TESIS DE MÁSTER Máster

Ingeniería Estructural y de la Construcción Título

LA EVOLUCIÓN DE LOS CONGLOMERANTES HIDRÁULICOS EN PRESAS Autor

Pedro Javier Cabrera Vélez Tutores

Antonio Aguado de Cea Sergio H. Pialarissi Cavalaro Ignacio Segura Pérez Intensificación

El caso del Sand-Cement Fecha

Febrero 2013

TESIS DE MÁSTER Máster

Ingeniería Estructural y de la Construcción Título

LA EVOLUCIÓN DE LOS CONGLOMERANTES HIDRÁULICOS EN PRESAS Autor

Pedro Javier Cabrera Vélez Tutores

Antonio Aguado de Cea Sergio H. Pialarissi Cavalaro Ignacio Segura Pérez Intensificación

El caso del Sand-Cement Fecha

Febrero 2013

DEDICATORIA

A mis hijos, que les sirva como ejemplo en la búsqueda de la superación intelectual

Resumen

i

RESUMEN La ingeniería de presas ha tenido siempre un objetivo claro, el construir obras de calidad, económicas y durables. En este contexto, numerosas investigaciones han sido desarrolladas buscando nuevos materiales y tecnologías que sean adaptables a distintas condiciones. El Sand-Cement es un tipo de conglomerante que fue usado para la construcción de presas de hormigón en Estados Unidos y España. La Presa de Camarasa se constituye como el primer registro de aplicación de éste conglomerante en Europa. En base a esto, esta tesina profundiza en el conocimiento del Sand-Cement, centrando esta investigación en la Presa de Camarasa. Para ello, se llevó a cabo una campaña experimental con las muestras de hormigón extraídas de zonas específicas de la presa. En primer lugar, se procedió con la identificación y preparación de los testigos, para posteriormente someterlos a los ensayos de resistencia a compresión, módulo de elasticidad estático y dinámico, densidad y porosidad, y difracción de rayos X. Por último, se procede al análisis de los resultados obtenidos, observándose que en general el hormigón fabricado en base al cemento portland mantiene mejores características que el fabricado con Sand-Cement.

Pedro Javier Cabrera Vélez

ii

Resumen

La evolución de los conglomerantes hidráulicos en presas: El caso del Sand-Cement

Abstract

iii

ABSTRACT

The Dam Engineering has always had a clear purpose: to build quality, economical and durable works; in this context extensive research has been carried out looking for new materials and technologies that are adaptable to different conditions. The Sand-Cement is a binder used in the construction of concrete dams in the United States and Spain, where Camarasa dam was established as the first record of this binder use in Europe. Under these circumstances, this present work goes deep into the Sand-Cement knowledge focusing this research in the Camarasa dam. For this purpose an experimental campaign was performed taking concrete samples from specific locations of the dam. Initially we proceeded with the identification and preparation of samples to later subject them to the tests of: compressive strength, dynamic and static elasticity modulus, density, porosity and X-ray diffraction. Finally we proceed to the analysis of the results obtained which evidence that in general, the concrete made with Cement keeps better characteristics than the Sand-Cement made.

Pedro Javier Cabrera Vélez

iv

Abstract

La evolución de los conglomerantes hidráulicos en presas: El caso del Sand-Cement

Agradecimientos

v

AGRADECIMIENTOS En primer lugar, agradezco a mis tutores Antonio Aguado, Sergio H. Pialarissi Cavalaro e Ignacio Segura, por su motivación y apoyo en el desarrollo de esta tesina. De manera especial al Profesor Antonio por haber dedicado parte de su tiempo al seguimiento y control de esta tesina. Quiero agradecer a Tomás, Robert, Camilo y Jordi, del Laboratorio de Materiales y Estructuras “Luis Agulló”, por el soporte técnico durante la ejecución de la fase práctica de este trabajo. Quiero agradecer de manera especial a mi hermano Esteban Cabrera, y a mis compañeros de piso Pablo Abril, Ismael Carpio y Sofía Abril por la compañía y por el gran apoyo brindado durante este año y medio en España. Muchas gracias por estar en esos momentos de flaqueza. A mis grandes amigos David Saab, Leandro Aguayo, Miguel Freitas, Enrique (Kiko) De La Rosa, Juan Rojas, Alejandra López, Laura Álvarez, quienes fueron mi familia durante ésta experiencia Catalana. Quiero agradecer a quienes hicieron posible mis estudios, en primer lugar, al Gobierno del Ecuador por la beca otorgada por la Secretaria Nacional de Estudios Superiores, Ciencia, Tecnología e Innovación (SENESCYT); y a la Corporación Eléctrica del Ecuador (CELEC E.P.), por el apoyo institucional brindado en beneficio de mis conocimientos. A mi mujer María Augusta y a mi hijo Pedro, por comprender mi ausencia durante la mayor parte de mis estudios, y por el cariño que me supieron dar en este proceso. No puedo olvidarme de mi eterno amigo Paolo, quien a la distancia siempre estuvo dispuesto a darme ánimos y su apoyo incondicional. A mi querida familia, por su motivación, apoyo y cariño durante este tiempo; es gracias a ellos que he podido llegar hasta donde estoy. Gracias Papi por haber sembrado desde pequeño la idea de la superación intelectual.

Pedro Javier Cabrera Vélez

vi

Agradecimientos

La evolución de los conglomerantes hidráulicos en presas: El caso del Sand-Cement

Índice

vii

ÍNDICE RESUMEN ............................................................................................................ i   ABSTRACT ........................................................................................................ iii   AGRADECIMIENTOS ......................................................................................... v   ÍNDICE .............................................................................................................. vii   ÍNDICE DE FIGURAS ........................................................................................ xi   ÍNDICE DE TABLAS .......................................................................................... xv   1.   CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN .......................................................................... 1   1.1.   ANTECEDENTES .................................................................................. 1   1.2.   MOTIVACIÓN ......................................................................................... 3   1.3.   OBJETIVOS ........................................................................................... 3   1.3.1.   Objetivo General .............................................................................. 3   1.3.2.   Objetivos específicos ....................................................................... 3   1.4.   METODOLOGÍA ..................................................................................... 4   1.5.   CONTENIDO DEL DOCUMENTO ......................................................... 4   2.     CAPÍTULO 2:

ESTADO DEL ARTE ........................................................... 7  

2.1.   INTRODUCCIÓN ................................................................................... 7   2.2.   LOS CONGLOMERANTES HIDRÁULICOS EN PRESAS .................... 8   2.2.1.   Definición ......................................................................................... 8   2.2.2.   El Cemento Portland........................................................................ 8   2.2.3.   Aditivos y adiciones ....................................................................... 10   2.3.   EL HORMIGÓN EN MASA ................................................................... 11   2.3.1.   Generalidades ............................................................................... 11   2.3.2.   Mecanismos de deterioro .............................................................. 12   2.3.3.   Evolución tecnológica del hormigón .............................................. 16   3.     CAPITULO 3: EL SAND-CEMENT .................................................................... 27   3.1.   INTRODUCCIÓN ................................................................................. 27   3.2.   CARACTERISTICAS DEL CONGLOMERANTE ................................. 28   3.2.1.   Definición de Sand-Cement ........................................................... 28   3.2.2.   Áridos utilizados para la producción del Sand-Cement ................. 29   3.2.3.   Investigaciones realizadas............................................................. 31   3.2.4.   Propiedades................................................................................... 36  

Pedro Javier Cabrera Vélez

viii

Índice

3.3.   FABRICACIÓN Y PUESTA EN OBRA ................................................. 37   3.3.1.   Fabricación .................................................................................... 37   3.3.2.   Puesta en obra .............................................................................. 39   3.4.   PRECEDENTES HISTÓRICOS DE APLICACIÓN DEL SANDCEMENT ........................................................................................................ 39   3.4.1.   Presa de Arrowrock ....................................................................... 39   3.4.2.   Presa de Elephant Butte ................................................................ 40   3.4.3.   Presa Lahontan ............................................................................. 41   4.     CAPITULO 4:

PRESA DE CAMARASA ......................................................... 43  

4.1.   INTRODUCCIÓN ................................................................................. 43   4.2.   EL SAND-CEMENT EN ESPAÑA ........................................................ 44   4.3.   PRESA DE CAMARASA ...................................................................... 45   4.3.1.   Antecedentes ................................................................................. 45   4.3.2.   Generalidades ............................................................................... 46   4.3.3.   Hormigonado de la presa .............................................................. 47   4.3.4.   Instalaciones para la fabricación del cemento ............................... 50   4.3.5.   Campañas experimentales ............................................................ 51   4.3.6.   Resumen de resultados ................................................................. 59   5.     CAPITULO 5:

METODOLOGÍA EXPERIMENTAL ..................................... 61  

5.1.   INTRODUCCIÓN ................................................................................. 61   5.2.   PROCEDIMIENTO PREVIO A LA EJECUCIÓN DE LOS ENSAYOS . 62   5.2.1.   Plan de extracción de testigos. ...................................................... 62   5.2.2.   Extracción de testigos y transporte al laboratorio. ......................... 64   5.2.3.   Levantamiento general de información.......................................... 65   5.2.4.   Planificación de ensayos y selección de muestras....................... 66   5.2.5.   Mapeo y geometría de los testigos ................................................ 66   5.2.6.   Inspección Visual ........................................................................... 68   5.2.7.   Preparación de muestras............................................................... 68   5.3.   EJECUCIÓN DE ENSAYOS ................................................................ 70   5.3.1.   Ensayo de Ultrasonido................................................................... 70   5.3.2.   Resistencia a compresión.............................................................. 72   5.3.3.   Modulo de elasticidad estático....................................................... 73   5.3.4.   Densidad y Porosidad.................................................................... 75   5.3.5.   Difracción de rayos X ..................................................................... 77  

La evolución de los conglomerantes hidráulicos en presas: El caso del Sand-Cement

Índice

ix

6.     CAPITULO 6:

ANALISIS DE RESULTADOS ............................................. 79  

6.1.   INTRODUCCIÓN ................................................................................. 79   6.2.   CONSIDERACIONES INICIALES ........................................................ 80   6.2.1.   Mapeo de testigos ......................................................................... 80   6.2.2.   Análisis de resultados .................................................................... 82   6.3.   INFORMACIÓN OBTENIDAD DE LA INSPECCIÓN VISUAL ............. 83   6.4.   RESULTADOS Y DISCUCIÓN DE LA FASE EXPERIMENTAL .......... 87   6.4.1.   Resistencia a compresión y Módulo de elasticidad estático.......... 87   6.4.2.   Ultrasonido ..................................................................................... 94   6.4.3.   Densidad y porosidad .................................................................... 99   6.4.4.   Difracción de rayos X ................................................................... 106   7.     CAPÍTULO 7: CONCLUSIONES ..................................................................... 111   7.1.   INTRODUCCIÓN ............................................................................... 111   7.2.   CONCLUSIONES GENERALES ........................................................ 112   7.2.1.   CONCLUSIONES ESPECÍFICAS ............................................... 112   7.3.   LINEAS FUTURAS DE INVESTIGACIÓN ......................................... 114   8.     CAPÍTULO 8: BIBLIOGRAFÍA ......................................................................... 115  

Pedro Javier Cabrera Vélez

x

Índice

La evolución de los conglomerantes hidráulicos en presas: El caso del Sand-Cement

Índice de Figuras

xi

ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1.1.- Vista general de la cara aguas debajo de la Presa de Camarasa. .. 2   Figura 2.1.- Difusión de sulfatos en el hormigón (ataque externo).................... 13   Figura 2.2.- Desintegración de un canal de concreto en la Centra Valley Project, a solo cinco años después de su construcción. ............................ 14   Figura 2.3.- Diagrama transversal que indica el desprendimiento del hormigón, debido al gel de sílice. ................................................................................ 15   Figura 2.4.- Gel álcali-sílice debido a la reacción álcali-agregado. (Bureau of Reclamation Concrete Laboratory, 1940) .................................................. 15   Figura 2.5.- Acción del hielo-deshielo en el Sand-Cement de la presa Lohantan en California. (Smoak, 1997)...................................................................... 16   Figura 2.6.- Utilización de canaletas para el transporte de hormigón en la presa de Arrowrock. (Bureau of Reclamation Service) ........................................ 19   Figura 2.7.- 1os hormigones transportados mecánicamente. (Bureau of Reclamation Service) ................................................................................. 21   Figura 2.8.- Nuevas tecnologías utilizadas para la construcción de la presa Hoover. (Bureau of Reclamation Service) .................................................. 23   Figura 2.9.- Vibradores mecánicos usados para la consolidación del hormigón. (ACI, 1933) ................................................................................................. 23   Figura 2.10.- Técnica del hormigón compactado con rodillo. (Internet) ............ 25   Figura 3.1.- Vista actual de la presa de Arrowrock, Idaho: a)Inicial y b)actual (Internet) ..................................................................................................... 40   Figura 3.2.- Vista actual de la presa de Elephant Butte, Nuevo México: a)Inicial y b)actual (Internet) .................................................................................... 41   Figura 3.3.- Vista actual de la presa Lahontan, Nevada (Internet) .................... 42   Figura 4.1.- Vista general de la presa del Tranco de Beas. Foto actual. (Internet) ..................................................................................................... 45   Figura 4.2.- Presa de Camarasa: a)Vista actual cara aguas abajo, b)Localización geográfica. (Internet) .......................................................... 46   Figura 4.3.- Sección de la Presa de Camarasa-Dosificaciones de Hormigón. (Martínez,1995). ......................................................................................... 49   Figura 4.4.- 2 de diciembre de 1918. La planta de hormigón ya terminada. (Martínez, 1995) ......................................................................................... 50   Figura 4.5.- Localización de los perfiles 1 y 2 en el perfil de la presa. (Endesa,1996) ............................................................................................ 55   Figura 5.1.- Metodología utilizada en laboratorio .............................................. 62   Figura 5.2.- Vista general del cuerpo de la presa. Ubicación de sondeos. ....... 63   Figura 5.3.- Vista transversal de la presa. Ubicación de los sondeos. .............. 63   Figura 5.4.- Visión general de los sondeos 2 (a), 4 (b) al llegar al laboratorio .. 64  

Pedro Javier Cabrera Vélez

xii

Índice de Figuras

Figura 5.5.- Visión general del sondeo 7 al llegar al laboratorio ....................... 65   Figura 5.6.- Información varia consignada en las cajas. ................................... 65   Figura 5.7.- Ilustración acerca de la dirección y nomenclatura de las piezas. a) Primera pieza del sondeo 4, b) ultima pieza del sondeo 2......................... 67   Figura 5.9.- Pie de rey. ...................................................................................... 68   Figura 5.10.- Vista general de la sierra de corte. .............................................. 69   Figura 5.11.- Vista general de la desbastadora................................................. 69   Figura 5.12.- Machacadora de molino vibratorio. a) Vista General, b) instrumentos utilizados. .............................................................................. 69   Figura 5.13.- Instrumentos utilizados para el tamizado de las muestras .......... 70   Figura 5.14.- Equipo de Ultrasonido .................................................................. 71   Figura 5.15.- Equipos utilizados para el ensayo de compresión. ...................... 72   Figura 5.16.- Preparación de la muestra. .......................................................... 74   Figura 5.17.- Ilustración de los ciclos de carga usados en el ensayo para la determinación del módulo de elasticidad estático. ..................................... 75   Figura 5.18.- Equipo usado para pesar las muestras. a)Balanza, b)Canastilla para peso sumergido.................................................................................. 76   Figura 5.19.- Equipo usado para el secado de las piezas................................. 76   Figura 6.1.-Fragmentos de madera encontrados en el sondeo 4. a) S4P12-B-8d, b)S4P14 ................................................................................................. 81   Figura 6.2.-Estado físico de las piezas del sondeo 7. a) S7P10, b)S7P11 ....... 81   Figura 6.3.-Comportamiento en profundidad del Modulo de elasticidad. a) Antes del proceso de descarte, b) después del proceso de descarte. ................. 82   Figura 6.4.-Presencia de áridos grandes en sondeo 4. Pieza S4P12-B-8-1 ..... 83   Figura 6.5.-Presencia de áridos grandes en sondeo 2. Pieza S2P1-A-1 .......... 85   Figura 6.6.-Gran concentración de áridos en el sondeo 4. Pieza S4P3-B-2   . 85   Figura 6.7.-Presencia de áridos grandes en sondeo 7. Pieza S7P3-C-2-4....... 85   Figura 6.8.-Coqueras presentes en los sondeos. a) Pieza S2P1-A-1-i, b)Pieza S7P4 ........................................................................................................... 86   Figura 6.9.-Fisuras encontradas en las piezas. a) Pieza S2P8, b)Pieza S4P8. 87   Figura 6.10.-Coqueras presentes en los sondeos. a) Pieza S7P4, b)Pieza S7P10. ........................................................................................................ 87   Figura 6.11.- Comportamiento de la resistencia a compresión vs la profundidad del sondeo. ................................................................................................. 89   Figura 6.12.- Comportamiento del módulo de elasticidad estático vs la profundidad del sondeo. ............................................................................. 89   Figura 6.13.- Comportamiento de la resistencia a compresión vs. la profundidad del sondeo .................................................................................................. 90  

La evolución de los conglomerantes hidráulicos en presas: El caso del Sand-Cement

Índice de Figuras

xiii

Figura 6.14.- Comportamiento del módulo de elasticidad estático vs. la profundidad del sondeo .............................................................................. 90   Figura 6.15.- Comportamiento de la resistencia a compresión vs. la profundidad del sondeo. ................................................................................................. 91   Figura 6.16.- Comportamiento del módulo de elasticidad estático vs. la profundidad del sondeo .............................................................................. 91   Figura 6.17.-Muestras de daño en piezas del sondeo 7. a) Pieza S7P2-C-1-1 ubicada a 26.50 cm del exterior, b) Pieza S7P5-C-3-2 ubicada a 147.50 cm del exterior, c) Pieza S7P9-C-6 ubicada a 220.50 cm del exterior............. 93   Figura 6.18.-Comportamiento del módulo dinámico vs. el módulo estático del sondeo 2 ..................................................................................................... 95   Figura 6.19.-Comportamiento del módulo dinámico vs. el módulo estático del sondeo 4..................................................................................................... 96   Figura 6.20.-Comportamiento del módulo dinámico vs. el módulo estático del sondeo 7..................................................................................................... 97   Figura 6.21.-Observación de zonas verdosas en el sondeo 7. Pieza S7P3-C-21 ................................................................................................................. 98   Figura 6.22.-Densidad real y aparente vs. la profundidad. Sondeo 2. ............ 101   Figura 6.23.- Porosidad vs. la profundidad. Sondeo 2 .................................... 101   Figura 6.24.- Densidad real y aparente vs. la profundidad. Sondeo 4. ........... 102   Figura 6.25.- Porosidad vs. la profundidad. Sondeo 4. ................................... 102   Figura 6.26.- Densidad real y aparente vs. la profundidad. Sondeo 7. ........... 103   Figura 6.27.- Porosidad vs. la profundidad. Sondeo 7. ................................... 104   Figura 6.28.- Gráfico DRX de compuestos mineralógicos principales de la pieza S2P2-A-2-I ................................................................................................ 107   Figura 6.29.- Gráfico DRX de compuestos mineralógicos principales de la pieza S2P16-A11-D ........................................................................................... 107   Figura 6.30.- Gráfico DRX de compuestos mineralógicos principales de la pieza S4P3-B-2-I ................................................................................................ 108   Figura 6.31.- Gráfico DRX de compuestos mineralógicos principales de la pieza S4P12-B-8-I .............................................................................................. 108   Figura 6.32.- Gráfico DRX de compuestos mineralógicos principales de la pieza S7P2-C-1-I ............................................................................................... 109   Figura 6.33.- Gráfico DRX de compuestos mineralógicos principales de la pieza S7P14 ....................................................................................................... 109  

Pedro Javier Cabrera Vélez

xiv

Índice de Figuras

La evolución de los conglomerantes hidráulicos en presas: El caso del Sand-Cement

Índice de Tablas

xv

ÍNDICE DE TABLAS Tabla 3.1.- Análisis químicos en diferentes rocas que se determinaron adecuadas para la mezcla con el cemento. (Coghlan, 1913) .................... 30   Tabla 3.2.- Resistencia a Compresión en (Kg/cm2) del Sand-Cement. (Coghlan, 1913) .......................................................................................................... 32   Tabla 3.3.- Resistencia a tracción en (Kg/cm2) del Sand-Cement. (Coghlan, 1913) .......................................................................................................... 33   Tabla 3.4.- Acción puzolánica entre la sílice coloidal y la cal hidratada. (Coghlan, 1913).......................................................................................... 36   Tabla 3.5.- Resultado a tracción (Kg/cm2) de probetas de morteros de sandcement y cemento Portland.Bureau of Reclamation Service (USA) 1905 – 1910. (Martinez,1995) ................................................................................ 36   Tabla 3.6.-Conveniencia de la mezcla en peso o volumen del Sand-Cement. (Cohglan,1913)........................................................................................... 38   Tabla 4.1.-Dosificaciones de Sand-Cement utilizadas en presas españolas. ... 44   Tabla 4.2.- Características de la Presa de Camarasa. (Martínez,1995) ........... 47   Tabla 4.3.- Dosificación en peso del hormigón usado en la presa. (Martinez,1995). ......................................................................................... 48   Tabla 4.4.- Información registrada en las campañas experimentales de la Presa de Camarasa .............................................................................................. 51   Tabla 4.5.- Información presentada en cada campaña de experimental. ......... 52   Tabla 4.6.- Resultados de ensayos a compresión realizados durante 1917 y 1918. .......................................................................................................... 53   Tabla 4.7.- Densidad Real de las muestras ensayadas durante 1917 y 1918. . 53   Tabla 4.8.- Propiedad del Sand-Cement. (Endesa,1931) ................................. 54   Tabla 4.9.- Propiedad del Sand-Cement. (Endesa,1955) ................................. 55   Tabla 4.10.- Cota de los sondeos realizados. (Endesa,1996)........................... 56   Tabla 4.11.- Resultados obtenidos por el laboratorio de Intemac. (Endesa,1996) ................................................................................................................... 57   Tabla 4.12.- Valores obtenidos por la Universidad de Cantabria. (Endesa,1997) ................................................................................................................... 57   Tabla 4.13.- Valores obtenidos por Escuela de Minas de Madrid. (Endesa,2001) ................................................................................................................... 58   Tabla 4.14.- Resultados obtenidos por el L.A.D.A.C.I.M. (Endesa,2006) ......... 58   Tabla 4.15.- Resultados obtenidos en las campañas experimentales a partir de su construcción. ......................................................................................... 59   Tabla 5.1.- Características de los sondeos. ...................................................... 64   Tabla 5.2.- Equipos utilizados para el ensayo de compresión. ......................... 73  

Pedro Javier Cabrera Vélez

xvi

Indice de Tablas

Tabla 5.3.- Condiciones de análisis empleadas para los análisis de difracción de rayos-X. ................................................................................................. 77   Tabla 6.1.-Mapeo general de los sondeos 2,4 y 7. ........................................... 80   Tabla 6.2.-Características físicas del sondeo 2................................................. 83   Tabla 6.3.-Características físicas del sondeo 4................................................. 84   Tabla 6.4.-Características físicas del sondeo 7................................................. 84   Tabla 6.5.-Resultados de resistencia a compresión y módulo de elasticidad del sondeo 2..................................................................................................... 88   Tabla 6.6.-Resultados de resistencia a compresión y módulo de elasticidad del sondeo 4..................................................................................................... 89   Tabla 6.7.- Resultados de resistencia a compresión y módulo de elasticidad del sondeo 7..................................................................................................... 90   Tabla 6.8.-Resumen de resultados del ensayo de resistencia a compresión y módulo de elasticidad del sondeo 2. .......................................................... 91   Tabla 6.9.-Resumen de resultados del ensayo de resistencia a compresión y módulo de elasticidad del sondeo 4. .......................................................... 92   Tabla 6.10.-Resumen de resultados del ensayo de resistencia a compresión y módulo de elasticidad del sondeo 7. .......................................................... 93   Tabla 6.11.-Parámetros considerados para la determinación del módulo de elasticidad dinámico del sondeo 2. ............................................................ 94   Tabla 6.12.-Parámetros considerados para la determinación del módulo de elasticidad dinámico del sondeo 4. ............................................................ 95   Tabla 6.13.-Parámetros considerados para la determinación del módulo de elasticidad dinámico del sondeo 7. ............................................................ 96   Tabla 6.14.-Resultados obtenidos para la densidad y porosidad del sondeo 2. ................................................................................................................. 100   Tabla 6.15.-Resultados obtenidos para la densidad y porosidad del sondeo 4. ................................................................................................................. 102   Tabla 6.16.-Resultados obtenidos para la densidad y porosidad del sondeo 7. ................................................................................................................. 103   Tabla 6.17.-Resumen de resultados del ensayo de densidad y porosidad del sondeo 2................................................................................................... 104   Tabla 6.18.-Resumen de resultados del ensayo de densidad y porosidad del sondeo 4................................................................................................... 105   Tabla 6.19.-Resumen de resultados del ensayo de densidad y porosidad del sondeo 7................................................................................................... 106  

La evolución de los conglomerantes hidráulicos en presas: El caso del Sand-Cement

Introducción

1

1.

CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN

1.1.

ANTECEDENTES

A lo largo de la historia, la inversión en infraestructuras (carreteras, canales, puertos, presas, etc.,) ha venido asociado al desarrollo de la humanidad. En su construcción se han empleado diversos materiales asociados a las circunstancias específicas de cada época. Entre ellos se encuentra el hormigón. En el campo de presas, hasta el inicio del siglo XX la solución de mampostería, era una solución ampliamente extendida, si bien con la incorporación masiva del hormigón a finales del siglo XIX, se abre un camino en todas las infraestructuras hasta convertirse en la actualidad en el material más barato y, en consecuencia el material de construcción por excelencia. Esta implantación se refleja, asimismo, en el ámbito hidráulico de presas, especialmente en España (Yagüe; de Cea, 2008) El hormigón es un material de gran complejidad, que ha sido sujeto a numerosas investigaciones a lo largo de su historia. Sus propiedades y su adaptabilidad a un sin numero de condiciones de servicio y acciones

Pedro Javier Cabrera Vélez

2

Capítulo 1

ambientales, han hecho que hoy en día los proyectistas lo consideren imprescindible al momento de proyectar obras de gran volumen como es el caso de las presas. El hormigón en masa utilizado para la construcción de grandes obras de ingeniería, en general ha utilizado dos grupos de materiales: El primero, incluye a todos aquellos que podemos denominar como “pétreos”, que se obtienen como resultado de la elaboración y tratamiento de rocas naturales de distinta naturaleza, forma y tamaño, que, salvo contadas excepciones, se han unido con otros tipos de conglomerantes hidráulicos para formar otros como es el caso del Sand-Cement. El segundo, incluye los distintos tipos de hormigón que han sido desarrollados a lo largo del siglo XX. (Díez-Cascón; Bueno, 2001) El Sand-Cement, es un conglomerante que resulta de la molienda conjunta de clinker de cemento portland y arena silícea en proporciones casi semejantes. Sus buenas propiedades y la significativa reducción en los costes de construcción, promovió su aplicación durante las primeras décadas del siglo XX para la construcción de presas en Estados Unidos y España. La primera obra de infraestructura en España en la que se registra el uso de este conglomerante es la Presa de Camarasa, la cual, con 101,5 m de altura se ubico como la presa mas alta de Europa. (Figura 1.1)

Figura 1.1.- Vista general de la cara aguas debajo de la Presa de Camarasa.

