Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural CONCRETOS DE ALTA RESISTENCIA María Paula Dávila Mercado 1 y Sergio Valdés Constantino 2 RESUMEN El objetivo de nuestra investigación consiste en fabricar concretos con resistencia superior a 100 MPa, empleando para ello agregados disponibles en el Valle de México. Actualmente, en el mercado nacional, es complicado obtener una mezcla con resistencia superior a 70 MPa. A base de experimentar con diversos materiales, encontramos una mezcla que cumple con las características que buscamos, logrando una resistencia de 120 MPa. Esperamos que este material sirva como base para futuras investigaciones sobre concretos de alta resistencia y que finalmente el empleo de estos materiales sea incluido en nuestra normatividad. ABSTRACT The goal of our research is to produce concrete with strength greater than 100 MPa, employing aggregates available in the Valley of Mexico. Currently, in the domestic market, it is difficult to obtain a mixture with greater than 70 MPa. Based on experience with various materials, we find a mix that meets the characteristics we look for, achieving a strength of 120 MPa. We hope this material will serve as a basis for future research on high strength concrete and finally the use of these materials is included in our regulations. INTRODUCCIÓN El ACI define a un concreto de alta resistencia como aquel que alcanza una resistencia igual o superior a los 50 MPa a los 28 días de ser fabricado. Usualmente, estos concretos son considerados como de alto desempeño, sin embargo, para cumplir esta condición deben poseer además otras características como son una adecuada trabajabilidad, ductilidad y durabilidad. Los métodos para la producción de concretos de alta resistencia no suelen variar demasiado de los métodos para la producción de concreto de resistencia normal. Sin embargo, el control de calidad en los materiales es esencial para la producción de concretos de alta resistencia. Los concretos de alta resistencia se pueden producir con una amplia gama de agregados, los más adecuados son los de un tamaño de entre 10 y 15 mm, que no sean muy alargados. Asimismo, se ha comprobado que los agregados de menos tamaño granular son los que tienen mejor cohesión y mejores resultados de resistencia, por lo que los tamaños de 10 a 17mm son los más recomendados. Las sales finas deben de evitarse, en particular las sales con mayor absorción. La selección de los cementos para los concretos de alta resistencia debe basarse en pruebas comparativas de resistencia a los 28, 56 y 91 días. Es preferible un concreto probado a los 91 días, ya que a esta edad ya posee muchas de sus propiedades y resistencias. 1 2 Ingeniera Especificadora, Hilti Mexicana S.A. de C.V., Jaime Balmes no. 8-102, Col. Polanco I Sección, 11510 México, D.F. Teléfono: (55)5387-1614; mariapaula.davila@hilti.com Coordinador de Ingeniería, Ingenieros Civiles y Asociados S.A. de C.V., Viaducto Río Becerra no.27, Col. Nápoles, 03810 México D.F. Del. Benito Juárez Teléfono: (55)5272-9991 Ext: 1280; sergio.valdesc@ica.mx 1
XIX Congreso Nacional de Ingeniería Estructural Puerto Vallarta, Jalisco, 2014 Para el resultado óptimo de diseño de mezcla se deben seleccionar los materiales disponibles a nivel local, que garanticen el desarrollo de la resistencia y otras propiedades deseadas en el concreto como se especifica en el diseño. Los concretos de alta resistencia se pueden clasificar en: Tabla 1 Clasificación de concretos de alta resistencia Tipo de concreto Resistencia Normal High Strength Concrete (NHSC) 50-100 MPa High Strength Concrete (HSC) 100-150 MPa Very High Strength Concrete (VHSC) >150 MPa En este estudio se encuentra una mezcla que entra en la clasificación como HSC (ICA Ingeniería, 2012). AGREGADOS DESCRIPCIÓN DE LOS MATERIALES Los agregados deben ser densos y durables. Tienen que ser compatibles, en términos de rigidez y resistencia con la pasta de cemento. En general, menor tamaño máximo de agregado grueso es óptimo para los concretos de alta resistencia. La arena puede ser más gruesa que la permitida por la norma ASTM C 33 (módulo de finura mayor a 3.2) debido al alto contenido de cementantes en la mezcla. Es importante la resistencia que tengan los agregados por si mismos así como la adhesión con la pasta cementante. Debido al alto porcentaje de materiales cementantes, se recomienda un incremento en los contenidos de agregados gruesos en comparación con los usados en concretos convencionales. Por esta misma razón, el rol que juegan los agregados finos (como la arena) para proveer trabajabilidad y buenos acabados, no es tan crucial como en las mezclas convencionales. Las propiedades de los agregados afectan en gran medida al módulo de elasticidad. Si el agregado tiene la habilidad de producir un alto módulo de elasticidad, entonces es posible usar tanto agregado como sea práctico, mientras se mantengan las condiciones de trabajabilidad y cohesión requeridas. Figura 1 Agregados empleados en el estudio 2
Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural CEMENTO Las mezclas de concreto de alta resistencia tendrán un alto contenido de cemento, que aumenta la contracción por lo que hay riesgos de agrietamiento. La mayoría de las mezclas pueden contener adiciones cementantes tales como cenizas volantes, escoria granulada, humo de sílice o algún material puzolánico. El contenido total de material de cemento será típicamente alrededor de 700 kg/m³, pero no más que 1100 kg/m³. Los cementos se identifican por el tipo y la clase resistente. Si el cemento tiene especificada una resistencia inicial a temprana edad se añadirá la letra R. En el caso de que un cemento tenga alguna característica especial, su designación se completa de acuerdo con la nomenclatura indicada en la norma respectiva. Para lograr mayores resistencias es recomendable emplear cementos de resistencia mayor. De preferencia del tipo Portland ordinario (CPO), ya que sus características son más constantes a diferencia de los tipo Portland compuestos (CPC). En México, la norma que aplica a este tipo de cemento contiene rangos muy variables en cuanto a su composición, esto obliga a analizar los componentes del cemento y tratar de establecer porcentajes similares en el cemento compuesto para lograr resultados en la mezcla satisfactorios. Las mezclas de concreto de alta resistencia generalmente necesitan tener una baja relación agua-cemento. Esta relación puede estar en el rango de 0.23 a 0.35. Esto se puede lograr con el uso de reductores de agua de alto rango. ADITIVOS Los aditivos pueden ser utilizados para el mejoramiento del desempeño del concreto en su estado fresco y endurecido. Son principalmente utilizados para mejorar la trabajabilidad, la durabilidad y la resistencia. Las mezclas de concreto con elevados contenidos de cemento son susceptibles a las fisuras y a una mayor generación de calor. Estos efectos pueden ser controlados en alguna medida mediante la utilización de adiciones al cemento. Estos materiales modifican la microestructura del concreto y reducen su permeabilidad por lo que consecuentemente reducen la penetración de agua y sales disueltas en el concreto. La impermeabilidad del concreto reducirá varias formas de deterioro del mismo, tales como la corrosión del acero de refuerzo y el ataque químico. La mayoría de las adiciones al cemento reducen la expansión interna del concreto debido a reacciones químicas tales como la reacción álcali agregado y el ataque de sulfatos. El uso de aditivos debe hacerse conociendo, en primera instancia, el requerimiento y de esta manera poder definir adecuadamente el producto a emplear. También es de suma importancia conocer perfectamente las características del aditivo que deberemos utilizar para obtener los resultados esperados. Dentro de las adiciones cementantes, para los concretos de alta resistencia se emplean comúnmente la ceniza volante y el humo de sílice. La ceniza volante es un subproducto de la combustión del carbón pulverizado en plantas generadoras de electricidad, mientras que el humo de sílice es un subproducto resultado de la reducción del cuarzo de alta pureza con carbón en hornos eléctricos durante la producción de liga de silicio o ferrosilicio. Al contar con partículas más pequeñas que el cemento, estos materiales ocupan el espacio que queda entre las partículas de un concreto convencional aumentando la cohesión y por su propiedad puzolánica produce silicatos de calcio haciendo una mezcla más resistente. Para mejorar la trabajabilidad de la mezcla, y debido la baja relación agua-cemento, es necesario incorporar aditivos reductores de agua de alto rango, cuya función radica en separar los grumos que se forman entre las partículas de cemento ya que se cargan negativamente lo que provoca un rechazo entre ellas. Esto lleva a una mezcla con mayor fluidez lo que hace que sea más trabajable. Los aditivos estabilizadores de cemento también son empleados en los concretos de alta resistencia. Su principal función es prolongar la hidratación del cemento y esto implica que mejore el comportamiento de la mezcla en estado fresco. 3
