Unidad 11 - HORMIGONES ESPECIALES

UNIVERSIDAD TECNOLOGICA NACIONAL
Facultad Regional Santa Fe
Cátedra: Tecnología del Hormigón - Ingeniería Civil
Profesor: Ing. Ma. Fernanda Carrasco
Unidad 11 - HORMIGONES ESPECIALES
CONSIDERACIONES GENERALES
El hormigón convencional elaborado con cemento portland y agregados tradicionales
presenta diversas deficiencias. Algunos intentos por solucionar estas deficiencias han
provocado el desarrollo de hormigones especiales, que representan avances importantes en la
tecnología del hormigón y que son el objeto de estudio en el presente apunte.
Si se lo compara con el acero, la baja relación resistencia-peso representa para el
hormigón un inconveniente económico en la construcción de edificios de gran altura, puentes de
grandes luces y estructuras flotantes. Para mejorar la relación resistencia-peso se han
propuesto dos soluciones: o se reduce la densidad del material o se incrementa su resistencia.
La primera alternativa se puso en práctica durante los últimos 70 años. Los agregados
livianos se utilizan en todo el mundo para producir hormigones livianos estructurales con un
peso unitario aproximado de 1600 kg/m³ y una resistencia a compresión de 25 a 40 MPa.
En concordancia con la segunda propuesta, durante los años 70, se produjeron
industrialmente hormigones de densidad normal (2400 kg/m³) de alta resistencia (60 a 80
MPa) a compresión mediante el uso de aditivos superfluidificantes y de adiciones puzolánicas.
Sin embargo, parece que los límites aún no han sido alcanzados. Se están llevando a
cabo desarrollos para producir agregados livianos de mayor resistencia de modo que una baja
densidad y una elevada resistencia puedan ser alcanzadas en forma simultánea.
Por otra parte, la aplicación de aditivos superfluidificantes no está limitada a la
producción de hormigones de alta resistencia. A medida que las estructuras se vuelven más
amplias y complejas, se requieren elementos estructurales más densamente armados. A modo
de respuesta, los hormigones autocompactantes permiten obtener una gran trabajabilidad y
fluidez, sin los inconvenientes de elevadas relaciones agua/cemento y de la segregación. Estos
hormigones de gran trabajabilidad, no requieren una compactación mecánica y por lo tanto han
extendido las fronteras de aplicación del hormigón.
La contracción por secado del hormigón frecuentemente produce la fisuración de las
estructuras. Esto es reconocido tanto en lo que respecta al diseño como a la construcción,
especialmente para estructuras como los pavimentos, pisos y elementos estructurales
delgados. Para contrarrestar este problema, durante los últimos 20 años se han empleado
exitosamente los hormigones de contracción compensada, elaborados con cementos o
aditivos químicos expansivos.
Nuevamente, si comparamos al hormigón con otros materiales de construcción, su
tenacidad es reducida y por lo tanto, su resistencia a los impactos resulta pobre. Esta
característica ha sido mejorada de manera notoria mediante el uso de hormigones reforzados
con fibras, conteniendo fibras de acero, vidrio o polipropileno.
La impermeabilidad de los materiales es importante en relación a su durabilidad en
presencia de humedad o de soluciones químicas agresivas y para ello se han desarrollado
hormigones conteniendo polímeros de muy baja permeabilidad y excelente resistencia
química. Las capas delgadas de hormigones con polímeros resultan muy adecuadas para la
protección de las estructuras en ambientes industriales o en puentes, así como para la
rehabilitación de pavimentos deteriorados.
Los hormigones de elevada densidad, que presentan un peso unitario que supera al
hormigón convencional en aproximadamente un 50 %, se utilizan para la construcción de
escudos de radiación.
Los hormigones masivos, utilizados en la construcción de presas y otras estructuras de
grandes dimensiones se han utilizado ampliamente y las tecnologías aplicadas han sido
influenciadas principalmente por los métodos seleccionados para controlar la elevación de
temperatura. El enfriamiento previo de los materiales componentes a eliminado la necesidad de
realizar costosas operaciones de enfriamiento posterior y ha acelerado los procesos de
ejecución. Por otra parte, las presas de menos de 100 m de altura pueden construirse con
hormigones compactados a rodillo, utilizando equipos convencionales de movimiento de
suelos con resultados económicos y tecnológicos inimaginables hace 10 años atrás.
A continuación se estudian los aspectos principales de algunos de estos materiales.
HORMIGONES LIVIANOS
La denominación de “HORMIGONES LIVIANOS” cubre toda una gama de materiales de
construcción de muy variadas características, cuya principal propiedad es su reducido peso
específico, y que sólo tienen en común, en lo que atañe a su composición, el empleo de
cemento portland en su elaboración.
Desde el punto de vista de sus elementos componentes algunos de estos materiales no
son, en realidad, hormigones, si se reserva esta denominación a los productos constituidos por
cemento, agregados gruesos y agregados finos de origen mineral.
En términos generales los hormigones livianos pueden ser considerados como el
resultado de la tendencia generalizada de obtener un material de construcción que, con las
características de los hormigones tradicionales, reúna en grado apreciable cualidades de
liviandad, capacidad aislante y economía.
Los hormigones convencionales, ejecutados con agregados de alto peso específico y
elaborados de manera de obtener con el cemento y el agua una masa tan compacta como sea
posible, se caracterizan por su elevado peso específico, su gran resistencia mecánica y por ser
prácticamente impermeables al agua y al aire y relativamente buenos conductores de los ruidos
y del calor. En términos generales, estas propiedades son tanto más acentuadas cuanto más
denso y compacto es el hormigón. Por el contrario, los hormigones livianos presentan como
principal característica su reducido peso específico y su elevada capacidad de aislamiento
térmica. Esta última aumenta a medida que disminuye el peso específico y la resistencia
mecánica.
Teniendo en cuenta que en la elaboración de hormigones livianos, siguiendo los distintos
procesos que más adelante se describen, es posible hacer variar el peso específico entre
límites muy amplios, es fácil comprender la gran diversidad de productos que pueden
obtenerse.
Es conveniente adaptar el peso específico y la resistencia del producto a elaborar a la
función que han de desempeñar dentro de la construcción los elementos a ejecutarse y,
algunas veces, supeditar aquellas características a las condiciones de transporte y de
manipuleo entre otras, que pueden exigir una determinada resistencia al hormigón. También
pueden intervenir otros factores, por ejemplo la importancia de la contracción (a veces
considerable para ciertos hormigones livianos), el comportamiento a la intemperie, a la
penetración de la lluvia, a la ascensión capilar de la humedad, etc.
Clasificación de los hormigones livianos
La multiplicidad de tipos existente dificulta la clasificación de los hormigones livianos en
categorías y divisiones netamente diferenciadas en base a los distintos métodos de elaboración,
ya que existen superposiciones. La clasificación general consignada en el Cuadro 1 constituye,
no obstante, una base aceptable. Esencialmente esta clasificación se basa en los tres
procedimientos que, en forma individual o simultánea, conducen a la elaboración de los distintos
tipos de hormigones livianos:
•
Formación de numerosas pequeñas celdas por incorporación de aire o gas en el
seno de la masa de hormigón fresco y su mantenimiento hasta que aquél se
endurezca (Hormigones Celulares).
•
Utilización de agregados livianos (Hormigones de agregados livianos).
•
Realización de grandes huecos por la supresión de los elementos finos del
agregado, el cual tendrá una granulometría uniforme (Hormigones cavernosos o
“sin finos”).
A continuación se presentará las características principales de cada uno de los tipos de
hormigones livianos descriptos.
Cuadro 1. Clasificación de los hormigones livianos
I) HORMIGONES
CELULARES
(1)Dos productos químicos
que reaccionan entre sí
A) Hormigón
gaseoso
(Ácido clorhídrico y bicarbonato de sodio)
(Cloruro de cal y agua oxigenada)
(Carburo de calcio y agua)
(2)Un producto químico que
reacciona c/ el cemento
(Polvos metálicos (aluminio, zinc
(magnesio, calcio, bario, litio)
(Sales (carbonatos, bicarbonatos))
(3)Un producto que sufre
proceso de fermentación
(Levaduras orgánicas)
(Fermentaciones lácticas)
B) Hormigón de espuma
(a) Rocas sedimentarias
(a1)Tierras diatomáceas
(a2)Conchillas calcáreas
(b Rocas ígneas
(b1) Piedra pómez
(b2) Escorias volcánicas (Puzolanas)
(b3) Tobas (caliza porosa)
(a) Elaboradas
(a1) Arcillas y pizarras expandidas
(a2) Silicatos expandidos (Perlita)
extra livianos (Vermiculita)
II) HORMIGONES DE AGREGADOS
LIVIANOS
Naturales
A) Hormigones
de agregados
livianos
inorgánicos
Artificiales
B) Hormigones
de agregados
livianos
orgánicos
(b) Subproductos
(b1) Escorias
(b2) Escorias granuladas de altos hornos
(b3) Escorias expandidas
(b4) Cascotes de ladrillos
Cenizas de combustibles sólidos
(1) Madera
(a) Aserrín
(b) Virutas
(c) Fibras
(2) Otros agregados: Paja; desechos de cáñamo lino, etc.: cáscara
de arroz; cáscara de papas; vainas de porotos; corcho granulado, etc.
