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PROYECTO DE DOSIFICACION

DE UN HORMIGON DE ALTA RESISTENCIA

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Jama1 Eddine JaiINGENIERO CIVIL

Jos Calavera RuizDR. INGENIERO DE CAMINOS

Jaime Fernhdez GmezDR. INGENIERO DE CAMINOS

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RESUMEN DE LA PONENCIA

En la presente comunicacin se expone el proyecto de dosificacin de un hormignde alta resistencia, que podra ser utilizado en el puente sobre el Estrecho de Gibraltar.

Este trabajo forma parte de un estudio que se est llevando a cabo en el laboratoriode INTEMAC para estudiar las propiedades de hormigones de alta resistencia quepudieran ser utilizados en el puente del paso del Estrecho de Gibraltar, fabricados conmateriales suministrables desde Espaa.

Se han probado diferentes tipos de ridos y diferentes porcentajes de microsilice,exponindose los resultados obtenidos en cuanto a caractersticas mecnicas.

1 . INTRODUCCION

1.1. Caracterizacin de los HAR

En las ltimas dcadas los pases industrializados han desarrollado hormigones deunas resistencias muy superiores a las de los hormigones tradicionales debidofundamentalmente a dos causas: Por un lado, han tenido que construir algunos tipos deobras que requeran estructuras de hormign de muy altas caractersticas resistentes(plataformas petrolferas, torres de comunicaciones, etc.), y por otro lado, se hadesarrollado de forma importante la industria de los aditivos, fabricando los superplas-tificantes que permiten conseguir hormigones de consistencia adecuada para su puestaen obra con las relaciones AK necesarias para obtener elevadas resistencias.

Con cementos de resistencias elevadas, relaciones AK bajas (

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La microslice es un subproducto de la fabricacin del silceo metlico y de susaleaciones (sobre todo los ferrosilceos). La recuperacin de estos humos se ha idogeneralizando por razones de proteccin del medio ambiente.

El componente principal del humo de slice es el Sio,, en forma amorfa, variando sucontenido entre el 70% y el 98%. Tiene una gran superficie especfica (15 a 25 m,/g), muysuperior a la del cemento.

Aadida al hormign en cantidades que varan entre el 4 y el 24% en peso decemento acta de dos formas:

- Como filler, consiguiendo una gran compacidad y por lo tanto aumentando laresistencia del hormign frente a las agresiones qumicas.

- Como puzolana, combinndose con la cal libre del cemento y formando silicatoshidratados. Dado el pequeo tamao de las partculas de microslice, estos compuestoshidratados se distribuyen muy uniformemente entre las partculas de cemento, siendosu eficacia muy superior a la de otras puzolanas.

El resultado final es que se pueden conseguir hormigones de mayores resistenciasmecnicas e inferior porosidad.

Como contrapartida se nos presenta que la avidez de agua de la microslice, unidoa las bajas relaciones AK, produce hormigones con unas propiedades reolgicas muydiferentes a las de los hormigones normales (y adems los ensayos habituales demedida de consistencia no representan de forma conveniente su consistencia yplasticidad). Ello implica el empleo de aditivos superplastificantes y retardadores defraguado.

1.2. Definicin

El primer obstculo al que nos enfrentamos a la hora de estudiar los HAR es ladefinicin apropiada que se les puede dar a estos hormigones, teniendo en cuenta lasdiversas opiniones de los autores sobre este punto. As, por ejemplo AITCIN (Ref. 1) losclasifica en cuatro grupos a partir de 75 MPa f 12.5 con saltos de 25 MPa (probetacilndrica de 100 X 200 mm a 91 das), justificando esta clasificacin por la existencia debarreras tecnolgicas segn la dificultad de conseguir tales resistencias. Otros autorescomo LARRARD (Ref. 2), matizan ms y definen hormigones de altas y de muy altasresistencias (l habla de altas prestaciones).

En nuestra opinin, siempre hay que tener presente a la hora de interpretar lasresistencias a compresin y los rcords citados en las distintas revistas especializadas,la edad de ensayo y el tipo de probetas. En cuanto a la definicin que podramos dar alos HAR, son aquellos hormigones cuyas resistencias no estn cubiertas por la mayorade las normas comunes actuales.

