DESARROLLO DE CONCRETOS AUTOCOMPACTANTES COMO UNA ALTERNATIVA SOSTENIBLE

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1 DESARROLLO DE CONCRETOS AUTOCOMPACTANTES COMO UNA ALTERNATIVA SOSTENIBLE D.F. VELANDIA Ing. Civil MIC, MSc, MPhil. Bogotá; Colombia W. A. ECHEVERRI Ing. Civil Medellín; Colombia A. C. GOMEZ H.L. ROMERO Ing. Química Ing. Civil MSc. PhD Medellín; Colombia Medellín; Colombia F. RAMIREZ Ing. Civil PhD Universidad de los Andes Bogotá; Colombia RESUMEN Los concretos autocompactantes se han caracterizado por facilitar la colocación al constructor ya que no requiere equipos de vibrado. Así mismo, la tecnología de estos productos ha requerido la vinculación de materiales y conceptos de diseño que aportan a la sostenibilidad de la industria del concreto. Además de los conocidos beneficios reológicos de la mezcla autocompactante, existen requerimientos propios del producto que favorecen el concepto técnico y sostenible, como la necesidad de materiales cementantes suplementarios, reducción de relación agua - material cementante y la inclusión de aditivos de última tecnología. El uso de materiales cementantes suplementarios permite la reducción de la huella de carbono por la disminución de cemento; así mismo la reducción de la relación agua material cementante permite incrementar la vida útil del producto y la implementación de aditivos de última tecnología garantizan la reducción de cemento si afectar el desempeño del producto. 1. INTRODUCCIÓN El concreto autocompactante es un concreto altamente fluido, el cual no requiere vibrado durante su proceso de colocación. Este tipo de concreto ha despertado un especial interés desde una perspectiva técnica, económica y ambiental [1] gracias a que mejora el acabado del concreto, la productividad y las condiciones de colocación en obra respecto del concreto convencional [2]. Debido al incremento en el uso de esta gama de productos desde los años 90, se han propuesto diferentes métodos de diseño los cuales se orientan hacia la optimización de la matriz granular y la reducción de volumen de pasta con unos contenidos de agregado grueso entre 28-32% aproximadamente. Adicional a las metodologías de diseño, los concretos autocompactantes poseen atributos específicos como son habilidad de paso, habilidad de llenado y resistencia a la segregación que hacen de este producto un concreto de valor agregado para clientes y constructores. El concreto autocompactante desde una perspectiva económica, técnica y ambiental, se ajusta a la tendencia de productos sostenibles con el entorno y con el cliente debido al uso de materiales cementantes suplementarios como estrategia para disminuir la huella de carbono, reducir la permeabilidad al agua e incrementar la resistencia del producto a ambientes agresivos. Desde una línea técnica, el uso de la ceniza volante, disminuye el calor de hidratación de la mezclas y por ende una menor probabilidad de fisuración por efecto de la temperatura en comparación con un sistema 100% cemento [2], gracias a su granulometría minimizan la porosidad de las mezclas y aportan a la fluidez requerida de este tipo de producto. La implementación de aditivos con alto poder de reducción de agua, controlan la trabajabilidad de la mezcla y las características propias del producto con bajos contenidos de agua permitiendo obtener concretos más compactos, con una microestructura más densa y por ende más durable [1]. 1

