Diseño y Control de mezclas de Hormigón

Construcción de Pavimentos Rígidos con Tecnología de Alto Rendimiento Diseño y Control de mezclas de Hormigón Arq. Edgardo Souza D.N.V. Distrito IX San Juan 09 de Junio de 2010

Temario 2 Implicancias de la Pavimentación n con TAR Especificación n de resistencia Materiales Componentes Control de Calidad del Hormigón Propiedades deseables del Hº H Control de Recepción n de la Calzada Curado Hormigón n en Climas Rigurosos

Tecnología de Alto Rendimiento Implicancias: 3 Producción continua, y de grandes volúmenes. Alto consumo de materiales. Se transporta en camiones volcadores. Encofrados Deslizantes Clave: Uniformidad en las Propiedades de la Mezcla y en la Velocidad de Colocación.

Consumos estimados para producir 125 m 3 /hora 4 Componente Cemento Agua Arena Piedra 6-20 Piedra 20-38 Plastificante Incorporador Fórmula Tipo 350Kg 150 l 650 Kg 550 Kg 700 Kg 1,14 Kg 0,114 Kg Consumo día 350 t/día 150 m 3 /día 650 t/día 2000 toneladas de áridos 550 t/día 700 t/día 1400 kg/día 140 kg/día

Filosofía para asegurar la Calidad 5 Para el logro de los objetivos se debe establecer un proceso controlado: El sistema debe permitir: Cumplir las especificaciones técnicas Mantener en el tiempo la uniformidad de las propiedades y la calidad del pavimento. La experiencia indica claramente que es necesario actuar en forma preventiva dado que la TAR no nos permite esperar 7 días para detectar tendencias

Propiedades deseables del Hº en estado endurecido 6 Resistencia Durabilidad? Estabilidad Dimensional Durabilidad? Economía

Resistencia de Diseño para la mezcla 7 El PETG exige una resistencia media a Flexión y establece un valor mínimo en testigos aceptando un 10% de valores defectuosos por cada zona. Por otro lado, durante el diseño del pavimento se adopta un Módulo Resistente a la Flexión (MRF) a 28 días. La mezcla de hormigón se diseña a partir de una resistencia media a la compresión objetivo determinada en probetas cilíndricas. Asimismo, el control de producción se realiza a través del ensayo de probetas moldeadas. Debemos estimar en forma adecuada la resistencia media cilíndrica que cumpla los requisitos de flexión y garantice superar la mínima para los testigos calados.

Estimación de la resistencia cilíndrica de diseño a partir del MRF 8 Según la PCA: MRF = k (f cm ) ½ donde k medio es de: 0,7 para canto rodado y de 0,8 para piedra partida Podemos estimar entonces la resistencia de diseño a la compresión (f cm ) para el hormigón como sigue: f cm = ( MRF / k) 2

Estimación de la resistencia cilíndrica de diseño: Ejemplo de cálculo (MRF) 9 Adoptando un k medio de 0,75 y 4,5 MPa obtendremos: f cm = (4,5 / 0,75) 2 = 36 MPa En forma análoga, si se asume que: MRF 0,12 a 0,14 x f cm adoptando el valor medio 0,13; tendremos que: f cm = (4,5 / 0,13 ) = 34,6 MPa Ambos criterios son más o menos coincidentes y se puede concluir que con una f cm de 36 MPa cumpliríamos el requisito a flexión.

Resistencia media esperable sobre testigos calados del pavimento 10 La compactación eficaz sumada a un curado eficiente permiten alcanzar resistencias efectivas elevadas en el hormigón de pavimento, poco menores (hasta un 10 %), y algunas veces hasta comparables a las determinadas sobre probetas moldeadas.

Resistencia a compresión 28 días [kg/cm 2 ] 500 450 400 350 300 250 Resistencia media esperable sobre testigos calados del pavimento 01-Ene 15-Ene 29-Ene 12-Feb 26-Feb Fecha de colocación Testigos Probetas Relación media 356 382 Test / prob desvio 27,2 27,1 0,93 C.V. 0,08 0,07 testigos probetas 11

Estimación de la resistencia cilíndrica de diseño: Ejemplo de cálculo (Testigos) 12 Además del MRF, por otro lado debemos cumplir: f mín test = 315 kg/cm 2 31 MPa Con un riesgo del 10% y un C.V. de 0,10; tendremos: (universo) f cm test = 31 + 1,28 x 3,1 35 MPa (por zona) f cm test = 31 + 1,319x 3,1 Si estimamos que: f test 0,90 f cm (probetas) Obtenemos una resistencia media objetivo en probetas: f cm = 39 MPa

