EXPOSICION TECNOLOGIA DEL HORMIGÓN POR EL ING ANIBAL VILLA

COMPOSICIÓN DEL HORMIGÓN:

El hormigón está compuesto por  un medio ligante donde se encuentran incluidos áridos o agregados, el medio ligante es la pasta de cemento.

Los áridos están graduados entre las partículas correspondientes al tamiz 4 y las de tamaño mayor (generalmente de 25 a 30 mm.). Para los grandes diques llegamos a tamaños máximos del orden de los 15 cm.

Podemos diferenciar los  áridos finos como las partículas que pasan el tamiz Nº 4 y los áridos gruesos, que son las partículas retenidas en dicho tamiz.

Aire               Y agua libre	Cemento hidratado            Agua combinada	Aridos
		Fino	Grueso
Pasta de cemento		Partículas minerales

   

Los áridos ocupan entre el 70 y 75% del volumen del hormigón. Hay tres tipos:

Naturales (cantos rodados, piedra partida)

Artificiales (escorias de altos hornos)

Livianos (arcillas expandidas)

El otro componente del hormigón es la pasta de agua y cemento que incluye los vacíos (2% del volumen). La pasta de cemento es el material activo del hormigón, es el material ligante capaz de vincular a las partículas sólidas que constituyen los agregados.

Si tuviéramos solo agregados en un encofrado, al desarmarlo esta aglomeración se disgregaría.    

PROPIEDADES DEL HORMIGÓN:

Veremos ahora, cuales son las propiedades que hacen del hormigón un material apto para la construcción.

Hormigón fresco: La principal propiedad que debe tener el hormigón fresco es la trabajabilidad, es decir la fluidez suficiente para poder ser mezclado y colocado en los encofrados sin dificultad cubriendo las armaduras sin oquedades ni separación entre la pasta y los agregados.

Hormigón endurecido: Debe tener la resistencia mecánica requerida por el calculista y la durabilidad necesaria para asegurar la mayor vida útil posible de la estructura.

Estas propiedades son conferidas al hormigón por la pasta de agua y cemento que aporta la trabajabilidad, resistencia y durabilidad al material.

Las propiedades de la pasta dependen del tipo de cemento (cementos normales, de alta resistencia inicial, de bajo calor de hidratación, resistentes a los sulfatos, etc.) y fundamentalmente de la relación agua – cemento.

Mientras mayor sea la relación agua – cemento, menor poder ligante tendremos en la pasta.

Nos encontramos entonces con dos propiedades contradictorias. Si aumentamos la cantidad de agua, mejoramos la trabajabilidad, pero al ser más fluido el hormigón pierde resistencia.

El agua y el cemento reaccionan químicamente en un proceso llamado de hidratación, para que este proceso se realice necesitamos humedad, temperatura y tiempo.

Humedad: en ambientes excesivamente secos, el agua se evapora rápidamente y no nos queda suficiente agua libre para reaccionar.

Temperatura: a menos de 4º C no se produce la reacción.

Tiempo: la resistencia crece en función del tiempo. Para estructuras corrientes de edificios, se establece por reglamento un curado mínimo de 7 días manteniendo agua en contacto con la estructura y temperaturas de más de 5º C. En pavimentos este tiempo es de 10 días. Los ensayos de laboratorio se efectúan a una edad de 28 días.

Función de los áridos:

1-       Aportan al hormigón un material de relleno de bajo costo. Si la razón agua – cemento no varía la resistencia de un hormigón con o sin áridos no varía pero es mucho más barato el primero.

2-       Confieren resistencia a la acción de la humedad, intemperie y desgaste.

3-       Reducen los cambios volumétricos que se producen durante el proceso de fragüe. Cuando finaliza el proceso de hidratación hay una evaporación de la masa de hormigón endurecido hacia la atmósfera que produce una contracción (contracción por fragüe). Si el hormigón no tuviera agregados esta contracción causaría estragos.

PROPORCIONES GENERALES DE LOS HORMIGONES CORRIENTES:

La proporción más importante es la de agua y cemento.

Como quedó dicho el hormigón fresco debe ser trabajable, propiedad que se verifica con el ensayo de asentamiento. El mayor o menor grado de fluidez depende de la fluidez de la pasta, de la cantidad de partículas minerales que contiene la masa, de la forma y características superficiales de los áridos (partículas más lisas – hormigón más trabajable).

