UNIVERSIDAD ALBERT EINSTEIN Formando hoy, al profesional del mañana

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1 UNIVERSIDAD ALBERT EINSTEIN Formando hoy, al profesional del mañana INVESTIGACIÓN: USO DE ADITIVOS PARA CONCRETO COORDINACION Y REDACCION: ING. DAVID ALONSO AGUIRRE CABRERA DIRECCION TECNICA: ING. RAFAEL IGNACIO PACHECO GIRÓN COOPERACION TECNICA: ING. PORFIRIO LAGOS VENTURA ING. SALVADOR HERNÁNDEZ NAJARRO ING. PATRICIA ABARCA DE GARCÍA DIRECCION ADMINISTRATIVA: ING. JORGE EDUARDO CASTILLO URRUTIA COOPERACION ADMINISTRATIVA: ING. MAURICIO HERNÁNDEZ CEDILLOS COLABORACION LOGISTICA: SRITA. EVELYN MARILU RIVAS AVELAR DECANATO DE INGENIERÍA DICIEMBRE 2007

2 Prólogo El documento desarrollado a continuación, es la culminación de un estudio del comportamiento del concreto al ser combinado con aditivos químicos para modificar una ó más de una de sus propiedades. Cabe mencionar que los alcances de este documento representan un subconjunto de un universo mucho más amplio que el desarrollado en esta investigación, ya que solamente ha sido utilizada una misma relación agua-cemento; con este documento se pretende establecer comportamientos esperados en concretos con aditivos químicos. Se establecen una serie de condiciones bajo las cuales se realizaron las mezclas y sus respectivas pruebas de laboratorio, esto con la finalidad de establecer parámetros de comparación entre unos u otros tipos de concreto (según el aditivo que contenga). Es importante mencionar que en nuestro país se trabaja con aditivos químicos desde hace ya algunos años, sin embargo no se cuenta con pruebas que respalden la documentación que presentan los distribuidores de los mismos; documentación que generalmente ha sido desarrollada en otros países con condiciones completamente diferentes a las nuestras.

3 Generalidades de los Aditivos Existen diversas definiciones para aditivos usados en la producción de concreto hidráulico, de las más conocidas, se cita la siguiente: Aditivo es toda aquella sustancia diferente al agua, los agregados, el cemento y los refuerzos de fibra usada como ingrediente para el concreto o del mortero y que se agrega a la mezcla inmediatamente antes o durante el mezclado. La interpretación que puede darse a esta definición, es que un material sólo puede considerarse como aditivo cuando se incorpora individualmente al concreto, es decir, que se puede ejercer control sobre su dosificación. De esta manera, los productos tales como puzolanas y las escorias solamente son aditivos si se les maneja y administra por separado del cemento Pórtland. Lo cual no deja de ser mas bien una cuestión de forma, ya que cualitativamente sus efectos son los mismos que si se administran por conducto del cemento. Aún cuando los aditivos son un componente eventual del concreto, existen ciertas condiciones o tipos de obras que los hacen indispensables. De esta manera su uso estará condicionado por: a) Que se obtenga el resultado deseado sin tener que variar sustancialmente la dosificación básica. b) Que el producto no tenga efectos negativos en otras propiedades del concreto. c) Que un análisis de costo justifique su empleo. Es importante recalcar que la implementación de los aditivos a los diversos diseños de mezclas que se desean mejorar sus propiedades, no corregirán un concreto que haya sido mal dosificado o que en su etapa de colado, ésta haya sido defectuosa o deficiente. De las principales razones para la implementación de los aditivos químicos en la producción de concreto hidráulico se citan las siguientes: Reducción del costo de la elaboración del concreto Obtención de propiedades en el concreto de manera más efectiva que por otros medios Asegurar la calidad el concreto durante las etapas de mezclado, transporte, colocación y curado en condiciones ambientales adversas. Para superar eventualidades que surgen durante las operaciones de colado. Aún cuando un aditivo pueda producir un concreto con las propiedades deseadas, se pueden frecuentemente obtener los mismos resultados económicos, cambiando las proporciones de la mezcla o eligiendo otros ingredientes para el concreto. Siempre que sea posible, se deberá comparar el costo de cambiar la mezcla básica del concreto, contra el costo adicional de emplear un aditivo. Este último deberá incluir, además del costo del aditivo, cualquier efecto que el uso del aditivo infiera sobre los costos de transporte, colocación, acabado, curado y protección del concreto. Los aditivos se emplean para aportarle propiedades especiales al concreto fresco o endurecido, éstos pueden mejorar las características de durabilidad, trabajabilidad o resistencia de una mezcla dada de concreto. Además son utilizados para vencer difíciles situaciones de construcción, como son los vaciados (colados) en clima caliente o frío, los requerimientos del bombeado, los requerimientos de resistencias tempranas o las especificaciones de una relación agua/cemento muy baja.