Resistencia cilíndrica media adoptada 13 Tomamos el mayor de ambos valores, es decir 39 MPa. Se debe tener en cuenta que en producción sería esperable obtener valores algo menores respecto de los constatados en la etapa de diseño en laboratorio, por otro lado la dispersión de resultados será algo mayor. Con un control de Calidad adecuado, es razonable establecer ésta pérdida de resistencia entre 5 y 10%. Por lo cual deberemos mayorar nuestra media objetivo en el diseño de la mezcla, como sigue: f cm (lab) = f cm (prod) / 1,075 = 42 MPa Se adopta entonces una media objetivo para la etapa de diseño en laboratorio de 42 MPa. Siendo esperable tener en producción unos 39 MPa.

Resistencia de diseño: 14 De acuerdo al presente análisis se encuentra que sería necesario tener: Probetas en laboratorio: f cm = 42 Mpa Probetas en producción: f cm = 39 Mpa Con ello se cumpliría satisfactoriamente: f mín test = 315 kg/cm 2 - PETG DNV Ed. 1998 Con se cumpliría con cierta holgura (p/ agreg. Triturados): MRF media = 45 kg/cm 2 PETG DNV Ed. 1998

Proceso de diseño de la mezcla 15 Datos de la obra (f cm, As., T.M., tipo de transp., etc.) Caracterización de los materiales componentes Aplicación de un método racional para el diseño de mezclas (Método ICPA) Verificación y ajuste en pastones de prueba (laboratorio) Ajuste en escala de obra Implementación de Control de Calidad para verificar el cumplimiento de los supuestos durante el diseño.

Materiales Componentes: Cemento 16 Se encuentra en vigencia la norma IRAM 50002 Cemento para hormigón de uso vial, aplicable con tecnología de alto rendimiento (TAR). Junto con las IRAM 50000, 50001 contemplan todos los tipos de cementos que se producen en el país. Es un producto industrial normalizado y controlado, con calidad uniforme. Se debe contar con los protocolos de calidad, para evaluar su uniformidad.

Norma IRAM 50002 17 Desde la Industria del Cemento se impulsó la normalización de Cementos de Uso Vial, atendiendo a pedidos de la CAC y a las prestaciones especiales de esta aplicación. Esta Norma Establece: los componentes de los cementos para uso vial aplicable con TAR basados en clínker de cemento Pórtland y las proporciones en que deben combinarse para producir una serie de tipos y clases de cemento. limita el contenido de adiciones a un máximo del 20%. las exigencias mecánicas, físicas y químicas que deben cumplimentar los cementos. establece la evaluación de la conformidad y las condiciones de recepción.

Materiales Componentes: Agregados 18 Por su naturaleza son los que más variación presentan. Ocupan el 65 al 75 % del volumen del hormigón. Tienen fuerte impacto en: Demanda de agua Trabajabilidad Módulo de elasticidad Estabilidad dimensional Durabilidad Coef. de Expansión Térmica

Agregados: Recomendaciones 19 La limitación más severa está dada por la uniformidad de los agregados durante toda la etapa de producción del hormigón de calzada Contar con dos fracciones de grueso, y es conveniente que al menos una esté constituido por partículas que tengan al menos dos caras rugosas o trituradas. No es conveniente el empleo de tamaños máximos superiores a los 38 mm (37,5 mm) No es esencial encuadrarse dentro de los límites de la IRAM 1627 Evaluar la durabilidad con suficiente anticipación (RAS, etilenglicol, Congelamiento y Deshielo, etc)

Agregados: Integración de mezclas 20 100 14 TI SI Fuller IRAM A IRAM B IRAM C RN 127 RP 39 R 9 Rogg R 9 Dyc R 6 T I R 6 T II R 6 TVI R 6 T VIII Calafate Ezeiza Acc. Glaciar 90 80 70 % Pasa 60 50 40 30 20 10 0 0,150 0,300 0,600 1,18 2,36 4,75 9,5 19,0 37,5 12,5 25 50 63 Tamiz IRAM

Agregados: Manejo de Acopios 21 Evaluación de aptitud de distintas fuentes de producción. (tener una alternativa de contingencia) Considerar el Ritmo de Producción. Inspección de las canteras. Verificación visual de cada partida. Acopiar en forma controlada y ordenada. Tomar muestras representativas para caracterización y seguimiento. Evitar la contaminación de los agregados acopiándolos sobre un piso de apoyo lo suficientemente firme y bien drenado, de modo de permitir la correcta operación de las palas cargadoras, y de evitar el ingreso de suelo a la mezcla de hormigón.

