UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID.
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS DE CAMINOS,
CANALES Y PUERTOS.
ESTUDIO SOBRE LA APLICABILIDAD DE LOS MODELOS DE
CÁLCULO DE LA FLUENCIA Y RETRACCIÓN AL HORMIGÓN
AUTOCOMPACTABLE
TESIS DOCTORAL.
Galit Agranati Landsberger Ingeniero Civil
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL - CONSTRUCCIÓN
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS DE
CAMINOS, CANALES Y PUERTOS
ESTUDIO SOBRE LA APLICABILIDAD DE LOS MODELOS DE
CÁLCULO DE LA FLUENCIA Y RETRACCIÓN AL HORMIGÓN
AUTOCOMPACTABLE
TESIS DOCTORAL
Autora: Dª. Galit Agranati Landsberger Ingeniero Civil
Director:Prof. D. Jaime. Fernández Gómez Dr. Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos
CÁLCULO DE LA FLUENCIA Y RETRACCIÓN AL HORMIGÓN
AUTOCOMPACTABLE.
Autora:
Galit Agranati Landsberger.
Director de Tesis:
Jaime Fernández Gómez.
Tribunal nombrado por el Mgfco. Y Excmo. Sr. Rector de la Universidad Politécnica de Madrid, el día de de 2008.
PRESIDENTE:
VOCAL:
VOCAL:
VOCAL:
VOCAL SECTRETARIO:
Acuerda otorgarle la calificación de,
Quiero agradecer a una serie de personas que me han ayudado en este trabajo.
- A D. Jaime Fernández Gómez por su dedicación, paciencia, sus consejos y sus asesorías.
- A Dña Concepción García y todo el equipo de la biblioteca por su apoyo en la búsqueda bibliográfica.
- A D. Juan Carlos López Agüi por ayudarme con el análisis estadístico y por prestarme numerosos libros sobre este tema.
- A toda mi familia.
Galit Agranati Landsberger. Madrid, 2008.
RESUMEN.
El hormigón autocompactable, HAC, aunque se fabrica con los mismos componentes que el hormigón convencional vibrado, posee una clara diferencia en la composición final de la mezcla. En comparación con el hormigón convencional, el HAC tiene un alto volumen de adiciones, mayor volumen de pasta, mayor contenido de superplastificantes, y el tamaño máximo del árido es menor. Estas modificaciones en la composición de la mezcla también influyen sobre las características relacionadas con las deformaciones del hormigón. Generalmente, se considera que hormigones con mayor contenido de pasta manifiestan mayores deformaciones por fluencia y retracción.
Esta investigación consiste en la búsqueda y creación de una base de datos sobre la retracción y fluencia en HAC y hormigón convencional vibrado (HC) de la misma naturaleza, con el fin de evaluar la aplicabilidad de los modelos actuales al HAC. Los modelos utilizados que provienen de normativas son los ACI 209, CEB-FIP 90, EHE y el Eurocódigo EC-2. También se utilizan los modelos B3 de Bazant y el GL2000 de Lockman y Gardner.
El desarrollo de esta investigación requiere presentar varios aspectos relacionados con el tema tratado:
‐ Descripción general del HAC, sus componentes y algunas características del hormigón endurecido.
‐ Descripción de los fenómenos de la retracción y fluencia, los factores que influyen sobre ellos, e investigaciones realizadas por diferentes autores sobre este tema en relación con el HAC.
La primera parte de la investigación consiste en el análisis de los actuales modelos de estimación con especial énfasis sobre los parámetros necesarios en el cálculo, y un estudio sobre la base de datos, que incluye la dosificación de las mezclas, sus
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propiedades mecánicas en el estado fresco. La base de datos de retracción recoge los resultados de 25 referencias, con un total de 123 ensayos, de los cuales 93 son HAC y 30 de HC. La base de datos de fluencia incluye 11 referencias con un total de 46 ensayos, de los cuales 35 son de HAC y 11 de HC.
Los resultados de la investigación incluyen los valores calculados de la retracción y fluencia de las mezclas de HAC y HC de la base de datos. En el cálculo de las deformaciones se utilizan los parámetros específicos de cada mezcla y las condiciones de ensayo indicadas en la referencia correspondiente.
El análisis de los resultados se hace por separado para la retracción y la fluencia, y consiste en comparar los valores estimados de retracción y fluencia con los resultados experimentales utilizando varios métodos estadísticos, con el fin de evaluar si los modelos actuales son adecuados para estimar las deformaciones del HAC.
Como conclusiones se determina que no existe la necesidad de modificar los modelos actuales de cálculo de la fluencia y retracción para su aplicación al HAC, pero hay que tener en cuenta que la precisión de dichos modelos en estimar la retracción, y especialmente la fluencia, es bastante limitada.
En el caso de la retracción, los modelos ACI 209, B3, y EC-2 estiman mejor la retracción que los modelos CEB-FIP 90, GL2000, y EHE. En el caso de la fluencia, los modelos EHE, GL2000, B3 y CEB-FIP 90 son los que mejor estiman la fluencia, mientras que el ACI 209 y el EC-2 son los menos precisos.
-x-
SUMMARY.
Self-compacting concrete, SCC, is composed of the same components as conventional vibrated concrete, however, there is a clear difference in the final composition of the mixture. In comparison with conventional concrete, SCC contains a high volume of additions, the paste volume is larger, the superplasticizers content is high, and the maximum diameter of the gravel is smaller. These modifications in the composition of the mixture affect the behavior of the concrete in its hardened state, including the shrinkage and creep deformations. It is of general acceptance that concrete with a higher paste volume undergoes larger creep and shrinkage deformations.
One of the main objectives of this study is to create an extensive database of SCC and CC shrinkage and creep results which will permit a broader statistical analysis of the results in order to study the behavior of SCC and evaluate the overall applicability of the actual estimating models to SCC. The following predictions models are used to calculate the strains: CEB-FIP 1990, EHE, ACI 209, B3, GL2000 and EC-2.
As part of the investigation, various aspects related to the shrinkage and creep of concrete are presented. These include:
‐ General description of SCC, its components, and characteristics in the hardened state.
‐ An overview of shrinkage and creep, description of the factors affecting these phenomena, and of various published investigations related to shrinkage and creep of SCC.
The first part of this work includes analysis of the different estimating models, with a special emphasis on the parameters involved, and an analysis of different aspects related to the database. The shrinkage database includes results from 25 references,
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with a total of 123 experiments, 93 of which are SCC and 30 CC. The creep database includes results from 11 references with a total of 46 experiments, 35 of which are SCC and 11 CC. Various aspects related to the composition of the mixtures, the hardened characteristics of the concrete, and its fresh state properties are compared and presented.
The results of the study consist of the calculated values for the shrinkage and creep strains of the SCC and CC mixtures included in the database. The specific characterization parameters for each concrete mixture are used to calculate the shrinkage strains applying the different estimation models.
The result analysis is done separately for shrinkage and creep, and includes the application of various statistical methods which to compare the estimated values with the experimental results. The applicability of these models for estimating the deformations of SCC is evaluated.
From the results obtained it can be concluded that there is no need to modify the actual shrinkage and creep models for their application to SCC. However, in should be considered that the precision of these models in estimated the shrinkage strains, and, especially the creep strains, is rather limited.
In the case of shrinkage, the ACI 209, B3, and EC-2, estimate the strains better than the CEB-FIP 90, GL2000, and EHE models. For creep, the EHE, GL2000, B3 and CEB-FIP 90 estimate the strain better than the ACI209 and EC-2 models.
ÍNDICE
Página No.
1
INTRODUCCIÓN. 1
1.1 Introduccion. 1
1.2 Objetivos. 3
2
ESTADO DEL ARTE.