2 El concreto autocompactante típico usualmente tiene un excesivo contenido de cemento, alto calor de hidratación y utiliza altas dosis de aditivos superplastificantes [4]. Para el desarrollo de este artículo se trabajó con sustituciones de ceniza local del 20% (%w/w), se emplearon diferentes aditivos plastificantes y superplastificantes a las dosificaciones que permiten mantener niveles de agua bajos, así como los atributos de resistencia, habilidad de paso, habilidad de llenado y resistencia a la segregación en los parámetros adecuados para entregar un concreto autocompactante. Es importante mencionar que los aditivos empleados en este estudio corresponden a materiales de última generación, que reducen importantes cuantías de agua, garantizan la dispersión de las partículas cementantes en el tiempo y mejoran las propiedades de las mezclas autocompactantes. 2. METODOLOGÍA Los concretos empleados para estos ensayos tienen como resistencia 3000 psi (A/C=0,583), 4000 psi (A/C=0,489) y 5000 psi (A/C=0,369). La sustitución de ceniza volante fue del 20%. Las mezclas se evalúan con aditivos A1 (base azúcares y policarboxilatos) y A2 (base gluconatos y policarboxilatos) los cuales son aditivos de última tecnología para reducir agua y garantizar la trabajabilidad del producto en el tiempo. Las mediciones para evaluar la habilidad de paso, habilidad de llenado y resistencia a la segregación se referencian con sus respectivas normativas en la Tabla 1. Tabla 1. Ensayos concreto Autocompactante Prueba Fuente Índice de inspección visual (IIV) T50 sin bloqueo ASTM C 1611 Diámetro de Torta (mm) L- box UNE J-Ring ASTM C 1621 Segregación Estática ASTM C 1610 El diámetro corresponde a la torta que se forma al hacer la prueba del cono luego que producto se acomoda por su propio peso. El índice de inspección visual es la evaluación que se desarrolla de acuerdo a la norma ASTM C 1611, este índice de inspección visual da cuenta de manera cualitativa de la posibilidad de segregación de la mezcla, ya que identifica la presencia de un hallo de pasta alrededor de la mezcla luego de la prueba del díametro y con base en ese primer ensayo se puede realizar una rápida inspección de la cohesividad o fluidez de la mezcla. El parámetro del ensayo L-box permite evaluar la habilidad de paso del producto y de llenado y se referencia a la norma UNE la cual relaciona de manera general la capacidad de paso de una muestra de concreto a través de una estructura en forma de ele L que posee unas varillas (diámetro y longitud conocida) en la parte inicial de la estructura, por donde necesariamente debe pasar el concreto. El parámetro L-box es la relación entre la altura de la parte más alejada de la estructura en L respecto de la altura del concreto en la zona donde se encuentran las varillas. El valor esperado debe ser cercano a la unidad, sin embargo valores por encimas del 0,8% son aceptables para el comportamiento de paso. El análisis de la prueba de J-ring mide el tiempo que tarda en alcanzar un diámetro de 50 cm en presencia del anillo con el fin de determinar el impacto de armazón de acero en la capacidad de fluir y auto compactación del producto. Finalmente, el % de segregación estática permite identificar si bajo las condiciones de la mezcla se presenta separación de los constituyentes, específicamente el agregado grueso de la pasta; el % máximo recomendado es del 15%. Los ensayos reológicos se realizaron con un reómetro marca ICAR y la configuración del mismo se hizo con base en el tamaño máximo nominal del agregado disponible para las mezclas. Se estimó el máximo torque requerido y la viscosidad plástica de la mezcla a partir de la prueba de flujo. En la Figura 1 se muestra el reómetro y su ensamble correspondiente para la realización de pruebas. 2

