de hormigón y las relaciones a/mc se mantienen entre 0,20 y 0,40.
Temperatura de vapor max. 80oC 60
65oC 52oC
40
20
0
Nota: La temperatura de vapor aumentó 22oC/h hasta el máximo Cemento Tipo I INEN 152 (ASTM C 150)
1 17
3 5 7 9 11 13 Período de retraso antes del vapor, horas 15
13 11 9 7 Período de vapor, horas
5
15 3
sus resistencias tempranas, pero en cambio, sus resistencias a largo plazo disminuyen. Estos procedimientos, que se han aplicado con éxito en hormigones con relaciones a/mc de 0,40 o superiores, pueden no siempre dar los resultados esperados cuando las relaciones a/mc están por debajo de 0,40 y los contenidos de superplastificante son elevados. Cuando se aplica curado caliente a un elemento de hormigón convencional, el enfriamiento posterior de toda la masa de hormigón ocurre de una manera uniforme una vez que cesa la aplicación del calor; no ocurre así, si se aplica calor a un elemento de hormigón de alta resistencia para aumentar su resistencia inicial. Su comportamiento es diferente al de un hormigón convencional a punto tal que algunos investigadores consideran que es incorrecto aplicar dichos procedimientos, cuando se trata de incrementar la resistencia temprana en los hormigones de alta resistencia. Procedimientos de curado.- La extensa experiencia en el uso de hormigones convencionales ha demostrado categóricamente las grandes diferencias que, en cuanto a resistencias y durabilidad, existen entre hormigones bien curados y hormigones no curados, o curados en forma deficiente.
INSTITUTO ECUATORIANO DEL CEMENTO Y DEL HORMIGÓN
HORMIGONES DE ALTO DESEMPEÑO
Se ha demostrado también que un curado que se inicia tan pronto como sea posible, es mejor que un curado tardío, aunque este último es siempre mejor que la falta de curado. El curado garantiza que el proceso de hidratación del cemento, que forma parte de la pasta del hormigón, se realice en la forma más completa posible, y ayuda además, a minimizar el proceso de contracción presente en todo tipo de hormigón. En el proceso de endurecimiento del hormigón se produce esa contracción volumétrica o “retracción”. Se mencionan a continuación diferentes tipos de retracción: • Retracción Plástica que ocurre en la superficie del hormigón durante el secado • Retracción Autógena por la hidratación del cemento con el agua de mezclado; se conoce también como Contracción Química o Auto Desecación • Retracción por Secado • Contracción Térmica • Contracción por Carbonatación Figura 10. Contracción autógena (antes del fraguado) Contracción autógena (después del fraguado)
Contracción química
Cemento no hidratado y agua
Pasta al colocarse
Pasta en el inicio del fraguado
Contracción autógena (reducción aparente del volumen)
Vacíos acumulados
Vacíos generados por la hidratación
12
Pasta en el fraguado final
Contracción química (reducción del volumen absoluto)
Pasta después del fraguado final
En la Fig. 10, la primera franja de la izquierda representa el volumen de cemento sin hidratar más el volumen de agua de la mezcla. Al iniciarse el fraguado parte del volumen de agua es utilizado en la hidratación de las partículas de cemento y el volumen de la pasta se reduce generando una contracción química. Al final del fraguado (tercera franja) la hidratación de las partículas de cemento prácticamente se ha completado dejando vacíos en la pasta cuyo volumen se ha reducido más que
al inicio del fraguado. Si se considera el volumen acumulado de todos los vacíos puede establecerse el volumen absoluto de la pasta (cuarta franja) después del fraguado final y, además, la diferencia entre la contracción aparente y la contracción absoluta del volumen de la pasta.
Métodos recomendables de curado Dentro del estado actual de la tecnología de los hormigones de alto desempeño se sigue manteniendo 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 hormigones de alto desempeño su curado es innecesario; otros, por el contrario, consideran que los hormigones de alto desempeño deben ser curados no solo como los hormigones convencionales, sino que debe hacérselo en forma más completa y cuidadosa. Según Aïtcin “es absolutamente necesario entender lo que sucede cuando se desarrolla la reacción de hidratación en un hormigón de alto desempeño (como en un hormigón convencional) para tomar las medidas apropiadas para reducir, tanto como sea posible, las contracciones que se desarrollarán en un hormigón sin curado”. Podría suponerse que la contracción autógena de un hormigón de alto desempeño es mayor que la de un hormigón convencional por el hecho de la pasta se contrae en aproximadamente un 10% de su volumen absoluto. Por su alto contenido de cemento el volumen absoluto de la pasta es mayor lo que ocasionaría una contracción mayor. Sin embargo si se inicia el curado continuo con agua, al iniciarse la hidratación del cemento, no tiene lugar la contracción autógena. Por esta razón la retracción del hormigón de alto desempeño depende más 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 desempeño se inicie tan pronto como sea posible ya que de lo contrario su
PRIMERA PARTE
DEBE MANTENERSE EL CONTENIDO DE AGUA INDISPENSABLE PARA LA HIDRATACIÓN DEL CEMENTO: Suministrando agua adicional por aspersión
ó
con yute que debe mantenerse constantemente húmedo
Evitando la fuga de agua mediante láminas plásticas
ó
cubriéndolo completamente con compuestos curadores
contracción autógena es mayor que la de un hormigón convencional sin curado inicial inmediato. Por otra parte, la contracción por secado es insignificante, tomando en cuenta que la porosidad del hormigón de alto desempeño es muy cerrada y el secado de su superficie se desarrolla muy lentamente. En los hormigones convencionales la contracción por secado es mucho más significativa. Ocurre normalmente que la contracción total de los hormigones convencionales depende de la cantidad de agua usada en sus mezclas lo cual no pasa en los hormigones de alto desempeño. Las retracciones plásticas, por el bajo índice de exudación de los hormigones de alto desempeño, son más críticas que en los hormigones convencionales y deben ser contrarrestadas por un curado temprano.
Resulta evidente que si las contracciones totales son de tal magnitud que produzcan fisuraciones en la masa del hormigón, que permitan la penetración de agentes agresivos, la durabilidad se verá gravemente afectada. De allí la necesidad de un curado oportuno y efectivo de los hormigones. En el estado actual de la tecnología de los hormigones de alto desempeño no se mencionan procedimientos específicos para su curado óptimo, pero por todo lo expuesto se concluye que es necesario un curado inicial temprano con aporte continuo de agua durante un período no menor de siete días seguido de un recubrimiento con curado químico para evitar el desarrollo del secado externo posterior.
INSTITUTO ECUATORIANO DEL CEMENTO Y DEL HORMIGÓN
13
NOTAS :
www.inecyc.org.ec 9 789978 390054
Av. de los Shyris N 39-30 y El Telégrafo Teléfono: (593-2) 246 75 11 Fax: (593 2) 245 75 11 Quito - Ecuador