DURABILIDAD DEL HORMIGÓN RECICLADO

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1 CURSOS DE VERANO DE LA UNIVERSIDAD DE CANTABRIA 2012 Hormigón reciclado: hacia una construcción más sostenible CURSOS DE VERANO 2012 DURABILIDAD DEL HORMIGÓN RECICLADO CARLOS THOMAS GARCÍA 1 DISEÑO DE DOSIFICACIONES DE HORMIGÓN. Fundamentos 1. Correcta proporción de los componentes del hormigón: - Cemento. - Árido Fino (natural o reciclado). - Árido Grueso (natural o reciclado). - Agua de amasado. - Otros componentes: aditivos, cenizas, escorias

2 DISEÑO DE DOSIFICACIONES DE HORMIGÓN. Fundamentos 2. Características del hormigón fabricado con tales proporciones: - Trabajabilidad (típico) del hormigón fresco. - Resistencia (típico) a compresión a una edad concreta. - Durabilidad (nuevo): estrechamente relacionada con la cantidad de agua libre de la amasada. DURABILIDAD

3 DURABILIDAD DISEÑO DE DOSIFICACIONES DE HORMIGÓN. Fundamentos 3. Conocer las principales características del árido y del cemento: - Clase resistente del cemento - Características geométricas y tribológicas de los áridos - Características físicas de los áridos

4 CONCEPTOS BÁSICOS: agua libre - Agua total: consistente en la cantidad de agua necesaria para alcanzar la condición de saturación con superficie seca de todo el árido y el agua libre disponible para la hidratación del cemento y garantizar la trabajabilidad del hormigón fresco. - En la práctica los áridos aportan cierta cantidad de agua (humedad) por lo que la cantidad de agua para alcanzar saturación con superficie seca se ve reducida. - La trabajabilidad depende en gran medida de la cantidad de agua libre. Si la misma cantidad de agua total se agrega a dosificaciones con áridos con distinta capacidad de absorción, la cantidad de agua libre será distinta. - Las propiedades mecánicas y físicas del hormigón endurecido se ven mejoradas cuanto menor sea la relación agua libre/cemento de la dosificación. Las propiedades del hormigón no deben depender de la absorción de los áridos. - Se considerará que los áridos se encuentran en condición de saturación con superficie seca a fin de que la relación agua libre/cemento y el agua libre (trabajabilidad) no se vea influenciada por la porosidad/absorción del árido. CONCEPTOS BÁSICOS: dosificaciones En particular, el mejor método es expresar las masas de cada uno de los componentes es en relación a un volumen concreto de hormigón: - Necesidad de conocer las densidades relativa de cada elemento. - Se desprecian cambios volumétricos debidos al cemento. - Se ignora el efecto del aire retenido en el hormigón. Evolución de la hidratación de la pasta de cemento para distintas relaciones de agua/cemento. Evolución de la hidratación de la pasta de cemento con w/c=0,63.

5 CONCEPTOS BÁSICOS: durabilidad Un hormigón durable es aquel que cumple satisfactoriamente unas propiedades adecuadas durante el tiempo para el ambiente en el que se encuentra: Protección del hormigón Protección del acero en el hormigón armado y pretensado. La durabilidad depende de: La Densidad del hormigón: adecuada cantidad de cemento y relación w/c. De la permeabilidad: adecuada cantidad de cemento y relación w/c. Completa compactación. Correcto curado: tiempo y condiciones de temperatura y humedad. Exigencias, normativa, en cuanto a una cantidad mínima de cemento y resistencias mínimas. CONCEPTOS BÁSICOS: durabilidad Algunas consideraciones: - En ambientes con presencia de sulfatos debe utilizarse Cemento Portland Sulforesistente. - En exposición a heladas y en presencia de humedad, deben utilizarse aditivos específicos que regulan la cantidad de aire retenido. - Componentes que pueden reaccionar con los álcalis del cemento (reacción álcali-sílice) deben utilizarse cementos Portland de Bajo contenido en Álcalis. - En ambientes marinos deben utilizarse hormigones poco porosos que impidan la comunicación entre el electrolito cloro y el acero.

6 TRABAJABILIDAD Medida de la trabajabilidad: - Necesaria para definir el tipo de aplicación, trabajabilidad, movilidad, compacidad y tiempo de fraguado. - No se ha desarrollado aún un método que defina todas estas características. - Los métodos más comunes para definir la trabajabilidad con el asiento del cono de Abrams y el método Vebe. Resistencia a compresión del hormigón Tipo de áridos - El tipo y la forma de los árido tiene gran influencia sobre al resistencia del hormigón. - En general, los áridos de reciclados proporcionan menores resistencias. - Otros factores como el tipo de arena, el tamaño máximo de árido, textura tienen una pequeña influencia sobre las propiedades mecánicas.