Acopios 22

Elementos extraños en los acopios 23

Materiales Componentes: Aditivos 24 Se agregan en pequeñas cantidades pero tienen fuerte impacto en algunas propiedades del Hº reductores de agua convencionales incorporadores de aire (razones de trabajabilidad y/o durabilidad) retardadores de fraguado (tiempo caluroso) No es conveniente el empleo de aditivos multipropósito o duales, para disponer de una adecuada flexibilidad en el manejo del hormigón

Aditivos: Recomendaciones Generales 25 Se necesitarán tantos vasos dosificadores como tipos de aditivos - NUNCA MEZCLAR ADITIVOS ANTES DEL INGRESO EN LA HORMIGONERA La experiencia indica que no se recomiendan aditivos superfluidificantes, ni duales. Es conveniente identificar en forma inequívoca los recipientes que corresponden a aditivos de distinto tipo Las dosis deben evaluarse en forma experimental, en condiciones de obra. El uso de aditivo incorporador de aire está recomendado en prácticamente todos los casos. Un contenido de 3-4 % de aire suele ser suficiente, pero debe controlarse en obra para prevenir reducción de resistencia.

Verificación de la Fórmula 26 Todo método racional entrega una dosificación teórica, la misma deberá verificarse y eventualmente ajustarse en pastones de prueba en escala de laboratorio. Independientemente de la especificación se debe trazar la curva de evolución de resistencia para nuestro conjunto de materiales. La dosificación se someterá a consideración de la Inspección con la debida anticipación. Un Diseño de Mezcla será EXITOSO si se cumplen las condiciones de trabajabilidad, los requisitos de resistencia, y la mezcla es económica.

Evolución de la Resistencia 27 Evolución de la resistencia del Hº en el tiempo (curado húmedo) Resistencia a la compresión [%] 140 120 100 80 60 40 20 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Edad [días] Cemento A Cemento B

Control de Calidad 28 Conjunto de procedimientos técnicos empleados para lograr que el producto final cumpla con los requisitos especificados en el proyecto. Adicionalmente genera economía. Aplicación en el Hº en : Estado Fresco Estado Endurecido

Control de Producción: Metodología 29 Objetivo: Verificar los supuestos en la Etapa de diseño, y cumplimentar las exigencias del PET. Se debe apuntar a un control preventivo, como herramienta rápida para la toma de decisiones, dado que la TAR no nos permite esperar 7 días para detectar los cambios. Establecer un control intensivo sobre la calidad y uniformidad de los componentes. Verificar frecuentemente los procedimientos de dosaje, medición y mezclado en la planta de Hº. Materiales de calidad satisfactoria y uniforme, medidos con precisión, en las proporciones adecuadas, producirán hormigones de buena calidad

Controles sobre hormigón fresco 30 Toma de muestras: No deberá estar alterada ni contaminada Se toman al momento de la descarga Se evitará la primera y última porción del pastón Cantidad 40 % mayor que la necesaria, y como mínimo 30 litros Siempre se remezclará manualmente.

Trabajabilidad 31 Es la facilidad con que el hormigón puede ser mezclado, transportado, colocado y compactado con los medios disponibles en obra. No depende exclusivamente del hormigón sino también del equipamiento disponible, del tipo de elemento a hormigonar y de los métodos de colocación y compactación a utilizar. En este sentido se debe recordar que se trabaja con encofrados deslizantes. Está influenciada además, por el clima, distancias de transporte, etc. La característica del hormigón que puede medirse es la consistencia.

Control de producción H Fresco 32 Asentamiento Ajuste de la consistencia a las condiciones de hormigonado (humedad de los áridos, distancias de transporte, temp. amb., etc.) para tener la trabajabilidad adecuada. Uniformidad del asentamiento en el tiempo. En los primeros 3 o 5 camiones, a la salida de planta y a la descarga, determinado sobre el mismo camión. Luego cada 100 m 3 El cono nos entrega información adicional, idea de trabajabilidad, terminación y aspecto.