III) HORMIGONES CAVERNOSOS O “SIN FINOS”
HORMIGONES CELULARES
Resultan del fraguado y endurecimiento de una mezcla formada por cemento portland y
agua, con o sin agregados finos, que ha sido sometida a un tratamiento mecánico, físico o
químico previo, destinado a crear una gran cantidad de pequeñas cavidades esféricas
regularmente repartidas en el seno de la mezcla y todas de dimensiones aproximadamente
iguales. Los alvéolos, una vez formados, deben permanecer indeformables y sin experimentar
desplazamientos en el curso de todas las operaciones que sufre la mezcla durante su
elaboración y posteriormente a la misma.
De las consideraciones precedentes se desprende que los llamados hormigones
celulares no son hormigones sino que constituyen, cuando intervienen agregados finos en su
elaboración, morteros finos recubriendo los alvéolos. Sin embargo, la denominación anterior
queda justificada en estos casos por extensión considerando que cada alvéolo reemplaza un
grano de agregado grueso, de tal manera que pueden ser considerados como hormigones
compuestos de una lechada de cemento, agregados finos y agregados gruesos constituidos por
las células generadas.
Según cuál sea el procedimiento utilizado para su elaboración – en lo concerniente la
forma en que se originan las células en la mezcla – los hormigones celulares pueden clasificarse
en dos grupos:
-
Hormigón gaseoso o “gasbeton”
Hormigón de espuma
Hormigón gaseoso o “gasbeton”
Las células o burbujas se obtienen por desprendimiento de gases en el seno de la
mezcla como consecuencia de reacciones químicas producidas en la misma.
El proceso debe efectuarse bajo una presión de los gases tal que las burbujas se
distribuyan uniformemente dentro de la mezcla, pero suficientemente moderada para que
permanezcan en su interior. La presión debe mantenerse durante el tiempo necesario para que
el material adquiera resistencia de manera de evitar la ruptura de las burbujas o su deformación.
Las experiencias demuestran que los procesos de producción de gas y de fraguado
deben ser simultáneos, ya que si el fraguado termina y continúa el desprendimiento de gas, hay
peligro de destrucción total o parcial del material o bien debilitamiento del mismo. En cambio, si
la producción de gas es muy rápida, y termina mucho antes que el fraguado, las pequeñas
burbujas se reunirán en otras de mayor tamaño, mal distribuidas, existiendo el peligro de su
destrucción; y si esto no llega a suceder, el material obtenido contendrá pocos alvéolos y será
mal aislante y de reducida resistencia.
Existen, dentro de este grupo, dos procedimientos especiales:
1) Incorporación a la mezcla de dos productos químicos susceptibles de reaccionar
mutuamente y provocar un desprendimiento de gas en presencia del agua de mezclado.
Por ejemplo:
a) ácido clorhídrico y bicarbonato de sodio, con desprendimiento de gas carbónico
HCl + NaHCO3 = NaCl + H2O + CO2
b) cloruro de cal y agua oxigenada, con desprendimiento de oxígeno
CaOCl2 + H2O2 = CaCl2 + H2O + O2
c) carburo de calcio y agua, con desprendimiento de acetileno
C2Ca + 2H2O = C2H2 + Ca (OH)2
2) Incorporación a la mezcla de un solo producto químico susceptible de reaccionar con el
cemento en presencia del agua y provocar un desprendimiento de gas. Por ejemplo:
a) polvos metálicos (aluminio, zinc, magnesio, calcio, bario, litio, etc. y aleaciones)
b) sales (carbonatos, bicarbonatos).
Los diversos procedimientos de fabricación difieren esencialmente según las condiciones
en las que se incorporan los agentes reactivos a la mezcla y según el momento en que la
reacción comienza a producirse. En otras palabras, los reactivos pueden ser incorporados antes
del mezclado o una vez que éste haya concluido. Consecuentemente, el desprendimiento
gaseoso se realizará en la mezcladora o bien en los moldes una vez colocada la mezcla.
Generalmente se hace necesario agregar agentes estabilizadores destinados a regular el
desprendimiento gaseoso y aumentar la resistencia de las burbujas formadas en el seno de la
mezcla. Las distintas variantes indicadas dan lugar a las diferentes patentes comerciales que se
conocen.
Cuando se utiliza polvo de aluminio como agente generador de gas, su grado de fineza
influye preponderantemente sobre la velocidad con que se produce la reacción química, sobre el
tamaño y número de los alvéolos y, consecuentemente, sobre la magnitud del coeficiente de
conductibilidad térmica del material que se elabora.
La cantidad de polvo de aluminio necesaria para elaborar un hormigón gaseoso de peso
específico determinado depende, a igualdad de los demás factores, del tamaño de sus granos.
En general, dicha cantidad oscila entre 0,25 y 0,50% del peso de cemento. las experiencias de
laboratorio realizadas con este tipo de hormigones revelan un mejor comportamiento cuando se
utiliza reducida cantidad de polvo fino (que pasa por tamiz de 6400 mallas) o regular cantidad de
polvo mediano (residuo sobre tamiz de 6400 mallas).
La reacción química básica que tiene lugar como resultado de la incorporación del polvo
de aluminio a la mezcla es la siguiente:
2Al + 3Ca (OH)2 = 3CaO.Al2O3 + 3H2
El polvo de aluminio forma aluminatos con los compuestos alcalinos del cemento,
liberando hidrógeno.
El volumen de gas realmente aprovechable alcanza al 40 a 50% del volumen
teóricamente desarrollable. Sin embargo, no todo el gas producido queda retenido en la masa
en forma de poros: una parte escapa a través de la pasta y otra reacciona una vez comenzado
el endurecimiento del cemento, por lo cual escapa a través de las paredes.
Por otra parte, el grado de fineza del polvo de aluminio que se utiliza influye
manifiestamente en la velocidad con que se producirá la reacción química correspondiente. En
efecto, utilizando polvo de aluminio de grano grueso la gasificación dura entre 20 y 30 minutos;
con polvo de grano mediano, de 1 a 2 horas, y con polvo de grano fino, 2 a 2 ½ horas.
Las experiencias realizadas demuestran que las cantidades porcentuales necesarias de
polvo de aluminio con relación al peso del cemento pueden reducirse considerablemente
regulando el pH del medio. Se ha podido constatar que, aumentando la concentración iónica se
consigue un mayor aumento de volumen, pareciendo ser que el valor óptimo del pH oscila
alrededor de 13. La incorporación a la mezcla de soluciones de NaOH al 10%, al aumentar la
concentración iónica, permite reducir considerablemente las cantidades de polvo de aluminio
necesarias para obtener un hormigón gaseoso de determinadas características.
Hormigón de espuma
La formación de los alvéolos resulta de incorporar a la mezcla un producto que, por
agitación, es susceptible de generar una espuma abundante de burbujas de aire de la dimensión
deseada. Se puede, asimismo, preparar la espuma con anterioridad e incorporarla como
agregado ordinario a la mezcla.
Todos los productos espumígenos conocidos pueden ser utilizados con este fin pero,
como la presencia del agua de mezclado hace decrecer la tensión superficial, es necesario
agregar a dicho producto un agente estabilizador destinado a asegurar la tenacidad de las
burbujas hasta que se produzca el correspondiente endurecimiento de la mezcla.
Como agentes espumígenos suelen utilizarse: detergentes; jabones resinosos y colas
animales o vegetales; saponina; sulfo-ácidos de la naftalina; resinas vinílicas; proteínas
hidrolizadas; etc.
En la elaboración de los hormigones celulares en general el mezclado tiene una
importancia fundamental sobre la calidad del producto. La duración del mezclado influye
directamente sobre la resistencia y la densidad del hormigón: cuanto mayor es el tiempo de
mezclado menor es la densidad en ambos tipos de hormigón celular. Asimismo, las
características de las mezcladoras, en cuanto a su velocidad de rotación y la forma de sus
paletas, influye sobre las propiedades del hormigón que se elabora en razón de la calidad de la
mezcla que permite obtener.
En cuanto a la composición de la mezcla deben hacerse algunas consideraciones
generales sobre las características de las materias primas utilizadas.
En lo referente al cemento portland, la finura de molido, las proporciones relativas de los
distintos elementos químicos que intervienen en su composición y, consecuentemente, el calor
de hidratación, juegan un papel preponderante en los distintos procesos de elaboración de
hormigones celulares.
En lo que se refiere a los agregados, las propiedades de los hormigones celulares
variarán fundamentalmente con el tamaño de sus granos.
En general, la elaboración de mezclas para hormigones celulares requiere una elevada
relación agua – cemento medida en peso. Su valor oscila generalmente entre 0,7 y 2. La razón
más evidente de esta necesidad reside en la fineza de las materias primas utilizadas.
