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Concreto de Alto Desempeño Alma Reyes, MSc Febrero 2010

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Concreto de Alto Desempeño

Alma Reyes, MSc

Febrero 2010

Contenido

• Introducción y conceptos

• Principios

• Durabilidad

• Especificaciones

• Aplicaciones

Introducción y Conceptos

• Trabajabilidad (superplastificantes)• Hidratación del cemento (Powers, 1968)• Características de desempeño

– Trabajabilidad– MOE– Resistencia a la flexión– Permeabilidad– Resistencia a la abrasión– Durabilidad

a/mc = 0,40

• Mejor retorno de inversión• Alternativas de diseño

– Espacios– Eficiencia del volumen de concreto– Disminución de secciones como columnas– Disminución cargas muertas

• Funcionalidad• Arquitectura: Estética• Evolución de la industria de los prefabricados• Durabilidad obras infraestructura

Razón de ser/soluciones del CAD

Introducción y Conceptos

• Restricciones tecnológicas de los Reglamentos de construcción

• Zonas sísmicas: ductilidad del acero vs. concreto

• Conocimiento de las alternativas de materiales

Factores de uso del CAD

Introducción y Conceptos

Convencional vs. CAC

Malla de acero recubierta de epóxico

Largo = 1,2 mAncho = 61 cmEspesor = 5 cm

Paneles

Introducción y Conceptos

Mezcla 3 Mezcla 1Mezcla 2

Principios

Resistencia a la compresión

Propiedades elásticas

Permeabilidad

Microestructura

Principios

• Mortero

• Agregados

• Zona de transición

• Porosidad

• Reología

• Adiciones cementantes

• Superplastificantes

Mejoramiento de la resistencia

Baja relación a/mc

0,20 ≤ a/mc ≤ 0,40

• Reactividad del cemento• Aditivo

– Cono Marsh y temperatura de hidratación• Compatibilidad • Punto de saturación

– Naftaleno o Melamina– Policarboxilato

Principios

Principios

Cono Marsh

CAC

Deformabilidad

Estabilidad

↑ Vpasta↓ Vagregado

↓ a/pAMV

SP

Principios: Concreto Autoconsolidable

Sobredosis RAAR / SP

Sensibilidad a las variaciones del

contenido de agua

Segregación y sangrado

Modificadores de viscosidad Estabilizadores

↑ ↑

Principios: Concreto Autoconsolidable

Principios: Concreto Autoconsolidable

Diseño típico y desempeño del CAC

L/m30,8 a 2,30 a 0,15AMV

28 días

1 día kg/cm27220Resistencia a la compresión

AnteriorRecienteTecnología aditivos

h158Fraguado

480

64 a 68

1,5 a 3

50/50

0,40

445

500

6 a 7

kg/cm2

cmExtensibilidad

L/m3RAAR

volumenGrava/Arena

a/p

kg/m3Cemento

Flujo de revenimiento

Agregados

• Tamaño máximo limitado a 20 mm– Frecuentemente 12 mm (CAC)

• Granito/Cuarzo– Dureza– Baja permeabilidad– Limpios (buena adherencia agregado-pasta)

• Compacción (buena granulometría)– Nivel macroscópico– Nivel microscópico: RPC

Principios

Densa estructura de poro

• Baja porosidad total / Refinamiento de poros• Mejoramiento de la ZT (densificación de la interfase pasta-agregado)– Reducción significativa de la continuidad de la estructura de poro del CAD

– Uso de humo de sílice (5 a 10% del material cementante)

Principios

[Sarkar, Kassab & Aïtcin, 1998]

Principios

[kg/m3]

Two Union Square Seattle, USA

Nova Scotia Plaza

Toronto, CanadáTípico

0,230,300,35a/mc

15,7

----

5,9

0,9

5

----

RAAA [L/m3]

RA [L/m3]

130145145Agua

685745740Arena

108011301100Grava

43

----

36

137

20

----

Microsílica

Escoria

513315405Cemento

Concreto de Alto Desempeño

Principios

Two Union Square Seattle, USA

Nova Scotia Plaza

Toronto, CanadáTípico

9167----7 días

----

145

89

93

----

----

56 días

91 días

119836028 días

Resistencia a la compresión en MPa

Concreto de Alto Desempeño

Principios

Principios

• Puzolana artificial• Forma esférica• Gran superficie específica• Cohesión depende del % de microsílica• Resistencia tanto a edad temprana como a largo plazo• Mejora características de la zona de transición• ↓ Sangrado externo e interno• ↓ Diámetro de poros• ↓ Permeabilidad