5
2.1. Hormigon autocompactable. 5
2.1.1. Desarrollo del HAC. 5
2.1.2. Normativas y recomendaciones actuales. 9
2.1.3. Componentes. 10
2.1.3.1. Cemento. 12
2.1.3.2. Áridos. 12
2.1.3.3. Adiciones. 14
2.1.3.4. Aditivos. 16
2.1.3.5. Pasta. 19
2.1.4. Propiedades en fresco. 19
2.1.5. Ensayos del hormigon en el estado fresco. 25
2.1.6. Características del hormigón endurecido. 27
2.1.6.1. Microestructura. 28
2.1.6.2. Resistencia a compresión. 32
2.1.6.3. Resistencia a tracción. 34
2.1.6.4. Durabilidad. 35
2.2. Deformaciones del hormigón. 38
2.2.1. Deformación elástica y el módulo de elasticidad. 39
2.2.2. Retracción. 47
2.2.2.1. Retracción plástica. 48
2.2.2.2. Retracción autógena. 49
2.2.2.3. Retracción de secado. 50
2.2.2.4. Factores que influyen sobre la retracción. 53
2.2.2.4.1. Factores relacionados con la dosificación de la mezcla. 53
2.2.2.4.2. Factores ambientales. 58
2.2.2.4.3. Factores relacionados con el método de ejecución. 59
2.2.2.5. Retracción en HAC. 60
2.2.3. Fluencia. 71
2.2.3.1. Parámetros utilizados para caracterizar la fluencia. 74
2.2.3.2. Mecanismos de la fluencia. 76
2.2.3.3. Factores que influyen sobre la fluencia. 81
2.2.3.3.1. Factores relacionados con la dosificación de la mezcla. 81
2.2.3.3.2. Factores ambientales. 85
2.2.3.3.3. Factores relacionados con el método de ejecución. 87
2.2.3.4. Fluencia en HAC. 90
3
MODELOS DE ESTIMACIÓN DE LA
RETRACCIÓN Y FLUENCIA.
95
3.1 Criterios para caracterizar la retracción y la fluencia en los
modelos de cálculo. 95
3.2 Descripción de los modelos de cálculo. 98
3.2.1 EHE 98
3.2.1.1 Modelo de cálculo de la retracción. 99
3.2.1.2 Curvas típicas para la retracción. 102
3.2.1.3 Modelo de cálculo de la fluencia. 106
3.2.1.4 Curvas típicas para la fluencia . 108
3.2.1.5 Módulo de elasticidad. 113
3.2.2 CEB-FIP 1990 114
3.2.2.1 Modelo de cálculo de la retracción. 115
3.2.2.2 Curvas típicas para la retracción. 118
3.2.2.3 Modelo de cálculo de la fluencia. 120
3.2.2.4 Curvas típicas para la fluencia. 122
3.2.2.5 Módulo de elasticidad. 125
3.2.3 ACI 209R-92. 127
3.2.3.1 Modelo de cálculo de la retracción. 128
3.2.3.2 Desarrollo de la retracción con la edad del hormigón. 134
3.2.3.3 Modelo de cálculo de la fluencia. 135
3.2.3.4 Desarrollo de la fluencia con la edad del hormigón. 140 3.2.3.5 Influencia de los factores correctores sobre la retracción y la
fluencia. 141
3.2.4 Modelo B3. 147
3.2.4.1 Modelo de cálculo de la retracción. 149
3.2.4.2 Curvas típicas para la retracción. 151
3.2.4.3 Modelo de cálculo de la fluencia. 157
3.2.4.4 Curvas típicas para la fluencia. 160
3.2.4.5 Módulo de elasticidad. 168
3.2.3 GL2000. 169
3.2.3.1 Modelo de cálculo de la retracción. 169
3.2.3.2 Curvas típicas de la retracción. 171
3.2.3.3 Modelo de cálculo de la fluencia. 174
3.2.3.4 Curvas típicas de la fluencia. 176
3.2.3.5 Módulo de elasticidad. 178
3.2.4 EC-2. 180
3.2.4.1 Modelo de cálculo de la retracción. 180
3.2.4.2 Curvas típicas para la retracción. 184
3.2.4.3 Modelo de cálculo de la fluencia. 188
3.2.4.4 Curvas típicas para la fluencia. 190
3.2.4.5 Módulo de elasticidad. 193
3.2.5 Limitaciones y requisitos de los modelos de cálculo. 194
4
BASE DE DATOS.
199
4.1 Criterios para selección de datos. 200
4.2 Investigaciones incluidas en el estudio de la retracción. 201
4.3 Investigaciones incluidas en el estudio de la fluencia. 203
4.4 Base de datos para el estudio de la composición y
características de las mezclas. 204
4.5 Dosificación de las mezclas. 205
4.5.1 Contenido y tipos de cementos. 206
4.5.2 Contenido de agua. 210
4.5.3 Contenido y tipos de adiciones. 212
4.5.4 Contenido de áridos. 216
4.5.5 Contenido de pasta. 218
4.5.6 Relación agua/cemento. 221
4.5.7 Relación agua/finos. 223
4.5.8 Contenido de aditivos. 226
4.6 Caracteristicas en fresco. 226
4.6.1 Consistencia del HC. 227
4.6.2 Características en fresco del HAC. 229
4.7 Resistencia a compresión. 231
4.7.1 Relación entre resistencia y relación agua/cemento. 235 4.7.2 Relación entre resistencia y relación agua/finos. 237
4.8 Módulo de elasticidad. 240
5
ANALISIS DE LA RETRACCION.
245
5.1 Retracción medida de las mezclas del HAC y HC. 246
5.2 Retracción calculada de las mezclas de HAC y HC utilizando
los seis modelos de estimación. 248
5.3 Duración de los ensayos de retracción. 260
5.4 Análisis de los modelos de cálculo de la retracción. 264
5.4.1 Comparación entre los valores calculados y experimentales 264
5.4.2 Estimación lineal. 270
5.4.3 Análisis de los residuos de la retracción. 275 5.4.3.1 Desarrollo de los residuos de la retracción para cada modelo de
cálculo. 276 5.4.3.2 Datos estadísticos generales sobre los residuos de la retracción. 280
5.4.3.3 Distribución de los residuos entre el rango positivo y negativo. 284 5.4.3.4 Relación entre retracción medida y residuales. 287
5.4.3.5 Histogramas de los residuos de la retracción. 292 5.4.4 Raíz cuadrada de la suma al cuadrado de los residuos, √ΣR2. 297
5.4.5 Porcentaje de error. 299 5.4.6 Coeficiente de variación (ωb3) del método B3. 306
5.5 Resumen de la aplicabilidad de los modelos de cálculo de la
retracción. 309
5.6 Influencia de la resistencia a compresión sobre la
retracción medida y calculada. 313
6
ANALISIS DE LA FLUENCIA.
321
6.1 Parámetros utilizados para describir la fluencia. 321
6.2 Fluencia medida de las mezclas de HAC y HC. 325
6.3 Fluencia calculada de las mezclas de HAC y HC utilizando los
seis modelos de estimación. 328
6.4 Duración de los ensayos de fluencia. 341
6.5 Análisis de los modelos de cálculo de la fluencia. 345
6.5.1 Comparación entre los valores calculados y experimentales de
la fluencia. 345
6.5.2 Estimación lineal. 350
6.5.3 Análisis de los residuos de la fluencia específica. 355 6.5.3.1 Desarrollo de los residuos de la fluencia para cada modelo de
cálculo. 355 6.5.3.2 Datos estadísticos generales sobre los residuos de la fluencia
específica. 360 6.5.3.3 Distribución de los residuos entre el rango positivo y negativo. 365
6.5.3.4 Relación entre fluencia medida y residuales. 368 6.5.3.5 Histogramas de los residuos de la fluencia especifica. 373 6.5.4 Raíz cuadrada de la suma al cuadrado de los residuos de la
fluencia especifica. 378
6.5.5 Porcentaje de error. 380
6.5.6 Coeficiente de variación (ωb3) del método B3. 388
6.6 Resumen de aplicabilidad de los modelos de cálculo de la
fluencia. 391
7 CONCLUSIONES
.
399
7.1 Conclusiones relacionadas con la base de datos. 399
7.2 Conclusiones sobre los modelos de estimación
utilizados: ACI 209, CEB-FIP 90, EHE, B3, GL2000, y EC-2. 401 7.3 Conclusiones relacionadas con el análisis de la retracción. 403 7.4 Conclusiones relacionadas con el análisis de la fluencia. 406
7.5 General. 409
FUTURAS LINEAS DE INVESTIGACION.