Lamentablemente, esta circunstancia trae aparejado un serio inconveniente en los productos
elaborados: una considerable contracción de los mismos en el caso de hormigones curados al
aire.
Los agentes expansivos intervienen en los distintos procesos de elaboración siguiendo
las modalidades indicadas más arriba, pero la incorporación de ciertos elementos en las
mezclas puede hacer variar la marcha del fenómeno de expansión, estabilizando las burbujas o
regularizando sus dimensiones y su proceso de formación.
Existen dos procesos de elaboración:
1) La espuma se genera dentro de la mezcla. El agente espumígeno debe ser incorporado a la
mezcla con posterioridad a todos los demás componentes. La velocidad aconsejada para la
mezcladora es de 80 a 90 revoluciones por minuto. Concluido el período de mezclado, la
consistencia de la mezcla debe ser cremosa. Mezclas más viscosas pueden dar lugar a la
formación de grandes burbujas de aire, con la correspondiente disminución de las propiedades
características del material que se elabora.
En términos generales, la cantidad de agente espumígeno (variando entre el 2 y el 7% de
cemento en peso) requerido para obtener un peso específico aparente determinado dependerá
de los siguientes factores:
a)
b)
c)
d)
e)
f)
g)
Tipo de mezcladora utilizada.
Cantidad de materiales componentes mezclados.
Consistencia de la mezcla.
Proporciones de la mezcla.
Duración del período de mezclado.
Tipo y calidad del agente espumígeno utilizado.
Velocidad de mezclado.
2) La espuma se genera en aparatos especiales. Posteriormente se incorpora a la
mezcla como un agregado más, continuando el mezclado hasta obtener una mezcla tan
homogénea como sea posible. El material así elaborado se colocará en moldes cuidando de que
no sufra vibraciones ni golpes para evitar que se produzcan pérdidas considerables de espuma.
El peso específico de la espuma variará entre 30 y 80 kg / m3 y será preparada en
soluciones de agentes espumígenos al 2 a 4%.
Curado de los hormigones celulares
El método de curado tiene una gran influencia sobre la resistencia y la contracción de los
hormigones celulares, dando lugar a productos de diferente calidad.
Los métodos de fabricación de hormigones celulares, que requieren una gran cantidad
de agua de mezclado, traen como consecuencia que dichos productos sufran una considerable
contracción, que puede sobrepasar los 5 mm/m, si son tratados en las condiciones normales de
endurecimiento al aire.
Además, las experiencias demuestran que la hidratación total del cemento en
hormigones celulares endurecidos al aire se produce al cabo de períodos muy prolongados.
Esta circunstancia crea la necesidad de instalar grandes áreas de curado con adecuada
protección del sol y de las corrientes de aire y de disponer stocks de gran magnitud, con los
inconvenientes que ello trae aparejado.
El tratamiento bajo presiones de vapor de 6 a 10 atmósferas a temperaturas
comprendidas entre 150 y 2000C durante un período que varía entre 8 a 24 horas, curado en
autoclave, permite eliminar los inconvenientes mencionados. La duración de este tipo de curado
y la presión del vapor dependen del peso específico y del hormigón y de las dimensiones de los
elementos. El curado en autoclave permite obtener una resistencia muy superior (próxima a la
resistencia definitiva) en un lapso mucho menor.
Propiedades de los hormigones celulares
Peso específico aparente
Como ya se ha indicado se podrán elaborar hormigones celulares de pesos específicos
aparentes en estado seco comprendidos entre 300 y 1400 kg/m3, según el procedimiento de
fabricación que utilice y la dosificación adoptada.
En la figura 1 se representa la relación entre el peso específico aparente seco de los
hormigones celulares y el contenido de cemento para distintas relaciones cemento –arena.
Resistencia
Depende de los siguientes factores:
1) Homogeneidad del hormigón
2) Dosificación (cemento, agregados y agua)
3) Peso específico
4) Procedimiento de curado (al aire o en autoclave)
Figura 1. Variación del peso específico de los hormigones celulares en función del contenido de
cemento
El procedimiento de elaboración tiene gran influencia sobre las propiedades de los
hormigones celulares en general y sobre su resistencia en particular, existiendo la tendencia a
presentar una mayor densidad en la parte inferior de las piezas moldeadas, y
consecuentemente, distintas resistencias de una zona a la otra del mismo producto. Para
obtener productos de resistencia uniforme deberá controlarse cuidadosamente el proceso de
elaboración a efecto de asegurar la obtención de hormigones celulares homogéneos.
Las resistencias varían con la dosificación del cemento así como con su grado de fineza
y su origen. Asimismo tienen gran influencia las características del agregado, la relación
cemento-agregado y la relación agua-cemento.
En términos generales la resistencia crece con el peso específico, pero cada tipo de
hormigón celular tiene su propia ley de variación que no es aplicable a los productos elaborados
mediante procesos diferentes (Figura 2).
En general, puede admitirse que los hormigones celulares curados en autoclave
presentan resistencias a la compresión del orden del doble de los que corresponden a
materiales semejantes curado al aire. Por otra parte el curado en autoclave permite obtener una
resistencia muy superior (próxima a la resistencia definitiva) en un lapso mucho menor.
Un aspecto importante lo constituye la posibilidad de adherencia entre las armaduras y el
hormigón celular. Los hormigones curados al aire presentan resistencias muy reducidas y no
pueden ser armados. En cambio en diversos hormigones curados en autoclave se obtienen
tensiones de adherencia del orden de 10 a 20 kg/cm², lo que permite la fabricación de elementos
armados.
Aislación térmica
Se verifica con los hormigones celulares que existe una proporcionalidad directa entre la
conductibilidad térmica y el peso específico aparente seco. La figura 3 representa dicha ley de
variación para el caso del hormigón celular gaseoso y de espuma.
Figura 2. Variación de la resistencia de los hormigones celulares en función de la densidad
aparente: a) hormigón gaseoso b) hormigón de espuma
Figura 3. Variación de la conductividad térmica de los hormigones celulares en función de la
densidad aparente: a) hormigón gaseoso b) hormigón de espuma
Es sabido que aire alcanza su máximo poder aislante cuanto más pequeñas son las
capas del mismo y menor es su movimiento. Estas dos condiciones se cumplen
simultáneamente en los hormigones celulares los que, por este motivo, presentan excelentes
cualidades como aislantes térmicos. Teniendo en cuenta que las células tienen generalmente de
0,1 a 1 mm de diámetro y, además, son rigurosamente independientes, se comprende que los
hormigones celulares tengan coeficientes de conductibilidad térmica muy reducidos.
Contracción
Constituye el mayor inconveniente de los hormigones celulares, debido a la magnitud y
en razón de los efectos destructivos que pueden producirse a causa de las tensiones internas
que se genera.
La contracción decrece a medida que aumenta el peso específico, y es prácticamente
nula para hormigones celulares curados en autoclave. Estos últimos, sin embargo, sometidos a
humedecimientos y secados sucesivos, sufren contracciones comparables a las de los
hormigones celulares curados al aire. Es común constatar, en hormigones celulares de pesos
específicos del orden de 600 a 800 kg/m³, contracciones de 5 mm/m al cabo de 300 días. Para
pesos específicos de 1300 kg/m³ la contracción puede alcanzar valores del orden de 2 mm/m.
La contracción de los hormigones celulares curados al aire puede reducirse con las
siguientes precauciones:
•
Asegurando una homogeneización perfecta de la mezcla fresca, especialmente mediante el
batido de la lechada de cemento previo a la introducción de los agentes productores de gas
o de espuma y, eventualmente, de los agregados inertes.
•
Llevando el hormigón endurecido a su contracción de equilibrio mediante un secado al aire,
lento y progresivo, con el objeto de evitar tensiones internas demasiado elevadas en el
momento de su empleo en la construcción.
•
Incorporando agregados livianos o cascotes triturados de productos celulares de modo de
formar un verdadero hormigón de mortero celular.
Cualquiera que sea el procedimiento de curado es necesario, para evitar el peligro de
fisuración, que los productos elaborados sean tales que no sufran más que variaciones de
dimensiones tan reducidas como sea posible bajo la acción de humedecimientos y secados
sucesivos a los que pueden estar sometidos en el almacenaje y durante o después de la
ejecución de la obra.
Absorción de agua
En virtud de su estructura característica, los hormigones celulares son capaces de
absorber cantidades de agua muy reducidas. En efecto, los poros encierran aire o gas a una
presión que difiere poco de la atmósfera. Cuando se sumerge y mantiene el hormigón en el
agua, ésta penetra por las paredes entre células hasta que se produce la igualación de
presiones del agua y del aire o gas encerrado. Teniendo en cuenta el elevado porcentaje de
vacíos con relación a los llenos, se deduce que dicha penetración será muy limitada.
