ESTUDIO SOBRE LA RESISTENCIA Y LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DEL HORMIGÓN AUTOCOMPACTANTE

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1 V CONGRESO DE 1/10 ESTUDIO SOBRE LA RESISTENCIA Y LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DEL HORMIGÓN AUTOCOMPACTANTE Jaime FERNANDEZ GOMEZ DR. INGENIERO DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOS Catedrátic de Edificación y Prefabricación de ia ETSICCP, UPM, Madrid. Presidente de INTEMAC. ifernandez(g)intemac.es Ange! V5LANOVA FERNANDEZ DR. INGENIERO DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOS Universidad Centr Occidental Lisandr Alvarad, VENEZUELA Prfesr Asciad avilanv(a>ucla.edu.ve Gatft AGRANATt LANDSBERGER DR. INGENIERO DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOS Piss Mejrada s.a. Directra técnica agranati@amail.es RESUMEN En este trabaj se ha cread una extensa base de dats que incluye las dsificacines y ls resultads experimentales de las características mecánicas del hrmigón autcmpactante (HAC), l cual ha permitid analizar de frma generalizada la influencia de varias variables en la resistencia a cmpresión del HAC. Las variables analizadas incluyen la influencia dei cntenid y tip de filler, la relación agua/cement, y ia influencia deí cntenid de árids. También se ha evaluad la aplicabiiidad de ls mdels de las nrmativas para estimar las características mecánicas dei HAC. PALABRAS CLAVE: Hrmigón autcmpactante, resistencia a cmpresión, adicines, base de dats, relación agua/cement. 1. Intrducción La resistencia a cmpresión es la prpiedad mecánica más imprtante para caracterizar e! hrmigón, y es el parámetr básic de entrada en tds ls mdels de cmprtamient mecánic y relógic. En temas relacinads cn la durabilidad, frecuentemente se utiliza la resistencia a cmpresión cm un indicadr de la calidad del hrmigón, debid a que esta característica está relacinada cn la micrestructura del materia y la relación agua/cement. Ls distints mdels nrmativs de cálcul para estimar las prpiedades mecánicas tman cm referencia principa! la resistencia a cmpresión del hrmigón. investigacines y estudis

2 V CONGRESO DE 2/10 En el hrmigón cnvencinal (HC), el parámetr más imprtante que afecta a la resistencia a cmpresión es la relación agua/cement, per en el cas del hrmigón autcmpactante (HAC) la situación es más cmpleja. En cmparación cn el hrmigón cnvencinal, el HAC cntiene mayr vlumen de pasta, menr cntenid de árid grues y un elevad cntenid de filler y aditivs. Estas variacines en la mezcla mdifican sus características en fresc, per también sus características mecánicas. En el cas dei HAC, hay tras variables a cnsiderar en relación cn la resistencia a cmpresión, cm el tip de filler y la relación agua/fins. Además de estudiar la influencia de varis factres sbre la resistencia a cmpresión del HAC, también se evalúan ls mdels nrmativs de cálcul de determinación del módul de defrmación en el hrmigón cnvencinal y su aplicabilidad ai HAC. Ls mdels cnsiderads han sid el Eurcódig 2 [1], la EHE-08 [2] y el ACi 318 [3]. Se ha realizad una cmparación entre ls valres experimentales y ls estimads cn ls mdels, realizad un análisis estadístic de ls resultads. 2. Base de dats y características de las mezclas Para estudiar la resistencia a cmpresión de una manera generalizada y cnsiderand las diferentes variables, se ha cnstruid una base de dats que incluye dsificacines y prpiedades mecánicas del HAC. Se han utilizad 138 referencias publicadas, cn un ttal de 627 dsificacines para la resistencia a cmpresión, 193 dsificacines para el módul de defrmación, 165 dsificacines para la resistencia a tracción indirecta y 59 dsificacines para la resistencia a flextracción. La referencia [4] incluye infrmación detallada sbre las referencias utilizadas, y sbre las dsificacines y características mecánicas de tdas las mezclas incluidas en la base de dats, La Tabia 1 incluye alguns dats sbre las dsificacines de las mezclas. Se indican ls valres mínim, máxim y la media de las siguientes variables: cntenid de cement, relación agua/cement, cntenid de filler y relación agua/fins. También se han incluid dats sbre el escurrimient de las mezclas. Las mezclas de! HAC se caracterizan, en general, pr un cntenid menr de árids y una mayr relación arena/cntenid ttal de árids. Mínim máxim media Desviación estándar cement, Kq/m agua/ cement 0,26 1,34 0,51 0,16 filler, Kg/m agua/ fins 0,21 0,80 0,34 0,07 Tabla 1. Dats sbre ias dsificacines de las mezclas. árids Kq/m arena/ árids, 0,36 0,84 0,52 0,08 escurrimient, mm La relación agua/cement tiene un valr medi de 0,51, siend la relación agua/fins bastante más baja, presentand un valr medi de 0,34. Est se debe al alt cntenid de fins de estas mezclas. Debid al mayr cntenid de fins, el cntenid de árids disminuye y el cntenid de pasta aumenta. El escurrimient es la característica más utilizada para definir la cndición de autcmpactabilidad de! HAC. Según el anex 17 de la EHE, el escurrimient del HAC puede variar entre 550 y 850mm. 65 Investigacines y estudis

