La situación actual de las normas de especificaciones de cementos y su aplicación en la certificación Madrid, 11 de noviembre de 2010 CONGLOMERANTES PARA CARRETERAS (HRBs) Carlos JOFRÉ INTRODUCCIÓN A LOS CONGLOMERANTES HIDRÁULICOS PARA CARRETERAS (HRBs) Hydraulic Road Binders (HRBs) Desarrollados desde los 80 como complemento de los cementos comunes Conglomerantes producidos en fábrica Especialmente adecuados para el tratamiento de materiales para bases, subbabses y capas de coronación de explanada así como en terraplenes, en carreteras, ferrocarriles, aeropuertos y otros tipos de infraestructuras Conglomerantes mixtos obtenidos mediante mezcla y/o molienda de clinker, subproductos industriales (escorias, cenizas volantes, etc.) o puzolanas volcánicas Notable desarrollo en los últimos años (ventajas técnicas, económicas y medioambientales) 1
HRBs EN FRANCIA La industria francesa del cemento produce: HRBs con elevado contenido de escoria HRBs con clinker y caliza (u otros componentes) Otros HRBs hechos con clinker o cal (para mejorar la capacidad de soporte inmediata de las explanadas y poder ser utilizadas por los equipos de obra) Las constructoras de carreteras intentan producir HRBs con subproductos tales como escorias o cenizas volantes para su autoconsumo HRBs EN ALEMANIA 2
FUNCIONAMIENTO DE LOS HRBs No diferente en esencia del de los cementos Formados por los mismos componentes, pero en proporciones diferentes (en ocasiones incluso sin clinker) Fenómenos similares de fraguado hidráulico, pero en general con una cinética específica Cómo definir las clases cinéticas de los HRBs? HRB n 1 HRB n 2 HRB n 3 HRB n 4 HRB n 5 Clinker 98 88 25 21 2 Caliza 2 12 11 12 10 Escoria 0 0 64 67 88 R2 35-7.6 6.4 - R7 46.5 38.2 27.7 25.6 17 R28 60 50.1 44.7 39.7 30.5 R56 63.7 56 49.8 43.7 36.5 R28/R7 1.29 1.31 1.60 1.55 1.79 R56/R7 1.37 1.47 1.80 1.71 2.14 3
VARIACIÓN DEL DESARROLLO DE RESISTENCIAS DE LOS HRBs CON EL CONTENIDO DE CLÍNKER 2,5 2 1,5 1 R28/R7 R56/R7 0,5 0 HRB1 HRB2 HRB3 HRB4 HRB5 + CLÍNKER - NORMA EUROPEA ARMONIZADA EN 13282 SOBRE HRBs Dividida en tres partes: EN 13282-1 " Conglomerantes hidráulicos para carreteras Parte 1: Conglomerantes de endurecimiento rápido - Composición, especificaciones y criterios de conformidad EN 13282-2 " Conglomerantes hidráulicos para carreteras Parte 2: Conglomerantes de endurecimiento normal - Composición, especificaciones y criterios de conformidad EN 13282-3 " Conglomerantes hidráulicos para carreteras Parte 3: Evaluación de la conformuidad " 4
Normas EN 13282-1 y EN 13282-2 Tanto la EN 13282-1 como la EN 13282-2 están subdivididas en tres partes: componentes clases de resistencia mecánica y requisitos físico - químicos criterios de conformidad, frecuencias de ensayo y valores límite COMPONENTES HIDRÁULICOS Y PUZOLÁNICOS CLINKER PORTLAND PUZOLANAS CENIZAS VOLANTES ESCORIA 5
ESCORIAS COMPOSICIÓN DE LOS COMPONENTES HIDRÁULICOS Y PUZOLÁNICOS VIDRIOS 30 S 0 100 PUZOLANAS CENIZAS VOLANTES SILÍCEAS CaO SiO 2 40 CLINKER PORTLAND CENIZAS VOLANTES CALCÁREAS C 100 0 30 Al 2 O 3 0 100 A CEMENTOS DE ALUMINATO DE CALCIO CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES Productos preparados en fábrica, suministrados listos para su empleo Mezcla de diferentes componentes, homogénea desde el punto de vista estadístico Las mezclas realizadas in situ no están cubiertas por esta Norma europea Especialmente adecuados para el tratamiento de materiales para bases, subbases y capas de coronación de explanada, así como en terraplenes, en carreteras, ferrocarriles, aeropuertos y otros tipos de infraestructuras Aunque no se utilizan exclusivamente en la construcción de carreteras, la denominación conglomerante para carretera puede ser ya considerado como de amplia aceptación 6
DIFERENCIAS PRINCIPALES DE LOS HRBs EN RELACIÓN CON LOS CEMENTOS COMUNES Contenido de clínker generalmente bajo o incluso nulo (aunque en los HRBs de endurecimiento rápido se prescribe un valor mínimo del 20 %) Su cinética de fraguado y endurecimiento puede ser lenta, una propiedad muy conveniente en obras de carreteras, donde con frecuencia se requieren plazos de trabajabilidad elevados PLAZO DE TRABAJABILIDAD Tiempo contado desde el final de la mezcla durante el cual el fraguado del conglomerante es nulo o muy bajo 7