La absorción de agua por capilaridad crece con la disminución de las dimensiones de las
células, siendo de fundamental importancia que éstas presenten una contextura cerrada sin
intercomunicaciones. Esta propiedad es muy importante tanto en lo que concierne al
comportamiento del material frente a la humedad de las construcciones como a su resistencia a
los ciclos de congelación y deshielo.
La higroscopicidad es mínima y limitada. Su aumento de peso es de 13% a los 60 días y
21% al cabo de 360 días.
Resistencia al fuego
Como consecuencia de su reducida conducción térmica y teniendo en cuenta que están
constituidos por materiales inorgánicos e inertes, se deduce que los hormigones celulares
presentan un buen comportamiento al fuego.
Aislación acústica
La intensidad de las ondas sonoras es amortiguada por el paso sucesivo a través de las
paredes de las células y de las capas de aire o gas en reposo encerrado en aquellas. Por tal
motivo, los hormigones celulares constituyen buenos aislantes del sonido, lo que ha sido
comprobado por ensayos especiales de laboratorio que arrojan excelentes resultados en cuanto
a la reflexión, transmisión y absorción del sonido.
Posibilidad de ser clavados y aserrados
Los hormigones celulares son clavables y aserrables, dependiendo esta propiedad de la
densidad y de la proporción de agregados duros. Cuanto más pesado es el hormigón y mayor es
la cantidad de agregados silíceos menor es la facilidad de ejecutar dichos trabajos. Desde este
punto de vista, los elementos curados en autoclave – en que la sílice se transforma en silicato –
son más fáciles de trabajar que ciertos hormigones fraguados al aire.
Fragilidad
El hormigón celular es un material bastante frágil, por lo que se hace necesario tomar
precauciones durante su transporte y colocación en obra para evitar roturas. La fragilidad crece
a medida que disminuye su peso específico.
Imputrescibilidad
Por estar constituidos por materiales inorgánicos e inertes, los hormigones celulares son
completamente insensibles a la acción de las humedades y al consiguiente desarrollo de
musgos y hongos. Es inatacable por los insectos, oxidaciones, etc.
HORMIGONES ELABORADOS CON AGREGADOS LIVIANOS
Resultan de la sustitución de los agregados minerales ordinarios (densos) que se utilizan
en la elaboración de hormigones comunes, por agregados livianos inorgánicos u orgánicos.
La estructura que presentan estos hormigones es, aparentemente, semejante a la de los
hormigones ordinarios, pero contiene en su interior una gran cantidad de alvéolos que ocupan
un volumen considerable. Mientras en los hormigones celulares anteriormente descriptos los
alvéolos están distribuidos uniformemente en su masa, los hormigones de agregados livianos
presentan una distribución heterogénea de vacíos repartidos en los agregados.
Para que estos hormigones reúnan las características esenciales requeridas es
indispensable que los agregados livianos estén repartidos de manera muy regular en la mezcla,
que no estén colmatados por el mortero de cemento y que no presenten una gran absorción de
agua.
Existe una gran diversidad de agregados livianos (ver cuadro 1) de distintas propiedades,
características y origen, utilizados en la elaboración de hormigones livianos, pudiendo ser
clasificados éstos teniendo en cuenta el agregado que ha intervenido en su composición.
Agregados naturales
a) Rocas de origen sedimentario:
a1) Tierras diatomáceas o diatomita o sílice fósil. Consiste esencialmente en residuos
microscópicos del esqueleto silíceo de un organismo fósil. Presenta una contextura formada por
innumerables poros y canales, con una densidad aparente muy reducida, lo que permite obtener
un hormigón muy liviano y, por lo tanto, muy poco resistente. Como consecuencia, la capacidad
de absorción de agua es considerable, debiendo tomarse precauciones especiales para evitar
contracciones importantes y fisuraciones durante el período de fraguado y endurecimiento.
a2) Conchillas calcáreas. Material frágil, de estructura laminar. Se lo utiliza previa
trituración o al estado natural.
b) Rocas ígneas
b1) Piedra pómez. Material de origen volcánico, de estructura celular esponjosa obtenida
naturalmente por distensión de la materia bajo la acción de una fuerte presión de gas en su
interior y un enfriamiento rápido. Al estado natural se la encuentra en bancos de un metro o más
de espesor, mezclada con cenizas volcánicas, detritos y esquistos, que deben ser eliminados
por lavado y flotación, con lo que se reduce su peso específico aparente que, en estado seco,
varía entre 500 y 700 kg/m3. La piedra pómez mezclada con arena silícea o arena de pómez y
cemento portland origina hormigones livianos de excelente calidad, de peso específico aparente
– para material suelto y seco – comprendido entre 650 y 1600 kg / m3.
b2) Escorias volcánicas. Material de origen volcánico de células más grandes, menos
numerosas y más irregulares que la piedra pómez. Su peso específico aparente para material
suelto y seco varía entre 700 y 1500 kg / m3. Ejemplo: puzolanas.
b3) Tobas. Cenizas volcánicas más o menos consolidadas en una roca porosa.
Agregados artificiales
a) Especialmente fabricados
a1) Arcillas y pizarras expandidas. Tienen la propiedad - cuando son calentadas
rápidamente y a una temperatura adecuada – de dilatarse o hincharse, dando lugar a un
producto poroso de estructura celular.
La materia prima proveniente de la cantera – previa trituración, molido y conveniente
mezclado – es introducida en hornos especiales cuya temperatura alcanza los 1100 a 14000C en
la zona más caliente. En ella el material arcilloso, en principio de fusión, se vuelve plástico,
formándose una superficie de protección sobre las partículas. Mientras tanto, en el interior de la
mezcla se produce un desprendimiento de gases proveniente del agua de combinación y
principalmente de las materias combustibles y de los carbonatos que contienen las materias
primas, o que pueden serle especialmente añadidas a tal efecto. Este desprendimiento gaseoso
da lugar a la formación de pequeñas celdas que le proporcionan al material su configuración
alveolar característica. Asimismo, se produce una notable expansión de las partículas arcillosas
que origina una marcada rugosidad superficial.
Al ser descargado del horno el material se presenta bajo la forma de nódulos
clinkerizados. Se procede entonces a un enfriamiento lento y a un posterior molido y tamizado.
Los alvéolos de las arcillas y pizarras expandidas tienen, en general, mayor dimensión
que los de la piedra pómez, aumentando con el grosor de los granos, y pudiéndose graduar a
voluntad regulando el tiempo de enfriamiento posterior al desprendimiento gaseoso.
Según el tamaño de los granos, el peso específico aparente del material suelto y seco
varía entre 350 kg / m3 para granos gruesos (9,5 a 19 mm) y 1200 kg / m3 para granos finos (0 a
4,75 mm).
Las arcillas y pizarras expandidas son conocidas en la práctica bajo muy diversas
denominaciones comerciales, a saber: Haydite, Gravelite, Lytag, Porag, Rocklite, Nodulite, etc.,
y también se las designa clinker de arcilla, marga expansiva, etc. Particularmente, en el campo
de la construcción ha sido adoptado el nombre de Haydite, denominación que proviene de su
inventor Stephen Hyde quien, por primera vez, obtuvo un producto de las características
mencionadas en el año 1913 en EE.UU.
En la elaboración de hormigones livianos a base de arcillas y pizarras expandidas la
dosificación correspondiente dependerá del peso específico que se desee obtener.
a2) Silicatos expandidos extra – livianos
α) Perlita. Roca volcánica vítrea compuesta de feldespato y silicato de alúmina, que
contiene de 2 a 5% de agua combinada, la cual no se elimina por simple secado sino solamente
a la temperatura de fusión, provocando una expansión notable. El material así obtenido presenta
una contextura de partículas o nódulos de forma perlada; de allí su nombre.
Entre las denominaciones comerciales de este producto se encuentran: Permalite,
Superlite, Perales, Ryolex, Agite, etc.
El peso específico aparente del material suelto y seco varía, según el tamaño de los
granos, entre 150 y 250 kg / m3.
Los hormigones livianos elaborados a base de perlita tienen pesos específicos aparentes
que varían entre 450 y 950 kg / m3.
ß) Vermiculita. Mineral de aspecto micáceo que, desde el punto de vista de su
composición química, es un aluminio-silicato de hierro y de magnesio. Por calentamiento a una
temperatura que varía entre 700 y 13000C puede sufrir una expansión de 30 a 35 veces su
volumen inicial. Dicha expansión es debida a la liberación de vapor de agua por efecto del calor
y varía según el origen y la constitución de la vermiculita. Este proceso se denomina exfoliación.
La vermiculita exfoliada se presenta, en general, bajo la forma de granos de diferentes
tamaños, desde polvo fino hasta granos de 30 mm. El peso específico aparente del material
suelto y seco es de 100 a 200 kg / m3. EL material triturado a la dimensión conveniente deberá
sufrir un calentamiento brusco, y simultáneamente, un batido activo a efecto de regularizar la
acción calorífica en toda la masa.