3 V CONGRESO DE 3/10 Se pueden clasificar ls tips de filler en ds grups: puzlánics inertes. Ls fillers de rigen puzlánic participan en el prces de hidratación y cntribuyen a la resistencia a cmpresión del hrmigón. La ceniza vlante es el filler puzlánic más utilizad en HAC, y su ventaja es que mejra las características relógicas de la mezcla y se puede utilizar cm substitut del cement [5]. Otrs tips de fillers puzlánics sn la escria y el hum de sílice. El segund tip de fillers sn ls fillers inertes, que sn ls filler que n participan en el prces químic de la hidratación. La caliza finamente mlida es el filler inerte más utilizad, y su función es mayritariamente física, para mejrar el fluj y la chesividad del HAC [6]. La Tabla 2 incluye ls tips de filler más utilizads, y su cntenid medi. Es interesante que el 11 % de las mezclas n cntengan ningún tip de filler, y su cntenid ttal de fins cincide cn el de cement. % de mezclas cn este tip de filler caliza 30.3% ceniza vlante 38.8% escria 3.5% hum de sílice 2.9% trs tips 13% sin filler 11% Cntenid medi, kg/m Tabla 2. Ls tips de filler más utilizads y su cntenid medi. La resistencia a cmpresión se cnsidera la característica mecánica más imprtante del hrmigón, y es el parámetr básic de prácticamente tds ls mdels de cmprtamient. La resistencia a cmpresión de las mezclas incluidas en esta base de dats varía entre 20 y 145 MPa, cn un valr medi de 55 MPa. La Figura 1 incluye la distribución de la resistencia a cmpresión en frma de histgrama l 80 i> 60 = ^ ^ ^ i * r.... r -,i T! resistencia a cmpresión, fe, MPa Figura 1. Histgrama de la resistencia a cmpresión de las mezclas Relación entre la relación agua/cement y la resistencia a cmpresión. En el cas del hrmigón cnvencinal, la resistencia a cmpresión está principalmente relacinada cn la relación agua/cement. En el cas del HAC, para mezclas cn relación agua/cement similar, la resistencia es mayr que ia del HC. Est se debe a varis factres, tales Investigacines y estudis

