nuevas tecnologÍas del concreto - ing pasquel

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NUEVAS TECNOLOGÍAS NUEVAS TECNOLOGÍAS EN CONCRETOEN CONCRETO

Ing. Enrique Pasquel Carbajal

Trujillo, 13 de Noviembre 2013

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CONCRETO AUTOREPARABLE

-SELF HEALING

CONCRETE

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Porqué son tan importantes las Porqué son tan importantes las

fisuras?fisuras?

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Distribución de las Fallas según las etapas del Proceso Constructivo

Materiales4.5%

Uso y Matenimiento

7.5%

Ejecución51.0%

Proyecto37.0%

Estadística del origen de Fallas en Estructuras de ConcretoEstadística del origen de Fallas en Estructuras de Concreto

Fuente : J. Calavera “Patología de las Estructuras de Hormigón Armado y Pretensado”

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Núm

ero

de

caso

s %

(%) > 100 por manifestación múltiple

0

10

20

30

40

50

60

70 Fisuras

Oxidación dearmadurasRotura delhormigónAtaque alhormigónDeformacionesexcesivasOtras

118

62

20 22

15

Distribución según el Tipo de Falla producida

Estadística del origen de Fallas en Estructuras de ConcretoEstadística del origen de Fallas en Estructuras de Concreto

Fuente : J. Calavera “Patología de las Estructuras de Hormigón Armado y Pretensado”

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Consecuencias de la Fisuración

• Alarma y Problemas• Diagnóstico y Trascendencia• Tratamiento y/o Reparación• Efecto en durabilidad• Reducción de tiempo de vida útil• Efecto en sustentabilidad• Problema recurrente• Costos de Mantenimiento y/o

Reparación y/o Rehabilitación de Estructuras de Concreto en USA ~ $ 20,000 Millones/año

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ANTECEDENTES : Sellado Autógeno Autogenous Healing

• Fenómeno conocido hace mucho tiempo (Academia Francesa 1836,Turner 1937)

• Fisuras muy finas ( 0.1 mm a 0.2 mm)

• Agua + CO2 + Ca(OH)2 = CO3Ca

• Humedad continua• Fisuras estáticas• Funciona en la práctica• No hay reglas fijas• Impredecible

Fuente : Adam Neville : “Autogenous Healing a Concrete Miracle?” – Concrete International – Nov 2002

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Fuente : C. Edvardsen : “Water Permeability and Autogenous Healing of Cracks in Concrete” – ACI Materials Journal – Aug 1999

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Concreto Autoreparable : Self Healing Concrete

5 Tecnologías Principales• Encapsulado Químico• Encapsulado Bacteriano• Adiciones Minerales• Químicos en Microtubos• Sellado Autógeno con Grietas de

Espesor Controlado

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ENCAPSULADO QUÍMICO

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Encapsulado Químico

Fuente : Victor C. Li, Emily Herber – “Robust Self-Healing Concrete for Sustainable Infraestructure” – Journal of Advanced Concrete Technology, June 2012 – Japan concrete Institute

Silicato de Calcio en microcápsulas de poliuretano de 100μm (2% del Volumen del concreto)

USAEUROPAJAPÖN

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Fuente : J. Gilford – “Microencapsulation of Self Healing Concrete Properties” – Louisiana State University, 2012 – USA

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Fuente : J. Gilford – “Microencapsulation of Self Healing Concrete Properties” – Louisiana State University, 2012 – USA

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14 de 81Fuente : J. Gilford – “Microencapsulation of Self Healing Concrete Properties” – Louisiana State University, 2012 – USA

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15 de 81Fuente : Rebuild Vol 4 Nº 4 (Oct-Dec 2010)- India, Healing and Self Healing of Concrete and Stone

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ENCAPSULADO BACTERIANO

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Encapsulado Bacteriano


Bacterias que soportan medio alcalino, rango amplio de temperaturas, generan CaCo3 en presencia de agua y consumen oxígeno previniendo corrosión

(Dosis : 15 kg/m3)

HOLANDABÉLGICA

USA

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Fuente : Klass Van Bruegel, “Self Healing Material Concepts as Solution for Aginf Infrastructure” Delft University of Tecnology- 2012 The Nederlands

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Fuente : Klass Van Bruegel, “Self Healing Material Concepts as Solution for Aginf Infrastructure” Delft University of Tecnology- 2012 The Nederlands

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20 de 81Fuente : Dr. H.M. Jonkers, “Bacteria Based Self Healing Concrete” Delft University of Tecnology- 2011 The Nederlands

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21 de 81Fuente : Dr. H.M. Jonkers, “Bacteria Based Self Healing Concrete” Delft University of Tecnology- 2011 The Nederlands

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Fuente : R. Boelens, J. Goedhart et al , “Self Healing Concrete : A concete solution for a concrete problem” Finalist Bioconstruction Contest Delft University of Tecnology- 2011 The Nederlands

