Ponencia Concretos de Alta Resistencia 01

ASOCIACION DE EGRESADOS DE LA FACULATAD DE INGENIERIA CIVIL Urb. Villa Gloria C-12 Telf.: 238442 E-Mail.: [email protected]

Laboratorio de Concreto de la FIC-UNSA

CONCRETOS DE MUY ALTA RESISTENCIA Y DE ALTO DESEMPEÑO (HPC)

Ing. Juan Carlos Gómez Valderrama Ing. María Elena Sánchez Garcia

CONCRETOS CON RESISTENCIA A LA COMPRESION DE 1

200 Kg / cm2 A LOS 28 DIAS UTILIZANDO 9.4 Bls. DE CEMENTO/M³.

1.00 GENERALIDADES

La presente investigación sobre concretos de muy alta resistencia se está realizando en el laboratorio de concreto de la Facultad de Ingeniería Civil de la UNSA, obteniendo resultados de resistencia a la compresión de 1200 kg/cm² a los 28 días de edad. Esta investigación es una continuación de otra sobre concretos de alta resistencia que se realizó en el año de 1995 en el laboratorio de concreto de la FIC de la UNSA, obteniendo como resultado resistencia a la compresión de 742 Kg/cm² a los 28 días, donde no se uso ningún tipo de aditivo ni químico ni mineral. Según estadísticas presentadas en el XII Congreso Nacional de Ingeniería Civil sobre las resistencias logradas en nuestro país a través de los años, indican:

Resistencias del concreto logradas a través del

tiempo en la ciudad de Lima y Arequipa

La falta de difusión sobre las investigaciones realizadas en nuestra Universidad, es una de las razones que nos ha impulsado a dar a conocer y hacer pública la presente investigación.

Prensa de 500 000 Lbs.

Algo muy rescatable es que para la preparación de este concreto de 1200 kg/cm² solo se uso 9.4 bolsas de cemento por metro cúbico, y los agregados que se usaron son los que se comercializan en la ciudad de

Arequipa, y que no tuvieron ningún tipo de tratamiento es decir no fue lavado ni seleccionado El término concreto de alto desempeño de sus siglas en ingles (High – Perfomance- Concrete HPC), fue usado por primera vez por Mehta Y Aïtcin para las mezclas de concreto con las siguientes características: alta trabajabilidad, altas resistencias iniciales y finales, y sobre todo de alta durabilidad. De esta manera una diferencia primaria entre el concreto de alta resistencia y el concreto de alto rendimiento, es que en el caso de los concretos de alto rendimiento (HPC) la alta durabilidad es un

requisito indispensable.

Medida del slump en el concreto

Los concretos de muy alta resistencia podemos denominarlos como aquellos que tienen una resistencia a la compresión superior a los 1000 kg/cm². Estos cada vez se hacen más populares. Las columnas en los edificios tendrían menor sección por lo tanto se tendría más área libre y sobre todo una alta durabilidad si utilizaríamos concretos de alta muy resistencia. El edificio Water Tower Place, de 79 pisos en Chicago, tiene columnas de concreto de 60MPa (612 kg/cm²). El edificio Scotia Plaza en Toronto y los edificios del Union Square en Seattle poseen columnas de 90 y 120 MPa (918 y 1224 kg/Cm²) respectivamente.

2.00 CLASIFICACION DE LOS CONCRETOS 2.1.0 CLASIFICACION DE LOS CONCRETOS POR SU

RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN

2.1.1 Concretos normales El ACI clasifica a los concretos normales como aquellos que sometidos a la prueba de compresión no superan los 600 PSI (423 kg/cm2) a l os 28 días

2.1.2 Concretos de alta resistencia

Podemos considerar aquellos concretos que tienen una resistencia a la compresión superior a los 6000 PSI (423 kg/cm2) 28días

Año F´c kg/cm2

Edad (Días)

Aditivos Ciudad

1965

600

60

No

Lima

1995

742

28

No

Arequipa

1997

750

90

Microsílice

Lima

1998

1000

42

Microsílice

Lima

1999

900

28

Microsílice

Lima

2001

1200

28

Microsílice

Arequipa



2.1.3 Concretos de muy alta resistencia

Los definimos como aquellos concretos que tienen

una resistencia a la compresión superior a los 1000 kg/cm2 a los 28 días

Inicio de la explosión de la probeta de 1200 kg/cm2 2.2.0 CLASIFICACION DE LOS CONCRETOS POR SU DURABILIDAD

-Concretos poco durables -Concretos de alta durabilidad o de alto desempeño (HPC)