Los hormigones livianos a base de vermiculita pueden alcanzar pesos específicos
aparentes variables entre 350 y 1200 kg / m3.
b) Subproductos
b1) Escorias. Residuos de la combustión del carbón en hornos industriales. Son
materiales de estructura celular que en ciertas partes han sufrido un proceso de vitrificación;
otras están constituidas por cenizas y el resto es carbón o coke sin consumir. Son materiales de
naturaleza sílico-aluminosa con presencia de diversos áridos (calcio, magnesio, hierro, etc.) y
ciertos compuestos de azufre.
Para su empleo como agregados en la elaboración de hormigones livianos es necesario
tomar una serie de precauciones para asegurar un buen comportamiento.
Se utilizan esencialmente las escorias duras calcinadas que presenten rastros de fusión
superficial, molidas y clasificadas según las granulometrías deseadas.
La presencia de granos de carbón sin quemar puede conducir a una inestabilidad del
hormigón elaborado con estos agregados, debido a que, en presencia de la cal del aglomerante
y de la humedad, da lugar a la formación rápida de eflorescencias.
El tenor máximo de materias combustibles aconsejado oscila entre 10 y 35%.
Asimismo, el porcentaje de sulfatos no debe pasar de 1% para evitar eflorescencias y la
destrucción del producto por expansión.
Deberán realizarse ensayos de estabilidad para verificar el cumplimiento de las
especificaciones precedentes.
b2)Escorias granuladas de altos hornos. Producto obtenido por enfriamiento brusco de
las escorias en fusión provenientes de altos hornos de la industria siderúrgica. El enfriamiento se
produce por presencia de gran cantidad de agua que se agrega a tal efecto. Mediante el
mencionado proceso se obtiene un material amorfo, de contextura vidriosa. El tamaño de los
granos oscila entre 0 y 5 mm.
El peso específico aparente del material suelto y seco (que varía entre 900 y 2000 kg /
m3) y la resistencia propia de este tipo de agregado varían con su composición química (en
general, es tanto más liviano y menos resistente cuanto mayor es el tenor de óxido de calcio y
menor el de hierro y manganeso), con su temperatura y con la velocidad de su enfriamiento a la
salida del alto horno.
b3) Escorias expandidas. Producto obtenido directamente a partir de escorias en fusión
provenientes de altos hornos de la industria siderúrgica, de los que salen a una temperatura de
1400C0. Sometido el material a chorros de agua a presión en cantidad limitada y controlada que
producen una gran evaporación y una agitación posterior, el vapor de agua se reparte en forma
de burbujas en la masa de las escorias. Al cabo del enfriamiento y solidificación se obtiene un
material de gran estabilidad, lleno de poros regulares y bien formados. Después del molido y
cribado correspondientes se obtienen las escorias expandidas bajo la forma de agregado liviano.
Los tamaños de granos utilizados preferentemente van de 0 a 0,15 mm, recibiendo el
nombre de arena de escorias los agregados de este tipo cuyos granos oscilan entre 0 y 3 mm.
b4) Cascotes de ladrillos. Material proveniente de los hornos de ladrillos o de la
recuperación de escombros. Constituye un agregado liviano de mayor peso específico aparente
que los descriptos anteriormente (pe aparente del material suelto y seco: 900 a 1200 kg / m3).
Su porosidad depende de la naturaleza de las tierras utilizadas y del proceso de elaboración.
Si proviene de escombros, éstos serán triturados, cribados y clasificados en dos o tres
grupos de acuerdo al tamaño de los granos. Se eliminarán los granos cuya dimensión sea
inferior a 3 mm pues son los que contienen mayor cantidad de impurezas perjudiciales, en
particular polvo de yeso, con lo que se logrará, además, una mejor adherencia con el cemento.
Si se desea obtener granos finos se procederá a la retrituración de los elementos de tamaño
superior.
En la elaboración de hormigones livianos se han empleado en distintas oportunidades,
con resultados contradictorios, materiales de origen orgánico de los tipos y características más
diversas.
En razón de su naturaleza todas estas substancias, utilizadas como agregados, dan
origen a la obtención de hormigones extremadamente livianos y de excelentes cualidades
aislantes pero de muy reducida resistencia a las acciones físicas y químicas.
En general, estos agregados presentan las siguientes características perjudiciales para la
mezcla, que deben ser contrarrestadas:
1) Importantes cambios de volumen al variar el contenido de humedad.
2) Acción retardadora del proceso de fraguado y endurecimiento del cemento.
Debe tenerse en cuenta que las variaciones de volumen del agregado fibroso, una vez
incorporado a la mezcla, serán menores cuanto mayor sea el contenido de cemento. Sin
embargo, como este último incremento trae aparejado un aumento de peso específico y de
conductibilidad térmica, deberá estudiarse en cada caso la dosificación más conveniente.
Asimismo, para lograr un buen comportamiento de los productos elaborados con este tipo de
hormigón, deberán ser sometidos a un adecuado estacionamiento previo a su utilización para
lograr su conveniente desecación.
Por otra parte, ciertas substancias que entran en la composición química de los
agregados fibrosos (tanino, carbohidratos solubles, aceites aromáticos, etc.), cuando su
contenido es apreciable, afectan desfavorablemente el proceso de fraguado del cemento.
Los inconvenientes precedentemente expuestos tienden a resolverse mediante distintos
procesos de pretratamiento de los agregados fibrosos, que reciben el nombre de mineralización
por impregnación de aquellos.
En efecto, los métodos que a continuación se describen aseguran la conservación del
agregado fibroso dentro de la mezcla y neutralizan la acción de las substancias nocivas sobre el
cemento. Además cumplen una función anticombustible; aumentan en cierta medida la dureza
del agregado fibroso y disminuyen su capacidad de absorción y su higroscopicidad.
Existen dos procedimientos clásicos de mineralización:
1) Impregnar el agregado fibroso con soluciones salinas o básicas: cloruros, sulfatos,
silicato de socio, etc.
2) Empapar el agregado fibroso con una lechada de cal y posteriormente – una vez
secado y endurecido – sumergirlo en una solución de silicato de socio (1:7 en peso)
Es habitual complementar el tratamiento utilizado con la incorporación de cloruro de
calcio al agua de mezclado (5% del peso del cemento) como acelerador de fragüe. Esta adición
logra que el proceso de fragüe comience antes que las substancias perjudiciales del agregado
orgánico puedan afectar el cemento. La cantidad de cloruro de calcio que se incorpora es
mayor que la habitualmente utilizada como acelerador de fragüe en hormigones comunes ya
que la naturaleza absorbente del agregado impide el acceso de todo el cloruro al cemento de la
mezcla.
Otro método de pretratamiento, utilizado por el Institut National du Bois, reemplaza el
silicato de sodio del procedimiento 1) por una emulsión bituminosa.
Los hormigones de agregados livianos orgánicos pueden ser clasificados en dos grupos:
1) Hormigones a base de aserrín, virutas y fibras de madera.
2) Hormigones a base de otros agregados orgánicos.
Hormigones a base de aserrín, virutas y fibras de madera
Tienen la particularidad de ofrecer características muy variables para las diversas
especies vegetales. Muchas de ellas contienen tanino en cantidades apreciables, substancia
que tiene la propiedad de reaccionar sobre el hormigón. Es, por lo tanto, preferible – con miras a
evitar todo inconveniente ulterior – descartar todos los materiales ricos en tanino (roble, sauce,
alerce, olmo, castaño, etc.), aconsejándose la utilización de maderas blandas: pino, abeto,
alerce, álamo, etc.
La descomposición de la madera por efecto de la humedad produce el ácido húmico,
cuya acción sobre los hormigones es particularmente nociva. En virtud de que la madera es
susceptible de absorber importantes cantidades de agua, dando lugar a los efectos físicos
consecuentes, es indispensable someterla previamente a uno de los tratamientos ya
mencionados.
Hormigones a base de otros agregados de origen orgánico
Han sido ensayados con buenos resultados hormigones livianos a base de otros
agregados de origen orgánico, a saber: paja, cáscara de arroz; cáscara de papas, vainas de
porotos; desechos de cáñamo, lino, etc., etc. Todos ellos poseen las características generales
anteriormente señaladas, siendo indispensable someterlos a un tratamiento de mineralización
previo a la elaboración de la mezcla.
Propiedades de los hormigones elaborados con agregados livianos
Peso específico aparente
Con los diversos tipos de agregados livianos enumerados se puede elaborar un gran
número de hormigones con distintos pesos específicos que dependerán de la naturaleza y
composición de los agregados, la adición y la proporción de arena, el tenor de cemento, los
procedimientos de compactación, la cantidad de agua, etc. Las características de los
hormigones de agregados livianos variarán consecuentemente (Figura 4).
Figura 4. Densidad correspondiente a diferentes hormigones livianos
Resistencia
La resistencia de los hormigones de agregados livianos varía entre límites muy amplios
con los mismos componentes y, además, varía con la resistencia propia del agregado. Por lo
tanto, es posible considerar el problema desde dos puntos de vista diferentes según se busque
obtener hormigones resistentes y, en consecuencia, de peso específico medio, o que se desee
hormigones de reducido peso específico pero de menor resistencia.
