• Author / Uploaded
• Deyvi Huansha

Citation preview

CONEIC 2012, Huaraz, Perú

Concretos del Siglo XXI

Roberto J. Torrent Materials Advanced Services, Buenos Aires, Argentina [email protected]

Concreto en el Siglo XX El concreto es el material de construcción más utilizado en todo el mundo. Encontramos al concreto en todo tipo de edificios residenciales, públicos e industriales, en rascacielos y en construcciones subterráneas, en todas las estructuras vinculadas al transporte, tales como pavimentos, vías férreas, puentes y túneles, en estructuras para el tratamiento de aguas y efluentes, en plantas de energía, en estructuras costa afuera, en represas, etc.

Muchos de los modernos logros de nuestra civilización dependen del concreto el que, conjuntamente con el acero, constituye la base de la ingeniería estructural de hoy en día. 2

Objetivo El objetivo de esta presentación es: • Destacar la versatilidad* del concreto, la que lo convierte en el material de construcción más empleado • Comentar las herramientas de que disponemos para hacer “ingeniería“ del material concreto • Dar una mirada hacia el desarrollo futuro del concreto * Atributo de ser “apto y competente para muchas cosas diferentes"

3

Herramientas para la Versatilidad El tecnólogo dispone de un juego de herramientas, limitado, pero suficientemente poderoso, para diseñar un concreto con las propiedades requeridas. Básicamente, se puede actuar en 4 frentes: • Reología del concreto fresco • Procesos químicos • Estructura de poros • Mecánica de la Fractura 4

Herramientas para la Versatilidad Básicamente, se puede actuar en 4 frentes: • Reología del concreto fresco • Procesos químicos • Estructura de poros • Mecánica de la Fractura

5

Reología del Concreto Fresco La reología es el estudio de la deformación y flujo de la materia

6

Comportamiento Reológico de un Líquido “Newtoniano”

τ l e i M A gua

η

τ V

g

η=

●

Viscosidad

γ

γ

α

7

Qué es el Concreto fresco: Líquido o Sólido

8

τ

El Concreto fresco se comporta como un Sólido de Bingham

τo

µ

●

τo = Límite de “fluencia”

(Asentamiento)

γ

µ = Viscosidad plástica 9

Qué es el Concreto fresco: Líquido o Sólido

Alto

τo

Bajo

τo 10

El Concreto fresco y la pasta dentífrica tienen un comportamiento reológico similar

11

Comportamiento Reológico de Concretos de distinta “consistencia” Rígido

τ

Plástico Blando SCC Fluido ble) a g e r g e (s ●

γ 12

El SCC y la Miel tienen un comportamiento reológico similar

13

Reología del Concreto Fresco El comportamiento reológico del concreto fresco puede modificarse mediante cambios adecuados en: • Contenido de agua de la mezcla • Cantidad y tipo de partículas finas • Uso de aditivos químicos • Granulometría del agregado

14

Reología del Concreto Fresco Variando los parámetros reológicos de la mezcla fresca es posible obtener concretos que:

15

Reología del Concreto Fresco
Pueden desmoldarse inmediatamente luego de ser

compactados (Bloques premoldeados)

16

Reología del Concreto Fresco
Soportan cargas muy pesadas aún en el estado

fresco (HCR: Concreto Compactado con Rodillo)

17

Reología del Concreto Fresco
Puede ser elevado y colocado con cintas

transportadoras

18

Reología del Concreto Fresco
Puede ser colocado con encofrados deslizantes en

paramentos inclinados

19

Reología del Concreto Fresco
Puede bombearse a grandes distancias y alturas

20

Reología del Concreto Fresco
Puede ser proyectado

neumáticamente

21

Reología del Concreto Fresco
Puede fluir libremente por canalones


Puede fluir como un líquido sin segregarse (SCC) 22

Herramientas para la Versatilidad Básicamente, se puede actuar en 4 frentes: • Reología del concreto fresco • Procesos químicos • Estructura de poros • Mecánica de la Fractura

