HORMIGÓN CON RETRACCIÓN COMPENSADA PARA UN GRAN PISO INDUSTRIAL Revista Cemento Año 6, Nº 26 Descripción de la Obra La obra consiste en los pisos del Centro de Distribución de los supermercados COTO de Argentina. Este Centro está ubicado en el partido de Esteban Echeverría, en los alrededores de Buenos Aires. Es un edificio de 60.000 m2 diseñado por Food Plant Engineering Inc. de Washington, USA, con todos los requisitos técnicos modernos para realizar la distribución de productos a todos los locales de la cadena de supermercados. El piso corresponde a dos galpones y a instalaciones auxiliares: Almacén seco de aproximadamente 40.000 m2, Almacén de productos perecederos, que está refrigerado, de aproximadamente 15.000 m2 y 5.000 m2 de oficinas, talleres, sala de autoelevadores, etc. Las características del diseño de los depósitos: racks de estanterías de mucha altura, autoelevadores computarizados, etc., requieren minimizar las juntas y lograr la planitud necesaria, evitando la aparición de fisuras y el alabeo de las losas. El cumplimiento de los plazos de obra requería la ejecución de 2.000 m2 de piso diarios. SOLUCIÓN ADOPTADA: HORMIGÓN DE RETRACCIÓN COMPENSADA. Para cumplimentar los requisitos señalados, la solución adoptada se basó en la utilización de hormigones de retracción compensada, obtenidos mediante el empleo de un aditivo expansor. El objetivo buscado fue generar en el hormigón una expansión controlada inicial, adecuadamente restringida por la armadura estructural, de modo tal de compensar las ulteriores retracciones que experimenta el material. Características de los Hormigones de Retracción Compensada El hormigón convencional posee dos características, que le son intrínsecas, y que imponen limitaciones a su uso: la retracción que experimenta al secarse y su baja resistencia a la tracción. Ellas son las responsables de una de las fallas más típicas del material, especialmente en elementos fuertemente expuestos como son las losas de pavimentos y pisos: la aparición de fisuras de retracción. La solución clásica para remediar el problema es limitar las dimensiones de las losas mediante juntas de contracción, para inducir la formación de fisuras en lugares preestablecidos. Hay otras soluciones posibles como reforzar el hormigón mediante armaduras de acero, con distinto tipo de fibras, etc.

La solución adoptada en el proyecto que nos ocupa es el empleo de hormigones con retracción compensada (HRC). El HRC es un hormigón expansivo que, cuando está debidamente restringido por la armadura u otros medios, va a tener una expansión inicial igual o ligeramente superior a la retracción por secado prevista. Debido a la restricción, durante la etapa de expansión el hormigón experimentará una cierta precompresión, la que luego se irá aliviando durante la etapa de retracción. El resultado esperado es que, en su estado final de equilibrio, el hormigón permanezca con tensión nula o con una ligera tensión de compresión residual, de modo de eliminar el riesgo de fisuración. Asimismo, con un correcto diseño del piso los HRC son los más idóneos para reducir el alabeo de las losas. La Fig. 1 muestra esquemáticamente el comportamiento diferente de un hormigón normal y un HRC. Durante los primeros días de curado húmedo el hormigón normal puede experimentar una leve expansión, que rápidamente se revierte en una fuerte contracción apenas se lo expone al medio ambiente. El HRC, en cambio, desarrolla una importante expansión durante la fase de curado húmedo que permite compensar la ulterior retracción que se produce en el período de desecamiento.

Fig. 1 – Cambios dimensionales de un Hormigón Normal y un HRC

Para que el sistema funcione adecuadamente, la expansión inicial debe ser controlada. En caso de que ella fuera insuficiente o se generara cuando el hormigón está aún blando, no se alcanzaría el objetivo buscado y el hormigón se usuraría. En el otro extremo, si ella fuera excesiva en magnitud o en