Provincia de Tungurahua - Ecuador

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ADICIONES MINERALES

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Adiciones Minerales


Reemplazo de 10% de Cemento por agentes expansivos + geomateriales + adiciones minerales

EUROPAUSA

CHINAJAPÓN

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QUÍMICOS EN MICROTUBOS

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Químicos en microtubos


Microtubos de 1mm a 3 mm x 100 mm con prepolímero de poliuretano en dosis del orden del 1% en volumen

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27 de 81Fuente : Rebuild Vol 4 Nº 4 (Oct-Dec 2010)- India, Healing and Self Healing of Concrete and Stone

Microtubes

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28 de 81Fuente : Bart de Waele, “Self Healing of Concrete”-Gent University – 2013 - Belgium

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MICROGRIETAS CON ESPESOR CONTROLADO

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Sellado Autógeno con Microgrietas de Espesor Controlado


Microfibras de PVA (Poly Vinyl Alcohol) limita grietas a 0.05 mmDosis : 1% a 3% en volumen

USAJAPÓNCHINA

EUROPA

ECC = Engineered Cementitious Composites

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Fuente : V. Li, Li-Li Kan, “Self-Healing Characterization of Engineered Cementitious Composite Materials – ACI Materials Journal – Dec 2010

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MATRIZ COMPARATIVA DE DESEMPEÑO

Encapsulación Química

Encapsulación Bacteriana

Adiciones Minerales

Químicos en Microtubos

Sellado Autógeno con

Grietas de espesor

controlado

Tiempo de VidaLarga Vida

Dependiendo del Agente Químico

No menos de 6 meses

Larga Vida mientras la

adición no se hidrate

Larga Vida Dependiendo

del Agente Químico

Larga Vida al no requerir

adiciones

DistribuciónDispersión

Uniforme en la masa de concreto

Dispersión Uniforme en la

masa de concreto


masa de concreto

Orientación discreta donde

se preveen fisuras


masa de concreto

Recuperación de Propiedades

Mecánicas

Sellado completo, aún no se conoce

grado de recuperación

Sellado completo, recuperación

mínima

Sellado completo, aún no se conoce

grado de recuperación

Sellado y recuperación extensos pero no completo

Sellado completo,

recuperación puede ser total

ConfiabilidadAún en

evaluaciónAún en

evaluaciónAún en

evaluaciónAún en

evaluaciónAún en

evaluación

VersatilidadMecanismo

Independiente de agentes externos

Requiere presencia

continua de humedad

Requiere presencia

continua de humedad

Mecanismo Independiente

de agentes externos

Requiere presencia no continua de humedad

RepetibilidadAún en

evaluaciónAún en

evaluaciónAún en

evaluaciónNo es repetible

Parcialmente en más de 1 ciclo

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36 de 81Fuente : Victor C. Li, Emily Herber – “Robust Self-Healing Concrete for Sustainable Infraestructure” – Journal of Advanced Concrete Technology, June 2012 – Japan concrete Institute

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CONCRETO CON CURADO

INTERNO

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CURADO INTERNO : DEFINICIÓN ACI

“Proveer una reserva adicional de agua en una mezcla de concreto fresco mediante

el empleo de agregado liviano pre-humedecido para contrarrestar

contracción autógena y fisuración”

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Diferencia entre curado externo e interno

Fuente : Dale P. Bentz, W. Jason Weiss, Internal Curing : A 2010 State of the Art Review – NIST, USA

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Estructura de Hidratación de la pasta vs Relación Agua/Cemento

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9

Relación Agua/Cemento

Por

cent

aje

Cemento Hidratado Cemento sin hidratar Poros capilares Agua de hidratación Agua Sobrante

Fuente :Enrique Pasquel, “Tópicos de Tecnología del Concreto”, 1998- Perú

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ANTECEDENTES

• Industria Agregados Ligeros y Concreto Liviano, USA - 1937

• Paul Klieger USA – 1957• Robert Phileo - 1991• Weber & Reihardt, Alemania – 1995• Van Breugel & De Vries, Holanda - 1998• Bentur, Igarishi & Kovler, Israel - 1999• Jensen & Hansen, Dinamarca – 2001• Mohr, Premenko, USA – 2005• Villarreal, USA – 2008• Bentz, Weiss – USA – 2010• Año 2010 > 300,000 m3 de concreto premezclado

con curado interno en USA

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Curado Interno del Concreto

4 Tecnologías Principales• Agregado Liviano• Polímeros Superabsorbentes• Fibras de pulpa de madera• Concreto reciclado

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Como se verifica la efectividad del curado interno?