23

Procesos Químicos Tanto la intensidad como la cinética de las reacciones químicas que tienen lugar dentro de un concreto pueden ser controladas, principalmente a través de:

• la composición y finura del cemento • el uso de componentes minerales activos • el contenido de cemento en la mezcla • el uso de aditivos químicos • tratamientos térmicos

24

Procesos Químicos Controlando los procesos químicos es posible producir concretos que: • Fraguan casi instantáneamente • Permanecen días sin fraguar • Desarrollan alta resistencia inicial • Desarrollan bajo calor de hidratación • Presentan mejor resistencia frente a agentes agresivos externos o internos • Generan expansiones controladas que compensan la retracción por secado 25

Bajo Calor de Hidratación: Concreto Masivo

26

Alta Resistencia Inicial: Concreto “Fast-Track”

27

Sustitución de Losas de Aeropuerto Aeropuerto de Zürich

28

Sustitución de losas de Aeropuerto Aeropuerto de London Heathrow

29

Concreto de Retracción Compensada (HRC)

Expansion

Un Concreto que desarrolla una expansión temprana controlada, adecuadamente restringida por el acero de refuerzo, de modo de compensar la subsiguiente etapa de retracción por secado (térmica: Presas en China).

S h rin ka g eC om p en s atin g C on crete

Shrinkage

1

7

14

28

56

90

180

360

A g e (d a ys) C on ven tion al C on crete M oist

D ry

30

HRC: Grandes losas sin Juntas para Pisos Industriales (trabajo pionero en Argentina)

31

Pisos Industriales de HRC en México

HEB Superstores, 30‘000 m² de HRC, losas de 40x40 = 1‘600 m² sin juntas

Depósito Colgate Palmolive 54‘000 m² de HRC, losas de 40x40 = 1‘600 m² sin juntas 32

Herramientas para la Versatilidad Básicamente, se puede actuar en 4 frentes: • Reología del concreto fresco • Procesos químicos • Estructura de poros • Mecánica de la Fractura

33

Incremento de volumen durante la Hidratación Cemento anhidro Vo

Cemento completamente hidratado Vh = 2 Vo Poros de “Gel” = 0.28 Vh

34

Microestructura de la Pasta de Cemento Antes de la Hidratación

Partículas de cemento Agua

35

Microestructura de la Pasta Endurecida Crecimiento de productos de hidratación: llenado de espacio vacío

Cemento aún sin hidratar

Contorno original de las partículas

36

Microestructura de la Pasta Endurecida Modelo de microestructura de la pasta de cemento hidratada Cemento anhidro Poros del Gel Agua de Gel

Poro Capilar Agua libre Agua adsorbida Cristales de C-S-H 37

Rango de Poros en el Concreto Endurecido Molécula de H2O

Aire Atrapado Aire Incorporado Poros Capilares Poros de Gel

0.001

0.01

0.1

1

10

100

1000

10000

Tamaño de Poros (µm)

1

10 nm

100

1

10 mm

38

Crecimiento de Productos de Hidratación Cemento Anhidro

Hidratación inicial

Hidratación Avanzada 39

a/c Alta

Efecto de la relación agua/cemento y la edad sobre la microestructura

t = horas

t = semanas

a/c Baja

t=0

40

Estructura de Poros Es posible modificar la estructura de poros del concreto endurecido, mediante: • Relación a/c (volumen y tamaño de capilares) • Contenido de Cemento (volumen de poros de gel) • Uso de componentes minerales activos (p.ej. puzolanas) • Uso de micro-fillers (p.ej. silica fume) • Uso de selladores de poros (p.ej. polímeros) • Uso de incorporadores de aire/gas (volumen y tamaño de las micro-burbujas) • Uso de agregados porosos • Uso de granulometrías especiales (concreto “sin finos”)

