Tema 5: Microestructura y propiedades del Hormigón.

Transcripción

1 Tema 5: Microestructura y propiedades del Hormigón. 1. Componentes del hormigón. 2. Propiedades en estado fresco. 3. Microestructura en estado fresco y endurecido. 4. Propiedades en estado endurecido. A. Propiedades físicas B. Propiedades mecánicas 5. Caracterización: Ensayos de hormigones 6. Glosario de términos. MATERIALES I Curso Ciencia y Tecnología de la Edificación. C. Guadalajara Profesor Ana Mª Marín Palma

2 El hormigón Material conglomerado compuesto por cemento, agua, áridos, aditivos y adiciones. % en Volumen Cemento 10-15% Agua 15-20% Áridos 40-80% Aditivos y adiciones % variable Aire ocluido 1-2%

3 El hormigón La dosificación condiciona las características en estado fresco y endurecido. En estado fresco se puede conformar por medios mecánicos (consistencia y docilidad). En estado endurecido es rígido y presenta alta resistencia a compresión y fractura frágil. El curado facilita la hidratación del cemento y produce resistencia mecánicas. Se utiliza principalmente en elementos estructurales (hormigón armado).

4 Componentes: Cemento (EHE, Art. 26) Es el componente activo (reacciona con el agua y los productos de hidratación unen los áridos). Los cementos actuales incorporan adiciones. Cuando se mezcla con el agua forma la pasta que rellena los huecos de los áridos. La hidratación es una reacción exotérmica (desprende calor) requiere de agua suficiente (curado). El tipo y clase de cemento condiciona las propiedades en estado endurecido (resistencia y durabilidad). La EHE fija la cantidad mínima y máxima de cemento (Art ) y recomienda tipo y aplicación (Anejo 4). Un exceso produce problemas (retracción y fisuración).

5 Componentes: Agua (EHE, Art. 27) Cumple con varias funciones: Confiere plasticidad a la mezcla (estado fresco). Produce el fraguado del cemento (hidratación). Deja espacio para la formación de los productos de hidratación. La cantidad de agua necesaria depende de la temperatura, el tipo de cemento y árido y la consistencia (aditivos). Se dosifica en función del cemento (la EHE fija la relación a/c máxima en función del ambiente, Art ). En general, cuanto menor es, mayor es la resistencia y menor es la retracción y la porosidad (permeabilidad).

6 Componentes: Áridos (EHE, Art. 28º)) Materiales sólidos minerales granulares. Responsables de la densidad, del módulo de elasticidad y de la estabilidad dimensional del horigón. Controlan la retracción del material y le dan resistencia. Deben ser resistentes y poco porosos. Se emplearan áridos gruesos (gravas) y áridos finos (arenas) El tamaño de partícula condiciona el volumen de huecos y la cantidad de pasta requerida. Pueden ser: Presentación: rodados (R), triturados (de machaqueo) (T) Naturaleza: calizo (C), silíceo (S), granito (G), ofita (B), basalto (B), dolomítico (D), traquita (Q), folitita (I), artificial (A), reciclado (R).

7 Otros Componentes: Aditivos (Art. 29) Compuestos orgánicos que modifican las propiedades del mortero en estado fresco. Actúan sobre las partículas de cemento o sobre la pasta. Según el tipo de cemento, el efecto de un mismo aditivo y con la misma proporción es diferente. Importancia de la dosis a emplear. Evitar mezclas (contrarrestar efectos secundarios). Empleo de aditivos liquidos hormigones mas homogeneos.

8 Otros Componentes: Aditivos (Art. 29) La utilización de aditivos en el hormigón, una vez en la obra y antes de su colocación en la misma, requiere de la autorización de la Dirección Facultativa y el conocimiento del Suministrador del hormigón.

9 Otros Componentes: Adiciones (Art. 30) Compuestos orgánicos (resinas) o inorgánicos que modifican las propiedades en estado endurecido. Suelen estar incorporadas al cemento (inorgánicas). Reaccionan con los productos de hidratación (cal libre). Pueden reducir la durabilidad del hormigón (pérdida de ph alcalino y despasivación de armaduras).

10 Propiedades del hormigón Son diferentes en estado fresco (plástico) y en estado endurecido (rígido). En estado fresco, debe ser fácil de colocar en molde, limitando la energía de compactación (trabajabilidad). El proceso de hidratación del cemento produce el cambio en la microestructura y del comportamiento. Endurecido, debe alcanzar resistencia mecánica y resistencia frente a acciones exteriores (durabilidad). La correcta hidratación del cemento condiciona las propiedades en estado endurecido (protección y curado) Dependen de la dosificación y componentes, amasado, compactación, curado, ambiente y edad del hormigón.