duración, el hormigón podría sufrir daños por expansión. Para lograr esa expansión controlada existen hoy dos posibilidades: usar cementos expansivos o usar aditivos expansores. En ambos casos lo que se hace es incorporar en el hormigón una cantidad controlada de compuestos expansivos, principalmente Sulfoaluminato de Calcio (4CaO.3Al2O3.SO3) y/u Oxido de Calcio (CaO). El primero, al hidratarse conjuntamente con el cemento portland, produce ettringita, en tanto que el segundo produce hidróxido de calcio, generando expansiones que, como suceden en las primeras edades del hormigón, no provocan los problemas destructivos asociados con estas reacciones a larga edad. El uso de cementos expansivos (típicamente el Cemento Tipo K) se ha dado principalmente en U.S.A. [1], donde están sus únicos productores. El uso de aditivos expansores se desarrolló en Japón [2] donde se fabrican los dos productos más conocidos en el mercado: DENKA (en base a sulfoaluminato de calcio) y EXPAN-K (en base a una combinación de óxido de calcio y sulfoaluminato de calcio). Un estudio de costos demostró que, para Argentina, resulta mucho más conveniente la importación del aditivo expansor (que se usa en una dosis del orden de 10% del peso de cemento) del Japón, que la totalidad del cemento expansivo desde USA. REQUISITOS TÉCNICOS Y DE DISEÑO Dimensiones de la Losas En ambos almacenes se trató de ubicar las juntas, en la medida de lo posible, en la dirección de las columnas del cerramiento y debajo de la línea de ubicación de los racks de estanterías. De esta manera resultaron paños de superficies de entre 800 m2 a 1.200 m2 sin juntas. El espesor de las losas, determinado por los cálculos estructurales del piso es, en las zonas de ubicación de los racks de 0,25 m, y en la zona de tránsito de 0,17 m. Resistencia Mecánica del Hormigón Los mismos cálculos estructurales indicaron la necesidad de utilizar un hormigón con una resistencia característica a la compresión de 32 MPa a 28 d, medida en cilindros de 150 x 300 mm, curados 14 d en agua y 14 días al aire en ambiente de laboratorio. Expansiones Restringidas del Hormigón De acuerdo con las recomendaciones del ACI 223-93 [3], Appendix A -Design of shrinkage-compensating concrete slabs, la expansión restringida del hormigón, medida de acuerdo con la Norma ASTM C-878 [4], requerida de acuerdo con los espesores de la losa y la armadura necesaria, fue de entre 0,03 % a 0,06 % a los 14 d de curado húmedo.

Plenitud del Piso El pliego de especificaciones de los pisos de la obra, siguiendo las recomendaciones del ACI 302.1R-89 [5] para pisos planos, requería las siguientes tolerancias de la terminación, de acuerdo con la Norma ASTM E 1155 [6], correspondientes a la clasificación "Piso Plano". Números Mínimos de Tolerancia Final

Global

Local

FF

30

20

FL

20

15

Resistencia a la congelación y deshielo En el caso de los pisos del depósito de productos perecederos, que está refrigerado, se decidió incorporar en los hormigones entre 5 % y 7 % de aire. Armadura Las características de la armadura surgen del cálculo estructural y del porcentaje de refuerzo recomendado en [3] para brindar una adecuada restricción al hormigón. En las losas de 0,25 m de espesor se utilizaron barras de acero conformado ADN420, de 18 mm de diámetro, espaciadas cada 0,46 m. En las de 0.17 m de espesor, se colocaron barras de 12 mm cada 0,46 m. La armadura se colocó en el tercio superior de la losa. Juntas Todos los paños no fueron de las mismas dimensiones, pero las medidas típicas fueron 40 m x 25 m. Las juntas de estos paños están acorazadas con dos planchuelas de acero de 51 mm x 19 mm, una a cada lado de la junta. La vinculación entre losas está hecha con el sistema de encastre machimbrado. Se buscó evitar el uso de pasadores con el objeto de permitir la libre expansión de las losas en todas las direcciones. Una vez finalizado el curado, las juntas fueron tomadas con un sellador poliuretánico. Capa de drenaje Para facilitar el escurrimiento del agua a través de la superficie inferior del hormigón, se colocó una capa de drenaje con el objeto de evitar el alabeo de las losas. La subbase estaba preparada con suelo-cemento. Entre éste y la losa se colocó