4 V CONGRESO DE 4/10 cm la existencia de una micrestructura más densa, la utilización de fillers puzlánics, una baja relación agua/fins, y el pseer menr diámetr máxim del árid. En la Figura 2 se pueáe ver la relación entre la resistencia a cmpresión y la relación agua/cement. También está incluida la curva de ajuste y el valr del ceficiente de crrelación. Se bserva una alta dispersión de ls dats, debid principalmente a las distintas naturalezas de las dsificacines de hrmigón recpiladas. Esta alta dispersión muestra que se puede btener HAC, dependiend de su naturaleza, cn resistencias a cmpresión que pueden sciiar entre 30 y 90 MPa, para una misma relación agua/cement de 0,40. La influencia de factres cm el tip de cement y tip de filler en la relación entre la resistencia y la relación agua/cement se incluye en las Figuras 3 y , H 0 0,0 0,5 1,0 relación agua/cement V=26,41x- ' 5a R 2 = 0,58 1,5 Figura 2. Relación entre la relación agua/cement y la resistencia a cmpresión. Otr factr que puede influir sbre la resistencia es el tip de cement emplead, per en la Figura 3 se puede bservar que la relación entre la relación agua/cement y resistencia a cmpresión es similar entre las mezclas cn cement tip I y tip II, aunque para relacines de agua/cement más altas, la resistencia es ligeramente mayr en cas del cement tip I. 110 "* c 90 "w SO ü (0 5 " sz & w 'w ÜC H 10 0, ,8 1 Reiación agua/cement CEM CEMII y = 27,11x-. 9 2B R a = 0,6042 y = 23,775x- 1. 3E R 2 = 0,5394 1,2 1.4 Figura 3 Relación entre la relación agua/cement y la resistencia a cmpresión en función del tip de cement. Investigacines y estudis

5 V CONGRESO DE 5/10 En la Figura 4 se cmpara la relación entre la relación agua/cement y ia resistencia a cmpresión en función del tip de filler utilizad. Las curvas se definen hasta sus límites de interval de validez. Se puede bservar que para relación agua/cement igual, la resistencia a cmpresión es mayr para las mezclas elabradas cn adicines minerales cn respect a las que n pseen ningún tip de adición en sus dsificacines. El rden de resistencia a cmpresión, de mayr a menr, viene dad pr ls siguientes tips de adicines: hum de sílice, escria, ceniza vlante, filler caliz, y sin adicines * n - in 9( <J ra 70 - ra 50 ce ,2 0,4 0,6 0,8 Relación agua/cement. sin adicines ceniza viante filler caliz hum de sílice escria 1.2 Figura 4. Relación entre la relación agua/cement y la resistencia a cmpresión en función del tip de filler Relación entre el árid y la resistencia a cmpresión En general, el HAC se caracteriza pr un cntenid más baj de árids y una mayr relación arena/árids, para mejrar su fluj. En las Figuras 5 y 6 se evalúa e! efect de esta variable sbre la resistencia a cmpresión. (5 a. a «> a. O tu S2 ' tz & v> '«(J> a: 100 -, ,25 0,35 0,45 0,55 0,65 Relación agua/cement Arena/árid 0,4 0,75 0,85 Figura 5. Relación entre la relación agua/cement y la resistencia a cmpresión en función de ia relación arena/ árid ttal. Investigacines y estudis

6 V CONGRESO DE 6/10 En la Figura 5 se bserva cóm a iguales relacines agua/cement, la resistencia a cmpresión aumenta al disminuir la relación de árid fin/árid ttal, siend muy ntables las diferencias en las resistencias a cmpresión entre la relación árid fin/árid ttal de 0,40 y de 0,50, especialmente a medida que disminuye la relación agua/cement. Cnsiderand que el cntenid ttal de árids incluye arena y grava, si el cntenid de arena disminuye, el cntendid de grava aumenta. Un cntenid mayr de grava prduce en una mayr resistencia a cmpresión. a. <5 ' z 8 «a: 140 A , Relación Árid Fin/Arid Ttal a/c $-0,25 «--0,3 0,35 TT-0.4 ^0.45 0,5 0,55 0,6 0,65 0,55 0, Figura 6. Relación entre la relación árid fin/tta! árid y fa resistencia a cmpresión en función de ia relación agua/cement. Se bserva cóm independientemente de la relación agua/cement escgida, la máxima resistencia a cmpresión se btiene para una relación de árid fin/árid ttai de 0,40, disminuyend a partir de ese valr y siend prácticamente cnstante para valres superires a 0, La crrelación de varias variables cn la resistencia a cmpresión de! HAC En el tratamient estadístic de dats, ia crrelación de variables indica la fuerza y la dirección de una relación entre ds variables aleatrias. Se cnsidera que ds variables cuantitativas están crrelacinadas cuand is valres de una de elias varían sistemáticamente cn respect a ls valres hmónims de la tra. En este cas se ha evaluad la crrelación de ias distintas variables que cnfrman las dsificacines del HAC cn la resistencia a cmpresión. Las variables cnsideradas sn las cantidades de cement, de agua, de fins, de adicines, de arena, de grava, y las relacines agua/cement, agua/fins, el prcentaje de arena y ei tamañ máxim del árid. Investigacines y estudis