PLAZO DE TRABAJABILIDAD Tiempo de paso de los ultrasonidos (µs) 200 175 150 125 100 75 50 25 0 0 3 5 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 Horas después de la mezcla cemento II-32,5 cemento+ II-32,5 + 50% cenizas volantes VENTAJAS TÉCNICAS Pueden ser formulados para dar los mejores resultados para explanadas y capas de pavimentos: facilitar la construcción (plazo de trabajabilidad, capacidad de soporte inmediata) propiedades de la mezcla final (capacidad de soporte, resistencia mecánica y módulo de elasticidad) Fabricación llevada a cabo de forma más flexible que en el caso de los cementos comunes En ocasiones, el conglomerante se optimiza para un suelo o un material específico y/o para tener una cinética de fraguado ajustada a las condiciones climáticas durante la ejecución y/o a los condicionantes de organización de la obra algunos HRBs están concebidos específicamente para el tratamiento de ciertos materiales 8
VENTAJAS ECONÓMICAS Y MEDIOAMBIENTALES Empleo importante de subproductos industriales (escorias, cenizas volantes, puzolanas, etc.). En algunos casos el fabricante optimiza también la finura de molido En general precios ligeramente más bajos que los de los cementos comunes CAMPOS DE APLICACIÓN Tratamiento de suelos para explanadas Capas de pavimento (suelocemento, bases o subbases de materiales granulares tratados con cemento, firmes reciclados) No aptos para usos estructurales 9
Capacidad de soporte inmediata Tratado Sin tratar LÍMITES DE EMPLEO El tratamiento de suelos o el reciclado de firmes utilizando HRBs requiere verificar previamente si el suelo o los materiales existentes pueden ser tratados Algunas substancias, como la materia orgánica, los sulfuros (piritas), los sulfatos (yesos) o los cloruros (sal gema) pueden perjudicar o impedir el fraguado o el efecto conglomerante de los HRBs o provocar posteriormente hinchamientos importantes 10
PRODUCCIÓN EUROPEA Francia y Alemania son los países europeos líderes en el empleo de HRBs Producción francesa de HRBs: Progreso continuado desde su aparición en los años 80 1,2 millones de toneladas en 2007 950.000 t para tratamientos in situ 200.000 t para materiales tratados con HRBs mezclados en planta 50.000 t para el reciclado de firmes Alemania: 10 empresas más de 30 tipos diferentes de HRBs NORMALIZACIÓN DE HRBs Normas nacionales (France: liants routiers Germany: mischbindemittel) Primera fase: European technical approval (equivalente a DIT) en Francia Las activitidades relacionadas con la normalización europea se iniciaron en los años 90, sobre una base totalmente voluntaria, dentro del Comité Técnico CEN/TC 51 "Cementos y cales de construcción 11
NORMALIZACIÓN DE HRBs ENV 13282 Conglomerantes hidráulicos para carreteras. Composición, especificaciones y criterios de conformidad finalizada en 1999 Su adopción no fue obligatoria, pero dió lugar a un consenso europeo en la definición de los HRBs Varios países incorporaron partes importantes de esta prenorma a sus normas nacionales NORMALIZACIÓN DE HRBs El proceso de transformar la prenorma europea en una norma armonizada obligatoria en los países miembros de CEN se inició en 2003 Enfoques diferentes en Alemania y Francia, los dos países europeos con más experiencia en el empleo de los HRBs Se identificaron dos tipos de HRBs: HRBs con resistencia a corta edad relativamente elevada (caracterizados mediante la resistencia a 28 días) HRBs con endurecimiento lento (caracterizados mediante la resistencia a 56 días) 12