411
BIBLIOGRAFÍA. 413
Anejo 1 Dosificación y caracterísitcas de las mezlclas. 427
Tabla A1.1 Dosificación de mezclas. 428
Tabla A1.2 Características de las mezclas. 432
Tabla A1.3 Contenido de adiciones. 436
Tabla A1.4 Contenido de pasta de las mezclas de HAC y HC. 440
Tabla A1.5 Asiento de las mezclas de HC. 444
Tabla A1.6 Ensayos en fresco sobre HAC. 445
Tabla A1.7 Resistencia a compresión de las mezclas. 448
Tabla A1.8 Relación entre la resistencia a compresión, fc28, y las
relaciones agua/cemento, agua/finos, cemento/agua,
y finos/agua de las mezclas. 452
Tabla A1.9 Módulo de elasticidad, E28, de las mezclas. 456
Anejo 2 Regresión lineal , coeficiente de simetría , curtosis,
coeficiente de variación ωB3. 461
A2.1 Regresión lineal. 462
A2.2 Coeficiente de simetría y curtosis. 463
A2.3 Coeficiente de variación, ωb3. 464
Anejo 3 Datos de retracción. 467
Tabla A3.1 Retracción medida y duración de los ensayos de retracción
para las mezclas del HAC y HC. 468
Tabla A3.2 Resumen de la retracción medida y las calculadas según
los seis modelos de estimación para el HAC y HC. 472
estimación. 476
Tabla A3.4 Distribución de la retracción medida y las calculadas
por los diferentes modelos. 480
Tabla A3.5 Distribución de los residuos de la retracción calculada por
los modelos. 484
Tabla A3.6 Suma de los residuos cuadrados de la retracción, ΣR2, del
HAC y HC, y los modelos de estimación. 487
Tabla A3.7 Porcentaje de error del HAC y HC para los modelos de estimación. 491
Anejo 4 Datos de fluencia. 495
Tabla A4.1 Datos de la fluencia medida de las mezclas del HAC y HC
en los parámetros iníciales. 496
Tabla A4.2 Fluencia especifica medida de las mezclas del HAC y HC, duración de los ensayos, resistencia a compresión, modulo
de elasticidad, y tensión aplicada. 498
Tabla A4.3 Fluencia especifica medida y calculada según los seis
modelos de estimación para las mezclas del HAC y HC. 500
Tabla A4.4 Distribución de la fluencia especifica medida y las calculadas
para las mezclas del HAC y HC. 503
Tabla A4.5 Residuos de la fluencia especifica calculada por los
seis modelos de estimación. 507
Tabla A4.6 Distribución de los residuos de la fluencia especifica
calculada. 510
Tabla A4.7 Suma de los residuos cuadrados de la fluencia especifica,
ΣR2, para el HAC y HC y los seis modelos de estimación. 513
Tabla A4.8 Porcentaje de error de la fluencia especifica, SC, calculada por los modelos de estimación en relación con la fluencia
medida para las mezclas del HAC y HC. 516
CAPITULO 1 INTRODUCCIÓN
1.1
IntroducciónEl hormigón autocompactable es un hormigón muy fluido que se vierte sin necesidad de vibrar, y que en su estado endurecido cumple con todos los requisitos del hormigón convencional (Okamura, 2000).
El hormigón autocompactable (HAC) es una nueva y emergente tecnología en la industria del hormigón. Este hormigón se caracteriza por su alto grado de trabajabilidad y su capacidad de fluir a través de elementos estructurales congestionados con armadura simplemente por la acción de por su propio peso, rellenando todos los espacios de forma adecuada sin segregarse y sin necesidad de compactación externa. En términos reológicos, el HAC se diferencia del hormigón convencional vibrado, HC, por su bajo límite elástico y viscosidad moderada, lo que le permite alcanzar fluidez alta y mantener su homogeneidad.
El HAC contiene básicamente los mismos componentes que el HC (cemento, áridos, arena, adiciones, agua, y aditivos), pero existe una clara diferencia en la composición final de la mezcla. En comparación con el HC, la mezcla de HAC tiene un alto volumen de adiciones, tales como caliza o cenizas volantes, mayor contenido de superplastificantes, y el tamaño máximo del árido grueso es menor. En general, la composición final del HAC implica mayor contenido de pasta y menor contenido de grava.
Estas modificaciones en la composición de la mezcla influyen sobre el comportamiento del hormigón en su estado endurecido, y específicamente, sobre la retracción y la fluencia. Se acepta habitualmente que la retracción depende primordialmente de las características de la pasta y el contenido de árido. Generalmente se considera que un hormigón con mayor contenido de pasta y menor contenido de árido manifiesta mayor deformación por retracción y fluencia.
Aunque el HAC es un hormigón que se caracteriza por su alta deformabilidad y resistencia a segregarse en estado fresco, también tiene que garantizar sus propiedades endurecidas, como la resistencia, durabilidad y deformaciones.
En los últimos años se han publicado varios estudios sobre la retracción y fluencia del HAC, y las conclusiones de éstos son variadas. Según Klug y Holschemacher (2003), Heirman (2003), Xie, et al. (2005) Chan, et al. (2004) la retracción en HAC es mayor que en HC. Otros autores como Poppe y De Schutter (2001), Bouzoubaa (2001), Vieira y Bettencourt (2003), Assie, et al. (2003) y Pons, et al.
(2003) concluyen que la retracción del HAC y HC son equivalentes. En relación con la fluencia, Vieira y Bettencourt (2003), Assie et al. (2003), y Leeman y
Hoffmann (2005), indican que la fluencia del HAC es mayor que la del HC,
mientras que Proust y Pons (2001), Chopin, et al. (2003), Poppe y De Schutter
(2001), y Persson (2004) concluyen que la fluencia del HAC y HC son equivalentes.
Hay que tener en cuenta que estas diferencias, aparte del comportamiento diferente de estos hormigones, también pueden ser debidas a que cada estudio utiliza distintas mezclas y que las condiciones y métodos de ensayos varían.
Estimar la retracción y la fluencia de forma realista es un aspecto importante en la evaluación de estructuras de hormigón para garantizar su durabilidad y condiciones de servicio a largo plazo. Existen varios modelos empíricos de cálculo para estimar la retracción y la fluencia del hormigón. Estos modelos varían en su complejidad, precisión y en los parámetros necesarios para el cálculo. Teniendo en cuenta que estos modelos han sido desarrollados y calibrados mediante ensayos relativamente antiguos, y todos de HC, es importante evaluar la aplicabilidad de estos modelos al HAC.
Los modelos más comunes son los recogidos en los diferentes códigos y normativas, pero también existen otros modelos desarrollados para el cálculo de la retracción y la fluencia. Todos estos varían en complejidad y en precisión de cálculo. Los modelos
utilizados en este trabajo que provienen de normativas son los ACI 209, CEB-FIP 90, EHE y el Eurocódigo EC-2. También se utilizan los modelos B3 de Bazant
(Bazant, 1995) y el GL2000 de Gardner y Lockman (Gardner y Lockman, 2001).
Para una evaluación de los modelos de cálculo de estos fenómenos, no es suficiente basarse en los resultados de investigaciones individuales, y hace falta utilizar una base de datos más extensa que incluya una variedad de hormigones y diferentes condiciones de ensayo. La creación de una base de datos extensa es una herramienta imprescindible para la evaluación de los actuales modelos de estimación y para posibles modificaciones de estos. También el tratamiento estadístico permite juzgar la aplicabilidad de estos modelos a la luz de posibles intervalos de confianza para el valor estudiado.
1.2
ObjetivosLa retracción y la fluencia son características importantes en la evaluación a largo plazo del hormigón. Para implementar y extender el uso del HAC de forma adecuada es importante comprobar cómo los actuales modelos de cálculo estiman las deformaciones. El objetivo principal de esta investigación es evaluar la aplicabilidad de los modelos de cálculo actuales de la retracción y fluencia al HAC.
El desarrollo de este trabajo requiere el análisis de los siguientes temas relacionados con la investigación:
‐ Búsqueda y creación de una base de datos sobre retracción y fluencia en HAC y HC. La base de datos, aparte de resultados experimentales, incluye información sobre la dosificación de las mezclas, sus propiedades en fresco según los distintos ensayos, resistencia a compresión, y las condiciones de ensayo. También se evaluarán estadísticamente las diferencias de estos parámetros entre el HAC y HC.
‐ Análisis de los seis modelos de estimación que se van a utilizar en la investigación: ACI 209-92, CEB-FIP 90, EHE, Eurocódigo EC-2, B3, y
- 4 -
GL2000. Estos modelos varían en complejidad, precisión de cálculo, y en el número de parámetros necesarios en el cálculo. Este análisis se hará con especial énfasis sobre los parámetros necesarios en el cálculo y su relación con el HAC.
Los resultados de la investigación incluyen los valores calculados de la retracción y fluencia de las mezclas de HAC y HC de la base de datos. En el cálculo de las deformaciones se utilizan los parámetros específicos de cada mezcla y las condiciones de ensayo indicadas en la referencia correspondiente.
