El concreto de hoy

Ing Carlos Arcila López ó [email protected]

El concreto …

•El El material más usado en el mundo, después del agua!

Un maravilloso Material que permite hacer obras como estas…

Estadio, Cartagena

Puente atirantado, Rep. Dominicana

Presa en CCR, La Miel I Colombia

El concreto, un material maravilloso…

Silos, Medellín

Prefabricados para un gran puente

Dovelas para revestir un túnel

Construcción Industrializada

Colado de una plataforma marina por bombeo

Reparación p de losas con Fast Track en un aeropuerto p

Y podríamos q quedarnos edarnos aq aquíí semanas …

Pero a qué no adivinan que tienen de común Pero, todos estos tipos de concretos?

Todos constituyen un tipo de concreto distinto y, muy seguramente, requirieron una tecnología l í d de cementante y d de aditivo d distintas!

Qué pasa con el concreto de hoy? Simplemente Si l t que es di distinto ti t all d de h hace unos años…pero seguimos especificándolo igual! Resistencia a compresión a 28 días! Agua /cemento

Tipo de cementante

Muchas veces y casi para todo: 210 kg/cm2

Contenido de aire Cuantía máxima y tipo de adición

P Permeabilidad bilid d Resistencia a cierto ambiente

?

Dar hoy en día un valor de resistencia es muy poca información para caracterizar un concreto

27 cm

27 cm

Tanque fisurado en plena elaboración • Cuenta con el acero necesario? • Especificaron el concreto requerido?

Por qué especificamos como ayer? RAZONES: Aú nos ronda Aún d en lla cabeza b eso d de que cemento es cemento!! O repetimos i lla ffrase d de algunos l ““expertos”” d de que un concreto no necesita aditivos O una razón que me impactó: ¿qué hay que estudiarle a algo que se pide por teléfono? La principal razón: Cada vez sabemos más de diseño y menos de co c e o concreto!

La Normativa de Durabilidad actual • Seguimos i copiando i d normativas i h hechas h para países í con condiciones muy distintas a las nuestras. • Muy poco trabajo de la industria del concreto, g , universidades,, institutos para p investigadores, generar resultados que permitan normalizar para un país en p p particular. • ACI 318-08 (C.4) Problemas para aplicarlo en países tropicales (pero es la base de la normativa en casi toda Latinoamérica!)

El concreto en nuestro medio AÑOS 50

Años 70

Cemento Tipo I

Cementos Tipo I, III, V

Arena Grava Agua

Arena Grava Aditivo Reductor Agua Agua

Años 90 Cementos I, I, II, V Escoria Microsílica Escoria, Arena Grava Aditivos WR, HRWR, Aireantes Agua

El concreto en nuestro medio Año 2010 Cemento I, II, ARI, adicionados Adi i Adiciones E Escoria i Ceniza Volante Microsílica Metacaolín Volcánicas Arena Grava Fibras Aditivos Modificadores de fraguado WR, HRWR, UltraHRWR Acelerantes de endurecimiento Incorporadores de aire Inhibidores de corrosión C t l d Controladores d de lla RAA Reductores de Contracción Modificadores de viscosidad Aditivos anticongelantes Antiespumantes (no aire) Ayudantes de molienda

Las especificaciones también han variado variado… • • • • • • •

Años ñ 50: Resistencia especificada p a 28 días No se hablaba de relación agua/cemento Dosificaciones por volumen (1:2:3=3000psi) Cementos gruesos Grandes secciones Agregados de gran TM Mezclado y colocación casi manual o con carretillas

Las especificaciones también han variado variado… • • • • • • • • •

Años 80: Añ 80 Resistencia especificada a 28 días Ya se usan mezclas con retardadores y otras aceleradas con cloruros Se empieza a hablar de la relac agua/cemento Dosificaciones por peso Cementos de mayor y finura,, aparecen p algunas g adiciones Secciones empiezan a reducirse Agregados g g de TM normal (< ( 37 mm)) Aparecen los Superplastificantes. Colocación con tolvas y con bombas

Las especificaciones también han variado variado… • • • • • • • • • •

Años 2010: Añ 2010 Resistencia especificada a 1,3,7, 28, 56 y 90 días Los aditivos empiezan a diseñarse a la medida (Tailor made) Algunas Normas especifican relac agua/cemento para cada tipo de ambiente Cementos de mayor finura Uso industrial de las adiciones Sistemas industrializados de construcción exigen concretos de gran rendimiento A Agregados d tienden i d a no superar llos 25 mm Se empieza a trabajar en concretos de alto desempeño El Fast Track y el concreto autocompactante p están de moda La durabilidad y la sustentabilidad son el tema del día

