EL DESAFIO DE LA DURABILIDAD

8/17/2019 EL DESAFIO DE LA DURABILIDAD

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Microestructura de la Pasta de Cemento

Antes de la Hidratación

69

Partículas decemento

Agua


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Crecimiento de productos de hidratación: llenado de espacio vacío

Cemento aúnsin hidratar

Microestructura de la Pasta Endurecida

70

Contorno originalde las partículas


3/67

Microestructura de la Pasta Endurecida

Poros del Gel

Cemento

anhidro

Modelo de microestructura de la pasta de cemento hidratada

71

Poro Capilar

Cristales de C-S-H


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Rango de Poros en el Concreto Endurecido

Poros

Aire

Incorporado

Aire

Atrapado

Molécula

de H2O

72

0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000 10000Tamaño de Poros (µm)

1 10

mm

Poros de

Gel

1 10 100

nm


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Cemento Anhidro

Crecimiento de Productos de Hidratación

73

Hidratación Avanzada


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Efecto de la relación agua/cemento y la edadsobre la microestructura

74

t = 0 t = horas t = semanas


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Estructura de Poros

Es posible modificar la estructura de poros del concretoendurecido, mediante:

• Relación a/c (volumen y tamaño de capilares)

• Contenido de Cemento (volumen de poros de gel)• Uso de componentes minerales activos (p.ej. puzolanas)

• Uso de micro-fillers (p.ej. silica fume)

75

• Uso de selladores de poros (p.ej. polímeros)• Uso de incorporadores de aire/gas (volumen y tamaño de las

micro-burbujas)

• Uso de agregados porosos• Uso de granulometrías especiales (concreto “sin finos”)


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Variando la estructura de poros es posible obtener:

Estructura de Poros

76


9/67

Una amplia gama de concretos livianos

Estructura de Poros

77


10/67

Una amplia gama de concretos livianos (celulares)

Estructura de Poros

78


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Estructura de Poros

Concreto poroso,drenante y, no obstante,

resistente (10-30 MPa)

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Estructura de Poros

Concretos Resistentes a Ciclos de Congelación yDeshielo (poros de aire incorporado)

80


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Estructura de Poros

Concretos de Alta Resistencia (hasta 150 MPa)

C-40

81Torres Petronas (Kuala Lumpur), 452 m (88 pisos)

C-60

C-80


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300

360

420

480 m

Water TowerPlace

311 SouthWacker Drive

TorreEiffel

Con SPSin SP

80

Torres Petronas

Concretos de Alta Resistencia

BurjKhalifa

82

240

180

120

60

0Chicago

1959113 m

Chicago1968

197 m

Chicago1975262 m

Chicago1989295 m

Kuala Lumpur1996452 m

Paris1889

300 m

ExecutiveHouse

Lake PointTower

60MPa

89MPa

MPa

Dubai

2010

828 m

80MPa

SP = Superplastificante


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Tipos de ConcretoPropiedad Rangos

Ligero (aislante)Ligero (aislante estructural)Ligero (estructural)

Peso normalPesado (protección de radiaciones)

Rellenos FluidosLivianosNormales

200 - 800800 - 1400

1400 - 2000

2000 - 26002600 - 5000

0.5 - 2.00.4 - 3015 - 50

-

Densidad (kg/m³)

Resistencia a

Compresión (MPa)

Estructura de Poros: Efecto sobre lasPropiedades del Concreto

83

Normales

Drenantes, Celulares

Normales

Ligeros

Ligeros

Alta Resistencia

Alto Desempeño (> 65 MPa)

Buena CalidadCalidad NormalBaja CalidadMuy Baja Calidad

∞∞∞∞

2 - 1515 - 3530 - 50

0.1 - 1.01.0 - 2.5

< 0.01

0.01 - 0.10.1 – 1.0

1.0 - 10> 10

Módulo de

Elasticidad (GPa)

Conductividad Térmica

(W/m.K)

Permeabilidad al Aire

(10-16 m²)


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Básicamente, se puede actuar en 4 frentes:

Herramientas para la Versatilidad

• Reología del concreto fresco

• Procesos químicos

84

• Estructura de poros

• Mecánica de la Fractura


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Mecánica de la Fractura

Aunque la debilidad intrínsica del concreto como materialestructural (fragilidad y baja resistencia a tracción) ha sido

resuelta exitosamente a través del uso del compuesto“Concreto reforzado” con barras de acero, hay aún campopara mejorar.