XIX Congreso Nacional de Ingeniería Estructural Puerto Vallarta, Jalisco, 2014 Figura 2 Reductor de agua de alto rango y humo de sílice AGUA Se empleó agua proveniente de la red de agua potable de la ciudad de México. MEZCLAS DE CONCRETO DE ALTA RESISTENCIA DISEÑO El diseño de las mezclas se llevó a cabo de acuerdo con las recomendaciones del ACI 211.1 por el método de volúmenes absolutos. Para el diseño de las mezclas se dejan algunas variables fijas como lo es el tipo de agregados, la cantidad de los mismos así como la cantidad de cemento. Cada una de las mezclas diferentes de concreto producirá 10 cilindros ASTM C430 estándar, de 20cm altura y 10cm diámetro, para pruebas a resistencia a compresión, módulo de elasticidad y resistencia a la tensión. MEZCLADO El éxito en la elaboración de la mezcla depende mucho de la secuencia en la que se desarrolla. Para nuestro estudio lo desarrollamos de la forma siguiente: Se coloca en la revolvedora el agregado grueso + microsílica + cemento + arena en estado seco. Se tapa con un trapo la revolvedora, para evitar que todo el polvo salga, y se revuelve por 1 minuto, para homogenizar todos los materiales en el estado seco. Se vierte el agua a la revolvedora poco a poco, y desde el momento en que cae el agua se miden 2 minutos en el tiempo de mezclado. Se dejan aproximadamente 200 ml para enjuagar la probeta de los aditivos. En el minuto 3 se coloca el reductor de agua, y se continua con el mezclado 5 minutos para permitir que el aditivo trabaje. Del poco de agua que queda, se enjuaga la probeta y se adiciona en el minuto 6. En el minuto 8 se coloca el estabilizador. En el minuto 9 se para la revolvedora. 4
Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural ETAPA A Identificación de bancos de materiales PROGRAMA EXPERIMENTAL Para la identificación y obtención de materiales, se monitorearon bancos del Valle de la Ciudad de México, así como bancos de los estados cercanos al Distrito Federal. El objetivo fue encontrar materiales pétreos que contaran con una densidad mayor a 2.6. Se recolectó una muestra de estos materiales, los cuales se analizaron para determinar su densidad como primer filtro y ver si se procedía con el resto de las pruebas. Las propiedades físicas del resto de los agregados fueron analizadas, así como la pérdida por abrasión y coeficiente de forma, de tal forma que permitiera continuar con los análisis correspondientes y obtener el agregado idóneo para realizar las mezclas de Concretos de Alta Resistencia (ICA Ingeniería, 2013a). Dentro de las propiedades físicas se tiene: Composición granulométrica de los agregados: Su importancia radica en tener tal disposición, de manera que ocupen la mayor masa del concreto, compatible con su trabajabilidad. Masa volumétrica seca suelta, kg/m 3 : Con ello se busca obtener la relación masa volumen del material y poder dimensionar cantidades durante el proporcionamiento del concreto. Masa volumétrica seca compactada kg/m 3 : Valores de magnitud considerable posibilitan un máximo acomodo de las partículas facilitando la manejabilidad del concreto, tiene que ver de manera directa con una adecuada composición granulométrica y su densidad. Masa específica saturada y superficialmente seca (MESS): Es la relación de masa volumen, considerando la masa de las partículas saturadas de agua y superficialmente secas y el volumen de las partículas que incluyen los espacios de los vacíos que se encuentran dentro de las mismas. Suele considerarse una variante de la densidad de los agregados, valores de gran magnitud consiguen la utilización de menor cantidad de cemento en cada uno de los diseños. Absorción %: Es la cantidad máxima que puede ser retenida por las partículas que conforman un agregado, es una magnitud a considerar dentro del diseño de proporcionamiento de los concretos. Menores valores de absorción, representan variaciones diminutas en el diseño de la manejabilidad del concreto medida a través de la prueba de revenimiento o en su caso de fluidez. Tamaño máximo nominal de agregado (mm): Existe una hipótesis todavía no bien fundamentada para concretos de alta resistencia: con un contenido elevado de cementante y una baja relación agua cemento se requieren tamaños nominales relativamente bajos, esto se debe a una reducción de esfuerzos de adherencia debido al aumento de la superficie específica de las partículas. Para esta investigación se procuraron tamaños máximos de 13 y 20 mm. Módulo de finura: Con ello es posible clasificar el agregado que pasa la malla 4,76 mm, como fino, mediano ó grueso. Las magnitudes obtenidas para los agregados utilizados definen como gruesa la arena empleada. Las arenas gruesas dificultan la manejabilidad del concreto pero son indispensables para conservar una baja relación agua cemento. Partículas más finas que la malla No. 200 por medio de lavado, %: Es importante como se da en esta investigación que los porcentajes que pasen malla número 200 (0.074 mm) sean de baja magnitud y se comprueba en ellos seabn de baja plasticidad, con ello se evita fenomenos de contracción indeseables. 5