7 Resistencia a compresión del hormigón Influencia de la relación agua/cemento - Existe una clara relación entre la resistencia a compresión y la relación agua/cemento. - Para la eficiente puesta en obra será necesario que el hormigón fresco posea una fluidez adecuada. - Compromiso entre la relación agua/cemento y la trabajabilidad del hormigón. HORMIGÓN AUTOCOMPACTANTE: más sostenible

8 MATERIALES Y METODOS DE ENSAYO Definición de las dosificaciones Procedimientos de amasado PROCEDIMIENTOS DE AMASADO FASE HORMIGÓN ÁRIDOS RECICLADOS ÁRIDOS GRUESOS NATURALES ARENA Primera Segunda Tercera H-0,65 En condiciones de laboratorio En condiciones de laboratorio En condiciones de laboratorio H-0,50 En condiciones de laboratorio En condiciones de laboratorio En condiciones de laboratorio H-0,65AS Saturados Saturados Extendida (seca) H-0,50AS Saturados Saturados Extendida (seca) H-0,55ARS Saturados En condiciones de laboratorio Extendida (seca) H-0,45ARS Saturados En condiciones de laboratorio Extendida (seca) 16

9 MATERIALES Y METODOS DE ENSAYO Estimación del número de probetas necesarias Objetivos planteados para cada fase: programa experimental (3 Fases) 17 MATERIALES Y METODOS DE ENSAYO Estimación del número de probetas necesarias Probetas/ensayo por cada una de las 3 fases Densidad, porosidad y absorción, se requerirán 6 muestras cilíndricas de 100 mm de altura por 150 mm de diámetro. El ensayo de permeabilidad se realiza sobre 2 muestras que corresponden al tercio medio de una probeta cilíndrica normalizada N1 2 Probetas 4 Dosificaciones 2 Clases 2 Ambientes 3Edades 96 Probetas N 5P. 4 D. 2 C. 2 A. 3E. 2 En los ensayos de resistencia a compresión se van a emplear un mínimo de 5 probetas cilíndricas normalizadas 240 Probetas 18

10 MATERIALES Y METODOS DE ENSAYO Propiedades físicas del hormigón endurecido Esquema del despiece de las probetas cilíndricas normalizadas para la realización de los distintos ensayos. Probeta normalizada (izq.) y aspecto de las muestras obtenidas a partir del despiece de probetas cilíndricas normalizadas de hormigón (dcha.). 19 CONDICIONES CLIMATOLÓGICAS DURANTE EL CURADO EN INTEMPERIE 100 Temperature [ºC] - Relative humidity [%] days 365 days Relative humitity 20 Temperature Time [days] Condiciones climáticas en la ciudad de Santander (ambiente marino), España, en el periodo enero de 2007 enero de 2008.

11 POROSIDAD DEL HORMIGÓN MATERIALES Y METODOS DE ENSAYO Macroporosidad mediante análisis digital de imágenes Preparación de las muestras 1. Corte de probetas cilíndricas normalizadas. 2. Aplicación de pintura de color negro a la superficie. 3. Aplicación de pasta de cemento blanco a la superficie. 4. Eliminación del sobrante de cemento blanco endurecido. Porosidad en color blanco y fondo en color negro: alto contraste. Preparación rápida y sencilla. 22

12 MATERIALES Y METODOS DE ENSAYO Macroporosidad mediante análisis digital de imágenes Toma de imágenes Macrografía de la superficie totalmente preparada Fondo rojo para mayor contraste entre colores A la derecha puede observarse el cuadrado (40x40 mm) de calibración. 23 MATERIALES Y METODOS DE ENSAYO Macroporosidad mediante análisis digital de imágenes Software de análisis Desarrollado íntegramente en MatLab. Permite analizar: 1.Distribución de poros en función de la distancia al centro de la muestra. 2.Distribución del tamaño de los poros con respecto a la distancia radial al centro de la probeta. 3.Representación del tamaño del poro detectado con respecto del número de ellos. 24