Con mediciones experimentales directas e indirectas :

• Humedad Relativa Interna• Deformación Autógena• Desarrollo de resistencia en compresión• Flujo Plástico (creep)• Grado de Hidratación• Contracción Restringida en ensayo ASTM C 1581• Microtomografía 3D por Rayos X • Observaciones con Microscopio Electrónico

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CURADO INTERNOCON

AGREGADO LIVIANO

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Curado Interno con Agregado Liviano

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Fuente : Dale P. Bentz, Pietro Lura, John Roberts, “Mixture Proportioning for Internal Curing”, Concrete International – 2005-USA

Cuanto Agregado Ligero se requiere?

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No considera :Pérdida de humedad durante producción, transporte y colocaciónDistribución no uniforme del agregado livianoUso de adiciones mineralesContracción por secado, efectos térmicos

MIXTURE PROPORTIONING WITH INTERNAL CURING

10

20

30

40

50

60

70

80

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Water demand (lb/yd3)

w /c>=0.36

w /c=0.33

w /c=0.3

w /c=0.27

w /c=0.24

w /c=0.21

w /c=0.18

10

20

30

40

50

60

70

80

400 500 600 700 800 900

Cement content (lb/yd3)

CS=0.05

CS=0.06

CS=0.07

CS=0.08

Starting with the cement content in the graph on the upper right, find the chemical shrinkage of the mixture (a good default value is 0.07). Proceed to the value on the y-axis and starting with this same value in the graph on the upper left, find the line for the mixture’s w/c ratio. (Note that there is a single (thick) line for all w/c ratios greater than or equal to 0.36 as for these w/c ratio values, it is assumed that complete hydration of the cement powder can be achieved.) Proceed to the value on the x-axis and starting with this same value in the graph on the lower left, find the line for the absorption (dry mass of aggregate basis) of the lightweight aggregate. Finally, proceed to the value on the y-axis to obtain the recommended level of lightweight aggregate (dry mass basis) to be added to the concrete mixture. This replacement should then be conducted on a volumetric basis, replacing an equal volume of normal weight aggregates with pre-wetted (SSD) lightweight aggregates.

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 10 20 30 40 50 60 70 80

LW

A a

dd

itio

n (

lb/y

d3 )

abs= 5 %

abs= 10 %

abs= 15 %

abs= 20 %

abs= 25 %

abs= 30 %

abs= 35 %

abs= 40 %

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CURADO INTERNOCON

POLÍMEROS SUPERABSORBENTES

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Curado Interno con Polímeros Superabsorbentes (SAP)

Fuente : Mateusz Wyrzykowsky, Pietro Lura, Dariusz Gawin, “Modelling Internal Curing in Concrete” EMPA – Paris-2011

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Fuente : Mateusz Wyrzykowsky, Lecture on Internal Curing- EMPA – -2011

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Absorben mucha agua

Liberan el agua una sola vez

Partículas pequeñas muy distribuidas

Dosis : 1 Onza por bolsa kg de cemento

Costo : ~ $ 2.50/Bolsa de cemento

Costo : ~ $ 20.00 a $ 30.00 por m3

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CURADO INTERNOCON

FIBRAS DE PULPA DE MADERA

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Curado Interno con Fibras de Pulpa de Madera

The absorption capacity of thermomechanical pulp (TMP) fibers was determined by ESEM image analysis1.

Absorption capacity = 3.3 g water/g fiberSize : 30x50x1500μm

1 Mohr, B.J., Premenko, L., Nanko, H., Kurtis, K.E. “Examination of Wood-Derived Powders and Fibers for Internal Curing of Cement-Based Materials.” In: Proceedings of the 4th International Seminar on Self-Desiccation and Its Importance in Concrete Technology, 2005: 229-244.

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1 Mohr, B.J., Premenko, L., Nanko, H., Kurtis, K.E. “Examination of Wood-Derived Powders and Fibers for Internal Curing of Cement-Based Materials.” In: Proceedings of the 4th International Seminar on Self-Desiccation and Its Importance in Concrete Technology, 2005: 229-244.

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0 2 4 6 8 10 12 14 16Time (days)

No

rmal

ized

Mo

istu

re C

on

ten

t StaliteHydrocure (Solite)PerliteTMP fibers

Stalite : Pizarra volcánica procesadaSolite : Arcilla expandidaPerlite : Agregado volcánico liviano natural

Curado Interno con Fibras de Pulpa de Madera

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• Wood-derived fiber-cement composites exhibit losses in flexural strength and toughness with wet/dry cycling1-3.

• For internal curing applications in concrete, this concern may be negligible as the fibers provide minimal toughening in the presence of coarse aggregate.

• In addition, self-desiccation is mitigated at an early age, prior to any degradation.

What About TMP Fiber Composite Durability?