Para obtener un hormigón durable, durante el siglo XX, se presentaron numerosos obstáculos para la construcción de estructuras, y uno de lo factores mas importantes que lo ocasionó, fue la expansión de la población a zonas que se encontraban bajo la acción de climas extremos. Este hecho causó, que la calidad del hormigón se vea afectada por la limitaciones de la calidad en los materiales empleados (cemento, arena y grava), así como por los métodos de

La evolución de los conglomerantes hidráulicos en presas: El caso del Sand-Cement

Introducción

3

construcción aplicados para la dosificación, mezclado, colocación y protección del hormigón. Estos eventos históricos, contribuyeron al desarrollo de un material de ingeniería, dando como resultado lo que hoy en día se conoce como Hormigón Moderno. (Dolen, 2002)

1.2.

MOTIVACIÓN

Las presas de hormigón representan un gran impacto en la sociedad y la naturaleza, debido a que presentan comportamientos y particularidades propias que se dan en este tipo de obras. Por lo tanto, tener un conocimiento de las condiciones de servicio, técnicas constructivas y materiales empleados, es de vital interés para obtener una estructura durable durante su vida útil. Es claro, que el uso de hormigones fabricados en base al Sand-Cement se descontinuó poco después de la finalización de contadas obras hidráulicas. Sin embargo, en Estados Unidos y en España, existen estructuras donde fue aplicado este tipo de conglomerante, y en la actualidad, continúan cumpliendo la función para lo cual fueron proyectados. No obstante, las limitadas investigaciones que se realizaron al respecto, motivan la necesidad de llevar un control riguroso y frecuente del comportamiento de este material y su interacción con la estructura en cuestión.

1.3.

OBJETIVOS

1.3.1. Objetivo General El objetivo general de esta tesina es profundizar en el conocimiento del Sand-Cement como material de construcción de presas. Esta profundización se centra en la Presa de Camarasa, como primera presa española que se construyó con este material hace casi un siglo, habiéndose tenido oportunidad de caracterizar el hormigón utilizado, mediante la utilización de testigos que corresponden a las tres dosificaciones empleadas para su construcción. 1.3.2. Objetivos específicos Para llegar a cumplir con el objetivo general se tendrán en cuenta estos objetivos específicos: •

Realizar un análisis comparativo de las campañas experimentales realizadas en la Presa de Camarasa durante su vida útil.

Pedro Javier Cabrera Vélez

4

Capítulo 1

•

Evaluar experimentalmente la resistencia a compresión, el módulo de elasticidad estático y dinámico, la densidad y la porosidad en los tres sondeos disponibles.

•

Analizar el comportamiento de las propiedades del hormigón en función de la profundidad del sondeo.

•

Comparar los resultados obtenidos durante la fase experimental, entre los dos tipos de hormigones utilizados en la presa, tanto, el fabricado con cemento portland, como en base al Sand-Cement.

•

Complementar los resultados de la campaña experimental realizada para caracterizar el hormigón, con la información obtenida del ensayo de difracción de rayos X.

1.4.

METODOLOGÍA

Para alcanzar los objetivos propuestos en esta tesina, en primer lugar, se procedió con una extensa búsqueda bibliográfica respecto de la evolución de los conglomerantes en el siglo XX y en particular del Sand-Cement. Con posterioridad, se ha estudiado la historia de la Presa de Camarasa, los hormigones que lo conforman, y las dosificaciones utilizadas para su construcción. Finalmente, se ha propuesto una campaña de extracción de sondeos para su estudio en el Laboratorio de Estructuras y Materiales “Luis Agulló” de la Universidad Politécnica de Cataluña. En el laboratorio, se inicio por mapear los sondeos y levantar la información que resulte relevante acerca de ellos. Con posterioridad, se desarrollo la campaña experimental de manera secuencial en base a la planificación establecida para los ensayos. Una vez obtenidos los resultados, se procedió a su análisis y discusión.

1.5.

CONTENIDO DEL DOCUMENTO

La presente tesina de máster está dividida en 8 capítulos, del los cuales, el presente corresponde al Capitulo 1. El Capítulo 2, presenta un estudio histórico referente a la evolución de los conglomerantes utilizados en presas. Dentro de este capítulo se exponen los hechos históricos y las medidas que se adoptaron para mejorar la durabilidad del hormigón.

La evolución de los conglomerantes hidráulicos en presas: El caso del Sand-Cement

Introducción

5

El Capítulo 3, presenta un estudio particular referente al Sand-Cement. Para ello, se expone, los antecedentes históricos y las características propias del material. Con posterioridad, se incluye la información obtenida de las investigaciones realizadas durante el tiempo de aplicación, y los precedentes históricos de aplicación de este conglomerante para la construcción de presas. El Capítulo 4, presenta un estudio histórico de la Presa de Camarasa y las campañas experimentales realizadas a lo largo de su vida útil. El Capítulo 5, presenta la metodología experimental utilizada en esta tesina. Por un lado, se detalla el proceso de extracción y levantamiento de información de los sondeos; y por otro lado, se indican los procedimientos empleados para la caracterización del hormigón durante la campaña experimental. El Capítulo 6, presenta los resultados obtenidos de la campaña experimental, complementados con tablas y gráficos. Con posterioridad se realiza una discusión del comportamiento del hormigón en función de la profundidad y de su composición. El Capítulo 7, presenta las conclusiones del trabajo realizado, y además, se proponen las líneas futuras de investigación. Finalmente, el Capítulo 8, presenta la bibliografía utilizada para el desarrollo de esta tesina..

Pedro Javier Cabrera Vélez

6

Capítulo 1

La evolución de los conglomerantes hidráulicos en presas: El caso del Sand-Cement

Estado del Arte

7

2.

CAPÍTULO 2: ESTADO DEL ARTE

2.1.

INTRODUCCIÓN

El hormigón en masa para presas, tal como lo conocemos hoy en día, es el resultado de la investigación desarrollada durante el siglo XX, superando aquellos factores que impedían obtener un material durable y practicable en una diversidad de condiciones, tanto del material como del medio ambiente. Muchos de los pasos evolutivos en la técnica y conocimiento del material, fueron el producto de fallos o deterioros en presas, y consiguiente respuesta del impulso científico en busca de soluciones a los mecanismos de deterioro. Respecto a la evolución del conocimiento, varios autores y estudios coindicen en el hecho de que el proceso histórico del desarrollo de los hormigones en masa tiene una relación directa con el desarrollo tecnológico de la construcción de las presas en Estados Unidos, como consecuencia de su papel de liderazgo mundial durante el pasado siglo. (Díez-Cascón; Bueno, 2001).

Pedro Javier Cabrera Vélez

8

Capítulo 2

El objetivo del presente capítulo es presentar la evolución en los conglomerantes utilizados en las presas de hormigón a lo largo del siglo XX, analizando las circunstancias que rodearon ese desarrollo. Este capítulo inicia con la presentación de una reseña histórica acerca del cemento portland, para posteriormente, en base a los criterios adoptados para la división generacional en la evolución hacia un hormigón durable por parte de la U.S. Reclamation Service, analizar cada generación, señalando los hechos históricos que llevaron las investigaciones hacia una mejora en la tecnología del hormigón y su construcción.

2.2.

LOS CONGLOMERANTES HIDRÁULICOS EN PRESAS

2.2.1. Definición En general, se denominan conglomerantes hidráulicos a aquellos productos que, amasados con el agua, fraguan y endurecen tanto expuestos al aire como sumergidos en agua, debido a la estabilidad en tales condiciones de los compuestos resultantes de la hidratación. (García; Moran; Arroyo, 2009) El proceso de fabricación de estos conglomerantes consta de un tratamiento térmico de las materias primas y, posteriormente, de una molienda fina de los materiales resultantes de la cocción con o sin otras adiciones. Los conglomerantes más utilizados son el yeso, la cal, y el cemento. El cemento Portland ocupa un lugar destacado en el consumo, además de ser, la materia prima esencial para la producción del hormigón. Por otro lado, éste mismo sirve de base para la preparación de otros conglomerantes. (Soria, 1972). 2.2.2. El Cemento Portland Los principios de la historia de los cementos en la construcción se remontan a los tiempos del antiguo Egipto, seguido, posteriormente, por griegos y romanos, donde se destacan los acueductos y el panteón histórico en Roma. En general todos los materiales entonces empleados eran combinaciones de arcilla y mezcla de arenas puzolánicas como rocas fragmentadas y fragmentos de cerámicas, sometidos a tratamientos térmicos imperfectos. (Díez-Cascón; Bueno, 2001). Fue a partir del siglo XII, que la técnica de construcción se basó en la aplicación rutinaria de determinadas reglas que se transmitían entre las distintas generaciones de artesanos dedicados a la construcción. El primer

La evolución de los conglomerantes hidráulicos en presas: El caso del Sand-Cement

Estado del Arte

9

gran paso en la evolución de los materiales tuvo lugar en Inglaterra en 1756, a manos de John Smeaton quien, con motivo del encargo que el Parlamento inglés le hiciese para la construcción de un faro en Eddystone Rock, luego de quedar destruido por un incendio el que existía previamente, iniciase un estudio sistemático a cerca de las propiedades, y sobre todo de los orígenes y causas de los conglomerantes. John Smeaton realizó numerosos ensayos con distintas cales procedentes de distintos tipos de calizas, mezcladas en distintas proporciones con “trass” holandés, y moldeadas en forma de bolas. Dos fueron las primeras consecuencias obtenidas: •

Que, las cales disueltas en ácido sulfúrico que dejaban un mayor residuo insoluble eran las que tenían una mayor resistencia.

•

Que, las bolas formadas con estas cales y sumergidas en agua no sufrían ningún cambio e incrementaban su dureza con el paso del tiempo. (Díez-Cascón; Bueno, 2001).

Por entonces, los descubrimientos de Smeaton hicieron pocos progresos y, durante mucho tiempo mantuvieron la supremacía las viejas mezclas de cal grasa y puzolana, base de los morteros romanos. Las investigaciones llevadas a cabo en 1818 sobre cal hidráulica condujeron al ingeniero francés L. J. Vicat a preparar una cal artificial, calcinando una mezcla íntima de caliza y arcilla, molidas, conjuntamente en húmedo. Este proceso podría considerarse como el primer chispazo en la fabricación del cemento Portland artificial. La fecha de invención del cemento Portland no es fácil de determinar. Joseph Aspdin fue el primero en patentar éste tipo de conglomerante en 1824, aunque empleaba un procedimiento similar al del cemento portland, adolecía de un defecto de cocción, resultando un producto de baja calidad. Contemporáneamente a Aspdin, I. Charles Johnson observó que los módulos sobrecosidos encontrados en los hornos de aquél, aunque fraguaba lentamente después de molidos, daban mejor cemento que el producto normalmente fabricado. Johnson mejoró las proporciones de caliza y arcilla y elevó la temperatura de trabajo de los hornos, sugiriendo llegar a un principio de sinterización. Al producto así obtenido se le dio el nombre de cemento Portland, porque, una vez fraguado, presentaba un color parecido a la piedra natural de la península de Portland, al sur de Inglaterra. (Soria, 1972). Sin embargo, y a pesar de los importantes avances reseñados como consecuencia del proceso experimental llevado a cabo, la utilización se basaba

Pedro Javier Cabrera Vélez

10

Capítulo 2

en unas reglas empíricas, sin saber a ciencia cierta la constitución intima de estos conglomerantes y, por lo tanto, la causa de su comportamiento. Fue Henry Le Chatelier, quién se propuso averiguar qué era el cemento, y en sus trabajos, publicaciones principalmente entre 1882 y 1887, dio a conocer el hecho de que los principales componentes del cemento portland son los silicatos bicálcico y tricálcico. (Díez-Cascón; Bueno, 2001). 2.2.3. Aditivos y adiciones A lo largo del siglo XX se han introducido en el hormigón, dos elementos fundamentales en la visión actual, como son los aditivos y las adiciones: En el caso de los aditivos, en base a compuestos químicos, su introducción ha estado orientada a mejorar diversas propiedades del hormigón, tanto en estado fresco como en estado endurecido y, en este caso, en sus propiedades a lo largo del tiempo. Con respecto a las adiciones, las incorporaciones han sido numerosas, ya que el hormigón es un material que recibe bien, en general, todo tipo de residuos y/o subproductos. Sin ánimo de ser farragoso, cabe citar especialmente a: •

Filler y arenas naturales: que provienen de una molienda fina o por pulverización de ciertos materiales naturales (Rocas) o no, como por ejemplo calizas, basaltos, escorias, bentonita, cenizas volantes, etc.

•

Cenizas volantes: que provienen de la precipitación electrostática o por captación mecánica de los polvos que acompañan a los gases de combustión, de los quemadores de centrales termoeléctricas alimentadas por carbones pulverizados.

•

Humo de sílice: que provienen de la reducción del cuarzo, de elevada pureza, con carbón en hornos eléctricos de arco para la producción de silicio y ferro silicio.

Por lo que afecta al caso de presas, las adiciones principalmente utilizadas han sido: filler naturales, cenizas volantes y humo de sílice en alguna aplicación específica, evolucionando en el tiempo en el mismo orden que se cita. En gran medida, tanto el filler como las cenizas volantes se incorporaban por razones económicas, de trabajabilidad de la masa fresca, reducción del calor generado en la masa y durabilidad.

La evolución de los conglomerantes hidráulicos en presas: El caso del Sand-Cement

Estado del Arte

2.3.

11

EL HORMIGÓN EN MASA

2.3.1. Generalidades De acuerdo al American Concrete Institute ACI, el hormigón es definido como un material compuesto que consiste esencialmente en un medio de unión, en el cual, están embebidas partículas o fragmentos de agregado, usualmente una combinación de agregado fino y grueso, en cemento portland. La mayoría de los hormigones del siglo 20, están compuestos por aproximadamente 75 porciento de agregados en volumen y aproximadamente un 25 % de pasta de cemento portland que hace la función de aglutinante. Los materiales cementicios incluyen en primer lugar el cemento portland y, en ciertas circunstancias, un material cementicio adicional como puzolana. Las puzolanas son materiales finamente molidos y calcinados a altas temperaturas, que reaccionan con la arcilla para formar componentes similares al cemento portland. Existen 2 tipos de puzolanas: naturales, que son calcinadas por eventos naturales como la acción de volcanes; y artificiales que son calcinadas en un horno, como la ceniza volante. Los materiales puzolánicos, naturalmente, no se endurecen mediante la hidratación con agua, se debe haber añadido hidróxido de calcio o cal, para permitir que las reacciones tengan lugar. Afortunadamente, uno de los subproductos químicos de la hidratación del cemento es hidróxido de calcio, lo que permite que al darse la combinación del cemento con puzolana se obtenga un hormigón más fuerte y durable. El proceso químico que lleva del hormigón liquido a la masa endurecida, es la reacción entre el cemento y el agua, el cual es llamado proceso de hidratación. El hormigón no se endurece por secado, al igual que algunos ladrillos de arcilla y morteros de cal, éste debe conservar la humedad para permitir que el cemento este hidratado químicamente, y se produzcan los enlaces químicos en su interior, que por lo general tardan aproximada un mes. Un hormigón resistente contiene solamente el agua suficiente para reaccionar químicamente con el cemento disponible. Los hormigones más débiles son aquellas que contienen un exceso de agua o se secan prematuramente, impidiendo que la reacción química continúe. La hidratación del cemento también genera calor y puede conducir a un agrietamiento por temperatura cuando la masa interior quiere expandirse mientras que el exterior se contrae a medida que se enfría. Es por esta razón, que cualquier medio que sugiera una reducción en el contenido de cemento, tiene como consecuencia la reducción del agrietamiento potencial.

Pedro Javier Cabrera Vélez

12

Capítulo 2

Adicionalmente, el exceso de agua puede causar otro inconveniente, y es respecto de la porosidad de la pasta, hecho que permite que el hormigón sea atacado mas fácilmente por sustancia que provoque un deterioro y posteriormente se presente un proceso físico de degradación. (Dolen, 2002). 2.3.2. Mecanismos de deterioro Existe una gran variedad de medio ambientes que actúan agresivamente en contra del hormigón de cemento portland, provocando diferentes mecanismos de deterioro, entre los que tenemos: •

Presencia de sulfatos

•

Reacción álcali-agregado: álcali-sílice o álcali-carbonato

•

Hielo - deshielo

•

Medio ambiente ácido

•

Presencia de cloruros (corrosión)

•

Medio ambiente húmedo y seco

Los hormigones que permanecen durables bajo estas condiciones, responden a diseños que los hacen durables frente a éstas acciones, ya sea accidental o intencionalmente. Algunos avances en el desarrollo de un hormigón durable fueron el resultado de la observación de hormigones donde se usó esencialmente cementos resistentes químicamente, ó, en los cuales accidentalmente se introdujo mezclas que resultaron beneficiosas. Los tres mecanismos de deterioro, considerados como críticos para el hormigón en masa son: el ataque de sulfatos (ya sean internos o externos), la reacción álcali-sílice (álcali-árido) y la acción de hielo-deshielo. En muchos casos, el deterioro del hormigón es causado por una combinación de ambientes agresivos (húmedos y secos), donde en conjunto con los mecanismos de deterioro potencian el daño en la estructura. En estos casos, las micro-fisuras causadas por la acción destructiva permite que la humedad penetre mas fácilmente a la pasta y contribuya a una reacción secundaria. Ataque por sulfatos El ataque por sulfatos es una degradación química de la pasta de cemento causada por una alta concentración de sulfatos en suelos o en aguas subterráneas. Este mecanismo de deterioro es causado por una interacción química entre los iones sulfato y los constituyentes de la pasta de cemento.

La evolución de los conglomerantes hidráulicos en presas: El caso del Sand-Cement

Estado del Arte

13

Los sulfatos reaccionan con la cal libre del cemento, formando yeso, que a su vez reacciona con el aluminato cálcico para formar etringita, que es una sal expansiva, dando como resultado un agrietamiento en el hormigón. (Figura 2.1). (Calavera, 2005). El ataque por sulfatos, durante los primeros años del siglo XX fue conocido como la “corrosión del cemento”. Este tipo de reacción en el ámbito de presas no está muy extendido a nivel mundial, teniendo la fortuna de disponer de una amplia experiencia en el entorno de la Universidad Politécnica de Cataluña, contrastada con el estudio de diversas presas en el Pirineo catalán. Una ampliación de estos temas puede verse en las recientes tesis doctorales de Oliveira (2011) y Campos (2012).

Figura 2.1.- Difusión de sulfatos en el hormigón (ataque externo).

En la Figura 2.2, se muestra la desintegración de un canal de hormigón de cinco años de edad en la Central Valley Project, California. En este caso, el agua subterránea se infiltró en el hormigón y reaccionó químicamente con los productos de la hidratación del cemento. La reacción expansiva provocó el agrietamiento y desintegración de la matriz de la pasta de cemento.

Pedro Javier Cabrera Vélez

14

Capítulo 2

Figura 2.2.- Desintegración de un canal de concreto en la Centra Valley Project, a solo cinco años después de su construcción.

Reacción álcali-agregado: La reacción álcali-agregado, es la reacción química entre tipos mineralógicos específicos de agregados, arena o grava, y los componentes alcalinos del cemento, en presencia de humedad. Manifestaciones típicas de deterioro del concreto a través de esta reacción son: agrietamiento, exudaciones de perlas gelatinosas o granos duros sobre la superficie. Los productos de la reacción tienden a hincharse naturalmente, provocando esfuerzos de tensión que causan agrietamiento en el interior del hormigón, lo que puede permitir que la humedad sea más fácilmente absorbida por el gel de sílice o acelerar el daño por hielo – deshielo. (Figura 2.3). Los álcalis en el cemento pueden reaccionar con ciertos "cristales", áridos silíceos, tales como ópalos, calcedonia, andesitas, basaltos, y algunos de cuarzo, dando como resultado la reacción álcali-sílice, y algunos agregados de carbonato provocando la reacción álcali-carbonato. La primera experiencia de U.S. Reclamation Service, con la reacción álcali-sílice, fue con la presa de American Falls en Idaho, completada en 1927 mostrándose en la Figura 2.4 una de las primeras fotos del gel álcali-sílice debido a esta reacción. Sin embargo, un amplio deterioro por la acción del hielo-deshielo y la falta de calidad en la practica constructiva enmascaró esta reacción, como una primera causa de deterioro en esta presa.

La evolución de los conglomerantes hidráulicos en presas: El caso del Sand-Cement

Estado del Arte

15

Figura 2.3.- Diagrama transversal que indica el desprendimiento del hormigón, debido al gel de sílice.

Figura 2.4.- Gel álcali-sílice debido a la reacción álcali-agregado. (Bureau of Reclamation Concrete Laboratory, 1940)

Algunas estructuras en Estados Unidos, como la presa Parker y la presa Steward Mountain sufrieron rápidamente expansiones luego de su construcción, hecho que después de unos años se volvió relativamente estable debido a que los álcalis disponibles y los agregados reactivos fueron rápidamente consumidos en el proceso. (Dolen, 2002) Acción del Hielo–deshielo. El deterioro por la acción del hielo-deshielo, se define como la expansión perjudicial del agua dentro de la pasta de cemento, que da como resultado la destrucción final del hormigón. El agua presente en la pasta de cemento se expande alrededor de un 9% durante su congelación. Cuando el agua se encuentra confinada dentro de una rígida y micro-estructura cristalina, la expansión de los cristales del hielo pueden ejercer una presión tal, que puede exceder la capacidad tensional de la pasta, causando agrietamiento y al final la falla del hormigón. No obstante, para que éste fenómeno se presente, el hormigón debe estar casi saturado cuando se produzca la congelación del agua. Otra característica que favorece a este mecanismo de deterioro es la porosidad del hormigón. En la Figura 2.5, se muestra la acción de hielo-deshielo en un muro del aliviadero de la presa de Lahontan en California. El hormigón “Sand-Cement” colocado en 1915 sufrió graves daños debido a este mecanismo de deterioro. Hay que señalar que la porosidad accesible al agua de este tipo de hormigones puede ser algo mayor que la de un hormigón convencional y, más en las condiciones de puesta en obra de hace 100 años.

Pedro Javier Cabrera Vélez

16

Capítulo 2

La acción de Hielo-Deshielo, fue identificado relativamente pronto en la historia de la U.S. Reclamation Service, bajo el termino general de la durabilidad del hormigón, pero sin causas especificas o soluciones ante el hecho.

Figura 2.5.- Acción del hielo-deshielo en el Sand-Cement de la presa Lohantan en California. (Smoak, 1997)

2.3.3. Evolución tecnológica del hormigón De acuerdo a al U.S. Reclamation Service, el desarrollo histórico del hormigón durable puede dividirse en 4 generaciones, en base a los materiales y los métodos constructivos aplicados. Cada generación contribuyó de alguna manera a la base del conocimiento para el hormigón moderno utilizado hoy en día. Las generaciones son: •

La generación de los hormigones pioneros, que cubre desde la creación de la U.S. Reclamation Service en 1902 hasta aproximadamente la primera guerra mundial. Los profesionales de esta época son los pioneros en la construcción de estructuras de hormigón.

•

La generación Abrams, que cubre de 1918 hasta después de 1920. Durante estos años comenzó el desarrollo del concreto como un material de ingeniería.