Para la mayor parte de las estructuras el grado de fluidez más adecuado es el que se denomina como consistencia plástica definida como ni demasiado seca ni demasiado fluida. Este grado de fluidez está comprendido en asentamientos del orden de 5 a 10 cm. en el tronco de cono.

La resistencia del hormigón endurecido depende de la densidad de la pasta, mientras más densa sea la pasta, mayor será la resistencia. Aumentar la densidad significa bajar la razón agua – cemento.

Ley de Abrams: Para un determinado conjunto de materiales y para mezclas compactas,  la resistencia y otras propiedades útiles del hormigón están regidas por la razón agua – cemento

                 Si tenemos  150 l de agua       = 0,50        

                                     300 Kg cemento    

 

Podemos obtener la misma razón agua – cemento con 200 l de agua y 400 Kg de cemento pero el hormigón sería más caro al tener 100 Kg más de cemento. Siempre hay que tratar de utilizar el hormigón que con la misma razón tenga menores cantidades de agua y cemento.

El gráfico nos muestra la variación de resistencia entre hormigones con los mismos componentes, donde sólo se ha variado la razón agua – cemento.

Las razones agua – cemento máximas más corrientes exigidas por los reglamentos están entre 0,45 y 0,58. Esto depende del tipo de estructura, su finalidad, las condiciones de exposición, el clima y el contacto con sustancias agresivas.

La otra propiedad deseable para el hormigón endurecido es la durabilidad, que está asociada a la permeabilidad. Cuanto más baja sea esta, mayor será la durabilidad de la estructura. En un hormigón permeable la humedad penetra en la masa produciendo corrosión en las armaduras, ingreso de sustancias agresivas como sulfatos o sales y el efecto de congelación y deshielo. Este último fenómeno consiste en el ingreso de agua en los poros y microfisuras que al congelarse aumenta de volumen produciendo pequeñas roturas que aceleran el envejecimiento de las estructuras.

Como se puede apreciar en el gráfico, existe un punto crítico para el cual, a partir de él, aumentando levemente la razón agua – cemento aumenta mucho la permeabilidad, este valor es 0,55

RESISTENCIA CARACTERISTICA DEL HORMIGÓN Y GRADO DE CONTROL:

En todo material usado por la técnica, y en particular en el hormigón, se producen variaciones en sus propiedades de un punto a otro de su masa. En el hormigón, por diversos factores que detallaremos, estas diferencias pueden alcanzar valores notables y se hace necesario estudiarlas y acotarlas, sobre todo en sus propiedades fundamentales como ser su resistencia a compresión.

Hay dos aspectos esenciales en cuanto al hormigón en el proyecto de una estructura:

1.- Se fija una tensión a la cual se supone que el hormigón rompe y se calcula la estructura con ella, luego hay que dosificar un hormigón que cumpla con esa condición.

2.- Se verifica en que medida se cumple 1 mediante el ensayo de probetas tomadas al azar durante la construcción.  

Al ensayar probetas de hormigón surge una dispersión de resultados. La primera forma de encarar esta cuestión fue hallando la resistencia media de los resultados obtenidos.

          sbm  =  Ssbi   =  sb1 +  sb2 +............ + sbn

                                               n                         n        

Sin embargo, este valor no es significativo, pues habrá en la estructura un 50% de sbi menores al promedio, además no se tiene una idea de cual puede ser la mayor diferencia entre el menor valor y sbm.

Por lo tanto adoptamos un criterio de análisis estadístico de los resultados, contando el número de probetas que arrojan resultados comprendidos en una determinada gama de valores y viendo que porcentaje son sobre el total. Con esto se puede tener una primera idea de cómo se distribuyen las variaciones de resistencia, es decir, que porcentaje tendremos de resistencias bajas, medias y altas. Además con un suficiente número de ensayos podremos trazar el siguiente diagrama denominado histograma.