La mayora de las normas que existen actualmente no cubren hormigones de altasresistencias. Noruega est considerada como pionera en cuanto a normas para HAR serefiere, y de hecho, el NORWEGIAN CODE NS 347311989 abarca hormigones dedensidad normal de resistencias de 105 MPa (probetas cbicas 100 X 100 X 100). Por suparte el ACI 318/89 no especifica ningn tope de resistencias aunque la resistenciamxima a tener en cuenta en el rasante es de 70 MPa (probetas cilndricas de 152/304mmm). Por ltimo, el BAEL 90 y el MC 90 van hasta 60 MPa (probetas cilndricas 160 X320 mm) y 80 MPa (probetas de 150 X 300 mm) respectivamente. En Espaa, las normasaunque no lo mencionan explcitamente, dan a entender que el rango de los HARempieza a partir de los 50 MPa (a 28 das y sobre probetas cilndrica de 1.50 X 300 mm).

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2. ANTECEDENTES

2.1. Realizaciones y perspectivas

Los HAR tienen un abanico muy variado de aplicaciones que van desde edificios degran altura hasta puentes, pasando por centrales nucleares y estructuras de plataformaspetrolferas. Segn el caso, se buscan las cualidades de estos hormigones (resistenciasa compresin a corta edad elevadas, impermeabilidad y resistencias a los agentesagresivos, etc...). En cualquier caso, no se puede hacer aqu una lista exhaustiva de lasrealizaciones hechas con HAR. No obstante, se puede encontrar una amplia informacinen las referencias mencionadas al final de este artculo, adems, en la tabla 1 se recogenalgunas obras de inters.

Como ya hemos mencionado antes, los HAR estn siendo cada vez ms utilizadosy presentan indudablemente muchas ventajas tanto econmicas como tcnicas. Sinembargo, hay que destacar la ya mencionada falta de normas en casi todos los pasesdel mundo.

A la vista de todo esto, pensamos que se deben reformar o complementar lasnormas para que incluyan HAR. En otro caso sera difcil convencer a las distintas partesinteresadas en el buen desarrollo de la construccin (arquitectos, ingenieros, etc...), einiciarlos al empleo de un material todava no normalizado pero cuyas tcnicas decontrol y de puesta en obra son similares a las del hormign tradicional, con la nicadiferencia de ser mucho ms estrictas.

Nosotros, como ingenieros de laboratorio podemos nicamente fabricar estoshormigones y garantizar sus altas prestaciones, pero es preciso que la demanda crezcay que el mercado no quede restringido y al dominio exclusivo de los hormigonestradicionales.

2.2. Ejemplos de dosificaciones

En la tabla 1 se recogen algunas dosificaciones tomadas de la bibliografa. Como sepuede ver, el empleo de superplastificante es imprescindible en estos hormigones cuyasrelaciones agua/cemento estn por debajo de 0.35 en prcticamente todos los casos. Encuanto al tipo de cemento, un ASTM I parece dar buenos resultados, salvo cuando sebuscan resistencias elevadas a edades cortas, el empleo de un cemento de altasresistencias iniciales es el ms conveniente.

2.3. Factores determinantes

El problema fundamental que plantea la dosificacin de un HAR empieza cuando seest todava en la fase preliminar de tal iniciativa, es decir, cuando se quiere seleccionarlos ingredientes necesarios para su futura incorporacin a la mezcla. Una vez superadaesta etapa, se debe afrontar la fase de proporcionar las cantidades minuciosamentedeterminadas mediante los escasos recursos tericos existentes para pasar luego a lafase prctica de los ensayos preliminares y examinar los resultados obtenidos,confrontndolos con los esperados. Segn estos resultados, se procede o no a lascorrecciones adecuadas, esto es, volver a la etapa 1 2 o seguir con la dosificacin quedio los resultados con los que se contaba.

Este procedimiento es el ms lgico y seguido en muchos casos. Sin embargo, dadoel coste, tanto de la mano de obra especializada como del cemento y de los aditivos, espreciso minimizar el coste total del producto final e intentar controlar todos losparmetros que intervienen en la dosificacin mediante un nmero ptimo de ensayos

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preliminares. Adems, para un proyecto determinado hay que garantizar el suministrouniforme del producto durante todo el tiempo necesario.

Un factor a tener muy en cuenta es la consistencia, y no es sorprendente ver unaprdida drstica del cono en estos hormigones. Este hecho tiene mayores incidenciasnegativas cuando se trata de un hormign preparado, por lo que el empleo de unretardador de fraguado constituye una alternativa. No obstante, se puede mantener unabuena consistencia durante un tiempo de hasta una hora (Ref. 2). Todo esto depende engran medida del comportamiento del conjunto pasta de cemento-aditivos.

Otro factor ntimamente ligado al primero es el tipo de aditivos a emplear porque, enel caso de la microslice, no todas son vlidas para ser incorporadas al hormign. Eneste sentido, Larrard et al. (Ref. 3) basndose en los resultados de sus ensayos sobre 20tipos de microslice, han concluido que el contenido de carbono de la microslice es unbuen indicador de su calidad: Un bajo contenido en carbono se traduce en una buenaconsistencia del hormign y resistencias ms altas. Los superplastificantes deben, a suvez, ser objeto de una seleccin seria dadas las variedades que ofrece el mercado.