•

La generación Hoover, que comenzó pasado el año 1920 y continuó hasta después de la segunda guerra mundial. Esta generación resolvió muchos de los problemas fundamentales presentados en la construcción de estructuras con hormigón en masa y en los procesos de calidad en la construcción con hormigón. Ellos descubrieron los misterios de ataque por sulfatos, la reacción álcali-agregado, y la acción

La evolución de los conglomerantes hidráulicos en presas: El caso del Sand-Cement

Estado del Arte

17

de hielo – deshielo, dando lugar por primera vez a verdaderos modernos hormigones durables. •

y

La generación de la post guerra, donde se incorporó los conceptos básicos del hormigón moderno para una multitud de aplicaciones en presas, plantas de bombeo y energía, canales, y túneles, bajo una variedad de diferentes sitios y condiciones. (Dolen, 2002)

La generación de los hormigones pioneros La primera generación de profesionales en el hormigón, desarrolló la tecnología, en gran parte, con la practica de la prueba y error, y observaciones continuas. Los primeros hormigones estaban compuestos por cementos pobremente fabricados y agregados no procesados, que fueron mezclados manualmente o con mezcladoras pequeñas. Por otro lado, los materiales, cemento, arena, y grava estaban sujetos a una amplia variabilidad, lo que supuso una fluctuación en la calidad del hormigón obtenido. Para la mezcla del hormigón, las dosificaciones utilizadas estaban basadas en experiencias previas, y no necesariamente eran el resultado de la aplicación de la ingeniería. Muchos de los primeros proyectos que se construyeron durante ésta época, estaban localizados en zonas aisladas geográficamente, y por lo tanto, cualquier cambio en la ubicación o en el diseño estructural no era necesariamente seguido de un cambio apropiado del diseño de la mezcla de hormigón, dando como resultando un rendimiento irregular. Por otro lado, el coste que representaba la mano de obra era barato, mientras los costes del equipo y el cemento eran muy elevados, provocando que las mezclas resultantes tuviesen una menor cantidad del cemento necesario para cumplir los requisitos de baja resistencia, al menos para los estándares actuales. El hormigón fue en gran parte transportado en carretilla y compactado en el lugar con equipamiento manual. Las tasas de producción eran bajas, resultando en frecuentes juntas frías o fallas no planificadas que dieron lugar a filtraciones y un subsecuente deterioro. Una mejora a la tecnología de construcción, se introdujo con la implementación del acero de refuerzo para la construcción del denominado hormigón armado. Esta práctica tomó ventaja gracias a la capacidad a tracción del acero, hecho que favoreció a la reducción de tamaño de los miembros estructurales. No obstante, la utilización del hormigón armado también supuso problemas en la practica de colocado y apisonado. Como un resultado a esta dificultad técnica, se decidió agregar una mayor cantidad de agua a la mezcla buscando obtener un hormigón mas fluido y por consiguiente mas trabajable para las condiciones de aplicación. Sin embargo, en ningún momento se

Pedro Javier Cabrera Vélez

18

Capítulo 2

consideró agregar una mayor cantidad de cemento, para evitar así, una alteración en la relación agua cemento de la mezcla lo que ocasiono la creación de hormigones mas porosos y débiles, y que por consiguiente problemas de construcción a pocos años de su finalización. (Dolen, 2002). Los primeros proyectos de construcción de la U.S. Reclamation Service no tuvieron el beneficio del desarrollo en la metodología y el uso de equipo específico para la construcción de estructuras de hormigón, tal y como se dispone hoy en día. Aunque las practicas en el hormigón gradualmente mejoraron durante la primera generación de construcción, muchas de las estructuras construidas durante esta generación han resistido a algún proceso de degradación, gracias a que afortunadamente utilizaron técnicas empíricas que introdujeron mejoras al hormigón utilizado en la época. Como ejemplo se cita la presa Theodore Roosevelt en Arizona, donde para su construcción se utilizó hormigón ciclópeo, que consistía en la colocación de grandes piedras seguidas de pequeñas rocas y luego el hormigón era añadido para llenar los huecos restantes. (Dolen, 2002). Con la aplicación de la técnica del hormigón ciclópeo, se buscaba la densidad del conjunto y conseguir una mejor unión entre tongadas continuas, incrementando la resistencia al esfuerzo cortante, especialmente en las juntas frías. En un principio fueron habituales el uso de porcentajes cercanos e incluso superiores al 30%, para posteriormente ir reduciendo este porcentaje hasta 20% conforme iba encareciéndose su extracción y colocación frente al coste del hormigón, llegando al 10% en los últimos años de su utilización. (Díez-Cascón; Bueno, 2001). Entre los intentos para mejorar la producción y rendimiento en la puesta en obra del hormigón, se procedió a la instalación de canaletas para transportar el hormigón a su lugar de aplicación, lo que permitió centralizar la planta de dosificación y mezcla de hormigón. La consecuencia negativa de esta actuación es que para facilitar el transporte se aumentó el agua de la mezcla con la finalidad de obtener mayor fluidez. Como resultado se obtuvieron hormigones más poroso (menos resistentes) y con una durabilidad muy pobre. Para desalentar esta práctica los ingenieros especificaron que la pendiente en la canaletas no podía ser menor que aproximadamente 35 grados. (Dolen, 2002). (Figura 2.6)

La evolución de los conglomerantes hidráulicos en presas: El caso del Sand-Cement

Estado del Arte

19

Figura 2.6.- Utilización de canaletas para el transporte de hormigón en la presa de Arrowrock. (Bureau of Reclamation Service)

Las investigaciones llevadas a cabo a principios del siglo XX, dieron cabida a técnicas innovadoras en el camino del desarrollo de la técnica del hormigón. El Sand-Cement fue introducido para reducir el costo del cemento portland, y su producción se la realizaba a través de la molienda conjunta de arena silícea y el clinker de cemento portland. La roca finamente molida fue introducida como una “puzolana” sin calcinar, que reaccionaba rápidamente con el cemento para incrementar la resistencia frente a la obtenida con el cemento portland solo. Sin embargo, el desarrollo de la resistencia a compresión no incrementaba sustancialmente mucho después de los 28 días, como es más típico en el cemento portland con adiciones de puzolanas reales. Algunas presas en Estados Unidos, así como otras presas España, fueron construidas usando este conglomerante. Como primera evidencia histórica de la utilización de éste material se encuentra la Presa de Arrowrock, en Idaho, finalizada en 1915. La primera generación de hormigones fueron vulnerables al ataque de sulfatos, y al deterioro por hielo deshielo. Sin embargo, a pesar de estos problemas, algunos hormigones han presentado una remarcable durabilidad considerando el conocimiento de la época. Durante esta época, ingenieros y científicos comenzaron a examinar los materiales del hormigón intentado mejorar su calidad. Los estudios llevados a cabo por el Instituto Levis en Chicago a partir de 1914, arrojarían una nueva luz a los ingenieros, respecto de las propiedades del hormigón. (Dolen, 2002)

Pedro Javier Cabrera Vélez

20

Capítulo 2

La generación de Abrams El primer gran avance en la tecnología del concreto ocurrió alrededor del año 1918 con la publicación de Duff Abrams del documento llamado “Diseño de Mezclas de Concreto”. Abrams mejoro la proporciones de la dosificación mediante practicas de diseño con métodos de proporción y tablas de diseño de mezclas. La investigación clásica de Abrams y su “ley de proporción agua cemento” establecieron los fundamentos del diseño de mezclas de hormigón que se aplican hoy en día. En el caso de España, estos métodos no llegaron sino 10 años mas tarde, siendo este momento en el que desaparece la intuición y aplica el método científico para la dosificación de hormigones. (DíezCascón; Bueno, 2001). Durante su investigación, por un lado, Abrams encontró que la resistencia a compresión y su calidad podían ser controladas por las proporciones relativas de agua y cemento; y por otro lado, estableció la posibilidad de diseñar mezclas para la misma resistencia usando diferentes materiales. Establecidos estos conceptos, las mezclas de hormigón pudieron ser diseñadas y proporcionadas para hacer frente a una variedad de condiciones y requerimientos estructurales. Los científicos comenzaron a investigar los fundamentos de las reacciones físico-químicas que eran necesarias para avanzar en el estado del arte. Uno de los mas importantes avances en el desarrollo de un hormigón durable tuvo lugar con la identificación de los productos de hidratación del cemento, y un método de computo para las proporciones relativas de cada constituyente en el cemento por Bogue en 1927. Este paso tan importante fue necesario para formular diferentes composiciones de cemento. Sin el conocimiento de esta composición, no hubiera sido posible proponer un cambio de materiales y de procesos de fabricación para mejorar el rendimiento del cemento portland. (Dolen,2002) Los métodos de fabricación del cemento también mejoraron durante la década de los 20, incluyendo plantas de hormigón con un sistema centralizado de dosificación y mezclado; además, de sistemas de acarreo y transporte al sitio. Los caballos y vagones empezaron a ser reemplazados por locomotoras y camiones, dando como resultado un incremento en la producción diaria de hormigón, y consecuentemente, la creación de una menor cantidad de juntas frías en la obra. Sin embargo, para el proceso de consolidación del hormigón, se continuó aplicando la practica manual con pala tal como se muestra en la Figura 2.7.

La evolución de los conglomerantes hidráulicos en presas: El caso del Sand-Cement

Estado del Arte

Figura 2.7.- 1

os

21

hormigones transportados mecánicamente. (Bureau of Reclamation Service)

Finalmente, esta generación sería la primera en implementar las pruebas de control para el diseño y monitoreo de hormigones; además de, instaurar un mejor tratamiento para las juntas frías, mejorando la continuidad entre tongadas. La Generación Hoover La generación de Abrams sentó las bases del conocimiento para ésta generación, que comenzó con la decisión de construir la Presa Hoover en las inmediaciones del río colorado en diciembre de 1928. El tamaño de la presa requirió un tecnología completamente nueva para el diseño y construcción a gran escala. Esta generación levantó la tecnología de materiales, métodos de diseño, y tecnología para la construcción con hormigón para alturas sin precedentes, formulando investigaciones a gran escala e impulsando el desarrollo de programas de cementos especiales, con la finalidad de conocer las propiedades específicas de las estructuras construidas con hormigón en masa. Por otro lado, fueron los técnicos de esta generación, quienes respondieron a algunas preguntas fundamentales respecto de la química del cemento y de los efectos en el hormigón en masa. Para resolver estas preguntas, se requirió una cooperación cercana y comunicación entre las agencias gubernamentales, fabricantes, contratistas, y las instituciones de investigación privadas y académicas. La aplicación de métodos específicos para resolver los complejos problemas de durabilidad, dieron como resultado lo que hoy en día conocemos como hormigón moderno.

Pedro Javier Cabrera Vélez

22

Capítulo 2

Uno de los primeros pasos que requirió el hormigón para la presa Hoover fue investigar la composición del cemento, con la finalidad de reducir el calor generado durante la hidratación. Amplias investigaciones en la composición del cemento dieron como resultado el desarrollo de un cemento con bajo calor de hidratación para hormigones en masa, ahora conocido por al Sociedad Americana de Ensayos y Materiales ASTM, como cemento tipo IV. El Aluminato tri-cálcico que en su forma abreviada se escribe C3A, fue determinado como uno de los componentes generaba mas calor durante el proceso de hidratación. A partir de éstas investigaciones, La U.S. Reclamation Service especificó la composición química del cemento que debería ser suministrado para la presa Hoover en 1933, para asumir un bajo calor de hidratación. Este tipo de cementos, también mejoraron la durabilidad del hormigón debido a que la disminución del C3A mejoró la resistencia ante un ataque por sulfatos, hecho que fue base para posteriormente especificar menos del 5% de C3A para el cemento usado en el proyecto Kendrick en 1938; otro precursor del Cemento Tipo V (Resistente a sulfatos). (Dolen, 2002) La construcción de grandes proyectos como la presa Hoover y Grand Coulee, no hubieran sido posibles sin el desarrollo tecnológico para el procesado de los agregados, fabricación del cemento , transporte y puesta en obra. El uso de la técnica de construcción por bloques mostrada en la Figura 2.8, y la post-refrigeración artificial redujeron el agrietamiento potencial por temperatura. Especializadas plantas dosificadoras de hormigón con transporte por ferrocarril y líneas altas o cables, se utilizaron para transportar y colocar grandes cantidades en las operaciones contra reloj. Uno de los avances que se pueden apreciar en el desarrollo de la calidad del hormigón fue el cambio del apisonado, por técnicas de consolidación con maquinas vibradoras de alta frecuencia. (Figura 2.9). Las máquinas vibradoras permitieron disminuir el contenido de agua de la mezcla y por consecuencia disminuir el contenido de cemento. El hormigón fabricado con ésta técnica generaba menor calor de hidratación y por consiguiente era menos poroso y su costo final era menor.

La evolución de los conglomerantes hidráulicos en presas: El caso del Sand-Cement

Estado del Arte

23

Figura 2.8.- Nuevas tecnologías utilizadas para la construcción de la presa Hoover. (Bureau of Reclamation Service)

Figura 2.9.- Vibradores mecánicos usados para la consolidación del hormigón. (ACI, 1933)

El tamaño de la presa Hoover requirió no sólo avances significativos en el equipo de construcción y en el procesado de materiales, sino también en el manejo de proyectos de construcción y procesos de control de calidad. Dos de los productos indirectos de ésta generación fueron la fundación del laboratorio del hormigón en Denver, Colorado en 1931 y la primera publicación del manual del hormigón en 1936, los cuales, surgieron de la necesidad de entender de mejor manera el comportamiento del hormigón y de su control durante la construcción. Por otro lado, respecto a los mecanismos de deterioro, esta generación fue la responsable del estado del conocimiento actual sobre la reacción álcaliagregado y la acción del hielo y deshielo. Con respecto al primero, éste fenómeno se detectó en la presa American Falls, y también en la presa Parker ubicada a aproximadamente 150 millas aguas abajo de la presa Hoover. La severidad de los agrietamientos presentados en la presa Parker, dos años después de su finalización en 1937, justificaron una investigación a gran escala en busca de la razón y la solución a esta problemática. Al final, se identificó, que las reacciones químicas entre ciertas andesitas alteradas y las riolitas, y los componentes alcalinos del cemento fueron las responsables de las reacciones expansivas llamadas álcali-sílice o RAS. La solución para la RAS fue usar técnicas petrográficas para identificar a los agregados con un potencial de expansión, para posteriormente, especificar un limite de 0.6 porciento de alcalinos en la composición del cemento en abril de 1941. (Dolen, 2002). Frente a la acción del hielo-deshielo, el descubrimiento a cerca de su tratamiento fue el resultado del accidente y observación en 1938. En el estado

Pedro Javier Cabrera Vélez

24

Capítulo 2

de Nueva York, con la finalidad de obtener un mayor desempeño en los pavimentos de autopistas, se decidió especificar el uso de una marca particular de cemento, debido a la mejora de calidad que suponía frente al uso de otras marcas de cemento, pero, sin un conocimiento absoluto acerca de las razones por las que el rendimiento era superior. Un examen al microscopio del hormigón reveló, que la estructura de la pasta contenía diminutas burbujas de aire, provocadas por el uso de sebo vacuno en los hornos de cemento durante su fabricación. Este hecho, representó la primera fabricación de cemento con aire ocluido, teniendo como resultado una mejora significante de resistencia frente a la acción del hielodeshielo. (Dolen, 2002)). Al final de la segunda guerra mundial, la U.S. Reclamation Service tuvo resueltas tres de las causas primarias que afectaban la durabilidad del hormigón, dando como resultado lo que es hoy en día es considerado como hormigón moderno, una ingeniería de hormigón capaz de resistir las fuerzas físicas y químicas de la naturaleza.. La Generación de la Post Guerra La generación de la post guerra, aplicó los conocimientos obtenidos a cerca de la tecnología del hormigón moderno, para personalizar el mezclas haciéndolas practicables en una variedad de nuevas aplicaciones y sobre todo en distintos medio ambientes. Los concretos usaron nuevos aditivos para lograr una mayor durabilidad, economía y rendimiento. A inicios del siglo 20, el propósito adicional que suponía el uso de las puzolanas naturales fue el ahorro de material, y mas tarde la reducción de temperatura del hormigón en masa. La U.S. Reclamation Service, en la década de los 30 y 40, comenzó las investigaciones acerca de las cenizas volantes obtenidas de una planta de energía, con la finalidad de obtener un sustituto para las puzolanas naturales usadas en el hormigón en masa. El primer uso específico a gran escala de la ceniza volante fue en la presa Hundry Horse en 1950. Con posterioridad, se continuaría con las investigaciones al respecto de la ceniza volante, dando otros beneficios como la obtención de hormigones menos porosos, disminución del calor de hidratación, mejora en la trabajabilidad del hormigón y un mejora en la resistencia a los sulfatos y a la reacción álcali-sílice. (Dolen, 2002) Como ejemplo en España podemos citar las presas de Aldeadávila y Almendra, donde pese a los circuitos de refrigeración, la temperatura alcanzó los 20ºC, mientras que en las presas de las Portas y Atazar, con la sustitución

La evolución de los conglomerantes hidráulicos en presas: El caso del Sand-Cement

Estado del Arte

25

de un 25 a un 30% de cemento portland por ceniza volante, la temperatura no excedió los 13ºC. (Gómez Laa, 1985). Otro aspecto importante que tuvo un avance importante durante esta generación fue la tecnología de construcción. Por un lado, se consiguió aumentar el espesor de tongadas mediante el uso de técnicas de refrigeración, y por otro lado, se implementaron nuevas maquinarias de construcción como encofrados deslizantes y rodillos vibratorios de 10 toneladas capaces de consolidar 380 m3 de hormigón por hora, frente a la reemplazada máquina vibratoria manual capaz de consolidad 20 a 40 m3 por hora, dando como resultado a la técnica que hoy en día se conoce como la construcción con hormigón compactado con rodillo o HCC. Estos avances conseguidos permitieron incrementaron la producción del hormigón hasta 10 veces más de lo conseguido inicialmente. (Dolen, 2002). El HCC, en realidad, se trata de un material nuevo, cuyos componentes son los mismos que los del hormigón convencional en cuanto a: áridos, conglomerantes, agua y aditivos, pero con características reológicas y de puesta en obra sustancialmente diferentes, dado que su compactación se realiza por vibración y carga externa realizada por el rodillo liso vibrante. El HCC debe ser lo suficientemente húmedo para permitir una adecuada distribución de la pasta durante el amasado y compactación. Así mismo, un hormigón excesivamente seco trae consigo problemas de unión entre la tongada endurecida y la tongada fresca. (Figura 2.10). (Gómez Laa, 1984).

Figura 2.10.- Técnica del hormigón compactado con rodillo. (Internet)

Finalmente, en lugar de agregar agua para incrementar la fluidez, se utilizaron los súper plastificantes, que permitieron que el hormigón fluya como agua, siendo 2 veces mas resistente que sus predecesores.

Pedro Javier Cabrera Vélez

26

Capítulo 2

La evolución de los conglomerantes hidráulicos en presas: El caso del Sand-Cement

El Sand-Cement

27

3. CAPITULO 3: EL SAND-CEMENT

3.1.

INTRODUCCIÓN

Se entiende por Sand-Cement, al producto de la pulverización de una mezcla de cemento y arena silícea, hasta un grado de finura muy superior al obtenido para el portland ordinario. La reducción en los costos de construcción que sugería el uso de este conglomerante, impulso la construcción de algunas presas en Estados Unidos y España durante las primeras décadas del siglo pasado. Debido al corto tiempo durante el cual se uso Sand-Cement para la construcción de presas, por un lado y, por otro lado, a la antigüedad de su empleo, hay que señalar que la información referente al Sand-Cement es muy escasa, centrando el análisis en publicaciones científicas que corresponden a la época, durante la cual, fue usado este conglomerante. El objetivo del presente capítulo es transmitir al lector una idea clara de éste tipo de conglomerante, así como de su comportamiento en obras de gran volumen, como es el caso de presas de gravedad de hormigón en masa.

Pedro Javier Cabrera Vélez

28

Capítulo 3

En el desarrollo del capítulo, en primer lugar se hace una breve revisión de las características de este conglomerante, tanto desde el punto de vista de material, como de las implicaciones del mismo en los métodos de puesta en obra. Con posterioridad, se incide en las presas de EE.UU, que fueron las primeras en utilizar este material en su constitución (Arrowrock y Elephant Butte), dejando para el siguiente capítulo la revisión de las presas españolas en las que se empleó el sand-cement. 3.2.

CARACTERISTICAS DEL CONGLOMERANTE

3.2.1. Definición de Sand-Cement El Sand-Cement se define como el conglomerante obtenido mediante una molienda conjunta entre el Cemento Portland y arena silícea. Su origen se sitúa en Dinamarca, donde una empresa llamada T. L. Smidth Company de Copenhague patentó en el año 1883. A esta nueva mezcla se le asociaron desde el primer momento algunas ventajas con respecto al cemento portland, lo que provocó que en aquella época se estudiase este nuevo conglomerante para luego aplicarlo en lugares donde por razones económicas resultase restable frente al uso neto de cemento portland. La idoneidad de aplicación, correspondían a elementos estructurales que estaban situados, generalmente, en zonas muy alejadas de las fábricas de cemento e incluso de vías de ferrocarril, lo que, evidentemente, encarecía notablemente su precio final. De esta forma el uso del sand-cement posibilitaba la reducción del volumen de cemento a transportar y, por consecuencia, una reducción significativa en el presupuesto general de los proyectos. Como caso característico se pueden citar las presas de hormigón, ya que aparte de corresponder a estas circunstancias, requieren grandes volúmenes de conglomerante. Es por esta razón, que en 1905 U.S. Reclamation Service, organismo competente en el ámbito de presas, comenzó una serie de ensayos que se prolongaron durante seis años y culminaron con un buen conocimiento de las propiedades de este material. Esas experiencias iniciales, ya pusieron en evidencia la importancia de la arena para lograr un buen producto, siendo necesario determinar las propiedades que debían tener los áridos, y las reacciones químicas que se generaban en la mezcla. Como se verá en el transcurso del capítulo, no todas las arenas son propicias para la producción del Sand-Cement, serán

La evolución de los conglomerantes hidráulicos en presas: El caso del Sand-Cement

El Sand-Cement

29

únicamente las que en su constitución presenten sílice soluble o coloidal. (Coghlan, 1913). El uso de éste conglomerante decayó, relativamente pronto, en los primeros años del siglo XX debido a la disminución de los costes relativos de los otros cementos; y no fue hasta el gran impulso que se le darían en aquel tiempo a las obras de riego, propiamente a partir de 1905, que hiciera que se reconsiderase la situación. 3.2.2. Áridos utilizados para la producción del Sand-Cement Para la producción del Sand-Cement, la arena usada para la molienda conjunta con el cemento Portland debía escogerse apropiadamente en base a su composición química; y al producto de ésa molienda se le agregaba yeso para regularizar el fraguado. Algunas rocas, principalmente las de origen ígneo, contienen más o menos sílice, en la forma que se conoce en química con el nombre de sílice soluble o coloidal. Ésta sílice actúa como un acido débil y tiene el poder de neutralizar las bases. El cemento portland está compuesto por una compleja mezcla de varios silicatos y aluminatos de cal, con una menor cantidad de minerales secundarios. El proceso de fraguado se puede describir de la siguiente manera: En el fraguado, el cemento portland se somete a descomposición, reaccionando con agua para formar componentes mas estables y al mismo tiempo poniendo en libertad la cal hidratada. La cal hidratada en solución sobresaturada, cristaliza, y estos cristales juegan un papel importante en el fraguado y endurecimiento. Por otro lado, la cal hidratada es una base bastante energética y parece probable que si existe en el cemento una sustancia, capaz de reaccionar con ella para formar un compuesto insoluble, se produzca la reacción correspondiente. Esta sustancia puede ser la sílice coloidal, que al mezclarse con el cemento portland, de cómo resultado el Sand-Cement. (Solana, 1916) Los análisis químicos revelaron durante las investigaciones de éste conglomerante el hecho de que varias de las rocas ígneas tienen sílice coloidal en cantidades diferentes. Por otro lado, la sílice se encuentra también presente en las areniscas. Sin embargo, la caliza y las dolomitas no son fuentes de sílice soluble, ni lo es el cuarzo a pesar de someterlo a una molienda prolongada. De acuerdo al conocimiento que se tuviera entre los años 1905 y 1920, que fue cuando tuvo lugar la mayor parte de las investigaciones relacionadas con las características y propiedades del Sand-Cement, se planteo como

Pedro Javier Cabrera Vélez

30

Capítulo 3

posibilidad que la alumina en los afloramientos de rocas reaccionasen hasta cierto punto como un coloidal y entrasen en la combinación con la cal hidratada, actuando como un acido y produciendo un componente insoluble. Éste proceso no ha sido totalmente determinado y no se establece como un hecho. Sin embargo, los óxidos alcalinos que están siempre presentes en las rocas ígneas juegan un papel muy importante en las reacciones que envuelven al fraguado y endurecimiento del Sand-Cement. (Coghlan, 1913). En la Tabla 3.1 se muestra un amplio rango de materiales, que en su momento fueron ensayados por el Bureau of Reclamation Service y que fueron determinados adecuados para producir una mezcla satisfactoria con el Cemento Portland. COMPOSICIÓN QUÍMICA SiO2

44.72

48.08 74.88

74.64 75.66

72.32

Fe2O3

14.30

16.06

1.14

2.12

Al2O3

19.26

15.39 13.60

CaO

8.30

7.78

MgO

7.48

K2O

M1

M2

M3

M9

M 10

50.96 80.52

82.40

99.60

2.01

6.57

2.00

1.40

0.31

13.42 11.76

13.85

18.37 10.02

10.00

-

0.90

0.80

2.30

1.20

10.20

0.80

0.80

-

6.64

0.37

0.39

1.78

0.39

0.45

0.71

0.61

-

2.30

1.60

3.89

3.86

-

N.D.

3.92

3.85

1.31

-

Na2O

2.00

3.20

3.35

3.38

-

N.D.

-

-

0.86

-

SO3

-

-

-

-

-

0.31

-

-

-

-

H20 CO2

1.64

1.89

0.88

1.66

5.42

3.78

7.26

2.10

1.90

-

Sílice Coloidal

12.57

19.00

2.41

2.37

14.60

4.01

12.98

7.18

6.42

1.64

1.14

M4

M5

M6

M7

M8

Tabla 3.1.- Análisis químicos en diferentes rocas que se determinaron adecuadas para la mezcla con el cemento. (Coghlan, 1913)

La obtención y aplicación de cada una de las muestras, se describe a continuación: •

La muestra 1 y 2 corresponde a Basalto cercano a Elephant Butte Dam

•

La muestra 3 y 4 corresponde a Granito cercano a Boise, Idaho.

•

La muestra 5 corresponde a Tobas cercanas a Elephant Butte Dam

•

La muestra 6 corresponde a Tobas del acueducto de Los Ángeles

•

La muestra 7 corresponde a Toba Basáltica de Lahontan, Nevada

•

La muestra 8 corresponde a Arenisca de Elephant Butte Dam

•

La muestra 9 corresponde a Arenisca de Elephant Butte Dam

La evolución de los conglomerantes hidráulicos en presas: El caso del Sand-Cement

El Sand-Cement

31

•

La muestra 10 corresponde a Cuarzo donde el 90% ha pasado por el tamiz Nº.200

•

Los materiales presentados por los análisis 3,4,6,7,8 y 9, fueron usados para la producción de estos cementos por los ingenieros de acueductos de Los Ángeles y por la U. S. Reclamation Service.

•

El análisis 10 que corresponde al análisis de cuarzo puro, muestra que luego de una prolongada molienda, donde el 100% del material pasó el tamiz Nº.200, solo de produjo un 1.64% de sílice soluble. Se observará que la sílice soluble o coloidal no tiene una relación definitiva con la composición de la roca, siendo mas probable dependiente de la formación de la roca.

•

El roca ígnea volcánica del cual el material del análisis 2 fue tomado, muestra una clara acción del vapor durante su salida.

•

El material del análisis 1 procede de un flujo de lava que llegó a la superficie con menos agitación.