El análisis de los resultados consiste primero en una evaluación de los valores experimentales para conocer la tendencia general de las deformaciones y observar si hay diferencias notables entre el comportamiento de HAC y HC. La segunda parte del análisis consiste en un estudio sobre la precisión del los seis modelos de cálculo aplicando varios métodos estadísticos para comparar los valores medidos con los calculados.
CAPITULO 2 ESTADO DEL ARTE
En este capítulo se analizan algunos temas generales que tienen importancia en la evaluación de la retracción y fluencia en el HAC. Primero se describen las características del HAC, sus componentes, características en fresco y en el estado endurecido. Luego se presenta algún concepto relacionado con la retracción y fluencia. Esto incluye una descripción de estos fenómenos, así como a los factores que influyen sobre ellos. También se incluyen las conclusiones de varias investigaciones sobre la retracción y fluencia en HAC, y las recomendaciones de las diferentes guías de uso.
2.1. HORMIGÓN AUTOCOMPACTABLE
2.1.1. Desarrollo del HAC
El desarrollo del HAC es uno de los avances más importantes en la tecnología del hormigón durante las últimas décadas. Debido a sus propiedades en fresco, el HAC contribuye a mejorar la calidad del hormigón y al entorno de trabajo. El HAC fue desarrollado en Japón a finales de los años 80 por el Profesor Okamura (Okamura, 2000), de la Universidad de Tokio, para mejorar la productividad y la calidad del hormigón. Durante varios años, el descenso de mano de obra cualificada empezaba a tener sus repercusiones en la calidad del hormigón por falta de compactación adecuada. Hacía falta un hormigón de cuya calidad no dependiera tanto la mano de obra que lo ejecutaba. En respuesta a este problema, el Profesor Okamura y su equipo establecieron los conceptos básicos de este nuevo tipo de hormigón. Desde entonces, las investigaciones sobre el HAC se han extendido a otros países, como Francia, EE.UU., Suecia, Dinamarca, y España. Durante los últimos años la utilización del HAC en obras y en la industria de la prefabricación ha crecido de forma importante.
Las ventajas del HAC son:
• Compactación adecuada del hormigón sin necesidad de vibración. Esta característica es especialmente importante en casos donde la armadura es muy densa y es difícil vibrar el hormigón utilizando medios mecánicos.
• Calidad superior en acabado del hormigón. La superficie es más uniforme, con menos coqueras y bolsas de aire. Esta característica es especialmente importante en prefabricados y estructuras de hormigón visto.
• Facilita el rellenar zonas de difícil acceso en los moldes. Esta característica permite crear elementos estructurales y arquitectónicos con formas y acabados que no son posibles con hormigón convencional.
• Elimina el ruido causado por la vibración. Este aspecto es importante en el caso de construcciones en zonas urbanas y en plantas de prefabricados de hormigón.
• Alarga la vida de los moldes. Esto es importante en el caso de moldes para elementos prefabricados, donde el desgaste de los moldes por vibración es mayor.
• Acorta el tiempo de construcción.
Aunque la producción del HAC es aún relativamente baja en comparación con la del hormigón convencional su utilización se está extendiendo especialmente a obras civiles con necesidades especiales y a plantas de prefabricados de hormigón. Las primeras estructuras donde se utilizó el HAC están en Japón. La obra más destacada es el anclaje del puente colgante Akashi-Kaikyo, que tiene 1991 m de luz. En esta obra se utilizaron 250.000 m3 del HAC en cada bloque de anclaje con un rendimiento de 1.900 m3 de hormigón al día, lo que permitió reducir el tiempo de construcción de 30 semanas a 24 semanas. Otra de las primeras obras donde se utilizo HAC es el tanque para gas natural licuado de Osaka Gas Company, también en Japón. En esta obra se redujo el tiempo de construcción de 22 a 18 meses. (Billberg, 1999).
En España se utilizó el HAC en el Puente de la Ronda de la Hispanidad sobre el rió Ebro de Zaragoza (Puerta, 2003). Este puente es un puente de arco mixto de 304 m de luz. En esta obra se utilizó HAC en el tablero y en el arco mixto, fundamentalmente por la imposibilidad de compactar el hormigón.
El creciente interés científico y técnico sobre el HAC también se refleja en los congresos y simposios internaciones organizados. Entre ellos, podemos citar:
• El Primer Simposio Internacional organizado por RILEM sobre HAC, celebrado en Estocolmo en 1999 (Skarendahl y Petersson, 2000).
• La Primera Conferencia Norteamericana Sobre el Diseño y Aplicación de Hormigón Autocompactable, celebrada en Chicago, 2002 (Shah, Daczko y Lingscheit, 2002).
• El Segundo Simposio Internacional organizado por RILEM sobre HAC, celebrado en Tokyo, Japon, 2001 (Ozawa y Ouchi, 2001).
• El Tercer Simposio Internacional organizado por RILEM celebrado en Islandia , 2003 (Wallevik, Nielsson, 2003).
• El Primer Simposio International sobre diseño, prestaciones y uso de hormigón autocompactable, China, 2005 (Yu, Shi, Khayat, Xie, 2005).
• La Segunda Conferencia Norteamericana Sobre HAC celebrada en Noviembre de 2002 en Chicago (Shah, 2005).
• El Quinto Simposio Internacional organizado por RILEM sobre HAC celebrado en Gante, Belgica (De Schutter y Boel, 2007).
En Noviembre de 2008 está previsto el Tercer Congreso Norteamericano sobre HAC.
En España, el IECA (Instituto Español del cemento y sus Aplicaciones) organizó una Jornada Técnica sobre hormigón Autocompactable en febrero de 2003 y en Febrero de 2008 se ha celebrado en Valencia el primer congreso español sobre HAC (Barragan, 2008).
La compactación del hormigón es un proceso importante para garantizar su resistencia, impermeabilidad y durabilidad. Un hormigón convencional puede tener coqueras del 5-20% en volumen por una compactación deficiente. Este exceso de aire ocluido reduce la calidad del hormigón, disminuyendo su resistencia y durabilidad. Se estima que por cada 2% de aire ocluido la resistencia se reduce un 10% (Delibes, 1993). El proceso de compactación es imprescindible para eliminar el aire atrapado y compactar el esqueleto granular en una configuración más densa. El método más utilizado para compactar el hormigón es por vibración externa, utilizando vibradores de aguja o moldes vibradores. La vibración del hormigón reduce la fricción interna entre las partículas mejorado su docilidad.
En el caso del HAC, la compactación por medios mecánicos no es necesaria para la consolidación del hormigón, debido a que el hormigón es de consistencia fluida y capaz de llenar el encofrado y cubrir la armadura adecuadamente sólo por su propio peso. Esto elimina los problemas que pueden surgir debido a una mala compactación del hormigón.
El HAC del distingue de hormigón convencional principalmente por sus propiedades en estado fresco. En el hormigón convencional la consistencia del hormigón está relacionada directamente con el contenido de agua de la mezcla. La consistencia del hormigón se califica como seca, plástica, blanda o fluida, según los asientos correspondientes, utilizando el ensayo de cono de Abrams. El valor de asiento varía entre 0-2 cm para hormigones secos y entre 10-15 cm para hormigones de consistencia fluida (EHE 30.6). En el caso del HAC, el ensayo del cono de Abrams no es aplicable como tal porque el hormigón es demasiado fluido. En este caso se utiliza el cono de Abrams para evaluar el flujo libre horizontal del hormigón, también llamado escurrimiento. El escurrimiento del HAC varía entre 650mm y 800mm, según la guía EFNARC, (EFNARC, 2002), o 550 – 850mm, según el Anejo 21 del borrador de la EHE (2007).
2.1.2. Normativas y recomendaciones actuales
Actualmente no hay normativa específica para el HAC, aunque en los últimos años varios organismos han publicado recomendaciones de uso. Es de destacar que el último borrador de la revisión del la EHE incluye un anejo sobre el HAC, y el informe ACI 237R-07 del ACI sobre HAC. Entre estas están las siguientes guías:
• EHE – Propuesta de modificación de la instrucción EHE – Anejo 21 Hormigón autocompactante (EHE, 2007).
• ACI 237R-07 – Informe del ACI sobre hormigón autocompactable (ACI, 2007).
• Guía Interina para el uso del HAC en hormigón prefabricado/pretensado. Publicado por PCI (Instituto Americano de hormigón prefabricado), ( PCI, 2003).