1 Mohr, B.J., Nanko, H., Kurtis, K.E. “Durability of Kraft Pulp Fiber-Cement Composites to Wet/Dry Cycling.” Cement and Concrete Composites 2005; 27(4): 435-448. 2 Mohr, B.J., Nanko, H., Kurtis, K.E. “Durability of Thermomechanical Pulp Fiber-Cement Composites to Wet/Dry Cycling.” Cement and Concrete Research, 2005; 35(8): 1646-1649. 3 Mohr, B.J., Biernacki, J.J., Kurtis, K.E. “Microstructural and Chemical Effects of Wet/Dry Cycling on Pulp Fiber-Cement Composites.” Cement and Concrete Research, 2006; 36(7): 1240-1251.

0 cycles 25 cycles

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CURADO INTERNOCON

CONCRETO RECICLADO

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Curado Interno con concreto reciclado

Agregado retornado a plantas de premezclado en USA ~ 15 millones de m3

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Curado Interno con concreto reciclado

NRMCA Promotor de investigaciones

Reeemplazo de 200 kg/m3 a 400 kg/m3

Procesamiento cuidadoso

Combinación con agregado liviano

Reducción de contracción autógena en ~ 70%

No influye significativamente en f’c

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CONCRETO AUTOCOMPACTANTE

CON REOLOGÍA ADAPTADA

Colaboración : Cristian Sotomayor – Tesis de Maestría Universidad de Sherbrooke – Asesor Dr. Kamal Khayat - 2012

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Es un tipo de concreto de alto desempeño que se coloca

facilmente al interior del encofrado y se compacta por

efecto de la gravedad (propio peso) sin aporte de energía

alguna de consolidación interna o externa, con una

segregación mínima o nula luego de su colocación.

DEFINICIÓN

CONTROL DE LA REOLOGÍA

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NOCIONES FUNDAMENTALES DE LA REOLOGIA

Estudia la deformación y el flujo de materiales de naturaleza muy diferentes, cuando los mismos son sometidos a esfuerzos externos [Bingham, 1921]

Un cuerpo se deforma si el

mismo sufre cambios en su

forma y dimensiones .

Un cuerpo fluye si el grado

de deformación cambia en

el tiempo en forma

continua.

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Líquidos (materiales

viscosos)

Sólidos (materiales elásticos)

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Viscosity (Viscosidad) : Medida de la resistencia al flujo! Shear strees (Esfuerzo de corte): medida de la fuerza por unidad de superficie

Shear rate (Índice de corte o gradiente de velocidad) mide la

variación de velocidad entre 2 capas de un fluido


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MODELOS REOLÓGICOS: FLUIDO NEWTONIANO

Presenta un

comportamiento viscoso

perfecto (el gradiente

de velocidad es

proporcional al esfuerzo

de corte).

Un fluido es

perfectamente viscoso,

si el flujo del material

ocurre inmediato a la

aplicación del esfuerzo

de corte.

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MODELOS REOLÓGICOS : BINGHAM

Fluido visco-plástico

Fluido viscoso

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RELOGIA EN EL CONCRETO

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RELOGIA DEL SCC

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LA REOLOGÍA COMO HERRAMIENTA PARA OPTIMIZAR LOS DISEÑOS DE MEZCLAS DE CONCRETO

Referencia: Introduction to Rheology of Fresh Concrete. ICI Rheocenter, Iceland, 2010

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Disminución de la viscosidad en el tiempo, bajo un

esfuerzo cortante constante y una tasa de cortante

constante, seguido de una recuperación gradual cuando

dichos parámetros son removidos

Structural build up (Floculation, coagulation)

TIXOTROPIA

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TIXOTROPIA EN REPOSO

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Referencia: Développement des bétons semi-autoplacant à rhélogie adaptée pour des infrastructures, mémoire de maîtrise, Université de Sherbrooke, Québec, Canada, 2012.

TIXOTROPIA EN REPOSO

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APLICACIÓN DE LA TIXOTROPIA: REDUCCIÓN DE PRESION LATERAL EN EL ENCOFRADO

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APLICACIÓN DE LA TIXOTROPIA: ALTERNATIVA A PAVIMENTACIÓN CONVENCIONAL CON ENCOFRADO DESLIZANTE

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APLICACIÓN DE LA TIXOTROPIA: PAVIMENTACIÓN CON SCC MODIFICADO

Referencia: Feasibility of Slip-form Paving with Self-Consolidating Concrete, National Concrete Pavement, Mayo 2006

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Referencia: Low Compaction Energy Concrete for Improved Slipform Casting of Concrete Pavements, by Bekir Yilmaz Pekmezci, Thomas Voigt, Kejin Wang, and Surendra P. Shah, ACI Material journal, 2007.

APLICACIÓN DE LA TIXOTROPIA: PAVIMENTACIÓN CON SCC CON REOLOGÍA ADAPTADA

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REFLEXIÓN FINAL

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MUCHAS GRACIAS

[email protected]

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