Microsílica

Curado

Curado

Principios

[Aïtcin, 2001]

ACI 201 Guía para el Concreto Durable

Durabilidad

• Resistencia a la abrasión (ACI 210) (ACI 302)– Pavimentos, estructuras hidráulicas, estructuras marinas

• Resistencia a los ciclos de congelamiento-deshielo (ACI 306)– Resistencia al descascaramiento

• Resistencia al agua de mar (ACI 357)• Resistencia a la Reacción Álcali-Agregado (ACI 221)• Resistencia a la Carbonatación• Resistencia al fuego (ACI 216)• Corrosión del acero de refuerzo (ACI 222)

– Resistencia a la penetración de iones Cloro– Otros materiales de refuerzo: acero inoxidable, acero galvanizado, acero recubierto de epóxico, fibra de vidrio

– Mejoramiento de la calidad del concreto de recubrimiento

Tecnología de Litio

Durabilidad

Reacción Álcali-Agregado

Aire incluido

Durabilidad

Congelamiento-Deshielo

Corrosión del acero en el concreto

Depasivación Propagación (corrosión)

Grado de corrosión

Tiempo

Sin inhibidor

de corrosiónCon inhibidor

de corrosión

Durabilidad

Contracción

Triángulo de hidratación

Resistencia

↓ Volumen

Calor

Durabilidad

Química y EndógenaPlásticaPor secadoTérmicaCarbonataciónOtras

Contracción total

+

Durabilidad

• La más conocida• Inicia al final del fraguado, cuando gran parte de la contracción química ya tuvo lugar

• Puede continuar por varios añosdependiendo del tamaño y forma de la masa de concreto

Contracción por secado

Durabilidad

• Respuesta de la pasta de cemento:–El concreto endurecido se expande ligeramente al ganar humedad y se contrae al perderla

• Al secarse los poros capilares, la tensión hidrostática del menisco formado ejerce un esfuerzo dentro del esqueleto rígido de CSH ocasionando contracción en la pasta de cemento

Durabilidad

• Las grietas ocurren al desarrollarse esfuerzos significativos cuando la deformación del concreto está restringida (cimentación, rasante, refuerzo o miembros de conexión)

σC > σT

si σContracción > σT → ¡grietas!

• No es sólo una cuestión estética sino también de Durabilidad

Durabilidad

AgrietamientoContracción + Libertad de movimiento = No hay grietas

Contracción + Restricción por sub-base = Grietas

Durabilidad

Importancia de la cantidad de agua en la mezcla

[Kosmatka, et al. 2002]

Importancia del curado húmedo

[Aïtcin, P.-C. 1999]

0Tiempo

Contracción Expansión

Curado húmedo 7 días

Exposición al aire

Cambio de longitud

Compensación de contracción

Reducción de contracción

Concreto (CPO)

[ACI 223]

Reducción vs. Compensación

Compensación

Para poder compensar la contracción,

se requiere restringir la deformación del concreto internamente por medio de acero de refuerzo

Así, la expansión inducirá esfuerzos de tensión en el refuerzo y de compresión en el concreto

Compensación

La contracción producida por el secado subsecuente se reducirá o mitigará gracias a las deformaciones expansivas

Reducción o eliminación de los esfuerzos de tensión que puedan resultar en fisuración

Cementos expansivos, componente G y componente K

Durabilidad

• Aditivos líquidos• Dosis ~ 1 a 2% del material cementante

• Reducen la contracción por secado al disminuir la tensión superficialde la solución de poro

• Reducción de la contracción ~ 40%

Reducción con aditivos

Especificaciones

• Volumen pasta: 20 a 40%• Volumen agregados: 60 a 75%

• Consideraciones de durabilidad• Consideraciones de colocación y curado

El desempeño no sólo es función de f’c

Especificaciones

> 125 MPa0,25 a 0,20

100 a 124 MPa0,30 a 0,25

75 a 100 MPa0,35 a 0,30

50 a 75 MPa0,40 a 0,34

Variación de la resistencia a la compresión máxima

a/mc

Resistencia a la compresión

Especificaciones

f (componentes del concreto)

Módulo de elasticidad

[Baalbaki, 1997]

Especificaciones

Módulo de elasticidad

[Baalbaki, 1997]

Especificaciones

Curva esfuerzo-deformación

[Baalbaki, 1997]

Concreto bajo agua (CRD C 61)