7 V CONGRESO DE 7/10 En la Tabla 3, que resume el estudi realizad, se puede ver que n hay una variable cn una crrelación significativamente alta cn la resistencia a cmpresión, l que indica que esta característica depende de muchs factres. La crrelación más alta de la resistencia a cmpresión la presenta la relación agua/cement, seguida pr el cntenid de cement, la relación agua/fins y el cntenid ttal de fins, cn valres de -0,662, 0,659, -0,505, y 0,404, respectivamente. Est explica la alta dispersión de ls dats en la Figura 2. A la vista de que la variable relación agua / cement cntiene está íntimamente ligada a la variable cantidad de cement y a la relación agua/fins, el estudi de la resistencia a cmpresión se hiz, cm era de supner, a través de la relación agua/cement. Cement Ttal Fins adicines Agua Arena Grava a/c a/f a/(a+g) T. Max. Ceficiente de Crrelación De Pearsn,659,404 -,274 -,252 -,103,076 ~,662 ~, ,03 Tabla 3. Ceficientes de crrelación de Pearsn de la resistencia a cmpresión cn respect a ls parámetrs de dsificación. 4. Aplicabilidad de ls mdels del EC-2, ACI 318 y EHE para estimar el módul de defrmación de! HAC. Cm parte del estudi sbre la resistencia de! HAC, también se ha tratad de establecer si ls actuales mdels nrmativs de cálcul para estimar las distintas prpiedades mecánicas del hrmigón cnvencinal pueden aplicarse para evaluar esas mismas prpiedades mecánicas en el HAC. En esta cmunicación se presentan únicamente ls resultads crrespndientes al módul del defrmación. En la referencia [4] puede verse un estudi más detallad y cmplet de tdas las prpiedades mecánicas. La Figura 7 incluye la relación entre el módul de defrmación y la resistencia a cmpresión de tds ls dats recpilads en la base de dats y la curva de ajuste crrespndiente. También se han dibujad las curvas que representan ls distints mdels nrmativs de cálcul escgids. investigacines y estudis

8 V CONGRESO DE 8/ i \ experimental :S 40 - C3 O T3 _ "O tdas las mezclas AC Eurcóclig 2 EHE-08 experimenta! 100 Resistencia a Cmpresión, MPa Figura. 7 Desarrll del módul de defrmación en función de la resistencia a cmpresión de ls distints mdels nrmativs de cálcul y curva de regresión de ls dats experimentales. Se bserva cóm la curva del mdel crrespndiente al ACI se ajusta muy bien a la línea de tendencia de ls dats para valres de resistencia a cmpresión menres iguales a 50 MPa. Sin embarg, para valres de resistencia a cmpresión superires a 50 MPa, sbrestima ls valres del módul de defrmación, pr l que a partir de ese punt las curvas divergen a medida que aumenta la resistencia a cmpresión. En cuant a la curva crrespndiente al Eurcódig 2, ésta sbrestima ls valres del módul de defrmación para resistencias a cmpresión menres de 90 MPa, prprcinand en td mment mayres valres. En l cncerniente a la curva del mdel de la EHE-08, ésta se ajusta muy bien para valres de resistencia a cmpresión menres de 40 MPa. A partir de este punt, para valres mayres, la curva subestima ls valres del módul de defrmación, incrementándse estas diferencias a medida que aumenta la resistencia a cmpresión del hrmigón. A cntinuación se va a analizar la precisión de ls mdels nrmativs para estimar el valr del módul de defrmación en el HAC, mediante la cmparación de ls valres medids (experimentales) y is valres calculads. Para llevar a cab el análisis, se utiliza cm referencia principal la relación de igualdad entre ambs valres (experimentales y calculads), representada en ls gráfics pr la recta y=x, e incluyend un rang de desviación de +/- 30%, cm un rang raznable para juzgar la precisión de ls mdels. En este tip de análisis, el mdel que mejr estima la prpiedad mecánica estudiada es aquel que psee ls dats más centrads cn respect a la recta de referencia (y=x) y dentr de ls valres de ls márgenes de desviación de +/- 30%. Se cnsidera que el mdel subestima si la mayría de ls dats se ubican pr debaj de la recta de referencia, y que sbrestima si la mayría de ls dats se ubican pr encima de la mencinada recta. Investigacines y estudis