XIX Congreso Nacional de Ingeniería Estructural Puerto Vallarta, Jalisco, 2014 Contenido de materia orgánica: Es deseable que los agregados no contengan impurezas orgánicas, ello pudiera ocasionar reacciones no controladas durante la producción del concreto. Dentro de los criterios de selección de los agregados intervinieron varios factores como la densidad, absorción y porcentaje de partículas finas. De esta forma se determinó la Grava Basáltica 003 debido a su alta densidad y la baja absorción del material, mientras que para la arena se seleccionó Arena 014 del mismo banco por las mismas características, cuyos resultados se reflejan a continuación en la tabla 2 y tabla 3. Tabla 2 Pruebas de Laboratorio (Propiedades físicas de los agregados finos) Propiedades físicas Arena 010 Arena 012 Arena 013 Arena 014 Planta PRET Santa María. Túnel Emisor Oriente Tequesquinahuac Cervantes Masa volumétrica seca suelta, kg/m 3 1401 1390 1392 1598 Masa volumétrica compacta suelta, kg/m 3 1515 1467 1505 1720 Masa específica saturada y superficialmente seca 2.64 2.53 2.46 2.79 Absorción % 2.6 3.1 4.3 1.52 Módulo de finura 4.41 3.33 3.17 2.76 Partículas más finas que la malla No.200 por medio de lavado, % 5.2 6.2 11.8 9 Contenido de materia orgánica Positivo Negativo Negativo Negativo Límite de Consistencia CL ML ML ML *La columna seleccionada en gris obscuro, indica que es el material seleccionado para la realización de las mezclas. Se busca una densidad alta, baja absorción y presencia de pocos finos. Propiedades físicas Tabla 3 Pruebas de Laboratorio (Propiedades físicas de los agregados gruesos) Grava Caliza 002 Planta PRET Grava Basalto 003 Cervantes Grava Caliza 004 Cerro Jardín- Cemex Grava Caliza 005 Cerro Jardín - Cemex Grava Caliza 006 Planta PRET Masa volumétrica seca suelta, 3 1463 1493 1485 1482 1469 kg/m Masa volumétrica compacta 3 1547 1574 1546 1543 1561 suelta, kg/m Masa específica saturada y superficialmente seca 2.7 2.8 2.72 2.73 2.68 Absorción % 0.4 0.98 0.7 0.8 0.5 Tamaño máximo nominal del agregado, mm Partículas más finas que la malla No.200 por medio de lavado, % 25 20 25 25 25 0.6 0.5 0.9 0.9 0.5 Coeficiente de forma 0.2 0.22 0.17 0.23 0.22 Resistencia a la degradación por abrasión e impacto de agregado grueso usando la máquina de los ángeles (No mayor de 50%) 32 11 38 38 32 *La columna seleccionada en gris obscuro, indica que es el material seleccionado para la realización de las mezclas. Se busca una densidad alta, baja absorción y presencia de pocos finos. 6
Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural En las tablas 4 y 5, se observan los resultados de las granulometrías de los agregados, tanto para la grava como para la arena. Tabla 4 Curva granulométrica - Grava Basalto 003, Cervantes Malla No. Material Retenido, g Material Retenido, % Material Retenido Acumulado, % Material que pasa, % 1" 0 0.00 100 3/4" 0 0.0 100 1/2" 0 0.0 0 100 3/8" 700 70.0 70 30 4 270 27.0 97 3 8 30 3 100 0 Suma 1000 100.00 Tabla 5 Curva granulométrica Arena 014, Cervantes Malla No. Material Retenido g Material Retenido % Material Retenido Acumulado, % Material que pasa, % 0 10 20 Material que pasa,% Material retenido acumulado,% 3/8" 0 0.00 0 100 30 4 31 5.00 5 95 8 86.8 14.0 19 81 16 111.6 18.0 37 63 30 136.4 22.0 59 41 50 80.6 13.0 72 28 100 74.4 12.0 84 16 ch 99.2 16.0 100 0 Suma 620 100.00 40 50 60 70 80 90 100 ch 100 50 30 16 8 4 3/8" Recolección de muestras de materiales (cemento y aditivo) Cemento En cuanto al cemento se refiere, se recolectó el que fuera más similar al tipo CPO 30 RS BRA, según lo establecido en la etapa de investigación, sin embargo, no todas las cementeras producen ese tipo de cemento, por lo que se proporcionó una muestra por parte de las cementeras de un cemento compatible. 7
PRUEBAS FISICAS XIX Congreso Nacional de Ingeniería Estructural Puerto Vallarta, Jalisco, 2014 La tabla 6 muestra los resultados obtenidos del análisis de los cementos y para el desarrollo del programa experimental de este trabajo, se limitó a emplear tres tipos de cemento. En el criterio de selección del cemento, se consideraron los siguientes aspectos: Resistencia a la compresión a los 3 días: siendo así el que presenta mayor resistencia el cemento C4 con un valor de 30.7 MPa, el siguiente el C1 con 30.5 MPa y el siguiente el C2 con 29.4 MPa. Superficie específica: a mayor superficie específica menor resistencia y mayor reactividad, por lo que el más bajo y favorable en este sentido es el C4 con 388, seguido con el C2 con 405 y finalmente el C1 con 475. Finura: Es muy importante considerar la finura que presenta el cemento, por tratarse de elementos prefabricados, ya que entre más fino sea el cemento, más rápido se obtendrá la resistencia. Tomando esto en cuenta, se