CONCRETOS DE ALTO DESEMPEÑO (HPC) El concreto de alto desempeño(HPC) esta diseñado para ser mas durable y si es necesario mas fuerte que el concreto convencional y con características especificas más estrictas que el concreto convencional, debe tener permeabilidad mínima o insignificante el control de grietas, los efectos ambientales a largo plazo o sea la durabilidad son tan importantes como la resistencia a la compresión. Actualmente el ACI define al concreto de alto desempeño (HPC) como aquel concreto que cumple con características especiales de rendimiento y durabilidad que no siempre puede lograrse con constituyentes normales y con las practicas convencionales de mezcla, colocación y curado, tal concreto puede se normal o de alta resistencia. Actualmente estos concretos se están usando en estructuras muy elevadas en EE.UU y Europa

3.00 CONDICIONES EN QUE SE PUEDE HACER UN

DISEÑO DE MEZCLAS DE CONCRETO 3.1.0Concretos convencionales

Estos pueden ser diseñados por - Resistencia - Durabilidad

3.2.0 Concretos de alta resistencia Pueden ser diseñados - Durables - Poco durables

3.3.0 Concretos de muy alta resistencia

Este tipo de concretos debido a que su resistencia es superior a los 1000 kg/cm2 necesariamente debe contener aditivos superplastificantes para reducir al la cantidad de agua y aditivos minerales como la microsílice (superpuzolanas) que le cambiaran la estructura a la pasta cementicia para hacerla más

resistente y en consecuencia necesariamente se tendrá un concreto de alto desempeño (HPC) es decir altamente durable.

4.00 MATERIALES EMPLEADOS EN LA INVESTIGACIÓN PARA PRODUCIR CONCRETO CON RESISTENCIAS DE 1200 KG/CM2 Todos los materiales empleados en esta investigación son los que se comercializan en la ciudad de Arequipa y no han tenido ningún tipo de tratamiento especial

Cemento Pórtland tipo V Agregado fino Agregado Grueso Microsílice Superplastificante Agua

4.1.0 CEMENTO

En los concretos de alto desempeño (HPC) la resistencia, la permeabilidad y otras propiedades, son determinadas por la calidad de la pasta cementante, que esta condicionada por las propiedades físicas y químicas del cemento, Además de los otros parámetros propios de la pasta como son, el tipo y dosificación de los aditivos químicos, las adiciones minerales, la relación agua / material cementante. Si bien no existe una relación directa entre las características del cemento y las propiedades del concreto, del conocimiento de determinados parámetros básicos, es posible inferir el comportamiento resultante en el concreto.

Para la presente investigación se ha empleado el cemento Pórtland tipo V por las razones que más adelante daremos a conocer

Explosión de la probeta de concreto de muy alta

resistencia 4.1.1 Cementos producidos por la fabrica de cementos Yura Cementos Portland ASTM (150) Cemento Tipo I



Cemento Tipo II Cemento Tipo V Cementos Portland adicionados ASTM (595) Cemento Tipo IPM ( 15% Puzolana Natural) Cemento Tipo IP ( 30% Puzolana Natural)

Corazones de la probeta ensayada 4.1.2 Principales componentes del cemento a considerar para producir un concreto de alto desempeño (HPC)

- Contenido de Silicato Tricálcico (C3S) - Contenido de Silicato Bicálcico ( C2S) - Contenido del Aluminato Tricalcico (C3A)

Silicato Tricálcico (C3S) La resistencia de las pastas de cemento se debe principalmente a la hidratación de los silicatos de calcio. Correspondiendo al silicato tricálcico las resistencias a los primeros días entre los 3 y 7 días, al hidratarse el silicato tricálcico (C3S) produce los silicatos de calcio hidratados (Gel) más hidróxido de calcio, compuesto poco deseable para producir concretos durables sobre todo si estos van ha estar expuestos a sulfatos, lixiviación. De todos los compuestos del cemento el silicato tricálcico produce mas del doble de hidróxido de calcio Ca(OH)2 comparado con el silicato bicálcico C2S, el silicato tricálcico C3S también es el que produce mayor calor de hidratación 2C3S + 6H → C3 S2 H3 + 3Ca(OH)2 Silicato Agua Silicato de calcio Hidróxido de Tricálcico Hidratado Calcio El hidróxido de calcio Ca(OH)2 al reaccionar con el sulfato de calcio produce el yeso CaSO4 compuesto que tiene el doble de volumen que los compuestos que lo originaron, originando esfuerzos internos que fisuran al concreto y esto en forma repetitiva lo desintegra. Ca(OH)2 + SO4≡ → CaSO4 Hidróxido de Sulfato Yeso calcio