3. PROYECTO DE DOSIFICACION

Dentro del marco de las investigaciones que se llevan a cabo en INTEMAC, seplante un estudio para la obtencin de HAR con microslice que es el objeto de esteartculo y de las propiedades mecnicas del mismo y la influencia del ambiente decurado sobre las mismas (tema de la 2a comunicacin). Exponemos a continuacin eldesarrollo de las distintas etapas por las que se ha llevado a cabo este estudio.

3.1. Objetivos

Se trataba de conseguir una dosificacin tpica de los HAR empleando materialessuministrados en ESPAA. Lo que se pretenda era conseguir hormigones deresistencias cercanas a los 80 MPa (en probeta cilndrica de 100 X 200 mm a 28 das, concurado estndar). Nuestro objetivo buscaba fabricar hormigones cuyas resistencias sepueden aprovechar ya que en el mercado actual no se dan seales de que hormigonesde 100 MPa se vayan a extender y tampoco pensamos que sea as en el futuro inmediato.La razn es sencillamente la falta de demanda debida por una parte al desconocimientoy a una cierta reticencia todo lo que es nuevo. Tambin es necesario sealar que estoshormigones deben introducirse basndose en experiencias anteriores, dado que si nolos proyectistas no confan en la calidad del producto. Parece que el camino lgico esun progresivo aumento de las resistencias, afianzando en cada una de las etapas latecnologa aplicable.

3.2. Estudio experimental

Con el fin de tener una amplia visin sobre la dosificacin de estos hormigones,hemos tratado de hacer un nmero de ensayos relativamente elevado para controlar losparmetros que siempre intervienen en la produccin del hormign en general, yobtener as resultados significativos. Por esta razn, se han probado 3 tipos de ridoscombinados con varios porcentajes de microslice y de superplastificante.

El estudio experimental se compone de cuatro fases. En la primera fase preliminar,el objetivo era seleccionar el tipo de rido, por lo que se ha procedido a la fabricacinde 9 hormigones con ofita, slice y caliza (3 por tipo y 3 porcentajes de microslice). Entodos los casos se ha fijado el tamao del rido en 12 mm.

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La segunda fase consista en la fabricacin de 6 hormigones con dos de los tresMdos citados y un porcentaje de microslice.

La tercera fase consista en la fabricacin de 3 hormigones variando la cantidad desuperplastificante. Y por ltimo, la cuarta fase (en curso) tiene como objetivo lavariacin del porcentaje de microslice.

En general, la relacin agua/cemento oscilaba entre 0.32 y 0.27 segn el caso,mientras que el contenido de cemento se ha fijado en 475 kg/ms. Los porcentajes de MShan sido de 6 y 16% y en todos los casos se ha fabricado un hormign patr6n.

3.3. Prevlsibn de los resultados

Como dijimos antes, la resistencia a compresin de un hormig6n refleja con muchaexactitud la calidad del mismo. A una edad determinada, y en unas condiciones decurado fijadas, la resistencia a compresin depende fundamentalmente de dos factores(NEVILLE, Ref. 5):

- de la relacibn agua/cemento,- del grado de compactacin.

Cuando un hormign esta plenamente compactado (esto significa en la pr&tica 1%de aire ocluido, aproximadamente), su resistencia es inversamente proporcional a larelacin agua/cemento de acuerdo con la ley de ABRAMS establecida en 1919. Estarelacin es de tipo:

KIf c = -A

Kz E

donde A/C es la relacin agua/cemento (en volumen), K, y K2 son dos constantes.Esta relaci6n es un caso particular de la frmula de FERET, establecida en 1696, y

que se expresa de la manera siguiente:C K

fc = K(c + x + v

)2 = (1)

11 +w + VI

c l2

where

fc = resistencia a compresin;C = volumen absoluto de cemento;w = volumen absoluto de agua;V = volumen absoluto del aire;K = cosntante emprica, funcin del tipo de cemento y de los Mdos.

Esta relacin no es Wida para HAR con microslice, ya que no incluye ningn factorque represente la influ&ncia de la microslice. Partiendo de bsta, LARRARD, establecirecientemente una relacin similar a la anterior pero que tiene en cuenta, adembs, elfactor microslice/cemento, despreciando el volumen de aire ocluido (por otra parteraramente medido):

f, =K . R,

1 + 3.1 B

1.4 - 0.4 exp[-ll g ] 1 2

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En esta f6rmula propuesta para hormigones con microsilice y de relacin aguakementomenor que 0.40; A, C y S son respectivamente las masas de agua, cemento y microslice.