• AFGC – Hormigón Autocompactable Recomendaciones Provisionales Publicado por la Asociación Francesa de Ingenieros Civiles (AFGC, 2002). • Especificaciones y Directrices para Hormigón Autocompactable - Publicado
por EFNARC (Federación Europea dedicada a sistemas específicos de hormigón y productos químicos especializados para la construcción). Esta guía incluye una lista completa de los ensayos más utilizados para caracterizar al HAC (EFNARC, 2002).
• Hormigón Autocompactable – Informe de Estado del Arte del comité técnico de RILEM 174-SCC (Skarendahl y Petersson, 2000).
• SCC – Task 9: Guidelines- End product. Brite EuRam Contract No. BRPR-CT96-0366 . Este trabajo consiste en un estudio completo sobre HAC que está dividido en 9 trabajos separados sobre los distintos aspectos del HAC. El volumen nº9 es el resultado final de estas investigaciones e incluye una guía de uso para HAC (Sonebi, et al., 2000).
• Hormigón Autocompactable – La Experiencia Sueca. Publicado por el Instituto de investigación del cemento y hormigón Sueco, CBI (Billberg, 1999).
Es importante mencionar que el HAC tiene que cumplir con las normativas vigentes aplicables a hormigón convencional. Estas directrices indicadas arriba sirven solo como guías complementarias.
2.1.3.
ComponentesEl HAC posee básicamente los mismos componentes que el HC (cemento, áridos, arena, adiciones, agua, y aditivos), pero existe una clara diferencia en la composición final de la mezcla. En términos de dosificación, el HAC se basa en los siguientes conceptos:
1. limitar el contenido de áridos.
2. Alto contenido de material fino (cemento y adiciones). 3. utilización de superplastificantes.
En la figura 2.1 se puede ver la relación entre estos tres parámetros.
Limitar contenido de árido grueso
Reducir relación agua/finos
Alta fluidez Alta resistencia
a la segregación
Autocompactabilidad Superplastificantes
Figura 2.1 Método General de dosificación del HAC (Skarendahl y Petersson, 2000).
Aunque la dosificación de las mezclas del HAC pueden ser muy variadas dependiendo de las características de los componentes empleados, los criterios del hormigón en el estado fresco (trabajabilidad, viscosidad, estabilidad) y endurecido (resistencia, durabilidad u otros criterios específicos), se puede definir unos límites generales de estos valores. La siguiente lista incluye valores tipos de la dosificación de los componentes en mezclas del HAC (Skarendahl y Petersson , 2000):
• El volumen de árido grueso ocupa el 30-34% del volumen del hormigón. En el caso del HC, este valor es entre 40-45%.
• La relación agua/finos, en volumen, varía entre 0,8-1,2. • El contenido de agua es entre 155-175 l/m3.
• El volumen de pasta es entre 34-40% del volumen de hormigón. • El árido fino es entre 40-50% del volumen del mortero.
• Estas proporciones en términos de peso son: Árido grueso 750-920 kg/m3. Árido fino 710-900 kg/m3.
Finos 450-600 kg/m3.
Agua 150-200 kg/m3.
En la Figura 2.2 se puede ver una comparación entre la dosificación del HAC y HC.
Figura 2.2 Comparación entre la dosificación del HAC y HC (Okamura y Ouchi , 2003).
En los siguientes apartados se describen los componentes del hormigón en relación con el HAC. La influencia de estos componentes sobre la retracción y fluencia está incluida más adelante, en el Apartado 2.2.
2.1.3.1. Cemento
En la mezcla del HAC se pueden utilizar todos los cementos comunes, aúnque lo más habitual es utilizar cemento Pórtland tipo CEM I. Este cemento posee al menos el 95% de clinker, mientras los otros tipos de cementos contienen mayor cantidad de adiciones. En relación con la composición química del cemento, se recomienda utilizar cementos con bajo contenido de C3A. Cantidades superiores al 10% pueden
afectar de forma negativa la trabajabilidad del hormigón (EFNARC, 2002).
El contenido de cemento en mezclas del HAC varía entre 350-450 Kg/m3. Una cantidad superior a 500 kg/m3 puede aumentar la retracción por excesivo calor de hidratación. Se permite menos de 350 kg/m3 de cemento sólo si se añade otro tipo de adición puzolánica, como la ceniza volante o humo de sílice (EFNARC, 2002).
La EHE incluye algunas restricciones sobre la utilización de cementos. Permite la utilización de los cementos comunes para estructuras de hormigón armado y sólo los cementos tipo CEM I y CEM II/A-D para estructuras de hormigón pretensado (EHE articulo 26º). Según el artículo 37.3.2, el contenido de cemento no puede ser inferior a 200kg/m3 en hormigón en masa, 250 kg/m3 en hormigón armado y 275kg/m3 en hormigón pretensado. El contenido máximo de cemento es de 400 kg/m3 (EHE articulo 68º).
2.1.3.2. Áridos
Los áridos son el componente de mayor volumen en el hormigón. Se clasifica a los áridos según su tamaño como árido grueso o fino. El árido grueso son las partículas
mayores de 4,75mm y el árido fino son las partículas menores de 4,75mm y mayores de 0,125mm. En hormigón convencional, el volumen de áridos es aproximadamente el 70% del volumen de la mezcla, en comparación con HAC donde el volumen de áridos es menor y varía entre 57% - 67% (AFGC, 2002).
En HAC se limita el contenido y el tamaño del árido grueso para disminuir el riesgo de bloqueo y mejorar la deformabilidad del hormigón. El tamaño máximo del árido grueso depende de varios factores que son particulares a cada caso, como las dimensiones del elemento, el espacio libre entre las armaduras, elementos embebidos, condiciones de trabajo, o el acabado deseado. Normalmente se limita el tamaño máximo del árido grueso a valores entre 10 - 20mm (EFNARC, 2002).
En HAC el contenido de árido fino o arena es aproximadamente el 40% del volumen del mortero. En HAC, la relación arena/grava es aproximadamente 1,0 , en comparación con 0,5-0,7 del HC (AFGC, 2002).
Se puede utilizar árido grueso machacado o rodado en las mezclas del HAC pero hay que tener en cuenta que el árido de machaqueo incrementa la fricción entre las partículas, por lo cual en estas mezclas el volumen de pasta o la cantidad de superfluidificante tendrá que ser mayor para conseguir una fluidez equivalente a la de las mezclas con árido rodado.
Las mezclas del HAC son más sensibles a la variación de agua que las mezclas de hormigón convencional, por lo cual es importante tener en cuenta el nivel de humedad del árido en el cálculo total de agua de la mezcla. La utilización de agentes modificadores de la viscosidad es muy efectiva para compensar las variaciones de humedad en el árido (EFNARC, 2002).
2.1.3.3. Adiciones
Una de las características más destacadas de la mezclas del HAC es su alto contenido de material fino. El material fino incluye todas las partículas de diámetro inferior a 150 μm, e incluye al cemento y las adiciones. En las mezclas del HAC se aumenta el contenido de finos para mejorar la viscosidad y la trabajabilidad del hormigón. El contenido de material fino no puede consistir sólo en cemento, porque esto conllevaría un excesivo calor de hidratación, y por eso se añaden las adiciones. Según la EHE,” las adiciones son materiales inorgánicos, puzolánicos o con hidraulicidad latente que, fínamente divididas, pueden ser añadidas al hormigón con el fin de mejorar alguna de sus propiedades o conferirle características especiales”.
El contenido total de finos en el HAC varía entre 450- 600 kg/m3. Esto incluye entre 350-450 kg/m3 de cemento y 150-400 kg/m3 de adiciones. Normalmente se determina el contenido de cemento en función de los requisitos de resistencia y durabilidad, y a esto se añade la cantidad necesaria de adiciones en función de los criterios de autocompactabilidad (Ambroise, 2002).
Se pueden dividir las adiciones en dos grupos. El primer grupo incluye las adiciones como la puzolana natural, humo de sílice, cenizas volante y la escoria siderúrgica, que son materiales inorgánicos con propiedades puzolánicas. La reacción puzolánica de estos materiales se debe a la sílice reactiva de la adición que reacciona con el hidróxido de calcio (portlandita) producida por la hidratación del cemento, formando hidratos de silicato de calcio (tobermorita) adicionales. La formación de tobermorita adicional reduce la porosidad de la pasta y aumenta la resistencia del hormigón (Mehta, 1993) .