Cuando se trata de ejecutar elementos de construcción armados (columnas, losas, vigas,
etc.) la condición fundamental a cumplir es la resistencia del material. Existe el problema de la
protección y adherencia de la armadura, lo que podrá exigir un aumento del tener de cemento y
de compacidad. En esta categoría se encuentran los hormigones que incluyen agregados
livianos y ordinarios en proporciones adecuadas.
A igualdad de tenor de cemento, los hormigones más resistentes serán los más
compactos o, por lo menos, los de textura menos abierta. Es así que los hormigones de
agregados con granulometría variada sin discriminación tienen, en general, una resistencia
menor que aquellos que resultan de una proporción racional de elementos gruesos y finos en el
agregado.
Por el contrario, cuando se desea un hormigón de muy bajo peso específico, siendo
suficiente una reducida resistencia, deberán utilizarse los menos compactos, que se lograrán
mediante una compactación incompleta, con incorporación de aire o recurriendo a los agregados
extra-livianos (vermiculita, perlita).
Esta situación se presenta cuando se trata de resolver problemas de aislación o de
relleno.
Aislación térmica
El coeficiente de conductibilidad térmica de los hormigones de agregados livianos varía
en relación directa con su peso específico. Es, en general, muy reducido, pudiendo descender –
para los hormigones de vermiculita – a la décima parte del valor correspondiente a los
hormigones ordinarios. El término medio oscila alrededor de 0,2 kcal/m.°C.h para un peso
específico aparente seco del orden de los 1200 kg/m³, es decir ¼ a 1/5 del que corresponde a
los hormigones ordinarios, pero puede ser menor aún si se disminuye el peso específico.
Asimismo dicho coeficiente puede llegar a 0,5 o más para hormigones ricos en cemento,
más compactos o elaborados con agregados menos porosos.
Contracción
En términos generales puede decirse que la contracción de los hormigones de
agregados livianos es dos veces superior a la de los hormigones ordinarios. Se atribuye el
hecho a la mayor cantidad de agua de mezclado, a la mayor porosidad de estos hormigones y,
en parte, a la mayor deformabilidad de los agregados bajo el efecto de las tensiones internas
debidas a la contracción de la lechada de cemento. Se ha constatado que ciertos agregados dan
lugar a contracciones más elevadas que otros, a igualdad de las demás condiciones.
Después de una conservación durante 90 días al aire, con una humedad aproximada del
50%, la contracción puede alcanzar valores comprendidos entre 0,5 y 1 mm por metro pudiendo
llegar hasta 1,5 a 1,7 mm por metro o más, según la granulometría y deformabilidad de los
agregados, el tenor de cemento, la cantidad de agua de mezclado y el grado de compactación
del hormigón.
Los hormigones de vermiculita y de perlita – de gran absorción – han sufrido
contracciones superiores a los 2 mm por metro.
Sin embargo, el módulo de elasticidad más reducido de los hormigones de agregados
livianos, la mayor compresibilidad de algunos agregados livianos, la relación entre la resistencia
a la tracción y la resistencia a la compresión, bastante más elevada que la de los hormigones
ordinarios, permiten a los hormigones de agregados livianos sufrir sin fisuración deformaciones
de contracción más importantes.
Por consecuencia, es necesario efectuar una cuidadosa selección de los agregados y de
la composición del hormigón y, además, tomar las precauciones necesarias para reducir la
contracción, especialmente para impedir que el comienzo del endurecimiento se produzca muy
rápidamente, para lo cual deberá mantenerse húmedo el hormigón durante un tiempo suficiente.
Absorción de agua
El peso específico de los hormigones de agregados livianos varía entre límites tan
amplios que es necesario, para poder comparar capacidades de absorción, expresar éstas en
porcentajes de agua con relación al volumen aparente del hormigón y no con respecto al peso
del mismo. Dichos valores oscilan entre 18 y 30% y, excepcionalmente, 40%. En los hormigones
ordinarios varían entre 7,5 y 23%.
Teniendo en cuenta que la presencia de agua dentro de la estructura porosa está
íntimamente vinculada con el deterioro de los hormigones sometidos a congelación, se deduce
que existe una relación directa entre la absorción de agua y la durabilidad. Cuanto mayor es el
porcentaje de cemento mayor es la resistencia del hormigón a ciclos de congelación y deshielo.
Resistencia al fuego
De una manera general puede decirse que todos los hormigones de agregados livianos
ofrecen una buena resistencia al fuego, muy superior a la de los hormigones ordinarios de
agregados silíceos. Dentro de ellos se destaca especialmente el hormigón de vermiculita que
constituye uno de los mejores materiales de protección contra la propagación del fuego.
Aislación acústica
La existencia de cámaras de aire en la textura de los hormigones de agregados livianos
hace que estos ofrezcan resistencia al paso del sonido.
En el valor de la conductibilidad acústica influye el peso específico del hormigón, la
naturaleza del agregado y el proceso de fabricación, siendo posible encontrar – a igual peso
específico aparente seco – valores muy diferentes.
Posibilidad de ser clavados y aserrados
La posibilidad de ser clavados es función, por una parte, de la dureza propia de los
agregados; de la presencia o no de arena natural en la composición del hormigón y del tenor de
cemento. Los hormigones de cascotes de ladrillos, de escorias granuladas pesadas, de arcillas y
pizarras expandidas no son fáciles de clavar cuando el tenor de cemento es elevado. Por el
contrario, los hormigones de piedra pómez, de escorias expandidas, de escorias granuladas
livianas, de perlita, de vermiculita, de escorias, se clavan fácilmente.
La mayor o menor facilidad con que los hormigones de agregados livianos pueden ser
aserrados con la sierra común depende de los mismos factores que la posibilidad y facilidad de
ser clavados, pero es mayor la influencia del grado de dureza de los agregados. Así, son
fácilmente aserrables los hormigones extra – livianos de perlita y vermiculita, de piedra pómez y
de escorias expandidas (con excepción de dosificaciones con alto contenido de cemento). Por el
contrario no presentan tal propiedad los hormigones de arcillas y pizarras expandidas, de
escorias, escorias granuladas y cascotes de ladrillos. La presencia de arena natural en cualquier
tipo de hormigón de agregados livianos lo hace difícil de aserrar.
Inercia química
La estabilidad de los hormigones de agregados livianos puede verse afectada en los
casos en que los agregados utilizados contengan impurezas susceptibles de provocar
reacciones ulteriores a su colocación en obra. Tal situación podría producirse, por ejemplo, con
las escorias de hierro o los residuos de pizarras que pueden contener productos nocivos o
materias combustibles sin quemar. Este riesgo puede disminuirse considerablemente si dichas
materias son sometidas a un tratamiento previo de cocción destinado a producir su expansión.
La transformación a elevada temperatura así realizada contribuye a la destrucción de una
proporción importante de elementos nocivos.
HORMIGONES CAVERNOSOS O “SIN FINOS”
Los hormigones cavernosos – también llamados “sin finos o de textura abierta – son
mezclas constituidas por agregados gruesos o medianos (con exclusión de finos) y cemento
portland destinado a aglomerarlos.
Estos hormigones se diferencian esencialmente de los ordinarios en la granulometría de
los agregados utilizados, obteniéndose la disminución de peso específico por la formación de
grandes huecos en su masa como consecuencia de la supresión del agregado fino y por la
reducción del porcentaje de cemento. Esto es posible por el hecho de que el aglomerante tiene
como única función envolver los granos de agregado grueso y vincularlos entre sí, porque el
lugar ocupado en el hormigón ordinario por el agregado fino es reemplazado, en los hormigones
cavernosos, por huecos colmados de aire.
El agregado a utilizar será duro, bien lavado, perfectamente redondeado o de forma
cúbica, no debiendo contener arcillas, arenas ni carbonillas.
Mientras se cumplan las especificaciones precedentes podrán utilizarse tanto agregados
ordinarios (pesados) como agregados livianos lográndose, lógicamente, con estos últimos, una
mayor disminución del peso específico del hormigón que se elabora.
Las dimensiones límites del agregado son 5 y 30 mm, aunque se aconseja mantenerse
en lo posible dentro de los 15 a 20 mm. De cualquier manera, lo que interesa es reducir al
mínimo la diferencia entre las dimensiones de los granos extremos.
En cuanto a la cantidad de cemento queda dicho que será la indispensable para recubrir
y adherir las diversas partículas. La proporción habitual es de 1 parte de cemento por 8 a 9
partes de agregados, medidas en volúmenes sueltos.
La posibilidad de reducir la cantidad de cemento se explica fácilmente teniendo en
cuenta que la superficie desarrollada total de los agregados contenidos en un volumen dado de
hormigón cavernoso es muy inferior a la de un hormigón que contenga, además, agregados
finos. Por lo tanto, la considerable cantidad de cemento necesaria para recubrir estos últimos, se
elimina.
Todo exceso de cemento no hará más que reducir el volumen de los huecos formados en
el seno del hormigón cavernoso.