R, es la resistencia del cemento en MPa, y K un coeficiente que depende del tipo dekido empleado.

NOVA SCOTIA PLAZA, TORONTO 1988

Agua ..............................................................................Cemento (ASTM 1) ......................................................Escoria ..........................................................................Microslice ....................................................................Arido fino ................. ...................................................Arido grueso ................................................................Superplastficante ........................................................Reductor de agua ........................................................

fa = 83.4 MPa

PUENTE DE PERTUISET, FRANCIA

Agua . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Cemento CPA HPR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Microslice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Arena 0/5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Grava 5/10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Grava lo/20 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Superplastificante (Melment) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

140400

30800280800

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f,=8OMPa

PUENTE DE JOIGNY, FRANCIA

Agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Cemento (CPA HP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Arenilla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Arena 0/5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Grava 8/20 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Superplastficante (Melment) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Retardador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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GULLFAKS C, Noruega 1988-89

kg/m3

Cemento 3 8 0Arena 0/5 9 4 0Arido grueso 9 4 5Superplastificante 6 LRelacin agua/cemento 0.43

Resist. media = 79 MPa

4.1. Resultados de los ensayos

Las dosificaciones probadas, y relacionadas en el apartado 3.2 han sido bsicamentelas siguientes:

Cemento I 55Arena O/!iArido gruesoSuperplastificanteMicrosiliceRelacin agua/cemento

4 7 5700

11503.5%

0; 8 and 16%0.27 W/C 0.32

Los resultados de las resistencias a compresin a 28 das sobre probetas cilndricasde 100 X 200 mm y los de traccin indirecta (ensayo brasileo segn la norma UNE83.306) obtenidos pueden resumirse de la manera siguiente:

Tipo de arido Resistencia a compre- Resistencia a traccingrueso sin MPa

MPa

Ofita 8 0 I f, 5 9 2 6.7 5 f, I 7.2

Caliza 7 9 I f, I 9 6 6.6 f, 5 7.0

Slice 7 7 5 f, I 9 3 5.5 I f, 9 6.3

LABORATORIO DE INTEMAC, 1992

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4.2. Conclusiones

A la vista de los primeros resultados obtenidos, podemos sacar las siguientesconclusiones:

1. Para resistencias del orden de 80 MPa, la incorporacin de la MS no esimprescindible.

2 . No se considera el asiento de Abrams como un buen indicador de la reologa delos HAR, dado que estos hormigones tienen condiciones de plasticidad diferentes.

3 . El compromiso entre la fabricacin de un HAR que tenga tambin una buenaconsistencia no es siempre fcil de alcanzar.

4 . La extensin de la frmula de Fret, hecha por Larrard, para la prediccin de laresistencia de un HAR de valores prximos a los obtenidos en esta experimentacin.

5 . Los tres tipos de ridos utilizados dieron resistencias superiores a 90 MPa. Porlo tanto, pueden utilizarse en la fabricacin de estos hormigones.

Agradecimientos

El presente trabajo forma parte de un conjunto de investigaciones realizadas para latesis doctoral del primero de los autores, bajo la direccin del segundo, en la Ctedra deEdificacin y Prefabricacin de la Escuela de Ingenieros de Madrid, actividadcorrespondiente a una Beca Intemac.

Los ensayos han sido realizados en el Laboratorio Central de Intemac. Deseamosexpresar tambin nuestro agradecimiento a las Organizaciones ANEFHOP, IECA ySECEG por su colaboracin en la financiacin de la investigacin.

Los autores agradecen por su colaboracin material en este proyecto de investigacinlas entidades siguientes:

ANEFHOPIECASECEG, S. A.INTEMAC, S. A

BIBLIOGRAFIA

(1) AITCIN, P. C.; Les Btons Tres Haute Rsistance, Bull. laison labo. P. et Ch. No 162,Juil.-aot 1989.

(2) DE LARRARD, F.; Formulation et Propits des Btons Trs Hautes Performances,Rapport de Recherche LPC, No 149.

(3) DE LARRARD, F., GORSE, J. F., PUCH, C.; Efficacits Compares de Diverses Fumesde Silice comme Additif dans les Btons Hautes Performances, Bull. Liaison Labe. P. et Ch., No168. Juil.-Aot 1990.

(4) MALIER. Y.; The French Approch to Using HPC, Concrete International, July 1991.(5) NEVILLE, A. M.; Properties of Concrete, ed. Pitman, 3a edition, London 1983.96) FIPKEB; High Strength Concrete, State of the Art Report, August 1990.

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