La ceniza volante es una de las adiciones puzolánicas más utilizadas en mezclas de HAC. Este material es un subproducto de las centrales termoeléctricas. La ceniza volante consiste en partículas esféricas de tamaño entre 1μm y 100 μm y una superficie especifica entre 250 y 600 m2/kg, según el método Blaine (el tamaño de las partículas de cemento Pórtland está entre 10 y 60 μm y su superficie específica
alrededor de 350 m2/kg) (Neville, 1995). La ceniza volante no es un material con propiedades definidas, sino que su composición química y tamaño varía mucho entre cenizas de distintas procedencias y hasta entre material de la misma planta. Mezclas con las mismas dosificaciones y con diferentes tipos de ceniza pueden tener distintas propiedades. La ventaja de utilizar ceniza volante es la mejora en las propiedades reológicas de la mezcla del HAC y permite sustituir parte del cemento. (Bouzoubaa y Lachemi, 2001).
La norma EHE limita el contenido de ceniza volante en la mezcla al 35% del peso de cemento y prohíbe su utilización en hormigón pretensado (Articulo 29.2).
La escoria siderúrgica es un tipo de adición con propiedades hidráulicas latentes. Este material es un subproducto de la industria del acero, y consiste principalmente en silicatos y aluminosilicatos de calcio. Las partículas de la escoria triturada normalmente tienen tamaño inferior a 45μm y su superficie específica es aproximadamente 500m2/kg, según el método Blaine (Mehta, 1993). La escoria también tiene propiedades puzolánicas,pero requiere un activador álcali para iniciar la reacción química con la portlandita. La EHE no permite la utilización de escoria siderúrgica como adición en el hormigón.
El humo de sílice es un material puzolánico altamente reactivo procedente de la industria del metal de silicio y de la aleaciones de ferrosilicio. Este material está compuesto de partículas amorfas esféricas muy pequeñas con diámetro entre 0,003 y 0,1 μm y superficie específica de aproximadamente 20.000 m2/kg , según el método
de absorción de nitrógeno (Neville, 1995). Este material es muy reactivo, pues incluye sílice puro en forma no cristalina y por el pequeño tamaño de sus partículas. Según algunas investigaciones el contenido de humo de sílice puede llegar hasta el 15-22 % del peso del cemento (Rao, 2003), pero la EHE permite utilizar sólo hasta el 10% del peso del cemento.
El segundo grupo de adiciones son las adiciones inertes también llamados fillers. El filler de caliza es el más común entre este grupo. Este tipo de adición no reacciona
químicamente con los otros componentes de la mezcla, pero si mejora la trabajabilidad (Neville, 1995).
Entre las adiciones inertes, el filler de caliza (CaCO3) es el más utilizado en las
mezclas del HAC. Este es un material natural que se tritura finamente hasta llegar a una finura equivalente a la del cemento. La función del filler es principalmente de carácter físico, y su utilización mejora algunas de las propiedades del hormigón, como la trabajabilidad, exudación, tendencia a agrietarse o permeabilidad (Ye, et al., 2005). Según algunos estudios, el filler de caliza sí interviene en los procesos químicos durante la hidratación. Pera (1999) y Poppe y De Schutter (2003) demostraron mediante ensayos midiendo la generación de calor, que la presencia de filler de caliza altera el proceso de hidratación. Billberg (2001) indica que aunque el filler de caliza no reacciona químicamente con los otros componentes, las partículas de caliza funcionan como catalizadores del proceso de hidratación, actuando como centros de nucleación.
2.1.3.4. Aditivos
Los aditivos son productos químicos que se añaden a la mezcla de hormigón para mejorar una o más de sus características. Los aditivos se utilizan para modificar las características del hormigón en estado fresco, endurecido o en ambos. Normalmente la cantidad de aditivos no supera el 5% del peso del cemento (Neville, 1995). Existen numerosos tipos de aditivos, pero en el caso del HAC los más utilizados son los reductores de agua de alto rango y los agentes modificadores de la viscosidad o cohesionantes.
Los reductores de agua de alto rango, también llamados superfluidificantes, son aditivos reductores de agua. Estos aditivos permiten reducir el contenido de agua de la mezcla de tres a cuatro veces más que los reductores de agua convencionales. Una mezcla típica de hormigón convencional sin reductores de agua contiene alrededor
del 20% de agua por volumen. La cantidad de agua necesaria para la hidratación del cemento es aproximadamente el 8% del volumen, lo que significa que el 11% restante del agua en la mezcla no reacciona con el cemento y es necesaria sólo para mejorar la trabajabilidad del hormigón. El volumen de agua libre que no reacciona con el cemento se transforma en poros capilares en el hormigón endurecido. Este aumento en la porosidad del hormigón reduce su resistencia, permeabilidad y durabilidad (Neville, 1995).
Los aditivos superfluidificantes permiten reducir la cantidad de agua necesaria para un nivel dado de trabajabilidad. Hormigones con menor cantidad de agua y relación agua/cemento más baja son menos porosos, tienen mayor resistencia, y mejor durabilidad.
En un hormigón que no contiene fluidificantes las partículas de cemento no se dispersan de forma uniforme, sino que tienden a formar pequeñas “bolas”. Estas mezclas son menos fluidas y en consecuencia, hace falta mayor cantidad de agua para conseguir una trabajabilidad adecuada. La función del superfluidificantes es mejorar la dispersión de las partículas en la mezcla sin necesidad de aumentar el contenido de agua.
Los superfluidificantes más utilizados son los naftalenos , melaminas modificadas y los copolímeros de vinilo, también llamados superfluidificantes de segunda generación (Mehta 1993). También están los superfluidificantes de policarboxilatos que pertenecen a la tercera generación de aditivos (Dominguez, 2003). Dependiendo del tipo de superfluidificantes, el contenido de agua de la mezcla puede estar entre el 10-40% (Izquierdo, 2001). La dosificación típica es entre el 0,6 -2,0% del peso del cemento. Estos aditivos normalmente vienen en forma de líquido y el componente activo está entre el 35-40%, según el fabricante.
Se pueden utilizar los superfluidificantes para aumentar la fluidez de una mezcla de un contendido dado de agua, reducir el contenido de agua en una mezcla donde se mantiene el mismo grado de fluidez, aumentando así la resistencia y durabilidad, o
reducir el contenido de cemento y agua manteniendo la misma relación agua/cemento.
Los avances tecnológicos en el campo de los aditivos han sido imprescindibles para el desarrollo del HAC. Los superfluidificantes son uno de los componentes esenciales para conseguir la trabajabilidad adecuada del HAC. El alto contenido de finos hace que la mezcla sea mucho más viscosa, y sin estos productos la única forma de aumentar la fluidez es aumentar la cantidad de agua, algo no deseado por sus efectos negativos sobre la resistencia, porosidad, y estabilidad del hormigón. Con los superfluidificantes se puede aumentar el contendido de finos y conseguir un alto grado de trabajabilidad.
La EHE limita la cantidad de aditivos en la mezcla de hormigón al 5% del peso del cemento (EHE articulo 29).
Los agentes modificadores de la viscosidad o cohesionantes (VEA) son aditivos químicos relativamente nuevos utilizados para aumentar la viscosidad y la cohesión del material cementante, y para estabilizar la fluidez. Su utilización es común en hormigones o pastas altamente fluidos, como en el caso de estructuras sumergidas, inyecciones de postesado y HAC. Los agentes modificadores de la viscosidad son productos basados en polisacáridos o celulosa, solubles en agua, que mejoran la capacidad de retención de agua de la pasta reduciendo el riesgo de segregación de la mezcla durante su transporte, puesta en obra y consolidación (Gettu, et al., 2001). Otros tipos de VEA contienen almidón o derivados de la industria del almidón (Rols, 1999). Los agentes modificadores de la viscosidad también mejoran la estabilidad dimensional de la mezcla disminuyendo su sensibilidad a pequeñas variaciónes en contenido de agua (Khayat, et al., 2002). Según MacDonald (2002), la utilización de una dosis alta de VEA no afecta a las características endurecidas del HAC.
Normalmente se utilizan agentes modificadores de la viscosidad en conjunto con superfluidificantes, pero hay que tener en cuenta que en algunos casos estos dos tipos adiciones pueden ser incompatibles. Por ejemplo, los agentes modificadores de la
viscosidad de celulosa son incompatibles con superfluidificantes de naftalenos. Es importante comprobar la compatibilidad de los dos tipos de aditivos que se van a utilizar en la mezcla (Khayat, et al., 2002).
2.1.3.5. Pasta
Aunque la pasta de cemento no es un componente individual de la mezcla del HAC, se considera que el hormigón está compuesto por tres fases: pasta de cemento hidratado, el árido, y la zona de transición entre la pasta y el árido (Mehta, 1993).