85

El uso de fibras (metálicas, sintéticas, de carbono, devidrio, vegetales, etc.) no ha sido todavía suficientementeexplorado y explotado.

Esta es un área donde podemos esperar nuevosdesarrollos para mejorar la ductilidad del concreto y sususceptibilidad a la fisuración.


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La razón principal paraincorporar fibras es para

mejorar el comportamientofrágil del concreto, o sea

para mejorar su capacidadde absorber energía y su

Función de las fibras estructurales en el concreto

86

ductilidad y para controlar la fisuración.

Además, ayuda a mantener

la cohesión e integridadestructural


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Fibras usadas en Concreto Tipos de Fibras Acero Polipropileno (PP) Acetato de Polivinilo (PVA) Vegetales Vidrio (V)

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Textiles

Usadas en:

Concreto Premezclado Concreto Proyectado

(túneles) Premoldeados


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20

25

30

35

r e s s ( M P a

)5% Vidrio 40:20:40

V:PP:PVA

5%

2% PVA

Sistemas Híbridos de Fibras

n ( M p a )

88

0

5

10

15

0 1 2 3 4Deflection (mm)

F l e x u r a l S t

5% PP

Deflexión (mm)

σ a f l e x

i


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El Futuro

Concretos Auto-Compactantes

Concreto reforzado con distintos tipos de fibras Armaduras inoxidables / no-metálicas (PRF)

Concretos “Verdes” hechos total o arcialmente con

89

materiales reciclados) Concretos “auto-cicatrizantes” (por el empleo de

bacterias que cierran fisuras en su metabolismo)

Concretos de Alta Resistencia y Alto Desempeño (enespecial buscando mayor durabilidad)

Concretos de Ultra Alta Resistencia (CUAR)


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Concreto “auto-cicatrizante” usando bacterias

90


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Fronteras de la Imaginación:Concretos de Ultra-Alta Resistencia (CUAR)

Características de los CUAR:

Resistencia a Compresión: 150 – 800 MPa

Resistencia a Flexión: 10 – 400 MPa

Virtualmente “impermeables” (durabilidad ilimitada)

91


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CUAR: Aplicaciones

Puente Peatonal enSherbrooke (CND)

92

Mortero con a/c=0,21 y alto contenido defibras de acero y Superplastificante

Resistencia a compresión: 200 MPa(350 MPa si se lo confina en tubos deacero inoxidable de 3mm de espesor)Resistencia a Tracción: 7 MPaResistencia a Flexión : 40 MPa

Módulo de Elasticidad: 50 GPa


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SHAWNESSY LIGHT RAIL TRANSIT

STATION

Calgary, AB, Canada

CUAR: Aplicaciones

93


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AceroUHSC

Concreto

PretensadoConcreto

Armado

CUAR: Alta relación Resistencia /Peso

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130 110 470 530Peso Propio (kg/m) de Vigas de Igual Capacidad Portante


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CUAR: Aplicaciones Especiales

95


28/67

CUAR: Aplicaciones Especiales

96


29/67

Concreto: Aplicaciones Especiales

97


30/67


98


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Concreto Traslúcido

LiTraCon©


99

moldeadas en el Concreto


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100

LiTraCon©


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101http://www.voile-de-beton.com

Fronteras de la Imaginación:


34/67

¿Tiene el concretoun rol que jugar en la

conquista delespacio?

Fronteras de la Imaginación:Concreto Lunar?