observa que los tres cementos mencionados tienen una finura similar encabezada por el C2 de 96.5, el C4 de 95.7 y el C1 de 94. Composición química: a pesar de que no se evaluaron los compuestos potenciales, se sabe que entre más óxido de sílice (SiO2), mayor será la concentración de silicato tricálsico (C3S), en este sentido la diferencia entre los tres cementos considerados no es trascendente. Se recolectó humo de sílice de cada una de las empresas de aditivos, con el fin de utilizarlos junto con los aditivos recomendados. Tabla 6 Propiedades físicas y químicas de los cementos C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 CPO 40 CPO 40 RS CPC 30RS BRA CPO 40 CPC 30R CPO 30R BRA CPP 30RS BRA BCH Consistencia normal % agua 26.8 28.2 27.2 28 28.9 24.6 29.4 Tiempo de fraguado vicat y/o gilmore Inicial Min 122 140 119 205 173 129 176 FINAL Min 287 287 279 365 373 271 395 Finura en % No. 200 No. 130 % que pasa % Que pasa - - - - - - - 94 96.5 96 95.7 94.9 92.3 96.6 Superficie específica, blaine m 2 /kg 475 405 474 388 457 361 490 Contenido de aire en el mortero % - - - - - - - Sanidad: expansión o contracción en autoclave Fraguado falso: penetración final % -0.03-0.02 0.01 0.06 0.06-0.03-0.03 % 58.8 87.5 72.4 89.3 73.3 71.4 79.3 A 24 h MPa - - - - - - - Resistencia a la compresión A 3 días A 7 días MPa 30.5 29.4 22.2 30.7 23.6 20.9 15.3 MPa 33.9 35.2 27 34.8 27.8 26.6 23.6 8
ANÁLISIS QUÍMICO Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 CPO 40 CPO 40 RS CPC 30RS BRA CPO 40 CPC 30R CPO 30R BRA CPP 30RS BRA BCH A 28 días MPa 41.4 45 36.4 40.4 34 36.1 37.8 Relación a/c 0.485 0.485 0.484 0.485 0.494 0.485 0.502 Fluidez % - - 107-108 0 105 SiO2- Sílice % 17.24 19.35 14.87 18.36 13.99 20.52 18.91 Al2O3- Alúmina % 6.36 5.6 6.94 6.58 5.98 5.22 5.92 Fe2O3- Óxido Férrico % 2.44 3.4 3.16 2.72 2.28 4.08 3.68 Ca O- Cal Combinada % 56.17 59.47 55.09 61.62 46.66 60.1 49.13 CaO- Cal libre % 0.89 2.03 1.02 1.14 1.52 1.08 0.95 MgO- Magnesio % 1.41 1.22 1.01 0.89 1.31 1.83 0.25 SO3- Trióxido de azufre % 4.09 3.44 3.26 3.08 1.77 2.7 2.93 Residuo Insoluble % 6 1.45 6.23 0.66 20.21 0.76 10.73 Pérdida por calcinación % 4.38 3.27 7.54 3.61 5.69 3.18 7.18 SUMA 98.98 99.22 99.11 98.67 99.41 99.48 99.69 Na2O- Óxido de Sodio % 0.43 0.62 0.55 0.62 0.42 0.28 0.43 K2O- Óxido de Potasio % 0.35 0.3 0.34 0.5 0.38 0.14 0.2 Total de álcalis (Na2O + 0.658 K2O) % 0.66 0.82 0.77 0.95 0.67 0.37 0.56 Productores de Aditivos Para el caso de los aditivos, se utilizó una muestra de cuatro diferentes empresas, teniendo al final cuatro marcas (Aditivo 1, Aditivo 2, Aditivo 3 y Aditivo 4). Análisis del tamaño del espécimen a utilizar para las pruebas del proyecto Las tendencias internacionales para los estudios de concretos de alta resistencia se enfocan principalmente en cilindros de 10 x 20 cm. En segundo lugar se emplean cubos y en tercer lugar y con poca aparición en los reportes de resultados y pruebas los cilindros de 15 x 30 cm. ETAPA B Para llevar a cabo esta etapa, se obtuvo una muestra de materiales de las empresas de aditivos y cementeras, con la finalidad de realizar mezclas de prueba con los agregados seleccionados para familiarizarse con ellos y obtener una mezcla de referencia. Para este caso se llevaron a cabo mezclas con y sin ceniza volante, para ver el efecto de éste material en la mezcla. 9
XIX Congreso Nacional de Ingeniería Estructural Puerto Vallarta, Jalisco, 2014 Mezclas Preliminares (Sensibilización) Dentro de las primeras mezclas que se llevaron a cabo, se utilizaron las mezclas de referencia de la literatura consultada, con la finalidad de obtener un proporcionamiento inicial (ICA Ingeniería, 2013a). Cada diseño de mezcla previsto en la tabla 7 son guías y se ajustaron de acuerdo a cada proveedor de aditivos químicos para proporcionar el diseño de la mezcla óptima a trabajar con sus productos y cada uno de los cementos seleccionados. Tabla 7 Proporcionamiento y resultados de mezclas de referencia Guías de diseños de mezclas Elemento Unidades cada m³ A Sin ceniza volante B Con ceniza volante Cemento, CPO 40 kg 564 475 Humo de sílice kg 89 74 Ceniza volante kg - 104 Agregado grueso kg 1068 1068 Agregado fino kg 593 593 HRWR tipo F l 20.11 16.44 Retardante tipo D l 1.46 1.5 Relación agua/cemento - 0.22 0.23 Propiedades del concreto fresco Revenimiento mm 254 235 Densidad kg/m³ 2486 2459 Contenido de aire % 1.1 1.4 Temperatura O C 17 17 Resistencia a la compresión 10 x 20 cm 3 días kg/cm 2 720 530 7 días kg/cm 2 920 770 28 días kg/cm 2 1170 1000 56 días kg/cm 2 1220 1160 91 días kg/cm 2 1240 1200 Módulo de elasticidad en compresión 10 x 20 cm 91 días kg/cm 2 565 000 534 000 Se llevaron a cabo 8 distintos proporcionamientos con y sin ceniza volante, donde se obtuvo la resistencia a compresión a 1, 7 y 28 días. Se identificó el efecto que producían los diferentes componentes así como la importancia del orden de mezclado, y de la misma forma se destaca que el uso de ceniza volante retrasa las resistencias a edades tempranas, por lo que se decidió no emplearla en la siguiente etapa. 10
Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural Por otro lado, las empresas de aditivos, elaboraron mezclas de prueba con la finalidad de encontrar un proporcionamiento óptimo para sus respectivos productos. Posteriormente, los resultados obtenidos por las empresas de aditivos fueron presentados y replicados en el laboratorio, con el objetivo de tener los mismos resultados. La figura 3 describe a grandes rasgos algunos de los problemas presentes en esta etapa. Figura 3 Mezclas Preliminares En un principio, la mezcla se embalinaba y para poder romper los balines, se tenía que agregar más agua y aditivo reductor de agua de alto rango. De la misma forma, se obtuvieron mezclas muy secas y poco manejables, y que presentaban al final una permanencia casi nula. Empresas de Aditivos De acuerdo a las muestras entregadas a las empresas de aditivos, se obtuvieron diferentes proporcionamientos que contribuyeron a obtener mezclas de partida que permitiera acercarnos a un concreto de alta resistencia. ETAPA C Protocolo de pruebas Después de haber realizado la etapa A, en donde se identificaron los bancos de materiales y los posibles agregados, cementos y aditivos a utilizar en la elaboración de las mezclas, así como de haberse efectuado la etapa B de sensibilización, se propone realicen una serie de mezclas a partir de los siguientes materiales: Cemento (3 marcas) Adición (4 marcas) Agua Arena (Basalto) Grava ½ (Basalto) Reductor de Agua de alto Rango (4 marcas) Estabilizador (4 marcas) 11
Cemento 1 Cemento 2 Cemento 3 Cemento 1 Cemento 2 Cemento 3 Cemento 1 Cemento 2 Cemento 3 Cemento 1 Cemento 2 Cemento 3 XIX Congreso Nacional de Ingeniería Estructural Puerto Vallarta, Jalisco, 2014 Concreto 120 MPa Aditivo 1 Aditivo 2 Aditivo 3 Aditivo 4 Figura 4 Aditivos y cementos a emplear en el estudio Para la realización del protocolo de pruebas de esta etapa se definieron las siguientes variables: Tipo de Cemento Porcentaje de adición cementante y tipo Cantidad de reductor de agua y tipo Cantidad de estabilizador y tipo De esta forma la tabla 8 nos muestra las cantidades variables y constantes en el protocolo presentado. Tabla 8 Porcentaje de variación de los componentes de las mezclas Material Unidad Cantidad Observaciones Cemento kg Variable 650 - Adición Adición kg Variable 5% - 10% - 15% Relación A/C - 0.25 Constante Arena kg 716 Constante Grava kg 891 Constante Reductor de agua de alto rango l Variable 7cc - 9cc - 11cc Estabilizador l Variable 1cc - 1.5cc - 2cc Por cada combinación de marca de cemento y de aditivo se tienen la matriz de la tabla 9. Tabla 9 Matriz de variaciones de los componentes Adición 5% 10% 15% Reductor de agua 7 cc 9 cc 11 cc Estabilizador 1 cc 1.5 cc 2 cc Para cada combinación se estudian 9 mezclas de la matriz, por lo que el número total de mezclas involucra a 4 empresas de aditivos y 3 de cemento, obteniendo al final 108 mezclas: (1) 12
Esfuerzo de falla (MPa) Resistencia a Compresión [MPa] Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural Resultados de la Etapa C Se obtuvieron las propiedades en estado fresco del concreto: temperatura, humedad relativa, trabajabilidad, revenimiento, extensibilidad, masa unitaria y contenido de aire; así como las propiedades mecánicas de resistencia a compresión a 1, 7, 28 y 56 días, módulo de elasticidad y resistencia a la tensión a 28 días de edad para las 108 mezclas. En el gráfico siguiente, se observa la evolución de la resistencia a compresión hasta 56 días de las tres mejores mezclas que seleccionamos después de analizar la gama de resultados. 140 120 100 80 60 CAR-017 10-9-1.5 CAR-024 10-11-1.5 CAR-068 10-9-1.5 40 20 0 0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48 51 54 57 60 Días Figura 5 Evolución de la resistencia para las tres mejores mezclas La tabla 10 muestra los resultados así como las dosificaciones de las tres mezclas seleccionadas Tabla 10 Resultados de resistencia a compresión y dosificaciones % Humo de Sílice cc Reductor de agua cc Estabilizador f cr 1 día (MPa) f cr 7 días (MPa) f cr 28 días (MPa) CAR-017 10 9 1.5 55.4 88.6 119.1 CAR-024 10 11 1.5 71.4 85.2 105.3 CAR-068 10 9 1.5 80.0 88.6 104.9 Por otro lado, la Figura 6 muestra una comparativa de las curvas esfuerzo deformación entre los concretos de alta resistencia y un concreto convencional con resistencia a la compresión de 35 MPa. 120 100 80 60 40 20 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Deformación en millonésimas AR-17 AR-68 AR-24 CONCRETO CONVENCIONAL 35 Mpa Figura 6 Curvas Esfuerzo - Deformación para las tres mejores mezclas así como para un concreto convencional 13