La sílice coloidal presente en materiales como estos, los hacen adecuados para la producción del Sand-cement. Es una verdad incuestionable que la mayor parte de la sílice constituyente en cada material, una vez mezclada se hace activa por el grado de molienda que es necesaria para la producción de una mezcla intima de el cemento portland y la arena; proporcionando así, mas acidez y la capacidad de poder neutralizar la basicidad de la cal hidratada. El Dr. Michaelis demostró que la combinación tiene lugar entre la cal hidratada y el material puzolánico, y que la mezcla es capaz de desarrollar una resistencia considerable. (Coghlan, 1913) 3.2.3. Investigaciones realizadas Laboratorios de la U.S. Reclamation Service Tal como se ha dicho, la U.S. Reclamation Service fue el organismo que inició en 1905 las investigaciones para determinar las características y propiedades del Sand-Cement, previa a su utilización el las presas de Arrowrock y Elephant Butte. La practica en sus laboratorios al realizar el Sand-Cement experimental fue moler las mezclas hasta obtener un producto donde el 90% pase por el tamiz Nº.200, siendo considerado impracticable el llegar a una finura mayor que esta. Todos los experimentos fueron diseñados para replicar lo más posible las condiciones en el que podía ser fabricado el Sand-Cement,

Pedro Javier Cabrera Vélez

32

Capítulo 3

tomando en consideración la fabricación de la época y proyectándola a un proceso de escala comercial. Cabe señalar, que las mezclas de Sand-Cement se las ensayó solo en forma de briquetas, usando las proporciones estándar de 1:3 con arena estándar, determinándose: la finura, el tiempo de fraguado, así como el peso específico. Por otro lado, para los ensayos a compresión se fabricaron cubos de 2 pulgadas de mortero. La resistencia a compresión de hormigones fabricados con este conglomerante era de esperar fuesen similares o algo inferiores a los del cemento portland, al contener menor cantidad de clinker en la mezcla. En la Tabla 3.2 se muestran los resultados sobre probetas de mortero con mezclas de 1:3 con arena estándar, en donde se usó sand-cement (Coghlan, 1913), pudiéndose observar que los resultados que se obtienen de la resistencia a compresión, están en línea con los correspondientes a sólo cemento portland, para la época que nos ocupa. Naturaleza de la Roca

(%) de roca

7 días

28 días

Arenisca

50

152.3

241.6

263.6

285.6

Arenisca

50

105.5

232.8

175.8

281.2

Arenisca

50

70.3

162.7

193.3

246.1

Arenisca

60

56.2

97.7

101.2

131.8

3 meses 6 meses

2

Tabla 3.2.- Resistencia a Compresión en (Kg/cm ) del Sand-Cement. (Coghlan, 1913)

En la Tabla 3.3 se presentan los resultados de la resistencia a tracción correspondientes a la misma serie de compresión anteriormente mostrada (Coghlan, 1913). En ella puede verse que la resistencia a tracción se sitúa entre el 10 y el 20 % de la resistencia a compresión, estando en el rango usual de esa época. La prueba de consistencia mostró que exceptuando a los cementos donde se usó tobas, las propiedades obtenidas fueron muy cercanas a las del cemento portland en dicha mezcla. El tiempo de fraguado cambió un poco, exceptuando en ciertas mezclas donde el material no fue muy activo. En toda la gama de ensayos que se muestran en la Tabla 3.3 se uso el mismo Cemento Portland y se determinó que muchas de las características del SandCement son muy similares a las de la matriz del cemento. Con el fin de probar la afirmación de que la finura del cemento portland fuera la responsable de la resistencia del Sand-Cement, algunas marcas de

La evolución de los conglomerantes hidráulicos en presas: El caso del Sand-Cement

El Sand-Cement

33

cemento, normales y comunes en todos los aspectos, desarrollaron la resistencia mostrada en los ensayos llamados “Cemento Portland”, donde se molió hasta obtener una finura tal, donde el 90% pasaba por el tamiz Nº.200. Este ensayo, que se realizó varias veces, arrojó los mismos resultados, indicando que cuando se usa solo cemento portland, éste no debe ser molido tan fino como que el 90% pase por el tamiz Nº.200, dando mejores resultados a su finura normal donde el 80% pasa este tamiz. Naturaleza de la roca Basalto

(%) de roca 35

Basalto

7 días

28 días

3 meses

6 meses

1 año

16.17

25.66

27.07

33.74

34.45

40

12.65

23.20

27.77

29.88

32.34

Basalto

45

13.71

22.14

27.77

31.28

33.39

Basalto

50

13.01

21.09

27.07

29.88

29.17

Basalto

55

10.55

19.68

23.90

26.71

27.07

Basalto

60

9.14

15.11

26.01

27.42

28.12

Basalto

70

6.68

16.87

20.04

23.20

24.61

Basalto

80

4.22

11.60

13.71

16.52

23.34

Toba Calcárea

50

15.82

26.71

36.20

37.26

41.13

Toba Calcárea

60

9.84

17.93

32.34

36.70

37.61

Toba Calcárea

70

10.55

16.17

28.47

29.53

31.78

Arenisca

40

15.82

26.71

28.47

29.53

31.28

Arenisca

50

16.87

21.79

25.31

26.71

27.07

Arenisca

60

8.79

17.22

20.39

23.90

24.61

Cemento Portland

0

17.22

32.34

35.15

27.77

21.09

Cemento Portland

0

16.52

24.96

27.07

27.07

27.42

Tabla 3.3.- Resistencia a tracción en (Kg/cm2) del Sand-Cement. (Coghlan, 1913)

Actualmente se encuentra demostrado, que a mayor finura del cemento, aumenta la velocidad o tasa de hidratación del cemento y, por lo tanto, resulta en mayor calor de hidratación inicial. Los efectos de una mayor finura sobre la resistencia de las pastas se manifiestan, principalmente, durante los primeros siete días. Sin embargo, este proceso es mas costoso y puede afectar la calidad de cemento portland. Otras Investigaciones Como investigación adicional, Rapier R. Coghlan ensayó la reacción con muchos de los materiales con los que se experimento el Sand-Cement. El método que aplicó en el laboratorio fue el de mezclar una parte de cal hidratada con una parte de material (el cual quiere saberse su actividad) y ensayar. En mucho de los casos las porciones usadas de cada material no

Pedro Javier Cabrera Vélez

34

Capítulo 3

fueron las correctas, algunas veces colocando mucha cal y otras insuficiente cal. La arena que se utilizó para la mezcla tuvo una finura donde el 90% pasó por el tamiz Nº.200. Las mezclas fueron colocadas en briquetas con arena estándar en proporciones de 1:3 por peso. Después del fraguado y endurecimiento de las briquetas, éstas fueron colocadas en agua durante el tiempo debido. En algunos de los casos, la constitución de la muestra fue débil a los 7 días y ocasionalmente las briquetas fallaron durante el período de inmersión, pero, en general los materiales que dieron los mejores resultados en el sand-cement desarrollaron una gran resistencia a los 28 días y continuaron en aumento. Estos ensayos demostraron en general que los materiales que desarrollaron la mayor actividad con la cal hidratada son aquellos que contienen oxido de sodio y potasio en su estructura. La fácil solubilidad de los metales alcalinos que presentan las rocas ígneas, eruptivas e intrusivas, puede ser demostrada sacudiendo algo del polvo de roca en agua y colocar unas pocas gotas de solución alcohólica de fenolftaleína. En éste sencillo ensayo, la solución inmediatamente adquiere un color rosa, que incrementa en profundidad. La acción puzolánica, entre la sílice coloidal y la cal hidratada, parece depender de la presencia de los óxidos alcalinos que probablemente actúan como catalizadores. Para explicar éste hecho, se toma al Oxido de Sodio como ejemplo, el cual al hidratar da lugar a diferentes reacciones (Ecuaciones [3.1] a [3.3]): 1. El Oxido de Sodio es combinado con agua para formar un hidróxido. !"! ! + !! ! = 2  !"#$

[3.1]

2. El hidróxido reacciona con la sílice para formar silicato de sodio, mismo que es soluble. 2  !"#$ + !"!! = !"! !"!! + !! !

[3.2]

3. Éste silicato resultante se combina con cal hidratada para producir un silicato insoluble de cal, liberando el hidróxido de sodio, que continua haciendo mas sílice activa para la combinación con la cal. De ésta manera, una pequeña cantidad de oxido de sodio, que esta en estado de formación, parece ser capaz de hacer una mayor cantidad de sílice activa.

La evolución de los conglomerantes hidráulicos en presas: El caso del Sand-Cement

El Sand-Cement

35

!"! !"!! + !"(!")! = 2  !"#$ + !"#$!!

[3.3]

Esta acción fue ensayada para el caso de la arenisca, la cual contiene óxidos alcalinos, que no estuvieron en su forma disponible, sino combinado con SO4 y CL. Esta arenisca podría no desarrollar una actividad puzolánica al ser mezclada con cal hidratada. Sin embargo, después de añadir un pequeño porcentaje de silicato de sodio al agua usada en la mezcla del mortero, una acción puzolánica se desarrolló y las briquetas ensayadas continuaron ganando resistencia con el tiempo. Un estudio de los análisis de las puzolanas italianas demostraron que éstas contenían un porcentaje considerable de óxidos de potasio y sodio. De acuerdo con la información precedente, las mezclas puzolánicas puede continuar incrementado su resistencia hasta la cantidad máxima de sílice sea combinada con la cal. Una característica esencial de estas combinaciones es la necesidad de mantener las muestras húmedas durante los primer período de endurecimiento. En conclusión, se establece en base a lo explicado anteriormente que en el Sand-Cement se debe tener una cantidad máxima de cal combinada con la sílice. De esta manera, la mezcla de cualquier sílice coloidal con cemento portland tendría una tendencia a producir un cemento muy fuerte y durable para su uso en el concreto. La presencia de los álcalis dentro del cemento mismo debe actuar como un anti álcali para las sales alcalinas presentes en el agua. La reducción en la cantidad de cal existente en el fraguado de cemento como hidróxido es beneficioso, ya que disminuye el daño por desintegración bajo la acción de aguas alcalinas. Otro factor que contribuye para la combinación entre la cal hidratada y la sílice es le hecho de que la cal hidratada es liberada del cemento portland en un nuevo estado y por lo tanto mas activa y lista para combinarse con cualquier cosa presente. (Coghlan, 1913) Por otro lado, no existe un fundamento para establecer que la resistencia de cementos mixtos es debida a la finura en la molienda del cemento portland, y un posterior relleno de los vacíos del cemento portland con el material de mezcla. Para demostrar este hecho se realizó la siguiente prueba: •

El Cemento Portland de una finura del 80% (pasado por el tamiz Nº.200), teniendo un peso específico de 3.140 gr/cm3, y se comparó su porcentaje de vacíos con una mezcla de Sand-Cement hecho una parte con el mismo cemento y la otra de granito. Los resultados fueron los siguientes (Tabla 3.4):

Pedro Javier Cabrera Vélez

36

Capítulo 3

% de Vacíos

Cemento Portland

Colocado y apisonado 40

Sand-Cement

45

Conglomerante

Ligeramente colocado 47

suelto 51.5 60

Tabla 3.4.- Acción puzolánica entre la sílice coloidal y la cal hidratada. (Coghlan, 1913)

Los resultados muestran que los vacíos en el Sand-Cement, son los mismos o mayores que en el caso del cemento portland solamente. Esto se confirma la ley de vacíos donde se enuncia que “mientras mas fino y mas cercanas están las partículas de llegar a ser uniformes, mayor puede ser el porcentaje de vacíos” Una considerable reducción en el volumen toma lugar cuando los cementos son mezclados con agua, a cuenta de que el aire esta siendo forzado a salir del cemento. (Coghlan, 1913) 3.2.4. Propiedades Su comportamiento a corto plazo se consideró como válido (Tabla 3.5), y se observó que la resistencia a tracción de los morteros de sand-cement aumentaba con más lentitud que la de los elaborados con cemento portland, hecho que se invertía con el transcurso del tiempo. (Martinez,1995). Tipo de Mortero

7d

28d

3m

6m

1a

2a

Sand-Cement

15.4

23.4

27.9

29.75

32.1 29.75 31.5

31.2

Cemento Portland

18.7

28.1

29.9

33.9

32.3

28.4

34.9

3a 30.1

5a

Tabla 3.5.- Resultado a tracción (Kg/cm2) de probetas de morteros de sand-cement y cemento Portland. Bureau of Reclamation Service (USA) 1905 – 1910. (Martinez,1995)

De la construcción de las presas de Arrowrock y Elephant Butte se extrajeron interesantes conclusiones, que fueron confirmándose con su uso en otras obras y que pueden resumirse en: •

Se obtuvo un producto más impermeable que con el cemento a igualdad de dosificación.

•

La retracción era más débil que con un cemento convencional.

•

El fraguado era más lento y los incrementos de temperatura en la masa de hormigón menores. Como comparación se analizó dos presas similares en dosificación, donde se obtuvo la siguiente respuesta térmica: en la presa de Spauling, con cemento convencional, incremento

La evolución de los conglomerantes hidráulicos en presas: El caso del Sand-Cement

El Sand-Cement

37

máximos de temperatura de 31º y en la presa de Arrowrock, con sandcement, incrementos de 20º. Estudios realizados por Billings en los años 20 y 30 establecieron una equivalencia a efectos resistentes entre cemento convencional y el sandcement: 275 Kg de Sand-Cement con una presencia de Clinker entre el 50 y 55% en peso equivalía a una dosificación de entre 230 y 250 kg de cemento; es decir, 137 y 151 Kg/m3 de cemento en el sand-cement equivalía a 230 y 250 Kg/m3 de cemento, lo que suponía un ahorro notable de cemento. (Martinez,1995).

3.3.

FABRICACIÓN Y PUESTA EN OBRA

3.3.1. Fabricación Previo al inicio de la producción del Sand-Cement, la arena que iba a ser utilizada era sometida a ensayos, en donde se determinaba si el material se encontraba alterado en su contenido natural, y su contenido en sílice. Las rocas que no presentaban sílice coloidal eran abandonadas ya que no se consideraban adecuadas para la producción de un buen Sand-Cement. Habiéndose cumplido correctamente estos paso, el productor podía iniciar con la producción del producto deseado. Las proporciones de la mezcla, dependían de la resistencia deseada en el concreto. Con rocas ricas en sílice coloidal, la cantidad de cemento portland podía ser baja, mientras que con otras rocas, podía ser necesario el mantener la proporción 1 a 1. Sin embargo, los resultados de las pruebas físicas de la producción eran las que gobernaban al momento de determinar la cantidad de cemento portland a mezclar con la roca. Las rocas que se determinaron adecuadas para la fabricación del SandCement, varían en peso específico de 2 a 3.05 gr/cm3. Generalmente hablando, un barril de cemento portland mezclado con un volumen igual de cualquier material va a producir durante su molienda mas de 2 barriles de Sand-Cement. El método usual seguido en el proceso de producción es preparar la roca pulverizándola, lo que la reduce a que el 100% pase el tamiz Nº.200. Material mas fino que este no parece mezclarse bien con el cemento portland. (Coghlan, 1913) Una de las preguntas que se plantearon durante su producción, fue si el material debía mezclarse por peso o por volumen. A manera de ejemplo, en la

Pedro Javier Cabrera Vélez

38

Capítulo 3

Tabla 3.6., se toma el caso del granito y del basalto, los cuales serán mezclados con el cemento portland. Parámetros

Granito

Basalto

Vacíos luego de la pulverización (%)

42

42

Peso específico arena (gr/cm3)

2.630

2.200

Peso por pie cúbico en el mezclador de tolva (lb/ft3)

95.3

79.8

Vacíos en Cemento Portland

51.5

51.5

Peso específico Cemento Portland (gr/cm3)

3.14

3.14

Peso por pie cúbico en el mezclador de tolva (lb/ft3)

95.2

95.2

Tabla 3.6.-Conveniencia de la mezcla en peso o volumen del Sand-Cement. (Cohglan,1913)

Para el caso del granito, se puede observar que los materiales tienen aproximadamente el mismo peso por pie cúbico en estado suelto, que es en el que este material llega a la máquina de mezcla. Para éste caso en particular, es irrelevante si la mezcla es en peso o en volumen. Las proporciones en la mezcla luego son revisadas por ensayos de peso específico y por peso. Para el caso del basalto, parecería mejor utilizar las proporciones en peso, ya que de otra forma el basalto podría saturar al cemento, por su mayor peso por pié cúbico. Se hace la suposición en los dos casos anteriores de que se desea una mezcla de mitad y mitad. Con materiales de bajo peso específico, como algunas tobas, que funcionan tan bajo como 2,20, es mejor usar la proporción por volumen que por peso, ya que este ultimo daría mucha cantidad de material para la mezcla frente a la del cemento. Esto puede variar, sin embargo, por la actividad del material en cuestión, ya que si éste es rico en sílice coloidal puede ser utilizado para la fabricación de un excelente Sandcement. (Coghlan, 1913) Los cementos a emplear en los hormigones de todas esas presas procedían, en general, de fábricas próximas a ellas, con lo que se garantizaba así un control del producto fabricado, de la materia prima y de su proceso de fabricación. Sin embargo, hubo casos en los que no fue así. Cuando el volumen de hormigón a colocar era importante se recurrió a instalar fabricas de cemento en la propia presa. Las importantes dosificaciones de cemento que llevaban los hormigones de toda esa época – que oscilaban entre los 200 y los 250 Kg/m3- y los cada vez mayores volúmenes que era posible colocar in situ obligaban a instalar costosos sistemas de refrigeración de hormigones para reducir los importantes picos de temperatura que se producían durante su curado. (Briones,1946)

La evolución de los conglomerantes hidráulicos en presas: El caso del Sand-Cement

El Sand-Cement

39

Sin embargo, los problemas que surgieron durante la fabricación de los hormigones al momento de dar la finura deseada a la arena molida con el Clinker, motivaron que pronto se abandonara la ejecución de los hormigones con ese tipo de mezclas. 3.3.2. Puesta en obra La utilización del Sand-Cement no significó un cambio relevante el la praxis aplicada en la época. Como ya se ha comentado, las características de este conglomerante eran muy semejantes a las del cemento portland. Con relación al fraguado, para el caso del sand-cement es algo mas lento que en el cemento portland, y un exceso de agua le afecta mucho, retrasando el fraguado y el endurecimiento. Parece natural que como consecuencia de esta lentitud, la contracción debida a la perdida de la temperatura de fraguado sea menor que en los hormigones hechos con cemento portland.

3.4.

PRECEDENTES HISTÓRICOS DE APLICACIÓN DEL SAND-CEMENT

Las primeras obras donde se halla registrada la aplicación este conglomerante data de inicios del siglo pasado y se localizan en Estados Unidos, para la construcción de obras de gran importancia como lo son las presas de Arrowrock en Idaho en 1912, Elephant Butte Dam en Nuevo México en 1916 y Lahontan Dam en Nevada. Posteriormente, ésta tecnología será exportada a España para la construcción de importantes presas, mismas que se detallan en el siguiente capítulo. 3.4.1. Presa de Arrowrock La presa de Arrowrock se encuentra localizada en Estados Unidos, en la cuenca del río Boise en Idaho, y su construcción finalizó en 1916, siendo en dicha época, la presa mas alta del mundo con 110 m (Figura 3.1a y 3.1b). La presa es de tipo Arco a gravedad y fue la primera obra de envergadura donde se utilizó el denominado Sand-Cement. Los trabajos de hormigonado comenzaron en noviembre de 1912 y terminaron en noviembre de 1915. El Sand-Cement para el hormigón, estaba compuesto por un 55% de cemento portland estándar, al cual se le agregó un 45% de granito pulverizado, molido hasta obtener una finura tal que el 90% pase el tamiz Nº.200. Además de la rigurosidad con lo que se desarrollaban los ensayos de finura, el SandCement requirió pasar todos los ensayos físicos estándar usados para el cemento portland. (Storey,2008). El incremento de temperatura promedio

Pedro Javier Cabrera Vélez

40

Capítulo 3

logrado de solo 30º F, fue significativamente menor que el de los cementos portland. (Díez-Cascón; Bueno, 2001). Siendo el coste del barril de cemento de 2.36 dólares, la economía obtenida con el Sand-Cement era de 0.51 dólares por barril, resultado rebajado el coste de la tonelada de aglomerante desde 13,88 dólares a 10.88 dólares. (Solana, 1916) Durante los 20 años siguientes de su construcción, la cara aguas abajo, el revestimiento del canal del aliviadero y otras superficies expuestas que fueron construidas con Sand-Cement, sufrieron algún tipo de desintegración. Esto fue debido, principalmente, por el hecho de que el Sand-Cement era muy poroso y absorbía agua libremente, dando como resultado un rápido descascaramiento por el fenómeno de hielo-deshielo. Este hecho hizo evidente en 1927 la necesidad de adoptar medidas correctoras para proteger la superficie del concreto. Las medidas correctoras de la presa incluyó una losa de concreto reforzado de 18 pulgadas de espesor en la cara aguas abajo y un recubrimiento de hormigón proyectado. En el vertedero las acciones tomadas fueron similares, construyendo una losa de concreto reforzado y en las zonas laterales hormigón proyectado reforzado con malla de acero. (Hoffman,1954).

a)

b)

Figura 3.1.- Vista actual de la presa de Arrowrock, Idaho: a)Inicial y b)actual (Internet)

3.4.2. Presa de Elephant Butte La presa de Elephant Butte se encuentra ubicada en los Estados Unidos, en la cuenca del río Grande en Nuevo México, y con la finalización de ésta en 1916 se descontinuó el uso del Sand-Cement en EEUU (Figura 3.2a y 3.2b). Tiene una altura de 81 metros y 360 metros de longitud de coronación y cubica 375000 m3 de hormigón.

La evolución de los conglomerantes hidráulicos en presas: El caso del Sand-Cement

El Sand-Cement

41

Para la producción del hormigón ciclópeo, se utilizó por una parte, el Sand-Cement con una dosificación de 48% de arenisca y 52% de Cemento Portland, y por otra parte, un 15% de piedras embebidas en el hormigón. La resistencia del hormigón medida en testigos a los dos años fue de 157 Kg/m3 de media. (Díez-Cascón; Bueno; 2001). El coste del aglomerante, que siendo cemento hubiese resultado a 14.70 dólares la tonelada, se rebajó a 9.88 dólares, presentando una económica de 4.82 dólares. (Solana, 1916) Al contrario de lo sucedido en la presa de Arrowrock, no se registran problemas que involucren al Sand-Cement durante su vida útil.

a)

b)

Figura 3.2.- Vista actual de la presa de Elephant Butte, Nuevo México: a)Inicial y b)actual (Internet)

3.4.3. Presa Lahontan La presa de Elephant Butte se encuentra ubicada en los Estados Unidos, en la cuenca del río Carson en Nevada, y fue finalizada en el año 1915. (Figura 3.3). La presa fue construida con Sand-Cement. Sin embargo, no se pudo obtener información respecto del árido utilizado para formar este conglomerante, y tampoco información relacionada con la dosificación usada. (Dolen, 2002).

Pedro Javier Cabrera Vélez

42

Capítulo 3

Figura 3.3.- Vista actual de la presa Lahontan, Nevada (Internet)

La evolución de los conglomerantes hidráulicos en presas: El caso del Sand-Cement

Presa de Camarasa

43

4.

CAPITULO 4:

PRESA DE CAMARASA

4.1.

INTRODUCCIÓN

Tal como se ha dicho en el capítulo anterior, en el mundo de las presas, el Sand-Cement tuvo unas primeras experiencias en los EEUU, para con posterioridad ir desarrollándose en otros países. En España, ésta tecnología llega durante la durante la segunda década del siglo pasado, siendo su primera aplicación en la Presa de Camarasa, y posteriormente en las presas de Tranco de Beas, Jándula y Rumblar. El objetivo del presente capítulo es analizar el comportamiento mecánico de la Presa de Camarasa, basado en la información disponible obtenida de diferentes campañas experimentales realizadas en ésta presa a partir de su construcción. Una vez concluido éste análisis, en capítulos posteriores se presentará la información relacionada con la campaña experimental actual. En el desarrollo del capitulo, se iniciará por presentar una breve reseña de la aplicación del Sand-Cement en España, para luego enfocarnos en la Presa de Camarasa. Posteriormente se presentará una descripción de cada de las campañas experimentales realizadas a lo largo de la vida útil de la presa.

Pedro Javier Cabrera Vélez

44

Capítulo 4

4.2.

EL SAND-CEMENT EN ESPAÑA

Éste tipo de conglomerante se empieza a utilizar en España a partir de la construcción de la Presa de Camarasa en 1919 y después en las del Jándula (terminada 1932), Rumblar (terminada en 1941) y Tranco de Beas (terminada 1945). Es decir, tres de las más importantes presas anteriores a la guerra civil se construyeron con este tipo de material, lo que pone de manifiesto la relevancia que tuvo en estas primeras décadas del siglo, coincidiendo su decadencia con la puesta a punto de las grandes fábricas de cemento, tal y como había sucedido en Estados Unidos, pero con casi tres décadas de diferencia en el tiempo. (Díez-Cascón,2001). Las dosificaciones de clinker y arena que se utilizaron en cada una de las presas citadas se presentan en la Tabla 4.1. En ella puede versa una cierta variación en las proporciones del porcentaje de Clinker y de arena, la cual puede deberse a los diferentes orígenes de las arenas. Nombre de Presa

Año de finalización

Altura (m)

% de Clinker

% de arena

Tipo de Arena

Camarasa

1920

101.5

55

45

Caliza Dolomítica

Tranco de Beas

1945

93

55

45

Caliza

Jándula

1932

90

45

55

Granito

Rumblar

1941

69

*

*

Granito

* No fue posible encontrar información relacionada con la dosificación usada. Tabla 4.1.-Dosificaciones de Sand-Cement utilizadas en presas españolas.

Sin embargo, es importante reflexionar sobre las razones por las cuales, a pesar de que su practica no continuó en EEUU una vez terminada la presa de Elephant Butte en 1916, en España se prolongó por 2 décadas más. Para tratar de explicar éste hecho, es necesario analizar la problemática de España durante esa época. •

La existencia de una relativa escasez de agua, alternada en períodos de sequía con otros de frecuentes avenidas, además del crecimiento demográfico, generó la necesidad de una regularización natural de las reservas hidrológicas disponibles. Es así, que gracias al gran impulso que se daría a esta área, se incrementa de un total de 90 presas y azudes a finales del siglo XIX a aproximadamente 1200 presas y azudes en funcionamiento actualmente (Yagüe; De Cea, 2008).

•

La desaparición gradual en España de las fábricas de cemento natural y la instalación de molinos para la producción del cemento portland, no permitía un suministro continuo del material.

La evolución de los conglomerantes hidráulicos en presas: El caso del Sand-Cement

Presa de Camarasa

•

45

El cemento importado resultaba costoso, y su transporte, especialmente desde el ferrocarril, lo encarecía aún mas. (Billings, 1920)

Si nos basamos en éste hecho, se puede suponer que el objetivo buscado durante la época era el de la construcción del mayor número de presas y azudes posibles para poder hacer frente a las solicitaciones; y dado, que el Sand-Cement reducía los costes de construcción en proyectos alejados de las fabricas de cemento portland, la aplicación de éste conglomerante permitía el financiamiento de mas proyectos. Para el caso particular de la presa de Tranco de Beas (Figura 4.1), si bien se tiene como fecha de finalización el año 1945, se debe puntualizar que el hormigonado quedó prácticamente finalizado en 1934, retrasándose la construcción de las obras de desagües profundos y superficial, así como de las instalaciones mecánicas debido a la guerra civil (1936 – 1939) y las dificultades técnicas y económicas de la posguerra. (Briones,1946).

Figura 4.1.- Vista general de la presa del Tranco de Beas. Foto actual. (Internet)

4.3.

