Determinación de la resistencia real del concreto en bóvedas prefabricadas

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1 Determinación de la resistencia real del concreto en bóvedas prefabricadas Tecnología TH Sika y Cemex Ing. Grethel Martínez, Ing. Antonio Huelsz, Ing. Bernardo Martínez e Ing. Edgar Hernández* Las condiciones de temperatura bajo las cuales fragua y conendurece un cilindro de concreto son muy distintas de las diciones bajo las que el concreto endurece y gana resistencia en la estructura. I. ANTECEDENTES Desde comienzos de 1950 investigadores ingleses identificaron la gran influencia de la temperatura sobre la evolución de la resistencia del concreto. Durante esa época se dedujo que la temperatura del material estaba directamente relacionada con la cantidad de hidratos generados y estos, a su vez, con la resistencia del mismo. De esta forma aparece el concepto madurez 1 que se fundamenta en la historia térmica del material. El concepto madurez descrito en la norma ASTM C 1074, se utiliza hoy en día para estimar la resistencia del concreto en la estructura sin necesidad de fallar cilindros. Las condiciones de temperatura bajo las cuales fragua y endurece un cilindro de concreto son muy distintas de las condiciones bajo las que el concreto endurece y gana resistencia en la estructura. A pesar de que el material provenga del mismo colado, el concreto en la estructura puede alcanzar temperaturas muy superiores a las del cilindro debido a las diferentes condiciones de generación y disipación de calor, estas diferencias se traducen en evoluciones de resistencias también diferentes entre las que se registran al momento de ensayar el cilindro y la verdadera resistencia adquirida en la estructura. Ing. Grethel Martínez- Transferencia de Tecnología en Proyectos de Infraestructura CEMEX m Ing. Antonio Huelsz- Ingeniero Técnico Comercial TechSpan- FREYSSINET DE MÉXICO Arq. Bernardo Martínez -Gerente de Transferencia de Tecnología de México &Centroamérica de CE- MEX m Ing. Edgar Hernández- IM Industria del Concreto SIKA 1 Método de madurez (ASTM C1074). El método de Madurez es una técnica para relacionar los efectos combinados de la temperatura y el tiempo en el desarrollo de resistencia del concreto.

2 Gráfico N. 1 Evolución de Resistencias de un concreto bajo diferentes condiciones de temperatura. El impacto de las condiciones térmicas sobre la velocidad de hidratación y la evolución de resistencia de un concreto puede ser de dos a tres veces, o incluso mayor, evaluados a muy temprana edad como lo demuestran los valores del gráfico N 1 (Carino y Tank 1991). La temperatura de un cilindro bajo condiciones normalizadas puede ser de esta forma cercana a los 20 C durante las primeras horas (o menos) mientras que la estructura puede alcanzar los 40 C (curva superior). De este modo, a manera de ejemplo, a las 16 horas la resistencia medida en los cilindros es de 80 kg/cm 2, mientras que la resistencia del mismo material en la estructura es de 180 kg/cm 2. Esta enorme diferencia a temprana edad entre concretos iguales que evolucionaron bajo condiciones térmicas distintas se reduce conforme la edad del concreto aumenta, como lo demuestra el gráfico N. 1 II. INTRODUCCIÓN El concreto en las estructuras, cuando tiene unas condiciones de temperatura diferentes a las del mismo concreto contenido en los cilindros (la mayoría de los casos), evidencia entonces que la resistencia de la estructura es definitivamente diferente a la resistencia del cilindro incluso siguiendo los procedimientos descritos en la ASTM C 31 ( Elaboración y curado de especímenes de concreto en obra ) para operaciones de descimbrado, puesta en servicio, liberación de presfuerzo, etc. Así, los cilindros pueden subestimar en muchos casos la resistencia real del material en la estructura ocasionando que la espera para proceder al siguiente paso constructivo sea mayor de lo necesario.

