maría paula dávila mercado1 y sergio valdés constantino ... · pdf...

1

Sociedad Mexicana de Ingeniería EstructuralSociedad Mexicana de Ingeniería Estructural

CONCRETOS DE ALTA RESISTENCIA

María Paula Dávila Mercado1 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 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; [email protected] 2 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; [email protected]

mailto:[email protected]

mailto:[email protected]

XIX Congreso Nacional de Ingeniería Estructural Puerto Vallarta, Jalisco, 2014

2

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).

DESCRIPCIÓN DE LOS MATERIALES

AGREGADOS

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

3


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.


4

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.

5


PROGRAMA EXPERIMENTAL

ETAPA A

Identificación de bancos de materiales

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/m3: 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/m3: 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.


6

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/m3 1401 1390 1392 1598

Masa volumétrica compacta suelta, kg/m3 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.

Tabla 3 Pruebas de Laboratorio (Propiedades físicas de los agregados gruesos)

Propiedades físicas

Grava Caliza 002

Grava Basalto 003

Grava Caliza 004

Grava Caliza 005

Grava Caliza 006

Planta PRET Cervantes Cerro Jardín-

Cemex Cerro Jardín -

Cemex Planta PRET

Masa volumétrica seca suelta, kg/m

3

1463 1493 1485 1482 1469

Masa volumétrica compacta suelta, kg/m

3

1547 1574 1546 1543 1561

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

25 20 25 25 25

Partículas más finas que la malla No.200 por medio de

lavado, % 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.

7


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, %

3/8" 0 0.00 0 100

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

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

3/8"48163050100ch

Material que pasa,%

Material retenido acumulado,%

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.


8

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

PR

UE

BA

S F

ISIC

AS

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 % que pasa

- - - - - - -

No. 130 % Que pasa

94 96.5 96 95.7 94.9 92.3 96.6

Superficie específica, blaine m2/kg 475 405 474 388 457 361 490

Contenido de aire en el mortero % - - - - - - -

Sanidad: expansión o contracción en autoclave

% -0.03 -0.02 0.01 0.06 0.06 -0.03 -0.03

Fraguado falso: penetración final

% 58.8 87.5 72.4 89.3 73.3 71.4 79.3

Resistencia a la compresión

A 24 h MPa - - - - - - -

A 3 días

MPa 30.5 29.4 22.2 30.7 23.6 20.9 15.3

A 7 días

MPa 33.9 35.2 27 34.8 27.8 26.6 23.6

9


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

AN

ÁLIS

IS Q

UÍM

ICO

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.


10

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

Elemento

Unidades cada

m³

Guías de diseños de mezclas

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 OC 17 17

Resistencia a la compresión 10 x 20 cm

3 días kg/cm2 720 530

7 días kg/cm2 920 770

28 días kg/cm2 1170 1000

56 días kg/cm2 1220 1160

91 días kg/cm2 1240 1200

Módulo de elasticidad en compresión 10 x 20 cm

91 días kg/cm2 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.

11


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)


12

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)

Concreto 120 MPa

Aditivo 1

Cem

ento

1

Cem

ento

2

Cem

ento

3

Aditivo 2

Cem

ento

1

Cem

ento

2

Cem

ento

3

Aditivo 3

Cem

ento

1

Cem

ento

2

Cem

ento

3

Aditivo 4

Cem

ento

1

Cem

ento

2

Cem

ento

3

13


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.

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

fcr 1 día (MPa)

fcr 7 días (MPa)

fcr 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.

Figura 6 Curvas Esfuerzo - Deformación para las tres mejores mezclas así como para un concreto

convencional

0

20

40

60

80

100

120

140

0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48 51 54 57 60

Re

sist

en

cia

a C

om

pre

sió

n [

MP

a]

Días

CAR-017 10-9-1.5

CAR-024 10-11-1.5

CAR-068 10-9-1.5

0

20

40

60

80

100

120

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

Esfu

erz

o d

e f

alla

(M

Pa)

Deformación en millonésimas

AR-17 AR-68 AR-24 CONCRETO CONVENCIONAL 35 Mpa


14

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 m3.

Tabla 11 Proporcionamiento de la mezcla industrial para cada m3

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

15


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)

Figura 9 Gráfica resistencia a compresión de las 15 mezclas

0

20

40

60

80

100

120

140

0 7 14 21 28 35 42 49 56

Re

sist

en

cia

a C

om

pre

sió

n [

MP

a]

Días

ADITIVO 3 / CEMENTO 3

Mezcla 1

Mezcla 2

Mezcla 3

Mezcla 4

Mezcla 5

Mezcla 6

Mezcla 7

Mezcla 8

Mezcla 9

Mezcla 10

Mezcla 11

Mezcla 12

Mezcla 13

Mezcla 14

Mezcla 15


16

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).

Figura 10 Valor medio de la resistencia a compresión a 1, 7, 28 y 56 días

Figura 11 Resistencia a tensión y módulo de elasticidad a 28 días

30

40

50

60

70

80

0 5 10 15 20 25 30

Re

sist

en

cia

a C

om

pre

sió

n [

MP

a]

Mezclas

Resistencia a Compresión a 1 día

Media de 53 MPa

70

80

90

100

110

120

0 5 10 15 20 25 30

Re

sist

en

cia

a C

om

pre

sió

n [

MP

a]

Mezclas

Resistencia a Compresión a 7 días

Media de 92.6 MPa

90

100

110

120

130

140

150

0 5 10 15 20 25 30

Re

sist

en

cia

a C

om

pre

sió

n [

MP

a]

Mezclas


Media de 118.8 MPa

90

100

110

120

130

140

150

0 5 10 15 20 25 30

Re

sist

en

cia

a C

om

pre

sió

n [

MP

a]

Mezclas


Media de 121.2 MPa

2.00

2.50

3.00

3.50

4.00

4.50

5.00

5.50

6.00

Re

sist

en

cia

a Te

nsi

ón

[M

Pa]

Mezclas

Resistencia a Tensión a 28 días

20000

25000

30000

35000

40000

45000

Mó

du

lo d

e E

last

icid

ad [

MP

a]

Mezclas

Módulo de Elasticidad a 28 días

17


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



18





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”.

maría paula dávila mercado1 y sergio valdés constantino ... · pdf...

Documents