PRESA DE CAMARASA

4.3.1. Antecedentes Con el objetivo de llevar a cabo este proyecto, el Dr. Fred Stark Pearson crea en septiembre de 1911 en Toronto Canadá, una sociedad a la que denomina Barcelona Traction Light & Power Cª. Ltd, así como su filial Ebro Irrigation Light & Power, legalizándose en España con el nombre de Riesgos y Fuerza del Ebro, sociedad que al ser española, pudo adquirir las concesiones

Pedro Javier Cabrera Vélez

46

Capítulo 4

de todos aquellos proyectos que se ubicasen en los ríos Noguera Pallaresa, Segre y Ebro. La ejecución de la presa se hizo en poco tiempo, entre noviembre de 1917 y septiembre de 1920, cuando ya funcionaban dos turbinas de la central. Para su construcción, primeramente, se tuvo que construir la carretera de acceso desde Balaguer hasta Camarasa. Por su lado, “Riegos y Fuerza del Ebro” construyó después la carretera entre Camarasa y los Dos Ríos por el margen izquierdo del Segre. La carretera finalizaba en una pasarela que atravesaba el río y era utilizada para el paso peatonal. El aspecto técnico de más difícil solución fue, sin embargo, el de las filtraciones del agua del pantano, y esto debido a que el subsuelo estaba formado por dolomitas, rocas calizas porosas, por las que escurría el agua. La solución al problema fue ingeniada por el geólogo Maurice Lugeon, que propuso cerrar el paso al agua haciendo una pantalla impermeable a base de inyecciones de carbonilla, arena y cemento a presión. (Martínez, 1995) 4.3.2. Generalidades La Presa de Camarasa (Figura 4.2), se encuentra ubicada en el término municipal de Camarasa (provincia de Lleida), se encuentra sobre el río Noguera Pallaresa y dentro de la cuenca hidrográfica del Ebro.

a)

b)

Figura 4.2.- Presa de Camarasa: a)Vista actual cara aguas abajo, b)Localización geográfica. (Internet)

La presa es de tipo gravedad y alcanza una altura máxima sobre cimientos de 101.5 m, lo que la ubico como la presa mas alta de Europa en la época (Tabla 4.2). Su perfil es triangular y la planta ligeramente curva, estando sus estribos apoyados sobre un macizo dolomítico fuertemente karstificado, a

La evolución de los conglomerantes hidráulicos en presas: El caso del Sand-Cement

Presa de Camarasa

47

través del cual, se producen importantes filtraciones que han sido paulatinamente corregidas a lo largo de la historia. Para su construcción se utilizaron 218.000 m3 de hormigón, además, de un 15% de piedra natural para dar consistencia y abaratar su coste, configurando así el hormigón ciclópeo empleado. (Martínez, 1995)

Tabla 4.2.- Características de la Presa de Camarasa. (Martínez,1995)

4.3.3. Hormigonado de la presa Para determinar las condiciones y composición del hormigón a emplear en el cuerpo de la presa, la Comisión Inspectora ordenó al Concesionario realizase ensayos sistemáticos de probetas fabricadas con los áridos elegidos en la cercanías de las obras y el cemento a utilizar, para encontrar la composición óptima de los hormigones, tanto en lo que se refería a su densidad como a su resistencia a la rotura por compresión. Estos ensayos se realizaron en el laboratorio central de la Escuela de Caminos, Canales y puertos con probetas cúbicas de 31 cm de arista fabricadas en obra con intervención del personal designado por la jefatura en virtud del acuerdo de la Comisión. Dos fueron los objetivos fundamentales buscados con este hormigón. Por un lado, el obtener una alta densidad, de forma que las hipótesis utilizadas para el cálculo, se cumpliesen sin ningún problema, estableciendo la densidad en 2450 Kg/cm3; y por otro, la obtención de un hormigón impermeable. (Endesa,1996).

Pedro Javier Cabrera Vélez

48

Capítulo 4

De ésta manera, se estableció la primera dosificación a base de áridos de tamaño máximo de 70 mm. Ya en obra, y con el objetivo de ahorrar la máxima cantidad de cemento que debía ser trasladado al sitio de obra desde las fábricas Asland de La Pobla de Lillet y de Moncada, se modificó la dosificación estableciendo el tamaño máximo del árido en 150mm. (Tabla 4.3).

Diámetro del Árido

L.C.E.C.C.P.

En Obra

Porcentaje (%)

Árido de 10-150 mm

66

Árido de 10-70 mm

62

Árido de 1-10 mm

13

12

Arena de 0.1 a 1 mm

12.2

10.8

Arena de 0 a 0.1 mm

3.8

6

Cemento Portland

9

5.2

TOTAL

100

100

Tabla 4.3.- Dosificación en peso del hormigón usado en la presa. (Martinez,1995).

Cabe indicar, que la “arena de 0 a 0.1 mm”, no era en realidad una arena, ya que hoy en día se consideran finos aquellos materiales que coinciden sensiblemente con este material. Sin embargo, ésta arena junto con el cemento formaban lo que se conoce como el Sand-Cement. La densidad que se obtuvo de ésta segunda dosificación en el laboratorio, oscilaba entre 2440 y 2660 Kg/m3, con una impermeabilidad que se pudo calificar de muy buena, cumpliendo ampliamente la especificación en cuanto a resistencias a la compresión. Es por esta razón, que la Comisión Inspectora acordó admitir esta segunda dosificación, pero obligando a una proporción mínima de 11,5% en peso de la mezcla de cemento y arena fina, equivalente a 274 Kg de mezcla por m3 de hormigón en el sand-cement, obtenido con un 55% de Clinker de la fábrica de Asland de Pobla de Lillet y un 45% de arena obtenida por trituración de la caliza dolomítica en la ladera de la presa, moliendo completamente dichos elementos hasta un grado tal de finura que el residuo en el tamiz Nº.200 no fuera superior al 10%. (Martínez, 1995). En total, 3 fueron las dosificaciones utilizadas para la construcción de la presa (Figura 4.3), mismas que se describen a continuación: 1. Cimentación, pie de aguas abajo y pie de aguas arriba: Utilización de hormigón a base de cemento portland totalmente convencional en la

La evolución de los conglomerantes hidráulicos en presas: El caso del Sand-Cement

Presa de Camarasa

49

época, con una dosificación de 250 Kg/m3, y una densidad teórica de 2450 Kg/m3. 2. Cuerpo de presa: Utilización de hormigón a base de Sand-Cement, con una dosificación de 274 Kg/m3, y una densidad teórica de 2449 Kg/m3. 3. Zona situada en paramento de aguas abajo y junto al pie del mismo: Fue modificado durante el transcurso de las obras para esa zona, aumentando el contenido de Sand-Cement a 300 Kg/m3, equivalente a un 12,6% en peso. No obstante, se mantuvo de la densidad teórica de la dosificación anterior. 4. Zona de coronación: Ejecutada con un hormigón de iguales características a la de la zona 3.

Figura 4.3.- Sección de la Presa de Camarasa-Dosificaciones de Hormigón. (Martínez,1995).

Pedro Javier Cabrera Vélez

50

Capítulo 4

4.3.4. Instalaciones para la fabricación del cemento Con el objeto de acceder a la que en su momento sería la coronación de la presa y las instalaciones de hormigonado, se construyó un funicular desde el campamento situado en la confluencia hasta la cota 415,00 msnm discurriendo por la margen derecha del Noguera Pallaresa. Completaban la parte principal de la instalación, dos blondines, que permitían el traslado de material de una margen a otra del Pallaresa, así como al cuerpo de la presa La configuración de la planta de la fabrica de hormigón se estableció de la siguiente manera (Figura 4.4): •

Los silos de arena y Clinker de cemento.

•

El horno y el molino para la mezcla y producción del Sand-Cement.

•

Los silos del Sand-Cement.

•

La planta de clasificación y machaqueo de áridos, situada a cota inferior a la de coronación de la presa.

•

Los silos de áridos.

•

La planta de hormigonado.

Todos estos materiales iban descendiendo por gravedad hasta las hormigoneras, e incluso desde éstas, en gran parte de la obra, el hormigón se condujo hasta los distintos tajos mediante unas canaletas de 50 cm. de anchura que lo repartían según las necesidades. (Martínez, 1995)

Figura 4.4.- 2 de diciembre de 1918. La planta de hormigón ya terminada. (Martínez, 1995)

La evolución de los conglomerantes hidráulicos en presas: El caso del Sand-Cement

Presa de Camarasa

51

4.3.5. Campañas experimentales Consideraciones previas al análisis de las campañas experimentales Durante la construcción de la presa, y posterior a su finalización, se han desarrollado varias campañas experimentales, con la finalidad de monitorear el comportamiento mecánico y la calidad del hormigón empleado en ésta obra. Para el trabajo que no ocupa, la información referente a cada campaña, ha sido analizada exhaustivamente, encontrándose algunas incongruencias respecto de los procedimientos empleados y de los resultados reflejados en los informes. Éste hecho, de entrada, imposibilita realizar una comparación directa que nos lleve a concluir de manera correcta sobre el estado actual de la presa. Por un lado, en cuanto se refiere a la resistencia a compresión y el módulo de elasticidad estático, la forma de los testigos, dimensiones y la norma aplicada varia entre las campañas, ó, incluso ni se presenta, tal como se describe en la Tabla 4.4. Este hecho es totalmente relevante si se desea estudiar la evolución mecánica del Sand-Cement, ya que las probetas de hormigón se rompen con diferentes tensiones según sus dimensiones y forma. Año de Ensayo

Forma

Arista (cm)

Altura (cm)

Diámetro (cm)

Norma aplicada

1917 y 1918

Cúbica

31

-

-

(*)

1931

Cilíndrica

(*)

16

(*)

(*)

1955

Cilíndrica

-

16

16

(*)

1996

Cilíndrica

-

Oscila (10-10.8)

Aprox. 8.2

ASTM-D-3148

2006

Cilíndrica

-

Oscila (9.8-17.2)

Aprox. 9.5

UNE-EN 123903:2003

(*) No se registra información al respecto Tabla 4.4.- Información registrada en las campañas experimentales de la Presa de Camarasa

Por otro lado, al momento de determinar la densidad de las muestras, se presenta otro inconveniente, ya que en varias campañas no se especifica si el valor de densidad obtenido se refiere a la densidad aparente o real. A continuación se presenta un cuadro resumen que detalla la información registrada en cada campaña (Tabla 4.5).

Pedro Javier Cabrera Vélez

52

Capítulo 4

Año de Ensayo

Densidad Aparente

Densidad Real

Porosidad

1917-1918

X

P

X

1931

(*)

(*)

X

1955

(*)

(*)

X

1996

P

P

P

1997

P

P

P

2001

(*)

(*)

X

2006

P

P

P

(*) No se registra información precisa al respecto P: Precisa la información obtenida en la campaña

Norma Aplicada

ASTM-C-642

UNE-EN 1936:1999 X: Ensayos no realizados

Tabla 4.5.- Información presentada en cada campaña de experimental.

Con la finalidad de establecer una guía al respecto de la diferencia entre densidad real y aparente, se define a continuación cada uno de estas características: a. Densidad Aparente.- es la relación entre la masa y el volumen aparente de la muestra, considerando sus poros abiertos y cerrados. Ésta característica viene dada por la ecuación [4.1]: !!" = !

!!"#$ !!! !!!"#

∗ !!  

[4.1]

donde, mseca es la masa de la probeta seca, en gramos; msss es la masa de la probeta saturada, en gramos; msum es la masa de la probeta sumergida en agua, en gramos; Pw

es el valor de la densidad del agua.

b. Densidad Real.- Es la relación entre la masa y el volumen real de la muestra, sin considerar el volumen total de poros. Ésta característica viene dada por la siguiente ecuación [4.2]: !!" = !

!!"#$ !"#$ !!!"#

∗ !!  

donde, mseca es la masa de la probeta seca, en gramos;

La evolución de los conglomerantes hidráulicos en presas: El caso del Sand-Cement

[4.2]

Presa de Camarasa

53

msum es la masa de la probeta sumergida en agua, en gramos; Pw

es el valor de la densidad del agua.

Ensayos realizados durante la construcción (1917-1918). Durante la ejecución de las obras, el Laboratorio Central de la Escuela de Caminos, Canales y Puertos de Madrid realizó una serie de ensayos de resistencia a la compresión y densidad, a probetas cúbicas de 31 cm de arista obtenidas a pie de obra. (Martinez,1995). Una parte de esos resultados, que corresponden a una serie de muestras que datan de 1917 y 1918, se presenta en las Tablas 4.6 y 4.7. Cabe señalar, por un lado, que el informe no indica la ubicación a la cual pertenecen las muestras; y por otro lado, que no se define claramente la densidad a la cual se refieren sus resultados. Al respecto de éste último, se ha podido deducir, en función de la información que presenta en el informe, que la densidad obtenida se refiere a la densidad real. Esta conclusión se basa, en el hecho de que los informes presentan valores que corresponden al peso en aire y peso en agua de las muestras; y, si aplicamos la ecuación [4.2], obtenemos los valores de densidad registrados en los informes. Tipo de Conglomerante

Clinker Asland

Sand-Cement

2

Indicador

Resistencia a Compresión (Kg/cm ) 28 d

56 d

3m

6m

1a

Min

94

109

124

135

124

Max

107

125

142

161

155

Medio

102

116

134

154

140

Min

91

111

115

129

147

Max

154

167

172

183

162

Medio

121

134

144

151

153

Tabla 4.6.- Resultados de ensayos a compresión realizados durante 1917 y 1918. Tipo de Conglomerante

Clinker Asland

Sand-Cement

3

Indicador

Densidad Real (Kg/m ) 28 d

56 d

3m

6m

1a

Min

2446

2451

2441

2441

2444

Max

2456

2460

2435

2447

2449

Medio

2451

2455

2438

2444

2446

Min

2466

2459

2460

2470

2464

Max

2490

2489

2494

2490

2469

Medio

2478

2474

2477

2480

2466

Tabla 4.7.- Densidad Real de las muestras ensayadas durante 1917 y 1918.

Pedro Javier Cabrera Vélez

54

Capítulo 4

Con respecto de estos valores, cabe reflexionar acerca del procedimiento empleado para la obtención de la densidad. Al analizar a fondo el informe, se observa que entre los datos se registra la medida del “peso en aire” de las probetas, lo que nos hace suponer que estas no fueron secadas hasta obtener una masa constante, tal como es usual hoy en día. Si aplicamos una expresión análoga a la [4.2], donde se considerase el peso en aire y no el peso seco, los resultados obtenidos corresponden a los consignados en el informe de referencia. Este hecho, introduce un error en los datos, ya que arroja valores en cierto grado menores a los que se obtuviese con los métodos actuales. Si consideramos que estos ensayos fueron realizados para llevar un control de calidad del hormigón, en base a las especificaciones del proyecto; se puede inferir, que la densidad teórica buscada se refería a la real. Ensayos realizados durante la corrección de filtraciones (1931) Entre los años 1927 y 1931, durante los trabajos para la corrección de filtraciones, se realizaron sondeos de 20 m de longitud, de los cuales se obtuvieron probetas de 16 cm de altura. Éstas probetas fueron ensayadas a compresión y densidad, obteniéndose los siguientes resultados (Tabla 4.8.): Propiedad 2

Resistencia a Compresión (Kg/cm )

Min

Max

Media

124.3

168.1

140.1

3

Densidad (Kg/m )

2410

Tabla 4.8.- Propiedad del Sand-Cement. (Endesa,1931)

Al respecto de ésta campaña, la información disponible es muy escasa. Por un lado, no se especifica claramente la densidad a la que se refieren sus resultados; y, por otro lado, la información referente a la geometría de las muestras es incompleta. No obstante, con relación a éste último, se puede deducir que las muestras son cilíndricas. (Endesa, 1955) Ensayos de hormigón (1955) El Laboratorio del Salto de Balaguer, en el mes de Junio de 1955, realizó un sondeo en la coronación de la presa, con el que se obtuvo probetas que fueron ensayadas a compresión y densidad, obteniéndose los siguientes resultados Tabla 4.9:

La evolución de los conglomerantes hidráulicos en presas: El caso del Sand-Cement

Presa de Camarasa

55

Propiedad 2

Resistencia a Compresión (Kg/cm )

Min

Max

Media

104.2

168.1

140

3

Densidad (Kg/m )

2409

Tabla 4.9.- Propiedad del Sand-Cement. (Endesa,1955)

Cabe indicar, que el informe no registra información relacionada con la ubicación del sondeo; y, para el caso de la densidad, no se especifica el tipo al que se refieren su resultados. . (Endesa, 1955) Ensayos de hormigón (1996) Con el fin de instalar una red de piezometría y un péndulo se realizaron una serie de perforaciones en el cuerpo de presa, de los cuales, se obtuvieron una serie de muestras que fueron analizadas, una parte, por el Laboratorio de Intemac, y otra parte, por la Universidad de Cantabria. a. Ensayos realizados en el laboratorio de Intemac (Julio-1996) Durante el año 1996, el Laboratorio de Intemac, realizó una serie de ensayos de un grupo de muestras obtenidas de las dos márgenes de la presa. En la Figura 4.5 y en la Tabla 4.10 se presentan las ubicaciones de los testigos, así como las características de los mismos, tanto en cota como en longitud de los mismos.

Figura 4.5.- Localización de los perfiles 1 y 2 en el perfil de la presa. (Endesa,1996)

Pedro Javier Cabrera Vélez

56

Capítulo 4

Perfil 1 Numero Muestra

Perfil 2

Cota

Longitud

Cota

Longitud

m

cm

m

cm

1

7.9

26

7.8

14

2

8.4

34

8.6

37

3

10.8

33

10.3

34

4

14

13

11.8

32

5

19.9

19

14

25

6

20.1

17

17.2

37

7

20.3

19

17.9

20

8

25.85

27

19

29

9

29.2

27

21.9

15

10

37.1

30

22.6

16

11

43.9

36

23.85

17

12

55.5

15

24.8

21

13

57.5

25

25.9

18

14

65.3

24

27.5

14

15

65.5

19

34

10

16

No se indica

15

34.2

16

17

No se indica

22

36.4

38

18

No se indica

23

-

-

19

No se indica

20

49.6

28

Tabla 4.10.- Cota de los sondeos realizados. (Endesa,1996)

Las muestras que ensayadas, fueron elegidas entre aquellas en que se apreciaba visualmente alguna irregularidad. Con estas muestras, el objetivo que tuvo ésta campaña experimental fue realizar un estudio general de caracterización del cemento y del hormigón de la presa. Para ello, por un lado, se determinó la porosidad y la densidad (aparente y real) de muestras de las 2 márgenes; y, por otro lado, la resistencia a compresión y el módulo de deformación. Respecto de la densidad, se pudo observar que no existía una diferencia apreciable entre los resultados de una u otra margen, ni con la profundidad de la muestra. Sin embargo, para el caso de la propiedad mecánicas, se observó una dispersión apreciable en los resultados obtenidos. (Tabla 4.11).

La evolución de los conglomerantes hidráulicos en presas: El caso del Sand-Cement

Presa de Camarasa

57

Propiedad

Min

Max

Media

2250

2430

2320

Densidad Real (Kg/m )

2640

2730

2680

Porosidad (%)

9.9

17.4

13.2

122

273

199.17

Dispersión de 2 53.7 Kg/cm

Modulo de deformación (Kg/cm )

99548

255230

168655

Dispersión de 2 56036 Kg/cm

Coeficiente de Poisson

0.19

0.24

0.21

3

Densidad Aparente (Kg/m ) 3

2

Resistencia a Compresión (Kg/cm ) 2

Observaciones

Tabla 4.11.- Resultados obtenidos por el laboratorio de Intemac. (Endesa,1996)

b. Ensayos realizados en la Universidad de Cantabria (1997) Debido a la alta porosidad y a la dispersión de los realizados obtenidos y por el laboratorio de Intemac, se enviaron 2 muestras a la Universidad de Cantabria para que se realizasen ensayos de porosimetría de mercurio, con la finalidad de estudiar el estado de microfisuración del hormigón. Los resultados obtenidos son los siguientes (Tabla 4.12): Propiedad

Min

Max

Media

2180

2330

2250

Densidad real (Kg/m )

2740

2750

2750

Porosidad (%)

15.2

21.1

18.4

3

Densidad aparente (Kg/m ) 3

Tabla 4.12.- Valores obtenidos por la Universidad de Cantabria. (Endesa,1997)

Adicionalmente a los resultados, el informe concluye, entre otras cosas, con lo siguiente: “La densidad aparente que hemos obtenido es inferior a la aportada (INTEMAC) e inferior a la obtenida en los datos históricos. En todo caso se señala que hay una importante diferencia entre la densidad aparente obtenida en obra y ensayos históricos y las obtenidas en la actualidad. Ha disminuido la densidad aparente.” (Endesa, 1997) En base a lo explicado en los párrafos anteriores, la densidad que se obtuvo en obra se refiere a la densidad real y no a la densidad aparente, y por lo tanto, este debería ser el valor de referencia para cualquier aseveración. Es claro que, el volumen aparente de una muestra es mayor al volumen real; y por lo tanto, la densidad aparente que se obtuviese sería menor a la densidad real.

Pedro Javier Cabrera Vélez

58

Capítulo 4

Ensayos realizados por la Escuela de Minas de Madrid (2001) Durante los trabajos ejecutados por TERRATEST técnicas especiales S.A., para la instalación de un sistema de drenaje tanto del cuerpo de presa cuanto en la cimentación de la misma, así como de dos pasarelas de estructura metálica en el paramento aguas debajo de la presa se obtuvieron muestras que sirvieron para determinar la densidad del hormigón y la velocidad sónica. El ensayo de ultrasonido se utilizó para detectar la existencia de coqueras u otras irregularidades en el interior de las probetas de hormigón, resultando que, en general, el hormigón de las probetas está muy compactado. Con respecto a la densidad, de los resultados obtenidos se observó una gran dispersión con respecto de la media, tal como se muestra en la Tabla 4.13. Estos resultados, al igual que en campañas experimentales anteriores, no reflejan el tipo de densidad al que se refieren. Propiedad 3

Densidad (Kg/m )

Min

Max

Medio

2250

2680

2403

Tabla 4.13.- Valores obtenidos por Escuela de Minas de Madrid. (Endesa,2001)

Ensayos realizados por el LADICIM (2006) El Laboratorio de la División de Ciencia e Ingeniería de los Materiales de la Universidad de Cantabria (LADACIM), durante el 2006 realizó ensayos de varias piezas de hormigón extraídas de la presa, con las cuales, se determinó densidad, porosidad, resistencia a compresión y módulo de deformación longitudinal (Tabla 4.14). Los resultados obtenidos son los siguientes:

Propiedad 3

Densidad Aparente (Kg/m ) 3

Densidad Real (Kg/m ) Porosidad (%) 2

Resistencia a Compresión (Kg/cm ) 2

Modulo de elasticidad (Kg/cm )

Min

Max

Media

2240

2390

2340

2550

2720

2610

7.27

16.53

10.44

100.7

196.3

153.5

68000

287400

142500

Tabla 4.14.- Resultados obtenidos por el L.A.D.A.C.I.M. (Endesa,2006)

La evolución de los conglomerantes hidráulicos en presas: El caso del Sand-Cement

Presa de Camarasa

59

4.3.6. Resumen de resultados A continuación, en la Tabla 4.15, se presenta un resumen anual, de los resultados medios obtenidos a lo largo de la historia de la presa. Tipo de Conglomerante

1917

1918

1931

1955

1996

2001

2006

Propiedad

28 días

1 año

11 años

35 años

76 años

81 años

86 años

2

121

153

140

140

199

153

168.655

142.500

Fc (Kg(cm ) 2

Ec (Kg/cm )

Sand-Cement

Densidad Real 3 (Kg/m ) Densidad apa3 rente (Kg/m )

2.478

2.680 2.750 2.320 2.250

2.466

3

Densidad (Kg/m )

2410

Clinker Asland

Fc (Kg/cm )

102

140

Densidad Real 3 (Kg/m )

2.451

2.446

2.340 2403

13.2 18.4

Porosidad (%) 2

2409

2.610

10.44

Tabla 4.15.- Resultados obtenidos en las campañas experimentales a partir de su construcción.

Pedro Javier Cabrera Vélez

60

Capítulo 4

La evolución de los conglomerantes hidráulicos en presas: El caso del Sand-Cement

Metodología Experimental

61

5.

CAPITULO 5:

METODOLOGÍA EXPERIMENTAL

5.1.

INTRODUCCIÓN

Durante el mes de julio de 2012, la empresa Terratest Técnicas Especiales S.A., extrajo de la Presa de Camarasa 8 sondeos a diferentes cotas de la presa, que coinciden con las zonas de distribución de los diferentes hormigones, así como con zonas de posibles filtraciones. Esta campaña fue planteada con la finalidad de caracterizar de manera sistemática y en profundidad los diferentes hormigones existentes en el cuerpo de presa. Cabe indicar, que para el desarrollo de ésta tesis solamente fueron utilizados los sondeos 2, 4 y 7, debido a que los sondeos restantes fueron destinaron para la realización de ensayos químicos y microestructura, para definir los posibles procesos de degradación del hormigón. Los resultados y conclusiones respecto de éstos últimos se encuentran detallados en la tesis “Estudio histórico de la Presa de Camarasa” elaborada por Alejandra López de Mota Gil.

Pedro Javier Cabrera Vélez

62

Capítulo 5

El objetivo del presente capítulo, es transmitir al lector todos los criterios empleados durante la fase experimental, desde la extracción de los testigos hasta la obtención de los resultados. En el desarrollo del capítulo, en primer lugar, se hace una descripción acerca de los pasos y criterios utilizados durante la fase previa al inicio de los ensayos; para posteriormente, detallar la metodología empleada en cada uno de los ensayos. (Figura 5.1). Cabe resaltar, que el presente trabajo se desarrolla a partir de la entrega de los sondeos en el laboratorio. •  Planificación de extracción de testigos •  Extracción de testigos y transporte al laboratorio Procedimiento previo •  Levantamiento de información a la ejecución de •  Planificación de ensayos y ensayos selección de muestras •  Mapeo y geometría de testigos •  Inspección visual •  Preparación de muestras •  Untrasonido •  Resistencia a compresión •  Modulo de elasticidad estático •  Densidad y porosidad Ejecución de •  Difracción de RX ensayos

Figura 5.1.- Metodología utilizada en laboratorio

5.2.

PROCEDIMIENTO PREVIO A LA EJECUCIÓN DE LOS ENSAYOS

5.2.1. Plan de extracción de testigos. El plan de extracción establecido por los Especialistas de la Universidad Politécnica de Cataluña, consistió en 8 sondeos, ubicados a diferentes cotas de la presa, los cuales, coinciden con las zonas de distribución de los diferentes hormigones, así como con zonas de posibles filtraciones. (Figura 5.2 y 5.3).