COMPONENTES Mezcla íntima, llevada a cabo antes o después del molido, de uno o más componentes: clínker de cemento Portland subproductos industriales (escorias, cenizas volantes, etc) que se ven sometidos a una selección y a una preparación más elaborada, con vistas a su incorporación en el HRB, productos naturales que no se ven sometidos a ningún tratamiento con vistas a su incorporación en el HRB excepto un secado y una pulverización (puzolanas naturales) un activador de fraguado (generalmente cal) De acuerdo con la naturaleza de los componentes y sus proporciones se dispone en el mercado de una gran variedad de HRBs PROPIEDADES PROPORCIONADAS POR LOS COMPONENTES Hidráulica: capacidad de un producto para endurecer, al ser mezclado con agua, tanto en el aire como bajo el agua, sin necesidad de añadir ningún otro agente reactivo, y no disgregarse, incluso bajo el agua Puzolánica: capacidad de un producto para adquirir algunas propiedades hidráulicas mediante la adición de un activante de fraguado (generalmente cal) Físicas: mejora de algunas cualidades del conglomerante (p. ej., plazo de trabajabilidad) Algunos componentes pueden tener varias de estas propiedades, en mayor o menor grado 13
COMPONENTES Componentes principales (proporción superior al 10 % en masa Componentes adicionales minoritarios Regulador de fraguado (generalmente sulfato de calcio) Aditivos COMPONENTES PRINCIPALES DE LOS HRBs DE ENDURECIMIENTO RÁPIDO Componentes cumpliendo con los requisitos impuestos a los componentes principales en la Norma EN 197-1 Cemento Parte 1 clinker de cemento Portland (K) contenido mínimo: 20 % escoria granulada de alto horno (S) materiales puzolánicos: puzolanas naturales (P) y puzolanas naturales calcinadas (Q) cenizas volantes : cenizas volantes silíceas (V) y cenizas volantes calcáreas (W) esquistos calcinados (T) caliza (L, LL) Cal cálcica hidratada (CL-S) y cal natural hidráulica de acuerdo con la Norma EN 459-1 Cal de construcción - Parte 1 14
COMPONENTES PRINCIPALES DE LOS HRBs DE ENDURECIMIENTO NORMAL (1) Componentes cumpliendo con los requisitos impuestos a los componentes principales en la Norma EN 197-1 Cemento Parte 1 clinker de cemento Portland (K) sin contenido mínimo (puede ser nulo) escoria granulada de alto horno (S) materiales puzolánicos: puzolanas naturales (P) y puzolanas naturales calcinadas (Q) cenizas volantes : cenizas volantes silíceas (V) y cenizas volantes calcáreas (W) esquistos calcinados (T) caliza (L, LL) Cal cálcica hidratada (CL-S) y cal natural hidráulica de acuerdo con la Norma EN 459-1 Cal de construcción - Parte 1. La cal CL puede ser cal viva (CL-Q) o cal hidratada (CL-S) COMPONENTES PRINCIPALES DE LOS HRBs DE ENDURECIMIENTO NORMAL (2) Componentes no definidos como componentes principales en la Norma EN 197-1 Cemento Parte 1 Cenizas volantes : ceniza volante silícea de lecho fluidificado circulante (Va) y ceniza volante calcárea sin apagar (Wa) Escoria cristalizada de horno de oxígeno básico (Sb) (menos del 40%) Algunas limitaciones respecto a su composición o su contenido Ya utilizados en algunos HRBs disponibles en el mercado 15
REQUISITOS Mecánicos Físicos Químicos (contenido de sulfatos) Composición Durabilidad REQUISITOS MECÁNICOS Los HRBs se clasifican mediante su resistencia a compresión Se determina de acuerdo con EN 196-1, sustituyendo el cemento por el HRB Se ha intentado diferenciar al máximo su denominación de la de los cementos comunes (HRBs no permitidos en aplicaciones estructurales) Se ha adoptado una única cifra (1, 2, 3 o 4) para identificar cada categoría resistente, en vez de utilizar el valor mínimo en MPa de la resistencia especificada (32,5, 42,5 o 52,5), como ocurre con los cementos comunes CEM IV 42,5 E2 N3 16
REQUISITOS MECÁNICOS REQUISITOS FÍSICOS 17
CLASES RESISTENTES DE LOS HRBs DE ENDURECIMIENTO RÁPIDO Los HRBs de endurecimiento normal se designan mediante la letra N seguida de un número que representa la clase resistente La clase resistente se determina mediante la resistencia a compresión a 28 días Clase Resistencia a compresión, en MPa a 7 días a 28 días E 2 5,0 12,5 32,5 E 3 10,0 22,5 42,5 E 4 16,0 32,5 52,5 E 4-RS * 16,0 32,5 _ * Diferenciados por el tiempo de fraguado inicial CLASES RESISTENTES DE LOS HRBs DE ENDURECIMIENTO NORMAL Los HRBs de endurecimiento normal se designan mediante la letra N seguida de un número que representa la clase resistente La clase resistente se determina mediante la resistencia a compresión a 56 días Clase Resistencia a compresión en MPa a 56 días N 1 5 22,5 N 2 12,5 32,5 N 3 22,5 42,5 N 4 32,5 52,5 Si el HRB contiene cal viva como componente principal, debe apagarse antes de ser ensayado 18