Resistencia	Nº de muestras
311	3
320	5
330	6
340	8
350	9
360	11
370	8
380	7
390	5
400	3
410	0
420	0

(Agregar gráfico)

La superficie del histograma representa el 100% de los ensayos. Podemos trazar la envolvente del diagrama, llamada polígono de frecuencias. Con estos datos falta definir cual es la resistencia representativa a adoptar en los cálculos. A este respecto, algunos reglamentos fijan límites, tomando una resistencia característica s‘bk.

En general, el valor de s‘bk es el que corresponde a la probabilidad de que el 95% de los resultados obtenidos supere a dicho valor.

Es decir que en vez de tener una resistencia que sea superada por el 50% de las probetas, se calcula con una resistencia que es superada por el 95% de las probetas. De esta manera sólo queda el 5% debajo de este valor y como no siempre se va a presentar en la sección más solicitada, hay redistribución de tensiones, etc. tenemos una probabilidad muy baja de que peligre la estructura.

Desviación estándar: Se debe calcular la desviación estándar que se expresa con la fórmula:

                                                                      1/2   

                              = ( S (s’bi – s’bm)² )

                                             n - 1

Si trazamos la curva de distribución normal, el área entre dos abscisas indica la probabilidad de que ocurran los valores de las tensiones entre dichas abscisas límites. Si las abscisas límites se toman en función de S a partir de s’bm y hacia ambos lados (la curva es simétrica) la relación entre s’bm y s‘bk es: (dibujar gráficos)

   s‘bk  = s’bm – k x S        k coeficiente que depende del número de ensayos

para que se cumpla la definición de resistencia característica, surge del estudio de la curva que debemos tener un valor;   k = 1,65  (número de ensayos => 30)

La fórmula anterior puede expresarse como s‘bk  = s’bm (1– 1,65  x S / s’bm)

                                         

definimos   d =  S / s’bm  Coeficiente de variación de la resistencia.

                             

En definitiva nos queda: s‘bk  = s’bm (1– 1,65  x d)

                      

Entonces, si el calculista nos pide un s‘bk, es dato, tenemos que obtener un s’bm  tal que con la fórmula anterior nos dé la tensión característica requerida.

Con la aplicación de la fórmula, nos aseguramos que el 95% de las probetas estarán por arriba de s‘bk, pero tampoco nos conviene que estén muy por arriba porque sería antieconómico.

Como puede verse en la fórmula, cuanto menor sea d mayor resulta s’bm por lo tanto, si s’bm  es fijo que yendo a la fórmula de desviación estándar quiere decir que las tensiones de cada probeta sean lo más parecidas posible a la media.

Conclusiones:

1.- A igual costo de materiales, podemos calcular con un s‘bk mayor si aumentamos el control de fabricación.

2.- Si nos damos como dato un s‘bk lo podemos obtener con distintos s’bm. En este caso conviene que el s’bm sea mínimo para economizar materiales y vemos que esto se obtiene para d mínimo

FACTORES QUE HACEN VARIAR LA RESISTENCIA DEL HORMIGON:

Conviene saber cuales son las causas fundamentales que hacen variar la resistencia del hormigón y en que medida influyen para saber donde hay que intensificar el control.

1).Variación de la resistencia por los materiales que lo constituyen.

A)      Calidad del cemento. Los cementos de un mismo tipo dan diferentes resistencias, a la misma edad de ensayo, que varía según la marca de fábrica y la partida a la que pertenecen. Se hace entonces necesario controlar la resistencia del hormigón dosificando con distintas partidas, aunque provengan de la misma fábrica

RECOMENDACIONES Se recomienda entonces utilizar cemento de una sola marca y fábrica

Preservarlo para su almacenamiento de la humedad.

Utilizarlo en el orden de llegada a la obra.

Determinar la dosificación de acuerdo a la marca que se emplee.

En caso de utilizar varias marcas, utilizar las características de la de peor calidad (antieconómico).

Con estas recomendaciones se trata de uniformar lo más posible las características del hormigón ya que debido a la variación de la calidad del cemento la resistencia puede variar hasta un 50%.

B)      Granulometría: Los reglamentos exigen la adopción de módulos de finura, entre partidas consecutivas no puede haber una diferencia mayor al 20%.