102

Fronteras de la Imaginación:


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Sí, el concreto puede jugarun papel importante en la

conquista del espacio

Fronteras de la Imaginación:Concreto Lunar

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36/67

Pies en la Tierra: Perspectivas del Concreto

El concreto continuará siendo el material deconstrucción preferido en el Siglo XXI, aunque con fuertecompetencia desde diversos flancos A través del uso de desechos reciclados como materias

primas, el concreto se transformará en un “eco-Concreto”. I+D necesario para prevenir consecuenciasde mediano/lar o lazo

104


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Pies en la Tierra: Perspectivas del Concreto

Se prestará más atención a la durabilidad en el diseñode estructuras de concreto, para mejorar el ciclo de vidade construcciones sustentables y hacerlo más

competitivo frente a otras alternativas

105


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Parte II: El Desafío de la Durabilidad

Roberto J. TorrentIng. Civil, PhDMaterials Advanced Services,Buenos Aires, Argentina

[email protected]


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Se han registrado numerosos casos de estructuras quefallaron mucho antes de cumplir su vida útil esperada,debido a problemas de durabilidad y no estructurales

Los gastos de mantenimiento de esas estructuras hanalcanzado tal magnitud que han llamado la atención de lasautoridades y los medios de comunicación, empañando la

Situación

107

imagen del concreto reforzado como material durable Incluso ha afectado la reputación profesional de los

ingenieros civiles y arquitectos

Por otra parte, hay muchas más estructuras mostrando uncomportamiento satisfactorio luego de 50, 60 y aún 100años de servicio en ambientes agresivos (ej. Exposición aambientes marinos)


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Creer que, a fin de lograr durabilidad ilimitada deestructuras expuestas a ambientes agresivos, essuficiente aplicar criterios tradicionales de diseño yespecificación, así como niveles convencionales deejecución e inspección

La falta de conocimiento de los ingenieros civiles y

Causas de Desempeño Insatisfactorio

108

arqu ec os en e proceso e a aque y e er oro e as

estructuras

Falta de tecnologías para predecir la vida útil demateriales, componentes y estructuras

No contar con bases sólidas para un eficaz plan demantenimiento de las estructuras.

Aumento de la agresividad química del medioambiente


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Significativos esfuerzos en I+D nos permite disponer de:

un conocimiento bastante preciso de los principalesmecanismos de deterioro

modelos de predicción de la vida útil (no muy precisos)

técnicas de ensayos para medir, en el laboratorio y en el

Tendencias

109

,

Muchas compañías internacionales de consultoría,proyecto y construcción cuentan con especialistas endurabilidad (o los contratan) . y la contraparte?

Las normas han comenzado a actualizarse con laincorporación de nuevas tecnologías y especificacionesbasadas en el desempeño


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Proceso de deterioro

Clasificación de los Procesos de Deterioro

Procesos de deterioro que pueden afectar lavida útil de las construcciones de concreto

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Físico

(ej. heladas)

Químico

(ej. SO42-)

Electroquímico

(ej. Corrosión del acero)


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En orden decreciente de importancia, las principalescausas de deterioro del concreto son:

1. corrosión de la armadura de acero

2. acción del congelamiento en climas fríos3. ataque químico en ambientes agresivos

Principales Problemas de Durabilidad

111

ras causas e e er oro or g na as n ernamen e,

como la reacción álcali-sílice (RAS) o formacióndiferida de ettringita (FDE), han suscitado una granatención debido a su potencial destructivo.

P bl d l N P i ti A t l


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Problema de las Normas Prescriptivas Actuales

Norma a/c Cemento ResistenciaMáx (kg/kg) Mín (kg/m³) Mín (kgf/cm²)

EN 0.50 300 300 Costa

EN 0.45 320 350 Mareas

ACI 0.40 --- 350

NMX 0.55 300 300

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Suponen, erróneamente, que distintos materiales (ej. tiposde cemento), en las mismas proporciones, confieren idénticodesempeño al Concreto

Dan pocas oportunidades para innovar y agregar valor

Tratan al Concreto y a los materiales componentes comocommodities

Cómo se controla la a/cmáx?; se cumple en la realidad?