9 V CONGRESO DE 9/10 En la Figura 8 se puede ver que el mdel que prprcina un mejr ajuste, al bservar tant las rectas de regresión generadas cm sus crrespndientes ecuacines, es ei crrespndiente al ACI , pues es eí que en líneas generales mejr adapta ls dats a la recta de referencia, seguid del EC-2, y de la EHE-08. En cuant a la dispersión de dats de is tres mdels hay que señalar que, en tds ls cass, ls valres estimads pr ls mdels tienen mens variabilidad que ls dats experimentales, l cual indica que sn pc discriminantes. Est es más acusad en is mdels del EC-2 y de la EHE, y se debe a que tds ells utilizan cm parámetr de estimación ia resistencia a cmpresión, y aunque están bien ajustads en valres medis, n cntemplan tras variables, l cual en eí cas de! HAC puede ser imprtante. E C a! = 0,99E_ E«F 1,031 tdas las mezclas < linea de tendencia EcaMEexp - ±30% Módul ele Defrmación Experimental, GPa ~i r Módul de Defrmación Experimental, GPa Módul (le Defrmación Experimental, 6Pa Figura 8. Módul de defrmación. Valres experimentales y valres calculads pr ls mdels nrmativs de cálcul escgids. Investigacines y estudis

10 V CONGRESO DE 4^C 10/10 5. Cnclusines A la vista de ls resultads expuests pueden establecerse las siguientes cnclusines: - El emple de ls fillers utilizads para meirar las características de autcmpactabiüdad incrementa la resistencia del hrmigón para una misma relación agua/cement. - El hum de sílice y la escria siderúrgica prprcinan ls mayres increments de resistencia. - Inclus cn el emple de las adicines mens activas (ceniza vlante y caliza) se btiene valres medis de increment de resistencia del rden de 10 MPa cn respet a la n adición. - Las dsificacines del HAC presentan mayr cntenid de arena y mayr relación arena/árid ttal que las de HC. La resistencia a cmpresión se incrementa al disminuir esta última relación, para cualquier relación a/c, per prácticamente estabilizándse pr encima de 0,5. - Ls mdels de cálcul de las nrmas analizadas para la determinación del mdul de defrmación del HC sn también aplicables al HAC, siend el del ACI 318 el que mejr ajuste presenta. - Tds ls mdels analizads para determinar el módul de defrmación están bien calibrads en valr medi, aunque ls valres estimads tienen menr variabilidad que ls valres experimentales, l cual indica que sn pc discriminantes. 6. Referencias [1] EN , Design f cncrete structures. Eurpean cmmittee fr standardizatin, [2] EHE Instrucción Españla de Hrmigón Estructural. Ministeri de Fment, Madrid, España, [3] AMERICAN CONCRETE INSTITUTE. COMMITTEE 318. Building cde fr structural cncrete. ACI AC! Manual f Cncrete Practice. Detrit. EEUU [4] VILANOVA, A. "Influencia de la dsificación y emple de diferentes tips de cement y adicines en las prpiedades mecánicas del hrmigón autcmpactante" Tesis Dctral. Escuela de Ingeniers de Camins, Canales y Puerts. Departament de Ingeniería Civil: Cnstrucción. Universidad Plitécnica de Madrid, [5] BOUZOUBAA, N., LACHEMI, M.. "Self-cmpacting cncrete incrprating high vlumes f class F fly ash",,cement Cncrete, vl. 31, 2001, pp [6] POPPE, A.M., DE SCHUTTER.G.. "Effect f limestne filter n the cement hydratin in SCC", Prceedings f the Third Internatinal Sympsium n self cmpacting cncrete, RILEM Prceedings PRO 33, 2003, pp Investigacines y estudis