C)      Esponjamiento del árido fino. La resistencia puede variar en un 10% si se corrige por valor medio y en caso contrario hasta 26%. Si el árido fino contiene humedad, aumenta su volumen debido a que alrededor de cada partícula queda una película de agua, que produce una separación entre   granos llamada esponjamiento. Su efecto es introducir errores en la medición de los áridos. El esponjamiento es mayor cuanto más finas son las arenas.

2)       Variación de resistencia por efecto de medición de materiales:

Si los materiales se miden en peso, la variación es poca (hasta un 8%), en cambio si se miden en volumen, el problema es serio (en malas condiciones puede variar hasta un 100%). Lo correcto es medir en peso, pero si por razones prácticas, se hace en volumen hay que tratar de que los recipientes sean altos y de poca sección y que se enrasen  bien.

 En la figura se ve que a igualdad de error Dh de medición, el efecto en Dv es mucho mayor en (1) que en (2)..

Obsérvese sin embargo que el tipo de baldes y canastos que usualmente se emplean en obra se asemejan más al dibujo (1). Asimismo, en pastones de menor tamaño el error es mayor.

3)       Variación de la resistencia por compactación deficiente:

Cuando el hormigón tiene el aspecto deseable, se necesita bastante esfuerzo para compactarlo y colocarlo en los encofrados, cuando esta tarea se hace a mano, en general no queda como corresponde. Es aconsejable la utilización de vibradores que reducen el porcentaje de vacíos. La variación de resistencia por esta causa puede llegar a un 50%.

4)       Variación de la resistencia por tiempo de mezclado:

El objeto del mezclado es asegurar que los materiales componentes se distribuyan uniformemente en la masa del hormigón. Un mal mezclado produce una mala distribución de los materiales y esa es la razón para que aparezcan partes del pastón pobres en cemento y partes ricas. A medida que aumenta el tiempo de mezclado, disminuye la dispersión, para 90 segundos de mezclado, prácticamente se consideran pequeñas las variaciones. Es de hacer notar que aumentando el tiempo de mezclado, aumenta la s’bm.

5)       Variación de la resistencia por inadecuado procedimiento de extracción de productos y de ensayo:

Puede llegar en valor hasta un 30%, conviene para disminuir estos errores, utilizar correctamente las normas para la extracción de productos y ejecución de ensayos.

Factor que causa la          variación.	Variación total aproximada sobre la resistencia del Hormigón
Calidad del cemento	Hasta 50% o más a los 28 días. Cementos de distintas marcas.
Granulometría de los áridos	Hasta un 20%
Esponjamiento del árido fino.	Si se compensa con un % de humedad medio, hasta 10% Si no se compensa, hasta un 25%
Medición en peso compensando las pesadas en función del % de humedad de los áridos.	Hasta 8%.
Medición en volumen	Buenas condiciones hasta 8% (1) Condiciones corrientes hasta un 70% (2) Malas condiciones hasta 100% (3)
Mala compactación	Hasta 50%

     

(1)     Son buenas condiciones de medición cuando el cemento se mide por bolsa entera ó unidad de peso y los áridos en volumen en recipientes de pequeña sección y gran altura enrasando el recipiente y compensando el volumen en función del esponjamiento del árido fino.

(2)     Son condiciones corrientes de medición cuando el cemento se mide en peso y los áridos en recipientes de gran sección y poca altura, groseramente enrasados y sin compensar por esponjamiento.

(3)     Por malas condiciones se entienden aquellas en que tanto el cemento como los áridos se miden en volumen en recipientes de gran sección y escasa altura, sin enrasar y sin compensar por esponjamiento. Nótese que estas condiciones imperan en la mayoría de las obras donde se produce hormigón.

Esta tabla nos permite saber donde debemos intensificar el control conociendo las condiciones de trabajo.

Por ejemplo, si las condiciones actuales de control son nulas, debemos comenzar por controlar la medición de los materiales, lo que nos puede dar variaciones de hasta el 100% si son mal realizadas, ya que frente a esto la posible variación por granulometría que es del 20% es irrelevante.

Si sabemos que la medición es en peso y en óptimas condiciones y que la calidad del cemento no varía demasiado (por ejemplo con hormigón elaborado) conviene controlar la compactación 50%. Los ítem resaltados en amarillo son controlados con precisión en planta por el proveedor, quedando para controlar en obra la compactación de la mezcla.