Los materiales que componen el concreto El más importante por su aporte a las propiedades físicas de la mezcla en estado fresco y endurecido es el cementante….sin menospreciar los agregados que ya empiezan a jugar un rol protagónico: • Ya no se consideran inertes (RAA, RAC) • Escasea su suministro • Interacción química con los aditivos

Tipos de Cemento Portland ASTM C 150 • • • • •

I II III IV V

Normal Moderada resistencia a los sulfatos Alta resistencia inicial Bajo calor de hidratación Alt resistencia Alta i t i a llos sulfatos lf t

Cementos Hidráulicos Adicionados ASTM C 595 • • • •

• •

Tipo IS Tipo IP Tipo P Tipo I(PM) Tipo S Tipo I(SM)

Cemento portland siderúrgico Cemento portland puzolánico Cemento puzolánico Cemento portland modificado con puzolana Cemento de escoria o siderúrgico Cemento portland modificado con escoria

Cemento Hidráulico ASTM C 1157 • • • • • •

Tipo GU Tipo HE p MS Tipo Tipo HS Tipo MH Tipo LH

Uso general Alta resistencia inicial Moderada resistencia a los sulfatos Alta resistencia a los sulfatos Moderado calor de hidratación Bajo calor de hidratación

Cementos p por desempeño, p , no se jjuzga g su composición! p

Aplicaciones Especificación del cemento

Uso general

Moderado calor de hidratación

ASTM C 150 (AASHTO M 85) C Cementos t portland

I

II moderado calor de hidratación

ASTM C 595 (AASHTO M 240) Cementos hidráulicos adicionados

IS IP I(PM) I(SM) S, P

IS(MH) IP(MH) I(PM)(MH) I(SM)(MH)

ASTM C 1157 Cementos hidráulicos

GU

MH

Alta Bajo calor resistenci de a inicial hidratación

III

HE

Moderada resistencia a los sulfatos

Alta resistencia a los sulfatos

IV

II

V

P(LH)

IS(MS) IP(MS) P(MS) I(PM)(MS) I(SM)(MS)

LH

MS

Resistencia a la reacción álcali-sílice (RAS)

bajo en álcalis

Opción de baja reactividad

HS

R

Cómo es la cosa con los cementos cementos… “Los últimos 60 años los dedicó la industria p q química del cementera mundial a la optimización cemento Portland”. • Estudio de la hidratación del cemento pero en particular de sus fases (aluminatos, silicatos). • Estudio de la acción del sulfatos y en particular de la importancia de la forma como es introducido Jolicoeur, C et Al, “Trends in Concrete Chemical Admixtures”

La cosa con los cementos cementos… Los componentes de cada tipo de cemento (I (I,II,II,IV II II IV y V) fueron sintonizados finamente para lograr el control de: • Proceso de d Hidratación d ó • Tiempo p de manejabilidad j • Fraguados • Desarrollo D ll d de resistencia i t i iinicial i i l • Bajo desprendimiento de calor • Buen comportamiento a largo plazo Jolicoeur, C et Al, “Trends in Concrete Chemical Admixtures”

Pero aparecen las adiciones Pero…aparecen • Empezamos a introducir las adiciones en la tecnología del concreto; en forma tímida, al comienzo, y luego ya en mayor proporción. • Empieza a bajar la cuantía de cemento necesaria para alcanzar l cierta i t resistencia; i t i con lla ayuda d d de nuevos aditivos se empieza a hacer realidad el sueño de prod cir 1 kg/cm2 con 1 kg de cementante! producir

Ventajas comprobadas del uso de adiciones reactivas Adiciones como la ceniza volante (Fly Ash), la Escoria de Alto Horno ( Slag) y el Humo de Sílice (Silica Fume) se usan de manera creciente en el concreto para:

•Controlar el ingreso de cloruros •Controlar la reacción álcali-agregado g g •Controlar el ataque por sulfatos •Reducir el calor de hidratación de la mezcla Y desde el punto de vista del medio ambiente reducen las emisiones contaminantes!