XIX Congreso Nacional de Ingeniería Estructural Puerto Vallarta, Jalisco, 2014 Como se puede apreciar, la curva esfuerzo deformación tiene mayor pendiente para los concretos de alta resistencia, lo que conlleva a un módulo de elasticidad superior. ETAPA D De acuerdo a los resultados obtenidos en la Etapa C, en la siguiente etapa se replica la mezcla más eficiente de manera industrial, en una planta de concreto de nuestro grupo, obteniendo un total de 15 mezclas (ICA Ingeniería, 2013b). Para la realización de la prueba industrial se utiliza la mezcla CAR-17, cuyo proporcionamiento se indica en la tabla 11. Cada una de las mezclas replicadas se realizó para un volumen de 2 m 3. Tabla 11 Proporcionamiento de la mezcla industrial para cada m 3 Material Unidad Cantidad Proporción Cemento (CPC 40/RS) kg 585.00 Humo de Sílice kg 65.00 10% cementante Agua kg 195.00 Arena (Basalto) kg 675.42 Grava ½ (Basalto) kg 828.79 Reductor de agua de alto rango ml 7150 11 cc Estabilizador ml 975 1.5 cc Las figuras 7 y 8 muestran parte del procedimiento ejecutado en esta prueba. Figura 7 Planta en donde se realizó la prueba Figura 8 Mezcla realizada en la prueba 14
Resistencia a Compresión [MPa] Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural Resultados de la Etapa D La figura 8 muestra la evolución de la resistencia a compresión a través del tiempo, en donde se aprecia que la forma de todas las curvas es muy similar. De estos resultados podemos destacar que, la resistencia promedio que se logra a 1 día de ensaye, con respecto a la resistencia a compresión alcanzada a los 28 días es de: [ ] [ ] (2) Para 7 días es de: [ ] [ ] (3) La sobreresistencia promedio lograda a los 56 días es de: [ ] [ ] (4) Por otro lado, la resistencia a la tensión por compresión diametral promedio en función de la resistencia a compresión a los 28 días es: [ ] [ ] (5) o bien (6) Mientras que para el módulo de elasticidad tenemos que: (7) 140 ADITIVO 3 / CEMENTO 3 120 100 Mezcla 1 Mezcla 2 80 Mezcla 3 Mezcla 4 Mezcla 5 Mezcla 6 60 Mezcla 7 Mezcla 8 Mezcla 9 Mezcla 10 40 Mezcla 11 Mezcla 12 Mezcla 13 Mezcla 14 20 Mezcla 15 0 0 7 14 21 28 35 42 49 56 Días Figura 9 Gráfica resistencia a compresión de las 15 mezclas 15
Resistencia a Tensión [MPa] Módulo de Elasticidad [MPa] Resistencia a Compresión [MPa] Resistencia a Compresión [MPa] Resistencia a Compresión [MPa] Resistencia a Compresión [MPa] XIX Congreso Nacional de Ingeniería Estructural Puerto Vallarta, Jalisco, 2014 Con los valores de la resistencia a compresión promedio, se determinan los gráficos que se muestran en la figura 10 y 11, donde se observa la dispersión de cada uno de los valores, así como el valor promedio de la resistencia a compresión marcado con una recta azul. Este tipo de gráficos provee una imagen visual de la producción y de posibles resultados inusuales (Gib y Harrison, 2010). 80 Resistencia a Compresión a 1 día 120 Resistencia a Compresión a 7 días 70 110 60 100 50 90 40 Media de 53 MPa 30 0 5 10 15 20 25 30 Mezclas 80 Media de 92.6 MPa 70 0 5 10 15 20 25 30 Mezclas 150 Resistencia a Compresión a 28 días 150 Resistencia a Compresión a 56 días 140 140 130 130 120 120 110 110 100 Media de 118.8 MPa 90 0 5 10 15 20 25 30 Mezclas 100 Media de 121.2 MPa 90 0 5 10 15 20 25 30 Mezclas Figura 10 Valor medio de la resistencia a compresión a 1, 7, 28 y 56 días 6.00 Resistencia a Tensión a 28 días 45000 Módulo de Elasticidad a 28 días 5.50 5.00 4.50 4.00 3.50 3.00 2.50 2.00 40000 35000 30000 25000 20000 Mezclas Figura 11 Resistencia a tensión y módulo de elasticidad a 28 días Mezclas 16
Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural CONCLUSIONES La tecnología del concreto está avanzando con forme pasa el tiempo. Se ha llegado al concepto de Concretos de Alto Desempeño, dentro de los cuales existen los Concretos de alta resistencia. Actualmente los concretos de alta resistencia se consideran como los que tienen una resistencia a compresión mayor a los 50 MPa, y como condición se presenta que la relación agua/material cementante sea menor a 0.40. Para concretos de 120MPa se requiere que la relación agua/material <0.30. Conforme se van mejorando las propiedades del concreto en el caso de los concretos de alta resistencia, se pone a prueba la ductilidad de los elementos, pudiéndose estos volver más frágiles. La ductilidad de los concretos de alta resistencia se puede incrementar con el uso de refuerzo de acero al alto carbono así como el implemento fibras de acero al alto carbono. Debido a que la resistencia del concreto va de acuerdo a la