ESPECIFICACIONES PARA REALIZAR PEDIDOS DE HORMIGÓN ELABORADO:

Cuando decidimos utilizar hormigón elaborado existen características que debemos solicitar al proveedor:

·         Tensión característica (s‘bk) con la que queremos trabajar, que es la que nos pide el calculista.

·         Asentamiento: Este dependerá del tipo de trabajo a realizar. Sección de las piezas a llenar, concentración de armaduras, etc. Son asentamientos usuales entre 5 y 10 cm.

·         Volumen a utilizar y sistema de colocación (convencional o con bomba). Estimación de tiempos de descarga y distancias a la obra. Si se necesita un tiempo mayor a 150 minutos para el viaje y la descarga puede ser necesario el uso de aditivos retardadores de fragüe.

·         Tipo de agregados y granulometría de agregados gruesos. También varía de acuerdo al destino de la obra. Pueden necesitarse áridos de mayor tamaño o incluso agregados livianos, como las arcillas expandidas.

·         Tipo de cemento: en determinadas obras pueden necesitarse hormigones de alta resistencia a los sulfatos, o de alta resistencia inicial, por ejemplo, que obligan al uso de cementos especiales.

·         Necesidades de aditivos. Las características de la obra definirán la necesidad de uso de aditivos para conseguir propiedades específicas como son los fluidificantes, incorporadores de aire, reductores de retracción, etc.

Estos requerimientos permitirán al proveedor, proyectar y cotizar el hormigón requerido.

Es muy importante la programación de la obra, para definir el flujo de llegada de los motohormigoneros a esta, debido a que es necesario minimizar los tiempos de espera de los mismos.

CURADO DEL HORMIGON:

Una vez minimizados los riesgos de variación de calidad del hormigón debemos concentrarnos en vigilar el proceso de curado.

Como se ha dicho, la hidratación del cemento se produce por la combinación del cemento y el agua de amasado, que deben estar en contacto durante el proceso de fragüe.

El principal riesgo es la combinación de altas temperaturas y baja humedad ambiental, que favorecen la evaporación del agua. Este fenómeno debilita el hormigón por dos vías, la ausencia de agua suficiente para la hidratación y la aparición de microfisuras que aumentan la porosidad. Las gotas de agua, en su camino hacia la superficie del hormigón producen estas microfisuras.

Para evitarlo es necesario proteger al hormigón poniéndolo en contacto con agua o utilizando membranas de curado que impiden la fuga del agua de amasado.

En el otro extremo, el proceso de fragüe se detiene a los 4 º C, de manera que con temperaturas muy bajas es necesario tener en cuenta este fenómeno cubriendo el hormigón con carpas de curado. Llegado el caso,  si la obra lo justifica, puede utilizarse el curado a vapor que también actúa como acelerador de fragüe.

(Hasta acá 30 minutos.)

HORMIGONES ESPECIALES: ¿Qué nos ofrece el mercado?

Hasta aquí hemos estudiado los hormigones convencionales que son los más usuales en todo tipo de obras, pero el avance de la tecnología nos permite disponer de materiales de características específicas cuya difusión se encuentra en permanente aumento. Así podemos mencionar:

·         Hormigones de alto desempeño HAD

·         Hormigón auto compactante. HAC

·         Rellenos de densidad controlada

·         Hormigones proyectables.

·         Hormigones con retracción reducida.

Hormigón de alto desempeño:

Ya fueron utilizados hormigones clase H60 en edificios como Banco de Galicia y Repsol Y.P.F. Como criterio de diseño se tomó un asentamiento de 18 a 20 cm. en el cono de Abrams y un extendido en la mesa de Graf de 50 cm. +/- 4 cm.

Fueron elaborados con cemento portland compuesto CPC 40 con hasta un 35% de adiciones minerales combinado con cemento normal.

Este tipo de material es ideal para disminuir secciones en piezas de gran solicitación a la compresión, como son los tabiques o columnas de edificios de gran altura o en piezas pretensadas dado que al alcanzar gran resistencia a edades tempranas podemos aplicar el esfuerzo de pretensado rápidamente, reutilizando los moldes.

Vale mencionar, que se encuentran finalizados los ensayos de laboratorio para hormigones clase H 80.