En el caso del HAC, el aumento en contenido de pasta es una de sus características más destacadas. Para conseguir una alta fluidez y mantener una viscosidad adecuada, el HAC contiene mayor volumen de pasta en comparación con el hormigón vibrado. Si consideramos que los componentes de la pasta son: cemento, adiciones, agua, aire y particular finas de arena, este volumen puede constituir entre el 32-42% en HAC, mientras que en HC este componente casi nunca supera el 34% (Chopin, et al., 2003). En el Anejo 21 del Borrador de la EHE se indica que el volumen de pasta del HAC es mayor que 350 l/m3.
En esta base de datos el contenido medio de pasta es 367 y 318 l/m3 para el HAC y HC, respectivamente.
2.1.4. Propiedades en fresco
La autocompactación es la característica que se refiere a la movilidad del hormigón. El hormigón tiene que fluir y cambiar de forma por su propio peso para rellenar el encofrado y cubrir la armadura de forma adecuada sin necesidad de compactación externa. El hormigón debe tener mayor fluidez y al mismo tiempo un nivel adecuado de viscosidad para mantener su estabilidad y consistencia homogénea durante el transporte, bombeo, y vertido.
La relación entre estas dos características aparentemente opuestas, fluidez y viscosidad, se puede describir en términos relacionados con la reología del hormigón. La reología es la ciencia de la deformación y el flujo de materiales sometidos a tensiones.
El modelo de Bingham es el modelo más utilizado para describir el comportamiento reológico del hormigón. Según este modelo, se considera el hormigón como una suspensión de las partículas de árido en la pasta. El modelo define el flujo del hormigón en términos de la relación entre el límite elástico y la viscosidad.
Según el modelo de Bingham, el flujo del material empieza sólo cuando la tensión de cortante supera la resistencia inicial, también llamada tensión de inicio de flujo. Desde este punto de vista la velocidad de deformación transversal del material aumenta de forma lineal con la tensión aplicada. El factor que más influye sobre el valor del límite elástico es la fricción que se genera entre las partículas sólidas.
Figura 2.3 La curva de flujo del modelo de Bingham para describir el hormigón fresco. (Skarendahl y Petersson, 2000).
En términos reológicas, en el caso del HAC se disminuye la tensión de inicio de flujo, acercándose así al comportamiento de un fluido Newtoniano y se mantiene una viscosidad adecuada.
La expresión que se utiliza para caracterizar el flujo de suspensiones de este tipo es la siguiente:
τ =τ0 +μγ& [2. 1]
Donde:
τ0 Tensión de inicio de flujo (yield stress).
μ Viscosidad plástica. τ Tensión de flujo.
γ& Velocidad de deformación transversal (strain rate).
En la figura 2.4 se puede ver la relación entre la tensión de inicio de flujo ( yield stress) y la viscosidad plástica de varios tipos de hormigones frescos. La tensión de inicio de flujo es la propiedad mecánica asociada con la fluidez. Cuanto más bajo es su valor, más fluido es el hormigón. La viscosidad es la propiedad relacionada con la resistencia a segregarse y la estabilidad del hormigón.
Figura 2.4 Propiedades reológicas de varios tipos de hormigones (Newman y Choo, 2003).
El concepto de trabajabilidad es uno de los términos más utilizados para caracterizar al hormigón en su estado fresco. La trabajabilidad está relacionada con la facilidad con la cual se consigue un hormigón adecuadamente compactado. El HAC es un hormigón con alto nivel de trabajabilidad, porque no requiere trabajo externo para su compactación.
Los factores que más influyen sobre la trabajabilidad del hormigón son el contenido de agua, pasta y aditivos. En la figura 2.5 se puede ver como los distintos componentes de la mezcla intervienen en la reología del hormigón, modificando así la trabajabilidad.
Figura 2.5 Efecto de los componentes del hormigón sobre la reología de la mezcla. (Newman y Choo, 2003).
El HAC tiene que cumplir con los siguientes tres paramentos de trabajabilidad para garantizar su autocompactabilidad (EFNARC 2002):
• Capacidad de relleno. • Resistencia a segregarse. • Capacidad de paso.
La capacidad de relleno es la característica relacionada con la movilidad y fluidez del hormigón. El hormigón tiene que deformarse y moldearse al encofrado únicamente bajo la acción de su propio peso y sin la ayuda de medios mecánicos externos. Para obtener una capacidad de relleno adecuada es necesario reducir la fricción entre las partículas sólidas y mejorar la deformabilidad de la pasta.
La fricción entre las partículas sólidas de la mezcla (árido grueso y fino) reduce la deformabilidad del hormigón. Una forma de reducir la fricción es reducir el contacto entre las partículas, disminuyendo el volumen de áridos, aumentado el volumen de pasta, y optimizando el esqueleto granular con el aumento de finos.
La forma más eficaz para mejorar la deformabilidad de la pasta es utilizar superfluidificantes. Los superfluidificantes reducen la tensión de inicio de flujo del hormigón mejorado su fluidez sin perjudicar la viscosidad. La utilización de agua para mejorar el flujo del hormigón tiene el inconveniente de que también reduce la viscosidad de la mezcla, aumentando el riesgo de segregación.
El segundo requisito de autocompactabilidad es la resistencia a la segregación. La segregación del hormigón ocurre cuando los componentes del hormigón se separan y su distribución no es homogénea. La segregación del hormigón se puede manifestar de varias formas, como exudación, separación del árido grueso, o distribución no uniforme de los poros de aire. El HAC, al ser más fluido, está más propenso a la segregación que el hormigón convencional.
La resistencia a la segregación está relacionada con la viscosidad de la mezcla. El hormigón tiene que tener un nivel adecuado de viscosidad para mantener la composición homogénea de la mezcla. Una mezcla altamente viscosa tampoco es buena, porque reduce demasiado la velocidad de deformación, y el hormigón fluye muy despacio.
Se puede mejorar la resistencia a segregación de la mezcla de varias formas: • Reduciendo el contenido de árido.
• Reduciendo el tamaño máximo del árido grueso. • Reduciendo la relación agua/finos.
• Utilizando aditivos moduladores de la viscosidad (VEA).
El tercer requisito de autocompactabilidad es la capacidad de paso. Esto se refiere a la capacidad del hormigón para atravesar las armaduras u otros objetos que se quiere dejar embebidos en el hormigón. El grado necesario de esta característica depende de la cantidad de armadura, la separación entre barras, y de los otros obstáculos que tiene que atravesar el hormigón.
El bloqueo del hormigón se produce cuando el tamaño máximo del árido es demasiado grande y/o cuando el contenido del árido grueso es demasiado alto. En la figura 2.6 se puede ver cómo funciona el mecanismo de bloqueo.
Figura 2.6 Mecanismo de Bloqueo (Skarendahl y Petersson, 2000)
Una forma de mejorar la capacidad de paso es aumentar la viscosidad de la mezcla reduciendo el riesgo de segregación. Esto se obtiene disminuyendo la relación agua/polvos y/o utilizando aditivos moduladores de la viscosidad. Otra forma de reducir el riesgo de bloqueo es disminuir el tamaño máximo del árido grueso y la cantidad de árido.
En el Anejo 21 del borrador de la EHE se establecen tres categorías de HAC: AC1, AC2, y AC3, cada una de ellas con mayor grado de autocompactabilidad. Se determina la categoría del hormigón en relación a los resultados de los ensayos de escurrimiento y Embudo en V.
2.1.5. Ensayos del hormigón en el estado fresco
En los últimos años se han desarrollado numerosos métodos de ensayos para evaluar las propiedades en fresco del HAC, y en la actualidad están siendo objeto de normalización.
Se utiliza los ensayos de autocompactabilidad para los siguientes fines (Okamura y Ouchi, 2003):
• Ajustar la dosificación de la mezcla en caso que el grado de autocompactación no es suficiente.
• Caracterizar al hormigón fresco.
• Comprobar que el hormigón es autocompactable antes de su utilización.
Estos ensayos evalúan los parámetros relacionados con la autocompactabilidad del hormigón: capacidad de relleno, resistencia a segregarse y habilidad de paso. Aún no se ha desarrollado un único método de ensayo que pueda evaluar todas las propiedades relacionadas con la autocompactabilidad, por lo cual hay que utilizar por lo menos dos tipos de ensayos para poder evaluar las propiedades de autocompactación de una mezcla (EFNARC, 2002).