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Tendencias

Varias organizaciones están promoviendo Normas yEspecificaciones basadas en el Desempeño del Concretoo aún de las Estructuras mismas, especialmente en lo

referido a su Durabilidad, ejemplos: NRMCA: Enfoque P2P

113

Performance)

RILEM: Comité Técnico PSC "Performance-basedSpecification and Control of Durability"

Realcreto: Calidad del Concreto en la Estructura


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CO2 Cl- SO4

2-, Abrasión, Hielo

“Recubrimiento”

de Peor Calidad

Debido a:

Realcreto: Calidad del Concreto en la Estructura

Labcreto: Las

114

Acero• Segregación• Compactación• Curado• Exudación

• Acabado• Microfisuras

probetas

moldeadas y

curadas en

forma

normalizada,

NOrepresentan la

vital calidad

del

‘recubrimiento’

Ejemplo de Norma por Desempeño: Norma Suiza SIA


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262:2003 “Concrete Construction”

Respecto a la durabilidad, la calidad del Concreto derecubrimiento es de particular importancia

115

Se verificará la impermeabilidad del Concreto derecubrimiento, mediante ensayos de permeabilidadin situ (p.ej. mediciones de permeabilidad al aire) osobre testigos extraídos de la estructura

P bilid d l Ai i it kT N SIA 262/1 E


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Válvula 1

Bomba de Vacío

Re ulador de

PiPe

Computador

Táctil

Válvula 2

Permeabilidad al Aire in situ kT: Norma SIA 262/1-E

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Presión (Pe=Pi)

i

i : Cámara interior

e : Cámara exterior

Celda de Vacío

de 2 cámaras

Concreto

Anillos blandos e

PermeaTORR

Automático: 2 a 6 min

+Medidor deHumedad aImpedancia

Permeabilidad al Aire del Recubrimiento (Método de


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Ensayo SIA 262/1-E)

La permeabilidad al aire delrecubrimiento (kT) se midedirectamente sobre la estructuraterminada, a 28 - 90 días, con lasiguiente clasificación tentativa:

117

Se usan mediciones complementarias para verificar que el

concreto esté suficientemente seco

Norma Suiza SIA 262/1:2013, la más avanzadaN P t i l d l M d


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Norma Prestacional del Mundo

Clase deExposición

Carbonatación Cloruros

XC1 XC2 XC3 XC4 XD1 XD2a XD2b XD3

f‘cCil. min 25 25 25 30 25 25 30 30

Cmin (kg/m³) 280 280 280 300 300 300 320 320a/cmax 0.65 0.65 0.60 0.50 0.50 0.50 0.45 0.45

Vel. Carb. --- --- 5.0 5.0 --- --- --- --- T e o r i c

r e t o

2 0 0

3

o

A ñ o

118

(mm/a½)

DCl max(10-12 m²/s)

--- --- --- --- --- --- 10 10

kTs in situ

(10-16 m²) --- --- --- 2.0 2.0 2.0 0.5 0.5

L a b c

r e

2 0 0 8

R e a l c r e t o

2 0

1 3

kTs= „máximo estadístico“ (no más de 1 de 6 ensayos por encima de kTs)

Norma SIA 262 (por Desempeño)


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1. El enfoque de la Norma Suiza SIA 262 de establecercomo Indicador de Durabilidad la permeabilidad delrecubrimiento, medida en la estructura , apunta a

controlar el producto terminado2. Así, mide el resultado de la contribución de todos los

actores en la cadena de construcción en concreto


119

(especificadores, proveedores de concreto y demateriales, contratista, etc.)



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3. Al controlar el producto terminado, impone unamentalidad orientada al desempeño en todos losactores, asegurando una competencia leal:

en los Contratistas , que entregan el producto a ser controlado, donde quienes no apliquen buenasprácticas serán penalizados al deber usar mezclas más


120

en los Productores de Concreto , que deberán diseñar,producir y entregar, eficientemente, concretos quealcancen el desempeño requerido

en los Proveedores de Materiales (cementos, aditivos,áridos) que deben diseñar sus productos hacia undesempeño óptimo en el concreto



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SCC, que crea un recubrimiento más compacto y uniformeque el Concreto vibrado

Membranas permeables en los encofrados Compuestos de curado más eficientes y/o de concretos

“autocurantes”

4. Incentiva la innovación fomentando el uso de:


121

Concretos de Alto Desempeño

Compuestos de Ultra Alto Desempeño (selectivamente)

Concretos de baja retracción o retracción compensada

5. Facilita la tarea de la D.d O., que no necesita controlartodas las etapas de la ejecución sino solamente elproducto final (+ rol preventivo)

Uso de Membranas Permeables en los Encofrados


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ConMembrana

SinMembrana

122

kT = 1/10

Ejemplo de Uso Selectivo de CUAR


55/67

Las estructuras de Concreto tienen puntos débiles!