La evolución de los conglomerantes hidráulicos en presas: El caso del Sand-Cement

Metodología Experimental

63

Figura 5.2.- Vista general del cuerpo de la presa. Ubicación de sondeos.

Figura 5.3.- Vista transversal de la presa. Ubicación de los sondeos.

Pedro Javier Cabrera Vélez

64

Capítulo 5

La correspondencia de estos sondeos, frente a la zonificación de los hormigones se detalla en la Tabla 5.1. Número de sondeo

Profundidad (m)

Cota (m.s.n.m.)

Tipo de Hormigón

Dosificación de 3 cemento (Kg/m )

1y2

3

260

Cemento Portland

250

3

5

269

Sand-Cement

300

4y5

3

276

Sand-Cement

300

6

5

280

Sand-Cement

300 y 274

7y8

3

303

Sand-Cement

274

Tabla 5.1.- Características de los sondeos.

5.2.2. Extracción de testigos y transporte al laboratorio. La extracción de los sondeos fue realizada por la empresa Terratest Técnicas Especiales S.A., entre los días 16 y 20 de julio de 2012.; los cuales, fueron entregadas en el Laboratorio de Tecnología de Estructuras “Luis Agulló” de la Escuela de Caminos, Canales y Puertos de la Universidad Politécnica de Cataluña el día 26 de julio de 2012. Cabe indicar, que ya sea, por el proceso mismo de extracción de las muestras, o por el transporte desde la presa al laboratorio, los sondeos llegaron al laboratorio fragmentados tal como se ilustra en la Figura 5.4. y 5.5.

a)

b)

Figura 5.4.- Visión general de los sondeos 2 (a), 4 (b) al llegar al laboratorio

La evolución de los conglomerantes hidráulicos en presas: El caso del Sand-Cement

Metodología Experimental

65

Figura 5.5.- Visión general del sondeo 7 al llegar al laboratorio

5.2.3. Levantamiento general de información Una vez se dispuso de los sondeos en el laboratorio, se procedió con el alzado de toda la información existente respecto de ellos, tanto del estado de las cajas al llegar al laboratorio, cuanto de la información complementaria consignada en sus cajas como: numero de sondeo, estado de las cajas, diámetro de la broca utilizada, diámetro aproximado del sondeo. (Figura 5.6).

Figura 5.6.- Información varia consignada en las cajas.

Pedro Javier Cabrera Vélez

66

Capítulo 5

5.2.4. Planificación de ensayos y selección de muestras Planificación de ensayos Para la caracterización del hormigón, se inició por establecer los ensayos a realizar, para posteriormente, de acuerdo a la disponibilidad del Laboratorio, proceder con la ejecución de los mismo. Los ensayos que se fijaron son: Densidad y Porosidad, Resistencia a compresión simple, Módulo de elasticidad estático, Ultrasonido y Difracción de rayos x. Selección de muestras Primeramente, se procedió a seleccionar las muestras, en función del ensayo en el que iban a ser utilizados, clasificándolas según su longitud en 2 grupos: •

Grupo 1: Pertenecen las muestras que fueron destinadas a los ensayos de: ultrasonido, resistencia a compresión y modulo de elasticidad, y que fueron obtenidas mediante el corte de piezas. La longitud final de las muestras se estableció en 12.5 cm, de acuerdo a los requerimientos del apartado 4 de la norma UNE-EN-83316.

•

Grupo 2: Pertenecen el restante de muestras, que fueron destinadas a los ensayos de densidad, porosidad y difracción de rayos X.

5.2.5. Mapeo y geometría de los testigos Mapeo de Testigos Para iniciar con el mapeo de las piezas, se comenzó por ordenar todos las piezas que conforman los sondeos, rotulando a su vez, una línea de denote la dirección en profundidad de las mismas. Una vez completado éste paso, se procedió a establecer una nomenclatura general que defina la posición de los piezas. Para ello, por un lado, se utilizó las letras S y P, que representan sondeo y pieza, respectivamente; y por otro lado, una numeración que indica el número de sondeo al que pertenece y el numero del fragmento. Cabe resaltar, que de acuerdo a estas consideraciones, a la pieza ubicada mas cerca de la superficie se la asignó el primer número de la serie, y por lo tanto, la pieza mas profunda llevó el último número de esa serie, tal como se ilustra en la Figura 5.7.

La evolución de los conglomerantes hidráulicos en presas: El caso del Sand-Cement

Metodología Experimental

67

a)

b)

Figura 5.7.- Ilustración acerca de la dirección y nomenclatura de las piezas. a) Primera pieza del sondeo 4, b) ultima pieza del sondeo 2.

Por otro lado, las piezas que fueron cortadas, generaron una fragmentación mayor en cada sondeo; por esta razón, fue necesario establecer una nomenclatura adicional que identifique a estos nuevos fragmentos. Para éste efecto, por un lado, se utilizó las letras A, B y C, que identifica a la serie de las muestras de los sondeos 2,,4 y7, respectivamente; y por otro lado, un indicador (numero o letra), que identifica el orden y profundidad de las muestras. A manera de ejemplo se presenta el caso de la pieza S2P2. (Figura 5.8) •

Con posterioridad al corte, la pieza S2P2 quedó dividida en 4 fragmentos. Para identificarlos, se uso la siguiente nomenclatura: Dirección en Profundidad

Figura 5.8.- Nomenclatura adicional utilizada para las piezas que fueron cortadas.

donde: A: identifica que los fragmentos corresponden al sondeo 2. 2: identifica que es la 2ª de la serie del sondeo 2 en ser cortada 1 y 2: Ordena la porción obtenida para los ensayos, desde el mas superficial al mas profundo. I y d: “Izquierda” y “derecha”, Ordena los fragmentos sobrantes desde el mas superficial al mas profundo.

Pedro Javier Cabrera Vélez

68

Capítulo 5

Geometría de los testigos La geometría de las piezas se obtuvo con un “pie de rey”, asegurando de esa manera, la precisión de las medidas obtenidas. (Figura 5.9).

Figura 5.9.- Pie de rey.

Para la obtención del diámetro se realizaron 4 medidas por pieza, 2 en cada extremo, para finalmente obtener el promedio de ellas. En cuanto a la longitud, se establecieron 2 medidas, la primera referente longitud total de la muestra y la segunda que se refiere a la longitud útil de la misma. 5.2.6. Inspección Visual Una vez, se terminó con el mapeo de los sondeos, como parte del análisis de éstos, se procedió a levantar toda la información relevante respecto del estado físico, como: distribución de árido, fisuras en pasta, árido e interfaz árido-pasta y, zonas de cristalización de áridos y manchas. 5.2.7. Preparación de muestras Para la preparación de las muestras, fue necesaria la utilización de los siguientes instrumentos: •

Flexómetro: herramienta métrica estándar de 5 metros.

•

Rotuladores permanentes: Para identificar a cada pieza, se usó rotuladores de color verde.

•

Libreta de registro: Utilizada para anotar todo cuanto corresponda a las muestras y ensayos.

•

Mesa de trabajo: Se utilizaron 2 mesas de trabajo de color blanco, resistente y de dimensiones 2,00m x 0,90m.

•

Sierra para corte piezas de hormigón: Para los cortes de los piezas, se usó una cortadora marca Matest, modelo C-350, con un disco de corte de 3.3 mm. (Figura 5.10).

La evolución de los conglomerantes hidráulicos en presas: El caso del Sand-Cement

Metodología Experimental

•

69

Desbastadora: Usada para pulir en seco las caras de las muestras correspondientes al Grupo 1. El equipo utilizado es de marca Inmaq y modelo Dbp-05 (Figura 5.11).

Figura 5.10.- Vista general de la sierra de corte.

•

a)

Figura 5.11.- Vista general de la desbastadora.

Machacadora de molino vibratorio: Se utilizó para pulverizar las muestras de la pasta de cemento, necesarias para el ensayo de Difracción de Rayos X. El equipo utilizado es de marca Herzog y modelo HSM 100. (Figura 5.12).

b)

Figura 5.12.- Machacadora de molino vibratorio. a) Vista General, b) instrumentos utilizados.

•

Tamiz Nº.200: Previo a la ejecución del ensayo de difracción de rayos x, el material pulverizado fue tamizado para eliminar cualquier resto de árido presente. (Figura 5.13).

Pedro Javier Cabrera Vélez

70

Capítulo 5

Figura 5.13.- Instrumentos utilizados para el tamizado de las muestras

5.3.

EJECUCIÓN DE ENSAYOS

5.3.1. Ensayo de Ultrasonido Generalidades: Este método sirve para determinar la velocidad de propagación de la onda a través de las piezas de hormigón. Esto se obtiene, a través del un generador de impulsos eléctricos, un par de palpadores, un amplificador y un temporizador electrónico para la medida del intervalo de tiempo transcurrido entre el comienzo de la onda del impulso generado en el palpador transmisor y el comienzo de la onda a su llegada al palpador receptor. Adicionalmente, se dispone de una barra de calibración para facilitar un dato para la medida de la velocidad. A través de éste método es posible determinar, por un lado, la existencia de grietas, fisuras o coqueras; y por otro lado, las propiedades dinámicas del hormigón. Para el caso que nos ocupa, el ensayo fue usado para determinar el módulo de elasticidad dinámico del hormigón. Equipos y materiales empleados Para el desarrollo de éste ensayo fueron necesarios los siguientes equipos y materiales: •

Vaselina: Para asegurar que los transductores tengan un buen acoplamiento sobre la superficie del hormigón se colocó una fina capa de vaselina.

La evolución de los conglomerantes hidráulicos en presas: El caso del Sand-Cement

Metodología Experimental

•

71

Equipo de ultrasonido: El equipo usado es de marca Matest y modelo C372 (Figura 5.14).

Figura 5.14.- Equipo de Ultrasonido

Procedimiento El procedimiento empleado se ajustó a lo establecido en la norma UNEEN-12504-4. Para la obtención de la lectura promedio, se realizó una lectura con la muestra en dirección hacia la profundidad, y una segunda lectura girando la muestra 180º. Expresión de resultados A partir de la obtención del tiempo de propagación, T, de la onda a través de la pieza, se procedió a calcular la velocidad de pulso en el elemento usando expresión [5.1]:

!=

!

[5.1]

!

donde, V es la velocidad del impulso, en Km/sg; L es la longitud del impulso, en mm; T es el tiempo que tarda el impuso en su trayectoria, en µs (microseg) De la medición de la velocidad de las ondas ultrasónicas, fue posible calcular el módulo de elasticidad dinámico, usando la expresión [5.2]:

!! = ! ! !

!!! !!!! !!!

Pedro Javier Cabrera Vélez

[5.2]

72

Capítulo 5

donde, Ed Módulo de elasticidad dinámico, en N/mm2 V es la velocidad del impulso, en Km/sg;

ρ es la densidad aparente de la muestra, en Kg/m3; υ es el módulo de Poisson. Para el caso que nos ocupa, se utilizó 0.2. 5.3.2. Resistencia a compresión Generalidades Este ensayo es usado para la obtención de la resistencia a compresión simple del hormigón. Durante el análisis de resultados, se debe considerar la forma y tamaño de la pieza, y el tamaño máximo de los áridos. El estudio respectivo, se presenta en el capítulo siguiente. Equipos empleados Para el desarrollo de éste ensayo fueron necesarios los siguientes instrumentos y materiales: •

Prensa Hidráulica: Equipo marca Ibertest y modelo MEH-3000, usado para la ejecución del ensayo. (Figura 5.15).

•

Ordenador: Equipo informático marca HP, usado para el procesamiento de datos.

Figura 5.15.- Equipos utilizados para el ensayo de compresión.

La evolución de los conglomerantes hidráulicos en presas: El caso del Sand-Cement

Metodología Experimental

73

Procedimiento El procedimiento usado para este ensayo, se ajusto a lo establecido en la norma UNE-EN 12930. Expresión de resultados Una vez determinada la fuerza de ruptura, P, de la muestra, se procede a calcular la resistencia a compresión del hormigón, utilizando la expresión [5.3]:

!=

!

[5.3]

!

donde,

σ es la resistencia a la compresión, en Mpa; P es la fuerza de ruptura, en Kn; A es la sección transversal de la muestra, mm2. Sin embargo, para el caso de las piezas que presentaron una relación entre el longitud y el diámetro menor a dos, fue necesario aplicar un coeficiente de corrección, tal como se encuentra especificado en la norma. Para los valores que no se encuentran en la Tabla 5.2 se aplica la interpolación lineal. Relación altura/diámetro

Coeficiente de Corrección

2,00

1,00

1,75

0,98

1,50

0,96

1,25

0,94

1,10

0,90

Tabla 5.2.- Equipos utilizados para el ensayo de compresión.

5.3.3. Modulo de elasticidad estático. Generalidades El Módulo de elasticidad estático del hormigón es un aspecto fundamental a considerar en esta investigación. Cuando las piezas son sometidas a una fuerza de compresión, ésta produce deformaciones en el concreto y a partir de ellas se obtiene la gráfica esfuerzo-deformación unitaria, de donde es obtenida esta propiedad.

Pedro Javier Cabrera Vélez

74

Capítulo 5

Equipos empleados Para el desarrollo de éste ensayo fueron necesarios los siguientes instrumentos y materiales: •

Prensa Hidráulica: Equipo marca Ibertest y modelo MEH-3000, usado para la ejecución del ensayo.

•

Anillos y Palpadores: Palpadores inductivos LVDT, marca Solartron y modelo AX/5.0/S, usados para medir la deformación de la muestra. (Figura 5.16).

Figura 5.16.- Preparación de la muestra.

•

Ordenador: Equipo informático marca HP, usado para el procesamiento de datos.

Procedimiento El procedimiento de éste ensayo se ajustó a lo establecido en la norma UNE-83316:1996. La fuerza máxima aplicada en cada ciclo del ensayo, corresponde al tercio de la fuerza de ruptura obtenida en el ensayo de compresión de la pieza inmediata anterior, respecto del sondeo estudiado. Expresión de resultados Se inicia por determinar las deformaciones medias εa y εb, respectivamente, en cada una de las líneas de medida en el ciclo de carga. Figura 5.17.

La evolución de los conglomerantes hidráulicos en presas: El caso del Sand-Cement

Metodología Experimental

75

Ciclos de carga Deformación Unitaria (mm)

5.11 5.1 5.09 Canal 1 (mm) Canal 2 (mm) Canal 3 (mm)

5.08 5.07 5.06 5.05 5.04 0

100

200

300

400

Tiempo de carga (sg)

Figura 5.17.- Ilustración de los ciclos de carga usados en el ensayo para la determinación del módulo de elasticidad estático.

El módulo de elasticidad estático en compresión, Ec, viene dado por la expresión [5.4]: ∆! ∆!

=

!! !!! !! !!!

[5.4]

donde,

σa es la tensión en el escalón correspondiente a σa = fc /3, en N/mm2; σb es la tensión inicial (0.5 N/mm2) εa es la deformación media, bajo el nivel de carga máxima; εb es la deformación media, bajo el nivel de esfuerzo base de carga 5.3.4. Densidad y Porosidad Generalidades La densidad y la porosidad forman parte de las propiedades generales del hormigón. Para el caso que nos ocupa, estas propiedades han sido obtenidas buscando determinar el estado actual del hormigón, y con estos resultados, extrapolar y obtener una conclusión respecto del comportamiento de la presa.

Pedro Javier Cabrera Vélez

76

Capítulo 5

Equipos utilizados •

Balanza, canastilla y tanque de agua: Utilizado para obtener la masa seca, saturada y sumergida de las muestras. (Figura 5.18).

a)

b)

Figura 5.18.- Equipo usado para pesar las muestras. a)Balanza, b)Canastilla para peso sumergido

•

Estufa: Utilizada para secar las muestras. Para el caso que nos corresponde, la estufa se configuró a una temperatura de 60ºC, obteniendo el peso seco de las muestras a los 5 días. (Figura 5.19).

Figura 5.19.- Equipo usado para el secado de las piezas

Procedimiento El procedimiento empleado para este ensayo, se ajustó a lo establecido en las normas UNE-EN-1936 y UNE-EN-12390-7. Cabe señalar, que el

La evolución de los conglomerantes hidráulicos en presas: El caso del Sand-Cement

Metodología Experimental

77

volumen de la pieza fue obtenido a través del método por desplazamiento de agua. Expresión de Resultados La obtención de la densidad aparente y real de las piezas, se realizó a través de las expresiones [4.1] y [4.2], enunciadas en el capítulo anterior. Por otro lado, para obtener la porosidad del elemento, se utilizó la expresión [5.5]: !

!!

!! = !!!! !!!"#$ ∗ 100 !!!

!"#

[5.5]

donde, ρ o es el valor de la densidad del agua, en Kg/m3 mseca es la masa de la muestra seca, en gramos; msss es la masa de la muestra saturada, en gramos; msum es la masa de la muestra sumergida, en gramos; 5.3.5. Difracción de rayos X Generalidades La característica principal de este ensayo es que mediante la difracción de rayos-X se obtiene la mineralogía del testigo, indicando qué tipos de áridos hay y los posibles productos de alteración. Equipo utilizado La difracción de rayos-X se realizó en el Servicio de Difracción de rayosX de los Centres Científics i Tecnológics de la UB, empleando un equipo PANalytical X’Pert PRO MPD Alpha1 powder diffractometer. En la Tabla 5.3 se indican las condiciones de análisis empleadas. Condiciones  de  análisis   Rango medido

4,2° a 80° 2θ

Tamaño de paso

0,017° 2θ

Tiempo de paso

50 s

Condiciones de trabajo

45KV - 40mA

Tabla 5.3.- Condiciones de análisis empleadas para los análisis de difracción de rayos-X.

Pedro Javier Cabrera Vélez

78

Capítulo 5

Procedimiento La muestra, previamente preparada, se bombardea con un haz de rayos-X, con una orientación determinada y se registra el ángulo de los rayos-X difractados; cada red cristalina difracta un ángulo determinado y debido a este fenómeno se puede conocer la mineralogía de la muestra.

La evolución de los conglomerantes hidráulicos en presas: El caso del Sand-Cement

Análisis de Resultados

79

6.

CAPITULO 6: ANALISIS DE RESULTADOS

6.1.

INTRODUCCIÓN

En el capítulo anterior, se indicaron los criterios utilizados para la selección de muestras, y la metodología utilizada para la ejecución de cada uno de los ensayos. El objetivo del presente capítulo es presentar y analizar los resultados obtenidos durante la campaña experimenta, para posteriormente buscar relacionar los resultados y concluir respecto de las características actuales del hormigón utilizado en la Presa de Camarasa Este capítulo se inicia, con la presentación de la información obtenida durante la inspección visual, para posteriormente presentar, de manera secuencial, los ensayos realizados durante la fase experimental. Finalmente, durante la discusión, por un lado, se estudiará la variación del comportamiento en profundidad, y por otro lado, se realizará una comparación entre el cemento portland utilizado en el sondeo 2 y el Sand-Cement utilizado en los sondeos 4 y 7.

Pedro Javier Cabrera Vélez

80

Capítulo 6

6.2.

CONSIDERACIONES INICIALES

6.2.1. Mapeo de testigos Con la finalidad de presentar una guía, referente al mapeo de cada uno de los fragmentos, se presenta la Tabla 6.1, que indica la nomenclatura de la pieza, la profundidad en la que se ubica y el ensayo al que fue destinado. SONDEO 2 Nomenclatura

Profundidad (m)

SONDEO 4 Ensayo

Nomenclatura

Profundidad (m)

SONDEO 7 Ensayo

Nomenclatura

Profundidad (m)

Ensayo

S2P1-A-1-i

0-4

D, P

S4P1-B-1-i

0-10

X

S7P1

0-14

D, P

S2P1-A-1

4-17

RC, MD, U

S4P1-B-1

10-23

RC, MD, U

S7P2-C-1-i

14-20

DRX

S2P1-A-1-d

17-22

D, P

S4P1-B-1-d

23-30

D, P

S7P2-C-1-1

20-33

RC, MD, U

S2P2-A-2-i

22-24

DRX

S4P2

30-37

D, P

S7P2-C-1-2

33-46

RC, MD, U

S2P2-A-2-1

24-37

RC, MD, U

S4P3-B-2-i

37-39.5

DRX

S7P2-C-1-d

46-51

D, P

S2P2-A-2-2

37-50

RC, MD, U

S4P3-B-2

39.5-52.5

RC, MD, U

S7P3-C-2-i

51-56

X

S2P2-A-2-d

50-55

X

S4P3-B-2-d

52.5-57

D, P

S7P3-C-2-1

56-69

X

S2P3-A-3-i

55-63.5

D, P

S4P4-B-3-i

57-60.5

X

S7P3-C-2-2

69-82

RC, MD, U

S2P3-A-3-1

63.5-76.5

X

S4P4-B-3

60.5-73.5

RC, MD, U

S7P3-C-2-3

82-95

RC, MD, U

73.5-82.5

D, P

S7P3-C-2-4

95-108

RC, MD, U

S2P3-A-3-2

76.5-89.5

RC, MD, U

S4P4-B-3-d

S2P3-A-3-d

89.5-90.5

X

S4P5-B-4-i

82.5-85

X

S7P3-C-2-d

108-109

X

S2P4

90.5-101.5

D, P

S4P5-B-4

85-98

RC, MD, U

S7P4

109-122

D, P

S2P5

101.5-105

X

S4P5-B-4-d

98-99.5

X

S7P5-C-3-i

122-128

D, P

S4P6-B-5-i

99.5-100.5

X

S7P5-C-3-1

128-141

RC, MD, U

100.5-113.5

RC, MD, U

S7P5-C-3-2

141-154

RC, MD, U

154-161.5

D, P

S2P6

105-113.5

X

S2P7-A-4-i

113.5-114.5

X

S4P6-B-5

113.5-115

X

S7P5-C-3-d

S2P7-A-4

114.5-127.5

RC, MD, U

S4P6-B-5-d

S2P7-A-4-d

127.5-130

X

S4P7

115-122

D, P

S7P6-C-4-i

161.5-163

X

S2P8-A-5-i

130-134

D, P

S4P8-B-6-i

122-131.5

D, P

S7P6-C-4

163-176

RC, MD, U

S2P8-A-5

134-147

RC, MD, U

S4P8-B-6

131.5-144.5

RC, MD, U

S7P6-C-4-d

176-177

X

S2P8-A-5-d

147-153

D, P

S4P8-B-6-d

144.5-147

X

S7P7

177-189.5

D, P

S2P9-A-6-i

153-154

X

S4P9

147-155.5

D, P

S7P8-C-5-i

189.5-193

D, P

S2P9-A-6

154-167

RC, MD, U

S4P10-B-7-i

155.5-158.5

X

S7P8-C-5

193-206

RC, MD, U D, P

S2P9-A-6-d

167-168

X

S4P10-B-7

158.5-171.5

RC, MD, U

S7P8-C-5-d

206-210.5

S2P10

168-177.5

D, P

S4P10-B-7-d

171.5-173.5

X

S7P9-C-6-i

210.5-214

D, P

S2P11-A-7-i

177.5-183.5

D, P

S4P11

173.5-185.5

X

S7P9-C-6

214-227

RC, MD, U

S2P11-A-7

183.5-196.5

RC, MD, U

S4P12-B-8-i

185.5-190.5

DRX

S7P9-C-6-d

227-230

D, P

S2P11-A-7-d

196.5-200.5

X

S4P12-B-8-1

190.5-203.5

X

S7P10

230-241.5

D, P

S2P12-A-8-i

200.5-205

D, P

S4P12-B-8-2

203.5-216.5

X

S7P11

241.5-257-5

D, P

S2P12-A-8

205-218

RC, MD, U

S4P12-B-8-d

216.5-225.5

X

S7P12

257.5-269.5

D, P

S2P12-A-8-d

218-219

X

S4P13

225.5-250.5

X

S7P13

269.5-277

D, P

S2P13-A-9-i

219-225

X

S4P14

250.5-285.5

X

S7P14

277-282.5

D, P

S2P13-A-9-1

225-238

RC, MD, U

S2P13-A-9-2

238-251

RC, MD, U

S2P13-A-9-d

251-256

D, P

S2P14-A-10-i

256-260

X

S2P14-A-10

260-273

X

S2P15

273-280

D, P

S2P16-A-11-i

280-288

D, P

S2P16-A-11

288-301

RC, MD, U

S2P16-A-11-d

301-303

DRX

D, P: Densidad y Porosidad RC, MD, U: Resistencia a compresión, Modulo de elasticidad estático y Ultrasonido DRX: Difracción de rayos X X: Piezas no utilizadas

Tabla 6.1.-Mapeo general de los sondeos 2,4 y 7.

La evolución de los conglomerantes hidráulicos en presas: El caso del Sand-Cement

Análisis de Resultados

81

Con respecto a la Tabla 6.1, debe tenerse en cuenta los siguientes aspectos: •

a)

Las piezas S4P12-B-8-d, S4P13, S4P14 pertenecientes al sondeo 4, corresponden a fragmentos de madera, o a fragmentos de hormigón con parte de madera en su interior, y por lo tanto, no han sido considerados en el presente estudio. (Figura 6.1).

b)

Figura 6.1.-Fragmentos de madera encontrados en el sondeo 4. a) S4P12-B-8-d, b)S4P14

•

a)

Debido al estado físico en el que llegaron al laboratorio las piezas comprendidas entre la S7P9 y la S7P14, correspondientes al sondeo 7, no fue posible determinar claramente la ubicación a la que pertenecen. Como se puede ver en la (Figura 6.2), los extremos de las piezas no se correspondían entre si.

b)

Figura 6.2.-Estado físico de las piezas del sondeo 7. a) S7P10, b)S7P11

Pedro Javier Cabrera Vélez

82

Capítulo 6

Por esta razón, y con el objetivo de dar darles una localización a estas piezas, se optó por ordenarlas de acuerdo a la posición original con la que fueron entregadas en el laboratorio. Este hecho ha sido considerado en los resultados, y por lo tanto será mencionado durante el análisis de resultados. 6.2.2. Análisis de resultados Con posterioridad a los ensayos realizados, motivo de esta tesis, se pudo observar que en algunos casos se presentó una dispersión considerable en la distribución de resultados. Para descartar lo valores que puedan sugerir algún tipo de distorsión en la distribución, por un lado, se aplicó el test de Dixon, y por otro lado, se descartó los ensayos en los que se observó la presencia de áridos muy representativos. El proceso utilizado para descartar los resultados a través de la información visual, se baso principalmente en la presencia de áridos de gran tamaño, que como veremos mas adelante, en algunos casos, un solo árido ocupaba aproximadamente el 50 % de la pieza. En la Figura 6.3, se presentan las gráficas del sondeo 4, antes y después de aplicar éste procedimiento. Por otro lado, en la Figura 6.4, se presentan imágenes de la muestra S4P12-B-8-1 que fue descartada de la serie.