13 MATERIALES Y METODOS DE ENSAYO Macroporosidad mediante análisis digital de imágenes Ficha de resultados El centro de los rectangulos indica el tamaño 12 NOTA: Puede haber más de un poro por posición Número de Poros Tamaño del Poro (mm 2 ) Tamaño (mm 2 ) Distribución de número de poros con respecto al tamaño de los poros Distancia respecto al centro (mm.) Distribución del tamaño de los poros con respecto a la distancia radial al centro de la probeta. 25 MATERIALES Y METODOS DE ENSAYO Macroporosidad mediante análisis digital de imágenes Ficha de resultados Representación bidimensional de la distribución del tamaño de los poros en el plano de corte de la probeta. Representación tridimensional de la distribución del tamaño de los poros en el plano de corte de la probeta 26

14 MATERIALES Y METODOS DE ENSAYO Durabilidad del hormigón reciclado Carbonatación Permeabilidad al agua Dispositivo experimental para los ensayos de penetración de agua bajo presión. Superficie interior de una probeta normalizada de hormigón, rota por tracción indirecta, a la que se ha aplicado una fina capa de fenolftaleina. Perfil de profundización del agua en los ensayos de penetración de agua bajo presión. 27 CARBONATACIÓN (UNE :2009)

15 Profundidad de penetración de agua bajo presión (UNE-EN :2009) en el hormigón reciclado. MATERIALES Y METODOS DE ENSAYO Durabilidad del hormigón reciclado: coeficiente de permeabilidad al oxígeno Carbonatación 4 3,5 Caudal [cm 3 /s] 3 2,5 2 1, Tiempo [s] 30

16 Coeficiente de permeabilidad al oxígeno (UNE 83981:2008) del hormigón

17 Coeficiente de permeabilidad al oxígeno (UNE 83981:2008) del hormigón MATERIALES Y METODOS DE ENSAYO Propiedades mecánicas del hormigón reciclado Resistencia a compresión Módulo de elasticidad Fotografía de una probeta instrumentada con galgas extensométricas y colocada entre los platos de la prensa para el ensayo. Resistencia a la tracción indirecta Probetas normalizadas de hormigón refrentadas (arriba) y ensayada a compresión (izq.). Esquema de fuerzas (izq.) y tercio de probeta cilíndrica ensayada (dcha.) a tracción indirecta. 34

18 ANÁLISIS DE RESULTADOS Propiedades del hormigón fresco Cálculo de la relación agua/cemento efectiva I w c w c ef. II ef. 0, 7 CL CL CL w ( PG AG Pg Ag PAR AAR ) 100 Árido c reciclado seco: reducción en la cantidad de agua 0, 7 CL CL CL SAT CL w ( PG AG Pg Ag PAR AAR ) ( PAG PAG ) 100 Árido grueso presaturado: c no hay efecto negativo del árido reciclado III w c ef. 0, 7 CL CL CL SAT CL w ( PG AG Pg Ag PAR AAR ) ( PAR PAR ) 100 Árido reciclado presaturado: aumento de la cantidad de agua c i w c w CL Pi SAT Pi A i ef. es la relación agua/cemento efectiva de la fase i: I; II y III. es la cantidad de agua empleada en la dosificación sin cuantificar la humedad. Se recomienda presaturar el árido reciclado teniendo precaución en el cálculo de la relación agua/cemento efectiva!! es el peso en condiciones de laboratorio del árido i: grava (G); gravilla (g) y árido reciclado (AR). es el peso del árido i tras la condición de presaturación: árido grueso (AG) y árido reciclado (AR). es la absorción total del árido i: grava (G); gravilla (g) y árido reciclado (AR). 35 ANÁLISIS DE RESULTADOS Propiedades físicas del hormigón reciclado Densidad relativa 2.5 Pasados 28 días la evolución es pequeña 2.45 Densidad relativa [g/cm 3 ] La sustitución de árido natural por reciclado conduce a una pérdida de: 0,02 g/cm 3 al dosificar con 20% 0,04 g/cm 3 al dosificar con 50% 0,06 g/cm 3 al dosificar con 100% % 20% 50% 100% Variaciones en la relación agua/cemento de 0,1 suponen cambios de 0,05 g/cm 3 Relación agua/cemento efectiva [w/c] 36