11 Hormigón fresco Es el hormigón que por estar en estado plástico tiene la facultad de poder moldearse, darle forma. Comprende desde el momento en que abandona la amasadora u hormigonera y aquél en que se inicia el fraguado del cemento. Es un material esencialmente heterogéneo, coexistiendo tres fases: la sólida (árido y cemento), la líquida (agua) y la gaseosa (aire ocluído). Estos componentes se encuentran sueltos y por las acciones del transporte y puesta en obra pueden separarse con facilidad dando lugar a problemas de segregación y de exudación.

12 Hormigón fresco Entre las propiedades que determinan la utilización del hormigón fresco están: la trabajabilidad, la docilidad, la consistencia, la homogeneidad y el peso específico.

13 Trabajabilidad El trabajo total necesario para iniciar y mantener la fluidez durante las diferentes operaciones con una pérdida mínima de homogeneidad. Es la propiedad que permite que el hormigón pueda ser elaborado, transportado, colocado y terminado con suficiente facilidad y sin segregación. Es el resultado de dos factores: Consistencia (resistencia a deformarse) + Cohesión (resistencia a perder la uniformidad de la mezcla)

14 Docilidad (EHE-08, Art. 31.5) Es la facilidad con que el hormigón fresco es manejado, transportado, colocado y compactado en los moldes y encofrados con la mínima pérdida de homogeneidad. Depende de los contenidos de: - Agua: a mayor cantidad de agua mayor docilidad, pero Exceso de agua disminución de resistencia e impermeabilidad. - Árido: Forma de presentación: los redondeados aportan más docilidad que los de machaqueo. Tamaño: a mayor cantidad de fino mas docilidad más agua menos resistencia - Cemento: mas docilidad con mayor contenido de cemento y con la finura, pero al aumentar la cohesión aumenta la rigidez. - Aditivos: plastificantes. - Forma y tamaño del molde y de los medios de compactación.

15 Consistencia Es la oposición que presenta el hormigón fresco a experimentar deformaciones. Depende de la forma, granulometría y tamaño máximo del árido; de la dosificación de cemento; de la cantidad de agua de amasado; y del empleo de aditivos. Es función del agua del amasado, de la humedad de los áridos. Los hormigones se clasifican: secos, plásticos, blandos, fluidos y líquidos.

16 Homogeneidad Es la cualidad por la que los diferentes componentes del hormigón aparecen distribuidos en toda la masa en igual presencia y cantidad. Con exceso de agua, con el tamaño máximo del árido, incorrectos transporte y puesta en obra la homogeneidad puede perderse por: segregación (separación de los gruesos por una parte y los finos por otra), o por decantación (los gruesos caen al fondo y el mortero queda en la superficie).

17 Medida de la consistencia Cono Abrams Toma de muestras directamente de la canaleta de la hormigonera en el momento de la descarga 1.- Colocar el Cono metálico, sobre una chapa de metal, plana, firme, no absorbente. Llenar el Cono en tres capas de 1/3 de su volumen cada una. Compactar el hormigón con una barra de acero, D=16 mm y 25 golpes de la varilla. 2.-Retirar el exceso del hormigón con llana metálica 3.- Sacar el molde con cuidado verticalmente. 4.- Colocarle al lado de la muestra de hormigón. Medir la diferencia entre la altura de la pieza y el punto más alto del hormigón.

18 Medida de la consistencia Cono Abrams

19 Consistencia de mezclas secas Consistómetro Vebe Para hormigones que darian asientos nulos: muy secos y reforzados con fibras En el interior de un recipiente cilíndrico situado sobre una mesa vibrante, se coloca un tronco de cono de hormigón (moldeado con el cono de Abrams). Se mide el tiempo transcurrido desde que se inicia la vibración hasta que el hormigón coge la forma del recipiente, dando una superficie horizontal.