Control de producción H Fresco 33 Peso Unitario y Contenido de aire incorporado Se determina el contenido de aire y se controla el rendimiento de la fórmula de hormigón. Temperatura del hormigón fresco Controlar la temperatura y llevar un registro, complementarlo con la temperatura ambiente. Dos primeros camiones, luego cada 300 m 3, y/o tres (3) veces al día. Controlar periódicamente la terminación superficial y bordes de calzada

Cohesión 34 Es la aptitud del hormigón de mantenerse como una masa plástica sin ningún tipo de segregación. Depende del contenido de material fino (pasa # 300 μ), de la cantidad de agua, del asentamiento, y del aire intencionalmente incorporado. Es muy importante en nuestro caso al transportarse sin agitación, y en función de la alta energía de compactación disponible.

35 Detalle del Hº

Exudación 36 Se produce luego de la colocación y terminación del hormigón por la sedimentación de las partículas sólidas de mayor P.e., y el ascenso a la superficie del agua. Depende del contenido de material fino (pasa # 300 μ), del cont. de polvo, de la finura del cemento de la cantidad de agua, del tiempo de fraguado y del aire intencionalmente incorporado. La exudación es necesaria para evitar la fisuración plástica. Una exudación excesiva se transforma en un problema.

Tiempo de Fraguado 37 Se define como el tiempo a partir del cual el hormigón se transforma en un sólido. Depende del contenido y del tipo de cemento, de la relación a/c, del uso de aditivos. Está fuertemente influenciado por la temperatura de exposición. Condiciona el tiempo disponible para transportar, colocar, compactar y terminar el hormigón. Modifica los tiempos de aserrado

38 HORMIGON EN ESTADO ENDURECIDO Propiedades deseables Resistencia Espesores Flexión Compresión Abrasión Capacidad de carga Estabilidad dimensional Adecuada textura y terminación

Resistencia: flexión, compresión y desgaste 39 Es un parámetro importante ya que junto con el espesor define la capacidad portante del pavimento. Se debe cumplir con los requisitos establecidos en el diseño del pavimento y en el pliego de especificaciones. Depende de la relación a/c, del conjunto de materiales, de la compactación, del curado, y está influenciada por la calidad de los ensayos.

Control de producción: H Endurecido 40 Objetivo: Conocer la resistencia potencial del hormigón y verificar el cumplimiento de la condición establecida en el PET. Contar con datos a edad temprana, con el fin de llevar un autocontrol preventivo. Conocer la evolución de las resistencias a larga edad. Frecuencias: Un moldeo por cada 500 m 3 (mínimo 2 al día uno por la mañana y otro por la tarde), con 6 probetas cilíndricas (150 x 300 mm) y cuatro probetas prismáticas (150 x 150 x 600 mm) por moldeo. Siempre dos probetas por ensayo y por edad. Eventualmente se moldearán probetas adicionales para la evaluación de la resistencia a la edad de 56 días

Control de recepción del Hormigón de Calzada 41 Extracción de testigos calados del Pavimento para la determinación de: Resistencia a la Compresión Espesores El PETG 98 establece tomar dos testigos cada 300 m 2 de pavimento. Se debería revisar esta exigencia en virtud de las elevadas producciones y los bajos C.V. obtenidos. Se considera razonable extraer 6 muestras por jornada de producción y/o por cada 1000 m 3.

Curado 42 Todo hormigón debe curarse El curado consiste en evitar el secado prematuro del hormigón. El curado debe aplicarse inmediatamente luego de las tareas de terminación y texturizado Hay distintos procedimientos de curado eficiente El único método de curado que puede aplicarse en estado fresco, inmediatamente luego del texturado es la membrana química en base solvente

Curado 43 Un curado adecuado tiene como fin: Prevenir la fisuración plástica. Reducir el riesgo de fisuración temprana por contracción por secado. Garantizar una correcta evolución de las resistencias. Mejorar la resistencia al desgaste de la superficie del pavimento. Evitar pérdidas de temperatura en el hormigón de calzada en tiempo frío. En tiempo caluroso, la pigmentación de las membranas (color blanco), reduce las ganancias de calor por radiación solar.

44 Curado: Buena aplicación

45 Mala distribución del curado

46 Efectos del curado defectuoso

Hormigón en tiempo frío 47 El Reglamento CIRSOC, indica que existe condición de tiempo frío cuando: La temperatura media diaria es menor a 5 C durante tres días consecutivos. El Código ACI, establece además del requisito anterior, el siguiente: Temperatura ambiente menor o igual a 10 C durante 12 horas consecutivas dentro de las primeras 72 horas del hormigón.