S4P12-B-8-1

Descartado Test Dixon

Figura 6.3.-Comportamiento en profundidad del Modulo de elasticidad. a) Antes del proceso de descarte, b) después del proceso de descarte.

La evolución de los conglomerantes hidráulicos en presas: El caso del Sand-Cement

Análisis de Resultados

83

Figura 6.4.-Presencia de áridos grandes en sondeo 4. Pieza S4P12-B-8-1

6.3.

INFORMACIÓN OBTENIDAD DE LA INSPECCIÓN VISUAL

Durante esta fase, se procedió a analizar el estado físico de las piezas, buscando determinar fisuras, coqueras, manchas, y todo información que se pueda recopilar de los sondeos. En las Tablas 6.2 a la 6.4 se presenta el resumen de la información obtenida para cada caso. NUMERO DE PIEZA Observación S2P1

S2P2 S2P3

S2P4

S2P5 S2P6

S2P7 S2P8

Fisura interfaz árido-pasta

X

Fisura pasta

X

S2P9

S2P10

S2P11 S2P12

Coqueras

Desprendimiento de pasta

S2P14

S2P15

S2P16

X

X

X

X

Fisura árido

Árido de tamaño representativo >70mm

S2P13

X X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

Tabla 6.2.-Características físicas del sondeo 2

Pedro Javier Cabrera Vélez

84

Capítulo 6

NUMERO DE PIEZA Observación S4P1

S4P2 S4P3

Fisura interfaz árido-pasta

X

Coqueras

X

Árido de tamaño representativo >70mm

X

X

S4P6

X

S4P7 S4P8 X

S4P9

X

S4P10 S4P11 X

S4P12

S4P13

S4P14

X

X

X X

X

Desprendimiento de pasta Gran cantidad de árido

S4P4 S4P5

X

X

X

X

X

X

X

X

X X

X

X

X

Presencia de Madera

X

Tabla 6.3.-Características físicas del sondeo 4 NUMERO DE PIEZA Observación S7P2

S7P3 S7P4

Fisura interfaz árido-pasta

X

X

Fisura pasta

X

X X

Coqueras

X

X

X

X

X

X

S7P8 S7P9 X

X

X

X

S7P10

S7P11

X

X

S7P12

S7P13 S7P14

X

X X

X

Gran cantidad de árido

X

X

Gran presencia de árido

X

X

X

X

Desprendimiento de pasta

S7P7

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X X

ROTA

Fisura árido

X

S7P5 S7P6

ROTA

S7P1

X X

X

X

Tabla 6.4.-Características físicas del sondeo 7

Distribución de áridos En el conjunto de los testigos se ha podido apreciar que la distribución de áridos era variable, tanto entre sondeos, como en profundidad. El sondeo 2, en general se presentó uniforme, pudiéndose destacar zonas específicas donde se encontraba una concentración significativa de áridos. Para el caso del sondeo 4 y 7, se pudo observar, por un lado, zonas con la presencia de áridos de gran tamaño con un diámetro variable entre 60 mm y 80 mm. A la vista de los resultados obtenidos en los ensayos de resistencia a compresión, módulo de elasticidad y, con la finalidad de observar la influencia de los áridos en los resultados, las piezas utilizadas para estos ensayos fueron cortadas en sentido longitudinal, lo que nos permitió obtener una apreciación mayor, acerca de la distribución de los áridos. (Figuras 6.5 al 6.7).

La evolución de los conglomerantes hidráulicos en presas: El caso del Sand-Cement

Análisis de Resultados

85

Figura 6.5.-Presencia de áridos grandes en sondeo 2. Pieza S2P1-A-1

Figura 6.6.-Gran concentración de áridos en el sondeo 4. Pieza S4P3-B-2

Figura 6.7.-Presencia de áridos grandes en sondeo 7. Pieza S7P3-C-2-4

Pedro Javier Cabrera Vélez

86

Capítulo 6

Presencia de Coqueras La presencia de coqueras, es otra característica de los sondeos que se puso en evidencia durante la inspección visual, presentándose con mayor intensidad en el sondeo 2, frente a los sondeos 4 y 7. No obstante, cabe indicar, que el tamaño de éstas coqueras no es mayoritario, mostrando los testigos un aspecto muy razonable para lo que se entiende unas condiciones de puesta en obra muy complicada mediante canaletas a grandes distancia y con altas relaciones agua/cemento. En casos específicos, además, se pudo observar que dentro de las coqueras se presentaban muestras de cristalización. (Figura 6.8). El análisis tanto de este hecho, como de los posibles mecanismos de deterioro pueden consultarse en López Gil de Mota (2013).

a)

b)

Figura 6.8.-Coqueras presentes en los sondeos. a) Pieza S2P1-A-1-i, b)Pieza S7P4

Fisuras y desprendimiento de pasta En cuanto se refiere a fisuras, se pudo observar éstas en zonas de interfaz árido-pasta, en la pasta y en los áridos. Sin embargo, al igual que la presencia de coqueras, estas están localizadas en zonas puntuales de los sondeos. (Figura 6.9).

La evolución de los conglomerantes hidráulicos en presas: El caso del Sand-Cement

Análisis de Resultados

a)

87

b)

Figura 6.9.-Fisuras encontradas en las piezas. a) Pieza S2P8, b)Pieza S4P8

Con respecto al desprendimiento de pasta, hay que destacar, que el caso del sondeo 7 presenta continuas muestras de daño en la pasta de cemento, y además, este hecho se incrementa conforme avanza en profundidad. (Figura 6.10).

a)

b)

Figura 6.10.-Coqueras presentes en los sondeos. a) Pieza S7P4, b)Pieza S7P10.

6.4.

RESULTADOS Y DISCUCIÓN DE LA FASE EXPERIMENTAL

6.4.1. Resistencia a compresión y Módulo de elasticidad estático Generalidades Para el desarrollo de este ensayo, se aplicó el procedimiento establecido en el numeral 5.3.2 y 5.3.3. correspondientes al capítulo quinto. Cabe indicar, que los resultados de modulo de elasticidad, de las piezas que no cumplieron

Pedro Javier Cabrera Vélez

88

Capítulo 6

con la relación longitud/diámetro mayor o igual a dos, fueron corregidos de acuerdo a los coeficientes de corrección indicados en la Tabla 5.2. Para analizar los resultados, se presenta para cada caso, un cuadro resumen con los resultados obtenidos en cada serie, para posteriormente reflejar estos resultados en una gráfica, con la cual, se ha determinado el comportamiento de cada una de las características frente a la profundidad. En el apartado de discusión, en primer lugar, se analizara el comportamiento individual de cada sondeo frente a la profundidad; para finalmente, comparar los resultados obtenidos entre los sondeos. Resultados a. Resistencia a compresión y módulo de elasticidad estático del sondeo 2. En la Tabla 6.5, se presentan las medidas geométricas de las muestras y los resultados obtenidos en cada ensayo. En las Figuras 6.11 y 6.12 se refleja con el comportamiento en profundidad, tanto, para la resistencia a compresión como, para el módulo de elasticidad estático. Muestra

Profundidad Diámetro (cm) (mm)

Altura (cm)

Masa (g)

Módulo Volumen Elasticidad 3 (cm ) (Corregido 2 Kg/cm )

Resistencia Compresión 2 (Kg/cm )

S2P1-A-1

10.50

61.10

12.40

832.70

363.57

0.00

285.30

S2P2-A-2-1

30.50

61.10

12.30

844.40

360.64

327822.10

275.30

S2P2-A-2-2

43.50

61.10

12.45

840.70

365.04

307232.80

220.50

S2P3-A-3-2

83.00

61.10

12.33

831.80

361.52

287763.60

239.90

S2P7-A-4

121.00

61.10

12.30

847.70

360.64

304084.60

261.80

S2P8-A-5

140.50

61.10

12.43

879.20

364.45

317246.70

310.00

S2P9-A-6

160.50

61.10

12.44

847.30

364.75

359982.90

305.20

S2P11-A-7

190.00

61.10

12.51

868.40

366.80

353811.30

271.00

S2P12-A-8

211.50

61.10

12.52

882.00

367.09

326467.50

339.60

S2P13-A-9-1

231.50

61.10

12.50

869.60

366.51

316713.30

291.50

S2P13-A-9-2

244.50

61.10

12.12

825.30

355.37

294446.07

319.20

S2P16-A-11

294.50

61.10

12.43

858.90

364.45

240300.50

232.90

Tabla 6.5.-Resultados de resistencia a compresión y módulo de elasticidad del sondeo 2.

La evolución de los conglomerantes hidráulicos en presas: El caso del Sand-Cement

Análisis de Resultados

89

Figura 6.11.- Comportamiento de la resistencia a compresión vs la profundidad del sondeo.

Figura 6.12.- Comportamiento del módulo de elasticidad estático vs la profundidad del sondeo.

b. Resistencia a compresión y módulo de elasticidad estático del sondeo 4 En la Tabla 6.6, se presentan las medidas geométricas de las muestras y los resultados obtenidos en cada ensayo. En ella puede verse que la dispersión de la altura, masa y volumen es poco significativa Muestra

Profundidad Diámetro (cm) (mm)

Altura (cm)

Masa (g)

Módulo Volumen Elasticidad 3 (cm ) (Corregido 2 Kg/cm )

Resistencia Compresión 2 (Kg/cm )

S4P1-B-1

16.50

60.90

12.46

839.80

362.95

-

255.40

S4P3-B-2

46.00

61.20

12.53

864.30

368.59

282954.80

218.20

S4P5-B-4

91.50

61.30

12.40

856.00

365.96

294887.10

185.90

S4P6-B-5

107.00

61.20

12.51

852.10

368.00

292989.40

180.50

S4P8-B-6

138.00

61.20

12.47

877.10

366.83

340846.80

206.50

S4P10-B-7

165.00

61.30

12.48

900.70

368.32

345406.70

274.30

Tabla 6.6.-Resultados de resistencia a compresión y módulo de elasticidad del sondeo 4.

En las Figuras 6.13 y 6.14 se refleja el comportamiento, tanto, para la resistencia a compresión cuanto, para el módulo de elasticidad estático. El comportamiento en profundidad es contrario al observado en el caso del sondeo 2, con una dispersión algo menor del conjunto.

Pedro Javier Cabrera Vélez

90

Capítulo 6

Figura 6.13.- Comportamiento de la resistencia a compresión vs. la profundidad del sondeo

Figura 6.14.- Comportamiento del módulo de elasticidad estático vs. la profundidad del sondeo

c. Resistencia a compresión y módulo de elasticidad estático del sondeo 7 En la Tabla 6.7, se presentan las medidas geométricas de las muestras y los resultados obtenidos en cada ensayo. En las Figuras 6.15 y 6.16 se refleja con el comportamiento, tanto, para la resistencia a compresión cuanto, para el módulo de elasticidad estático. La información referente a la pieza S7P9-C-6, se encuentra resaltada, debido a que no se pudo identificar claramente su localización. Muestra

Profundidad Diámetro Altura (cm) (mm) (cm)

Masa (g)

Módulo Volumen Elasticidad 3 (cm ) (Corregido 2 Kg/cm )

Resistencia Compresión 2 (Kg/cm )

S7P2-C-1-1

26.50

61.70

12.22

862.00

365.37

0.00

219.30

S7P2-C-1-2

39.50

61.70

12.49

871.70

373.44

277953.60

207.80

S7P3-C-2-2

75.50

61.70

12.21

851.20

365.07

219145.69

143.80

S7P3-C-2-3

88.50

61.70

12.29

864.00

367.46

288791.16

168.90

S7P3-C-2-4

101.50

61.60

12.51

869.50

372.83

164657.10

128.80

S7P5-C-3-1

134.50

61.70

12.35

884.90

369.26

290475.50

150.10

S7P5-C-3-2

147.50

61.70

12.39

856.70

370.45

204476.60

110.00

S7P6-C-4

169.50

61.70

12.48

877.90

373.14

267875.40

136.60

S7P8-C-5

199.50

61.60

12.46

880.60

371.34

212011.20

131.40

S7P9-C-6

220.50

61.50

12.46

861.50

370.13

113819.90

87.90

Tabla 6.7.- Resultados de resistencia a compresión y módulo de elasticidad del sondeo 7.

La evolución de los conglomerantes hidráulicos en presas: El caso del Sand-Cement

Análisis de Resultados

91

Figura 6.15.- Comportamiento de la resistencia a compresión vs. la profundidad del sondeo.

Figura 6.16.- Comportamiento del módulo de elasticidad estático vs. la profundidad del sondeo

Discusión. a. Discusión general Frente a los resultados obtenidos, se puede apreciar, que generalmente el comportamiento en función de la profundidad, tanto, para la resistencia a compresión, como, para el módulo de elasticidad estático, mantienen una misma línea de tendencia, salvo en el caso del sondeo 4. Por otro lado, se pudo observar que los resultados obtenidos para el caso del sondeo 2, que corresponde al hormigón fabricado con cemento portland, son mayores a los otros sondeos. b. Sondeo 2 Con respecto a los resultados del sondeo 2, el comportamiento en profundidad es en general uniforme, presentándose un ligero incremento para el caso de la resistencia a compresión, mientras, en el caso del módulo de elasticidad estático, presenta un descenso algo significativo al final de la serie. Sin embargo, este resultado se considera como un caso aislado en la serie, ya que no se rige al comportamiento general de las muestras. Como podemos ver en la Tabla 6.8, la desviación estándar nos indica que no existe una variación representativa en los resultados, lo que se corresponde con lo antes explicado. Propiedad 2

M. Elasticidad (Kg/cm ) 2

R. Compresión (Kg/cm )

Min

Max

Medio

Desviación Estándar

240300.50

359982.90

312387.04

32659.80

220.50

339.60

279.32

34.82

Tabla 6.8.-Resumen de resultados del ensayo de resistencia a compresión y módulo de elasticidad del sondeo 2.

Pedro Javier Cabrera Vélez

92

Capítulo 6

c. Sondeo 4 Con relación al sondeo 4, llama la atención la variación en el comportamiento en profundidad de la resistencia a compresión frente al módulo de elasticidad estático. Con respecto al primero, se puede apreciar un descenso aproximadamente a los 100 cm de profundidad, para posteriormente ascender. Este hecho puede ser atribuible, por un lado, a la dispersión en los hormigones de la época, y por otro lado, a una debilitación de las piezas provocada por la presencia de fisuras Para el caso del módulo elástico se aprecia claro ascenso conforme se avanza en profundidad. Esto puede deberse a la gran concentración de áridos que se detectó en el sondeo 4 durante la inspección visual, tanto en el exterior de la muestra, cuanto, en el interior de la misma. Si partimos de este hecho, el comportamiento es completamente lógico, ya que los áridos tiene un mayor módulo de elasticidad que el hormigón, y por tanto, al estar éstos en grandes concentraciones en la mayoría de las piezas de la serie, los resultados obtenidos pueden estar reflejando las características del árido, mas no la de la muestra en conjunto. (Vilardell, 1996) Como podemos observar en la Tabla 6.9, la desviación estándar nos indica que existe una pequeña variación en la serie, y muy semejante además, a la obtenida en el caso del sondeo 2. Sin embargo, los resultados globales nos indican que el hormigón utilizado en esta zona de la presa tiene unas propiedades mecánicas inferiores al fabricado con cemento portland. Propiedad 2

M. Elasticidad (Kg/cm ) 2

R. Compresión (Kg/cm )

Min

Max

Medio

Desviación Estándar

282954.80

345406.70

311416.96

29344.18

180.50

274.30

220.13

34.42

Tabla 6.9.-Resumen de resultados del ensayo de resistencia a compresión y módulo de elasticidad del sondeo 4.

d. Sondeo 7 De igual manera que para el sondeo 2, el comportamiento en profundidad de los resultados del sondeo 7, mantiene una línea de tendencia semejante, siendo mas pronunciada en el caso de la resistencia a compresión. Sin embardo, se puede observar que los resultados de resistencia a compresión y módulo de elasticidad estático son claramente inferiores que los obtenidos en los sondeos 2 y 4. Este hecho, puede ser atribuido al estado físico de la pasta de cemento, que además, es mas intenso conforme se avanza en profundidad. Si partimos de este hecho, sería lógico pensar que estas coqueras, están acompañadas de una bajada en la resistencia mecánica

La evolución de los conglomerantes hidráulicos en presas: El caso del Sand-Cement

Análisis de Resultados

93

de la muestra debido a que debilitan la interacción árido-pasta. Como podemos ver en la Figura 6.17, el estado físico de las piezas varia significativamente con respecto a la profundidad.

a)

b)

c)

Figura 6.17.-Muestras de daño en piezas del sondeo 7. a) Pieza S7P2-C-1-1 ubicada a 26.50 cm del exterior, b) Pieza S7P5-C-3-2 ubicada a 147.50 cm del exterior, c) Pieza S7P9-C-6 ubicada a 220.50 cm del exterior.

Si analizamos la Tabla 6.10, la desviación estándar nos indica que existe una mayor variación entres los resultados; además, se puede observar que esta dosificación muestra un descenso en las propiedades mecánicas del hormigón de la presa. Propiedad 2

M. Elasticidad (Kg/cm ) 2

R. Compresión (Kg/cm )

Min

Max

Medio

Desviación Estándar

113819.90

290475.50

226640.39

60848.92

87.90

218.96

148.39

40.68

Tabla 6.10.-Resumen de resultados del ensayo de resistencia a compresión y módulo de elasticidad del sondeo 7.

Pedro Javier Cabrera Vélez

94

Capítulo 6

6.4.2. Ultrasonido Generalidades El ensayo de ultrasonido se realizó conforme a la metodología indicada en el apartado 5.3.1 del capítulo quinto. En cuanto se refiere al coeficiente de Poisson, el valor usado fue de 0.2, el cual, por un lado, corresponde al valor medio utilizado para el hormigón corriente, y por otro lado, concuerda con el valor obtenido por el laboratorio de Intemac, en la campaña experimental del año 1996, citada en el apartado 4.3.5 del capítulo 4. Resultados a.

Módulo de elasticidad dinámico del sondeo 2

En la Tabla 6.11, se puede apreciar los parámetros considerados para la obtención del módulo de elasticidad dinámico. Profundidad Diámetro Altura (cm) (mm) (cm)

Velocidad Densidad Modulo Coef. de onda Aparente Dinámico Poisson 3 2 (Km/sg) (Kg/m ) (Kg/cm )

Módulo Estático 2 (Kg/cm )

10.50

61.10

12.40

2.05

0.20

2290.31

86304.85

0.00

30.50

61.10

12.30

2.20

0.20

2341.37

102023.43 327822.10

43.50

61.10

12.45

1.75

0.20

2303.03

63197.74

307232.80

83.00

61.10

12.33

2.08

0.20

2300.82

89524.69

287763.60

121.00

61.10

12.30

2.07

0.20

2350.52

90251.40

304084.60

140.50

61.10

12.43

2.11

0.20

2412.37

97022.93

317246.70

160.50

61.10

12.44

1.76

0.20

2322.97

64727.52

359982.90

190.00

61.10

12.51

2.20

0.20

2367.50

103177.83 353811.30

211.50

61.10

12.52

1.76

0.20

2402.66

66675.16

326467.50

231.50

61.10

12.50

1.82

0.20

2372.67

71108.02

316713.30

244.50

61.10

12.12

2.15

0.20

2322.40

96522.03

294832.10

294.50

61.10

12.43

1.28

0.20

2356.67

34543.48

240300.50

Tabla 6.11.-Parámetros considerados para la determinación del módulo de elasticidad dinámico del sondeo 2.

En la Figura 6.18, se muestra el comportamiento en profundidad del módulo dinámico comparado con el módulo estático.

La evolución de los conglomerantes hidráulicos en presas: El caso del Sand-Cement

Análisis de Resultados

95

Figura 6.18.-Comportamiento del módulo dinámico vs. el módulo estático del sondeo 2

b.

Módulo de elasticidad dinámico del sondeo 4

En la Tabla 6.12, se puede apreciar los parámetros considerados para la obtención del módulo de elasticidad dinámico. Muestra

Profundidad Diámetro Altura (cm) (mm) (cm)

Velocidad Densidad Coef. de onda Aparente Poisson 3 (Km/sg) (Kg/m )

Modulo Dinámico 2 (Kg/cm )

Módulo Estático 2 (Kg/cm ) 0.00

S4P1-B-1

16.50

60.90

12.46

2.21

0.20

2313.84

101637.45

S4P3-B-2

46.00

61.20

12.53

2.23

0.20

2344.88

105278.49 282954.80

S4P5-B-4

67.00

61.30

12.40

2.19

0.20

2339.06

100506.79 294887.10

S4P6-B-5

91.50

61.20

12.51

2.10

0.20

2315.48

92122.08

S4P8-B-6

107.00

61.20

12.47

2.91

0.20

2391.06

181823.81 340846.80

S4P10-B-7

138.00

61.30

12.48

2.28

0.20

2445.43

114774.68 345406.70

292989.40

Tabla 6.12.-Parámetros considerados para la determinación del módulo de elasticidad dinámico del sondeo 4.

En la Figura 6.19, se muestra el comportamiento en profundidad del módulo dinámico comparado con el módulo estático.

Pedro Javier Cabrera Vélez

96

Capítulo 6

Figura 6.19.-Comportamiento del módulo dinámico vs. el módulo estático del sondeo 4

c.

Módulo de elasticidad dinámico del sondeo 7

En la Tabla 6.13, se puede apreciar los parámetros considerados para la obtención del módulo de elasticidad dinámico. Cabe indicar que la pieza S7P9C-6 se encuentra separada en la Figura 6.20, debido a que no fue posible determinar con claridad la posición de esta pieza en el sondeo. Muestra

Profundidad Diámetro Altura (cm) (mm) (cm)

Velocidad Densidad Modulo Coef. de onda Aparente Dinámico Poisson 3 2 (Km/sg) (Kg/m ) (Kg/cm )

Módulo Estático 2 (Kg/cm )

S7P2-C-1-1

26.50

61.70

12.22

2.13

0.20

2359.26

96740.83

0.00

S7P2-C-1-2

39.50

61.70

12.49

2.14

0.20

2334.23

96256.50

277953.60

S7P3-C-2-2

75.50

61.70

12.21

1.55

0.20

2331.61

50254.57

219515.70

S7P3-C-2-3

88.50

61.70

12.29

2.01

0.20

2351.27

85758.38

288978.50

S7P3-C-2-4

101.50

61.60

12.51

1.50

0.20

2332.17

47226.53

164657.10

S7P5-C-3-1

134.50

61.70

12.35

1.70

0.20

2396.44

62155.20

290475.50

S7P5-C-3-2

147.50

61.70

12.39

1.57

0.20

2312.58

51586.13

204476.60

S7P6-C-4

169.50

61.70

12.48

1.71

0.20

2352.72

61971.40

267875.40

S7P8-C-5

199.50

61.60

12.46

1.78

0.20

2371.42

67333.72

212011.20

S7P9-C-6

220.50

61.50

12.46

1.93

0.20

2327.54

78172.91

113819.90

Tabla 6.13.-Parámetros considerados para la determinación del módulo de elasticidad dinámico del sondeo 7.

La evolución de los conglomerantes hidráulicos en presas: El caso del Sand-Cement

Análisis de Resultados

97

Figura 6.20.-Comportamiento del módulo dinámico vs. el módulo estático del sondeo 7

Discusión En general se puede observar para los tres casos, que el módulo dinámico no tiene una tendencia significativa a la variación en profundidad; y que además, su comportamiento se apega mucho al del módulo estático, salvo en algunos casos, en donde debido a valores individuales no se corresponden con la media de la serie, se puede identificar algún tipo de distorsión. Este hecho puede ser explicado por la dispersión propia del hormigón de esa época, donde al tener una mayor contenido de árido, con un módulo mayor que el del hormigón; por consecuencia, el resultado de módulo obtenido en la pieza es mayor. (Vilardell et al., 1997). De los resultados presentados, se puede observar, que el caso mas desfavorable nuevamente le corresponde al sondeo 7, presentando valores inferiores que para el caso del sondeo 2 y 4. Este hecho puede ser explicado, por un lado, por la presencia de coqueras en la superficie de las muestras, y por otro lado la presencia de aureolas de color verdoso que se encontraron durante la inspección visual en la zona de interfaz árido-pasta. (Figura 6.21). Cualquiera de estas posibilidades, puede provocar un descenso en la velocidad de propagación de la onda; que da como consecuencia la obtención de valores menores de módulo de elasticidad dinámico. Basados en esta suposición , por lo tanto, ya no es tanto el valor de la formula, si no la formula no funciona muy bien para este tipo de hormigones.

Pedro Javier Cabrera Vélez

98

Capítulo 6

Figura 6.21.-Observación de zonas verdosas en el sondeo 7. Pieza S7P3-C-2-1

Sin embargo, en general, llama la atención el hecho de que los resultados obtenidos para el módulo dinámico son menores a los obtenidos para el caso del módulo estático, en contra de lo que se debería considerar razonable; es decir, un 20% mayor para el caso de hormigones de baja resistencia. (Sena; Pazini, 2003) Este hecho puede atribuirse, por un lado, a un error en el equipamiento, y por otro lado, a un error en la consideración de los parámetros usados en la expresión, ó, en la adecuación de la formulación para aplicarlo en un hormigón de presas. Respecto de los parámetros de medida, en conversación con lo técnicos del Laboratorio de Tecnología de Estructuras “Luis Agulló” de la Escuela de Caminos, Canales y Puertos de la Universidad Politécnica de Cataluña, se pudo comprobar, con posterioridad al periodo en el que se utilizó el equipo, que existía una avería en la máquina relacionada con uno de los palpadores y el cable con el que se conecta éste al equipo. Sin embargo, en base al análisis acerca del comportamiento del módulo dinámico frente al módulo estático, por tal como se presentan los valores, parecería ser un que el error inducido en los resultados es sistemático. Dado que las piezas que se utilizaron para este ensayo, con posterioridad, fueron usadas para el ensayo de resistencia a compresión y módulo de elasticidad estático, no se pudo realizar una verificación, que al menos nos indique, la variación frente a los resultados. Sin embargo, además de éste hecho evidente; con relación a la formulación utilizada para el cálculo del módulo dinámico, se debe puntualizar lo siguiente:

La evolución de los conglomerantes hidráulicos en presas: El caso del Sand-Cement

Análisis de Resultados

99

1. Los ensayos no destructivos son una herramienta útil para determinar la calidad del hormigón, que se basa en expresiones aproximadas. La fiabilidad de los resultados se ve influenciada por varios parámetros como el tipo y dosificación del cemento, el tamaño del árido, la temperatura del hormigón, la edad del hormigón y el contenido de humedad. 2. El módulo dinámico ha sido determinado a través de un método indirecto que depende de la aplicación de una formulación aproximada en el que se incluyen varios parámetros como: la velocidad de onda, la densidad y el coeficiente de Poisson; y por lo tanto, se puede inducir algún tipo de distorsión en función de los valores adoptados para cada parámetro, los mismos que no necesariamente pueden corresponder para un hormigón de presas. 3. No se ha podido obtener ningún registro en el mundo en donde se haya aplicado el método de ultrasonido para la determinación del módulo dinámico en un Sand-Cement utilizado para presas. Por lo tanto, puede suceder también, que la fórmula es la que no se apega correctamente a las condiciones reales de este tipo de conglomerante, y por tanto, sea necesaria el uso de coeficientes adicionales. 4. En ningún caso los ensayos no destructivos reemplazan a los ensayos destructivos, ya que como se ha explicado, los primeros corresponden a una determinación indirecta basada en formulaciones, mientras que los ensayos destructivos son una determinación física directa. Respecto a esta suposición, se realizó un ejercicio, para determinar la influencia de éstos parámetros frente a los resultados de módulo de elasticidad dinámico obtenido. El resultado de este ejercicio nos indicó que existe un cambio muy pequeño en los resultados al variar la densidad, o el coeficiente de Poisson. Por lo tanto, se asume que el error en los resultados, es atribuible en mayor parte a la avería existente en la máquina. 6.4.3. Densidad y porosidad Generalidades Este ensayo se realizó conforme con la metodología indicada en el numeral 5.3.4 del capitulo quinto. Para la realización del ensayo, se tomaron todas las muestras restantes, luego de la selección de muestras para los ensayos de resistencia a compresión, módulo de elasticidad dinámico y ultrasonido.