Ataque por sulfatos

Procesos químicos en el concreto Acción de los sulfatos 1) Substitución del catión Mg 2+ --> Ca 2+ MgSO4 + Ca (OH)2 + H2O --> Ca SO4

+

Yeso secundario cristaliza expansión

2) Acción del yeso secundario CaSO4 + C3 A + 32 H2O

-->>

C3A 3 Ca SO4 . 32 H2O Etringita expansión

Mg (OH)2 Precipita

Reactividad álcali-agregado g g

Uso de adición puzolánica para controlar el fenómeno expansivo

Ceniza de Cáscara de Arroz

Uso de adiciones puzolánicas para controlar la RAA Uso de escoria de Alto Horno

K. Mehta y Monteiro

Ataque por cloruros

Resistencia al paso de cloruros Problemas de las prescripciones de mezcla

Tres mezclas con igual relación agua/cementante pueden mostrar diferente desempeño en pruebas de durabilidad,, p dependiendo de la composición del cementante y tipo de adición puzolánica.

Permeabilidad Rápida a Cloruros

ASTM 1202-97 “Prueba Rápida de permeabilidad a cloruros” Resultados tesis de maestría en estructuras. estructuras U. U Andes. Andes Ing. Ing Karina Santamaría

Un pequeño pecado… • La alcalinidad que le confiere al agua de poros el Hidróxido de Calcio protege la capa pasiva del acero de refuerzo. • Cuando se excede con la cuantía de adición, especialmente en concretos de baja resistencia: 1 Se produce menos Hidróxido de Calcio (% de reemplazo de 1. cemento) 2. Dependiendo del tipo de adición esta consume buena parte de dicho Hidróxido de Calcio para convertirse en pasta de cemento. • De esta manera concretos fuertemente adicionados ven aumentar la velocidad con la cual se carbonatan.

Influencia de las adiciones puzolánicas en la carbonatación

Profundidad de carbonatación vs relación a/c. T = 15 años HR = 70%

Helene, P, Helene P El fenómeno de la corrosión en la vida útil de las estructuras estructuras, Curso Internacional de durabilidad, patología y rehabilitación, IMCYC, México, 1998.

Carbonatación acelerada

Sin adición puzolánica

Con 20% de adición 4 semanas de ataque con 5% de CO2

pH10

Medida de la profundidad de carbonatación (ataque CO2)

Control de la Carbonatación

En estructuras ya viejas…barreras de CO2

Adiciones • Silíceas • Alumínicas • Combinaciones de estas dos La composición determina el carácter de la puzolana!

• Actividad depende del contenido de SiO2 (mín 25%) , Al2O3 y, y especialmente, especialmente de la finura de molienda de la puzolana, entre otros.

Adiciones Puzolánicas La norma ASTM 618-92, define las puzolanas como "materiales silíceos o alumino silíceos los cuales alumino-silíceos cuales, por sí solos solos, poseen poco o ningún valor cementante cementante, pero cuando se han dividido finamente y están en presencia de agua reaccionan químicamente con el hidróxido de calcio, a temperatura ambiente, para formar compuestos con propiedades i d d cementantes". "

Parte del problema es que el lenguaje es para especialistas…

Adiciones Puzolánicas Cemento Portland + H2O  SCH + Ca (OH)2 Puzolana + Ca(OH)2 + H2O  SCH

Curado del concreto Tabla No.1: Tiempos mínimos de curado hídrico (NBR-6118) (Días)

Curado del concreto Correcciones a los tiempos de curado hídrico

Curado del concreto

Influencia del curado en la permeabilidad de probetas de concreto

Membranas de curado

Combinación de retardador de evaporación, curador y lona

Curado del concreto Influencia del tamaño de la sección en la pérdida de agua

Control de la eficiencia del curado en obra…..? obra ?

Sika Colombia S.A

Desarrollo de resistencias • Resistencia inicial • Resistencia a largo plazo

La resistencia y la temperatura tienen algo en común!