4 Descripción de los Aditivos Según su Finalidad El comportamiento y las propiedades del concreto hidráulico, en sus estados fresco y endurecido, suelen ser influidos y modificados por diversos factores intrínsecos y extrínsecos. Los intrínsecos se relacionan esencialmente con las características de los componentes y las cantidades en que estos se proporcionan para elaborar el concreto. En cuanto a los extrínsecos, pueden citarse principalmente las condiciones ambientales que prevalecen durante la elaboración y colocación del concreto, las prácticas constructivas que se emplean en todo el proceso desde su elaboración hasta el curado, y las condiciones de exposición y servicio a que permanece sujeto la estructura durante su vida útil. A continuación se definirán los diversos tipos de aditivo según su función: [TIPO A] Reductores de Agua (Plastificantes) El propósito de los aditivos reductores de agua está contemplado por el Comité ACI 212.3R26, que dice: Los aditivos reductores de agua son usados para disminuir el requerimiento de agua de mezclado para una consistencia dada, que produce un concreto de mayor resistencia, obteniendo una resistencia especificada con un menor contenido de cemento, o incrementa la consistencia de una mezcla dada sin un aumento en el contenido de agua. En otras palabras: son aquellos que permiten disminuir la cantidad de agua necesaria para obtener una determinada consistencia del concreto, reflejada en su revenimiento. Estos aditivos pertenecen al TIPO A según la clasificación de la Tabla 3-9. Dichos productos, son sustancias que provocan la dispersión de las partículas de cemento, agrupadas en flóculos comúnmente en una mezcla sin aditivo, consiguiéndose con un menor contenido de agua la manejabilidad esperada. Es en este sentido que se denominan reductores de agua. Esta reducción de agua conlleva a la obtención de resistencias mas altas en concretos utilizando aditivos que sin el uso de éstos. También puede aprovecharse su efecto dispersante para lograr asentamientos mayores, es decir, incrementar la plasticidad de la mezcla sin agregar más agua. Es en este momento, en que el aditivo toma el nombre de plastificante y lo que se obtiene es un incremento en la manejabilidad de la mezcla sin disminuir la resistencia a la compresión. El aumento en la trabajabilidad se debe a que alteran las fuerzas FISICOQUIMICAS que actúan en las partículas de cemento, dándoles cargas negativas, lo que hace que se rechacen entre ellas lubricando la mezcla, los reductores de agua típicos disminuyen aproximadamente entre el 5% al 12% la cantidad de agua de mezclado28, dependiendo de la mezcla, dosificación de aditivo, otros materiales y proporciones. La efectividad de los reductores de agua en el concreto es función de su composición química, de la temperatura del concreto, de la composición y finura del cemento, del contenido de cemento y de la presencia de otros aditivos. [TIPO B] Aditivos Retardadores y [TIPO D] Reductores de Agua-Retardadores El retardo del concreto significa el prolongar por algunas horas el tiempo entre la elaboración del concreto y el momento en que se presenta el fraguado inicial, mediante la adición de sustancias que causan tal efecto. Los aditivos retardadores actúan por adsorción en las partículas de cemento, formando una capa que inhibe transitoriamente la hidratación normal de los compuestos del cemento, en especial, aquellos responsables de la resistencia temprana (ejemplo: aluminato tricálcico C3A). Las