resistencia de los agregados por sí mismos, como se mencionó a lo largo del documento, las arenas y rocas que son de origen basálticas son más resistentes que las calizas. A su vez, las densidades para ambas rocas corren en el rango de: 2.6-2.9 respectivamente, por lo que es indispensable encontrar los correctos bancos de materiales de los cuales se extraerán los agregados, y con las mayores densidades posibles. Mientras mayor sea la densidad del material, mayor será la resistencia que proporcionará al concreto. La baja relación agua/material cementante en los concretos de alta resistencia, puede hacer que se presente la contracción por secado. Este problema se puede combatir por medio de la selección correcta de los agregados (agregados más densos) así como el uso de aditivos retardantes. En base a los resultados obtenidos de las 108 mezclas en el laboratorio, se recomienda que para la fabricación de concretos de alta resistencia, los agregados presenten una densidad mayor a 2.7. En este caso se usó grava basáltica de ½ del Banco de Cervantes, y arena basáltica del mismo banco de materiales. Un elemento imprescindible para el desarrollo de los concretos de alta resistencia, es la adición de humo de sílice en combinación con un reductor de agua de alto rango a base de policarboxilato, ya que permite obtener resistencias altas a los 28 días, así como en edades tempranas. El proceso de mezclado es importante, por lo que se sugiere realizarlo de la siguiente forma: Colocar en la revolvedora el Basalto + Microsílica + Cemento + Arena en estado seco. Revolver por 1 minuto, para homogeneizar todos los materiales en el estado seco. Incorporar agua a la revolvedora poco a poco, y desde el momento en que cae el agua se miden 2 minutos en el tiempo de mezclado. En el minuto 3 se coloca el reductor de agua de alto rango a base de policarboxilato, y se continua con el mezclado 5 minutos para permitir que el aditivo trabaje. En el minuto 8 se coloca el estabilizador. En el minuto 9 se para la revolvedora. Con base en la réplica de las 15 mezclas, de la mezcla CAR-17 seleccionada de la etapa C de la investigación, se obtuvo: La máxima resistencia a compresión alcanzada a 24 horas es de 62 MPa mientras que la mínima fue de 47 MPa y un promedio global de 53 MPa. La máxima resistencia a compresión alcanzada a 7 días es de 101 MPa mientras que la mínima fue de 88 MPa y un promedio global de 93 MPa. 17
XIX Congreso Nacional de Ingeniería Estructural Puerto Vallarta, Jalisco, 2014 La máxima resistencia a compresión alcanzada a 28 días es de 127 MPa mientras que la mínima fue de 107 MPa y un promedio global de 119 MPa. La máxima resistencia a compresión alcanzada a 56 días es de 129 MPa mientras que la mínima fue de 110 MPa y un promedio global de 121 MPa. La máxima resistencia a tensión por compresión diametral alcanzada a 28 días es de 4.9 MPa mientras que la mínima fue de 4.3 MPa y un promedio global de 4.7 MPa. El máximo valor de módulo de elasticidad alcanzado a 28 días es de 38 471 MPa mientras que el mínimo fue de 35 862 MPa y un promedio global de 37 268 MPa. La curva esfuerzo deformación tiene mayor pendiente para los concretos de alta resistencia, comparando contra un concreto convencional lo que conlleva a un módulo de elasticidad superior. Para cumplir con el objetivo de lograr resistencias tempranas (24 h) y altas resistencias en general, el cemento que se debe emplear debe contener la terminación 40R ya que este tipo de cemento tiene una resistencia mayor y actúa con mayor velocidad que el resto. Para el caso de esta mezcla, ICA Ingeniería recomienda realizar más pruebas para determinar una permanencia mayor. Aunque se obtuvieron buenas características en estado fresco, y se alcanzaron las resistencias deseadas, la permanencia resultó considerablemente baja, por lo que el concreto comenzaba a fraguar en un tiempo muy reducido. En este caso, se recomienda aumentar la concentración del estabilizador. REFERENCIAS ACI 214R-02 (2002). Evaluation of Strength Test Results of Concrete. Reported by ACI Committee 214 ACI 211.1. Standard Practice for Selecting Proportions for Normal, Heavyweight and Mass Concrete. ACI 211.1. Reported by ACI Committee 211 ASTM C 33. Standard Specification for Concrete Aggregates. ICA Ingeniería (2012). Reporte de Investigación Primera Fase, Concretos de Alta Resistencia. ICA Ingeniería (2013a). Reporte de Investigación Segunda Fase, Concretos de Alta Resistencia. ICA Ingeniería (2013b). Reporte de Investigación Tercera Fase, Concretos de Alta Resistencia. Ian Gibb and Tom Harrison (2010). Use of Control Charts in the Production of Concrete. ERMCO Report. 2004. Normas Técnicas Complementarias para Diseño y Construcción de Estructuras de Concreto. 18