En cuanto al agua de mezclado, la cantidad a utilizar será la mínima necesaria para
recubrir cada elemento de agregado con una fina película de lechada de cemento. el excedente
de agua producirá el lavado de los agregados y colmatará los huecos. El hormigón se hará
entonces más heterogéneo, con una mala distribución del cemento, un deficiente recubrimiento
de los granos y, consecuentemente, una apreciable disminución de la adherencia.
La relación agua-cemento en peso aconsejada oscila entre 0,25 y 0,50.
De lo que antecede se deduce la importancia de determinar la cantidad óptima de agua,
siendo necesario para tal fin la ejecución de ensayos previos en cada caso.
En general, la relación agua-cemento en peso será de 0,4 a 0,5, dependiendo de la
naturaleza y tenor de humedad de los agregados.
La elaboración de estos hormigones puede realizarse en hormigoneras comunes. Debe
mezclarse primeramente el agregado con una parte de agua si no es poroso; si fuera poroso y
absorbente se lo humedecerá antes cuidadosamente. Luego se agrega el cemento mezclando
simultáneamente y, finalmente, el resto del agua.
El tiempo de mezclado será de 2 a 3 minutos, o el que sea necesario para obtener una
mezcla de color uniforme, con los granos bien recubiertos de lechada de cemento.
El hormigón se colará dentro de los 20 minutos de su elaboración. La compactación se
hará por apisonado suave, evitando el vibrado que puede provocar la disgregación del material.
Se hormigonará por capas sucesivas, colándose cada una antes que comience el
endurecimiento de la anterior.
Propiedades de los hormigones cavernosos o sin finos
Peso específico aparente
Según el peso específico aparente seco, pueden ser agrupados en dos categorías:
1) Hormigones cavernosos de agregados ordinarios, cuyo peso específico aparente
seco es inferior al de los hormigones comunes debido a que contienen una
proporción relativamente importante de huecos, pudiendo variar entre 1600 y
1900 kg / m3.
2) Hormigones cavernosos de agregados livianos, cuyo peso específico aparente
seco oscila entre 700 y 1000 kg / m3.
Resistencia
Para contenidos de cemento entre 150 y 250 kg/m3 la resistencia a la compresión a los
28 días de los hormigones cavernosos varía entre 12 y 90 kg/cm2. A igualdad de tenor de
cemento, la resistencia es, en general más reducida con escorias y piedra pómez y más elevada
con cascotes de ladrillos, piedras trituradas y grava.
Para la mayor parte de las aplicaciones corrientes, sólo se requiere una resistencia de 20
a 25 kg/cm2.
La resistencia a la tracción por flexión es del orden de ¼ de la resistencia a la
compresión.
Aislación térmica
Depende de los siguientes factores: su estructura porosa; la textura de sus agregados y
la proporción de pasta de cemento en la mezcla.
El coeficiente de conductibilidad térmica λ adquiere los siguientes valores (expresados en
kcal / m.h. 0C):
0,14 a 0,20 para hormigones de piedra pómez
0,20 a 0,30 para hormigones de escorias
0,35
para hormigones de cascotes
0,50 a 0,55 para hormigones de piedra
Contracción
Como consecuencia de la reducida cantidad de agua que se requiere para su
elaboración los hormigones cavernosos sufren contracciones reducidas, del orden del 50% de
los que corresponden a hormigones ordinarios elaborados con el mismo agregado.
A igual granulometría y tenor de cemento los valores obtenidos a los 90 días fueron:
•
Hormigones cavernosos de escorias o piedra pómez: 0,4 a 0,5 mm / m
•
Hormigones cavernosos de agregados pesados (piedra): 0,25 a 0,3 mm / m.
Una particularidad destacable es que dichas contracciones tienen lugar rápidamente (30
a 50% a los primeros 10 días).
Absorción de agua
Debido a las dimensiones relativamente importantes de sus vacíos, gran parte del agua
absorbida por inmersión escapa posteriormente a su emersión. Por este motivo, el porcentaje de
agua absorbido y retenido es muy inferior para los hormigones cavernosos que para los
ordinarios.
La capacidad de absorción de agua por capilaridad es del orden del 50 a 75% de la que
corresponde a los hormigones densos.
Asimismo, resisten bien los ensayos de congelación.
Aplicaciones de los hormigones livianos
Tal como se ha manifestado reiteradamente, las principales características de los
hormigones livianos son su reducido peso específico aparente y su excelente comportamiento
como aislante térmico.
Con su utilización es posible asegurar un excelente confort en las habitaciones mediante
el empleo de materiales en cantidades sensiblemente menores que si se usaran los materiales
tradicionales. Como las cualidades de resistencia de los hormigones livianos son satisfactorias
para la función que están llamados a cumplir, es posible ejecutar, gracias a ellos, construcciones
livianas, con apreciables resultados en cuanto a su economía y durabilidad.
En efecto, el reducido peso específico de los hormigones livianos es un factor
determinante en la economía del proyecto, ya que permite obtener secciones resistentes mucho
menores. Además, la elevada capacidad aislante los convierte en el material por excelencia, ya
que une a las condiciones de higiene, durabilidad e inatacabilidad por agentes climáticos (con la
única excepción de los hormigones a base de agregados orgánicos), el inapreciable mérito de
suministrar ambientes prácticamente insensibles a las variaciones exteriores de temperatura.
En el ámbito de los hormigones, la reducción del peso específico – buscando obtener un
material que reuniera las ventajas apuntadas – se ha logrado siguiendo diversos caminos que
han conducido a la elaboración de los distintos tipos de hormigones livianos ya descriptos. Del
análisis de todos ellos se desprende la existencia de dos tendencias perfectamente
diferenciables:
1)
La disminución del peso específico se obtiene a través del mejoramiento de las
técnicas aplicadas al material tradicional. Es el caso de los hormigones a base de
agregados livianos – inorgánicos u orgánicos – que no representan sino diversas etapas
de la evolución por el camino más directo.
2)
La disminución del peso específico se logra buscando un material absolutamente
nuevo cuya elaboración requiere la colaboración de técnicas no tradicionales. Es el caso
de los hormigones celulares en los que se combinan adecuadamente la técnica usual del
hormigón con procedimientos derivados de la industria química.
En cuanto al tipo de hormigón liviano a utilizar, la elección depende, evidentemente, del
problema a resolver. Debe tenerse presente asimismo que no existe, en materia de
construcción, una solución única sino diversas alternativas cuya adopción estará supeditada a
diversas circunstancias de orden técnico y económico.
No obstante ello, y en virtud de que las cualidades de resistencia y aislación térmica
varían de uno a otro tipo de hormigón liviano, pueden hacerse algunas indicaciones que orienten
hacia una correcta elección del material.
Si la resistencia es el elemento esencial requerido y la aislación térmica sólo una
consecuencia favorable, se ve que los hormigones de agregados livianos inorgánicos permiten
trabajar sobre una gama más extensa que los hace preferibles sobre los hormigones celulares y
cavernosos. Será necesario realizar severos controles y asegurar una cuidadosa elaboración
que permiten obtener las más altas resistencias posibles.
Asimismo, debe tenerse presente que ciertos elementos de hormigón celular curados en
autoclave pueden ser armados, lográndose así productos de elevada resistencia.
Puede decirse igualmente que, si se busca simultáneamente resistencia y liviandad, un
hormigón celular curado en autoclave será, sin duda, preferible a un hormigón de agregados
livianos o a un hormigón cavernoso.
Si, por el contrario, el factor predominante es la aislación térmica, debe tenerse presente
que, a igualdad de peso específico aparente, ciertos hormigones de agregados livianos pueden
reunir mejores condiciones que los hormigones celulares. Sin embargo, éstos últimos tienen la
ventaja de poder alcanzar pesos específicos aparentes inferiores a los de aquellos.
Si la resistencia no tiene absolutamente ninguna importancia y sólo interesa la capacidad
aislante, podrá escogerse entre los hormigones a base de fibras de madera, los hormigones de
vermiculita o análogos y los hormigones celulares muy livianos.
Se indican a continuación los respectivos campos de utilización de los distintos tipos de
hormigones livianos, enumerándose sus aplicaciones más importantes.
HORMIGONES DE ALTA PERFORMANCE
Los niveles de resistencia de los hormigones empleados en la construcción de
estructuras han sufrido una evolución a lo largo del tiempo, que se acentuó en los últimos 20
años. La Figura 5 muestra dicha evolución desde los años ’60 hasta la actualidad, indicando las
máximas resistencias empleadas en la construcción de distintas obras de hormigón. En el inicio
de la década del ’70 la aparición de los reductores de agua de alto efecto resultó fundamental y
las resistencias crecieron hasta los 80 MPa. En la década del ’80 el mayor aporte fue la
incorporación de adiciones minerales activas como las cenizas volantes y, en especial, la
microsílice. En este período aparecen ejemplos de resistencias de 110 MPa.