una capa consistente en 30 mm de canto rodado y encima 10 mm de arena seca suelta. Capa de desgaste Sobre el hormigón fresco recién enrasado se colocó una capa de desgaste constituida por dos películas: 1°) una mezcla de 2 partes de molienda de cuarzo de partículas de hasta 10 mm, sin graduación uniforme, por una parte de cemento, a razón de 6 kg/m2 y 2°) una mezcla de 1 parte de molienda de cuarzo de partículas de hasta 2 mm, sin graduación uniforme, por una parte de cemento, a razón de 2 kg/m2. Una vez esparcidas, estas películas fueron incorporadas a la masa de hormigón. Tratamiento superficial Una vez curado el hormigón, se trató la superficie de las losas con el endurecedor químico "Fluohard" de L&M. Se realizaron dos aplicaciones, separadas 24 h cada una de ellas. DESARROLLO DEL HORMIGÓN Previo a comenzar la obra se efectuó, en los laboratorios del ICPA, un estudio para desarrollar un hormigón que cumpliera con las características especificadas de trabajabilidad, resistencia mecánica y expansión restringida. A continuación se describen los aspectos fundamentales de dicho desarrollo. Materiales Componentes Agregados Previa evaluación y selección, se emplearon en el diseño de las mezclas los siguientes agregados, de uso corriente en el área Metropolitana de la Ciudad de Buenos Aires: arena natural de río (MF=2,48) y piedras partidas graníticas 6-20 mm y 10-30 mm. La Fig. 2 muestra la granulometría de las fracciones, del agregado total y, como referencia, la curva de Fuller para Dmáx= 25mm. Las proporciones de los distintos áridos se establecieron buscando un compromiso entre lograr la mínima retracción (alto % de partículas gruesas) y buena terminación y baja exudación (alto % de partículas finas). Como resultado, el agregado compuesto es más grueso que el de la curva de Fuller para partículas mayores de 4,8 mm y más fino por debajo de 4,8 mm. Cemento Portland Se empleó un Cemento Portland Normal CP40 (1RAM 1503) Adicionalmente a los ensayos previstos en la norma IRAM 1503, se procedió a determinar su contracción por secado en mortero, según la norma IRAM 1651, para obtener un parámetro de referencia. En la Tabla 1 se consignan sus propiedades

mecánicas y una selección de las propiedades físicas relevantes.

Fig. 2– Granulometrías de las Fracciones, del Agregado total y Curva de Fuller

Tabla 1 – Propiedades mecánicas y físicas del cemento empleado Resistencia a la compresión Agua para pasta Contracción IRAM 1622 [MPa] Finura Blaine normal por secado [m2/kg] [%] [%] 2 días 28 días 23,2

13,9 ± 0,4

45,3 ± 0,9

305

0,06

Aditivos Convencionales Se empleó un aditivo "plastificante" (reductor de agua) comercial a base de lignosulfonato. La dosis se ajustó de forma tal de aprovechar su efecto secundario de retardo de fraguado y compensar la aceleración provocada por el aditivo expansor. Las mezclas usadas en las áreas refrigeradas incorporador de aire en base a Resina Vinsol.

llevaban,

además,

un

Aditivo expansor Como aditivo expansor se empleó el EXPAN-K de Onoda. Diseño de la Mezcla El objetivo fue obtener un hormigón con un contenido mínimo de cemento de

320 kg/m3, resistencia característica a la edad de 28 d de 32 MPa, asentamiento de 80 mm ± 10 mm luego de media hora de iniciado el mezclado, baja exudación y buena terminación superficial. El mismo hormigón, con aditivo incorporador de aire, se empleó para la zona de frío, prácticamente sin modificaciones en su composición. Dosis de Aditivo Expansor Una de las etapas fundamentales del diseño de las mezclas fue definir la dosis de aditivo expansor que generara la expansión restringida especificada: 0,03 0,06 % a los 14 d. Se estudiaron mezclas con contenidos de 10 % , 12 % y 14% de aditivo expansor, referido al peso de cemento. Como lo demuestran los resultados presentados en la Tabla 2, la resistencia a compresión no varió significativamente al aumentar la dosis de aditivo expansor de 32 kg/m3 (10 %) a 45 kg/m3 (14 %), dejando el contenido de cemento portland constante (320 kg/m3). Tabla 2 – Resistencia a Compresión para Distintas Dosis de Aditivo Expansor Dosis de Aditivo Expansor 10 % 12 % 14 % Resistencia a Compresión (MPa) 7 d, curado húmedo