Alta resistencia inicial, menor resistencia final

Baja resistencia inicial, Alta resistencia final

ADICIONES PUZOLÁNICAS E V O LUC IÓN D E T E M P E R A T UR A S . M E Z C LA C O N D IF E R E N T E S C O N T E N ID O S D E E S C O R IA . C T O . C P R III. A S E N T A M IE N T O 8 C M . P LA S T IM E N T T M 7 0 .7 %. A / C 0 .5 5 . 2 6 / 0 8 / 0 5 . 24

23

22

21

20

Escoria 0% 19

Escoria 26% 18 0

2

4

6

8

10

12 EDA D (Ho ras)

14

16

18

Escoria 40% 20 22

Influencia en el desarrollo de calor de hidratación de una escoria de alto horno

24

Los aditivos y el concreto de hoy • A consecuencia i d de lla variabilidad i bilid d iinherente h en lla composición de los materiales cementantes, la complejidad química aumenta. • La optimización p lograda g en el cemento Portland se pierde… • Cómo solucionar el problema – Reformulando los cementos (costo, tiempo, dudosa utilidad por la variación de las puzolanas) – Introduciendo aditivos hechos a la medida

Desarrollo típico de resistencia con varios cementos

Cómo compensar el bajón de resistencias iniciales?

Recordemos cómo trabajan los componentes del cemento!

Principales compuestos del Cemento Portland y sus características Fórmula abreviada Nombre común Proporción en el cemento Rapidez de reacción con agua

C3S Alita 55 Rápida

C2S Belita 20 Lenta

C3A no 8 Rápida

C4AF Ferrita 8 Moderada

Contribución a la Resistencia Temprana edad Última Calor de hidratación Calorías por gramo

Buena Buena Medio 120

Pobre Excelente Bajo 60

Buena Media Alto 320

Buena Media Medio 100

Una primera opción es bajarle al lento y subirle a los rápidos

Mehta y Monteiro

Cambios en el concreto al modificar los compuestos del cemento!

C3S

K Metha y Monteiro K.

La tercera opción es moler más fino el clinker!

• Aumenta la finura • Aumenta la velocidad de hidratación • Aumenta A t ell calor l • La mezcla pide más agua Portland Cement Association

Ayudantes de molienda • Algunos además de aumentar la finura del cemento para igual tiempo de molienda, molienda incrementan las resistencias iniciales. iniciales

Curvas Temperatura vs Tiempo con aditivos

Una opción fácil de implementar: usar aditivos!

Reductor de agua +Acelerante Acelerante Adicionado

Aditivos indispensables en el Concreto de Hoy! • HRWR: no es posible pensar en un concreto de alto p y en concretos con grandes g cantidades desempeño, de adiciones o con dosis altas de humo de sílice sin el empleo de un reductor de agua de alto poder poder, ya que en ambos casos crece la demanda de agua. • No es posible bl pensar en concretos durables bl sin que nos veamos obligados a trabajar con relaciones a/c bajas.

Aditivos indispensables • INCORPORADORES DE AIRE AIRE: de d gran ayuda d en lla ttarea de impermeabilizar el concreto y aumentar su resistencia ciclos de hielo-deshielo hielo deshielo. • MODIFICADORES DE VISCOSIDAD: Indispensables para los concretos autocompactantes, autocompactantes para el concreto lanzado. • ACELERANTES DE ENDURECIMIENTO: No tocan los fraguados (no alteran la manejabildad) pero permiten alcanzar grandes resistencias en muy poco tiempo, indispensables d bl para ell Fast Trackk y los l sistemas industrializados (Contech / Outinord)

Porosidad

Permeabilidad

Resistencia

Fraguado Inicial

Fraguado Final Sólido Rígido

Portland Cement Association

Agua dosificada al ojo!

Condiciones de la obra (Tº,HR) Especificaciones y requerimientos del cliente (Tiempo de manejabilidad, Fraguados, Resistencia inicial, resistencia final.

Espec. Durabilidad

Aditivos d t os hechos ec os “aa laa medida” ed da

La piel del concreto

Colocación y compactación manual. Mezcla de bajo asentamiento, exige muy buena compactación

El recubrimiento debe ser mínimo de 5 cm sobre el acero más expuesto. Muy importante un excelente curado hídrico los primeros 3 días.

Ensayos y equipamiento para medir las bondades del concreto de hoy Ensayo LeChatelier Anstett

Sulfatos

Ensayos y equipamiento para medir las bondades del concreto de hoy Expansión en morteros

RAA / RAC

Equipo de seguimiento térmico para determinar la resistencia in situ Aidetherm

Retracción plástica (LVDT 400)

Retracción de concreto endurecido

Ensayos y equipamiento para medir las bondades del concreto de hoy Permeabilidad (RCPT)

Cloruros

Estudio del CCR con Energía Ultrasónica

Algo positivo de todo este asunto La tecnología del concreto va camino de volverse, por fin, un trabajo para…. especialistas!

Compresión

Flexión

Gracias ppor su atención! G e