Ejemplo de Uso Selectivo de CUAR

CUAR

123

Idea: usar CUAR en partes específicas donde laexposición ambiental o mecánica sea más severa

Colocación del CUAR


56/67

Colocación del CUAR

124

Propiedades Mecánicas del CUAR


57/67

p

Comportamiento a tracciónσ

125

ε [%]

Múltiple fisuracióndistribuida

Propiedades Mecánicas del CUAR


58/67

p

Comportamiento a tracciónσ Propiedad CUAR CC

f’c [MPa] 160 - 250 ~ 40

E [GPa] 48 - 60 ~ 35

126

ε [%]

Múltiple fisuracióndistribuida

ft [MPa] 9 - 20 ~ 3

Strain hardening[%] 0.05 - 0.2 0

σ a la primerafisura [MPa] 7 - 16 ~ 3

Retracción [‰] 0.6 – 1.0

Permeabilidad del UHPFRC


59/67

CUAR

Permeabilidad al Aire (Ensayo SIA 262/1-E):

127

Porqué necesitamos Pronosticar la Vida Útil?


60/67

Canal de Panamá100 years

Túnel delPuerto de

Miami 150 y

128

2nd Gateway Bridge,Brisbane, 300 y Necesitamos hacer

proyecciones fuera del

rango de la ‚experiencia‘o sea más allá de los 50años

Método Experimental mediante kT y c “in situ”


61/67

p y

129

kT h%c

Para cloruros: Ti =α

. c² / kT⅓

conα

= f(tipo deexposición)para zona marina severa (mareas, salpicaduras esα = 0.0086, c (mm) y kT (10-16 m²)

Service Life Prediction (XS3) after Exp-Ref Model


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100

1000

L i f e ( y e

a r s )

c

(mm)

Ref (kT=0.14, c= 55; SL= 50)

130

1

10

0.001 0.01 0.1 1 10 100

28-d. kT (10-16

m²)

S e r v i c

e

706050

40

30

2010

9080


63/67

Durabilidad?, porqué debemos ocuparnos?


64/67

p q p

Porque las reparaciones (hoy superan el 50% de losfondos dedicados a Construcción en Europa y NorteAmérica), en el que la Industria del Concreto participa

poco, le quitan mercado Porque esos recursos, de aumentarse la vida en

servicio odrían dedicarse a nuevas obras de

132

infraestructura y vivienda, tannecesarias en paísesemergentes

Porque es un talón de Aquilesque puede ser explotado pormateriales competitivos

La Durabilidad y la Responsabilidad Social


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133Viviendas Sociales de 25 años en Buenos Aires

Disponibilidad de soluciones innovadoras en elmercado


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La industria del concreto en Latinoamérica ya ofrecemuchas de estas soluciones

Se requiere una óptima comunicación entre

propietarios, proyectistas, constructores y proveedoresde materiales para romper el „círculo vicioso“ de la noinnovación

134

La aplicación de estas soluciones no requiere detécnicas sofisticadas, sino simplemente de aplicar lasreglas del arte indicadas en los códigos de construcción

Pregunta: porqué es tan difícil introducirlas?

una delas razones son las Normas Prescriptivas queprevalecen en la Construcción en Concreto

Mensaje de Despedida


67/67

Ustedes, la nueva generación de profesionales,tienen la responsabilidad de impulsar a que estasinnovaciones tomen cuerpo en la Industria de laConstrucción de sus países.

135

Muchas gracias, perdonen tanta “lata” yescríbanme si necesitan mayor información sobre

cualquiera de los temas tratados:

[email protected]

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