20 Consistencia de mezclas secas Consistómetro Vebe

21 Modificadores de la Consistencia P.J. M.Monteiro Mecanismo de defloculación (fludificantes) - Sólido de nula porosidad y alta resistencia La cantidad de agua añadira coincidirá con lo necesario para hidratar las particulas de cemento portland. - Las reacciones electroquimicas entre las moléculas agua y los granos de cemento (iones en disolución en su superficie) formación de flóculos impiden la dispersión uniforme de las particulas de cemento y retienen agua en su interior. - El agua retenida no lubrica la masa de hormigón ni hidrata los granos de cemento incorporación de agua adicional sustitutoria. - Agua sin reaccion con los granos de cemento anhidro porosidad en la pasta de cemento, perdida de resistencia y aumento permeabilidad. - Mantener relación a/c: sistema de mezclado eficaz (mezcla homogenea) y medios de compactación enérgicos o emplear aditivos.

22 Modificadores de la Consistencia P.J. M.Monteiro Mecanismo de defloculación (fludificantes) - Aditivos añadidos durante el amasado neutralizan las cargas electricas de los granos de cemento (capacidad de floculación) Aumentan la docilidad, sin incrementar la cantidad de agua de amasado. Reducen la relación a/c a igualdad de docilidad. Garantizar la resistencia y la durabilidad.

23 Microestructuras del hormigón A edades tempranas (< 24 horas) el hormigón pasa por tres estados diferentes: 1. Plástico: estado líquido en el que tiene comportamiento viscoelástico 2. Semiplástico: tras el inicio de fraguado se comienza a formar un esqueleto sólido. Pasa de comportarse como un líquido a hacerlo como sólido. 3. Rígido: tras el fin de fraguado, el hormigón es rígido y empieza a adquirir resistencia conforme se completa la hidratación (inicio del endurecimiento).

24 Tiempo de fraguado FRAGUADO ENDURECIMIENTO SCHINDLER, Prediction of Concrete Setting

25 Productos de hidratación del cemento Porlandita Ettringita

26 Hidratación del hormigón

27 Hormigón en estado endurecido C-S-H CH Etringita ÁRIDO ZONA DE TRANSICIÓN MATRIZ DE CEMENTO

28 Hormigón en estado endurecido ÁRIDO ZONA DE TRANSICIÓN (INTERFASE) MATRIZ DE CEMENTO

29 Propiedades físicas en estado endurecido Porosidad Depende del tamaño (granulometría), tipo de los áridos, de la cantidad de pasta y de agua (relación a/c). Condiciona la densidad, comportamiento higrotérmico, permeabilidad, resistencia y durabilidad.

30 Propiedades del hormigón edurecido. Densidad La densidad real de un hormigón depende: Densidad de los áridos, de su granulometria, y del volumen de estos. La relación Agua/Cemento del hormigón cuanto mayor sea esta más poroso será el hormigón. A mayor compacidad (dosificación adecuada, menor cantidad de huecos, puesta en obra y curado) mayor densidad. Una densidad elevada (aridos de naturaleza determinada) es indice de buenas resistencia mecanica y buena durabilidad.

31 Propiedades del hormigón edurecido. Densidad Hormigón ligero (d<2000 kg/m3) Hormigón en masa (entre 2000 y 2400 kg/m3) Hormigón armado (2500 kg/m3) Hormigón pesado (hasta 6000 kg/m3)

32 Propiedades mecánicas. Resistencia a compresión Cuando se realiza un ensayo de compresión sobre varias probetas, procedentes de la misma masa, de hormigón, se presentan variaciones entre los resultados obtenidos en la rotura de las mismas, comprendidas dentro del 10%. Se establece en las condiciones normalizadas de probeta cilíndrica 15/30,conservada a 20ºC y 95% de humedad y rota a los 28 días de edad. Resistencia media (f cm ): suma de las resistencias individuales de cada probeta dividida por el número de probetas ensayadas Resistencia característica de proyecto (f ck ): valor que se adopta en el proyecto. Resistencia característica real (f c,real ): valor que tiene una probabilidad del 95% de ser superado en la rotura de cualquier probeta del hormigón de la amasada colocada en obra. (EHE-08, Art. 15 y Art. 39.1)

33 Propiedades mecánicas (EHE-08, Art.39) Rigidez y Resistencia: El hormigón es un material rígido (E GPa) con alta resistencia a compresión (MPa): H 20 H 25 H 30 H 35 H 40 H 50 Tiene una baja resistencia a flexión y tracción (Rc/10). La rigidez y resistencia del hormigón aumentan con el tiempo (aunque se ralentiza el aumento con el tiempo). Se toman como referencia los valores a 28 días (normal). Fractura: Tiene una fractura frágil (muy poca ductilidad) Fluencia: Bajo carga, aumenta su deformación con el tiempo (se reduce E), pudiendo fracturarse por fluencia.