De todos los cementos Pórtland ASTM C 150 el que tiene mayor contenido de silicato tricálcico ese el tipo III que es un cemento de fragua rápida y no seria apropiado para producir concretos durables ni para concretos masivos Silicato Bicálcico (C2S) Este Silicato de calcio que junto con el anterior son los compuestos mayoritarios y principales del clinker y que determinan las características de comportamiento de las resistencias a la compresión, se encuentra presente en la composición del clinker entre el 10 y 30 % del total de la composición. A diferencia del silicato tricálcico, su desarrollo de resistencia es lento en las edades iniciales y por lo tanto es menor su calor de hidratación 2C2S + 4H → C3 S2 H3 + Ca(OH)2 Silicato Agua Silicato de calcio Hidróxido Bicálcico Hidratado de Calcio El silicato bicálcico produce hidróxido de calcio pero en menor cantidad que el silicato tricálcico. Aluminato Tricálcico (C3A) El aluminato tricálcico(C3A) no es muy deseable en la hidratación del cemento, después de su fabricación pues contribuye poco o nada a mejorarlo, excepto a edades muy tempranas, dentro de las primeras 24 horas.(Solo es útil para la fabricación del clinker) La reacción del aluminato tricálcico (C3A) con el agua es muy violenta y conduce al endurecimiento inmediato de la pasta por lo que hay que adicionarle yeso ( sulfato de calcio) en relación al contenido de aluminato tricálcico. Un exceso de sulfato de calcio puede causar fenómenos expansivos en los morteros y concreto El aluminato tricálcico (C3A) en los concretos de alto desempeño (HPC) es el principal factor en la compatibilidad de los cementos con los superplastificantes en el proceso de fraguado y mantenimiento de la trabajabilidad durante su estado fresco. En estudios realizados para determinar la variación de la fluidez del concreto con el tiempo, en relación de las características del cemento, se estableció que el aluminato tricálcico es determinante en la velocidad y cantidad de estringita formada y que para valores superiores 8% son la causa fundamental de la perdida de fluidez del concreto . Por el contrario para valores reducidos de aluminato tricálcico (C3A) no se encuentra variaciones de trabajabilidad (8) La reacción de los sulfatos con los hidratos de calcio produce la (estringita) donde el volúmen sólido es el doble de los compuestos originales, por lo que podríamos iferir que el cemento con menor cantidad de aluminato tricálcico es el mas adecuado para concretos resistentes a sulfatos. Las norma ASTM (C-150) para el cemento tipo V da un máximo de 5% de aluminato tricálcico (C3A) Cemento Yura para su cemento tipo V tiene un contenido de 3.5% de aluminato tricálcico (C3A)



4.1.3 Elección Del Tipo De Cemento Para La Investigación

Por lo expuesto y considerando su composición química, consideramos utilizar el cemento tipo V para producir un concreto de alta durabilidad. Los cemento adicionados como son el Portland tipo IP y Portland tipo IPM no los consideramos para la producción de los concretos de muy alta resistencia, Ya que estos cementos contienen puzolanas naturales que tienen una menor actividad puzolánica que la microsílice si tenemos en cuenta que el Blaine (superficie especifica) del cemento (clinker y puzolana) es de 399 m2/kg a comparación de la microsílice es de 18 000 a 20 000 m2/kg.

4.2.0 AGREGADOS

Los agregados son los mayores constituyentes del concreto, se estima que para producir un concreto durable estos deben constituir entre le 60 y 80 % del volumen total del concreto, por lo general debería tratarse de adicionar la máxima cantidad posible, mientras lo permita la trabajabilidad, Los problemas con los concretos en estado plástico y endurecido los da la pasta cementicia, y entre menos cantidad tengamos de esta pasta, tendremos menos problemas, con cambios volumétricos, generación de calor, fisuras Etc. 4.2.1 Agregado Fino El agregado fino esta considerado como aquel material pasante la malla de 3/8” a la N° 100 estos deben de estar bien graduados como lo establece la ASTM C-33 y libre de impurezas como materia orgánica y partículas blandas. Normalmente para producir concreto normales el modulo de fineza debe de estar entre 2.3 y 3.1; para la producción de concretos de alta resistencia el modulo de fineza debe ser mayor de 3. El agrado fino que se ha empleado para la presente investigación es de cantera de depósitos aluviales como es la cantera de Huayco, con un modulo de fineza de 3.5 algo importante es que en la misma cantera se puede elegir el modulo de fineza, dependiendo del lugar dentro de la misma cantera de donde se extraiga el agregado. GRANULOMETRIA AGREGADO FINO