3 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Figura 1. Reómetro ICAR A continuación se presenta los resultados obtenidos para cada una de las resistencias evaluadas. En la Tabla 1 se muestran los resultados de las mezclas correspondientes a 3000 psi. Tabla 2. Resultados ensayos concreto autocompactante de 3000 psi (IIV) T 50 (s) L-box J Ring Descripción Díametro (mm) T 50 (s) Testigo 643 3,83 1 5,27 0,65 3,21 A ,24 1 4,06 0,88 4,66 A ,00 1 6,18 0,77 5,62 (%) de seg estática Tabla 3. Resultados reología concreto autocompactante de 3000 psi. Descripción Yield Value (Nm) Plastic Viscosity (Pa*s) Testigo 153,48 48,40 A1 123,98 36,05 A2 196,85 51,03 De acuerdo a los resultados obtenidos para el concreto de 3000 psi, se evidencia que para una relación agua material cementante de 0,583, la mezcla con el aditivo A1 disminuye la viscosidad plástica cerca del 30% del producto respecto a la mezcla testigo, así como la energía requerida para movilizar la mezcla sin promover la segregación de la pasta y la piedra con valores inferiores al 15%. Respecto de la habilidad de paso, medida con el parámetro L-box, tanto los aditivos A1 como A2 mejoran el escenario base o testigo, sin embargo, el aditivo A1 reporta valor del parámetro L-box más cercano a la unidad, lo cual es garantía de la capacidad de paso y de llenado del producto autocompactante. Los resultados reportados para la prueba del anillo, evidencian una reducción de 1 segundo respecto al escenario base para aditivo A1, mientras que A2 por el contrario aumenta este valor para el análisis de la prueba. Los diseños de 4000 psi son concretos que emplean dos aditivos, el primero plastifica y ayuda al sostenimiento del diámetro de producto en el tiempo, mientras que el segundo permite reducir importantes cuantías de agua en la mezcla y promueve la dispersión de las partículas de cementantes. Tabla 4. Resultados diseños concreto autocompactantes concreto de 4000 psi Descripción Díametro (mm) T 50 (s) (IIV) T 50 (s) J Ring L-box (%) de seg estática Testigo 635 3,25 1 4,14 0,89 9,04 A ,78 1 3,11 0,95 7,13 A ,39 1 4,35 0,62 5,57 3

4 En la Tabla 4 y Tabla 5 se presentan los resultados de los ensayos de concreto autocompactante para concretos de 4000 psi correspondientes a A/C=0,489. A medida que se aumenta la cantidad de pasta de las mezclas se disminuye el T50 sin bloqueo, así mismo el uso de un segundo aditivo permite obtener un mejor comportamiento en el ensayo L-box en comparación a los resultados obtenidos para concretos de 3000 psi. Respecto al parámetro de segregación estática, se observa que para mezclas con dos aditivos, los porcentajes de segregación aumentan ligeramente respecto del sistema con un solo aditivo. Este ítem es clave ya que la dosis de los aditivos superplastificante permite garantizar la trabajabilidad y evitar problemas de segregación, sin embargo, si de sobredosifica de manera inadecuada, es posible induzca la mezcla hacía la segregación. Para este concreto los valores de segregación estática se encuentran por debajo del límite recomendado. Tabla 5. Resultados reología concreto autocompactante 4000 psi. Descripción Yield Value (Nm) Plastic Viscosity (Pa*s) Testigo 110,48 64,29 A1 81,66 40,88 A2 118,13 59,00 La tendencia de viscosidad plástica con la mezcla de aditivos A1 muestra disminución aún más marcada respecto de la mezcla de 3000, sin favorecer la segregación estática de las mezclas. Se observa además que los aditivos A1 por si solos (sin la adición de un tercer aditivo) logran disminuir la cohesividad de las mezclas, lo cual se traducen en menores valores de viscosidad plástica. Tabla 6. Resultados reología concreto autocompactante de 5000 psi Descripción Díametro (mm) T 50 (s) (IIV) T 50 (s) J Ring L-box (%) de seg estática Testigo 653 3,23 1 4,43 0,98 14,92 A ,20 1 3,49 1,03 10,06 A ,59 1 4,76 0,59 8,31 En la Figura 2 se consolidan los resultados de los diámetros de flujo de las mezclas de concreto y se observa que en los ensayos con aditivos A2, el diámetro es más bajo respecto del testigo debido a las características químicas de los aditivos. El tiempo de flujo libre para completar el diámetro de 500 mm es ligeramente mayor o similar al testigo y la diferencia no es significativa para todas las resistencias evaluadas de 3000 psi, 4000 psi, 5000 psi. Tabla 7.. Resultados reología concreto autocompactante 5000 psi Descripción Yield Value (Nm) Plastic Viscosity (Pa*s) Testigo 94,07 72,96 A1 69,00 47,22 A2 133,08 64,88 Figura 2. Resultado comparativo de diámetro T psi Respecto a la relación que evalúa el ensayo L-box (Figura 3), se observa que con los aditivos A1 la habilidad de paso de la mezcla de concreto a través del equipo se mejora notablemente, sin afectar de manera importante la consistencia y la estabilidad de la mezcla, especialmente para sistemas que incluyen ceniza volante y que potencialmente pueden afectar la demanda de agua y la trabajabilidad de la mezcla 4