34 Caracteristicas del hormigón edurecido. Elasticidad No se cumple la ley de Hooke. Varios valores del módulo de Young (módulo de elasticidad). - E o : modulo tangente en el origen. - E s : modulo secante. OC: deformación remanente

35 Rigidez y resistencia del hormigón (EHE) Valor medio (m): media de los valores individuales. Valor característico (k): el 95 % de los valores es mayor. σ E 0 f cm E ε f ct,m

36 Evolución de la Resistencia a compresión Hormigones de endurecimiento rápido: - con cemento de clase 42,5R, 52,5 ó 52,5R y a/c 0,60, - con cemento de clase 32,5R ó 42,5 y a/c 0,50 o que se utilice acelerante de fraguado. El resto de los casos se consideran de endurecimiento normal.

37 Comportamiento mecánico en el tiempo

38 Comportamiento mecánico en el tiempo

39 En estado fresco Ensayos de caracterización Propiedades físicas Densidad (aire ocluido) En estado endurecido Reología Cono de Abrams Mesa de sacudidas Consistómetro Vebe Propiedades físicas (permeabilidad, porosidad, densidad) Propiedades mecánicas Destructivos Compresión Tracción (Bras.) Flexotracción No destructivos (in-situ)

40 Control de porosidad El principio de medida de POROSITESTER son los tubos de Karsten, desarrollados para la medida de penetración de agua en la superficie de hormigón en las fachadas por la lluvia batiente. La presión inicial de 100 mm de la columna de agua del tubo corresponde a la ejercida, por las gotas de agua proyectadas contra la pared o superficie por un viento de 140 Km/h.

41 Control de permeabilidad (UNE-EN )

42 Toma de muestras y fabricación de probetas Fabricación de probetas

43 Ensayo resistencia a compresión Refrentado de probeta cilíndrica Ensayo a compresión

44 Ensayo resistencia a compresión (UNE-EN )

45 Ensayo de tracción indirecta (brasileño) P P

46 Ensayo de tracción indirecta (brasileño)

47 Ensayo a flexión (flexotracción) Dimensiones de las probetas: 10 x 10 x 40 cm 15 x 15 x 60 cm Procedimientos: a tres puntos, carga centrada a cuatro puntos, carga en dos puntos (flexión pura) P 0.15 P/2 P/

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49 "Pull off" tester Es un método de ensayo, utilizado para medir la resistencia superficial a la tracción en el hormigón. El ensayo consiste en realizar un corte circular con una pequeña broca de 50 mm. de diámetro. Seguidamente, y utilizando un adhesivo con base rápida,se pega un disco de ensayo. El disco se arranca con el DYNA, que indicará su resistencia directamente en N/mm2 o en kn.

50 Ensayos no destructivos (in-situ) Esclerómetro Ultrasonidos

51 Detector de armaduras Mediante un sistema de inducción de pulsos, este aparato localiza barras en armaduras, determina el recubrimiento de hormigón, almacena en memoria hasta valores de medición y determina el diámetro de barras con una sola sonda universal.

52 Glosario de conceptos del Tema 5 Hormigón Componentes y funciones Relación agua/cemento Propiedades en fresco y endurecido Amasado Trabajabilidad: Consistencia y Docilidad Segregación Retracción Microestructuras del hormigón Zona de Transición (Interfase) Densidad y Porosidad Rigidez, Resistencia y Fractura Valor característico y de proyecto Evolución de la resistencia (tiempo) Fluencia (comp. en el tiempo) Ensayos de caracterización Toma de muestras y fabricación de probetas Ensayos de trabajabilidad Ensayos físicos (ND) Ensayos mecánicos (probetas) Ensayos de extracción (in situ) Ensayos No-Destructivos

53 Tema 5: Microestructura y propiedades del Hormigón. 1. Componentes del hormigón. 2. Propiedades en estado fresco. 3. Microestructura en estado fresco y endurecido. 4. Propiedades en estado endurecido. A. Propiedades físicas B. Propiedades mecánicas 5. Caracterización: Ensayos de hormigones 6. Glosario de términos.

54 Bibliografía de consulta recomendada. Fernández Canovas, M; Hormigón : adaptado a la Instrucción de Recepción de Cementos y a la Instrucción de Hormigón Estructural EHE, 7ª Ed., COICCP, Mehta, P. K. y Monteiro, P.; Concrete: structure, properties and materials, Prentice-Hall, EHE-08 Instrucción de Hormigón Estructural (2008)