3 Por este motivo se utilizan los principios de madurez para determinar la resistencia del material in situ (ACI 228). La norma ASTM C 1074 expone los principios del método antiguo de madurez, sin embargo este método ha sido superado por la tecnología y hoy en día en lugar de usar aproximaciones teóricas y extrapolaciones hechas en laboratorio, existen dispositivos que permiten monitorear directamente la evolución térmica de la estructura y la reproducen en moldes de cilindros especiales. El concreto Profesional MR con Tecnología TH 2 emplea el método de seguimiento térmico para determinar la resistencia real de la estructura. El concreto Profesional MR con Tecnología TH es la solución integral para proyectos que requieren descimbre a edad temprana (menor a 24 horas) para incrementar su ciclo productivo y/o garantizar la resistencia de la estructura de especificación del proyecto. El concreto Profesional MR con Tecnología TH consta de: 1. Diseños de Concreto a la medida: Incluye mezclas de concreto optimizadas con aditivos especiales compatibles con nuestro cemento que garantizan resistencias a edad temprana. 2. Monitoreo Térmico Automatizado: Proporciona un sistema de monitoreo térmico automatizado que estima la resistencia real de la estructura. Los cilindros especiales llamados termoseguidores copian las condiciones térmicas del material de la estructura y se fallan a una edad determinada, mostrando una resistencia más aproximada a la de la estructura que la de los cilindros curados bajo condiciones estandarizadas. 3. Sistemas de Curado Eficiente: Ofrece el servicio de asesoría en el proceso constructivo del cliente, desde el colado inicial hasta el descimbre, incluyendo un manual de recomendaciones de curado eficiente. III. IMPLEMENTACIÓN DEL CONCRETO PROFESIONAL MR CON TECNOLOGÍA TH La empresa Tradeco Infraestructura encomendó a Freyssinet de México la fabricación y montaje de 3 túneles falsos con el sistema de Bóveda TechSpan para el paso del ferrocarril en la Laguna de Cuyutlán en Manzanillo, Colima. Objetivo:En este proyecto se realizó la implementación del Concreto Profesional MR con Tecnología TH para conocer la resistencia real de las bóvedas prefabricadas en las diferentes fases de los elementos, para acelerar ciclos de producción. Los requerimientos del proyecto se presentan en la Tabla N.1. Etapas del Ciclo productivo Para la fabricación de las bóvedas TechSpan se identifican las siguientes etapas. 2 La Tecnología TH es una solución integral para proyectos de descimbre temprano desarrollado por CEMEX-SIKA.

4 Tabla N.1 Requerimientos técnicos del proyecto Proyecto Cliente Requerimientos técnicos del concreto Bóvedas TechSpan para Túnel del Desvío Ferroviario. Manzanillo, Col. Freyssinet de México S.A. de C.V. Resistencia a compresión 28 días: f c 350 kg/cm 2 Revenimiento: 11 ± 1 cm Resistencia temprana a horas requerida para el descimbre e izaje Volumen por elemento tipo Mayor a 20m 3 Volumen por día 200m 3 a 230m 3 1. Colado: se requiere un concreto de alta resistencia inicial para poder aumentar el volumen de producción por día. El revenimiento es de 11 ± 1 cm debido a la inclinación de los elementos y el método de colocación (Figuras N 1). Figura N. 1 Colado de bóvedas prefabricadas. 2. Descimbre: Se requiere una resistencia dada para garantizar que los esfuerzos generados en la etapa de descimbre (12-15 horas) sean soportados por el concreto, evitando fisuramientos (Figura N. 2). 3. Estiba: Los elementos son colocados en el patio de almacenaje Figura N. 2 Descimbre e izaje.

5 Figura N. 3 Estiba. Figura N. 4 Transporte en plataforma. una vez que son descimbrados (15-18 horas). El concreto debe soportar los esfuerzos altos del izaje realizado con grúa en los puntos críticos (estrobos)(figura N. 3). 4. Transporte: Las piezas son transportadas en plataformas aproximadamente un trayecto de 30 kilómetros, inclusive con edades tempranas de tan solo 20 horas.(figura N. 4). Figura N. 5 Montaje de bóvedas prefabricadas en el sitio. Figura N. 6 Puesta en operación del Túnel del Desvío Ferroviario. 5. Montaje: Los elementos prefabricados son colocados en el sitio al siguiente día para acelerar los tiempos del proyecto.(figura N. 5). 6. Puesta en Operación: La puesta en operación lleva aproximadamente 28 días (esfuerzo de relleno sobre el túnel) cuando el concreto ha alcanzado la resistencia de 350 kg/cm 2..(Figura N. 6). IV. METODOLOGÍA 1. Diseño de Concreto a la medida El Centro de Tecnología de Cemento y Concreto de CEMEX desarrolló un diseño de mezcla hecho a la medida para el proyecto, incluyendo tecnología de aditivos SIKA, que cumplió con las resistencias a edad temprana especificadas para cada etapa del proyecto. El concreto suministrado mantuvo un revenimiento de 11 ± 1 cm para garantizar la consistencia adecuada necesaria para la colocación en las bóvedas inclinadas.

6 2. Monitoreo Térmico Automatizado Se definen los puntos críticos del elemento por temperatura y por esfuerzos críticos en el izaje (Figura N.7). Figura N. 7 Puntos monitoreados en el seguimiento térmico de la bóvedas prefabricadas. Se obtienen las curvas de calorimetría para cada uno de los puntos, como se observa en el gráfico N 2. En el gráfico N. 2 se observa el monitoreo térmico en distintos puntos de la dovela mediante sensores térmicos (termopares) sumergidos en el Gráfi co N. 2 Temperatura de concreto en distintos puntos de bóveda prefabricada. Tiempo, h