41

Estructura de Poros Variando la estructura de poros es posible obtener:

42

Estructura de Poros Una amplia gama de concretos livianos

43

Estructura de Poros Una amplia gama de concretos livianos (celulares)

44

Estructura de Poros Concreto poroso, drenante y, no obstante, resistente (10-30 MPa)

45

Estructura de Poros Concretos Resistentes a Ciclos de Congelación y Deshielo (poros de aire incorporado)

46

Estructura de Poros Concretos de Alta Resistencia (hasta 150 MPa)

Torres Petronas (Kuala Lumpur), 452 m (88 pisos)

47

Estructura de Poros: Efecto sobre las Propiedades del Concreto Propiedad Densidad (kg/m³)

Resistencia a Compresión (MPa) Módulo de Elasticidad (GPa) Conductividad Térmica (W/m.K) Permeabilidad al Aire (10-16 m²)

Rangos 200 - 800 800 - 1400 1400 - 2000 2000 - 2600 2600 - 5000 0.5 - 2.0 0.4 - 30 15 - 50 50 - 150 2 - 15 15 - 35 30 - 50 0.1 - 1.0 1.0 - 2.5 < 0.01 0.01 - 0.1 0.1 – 1.0 1.0 - 10 > 10 ∞

Tipos de Concreto Ligero (aislante) Ligero (aislante estructural) Ligero (estructural) Peso normal Pesado (protección de radiaciones) Rellenos Fluidos Livianos Normales Alta Resistencia Ligeros Normales Alta Resistencia Ligeros Normales Alto Desempeño (> 65 MPa) Buena Calidad Calidad Normal Baja Calidad Muy Baja Calidad Drenantes, Celulares 48

Herramientas para la Versatilidad Básicamente, se puede actuar en 4 frentes: • Reología del concreto fresco • Procesos químicos • Estructura de poros • Mecánica de la Fractura

49

Mecánica de la Fractura Aunque la debilidad intrínsica del concreto como material estructural (fragilidad y baja resistencia a tracción) ha sido resuelta exitosamente a través del uso del compuesto “Concreto reforzado” con barras de acero, hay aún campo para mejorar. El uso de fibras (metálicas, sintéticas, de carbono, de vidrio, vegetales, etc.) no ha sido todavía suficientemente explorado y explotado. Esta es un área donde podemos esperar nuevos desarrollos para mejorar la ductilidad del concreto y su susceptibilidad a la fisuración. 50

Fibras usadas en Concreto  Tipos de Fibras







Acero Polipropileno (PP) Acetato de Polivinilo (PVA) Celulosa Vidrio (V) Carbono

 Usadas en:






Concreto Premezclado Shotcrete Premoldeados

51

Sistemas Híbridos de Fibras

Flexural Stress (MPa)

35 40:20:40 V:PP:PVA 5%

5% Vidrio

30 25

2% PVA

20 15 10 5% PP

5 0 0

1

2 Deflection (mm)

3

4 52

El Futuro  Concretos de Alta Resistencia y Alto Desempeño (en

especial buscando mayor durabilidad)  Concretos Auto-Compactantes  Concreto reforzado con distintos tipos de fibras  Armaduras inoxidables / no-metálicas (FRP)  Concretos “Verdes” (hechos total o parcialmente con

materiales reciclados) 53

Fronteras de la Imaginación: Concretos de Ultra-Alta Resistencia (UHSC) Características de los UHSC:  Resistencia a Compresión: 150 – 800 MPa  Resistencia a Flexión: 10 – 400 MPa  Virtualmente “impermeables” (durabilidad ilimitada)

54

CUAR: Aplicaciones Puente Peatonal en Sherbrooke (CND)

Compressive Strength: 200 MPa (350 MPa when confined in 3mm thick stainless steel tubes: diagonals) Tensile Strength: 7 MPa Bending Strength: 40 MPa E-Modulus: 50 GPa 55