5 Figura 3. Resultados L-box mezclas de concreto. Figura 4. Resultados segregación estática psi En la Figura 4 se presentan los resultados de segregación estática para cada una de las muestras y se observa que para sistemas que emplean un solo aditivo sin importar la combinación evaluada, se logra un ligero aumento de este parámetro sin afectar la estabilidad y el comportamiento de la mezcla (valores inferiores 15%). Caso contrario ocurre con las mezclas que emplean dos aditivos, donde los escenarios propuestos presentan un mejor comportamiento en términos de segregación que el testigo, sin embargo, es importante mencionar que una sobredosificación de estos aditivos puede tener problemas en la segregación de la mezcla. Figura 5. Yield stress y Viscosidad plástica En la Figura 5 se presentan los resultados el reológicos para todas las mezclas evaluadas, con lo cual se concluye que para mezclas con 20% de ceniza volante, la combinación de aditivo A1 favorece la disminución tanto del yield stress como de la viscosidad plástica respecto del testigo. Para el caso de la combinación A2, se mantienen ambos 5

6 parámetros, incluso en algunos ocasiones pueden aumentarla ligeramente tomado como referencia el testigo. Dependiendo de la aplicación del producto de concreto autocompactante es deseable aumentar o disminuir la viscosidad y el yield stress de la mezcla. 4. CONCLUSIONES El uso de materiales cementantes suplementarios como ceniza volante permiten desarrollar concretos con las características autocompactantes bajo las especificaciones de calidad del producto deseadas, fortaleciendo el desarrollo de concretos sostenibles. El estudio reológico permite entender el comportamiento del sistema en estado fresco bajo diferentes combinaciones de aditivos, y permiten identificar el real impacto de los aditivos en algunos parámetros del sistema (viscosidad plástica, yield stress), adicional a sus resultados en las pruebas típicas de concreto autocompactante. La inclusión de aditivos de última tecnología es una estrategia fundamental para realizar mezclas con características autocompactantes que reducen las cuantías de agua requeridas para cada resistencia y por ende hacer un mejor uso del recurso hídrico. La combinación de materiales cementantes y el uso de aditivos superplastificantes son líneas de trabajo fundamentales en el área de innovación de concretos para el desarrollo de productos con las características que el cliente desea con un valor agregado que es el uso sustentable de los recursos. 5. REFERENCIAS [1] Piekarczyk, B., The influence of chemical admixtures on cement hydration and mixture properties of very high performance self-compacting concrete, Construction and Building Materials, 2013 n 49, pp [2] Liu, M, Self-compacting concrete with different levels of pulverized fuel ash, Construction and Building Materials, 2010 n 24(7), pp [3] Nepomuceno, M., Pereira-de-Oliveira, L., Lopes,S Methodology for the mix design of self-compacting concrete using different mineral additions in binary blends of powders, Construction and Building Materials,2014 n 64, pp [4] Celik, K., Meral, C., Gursel, P., Mehta, K., Horvath, A., Monteiro,P, Mechanical properties, durability, and life-cycle assessment of self-consolidating concrete mixtures made with blended portland cements containing fly ash and limestone powder, Cement and Concrete Composites, 2015 n 56, pp