7 Temperatura Máxima 70 C Tiempo en el que alcanza 9.3 h -temperatura máxima Temperatura a 14 horas 66 C Temperatura a 16 horas 63 C Tabla N. 2 Datos de monitoreo térmico en la bóveda prefabricada. concreto (Figura N.8). A partir de la información estadística obtenida de los puntos A, B y C se eligió al punto más crítico, el de más baja temperatura, para optimizar los diseños de mezclas y termoseguir el elemento. Este monitoreo se realiza mediante los cilindros termoseguidores que como su nombre lo indica, reproducen la huella térmica del elemento y lo trasladan a los cilindros para obtener la resistencia real del elemento y de esta forma garantizar el esfuerzo requerido del concreto en cada una de las etapas. Figura N. 8 Termopares colocados en los puntos críticos de los elementos. 3. Sistemas de Curado Eficientes Es importante mencionar que aunque exista un diseño optimizado de mezcla de concreto en conjunto con un monitoreo térmico es necesario seguir las prácticas constructivas para el curado eficiente del elemento. El curado consiste en mantener un contenido satisfactorio de humedad y temperatura en el concreto recién colado para que pueda desarrollar las propiedades deseadas. La resistencia y la durabilidad del concreto se desarrollarán plenamente sólo si se cura de manera adecuada. En el caso de las bóvedas prefabricadas fue necesario tomar especial atención en este punto debido a las altas temperaturas que desarrolla el concreto por sí mismo, así como la temperatura ambiente del sitio (máx 34 C). De esta forma, todos los elementos fueron debidamente protegidos de la pérdida de humedad mediante membranas de curado para evitar problemas por agrietamiento de contracción plástica que pueden afectar el desempeño de la estructura.(figura N 9).

8 Figura N. 9 Membranas de curado aplicadas a los elementos. V. RESULTADOS OBTENIDOS En la tabla N. 3 se enlistan los resultados obtenidos con el uso del Concreto Profesional MR con tecnología TH: Tabla 3. Resultados obtenidos con el uso del Concreto Profesional MR con Tecnología TH: Característica Mínimo Máximo Promedio Temperatura al momento del colado, C Revenimiento, cm Porcentaje de resistencia requerida a edad temprana (18 h) medida con cilindros convencionales Porcentaje de la resistencia requerida a edad temprana (18 h) con cilindros termoseguidores, 91% 138% 114% 112% 152% 142% Resistencia a 28 días, kg/cm En el gráfico N.3 se presenta la evolución de resistencia a edad temprana comparando un cilindro convencional y un cilindro termoseguidor. Así, por ejemplo a 18 horas un cilindro convencional presenta en promedio el 114% de la resistencia especificada y el termoseguidor tiene el 142% de la resistencia a edad temprana, con lo que es posible optimizar diseños conociendo la resistencia real de la estructura, representada por el cilindro termoseguidor. Gráfico N 3. Desarrollo de resistencia a edades tempranas con cilindros convencionales (azul) en comparación con cilindros termoseguidores (rojo).

9 V. RESULTADOS OBTENIDOS En el gráfico N.3 se presenta el estudio realizado a distintas edades tempranas desde las 14 horas hasta las 18 horas, para poder eficientar el ciclo productivo en las etapas iniciales. Los valores presentados son promedio del monitoreo realizado durante el proyecto. Los resultados a 28 días cumplieron con la especificación de 350 kg/cm 2. VI. CONCLUSIONES: El uso del concreto Profesional MR con Tecnología TH en el proyecto permitió: Empleo de todos los moldes todos los días (Aumento de colados diarios de aprox. 20%) Ningún elemento presentó fisuras por retracción Elementos con fisuras por esfuerzos al descimbrar=0% Se montaron los elementos el mismo día del descimbre lo cual se traduce en : Reducción de 200% el área necesaria para almacenar Reducción de 50% en horas máquina (grúas y plataformas) Proceso más seguro ya que se evita una maniobra con peso muerto suspendido. La productividad del ciclo constructivo de la prefabricación impactó directamente en la reducción de costos directos variables en 36% (6% del total). Los túneles del Desvío Ferroviario tienen una longitud de casi 400 metros, a la fecha es el túnel más amplio hecho por Freyssinet de México. La producción se inició en enero del presente año y se terminó en marzo; el montaje se inició prácticamente a la par que la fabricación permitiendo que la obra tuviera un gran avance. Este proyecto de gran magnitud utilizó tecnología de punta que permitió optimizar el ciclo productivo, cumpliendo con los estándares de calidad requeridos. Fuentes: ASTM C 1074 (1998). Practice for estimating concrete strength by the Maturity Method. ACI Committee 228, (1995). In Place Methods to Estimate Concrete Strength. ACI Materials Journal. (1991) Development of Concrete. Vol.88 No.1. pp ACI-308 (1994) Práctica estándar para el curado del concreto. IMCYC, México. Carino, N.J. and Tank R.C (1991), Rate Constant Functions for strength. Hermida, Germán (NI). MADUREZ del concreto y determinación de la resistencia in situ Colombia. Para mayor información: Sika Responde

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