Hormigón en tiempo frío 48 A pesar de que el pavimento no esté sometido a ciclos de congelamiento y deshielo, se deben tomar precauciones en el momento de la colocación del hormigón y algunas horas posteriores, Hº joven con resistencia menor a los 4 MPa. Se debe prevenir el deterioro asociado con la expansión de volumen que sufre el agua al congelarse. Monitorear y registrar la evolución de temperaturas en la sección de hormigón y del ambiente.

49 Evolución de las temperaturas en invierno 25 05-Jun 08-Jun 13-Jun 20 15 10 5 0-5 15:00 18:00 21:00 0:00 3:00 6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 Hora del día

Tiempo frío: recomendaciones prácticas 50 Utilizar relaciones a/c menores a 0,45 El AII es requisito cuando el pavimento estará sometido a ciclos de congelamiento y deshielo. Se ha verificado experimentalmente el aporte de la membrana de curado (resina) en la conservación de la temperatura del Hº. Comenzar la jornada de trabajo con temperatura > 2ºC en ascenso. El Reglamento CIRSOC indica no colocar hormigón con temperatura inferior a 16ºC, la experiencia indica que este valor puede ser menor manteniendo ciertos controles. Finalizar la jornada con temp. amb. de 5ºC en descenso.

Temperatura bajas (< 5 C) 51 Efecto Consecuencia Retardo del fraguado Retardo en la hidratación del cemento Mayor tendencia a la fisuración plástica Alteración en los tiempos de aserrado Menor resistencia inicial Mayor resistencia final

Acción de las bajas temperaturas Condición de Servicio 52 En el Hº sometido a ciclos de congelamiento y deshielo, se debe prevenir el daño asociado con la expansión de volumen que sufre el agua al congelarse. Pautas Fundamentales: Baja relación a/c: El CIRSOC indica que el hormigón frecuente o continuamente humedecido y expuesto a los efectos de congelación y deshielo relación a/c < 0,45 para estructuras de espesor < 500 mm Curado Efectivo: Mediante el empleo de membranas de resina Incorporación de aire: El AII proporciona centros de alivio de tensiones, para lo que debe estar distribuido uniformemente, formando burbujas pequeñas dentro de la masa. TM en mm 13,2 19,0 26,5 37,5 53,0 % total de aire 7 ± 1,5 6 ± 1,5 5 ± 1,0 4,5 ± 1,0 4 ± 1,0

Daño por Congelamiento 53 Para que ocurra daño por congelamiento el Hº debe estar saturado, por lo que allí se centran los fenómenos de fisuración por C-D. La fisura típica adopta la forma de una letra D, identificándose en inglés como D-cracking.

Relación entre temperatura del aire y el comportamiento del hormigón 54-10 C -5 C 0 C 5 C 15 C Fresco No hormigonar Precauciones Retardo fragüe Joven f c < 4 Mpa Deterioro irreversible Evolución lenta de la resistencia Endurecido f c > 4 Mpa Hum < Sat crít. Hum > Scrít. + AII Hum > Scrít sin AII Evolución lenta de resistencia

Hormigón en tiempo caluroso 55 Se define como tiempo caluroso, a cualquier combinación de elevada temperatura ambiente, baja H.R. y vientos, que tiendan a perjudicar la calidad del Hº fresco. Se prestará especial cuidado en las tareas de curado. Trabajar con la menor cantidad de agua posible. Diseñar la mezcla con el menor contenido de arena, que permita trabajabilidad y terminación adecuadas. Mantener los acopios de áridos gruesos saturados. Regar la cancha, previo a la colocación del Hº. Controlar la evolución de las temperaturas. Si bien CIRSOC indica no colocar Hº con temp > 30ºC la experiencia demuestra que ese valor puede ser superado.

Temperatura altas 56 Efecto Aceleración del fraguado Evaporación rápida Aceleración de las reacciones de hidratación Mayores gradientes de temperatura Consecuencia Menor tiempo disponible Mayor tendencia a la fisuración plástica Mayor resistencia inicial Menor resistencia final Riesgo de fisuración Térmica

Evolución de las temperaturas 57 Evolución de las temperaturas Ruta 6 T IV 12-01-05 Temperatura [ºC] 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 Hora coloc: 11:30 Temp. Coloc: 32,5ºC Dif. Sup - Inf inferior medio superior ambiente 15 10 5 0-5 -10 Diferencia de temp. Sup-Inf 15-15 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 00:00 02:00 04:00 06:00 08:00 10:00 12:00 Hora del día Gradiente del orden de 3 C / hora - delta de 27 C en 9:00 horas

58 MUCHAS GRACIAS!!! Arq. Edgardo Souza esouza@icpa.com.ar www.icpa.com.ar