Por qué es necesario apagar algunos HRBs antes de llevar a cabo los ensayos? ANEJO DE LA EN 13282-2 MÉTODO PARA EL APAGADO DE LOS CONGLOMERANTES DE ENDURECIMIENTO NORMAL 19
REQUISITOS FÍSICOS DE LOS HRBs HRB Finura % residuo en masa 90 μm Tiempo de fraguado inicial min Estabilidad de volumen (expansión) mm E 15 90 10 E-RS 15 90 30 N 15 150 30 REQUISITOS QUÍMICOS Contenido de sulfatos (% de SO 3 en masa) 4,0 %. Contenido de sulfatos 7,0 % (clases E 4 y E 4-RS) y 9,0 % (HRBs de endurecimiento normal y clases E 2 y E 3 de HRBs de endurecimiento rápido), respectivamente, permitido para los siguientes conglomerantes: HRBs conteniendo esquistos calcinados o cenizas volantes calcáreas, solamente si la mayor parte del sulfato proviene de los componentes principales HRBs de endurecimiento rápido conteniendo más del 65 % en masa, de escoria granulada de alto horno HRBs de endurecimiento rápido conteniendo más del 60 % en masa, de escoria granulada de alto horno Contenido de sulfatos 9,0 % (clases E 4 y E 4-RS) y 11,5,0 % (HRBs de endurecimiento normal y clases E 2 y E 3 de HRBs de endurecimiento rápido), respectivamente permitido para conglomerantes conteniendo esquistos petrolíferos calcinados, solamente si la mayor parte del sulfato proviene del esquisto 20
COMPOSICIÓN Los componentes del HRB, y sus proporciones medias, deben ser registrados Los componentes principales deben ser declarados por el fabricante, así como el sulfato de calcio si el contenido de sulfatos (SO 3 ) es superior al 4 %. COMPOSICIÓN Proporción declarada del componente principal 1) > 20 % Tolerancia absoluta 1) ± 10 % entre 10 % y 20 % ± 5 % 1) Valores en porcentaje en masa con respecto a la masa total de los componentes principales y minoritarios, excluyendo el sulfato de calcio y los aditivos Ejemplo: HRB con una composición declarada de S 55, K 35, V 10 S: 45 % a 65 %, K: 25 % a 45 %, V: 5 % a 15 %. 21
REQUISITOS DE DURABILIDAD En muchas aplicaciones, especialmente en condiciones ambientales severas, la elección del conglomerante tiene influencia en la durabilidad de las obras, p.ej. en la estabilidad de volumen, la resistencia a las heladas o la resistencia a los ataques químicos En la elección del conglomerante, en especial en lo que se refiere al tipo y a la clase resistente, para las distintas aplicaciones y clases de exposición, deben seguirse las normas y prescripciones apropiadas válidas en el lugar de empleo DESIGNACIÓN NORMALIZADA Los HRBs se identificarán en los documentos de acompañamiento y, donde sea de aplicación, en los envases, mediante: las letras HRB la letra E o N (endurecimiento rápido o normal) la clase resistente la composición (obligatoria para los HRBs de endurecimiento normal; en los HRBs de endurecimiento rápido, si lo solicita el cliente) Si el HRB contiene cal viva, el fabricante debe declarar la clase de cal viva y la cantidad de agua Ws necesaria para su apagado Si el contenido de SO 3 > 4 %, las letras Cs deben figurar en la declaración 22
DESIGNACIÓN NORMALIZADA EJEMPLO: HRB de endurecimiento normal de clase resistente N3 con 55 % de escoria granulada de alto horno, 25 % de ceniza volante silícea y 15 % de cal cálcica hidratada: Conglomerante hidráulico para carreteras de endurecimiento normal EN 13282-2 HRB N 3 S 55, V 25, CL-S 15 EJEMPLO (si el cliente pide que se declare la composición): HRB de endurecimiento rápido de clase resistente E3 with 20% de clinker, 35 % de escoria granulada de alto horno, 25 % de ceniza volante silícea y 15 % de cal cálcica hidratada : Conglomerante hidráulico para carreteras de endurecimiento rápido EN 13282-1 HRB E 3 K 20, S 35, V 30, CL-S 15 CRITERIOS DE CONFORMIDAD Y EVALUACIÓN DE LA CONFORMIDAD La conformidad de los HRBs con la Norma europea debe evaluarse de forma continua ensayando muestras tomadas in situ En la Norma se especifican las propiedades, los métodos de ensayo y las frecuencias mínimas de ensayo para el autocontrol del fabricante La EN 13282-3 especifica el esquema para la evaluación de la conformidad, incluyendo las tareas de evaluación a realizar por un tercero 23