Pedro Javier Cabrera Vélez

100

Capítulo 6

Para analizar los resultados, se presenta para cada caso, un cuadro resumen con las parámetros obtenidos en cada serie, para posteriormente reflejar estos resultados en una gráfica, con la cual, se ha determinado el comportamiento de cada una de las características frente a la profundidad. En el apartado de discusión, en primer lugar, se analizara el comportamiento individual de cada sondeo frente a la profundidad; para finalmente, comparar los resultados obtenidos entre los sondeos. Resultados a. Densidad y porosidad del sondeo 2 En la Tabla 6.14, se presenta los valores obtenidos, producto de la campaña experimental. En las Figuras 6.22 y 6.23, se presenta, en primer lugar, el comportamiento en profundidad de la densidad real y la densidad aparente; para finalmente, reflejar este mismo comportamiento pero para el caso de la porosidad. Muestra

Prof media

P sum (g)

P sss

P seco

Densidad Aparente 3 (Kg/m )

Densidad Real 3 (Kg/m )

Porosidad (%)

S2P1-A-1-I

2

172.8

294.6

275.4

2261.1

2684.2

15.76%

S2P1-A-1-D

19.5

189

324.7

302.3

2227.7

2668.1

16.51%

S2P3-A-3-I

59.25

332.2

566.9

532.4

2268.4

2659.3

14.70%

S2P4

96

452.6

771.5

723.6

2269.0

2670.1

15.02%

S2P8-A-5-I

132

158.3

268.2

251.3

2286.6

2702.2

15.38%

S2P8-A-5-D

150

265.8

455.2

425.6

2247.1

2663.3

15.63%

S2P10

172.75

399.6

675.3

635.7

2305.8

2692.5

14.36%

S2P11-A-7-I

180.5

263.2

446.5

418.8

2284.8

2691.5

15.11%

S2P12-A-8-I

202.75

179

303.1

284.6

2293.3

2695.1

14.91%

S2P15

276.5

316.9

530.7

504

2357.3

2693.7

12.49%

S2P16-A-11-I

284

321.1

553.8

512.5

2202.4

2677.6

17.75%

Tabla 6.14.-Resultados obtenidos para la densidad y porosidad del sondeo 2.

La evolución de los conglomerantes hidráulicos en presas: El caso del Sand-Cement

Análisis de Resultados

101

Figura 6.22.-Densidad real y aparente vs. la profundidad. Sondeo 2.

Figura 6.23.- Porosidad vs. la profundidad. Sondeo 2

b. Densidad y Porosidad del sondeo 4 En la Tabla 6.15, se presenta los valores obtenidos, producto de la campaña experimental. En las Figuras 6.24 y 6.25, se presenta, en primer lugar, el comportamiento en profundidad de la densidad real y la densidad aparente; para finalmente, reflejar este mismo comportamiento pero para el caso de la porosidad.

Pedro Javier Cabrera Vélez

102

Capítulo 6

Muestra

Prof media

P sum (g)

P sss

P seco

Densidad Aparente 3 (Kg/m )

Densidad Real 3 (Kg/m )

Porosidad (%)

S4P1-B-1-D

26.5

324.5

547.4

513.9

2305.5

2713.3

15.03%

S4P2

33.5

249

423.9

398.5

2278.4

2665.6

14.52%

S4P3-B-2-D

54.75

173.2

296.5

274.8

2228.7

2704.7

17.60%

S4P4-B-3-D

78

337.7

586

539.9

2174.4

2670.1

18.57%

S4P7

118.5

332.2

560.6

526

2303.0

2714.1

15.15%

S4P8-B-6-I

126.75

360

620.3

575

2209.0

2674.4

17.40%

S4P9

151.25

373.7

637.5

595.6

2257.8

2684.1

15.88%

Tabla 6.15.-Resultados obtenidos para la densidad y porosidad del sondeo 4.

Figura 6.24.- Densidad real y aparente vs. la profundidad. Sondeo 4.

Figura 6.25.- Porosidad vs. la profundidad. Sondeo 4.

La evolución de los conglomerantes hidráulicos en presas: El caso del Sand-Cement

Análisis de Resultados

103

c. Densidad y Porosidad del sondeo 7 En la Tabla 6.16, se presenta los valores obtenidos, producto de la campaña experimental. Cabe señalar, que las filas que se encuentran resaltadas, corresponden a las piezas que no pudieron ser ubicadas claramente en el sondeo. En las Figuras 6.26 y 6.27, se presenta, en primer lugar, el comportamiento en profundidad de la densidad real y la densidad aparente; para finalmente, reflejar este mismo comportamiento pero para el caso de la porosidad. Muestra

Prof media P sum (g)

P sss

P seco

Densidad Aparente 3 (Kg/m )

Densidad Real 3 (Kg/m )

Porosidad (%)

S7P1

7

591.4

993.6

934.3

2323.0

2724.7

14.74%

S7P2-C-1-D

48.5

306.7

522.9

487.4

2254.4

2697.3

16.42%

S7P4

115.5

671.1

1134.6

1069.3

2307.0

2685.3

14.09%

S7P5-C-3-I

125

283.5

472.2

447.5

2371.5

2728.7

13.09%

S7P5-C-3-D

157.75

328

552

522.6

2333.0

2685.5

13.13%

S7P7

183.25

527.7

893.6

837.2

2288.1

2705.0

15.41%

S7P8-C-5-I

191.25

153.6

259.3

242.7

2296.1

2723.9

15.70%

S7P8-C-5-D

208.25

189.1

318.6

299.1

2309.7

2719.1

15.06%

S7P9-C-6-I

212.25

138.7

236.9

220.5

2245.4

2695.6

16.70%

S7P9-C-6-D

228.5

131.7

222.4

209.7

2312.0

2688.5

14.00%

S7P10

235.75

464.5

795.1

744.9

2253.2

2656.6

15.18%

S7P11

249.5

624.2

1062.8

993

2264.0

2692.5

15.91%

S7P12

263.5

453.8

781.9

724.9

2209.4

2673.9

17.37%

S7P13

273.25

202.5

344

322.3

2277.7

2690.3

15.34%

Tabla 6.16.-Resultados obtenidos para la densidad y porosidad del sondeo 7.

Figura 6.26.- Densidad real y aparente vs. la profundidad. Sondeo 7.

Pedro Javier Cabrera Vélez

104

Capítulo 6

Figura 6.27.- Porosidad vs. la profundidad. Sondeo 7.

Discusión a. Sondeo 2: Respecto del sondeo 2, correspondiente al cemento portland con una densidad real teórica 2500 Kg/m3, se puede observar que existe una ligera tendencia al ascenso, tanto, de la densidad real, cuanto, de la densidad aparente; sin embargo, al ser una variación pequeña se puede considerar un comportamiento uniforme en profundidad. Por otro lado, si comparamos la densidad real teórica y la densidad real obtenida mediante esta campaña experimental, se puede concluir, que cumple con los criterios del diseño, siendo incluso, un tanto superior. En el caso de la porosidad, el comportamiento se corresponde con lo indicado en las Figuras 6.11, referentes a la resistencia a compresión, observándose que al existir un ligero descenso en profundidad, este efecto se ve reflejado en un aumento, aunque pequeño, en la resistencia a compresión. Finalmente, se puede observar en la Tabla 6.17, que la desviación estándar, indica una variabilidad de la dispersión, relativamente baja, respecto de los resultados obtenidos para los sondeos 4 y 7 que corresponden a SandCement. Min

Max

Medio

Desviación Estándar

2659.3

2702.2

2681.6

14.6

Densidad Aparente (Kg/m )

2202.4

2357.3

2273.1

39.1

Porosidad (%)

12.49%

17.75%

15.24%

1.25%

Propiedad 3

Densidad Real (Kg/m ) 3

Tabla 6.17.-Resumen de resultados del ensayo de densidad y porosidad del sondeo 2.

La evolución de los conglomerantes hidráulicos en presas: El caso del Sand-Cement

Análisis de Resultados

105

b. Sondeo 4 Respecto del sondeo 4, correspondiente al Sand-Cement, con una densidad real teórica de 2449 Kg/m3, se puede observar, por un lado, que la densidad real, se mantiene en general uniforme; mientras que, para el caso de la densidad aparente existe una variación representativa aproximadamente a los 100 cm de profundidad. Sin embargo, al comparar la densidad real teórica con la densidad real obtenida en esta campaña experimental, se observa un valor superior al criterio de diseño. En el caso de la porosidad, el comportamiento corresponde con lo indicado en las Figuras 6.13, referentes a la resistencia a compresión, observándose que al existir un descenso, aunque ligero, en el comportamiento en profundidad de la porosidad, éste, se ve reflejado en un aumento en la resistencia mecánica. Finalmente, se puede observar en la Tabla 6.18, que la desviación estándar, indica una variabilidad relativamente baja, pero superior a la obtenida en el caso del cemento portland. Min

Max

Medio

Desviación Estándar

2665.6

2714.1

2689.5

20.9

Densidad Aparente (Kg/m )

2174.4

2305.5

2251.0

49.3

Porosidad (%)

14.52%

18.57%

16.31%

1.54%

Propiedad 3

Densidad Real (Kg/m ) 3

Tabla 6.18.-Resumen de resultados del ensayo de densidad y porosidad del sondeo 4.

c. Sondeo 7 Respecto del sondeo 7, correspondiente al Sand-Cement, con una densidad real teórica de 2449 Kg/m3, se puede observar, un claro descenso, tanto, de la densidad aparente, cuanto, de la densidad real. Sin embargo cabe indicar, que durante la fase previa a los ensayos, las piezas que conforman al parte final del sondeo, es decir, a partir de los 212 cm de profundidad, fueron ordenadas en función del orden con el que llegaron a laboratorio, no pudiéndose determinar con claridad su ubicación en el sondeo. Al comparar los valores de densidad real teórica, con la densidad real obtenida durante esta campaña experimenta, se puede observar que aunque existe una disminución, supera al criterio utilizado durante el diseño del hormigón. En el caso de la porosidad, el comportamiento corresponde con lo indicado en las Figuras 6.15, referentes a la resistencia a compresión, al igual que en los sondeos anteriores, se puede observar una congruencia entre las

Pedro Javier Cabrera Vélez

106

Capítulo 6

graficas hasta una profundidad de aproximadamente 200 cm, a la que corresponde la ultima muestra de la serie ensayada a compresión. Se puede observar en la Tabla 6.19, que en general la variabilidad de las características de este sondeo, es muy similar a la obtenida para el caso del sondeo 4, pero mayor que la del sondeo 2. Min

Max

Medio

Desviación Estándar

2656.6

2728.7

2697.6

20.8

Densidad Aparente (Kg/m )

2209.4

2371.5

2288.9

41.8

Porosidad (%)

13.09%

17.37%

15.15%

1.27%

Propiedad 3

Densidad Real (Kg/m ) 3

Tabla 6.19.-Resumen de resultados del ensayo de densidad y porosidad del sondeo 7.

6.4.4. Difracción de rayos X Generalidades Este ensayo se realizó conforme con la metodología indicada en el numeral 5.3.5 del capitulo quinto. Para la realización del ensayo, se tomaron 2 muestras de pasta de cemento visualmente sano por sondeo, de los cuales, el primero se encuentra ubicado en las proximidades de la superficie, y el segundo, hacia el final del sondeo. Resultados En las Figuras 6.28 al 6.33, se presenta las gráficas de los compuestos mineralógicos predominantes en los siguientes testigos: •

Sondeo nº 2: S2P2-A-2-I, S2P16-A-11-D,

•

Sondeo nº 4: S4P3-B-2-I, S4P12-B-8-I,

•

Sondeo nº 7: S7P2-C-1-I y S7P14

La evolución de los conglomerantes hidráulicos en presas: El caso del Sand-Cement

Análisis de Resultados

107

Componentes predominantes - Dolomita - Calcita - Brucita - Cuarzo

Figura 6.28.- Gráfico DRX de compuestos mineralógicos principales de la pieza S2P2-A-2-I

Componentes predominantes - Dolomita - Calcita - Brucita - Cuarzo

Figura 6.29.- Gráfico DRX de compuestos mineralógicos principales de la pieza S2P16-A11-D

Pedro Javier Cabrera Vélez

108

Capítulo 6

a. Sondeo 4 Componentes predominantes - Dolomita - Calcita - Cuarzo - Brucita

Figura 6.30.- Gráfico DRX de compuestos mineralógicos principales de la pieza S4P3-B-2-I

Componentes predominantes - Dolomita - Calcita - Brucita - Cuarzo

Figura 6.31.- Gráfico DRX de compuestos mineralógicos principales de la pieza S4P12-B-8-I

La evolución de los conglomerantes hidráulicos en presas: El caso del Sand-Cement

Análisis de Resultados

109

b. Sondeo 7 Componentes predominantes - Dolomita - Calcita - Cuarzo

Figura 6.32.- Gráfico DRX de compuestos mineralógicos principales de la pieza S7P2-C-1-I

Componentes predominantes - Dolomita - Calcita - Cuarzo - Brucita

Figura 6.33.- Gráfico DRX de compuestos mineralógicos principales de la pieza S7P14

Pedro Javier Cabrera Vélez

110

Capítulo 6

Discusión De los resultados obtenidos, hay que destacar que en la pasta de cemento se encuentran presentes principalmente: Dolomita, Calcita, Brucita y Cuarzo. Este hecho sugiere la existencia de un proceso de desdolomitazión, producido por la reacción álcali-carbonato. De ser esto cierto, esta reacción nos indica la presencia de un proceso de expansión y una consecuente fisuración. (García, 2004).A continuación en la expresión [6.1], se indica el proceso: !"#$ !!! Dolomita

!

+ !" !"

!

= 2  !"!!! + !" !" Calcita

Portlandita

!

[6.1]

Brucita

Para el caso del sondeo 2, correspondiente a Cemento Portland, se puede observar que el orden de concentración con el que se encuentran presentes estos componentes es igual. Por lo tanto, a la vista de estos resultados se puede concluir que a lo largo del sondeo se esta presentando esta reacción. En el sondeo 7, se puede ver que existe una diferencia en cuanto a la presencia de los componentes químicos. Al inicio del sondeo se ve la ausencia de brucita, lo que nos indica que existe un proceso de regeneración del ionálcali. Esta reacción se explica en la expresión [6.2]: !"! !!! + !" !" Portlandita

!

= 2  !"#$ + !"!!!

[6.2]

Calcita

En cuanto a las características mecánicas del hormigón, se puede asumir, que el proceso de desdolomitización reduce las características mecánicas del hormigón. Para explicar este hecho, se toma como ejemplo el sondeo 7, donde la brucita se presenta únicamente al final del sondeo. Analizando el proceso de degradación de la reacción álcali-carbonato, se puede encontrar una correspondencia de este efecto, con el descenso de la resistencia a compresión en función de la profundidad del sondeo 7.

La evolución de los conglomerantes hidráulicos en presas: El caso del Sand-Cement

Conclusiones

111

7.

CAPÍTULO 7: CONCLUSIONES

7.1.

INTRODUCCIÓN

Esta tesina se ha desarrollado con la finalidad de caracterizar el hormigón utilizado en la Presa de Camarasa y evaluar su comportamiento en función de la profundidad y su composición. El objetivo del capitulo, es presentar las conclusiones finales que se desprenden del presente estudio, basadas en la información histórica experimental registrada acerca del hormigón de la presa y de la campaña experimental actual, en el marco de la cual se ha desarrollado la presente tesina. Este capítulo ha sido agrupado en tres apartados: el primero que corresponde a las conclusiones de carácter general y en segundo lugar se exponen las de carácter específico. Además, se deja constancia de cuales podrían ser las futuras líneas de investigación, con la finalidad de profundizar en el conocimiento del estado global de la presa.

Pedro Javier Cabrera Vélez

112

Capítulo 7

7.2.

CONCLUSIONES GENERALES

1. En relación a la planificación experimental, se puede considerar como válida para obtener una visión general de las propiedades de los hormigones utilizados en la Presa de Camarasa. Sin embargo, se deja en evidencia, que al ser un estudio basado en 3 sondeos, no es posible extrapolar los resultados hacia toda la estructura. 2. A partir de la inspección visual, se puede concluir, que el estado físico de los tres sondeos es variable, presentando zonas que con una mayor concentración de áridos que otras, coqueras, el desprendimiento de pasta y fisuras en interfaz árido-pasta. 3. Se puede observar, que las propiedades del hormigón fabricado con cemento portland presentan un comportamiento mas uniforme que las obtenidas para el Sand-Cement, en función de la profundidad. 4. Durante la fase de análisis de resultados, se pudo observar una marcada dispersión de los datos en el caso de ciertas propiedades. Para aclarar este hecho se analizó la influencia del tamaño de los áridos, cortando en sentido longitudinal las piezas utilizadas en los ensayos de resistencia a compresión, módulo de elasticidad y ultrasonido. El proceso mencionado y la aplicación del Test de Dixon, permitieron descartar valores que afectaban a la línea de tendencia. 7.2.1. CONCLUSIONES ESPECÍFICAS 1. Al analizar los datos históricos de la Presa de Camarasa se encontró que, la aplicación de procesos experimentales distintos, la escasa información sobre la localización de los sondeos, la falta de diferenciación entre la composición del hormigón, entre otras; impiden realizar una evaluación objetiva de la variación de sus propiedades en el transcurso de la vida útil de la estructura. En consecuencia, cualquier comparación directa de la información histórica con los resultados que se desprendan de esta campaña experimental no serían válidos. 2. Si aceptamos como válida, la suposición de que los datos de densidad real obtenidos en el año (1917-1918) incluyen un error relacionado con la utilización en la expresión de cálculo de la masa en aire y no de la masa seca, se puede inferir que datos serían algo mayores a los consignados en el informe de referencia. Por otro lado, si estos nuevos resultados, los comparamos con los obtenidos en los años 1996 y 2006,

La evolución de los conglomerantes hidráulicos en presas: El caso del Sand-Cement

Conclusiones

113

podemos concluir que no existe un proceso de perdida de peso en el hormigón de la presa. 3. En base a las Tablas 6.8 a la 6.10 se puede concluir que, la resistencia a compresión y el módulo de elasticidad estático del hormigón fabricado en base al cemento portland, son mayores que los obtenidos en los sondeos 4 y 7, que corresponden al Sand-Cement. Este hecho puede atribuirse a la mayor cantidad de clinker. 4. En base a la Figura 6.15, se observa un claro descenso de la resistencia a compresión en función de la profundidad del sondeo 7. Este hecho, puede ser atribuido a la perdida de sección de las piezas debido al desprendimiento de la pasta de cemento. 5. Se observa en las Figura 6.13 y 6.25, una marcada variación de la resistencia a compresión y la porosidad en el sondeo 4, que se le podría atribuir a una distribución variable del tamaño de los áridos. 6. En base a las Tablas 6.17 a la 6.19, se puede observar que los valores medios de densidad real y aparente presentan una ligera variación entre los tres sondeos, con un resultado promedio general de 2690 Kg/m3 y 2271 Kg/m3 respectivamente. 7. Además, si comparamos el promedio general de la densidad real obtenida en esta campaña experimental, con la densidad real teórica del proyecto de 2.500 Kg/m3, se observa que, no existe una disminución de esta propiedad durante la vida útil de la presa; con lo cual, se puede concluir que no existe una perdida de peso del hormigón usado en la presa. 8. El valor medio de la porosidad, presenta una ligera variación entre los tres sondeos, pudiéndose establecer un valor promedio general de 15.56 %. 9. Independientemente de la avería existente en la máquina utilizada para el ensayo de ultrasonido, no existe evidencia de la compatibilidad de la expresión [5.2], para la determinación del módulo de elasticidad dinámico en hormigones de presas y en particular de los fabricados en base al Sand-cement. 10. Los resultados de Difracción de Rayos X (DRX), ponen en evidencia la presencia de la reacción álcali-carbonato en el hormigón. Sin embargo, el estudio de los mecanismos de deterioro, se encuentra fuera del alcance de este trabajo.

Pedro Javier Cabrera Vélez

114

Capítulo 7

7.3.

LINEAS FUTURAS DE INVESTIGACIÓN

Con el objetivo de ampliar el conocimiento acerca del estado actual de la presa de Camarasa, se propone lo siguiente: 1. Caracterizar el hormigón de otras zonas de la presa y comparar con los resultados obtenidos. 2. Profundizar el estudio de la zona de donde se extrajo el sondeo 7, para tratar de dilucidar cuales son las causas que han producido el desprendimiento de la pasta de cemento. 3. Estudiar la validez, y de ser el caso, la adecuación de la expresión [5.2] para su aplicación en hormigones de presas, y en particular para los fabricados con Sand-Cement. 4. Estudiar la posible reacción álcali-carbonato, y la influencia de este mecanismo sobre las propiedades del hormigón. 5. Ampliar la campaña experimental para estudiar el nivel de fisuración y el porcentaje de coqueras en el hormigón de la presa.

La evolución de los conglomerantes hidráulicos en presas: El caso del Sand-Cement

Bibliografía

115

8.

CAPÍTULO 8: BIBLIOGRAFÍA

9. AENOR. (enero de 2006). Determinación de la velocidad de los impulsos ultrasónicos. Ensayos de hormigón en estructuras UNE-EN-12504-4 . AENOR. (abril de 1996). Determinación del módulo de elasticidad en compresión. UNE-EN-83316 Ensayos de Hormigón . AENOR. (septiembre de 2009). Determinación de la resistencia a compresión de probetas. Ensayos de hormigón endurecido . AENOR. (octubre de 2009). Densidad del hormigón endurecido. UNE-EN12390-7 Ensayos de hormigón endurecido . AENOR. (marzo de 2007). Determinación de la densidad real y aparente y de la porosidad abierta y total. UNE-EN-1936 Métodos de ensayo para piedra naural . Billings, A. (1920). El empleo del hormigón en las grandes presas. Revista de Obras Públicas (230). Briones, F. (1946). El Pantano del Tranco de Beas. Revista de Obras Públicas (2773), 211-219.

Pedro Javier Cabrera Vélez

116

Capítulo 8

Calavera, J. (2005). Patologia de Estructuras de Hormigón Armado y Pretensado (Vol. I). Coghlan, R. (1913). Blended or Sand-Cements; Results of the Study and Experience of the U.S. Reclamation Service. Engineering News , 69 (25), 12701273. Diez-Cascon Sagrado, J., & Bueno Hernandez, F. Ingeniería de Presas. Presas de Fábrica (Vol. 1). Santander: Servicio de Publicciones de la Universidad de Cantabria. Dolen, T. P. (2002). Historical Development of Durable Concrete for the Bureau of Reclamation. Bureau of Reclamation . Endesa. (1996). C-04-12-00001. Informe ensayos de hormigón. Endesa. (1955). C-04-12-00006. Ensayos de Hormigón. Endesa. (1997). C-04-12-00002. Valoración del hormigón. García Meseguer, Á., Morán Cabré, F., & Arroyo Portero, J. C. (2009). Jiménez Montoya Hormigón Armado. Barcelona: Gustavo Gili. García Vílchez, E. (2004). Estabilitat de la dolomia en el medi de la pasta portland: aplicació a la fabricació de formigons amb àrids dolomítics. Gómez Laa, G. (1985). Los Hormigones de Presas - La evolución hacia el Roll Concrete. Gómez Laa, G. (1984). Rolled Concrete For Dams - Hormigón continuo sin retracción. Hoffman, Carl J. (1954) Dams And Control Works - Arrowrock Dam Intemac. (1996). C-04-21-00007. Ensayos Hormigon. Marínez i Roig, J. M. (1995). Instalación de la Confluencia - Construcción de la Presa de Camarasa. (S. Fuerzas Eléctricas de Cataluña, Ed.) Col.lecció Tècnico-Històrica de FECSA Soria, F. (1972). Estudio de Materiales IV Conglomerantes Hidráulicos. Sena Rodrigues, G., & Pazini Figueiredo, E. (2003). Modulo de elasticidad estático del hormigón determinado por medio de pruebas de ultrasonido. Materiales de Construcción , 53. Smoak, W. (April de 1997). Guide to Concrete Repair. Bureau of Reclamarion Technical Service Center . Solana, J. (1916). Sand-Cement. Revista de Obras Públicas (2109), 85-88. Storey, B. (2008). Reclamation Managing Water in the West - The Bureau of Reclamation: History Essays From the Centennial Symposium (Vol. I).

La evolución de los conglomerantes hidráulicos en presas: El caso del Sand-Cement

Bibliografía

117

Terratest Técnicas Especiales. (2001). C-04-22-00002. Informe fin de obra drenaje y pasarela. Vilardell i Carbonell, J. (1996). Estudio relativo a la evaluación experimental del módulo de deformación en hormigón. Villardell i Carbonell, J., Aguado, A., Agullo, L., & Gettu, R. (1998). Estimation of the modulus of elasticity for dam concrete. Cement and Concrete Research , 28 (1), 93-101. Yagüe Córdova, J., & de Cea Azañedo, J. C. (2008). Evolucion de la presas en España. Revista de Obras Públicas (3493), 73-88.

Pedro Javier Cabrera Vélez