5 temperaturas altas en concreto fresco (30 a 32 C y mayores), son frecuentemente la causa de una gran velocidad en el endurecimiento, lo que provoca que el colado y acabado sea difícil. Uno de los métodos más prácticos para contrarrestar este efecto consiste en hacer descender la temperatura del concreto enfriando el agua de mezclado o los agregados. Es importante recalcar que los aditivos retardadores no decrementan la temperatura inicial del concreto. Los aditivos retardantes se utilizan para disminuir la velocidad de fraguado del concreto; además son usados para compensar el efecto acelerante que el clima cálido puede producir al fraguado del concreto o para retrasar el fraguado inicial en colados difíciles y en algunos casos, para retrasar el fraguado en algunos acabados como puede ser el de agregado expuesto. Retardar el fraguado del concreto, es un problema primordial de aquellos sitios con temperaturas mayores de 20 C y en las ciudades con tiempos de transporte muy prolongados. Se busca al retardar, básicamente, extender el tiempo de manejabilidad del concreto, bien sea por que las temperaturas del sitio de colado sea alta y promueve el endurecimiento acelerado o por que el tiempo de transporte es prolongado y se requiere entregar al cliente después de una hora o más de transporte, un concreto con una manejabilidad tal que la colocación y compactación del concreto no se dificulten. Estos aditivos generalmente se comercializan combinados con reductores de agua, es decir, como aditivos de doble función, siendo la reducción de agua la función primaria y el retardo la secundaria. De esta manera se aprovecha el efecto plastificante y el retardo, combinación que permite controlar la pérdida acelerada de manejabilidad. Puede decirse que prácticamente no existe una planta fabricante de concreto que no use a diario, en la mayoría de sus productos, un aditivo reductor de agua-retardador, esto le garantiza por una parte el alcanzar y sobrepasar la resistencia de diseño y por otro lado, satisfacer los requerimientos de manejabilidad del cliente de la obra a pesar de los factores que afecten dicha característica del concreto en estado fresco. [TIPO C] Acelerantes y [TIPO E] Reductores de Agua-Acelerantes (Plastificantes- Acelerantes) Los aditivos acelerantes se usan en el concreto con el fin de provocar un más rápido fraguado del mismo y un endurecimiento acelerado, lográndose resistencias más altas a edades más tempranas. El uso de estos aditivos son necesarios cuando se necesita hacer trabajos urgentes o cuando se necesita desencofrar antes del tiempo que las especificaciones contractuales fijan y se necesita avanzar en la obra o ganar tiempo. Los aditivos reductores de agua (plastificantes o plastificantesacelerantes), son una variedad que cumplen una doble función: Plastificar la mezcla: aumenta su trabajabilidad permitiendo una colocación y una compactación de la mezcla mucho más fácil que con el concreto sin aditivos Al usarse como reductores, permiten disminuir el agua de amasado para alcanzar una misma consistencia, beneficiando el concreto en lo que se refiere a su resistencia referente a su temprana edad y a edades tardías. Es necesario distinguir que dentro de los aditivos acelerantes y acelerantesplastificantes, aquellos que aceleran el fraguado del concreto y su resistencia inicial (8-24 horas) que podemos denominar acelerantes de fraguado y aquellos que no modifican los tiempos de fraguado pero

6 tienen una gran acción sobre el endurecimiento acelerado del concreto una vez ha fraguado y que se denominan acelerantes de resistencias. Los aditivos acelerantes son incorporados al concreto para acortar el tiempo de fraguado y acelerar el desarrollo de la resistencia temprana del concreto. El tiempo de fraguado más temprano y el incremento de la resistencia temprana obtenida del concreto conseguida por un aditivo acelerante, resultará en un sinnúmero de beneficios, incluyendo reducción del sangrado, pronto acabado, una más rápida puesta en servicio de la estructura y la reducción del tiempo de protección para lograr una calidad dada. [TIPO F] Reductores de Agua de Alto Rango (Superplastificantes) Estos aditivos tuvieron su aparición en el mercado de la industria de la construcción alrededor de la década de los años 70, coincidiendo con la necesidad de dicha industria y de los diseñadores, siendo la de reducir las secciones de los elementos portantes en obras como rascacielos, puentes, etc. Se precisaba entonces, de un concreto con la reología necesaria para que escurriera como un fluido dentro de las formaletas congestionadas de acero y que brindara resistencias muy por encima de las normalmente conseguidas, ya que las secciones eran mínimas. Concreto antes de usar aditivo Concreto después de usar aditivo Las fotografías muestran el incremento de la trabajabilidad del concreto antes y después de haber sido agregado el aditivo superplastificante. Los reductores de agua de alto poder son aditivos de una categoría superior a la de los reductores de agua normales; su especial composición permite dosificaciones hasta 5 veces mayores que las usuales con un reductor normal, sin alterar significativamente el tiempo de fraguado del concreto ni su contenido de aire. La aplicación práctica de los reductores de agua de alto poder la encontramos entonces, en la elaboración de concretos de altísimas resistencias, donde con un contenido balanceado de cemento se consiguen valores de resistencia muy altos ( Kg./cm2), sin los problemas de contracción y fisuramiento de las mezclas que contienen cemento en exceso. El hecho de