36

35,1

25,6

Resistencia a Compresión (MPa) 14 d + 14 d, curado al aire

46

46,3

44,6

Resistencia a Compresión (MPa) 28 d, curado húmedo

41,8

45,5

39,1

El efecto de la dosis de aditivo expansor sobre los cambios dimensionales de los hormigones, medidos según [4], se muestran en la Fig. 3. Debe recordarse que los cambios dimensionales medidos en este ensayo no son libres, sino que son restringidos, pues la probeta está confinada por una barra de acero roscada. Así, este método sólo computa los cambios dimensionales que se generan cuando el hormigón está suficientemente rígido como para trasmitir tensiones a dicha barra. En la Fig. 3 puede verse que la expansión durante el período de conservación bajo agua (14 d) aumenta al incrementar la dosis de aditivo expansor. Otro aspecto importante es que, en las dosis estudiadas, la expansión se desarrolla mayoritariamente en los primeros 3 d a 4 d, luego de los cuales el incremento de expansión es muy leve, lo que contribuye a la estabilidad del sistema. Para la ejecución del piso se adoptó la dosis de 12 % de aditivo expansor que, como se ve en la Fig. 3, da expansiones en el centro del rango especificado (0,03 % - 0,06 % a 14 d). Teniendo en cuenta las reducciones de longitud registradas durante el período de secado y las experiencias durante la ejecución del piso,

se considera que una dosis de 10 % de aditivo hubiera sido suficiente.

Fig. 3– Efecto de la dosis de aditivo expansor sobre la expansión restringida de HRC

Dosificaciones de Obra Una vez efectuados los ajustes necesarios para obtener una óptima planitud, se definieron las formulas de obra. Su composición se indica en la Tabla 3; sus propiedades, medidas en obra, se presentan en la sección Control de Producción. Tabla 3 – Composición de los Hormigones Usados en la Obra Componente [kg/3]

Hº sin AII

Hº con AII

Cemento

320

320

Agua

145

140

Arena

760

773

PP 6-20

735

714

PP 10-30

352

377

Aditivo reductor de agua

1,28

1,28

Aditivo incorporador de aire

---

0,048

Aditivo expansor

38,4

38,4

EJECUCIÓN DEL PISO El piso fue ejecutado dentro de un ambiente totalmente cerrado. Moldeo Los límites de cada losa se fijaron utilizando moldes metálicos de altura igual al espesor del hormigón, los que fueron nivelados con láser. Las planchuelas de acero de las juntas acorazadas se fijaron provisoriamente al molde metálico. Colocación de la Armadura Las barras de acero de la armadura se colocaron sobre la capa de drenaje, posicionadas en el tercio superior, con soportes plásticos y atadas cada tres encuentros. Producción, Transporte y Volcado del Hormigón El hormigón fue producido por una compañía elaboradora de hormigón decidiéndose que, dado el volumen importante de la obra y el efecto adverso que las demoras en el transporte pueden ejercer sobre la intensidad de la acción del aditivo expansor, se instalara la planta de producción dentro del obrador. El hormigón se volcó directamente desde el mixer a la losa, distribuyéndolo con la canaleta de descarga. Solamente en el caso de los pisos de la cámara de productos congelados, que llevaba debajo de la losa una aislación de espuma de poliuretano, se utilizó una bomba para verter el hormigón desde fuera de la losa. Compactación y Enrasado Para compactar y enrasar el hormigón al nivel de terminación del piso, se utilizó una máquina denominada "Láser Screed", con la que se pudieron ejecutar hasta 2.400 m2 diarios de piso. Consiste en una regla de aproximadamente 3 m de largo, que se desliza sobre la superficie del hormigón accionada por un brazo telescópico y controlada automáticamente por un nivel láser. Colocación de la Capa de Desgaste La primera película de la capa de desgaste se colocó utilizando una distribuidora mecánica, que esparce sobre la superficie una cantidad constante y uniforme de material. La segunda película, mucho menor, se esparcía manualmente. Posteriormente, ambas películas se incorporaban a la masa del hormigón por medio de un fratás vibrador. Terminación La terminación de la superficie se efectuó utilizando máquinas alisadoras

dobles (helicópteros).