19 ANÁLISIS DE RESULTADOS Propiedades físicas del hormigón reciclado Porosidad accesible frente a la densidad 18 P = 4.2x10 4 * e^(-3.4d) R 2 = 0.99 P = 2.2x10 5 * e^(-4.1d) R 2 = P = 3x10 5 * e^(-4.2d) R 2 = 0.77 P = 7.3x10 5 * e^(-4.6d) R 2 = 0.92 Porosidad [% volumen] Relación Las curvas de tienden tipo exponencial a confluir entre cuando la porosidad la porosidad accesible se sitúa y la por densidad encima del hormigón 18% 10 0% 20% 50% 100% La influencia del árido reciclado es poca cuando la porosidad del hormigón es alta o la densidad baja Densidad relativa [g/cm 3 ] 37 ANÁLISIS DE RESULTADOS Durabilidad del hormigón reciclado Permeabilidad al oxígeno % 20% 50% 100% Tendencias logarítmicas siendo más permeable el hormigón reciclado Coef. de permeabilidad al oxígeno [m 2 ] Una incorporación de un 20% de árido reciclado y una reducción de 0,05 en la relación agua/cemento proporciona la misma permeabilidad que el hormigón de control de 0,65 El efecto negativo del árido reciclado es menor para hormigones con bajas relaciones agua/cemento Relación agua/cemento efectiva [w/c] 38

20 ANÁLISIS DE RESULTADOS Durabilidad del hormigón reciclado Permeabilidad al oxígeno frente a la permeabilidad al agua y = -3.4e e-18x R 2 = 0.57 y = -3.5e e-18x R 2 = 0.69 Coeficiente de permeabilidad al oxígeno [m 2 ] % 20% 50% 100% y = -2.3e e-18x R 2 = 0.67 y = -2.7e e-18x R 2 = 0.81 Los dos parámetros de permeabilidad estudiados reflejan de manera similar la circulación de un fluido a través de la red capilar del hormigón Máxima penetración de agua [mm] 39 ANÁLISIS DE RESULTADOS Propiedades mecánicas del hormigón reciclado Resistencia a compresión 80 Resistencia a compresión [MPa] Max 5% Max 20% La utilización de un 20% de grava reciclada no produce cambios resistentes significativos Cuando la sustitución es del 100%, se observa una pérdida notable Para garantizar iguales niveles resistentes, es necesario reducir la relación agua/cemento en 0,05 0% 20% 50% 100% Relación agua/cemento efectiva [w/c] 40

21 ANÁLISIS DE RESULTADOS Propiedades mecánicas del hormigón reciclado Influencia del grado de sustitución sobre la resistencia a compresión Resistencia a compresión del hormigón reciclado [MPa] 80 Experimental 20% 70 Experimental 50% Experimental 100% Resistencia a compresión del hormigón de control [MPa] Ajuste lineal de la resistencia a compresión de los hormigones reciclados (F RC ) frente la resistencia del hormigón de control (F CC ) correspondiente Puede relacionarse la pendiente de ajuste con el grado de incorporación: MODELO DE RESISTENCIA A COMPRESIÓN F 0, 08 ( 1 0, 005 ) RC F CC 41 ANÁLISIS DE RESULTADOS Propiedades mecánicas del hormigón reciclado Influencia del grado de sustitución sobre la resistencia a compresión Los valores encontrados en la bibliografía se ajustan al modelo 42

22 ANÁLISIS DE RESULTADOS Propiedades mecánicas del hormigón reciclado Resistencia a compresión frente a la permeabilidad Resistencia a compresión [MPa] % 20% 50% 100% EHE-08 w/c= ambiente 0,50marino Resistencia a compresión [MPa] % 20% 50% 100% Tomando como referencia un hormigón de control 55 con una relación agua/cemento de 0,50, mínimo exigido por la EHE-08 para 50 ambiente marino la resistencia del hormigón completamente reciclado es de 43 MPa, no 35 se superan los 50 mm, límite máximo exigido por la EHE-08 para ambientes IIIa Penetración de agua bajo presión [mm] Permeabilidad al oxígeno [m 2 ] Para una penetración máxima de agua de 50 mm, máximo EHE, la permeabilidad del hormigón de control se sitúa en 6, m 2 44

23 TRABAJO FUTURO Trabajo futuro Queda pendiente el estudio del comportamiento al fuego, la fluencia, el ataque de agentes químicos agresivos (sulfatos, ácidos, álcali-sílice, etc.) y el comportamiento bajo ciclos de humedad-sequedad o hielo-deshielo. Por otro lado, tampoco existen referencias en cuanto a la viabilidad para la reparación y/o protección de estructuras fabricadas con hormigón reciclado (utilización de superficies protectoras, protección catódica, extracción de electrolitos de cloro, etc.). De los resultados presentados acerca del comportamiento a fatiga podrán obtenerse conclusiones más generales que permitan entender con mayor rigor la respuesta de los hormigones reciclados a las cargas cíclicas de compresión, así como establecer una correlación entre el comportamiento a fatiga y el comportamiento bajo cargas estáticas. 45 TRABAJO FUTURO DURABILIDAD DEL HORMIGÓN RECICLADO Muchas gracias por su atención 46

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