CUAR: Aplicaciones SHAWNESSY LIGHT RAIL TRANSIT STATION Calgary, AB, Canada

56

CUAR: Alta relación Resistencia /Peso Concreto Pretensado

UHSC

130

Concreto Armado

Acero

110

470

530

Peso Propio (kg/m) de Vigas de Igual Capacidad Portante 57

UHSC: Aplicaciones Especiales

58

UHSC: Aplicaciones Especiales

59

Concreto: Aplicaciones Especiales

60

Concreto: Aplicaciones Especiales

61

Concreto: Aplicaciones Especiales Concreto Traslúcido

LiTraCon© Fibras ópticas moldeadas en el Concreto

62

Concreto: Aplicaciones Especiales

LiTraCon© 63

Concreto: Aplicaciones Especiales

http://www.voile-de-beton.com 64

Fronteras de la Imaginación: Concreto Lunar? ¿Tiene el concreto un rol que jugar en la conquista del espacio?

65

Fronteras de la Imaginación: Concreto Lunar Sí, el concreto puede jugar un papel importante en la conquista del espacio

66

Pies en la Tierra: Perspectivas del Concreto  El concreto continuará siendo el material de

construcción preferido en el Siglo XXI, aunque con fuerte competencia desde diversos flancos  A través del uso de desechos reciclados como materias primas, el concreto se transformará en un “ecoConcreto”. I+D necesario para prever consecuencias de mediano/largo plazo

67

Pies en la Tierra: Perspectivas del Concreto  Se prestará más atención a la durabilidad en el diseño

de estructuras de concreto, para mejorar el ciclo de vida de construcciones sustentables y hacerlo más competitivo frente a otras alternativas

68

Disponibilidad de soluciones en el mercado  La industria del concreto en Latinoamérica ya ofrece

muchas de estas soluciones  Se requiere una óptima comunicación entre

propietarios, proyectistas, constructores y proveedores de materiales para romper el „círculo vicioso“ de la no innovación  La aplicación de estas soluciones no requiere de

técnicas sofisticadas, sino simplemente de aplicar las reglas del arte indicadas en los códigos de construcción  Pregunta: porqué es tan difícil introducirlas?  una de

las razones son las Normas Prescriptivas que prevalecen en la Construcción en Concreto 69

Problema de las Normas Prescriptivas Norma

a/c Cemento Máx (kg/kg) Mín (kg/m³) EN 0.50 300 EN 0.45 320 ACI 0.40 --NMX 0.55 300

Resistencia Mín (kgf/cm²) 300 350 350 300

Costa Mareas

 Suponen, erróneamente, que distintos materiales (ej. tipos

de cemento), en las mismas proporciones, confieren idéntico desempeño al Concreto  Dan pocas oportunidades para innovar y agregar valor  Tratan al Concreto y a los materiales componentes como

commodities  Cómo se controla la a/cmáx?; se cumple en la realidad? 70

Tendencias Varias organizaciones están promoviendo Normas y Especificaciones basadas en el Desempeño del Concreto o aún de las Estructuras mismas, especialmente en lo referido a su Durabilidad, ejemplos:  NRMCA: Enfoque P2P

(Prescription to Performance)

 RILEM: Comité Técnico PSC "Performance-based

Specification and Control of Durability"

71

Realidad: Calidad del Concreto en la Estructura CO2

Cl-

SO42-, Abrasión, Hielo

“Recubrimiento” de Peor Calidad Debido a:

Acero

• Segregación • Compactación • Curado • Exudación • Acabado • Microfisuras

Las probetas moldeadas y curadas en forma normalizada, NO representan la vital calidad del ‘recubrimiento’ 72

Ejemplo de Norma por Desempeño: Norma Suiza SIA 262:2003 “Concrete Construction”

Respecto a la durabilidad, la calidad del Concreto de recubrimiento es de particular importancia