4.2.2 Agregado Grueso El agregado grueso esta considerado como aquel material que queda retenido en la malla N° 4 y el tamaño máximo para producir un concreto de alta resistencia debe de ser de ¾”, este no debe contener partículas blandas, ni tener materia orgánica, y debe ser resistente a los cambios de temperatura, el agregado grueso que se ha empleado para la presente investigación es de piedra natural triturada que es la mas recomendable para concretos de alta resistencia y de muy alta resistencia. La influencia del agregado triturado en la resistencia a la compresión del concreto es relevante a partir de los 380 kg/cm2 aproximadamente. El agregado grueso que se ha empleado para la producción de concreto de muy alta resistencia de esta investigación es una andesita triturada de la cantera del Km. 19 con un tamaño máximo de ¾ “ este agregado no fue lavado ni se li hizo se le hizo ningún tipo de selección en cuanto a la dureza de las partículas.

GRANULOMETRIA AGREGADO GRUESO

0102030405060708090

100

1.0010.00100.00

% P

AS

AN

TE

LIMITES ASTM

C33AGREGADO

4.3.0 MICROSILICE La microsílice o también llamado humo de sílice ( un subproducto de las industrias del metal silicio y de la aleación de ferrosilicio) que es una puzolana muy activa. Se presenta bajo la forma de microesferas de sílice amorfa con 90 a 96 % de SiO2, con un diámetro promedio de 0.1 a 0.2 micrones, y una densidad de 2.2 gr/cm3 y con una superficie especifica de 18 000 a 20 000 m2 / kg en comparación de el cemento que su superficie especifica es de 399 m2/kg , razón por la cual es una puzolana muy activa (súper puzolana) El empleo de la microsílice ha permitido el desarrollo de los concretos de muy alta resistencia ( resistencias al a compresión superiores a los 1000 kg/cm2) La actividad de la mi crosílice permite el incremento de la resistencia al reducir el riesgo de fisuración en la aureola de transición . en efecto al disminuir la exudación interna se evita la concentración de agua al reedor de los agregados, haciendo la pasta menos porosa. Además por su actividad puzolánica reacciona con el hidróxido de calcio Ca(OH)2 y no se forman cristales súper puestos característicos de la zona de transición que son los puntos preferentes de rotura.



La microsílice al tener una alta actividad puzolánica, genera una distribución más uniforme de los productos hidratados al combinarse con el hidróxido de calcio Ca(OH)2, Además actúa como filler, facilitando la trabajabilidad de la pasta y esencialmente rellenando los vacíos capilares, lo que significa una mayor densidad de la matriz cementicia que garantiza el incremento de la resistencia a la compresión y la durabilidad del concreto. Se ha demostrado que la microsílise produce un incremento en la adherencia de los constituyentes del concreto, de manera que los agregados actúan como componentes activos ante las solicitaciones mecánicas, lo que hace posible llegar a tensiones de rotura superiores a los de la propia matriz de cemento, en iguales relaciones de agua/cemento Para la presente investigación que se ha desarrollado sobre concretos de muy alta resistencia se ha empleado la microsílise SIKA FUME con un contenido inicial de microsílice del orden del 30%

4.4.0 ADITIVOS SUPERPLASTIFICANTES

El desarrollo de los superplastificantes es uno de los mayores logros que tiene efectos significativos en la producción y uso del concreto, sobre todo para concretos con alto contenido de microsílice como es el caso de esta investigación, y que sin el uso de este aditivo reductor de agua no se hubiera podido lograr resistencias y durabilidad, dado que la alta superficie especifica de la microsílice, hubieran requerido gran cantidad de agua llegando a relaciones agua/material cementicio muy alta que tendríamos un concreto poco resistente y no durable o en otro caso se hubiera usado demasiado cantidad de cemento para mantener la relación agua/ materialmente cementicio de diseño. Estos superplastificantes han ido variando con el transcurso de los años así como su eficiencia como se muestra en el siguiente cuadro

AÑO ADITIVOS QUÍMICOS CON BASE EN POLIMEROS

REDUCCIÓN DE AGUA

1930 Lignosulfonatos 10%

1940 Gluconatos 10%

1970 Naftalenos Sulfonatos 20%

1980 Melamina Sulfonada 20%

1990 Copolímeros Vinílicos 40%

2000 Polica rboxilatos Modificados 40%

5.0.0 DISEÑO DE MEZCLAS DE CONCRETOS DE

MUY ALTA RESISTENCIA Para la presente investigación se realizaron tres diseños manteniendo constante la relación Agua/Material cementante(A/C) y variando la relación Agregado/Cemento (Ag/C) con las siguientes propiedades físicas