7 reducir cantidades de agua tan altas no solamente beneficia las resistencias finales del concreto, puesto que también su efecto benéfico se observa a corta edad, con resistencias a 24 horas hasta dos veces mayores que la del concreto sin aditivo. Por el contrario, si no se reduce la relación agua-cemento, es decir, si el aditivo no se usa como reductor de agua de alto poder sino que como superplastificante, el efecto no deja de ser interesante: la mezcla adquiere una gran fluidez, sin que sea necesario agregar agua, no se segrega y mantiene (a menudo incrementa) la resistencia con respecto al concreto elaborado sin aditivo. La aplicación inmediata de de mezclas fluidas se da en el bombeo del concreto, la colocación de concreto bajo el agua (ejemplo: concreto tremie: Es un concreto fluido y altamente cohesivo, sin segregación y de fácil colocación). Todas aquellas estructuras esbeltas y/o densamente armadas, encuentran en el concreto fluidificado con superplastificante la solución los problemas de colocación y compactación del concreto en este tipo de estructuras, consiguiéndose un excelente llenado, ausencia de colmenas y estanqueidad si se tratase de una estructura de contención de líquidos. El rendimiento en la colocación de concretos fluidos es muy alto, compensando de sobra el pequeño incremento en el costo debido al uso del aditivo. Los aditivos reductores de agua de alto rango y aditivos reductores de alto rango-retardadores (ambos denominados HRWR por sus siglas en inglés), actúan de una manera similar a los aditivos reductores de agua convencionales, excepto que ellos son más eficientes en dispersar los materiales de granos finos como por ejemplo: el cemento, cenizas volantes, entre otros. Una característica de los aditivos HRWR es que su efecto del incremento en l revenimiento, se mantiene en el concreto por sólo 30 ó 60 minutos, tiempo para el cual, el concreto retomará su revenimiento original. La cantidad de tiempo que el concreto mantiene el incremento de revenimiento, depende del tipo y cantidad de cemento, la temperatura del concreto, el tipo de aditivo HRWR, la dosificación utilizada, el revenimiento inicial del concreto, el tiempo de mezclado y la exactitud de la mezcla. Debido al limitado tiempo de trabajabilidad, los aditivos HRWR son típicamente añadidos en el lugar de la obra. Con algunos aditivos HRWR, es posible re dosificar el concreto para obtener nuevamente el aumento de trabajabilidad. Generalmente, la resistencia es incrementada y el contenido de aire es disminuido. Los aditivos HRWR que ofrecen una duración extendida del revenimiento, están también disponibles comercialmente. Estos aditivos, son típicamente añadidos en la planta de mezclado del concreto. La resistencia del concreto endurecido conteniendo aditivos HRWR es normalmente más alta que la predicha sólo por una relación de agua cemento más baja. De la misma manera que con los aditivos convencionales, se cree que esto es debido al efecto dispersante de los aditivos HRWR en el cemento y otros materiales puzolánicos o cementantes. Debido al hecho que la relación agua cemento de las mezclas que contienen aditivos HRWR, son típicamente bajas, la contracción y permeabilidad pueden también ser reducidas y la durabilidad del concreto en general, puede ser incrementada.

8 [TIPO G] Reductores de Agua de Alto Rango Retardadores (Superplastificantes- Retardadores) Estos aditivos son de una categoría superior a los Reductores de aguaretardadores normales. Su efecto es un tanto diferente al de los reductores de agua de alto poder TIPO F, los cuales no afectan el tiempo de fraguado y se usan en aplicaciones donde el tiempo de manejabilidad no es problema, ya que la aplicación se hace muy cerca del sitio de elaboración del concreto, como en las plantas de prefabricados. Con estos aditivos, en cambio, el uso es más general, ya que la combinación del poder superplastificante con el del retardador, permite sortear los problemas que representa el bombear concreto en clima cálido, ayuda a mantener la manejabilidad en bombeos lentos en cualquier clima y en los transportes prolongados. Imagen muestra concreto bombeado de gran calidad y facilidad de colocación Estos aditivos (TIPO G), tienen el mismo poder reductor del agua que los aditivos TIPO F, lográndose reducir hasta el 35% de agua de amasado. Cuando se requiere un concreto de alta resistencia, con relaciones de agua-cemento muy bajas ( por ejemplo), es especialmente recomendado su uso, sobre todo por la menor pérdida de manejabilidad