Se verificará la impermeabilidad del Concreto de recubrimiento, mediante ensayos de permeabilidad in situ (p.ej. mediciones de permeabilidad al aire) o sobre testigos extraídos de la estructura 73

Permeabilidad al Aire del Recubrimiento (Método de Ensayo SIA 262/1-E) La permeabilidad al aire del recubrimiento (kT) se mide directamente sobre la estructura terminada, a 28 - 90 días, con la siguiente clasificación tentativa: Permeability Class

Site kT (10-16 m²)

Covercrete Permeability

PC1

< 0.01

Very Low

PC2

0.01 – 0.1

Low

PC3

0.1 – 1.0

Medium

PC4

> 1.0

High

Se usan mediciones complementarias para verificar que el concreto esté suficientemente seco

74

Norma SIA 262 (por Desempeño) 1. El enfoque de la Norma Suiza SIA 262 de establecer como Indicador de Durabilidad la permeabilidad del recubrimiento, medida en la estructura , apunta a controlar el producto terminado 2. Así, mide el resultado de la contribución de todos los actores en la cadena de construcción en concreto (especificadores, proveedores de concreto y de materiales, contratista, etc.)

75

Norma SIA 262 (por Desempeño) 3. Al controlar el producto terminado, impone una mentalidad orientada al desempeño en todos los actores, asegurando una competencia leal: 

en los Contratistas , que entregan el producto a ser controlado, donde quienes no apliquen buenas prácticas serán penalizados al deber usar mezclas más caras o aplicar medidas curativas



en los Productores de Concreto , que deberán diseñar, producir y entregar, eficientemente, concretos que alcancen el desempeño requerido



en los Proveedores de Materiales (cementos, aditivos, áridos) que deben diseñar sus productos hacia un desempeño óptimo en el concreto 76

Norma SIA 262 (por Desempeño) 4. Incentiva la innovación fomentando el uso de:


SCC, que crea un recubrimiento más compacto y uniforme que el Concreto vibrado




Membranas permeables en los encofrados




Compuestos de curado más eficientes y/o de concretos “autocurantes”




Concretos de Alto Desempeño




Compuestos de Ultra Alto Desempeño (selectivamente)




Concretos de baja retracción o retracción compensada

5. Facilita la tarea de la D.d O., que no necesita controlar todas las etapas de la ejecución sino solamente el producto final (+ rol preventivo) 77

Uso de Membranas Permeables en los Encofrados Sin Membrana Con Membrana

kT = 1/10

78

Ejemplo de Uso Selectivo de UHPFRC  Las estructuras de Concreto tienen puntos débiles!

UHPFRC: Ultra-High Performance Fiber-Reinforced Composite  Idea: usar UHPFRC en partes específicas donde la

exposición ambiental o mecánica sea más severa

79

Colocación de UHPFRC

80

Propiedades Mecánicas de UHPFRC Comportamiento a tracción Propiedad

UHPFRC

CC

f’c [MPa]

160 - 250

~ 40

E [GPa]

48 - 60

~ 35

ft [MPa]

9 - 20

~3

Strain hardening 0.05 - 0.2 [%] First crack stress [MPa]

7 - 16

Retracción [‰]

0.6 – 1.0

0 ~3

81

Permeabilidad del UHPFRC  Permeabilidad al Aire (Ensayo SIA 262/1-E):

UHPFRC

82

Durabilidad?, porqué debemos ocuparnos?  Porque las reparaciones (hoy superan el 50% de los

fondos dedicados a Construcción en Europa y Norte América), en el que la Industria del Concreto participa poco, le quitan mercado  Porque esos recursos, de aumentarse la vida en

servicio, podrían dedicarse a nuevas obras de infraestructura y vivienda, tan necesarias en países emergentes  Porque es un talón de Aquiles

que puede ser explotado por materiales competitivos 83