Especificaciones

Especificaciones CAC

• Permite colocar adecuadamente concreto en:– Elementos densamente armados

– Elementos con geometría complicada

• Facilita la colocación– De fácil bombeo

– ↓ Costo por mano de obra calificada

– ↓ Costo por concepto de equipo

– ↑ Rapidez de ejecución

• ↓ Ruido durante la colocación• Elimina la vibración

• Mejora la apariencia– ↓ Oquedades

– ↓ Re-trabajo de piezas

– ↓ Costo por concepto de acabado

Especificaciones CAC

• Adecuado control de calidad– Contenido de agua: a/p– Deformabilidad y estabilidad– Contenido de aire– Secuencia de mezclado

Especificaciones CAC

Especificaciones

• Extensibilidad

• Caja L

• Caja U

• Anillo J

• Caja de capacidad de llenado

• Embudo V

• Columna de segregación

Concreto Autoconsolidable

Caja L Distintas varillas, espacios vs. diseño de mezcla

3 varillas Ø=14mm @ 39mmProporción de bloqueo

H2/H1 ≥ 0,80

H2

H1

20 cm

10 cm

15 cm

70 cm

Especificaciones

Anillo J

JAnilloCASTM idadextensibilidadextensibilpasodeCapacidad −= 1611

ASTM C 1621

Bloqueo notable a extremo> 50 mm

Bloqueo mínimo a notable25 a 50 mm

Sin bloqueo visible0 a 25 mm

Valoraciónext.C 1611

– ext.Anillo J

Caja capacidad de llenado

Especificaciones

0

1002

=→≤

×

+−

=→>

estáticanSegregacióAGAGSi

AGAG

AGAGestáticanSegregacióAGAGSi

si

si

sisi

Especificaciones

Columna de segregación

ττττ0

µµµµ

Bingham

Newton

ds/dt

Esfuerzo cortante

Especificaciones

Reología

Especificaciones para concreto

• Contenido de agua

• Resistencia:– A la flexión

– A la compresión

• Granulometría combinada

• Contenido de aire

• a/mc

• Trabajabilidad y Reología

• Cambio de longitud

• Componentes

Especificaciones

• Reunión preparatoria

• Especificaciones

• Prueba piloto

• Control de calidad

• Muestreo

• Colocación

• Curado

Aplicaciones

• Concreto Autoconsolidable• Elementos prefabricados• Columnas y muros• Geometrías complejas• Reparaciones• Estructuras de contención• Fast-track• Concreto bajo el agua• Concreto de baja permeabilidad

• Segregación en la parte inferior• 15 a 20 cm revenimiento• Vibrado necesario• Oquedades

Mayor productividad

Prefabricados

Concreto arquitectónico

• CAC

• 50% Ceniza volante

• Contrachapado de polietileno

• Acabado espejo

Aeropuerto Internacional de Toronto

Muros de contención, Montreal, Canadá

• Muro:– h = 6 m

– Espesor = 18 cm

• CAC con aire incluido– 6% ≤ aire ≤ 9%

• a/mc = 0,39

• 2,3 kg/m3 de Tuf Strand SF

• f’c = 470 kg/cm2

EspecificacionesProyecto Jarry-Querbes

Concreto Autoconsolidable

Antes de la reparación

Extensibilidad

~ 72 cm inicial

~ 64 cm a 1 h

Concreto de Baja Permeabilidad

• Cemento CPO 30 RS 350 kg/m3

• Eucon MSA 25 kg/m3

• Arena de río 884 kg/m3

• Grava ¾ semitriturada 1038 kg/m3

• Eucon 537• Revenimiento = 18 cm

Cuarto de Rayos X

Viaducto Bicentenario

Concreto CriogénicoTanques para Gas Natural Quintana Island, Freeport, Texas

• Altura : 42 m• Espesor muros: 0,35 a 0,55 m• 3600 m3 concreto• Colado continuo• Cimbra deslizada• Cemento CPO 30 RS BRA • f’c = 250 kg/cm2 cimentación• f’c = 300 kg/cm2 deslizado

Silo para cemento, Tabasco

• 22 niveles

• 500 ≤ f’c ≤ 600 [kg/cm2]

• Cemento CPO 30 RS

Condominios Grand Santa Fe, Ciudad de México

Conclusiones

• Durabilidad vs. Alta resistencia

• Tendencias de la industria a largo plazo

• Difusión de tecnología del concreto

Retando a los CAD

Explotar las características de la matriz de cemento

Estación de tren Mónaco

Puente peatonal Sherbrooke, Canadá

Retando a los CAD

Gracias

Alma Reyes, MSc

[email protected]