Hormigón auto compactante:

Se trata de hormigones capaces de fluir sin necesidad de aplicación de energía vibratoria. Los hormigones auto compactantes deben cumplir con los siguientes ensayos:

Ensayo de extendido en la mesa de Graf: Este ensayo mide la capacidad de fluir sin obstáculos. Se llena un cono de Abrams y al retirarlo el hormigón debe extenderse en la mesa hasta un diámetro de 65 +/- 5 cm.

Es importante la inspección visual de la mezcla observando que no haya segregación entre la pasta y los agregados en el borde de ataque (mezclas estables o inestables). Fotos

Ensayo U Box: Este ensayo se realiza para medir la capacidad de llenado y pasaje por pequeñas aberturas. Consiste en el llenado de uno de los lados de la U hasta una altura de 700 mm., luego se levanta la compuerta ciega quedando las armaduras. Para que el ensayo sea aceptable, el hormigón debe subir como mínimo 30 cm. del otro lado de la U. (descripción y fotos)

Ensayo L Box: Con este ensayo medimos la capacidad de autonivelación. Primero llenamos la rama vertical hasta 600 mm de altura. Luego se abre la compuerta dejando 3 F 12 con 34 mm de separación. Al fluir el hormigón se llena la rama horizontal de 700 mm de longitud. Se mide la relación entre las alturas en los extremos de la rama horizontal (h2/h1) que no debe ser menor a 0,8.

La fluidez característica de estos hormigones se obtiene con aditivos modificadores de viscosidad y adiciones minerales (polvos) sumado a una cuidadosa selección de agregados.

Estos hormigones son muy útiles para el llenado de elementos de gran esbeltez como tabiques o columnas o piezas con gran concentración de armaduras como vigas de grandes luces, nudos de pórticos, etc. Disminuyen también la cantidad de mano de obra porque facilitan la colocación en los encofrados, permitiendo mayor velocidad de llenado.

Rellenos de densidad controlada:

Estos rellenos reemplazan al hormigón pobre y al suelo seleccionado, tanto en bases de pavimentos o como hormigones de limpieza en fundaciones.

Con contenidos de cemento del orden de 180 kg./m³ y espumigenos se obtienen mezclas con densidades del orden de 1700 kg./m³ y resistencias de 30 a 50 kg./cm².

Son mucho más trabajables que el hormigón pobre y proveen una gran facilidad de colocación y compactación obteniéndose resistencias más homogéneas que con suelo cemento o suelo seleccionado. Esta propiedad los hace muy útiles en bacheos de pavimentos de hormigón.

Hormigones proyectables:

Como su nombre lo indica, son hormigones que se proyectan violentamente sobre una superficie. Este procedimiento puede realizarse por vía seca y vía húmeda.

Vía seca: Se mezcla arena y cemento y se envía por un tubo con aire a presión. En el extremo se agrega agua a través de una boquilla y se proyecta la mezcla violentamente sobre la superficie a hormigonar.

Vía húmeda: Se hace la mezcla con la cantidad de agua necesaria y luego se proyecta.

Diferencias entre los dos sistemas:

	Vía seca	Vía húmeda
a	Como el control de agua se realiza desde la boquilla, puede variarse según las necesidades.	Puede medirse con precisión la razón agua – cemento. Da hormigones más homogéneos.
b	Apto para agregados porosos y áridos muy finos	Mayor seguridad en el mezclado y aditivado más  simple.
c	Permite trabajar con mangueras más largas.	Menor polución y menor rebote.
d	Puede detenerse la proyección en cualquier momento con mínimo desperdicio.	Pueden realizarse grandes proyecciones por jornada.

En vía seca se trabaja con razones agua – cemento entre 0,40 y 0,45, la cantidad de agua la define el operador, ante excesivo rebote debemos aumentar la cantidad de agua. Si el material fluye o se cae hay que disminuir la cantidad de agua.

En un principio se podían usar mezclas con áridos gruesos de hasta 7 mm. Las máquinas de última generación permiten el uso de hasta 19 mm de tamaño máximo.

La granulometría de las arenas debe ser continua para poder disminuir el contenido de agua.

Aplicaciones: Túneles, defensas costeras, piletas de natación, reparación y refuerzo de estructuras, etc.