MATERILES PESO

ESPEC. UNIDAD INCIDENCIA HUMED ABSOR

AGUA 1.00 gr/cm3

PLSTIFICANTE 11.1 gr/cm3 1 % Cemento total

MICROSILICE 2.20 gr/cm3 30 % Cemento total

Agr. FINO 2.640 gr/cm3 (sss) 30 % AgT 0.6 1.07

Agr.GRUESO 2.620 gr/cm3 (sss) 70 % AgT 0.34 0.86

CEMENTO 3.15 gr/cm3 70 % Cemento total

Tamaño Máximo Nominal del agregado grueso ¾”

DISEÑO N° 1 P. sss sin corregir CORREGIDOS POR HUMEDAD

MATERIALES PESO Kg/m3

MATERIALES EN APILAMIENTO

PESO Kg/m3

CEMENTO 708.21 CEMENTO 708.21

PUZOLANA 305.52 PUZOLANA 303.52

AGUA 242.82 AGUA 247.92

PLASTIFICANTE 10.12 PLASTIFICANTE 10.12 AGRE. FINO 303.52 AGRE. FINO 302.09

AGRE. GRUESO 708.21 AGRE. GRUESO 704.53

Relación Agua / Materiales cementicios A/C = 0.25 Relación Agre. / Materiales cementicios Ag/C = 1 DISEÑO N°2 Peso. sss sin corregir CORREGIDOS POR HUMEDAD


MATERIALES EN APILAMIENTO

PESO Kg/m3


PUZOLANA 219.10 PUZOLANA 219.10

AGUA 115.28 AGUA 182.66

PLASTIFICANTE 7.30 PLASTIFICANTE 7.30

AGRE. FINO 438.21 AGREGADO FINO 436.15


Relación Agua / Materiales cementicios A/C = 0.25 Relación Agre. / Materiales cementicios Ag/C = 2 DISEÑO N° 3 Peso sss sin corregir CORREGIDOS POR HUMEDAD


MATERIALES EN

APILAMIENTO

PESO Kg/m3


PUZOLANA 171.43 PUZOLANA 171.43 AGUA 137.14 AGUA 145.80

PLASTIFICANTE 5.71 PLASTIFICANTE 5.71 AGRE. FINO 514.28 AGRE. FINO 511.86


Relación Agua / Materiales cementicios A/C = 0.25 Relación Agre. / Materiales cementicios Ag/C = 3



Textura de los 3 diseños Cuadro comparativo de los tres diseños

Diseño A/C Ag/C Cemento

Kg (bolsas)

Resistencia 7 días

kg/cm2

Resistencia 28 días kg/cm2

I

0.25

1

708.21 (16.6)

468.86

723.42

II

0.25

2

511.24 (12.0)

473..20

845.2

III

0.25

3

399.99 (9.4)

541.88

1203.0

6.- PRUEBA DE TRACCION POR COMPRESIÓN DIAMETRAL Una de las grandes interrogantes sobre los concretos de muy alta resistencia es saber cuanto resisten a la tracción, es así que para esta inquietud se prepararon probetas de 6 Pulg. de diámetro por 12 pulg. de altura y se la sometieron a la prueba

de tracción por compresión diametral Prueba de tracción por compresión diametral . Las pruebas efectuadas dieron como resultado, que la resistencia a la tracción de este tipo de concretos es aproximadamente del orden del 5% a 6% de la resistencia a la compresión esto posiblemente como consecuencia de la calidad de los agregados grueso con que contamos en la ciudad de Arequipa. 7.- CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES La presente investigación se encuentra en proceso ya que deberán hacer pruebas cambiando el tipo de agregado grueso es decir hay que utilizar un agregado grueso mucho mas resistente a la compresión y con partículas más uniformes, pero por lo poco que se ha podido investigar podemos concluir, que el avance en cuanto aditivos químicos y minerales en estos últimos años ha sido muy significativo por lo que ya es posible hacer concretos de muy alta resistencia en obra, con los materiales que se comercializan en la ciudad de Arequipa, y si no nos atrevemos ha utilizar concretos de alta resistencia o de muy alta resistencia , lo menos que podemos hacer es que sean durables.

BIBLIOGRAFÍA

- Manual de Tecnología del Concreto, Instituto de Ingeniería UNAM Editorial LIMUSA

- Annual Book Standards Section 4 Construction

- Fundamentals of High – Perfomance Concrete. Edward G. Nawy 2001

- Durability – Critical Issues for the Future. P.Kumar Mehta 1999

- Tecnología del Concreto. A.M. Neville y J.J. Brooks. Editorial Trillas 1998

- Advancements in Concrete Technology. P Kumar Mehta. 1999

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