Los ensayos más comunes y las características que evalúan aparecen en la tabla 2.1.
Tabla 2. 1 Métodos utilizados para evaluar las propiedades en fresco de HAC (EFNARC, 2002).
Método Propiedad
1 Ensayo de flujo Capacidad de relleno
2 Flujo de asentamiento T50 capacidad de relleno
3 Anillo -J Capacidad de paso
4 Embudo en V Capacidad de relleno
5 Embudo en V en T 5 min Resistencia a la segregación
6 Caja en L Capacidad de paso
7 Caja en U Capacidad de paso
8 Caja de relleno Capacidad de paso
9 Ensayo de estabilidad GTM Resistencia a la segregación
10 Orimet Capacidad de relleno
La descripción completa de estos métodos está incluida en la guía de EFNARC (EFNARC, 2002).
La tabla 2.2 incluye valores aceptables para estos ensayos.
Tabla 2. 2 Criterio de aceptación para HAC (EFNARC, 2002).
Valores típicos
Método Uds. Mínimo Máximo
1 Ensayo de flujo. mm 650 800
2 Flujo de asentamiento T50 Seg. 2 5
3 Anillo -J mm 0 10
4 Embudo en V Seg 6 12
5 Embudo en V en T 5 min Seg 0 3
6 Caja en L (h2/h1) 0,8 1
7 Caja en U (h2-h1) mm 0 30
8 Caja de relleno % 90 100
9 Ensayo de estabilidad GTM % 0 15
10 Orimet Seg 0 5
Entre todos estos métodos, el más utilizado es el ensayo de flujo. Como se verá más adelante, en todas las mezclas incluidas en la base de datos de este trabajo se utiliza este método para caracterizar al HAC.
2.1.6. Características del hormigón endurecido
Debido a las diferencias en la dosificación del HAC en comparación con el HC, en los últimos años las propiedades mecánicas de los HAC han sido objeto de numerosas investigaciones y comentarios (la mayoría de éstos están incluidos en los proceedings de las conferencias sobre HAC, y en todas las guías y recomendaciones de uso).
Hay que recordar que cuando se comparan las características del hormigón endurecido, se consideran HAC y HC de resistencias a compresión similares.
En los siguientes apartados se describen algunas de las características más destacadas del hormigón, con especial énfasis sobre el HAC, entre ellas: la microestructura del hormigón endurecido, la resistencia a compresión, la resistencia a tracción, y algunas características relacionadas con la durabilidad. Un análisis más detallado sobre las deformaciones elásticas, la retracción y la fluencia se incluye en el siguiente capítulo.
Es de mencionar que en el Anejo 21 del borrador de la EHE (2007) se indica que todos los ensayos utilizados para evaluar las propiedades mecánicas del HC son también aplicables al HAC.
2.1.6.1. Microestructura
Aunque la microestructura no es exactamente una característica del hormigón, una breve descripción sobre este aspecto es necesaria para explicar los fenómenos de la retracción y la fluencia.
Se considera que la estructura del hormigón endurecido está compuesta por tres fases: la pasta de cemento hidratado (pch) , el árido, y la zona de transición entre la pasta y el árido. La pasta de cemento hidratado contiene una distribución no homogénea de diferentes tipos de sólidos, poros y microgrietas. Se pueden considerar cuatro fases solidas principales en la pch: hidrato de silicato de calcio (C-S-H), también llamado gel de sílice, que representa entre el 50 al 60% del volumen de la pasta, hidróxido de calcio (también llamado portlandita) que constituye el 20-25 % de volumen de pasta, cristales de sulfoaluminato de calcio (también llamado etringita), que ocupan entre el 15-20% de volumen, y los granos de clinker no hidratados. Se pude considerar que la pasta consiste en una continua matriz de C-S-H que rodea grandes cristales de portlandita, y de etringita con forma de agujas, y a granos de cemento no hidratados.
La estructura exacta del gel de sílice aún no es completamente conocida, pero existen varios modelos para explicar su composición y comportamiento. Entre estos modelos
están el modelo de Power y Brunauer, el modelo de Munich, y de el modelo de Feldman-Sereda, que son los de mayor aceptación (Young, 1982). En estos modelos se considera al C-S-H como un xeogel compuesto de finas capas y con superficie especifica alta. El xeogel es un material solido disperso de forma coloidal y con un bajo contenido de agua, que normalmente se forma al secarse.
La resistencia del hormigón es atribuida principalmente a las fuerzas de Van Der Waals entre las capas del gel. Los fenómenos de la retracción y fluencia están relacionados con el movimiento de agua capilar y agua adherida entre las capas de gel, debido al secado o a las tensiones externas aplicadas. (Whittman, 1982).
En la figura 2.7 se puede ver una representación de estos modelos.
Figura 2.7 Representación del C-S-H de varios modelos. (a) Modelo de Power-Brunauer (b) Modelo Feldman-Sereda (c) Modelo Munich (Mindness y Young, 1981).
La fase del árido constituye entre el 70-80% del hormigón y es responsable de la estabilidad dimensional del mismo. En relación con la microestructura del hormigón, su importancia está en su influencia sobre la zona de transición.
La zona de transición es la zona límite entre los áridos y la pasta, y su espesor está entre 10-50 μm. Esta fase es la más débil de las tres fases, por lo cual tiene mayor influencia en el comportamiento mecánico del hormigón (Mehta y Montero, 1993). Las características de las tres fases y la interacción entre ellas son las que determinan las propiedades mecánicas del hormigón.
La porosidad del hormigón es una de las características más importante en relación con la microestructura. Los parámetros que caracterizan la porosidad son el tamaño, la forma y la continuidad de los poros. En el hormigón hay dos tipos de poros: los microporos y los macroporos. Los micoporos son los espacios entra las capas del gel de sílice (C-S-H) y su tamaño varía entre 0,5 nm – 10 nm, según el modelo utilizado. Estos espacios son muy pequeños y no afectan la permeabilidad del hormigón.
Los macroporos, también llamados poros capilares, son los espacios no llenados por los productos de la hidratación. Estos poros son los que determinan el grado de permeabilidad del hormigón y por consiguiente su durabilidad. Se considera que los macroporos tienen un diámetro con tamaño entre 10 nm y 10 µm. Hay que tener en cuenta que el tamaño y distribución de los poros capilares depende del grado de hidratación del hormigón y la relación agua/cemento o agua/material cementante. Cuanta más alta es la relación agua/cemento, la cantidad y el tamaño de los poros aumenta. En hormigones con relación agua/cemento por debajo de 0,45, el sistema capilar de los poros no es continuo y la presión por permeabilidad baja significativamente.
Una de las mayores complicaciones al analizar estos fenómenos es el hecho de que la microestructura de la pasta de cemento sigue cambiando al mismo tiempo que el hormigón se está deformando por fluencia y retracción. Las propiedades de la pasta
siguen cambiando también después que el proceso de hidratación se ha terminado. Estos cambios incluyen aumento en la superficie especifica, cambios en la distribución en el tamaño de los poros y aumento continuo de la rigidez ( Jennings, 2004).
Hay varios aspectos relacionados con la dosificación de HAC que afectan positivamente a la porosidad:
• En general, cuanto más grande es el tamaño del árido, más débil es la zona de transición. En HAC el tamaño del árido grueso es, en general, más pequeño que en hormigón convencional.
• El aumento de material ultrafino y la disminución en el tamaño del árido mejoran la granulometría de la mezcla.
• La baja relación agua/finos reduce la porosidad del hormigón.
• No existe el problema relacionado con las coqueras creadas por una mal vibración del hormigón. Este hormigón se compacta sin ayuda externa.
• Un alto contenido de adiciones de origen puzolánico disminuye la porosidad capilar.
Colleparde et al. (2005) analizó la microestructura del HAC utilizando imágenes de SEM. Se observa que el filler de caliza reduce la porosidad de la zona de transición, mejorando la adherencia entre el árido y la matriz y que la exudación interna, debido a la vibración, se reduce en caso del HAC, mejorando las características del HAC.
Poppe y De Schutter (2005) sugiere que en HAC la porosidad depende de la relación agua/polvos y no de la relación agua/cemento, lo que significa que para el mismo valor de la relación agua/cemento, la retracción disminuye con la disminución en la relación agua/polvos.
Billberg (1999) indica que la utilización de superplastificantes de última generación proporciona mejor dispersión del material fino, lo que también influye positivamente sobre la microestructura del hormigón endurecido. De lo contrario, Roncero y Gettu