Medición de Planitud y Horizontalidad Luego de finalizada la terminación, se medía en cada losa la planitud y horizontalidad según [6], utilizando un equipo Alien Face. Curado Inmediatamente después de la medición, se comenzó el curado, cubriendo cada losa con film de polietileno y vertiendo agua, manteniéndosela húmeda durante 14 d. CONTROL DE CALIDAD Control de Producción del Hormigón Para los hormigones para el piso industrial se implemento un estricto control de calidad abarcando los principales parámetros en estado fresco y endurecido. Por cada 50 m3 de hormigón colocado se determinaron: asentamiento, contenido de aire, moldeo de 3 probetas para ensayo a la compresión. una a 7 d y dos a 28 d. Además, por cada losa, se moldearon 3 probetas para determinar la expansión restringida según [4]. La Tabla 4 muestra los resultados obtenidos del control de producción de los hormigones, los que presentaron una gran uniformidad. La Fig. 4 muestra la variación de las resistencias a compresión a 14+14 d de los hormigones, habiéndose detectado unos pocos casos (< 2%) de resistencias por debajo de la fck especificada.

Fig. 4– Variación de la Resistencia a Compresión de los Hormigones (14 +14 días )

Tabla 4 – Resultados del Control de Producción del Hormigón Hormigón sin AII Hormigón con AII Asentamiento [mm]

Xm 8,2

Resistencia Compresión [MPa] 32,7 7d, curado húmedo 14 d curado húmedo 41,3 + 14 d curado al aire AII: Aire Intencionalmente Incorporado

s 1

Xm 9

s 1,6

2,5

28,8

2,1

3,8

37,3

2,4

Las expansiones restringidas se midieron hasta los 14 d de curado en agua, presentándose en la Fig. 5 los valores obtenidos. Puede observarse que, en un 30 % de los casos, la expansión medida superó la cota superior del intervalo buscado. Sin embargo, no se detectaron problemas en las losas correspondientes.

Fig. 5 – Variación de la Expansión Restringida de los Hormigones (14 días)

Control de Planitud y Horizontalidad de las Losas Las figuras 6 y 7 muestran la variación de los números FF (Planitud) y FL

(Horizontalidad), medidos según [6]. Puede verse que los valores mínimos especificados se cumplieron holgadamente.

Fig. 6 – Valores medidos y especificados de Planitud - Número FF

Fig. 7 – Valores medidos y especificados de Horizontalidad - Número FL

CONCLUSIONES • • • • • •

Se construyó un piso industrial de grandes dimensiones, con losas de hasta 1.200 m2 de superficie, a razón de 2.000 m2 diarios con los siguientes resultados: Excelente terminación superficial Planitud y horizontalidad que cumplen holgadamente con las especificaciones para "Piso Plano" Cumple con la resistencia especificada Con una ligera expansión residual y sin ninguna fisura visible luego de 18 meses de ejecutado Sin alabeos apreciables

Estos resultados demuestran la aptitud de la solución técnica adoptada, basada en los Hormigones de Retracción Compensada, la que requiere: • • • •

Contar con un apoyo idóneo para el desarrollo del hormigón a emplear, especialmente en lo referente al diseño de las mezclas y a la cuidadosa medición de las expansiones restringidas De un contratista que disponga de tecnología y equipamiento de ejecución avanzados, dirigidos y operados por personal competente y experimentado De un productor de hormigón capaz de asegurar altos niveles de uniformidad en la calidad del hormigón producido Una óptima concientización, predisposición, comunicación y cooperación entre todas las partes involucradas.

REFERENCIAS [1] ASTM C845: "Standard Specification for Expansive Hydraulic Cements" [2] S. Nagataki and H. Gomi, "Expansive admixtures (mainly ettringite)" Cement and Concrete Compo-sites, v.20, 1998, pp. 163-170. [3] ACI Report 223-90:"Standard Practice for the Use of ShrinkageCompensating Concrete" [4] ASTM C878-95a: "Standard Test Method for Restrained Expansion of Shrinkage-Compensating Concrete". [5] ACI Report 302.1R-89, "Guide for Concrete Floor and Slab Construction ". [6] ASTM E1155, "Standard Test Method for Determining Floor Flatness and Levelness Using the F-Number System ".