Figura 5. Evolución histórica de la resistencia del hormigón
A los efectos de compatibilizar una definición en 1982, el comité 363 del ACI, estableció
en 42 MPa el límite inferior de los Hormigones de Alta Performance (HAP). Por su parte el CEBFIP, en su Código modelo 1990, ha fijado ese límite en 50 MPa. Esta definición aparentemente
arbitraria no resulta así. La valoración y predicción de los parámetros de diseño empleados para
el dimensionamiento de estructuras (resistencia ante distintas solicitaciones, contracción,
extensibilidad, creep, módulo de elasticidad, etc.), se basa en la experiencia acumulada sobre
hormigones de hasta 40 MPa. Una extrapolación para niveles de resistencias mayores podría no
resultar válida y en el peor de los casos significar una disminución en el grado de seguridad
estructural de los elementos dimensionados.
Las tendencias actuales no se agotan en la obtención de un hormigón con alta
resistencia; ellas incluyen tecnologías que utilizan mezclas con bajas relaciones agua / ligante,
presencia de adiciones minerales, elevada fluidez y cohesión, posibilidad de transporte a
distancia en motorhormigoneras y facilidad de bombeo y compactación. Todo esto da como
resultado estructuras más esbeltas y audaces, de mayor calidad y velocidad constructiva, más
durables, de menor mantenimiento, y de menor costo global de los proyectos. Al material de
estas características cabe la denominación de hormigón de alta performance (HAP).
A continuación, se analizan la forma de obtención y las propiedades en estado fresco y
endurecido de los Hormigones de Alta Performance.
Obtención de los HAP
Los parámetros que determinan el diseño de los HAP difieren del hormigón convencional
en algunos aspectos que resulta importante destacar.
En un hormigón convencional la relación entre contenido de agua y cemento (a/c) queda
definida básicamente por la resistencia requerida y/o las condiciones de exposición de la
estructura (durabilidad). La trabajabilidad es adoptada conforme al tipo de estructura, equipos de
compactación, etc. Del mismo modo, el tamaño máximo del agregado depende de las
dimensiones de las piezas.
En HAP la elección de algunas variables es mucho más limitada. Por ejemplo, el tamaño
máximo del agregado está comprendido entre 12 y 25 mm, generalmente 19 mm. La relación a/c
oscila entre 0.25 y 0.40 de acuerdo al nivel de resistencia buscado. El contenido del ligante, del
cual dependerán varias propiedades, será el mínimo posible lo mismo que el contenido de agua.
Por otro lado las mezclas tienen un requerimiento mínimo de finos para lograr las condiciones de
fluidez necesarias.
La trabajabilidad queda condicionada al logro de una excelente compacidad: es muy
conveniente que los HAP, particularmente si son empleados in situ, posean una fluidez elevada.
De esta manera, se aseguran además una mejor dispersión del ligante como así también una
mejor adherencia entre la matriz (mortero) y el agregado grueso.
Por lo expuesto en los párrafos anteriores no resulta extraño que el desarrollo de los
HAP se haya producido en forma paralela con el surgimiento de los aditivos superfluidificantes.
Actualmente todos los HAP que se elaboran emplean aditivos de estas características.
Resulta obvio que para la elaboración de HAP será beneficioso el cemento de mayor
resistencia. Sin embargo no es imprescindible que tal resistencia se alcance a corta edad. (La
mayor parte de los requerimientos de resistencia de las estructuras de HAP son posteriores a
los 28 días). Dadas las características de resistencia buscada las mezclas poseen contenidos
cemento relativamente altos.
Conviene indicar que el desarrollo de los HAP también se realizó conjuntamente con la
aplicación de adiciones minerales activas. Es muy difícil obtener los mayores niveles resistentes
(superar los 100 MPa) empleando únicamente cemento como ligante. Por otra parte, la
incorporación de adiciones presenta ventajas debido a que controla el desarrollo de calor,
provoca una disminución de la porosidad (en particular un refinamiento de poros) y reduce, al
reaccionar con el hidróxido de calcio, los productos de hidratación menos significativos para la
resistencia.
En HAP el tipo de agregado puede ser determinante y constituir un límite en el nivel de
resistencia a compresión a alcanzar debido a que comienzan a tener gran importancia la
resistencia propia de la roca y la adherencia que puedan desarrollar los agregados. Con
respecto al agregado fino no se deben emplear arenas con grandes contenidos de mica, ciertos
minerales arcillosos u otros materiales deletéreos. Respecto a su granulometría no existen
mayores requerimientos que para un hormigón convencional. No obstante, se recomiendan
arenas con módulos de finura comprendidos entre 2.7 y 3.2. En el caso del agregado grueso es
posible estimar que el tamaño óptimo estará comprendido entre 10 y 25 mm. Con tamaños
mayores los problemas de adherencia se incrementarán en forma notoria. A su vez es
importante garantizar una textura superficial que favorezca la adherencia.
La elección del aditivo puede ser muy importante. En este sentido conviene citar los
principales problemas que puede traer el mal uso de superfluidificantes: la incorporación
excesiva de aire y el sobredosaje.
Proporciones
Como ya fuera dicho, para dosificar un HAP se debe tener en cuenta que el uso de
superfluidificante no constituye una opción sino que se debe considerar como uno más de los
materiales constituyentes. Además por encima de niveles de resistencia media del orden de 90
MPa se hace necesario el empleo de adiciones minerales activas.
La incorporación de estos materiales limita las posibilidades de aplicación de los métodos
racionales de dosificación de mezclas tradicionalmente usados para niveles de resistencia
menores.
En los HAP, el número de variables a ajustar es mayor y se interrelacionan entre sí. Ello
plantea la necesidad de un ajuste progresivo de dichas variables, analizadas por separado. En
cada caso deberán aplicarse los conocimientos científico – tecnológicos disponibles y verificar
experimentalmente la incidencia de dichos factores. Otra posibilidad es el planteo del estudio
con métodos estadísticos de diseño de experimentos. En este caso se puede calibrar un modelo
matemático aplicable a los materiales utilizados. Esta técnica ya ha sido empleada en el ámbito
internacional y está mencionada en la bibliografía.
Vale indicar que las principales consideraciones de tipo general a tener en cuenta en la
dosificación de hormigones de alta resistencia son:
•
Según el nivel resistente la razón a / c varía entre 0.25 y 0.40 dependiendo el valor
adoptado del tipo de cemento y de la eficiencia de la adición mineral cuando se opta por
su empleo. Una reducción de 0.40 a 0.30 puede conducir a un incremento de 30 MPa en
la resistencia. Relaciones a/c menores de 0.30 no siempre conducen a mejoras
significativas de la resistencia.
•
Los contenidos de cemento son altos con valores comprendidos entre 380 y 500 kg/m3.
Contenidos mayores pueden provocar efectos negativos. Como regla general el
contenido de agua (y en consecuencia el de cemento para mantener la relación a / c
adoptada) deberá ser el más bajo compatible con las características en estado fresco.
Para minimizar el contenido de agua también se recomienda reducir en cuanto sea
posible el contenido de arena.
El estado fresco
El HAP, por su elevado contenido de finos, es un material altamente cohesivo, sin
inconvenientes de segregación y exudación, que bien empleado no presenta problemas de
compactación ni de terminación. Puede obtenerse con una importante gama de fluidez, que
incluye la necesaria para bombearlo y/o hacerlo autonivelante. Existen ejemplos de bombeo de
hormigones de alta resistencia en condiciones sumamente exigentes.
Sin perjuicio de lo anterior cabe señalar, como aspectos negativos a tener en
consideración, la fuerte tixotropía de las mezclas y la pérdida de fluidez con el tiempo. La
primera requiere la disponibilidad de energía adicional para el transporte y/o compactación. La
segunda debe ser contemplada al optimizar el diseño de las mezclas y las condiciones de
elaboración y transporte; no obstante, este problema se puede reducir mediante el empleo de
algunos aditivos de última generación.
Microestructura y características de la matriz
Como ya fuera expuesto en el capítulo I, las propiedades del hormigón están definidas
por las de sus fases componentes (mortero y agregados) y por la interacción entre ambas en las
interfaces matriz – agregado.
Para conducir a una mejor comprensión de las propiedades en estado endurecido de los
HAP es importante puntualizar las principales características de la microestructura de su fase
continua (mortero).
En la Figura 6 se representa la evolución en el tiempo del grado de hidratación y la
porosidad de morteros de relaciones a/c 0.30, 0.40 y 0.65. Las matrices de menor resistencia
presentan mayor grado de desarrollo en los productos de hidratación. Las diferencias se
acentúan con la edad dado que el menor espacio disponible en las matrices de menor a/c
imprime una velocidad diferencial en la formación de nuevos productos de hidratación.
Además, y como consecuencia de la menor porosidad, se reduce la disponibilidad de
agua libre para la hidratación. Se genera así un mecanismo que tiende a bloquear las
posibilidades de avance de la hidratación. A modo de ejemplo, a la edad de 28 días un mortero
de relación a /c = 0.65 alcanza un grado de hidratación del orden del 90%, mientras que los de
mayor resistencia (a / c = 0.30) solamente alcanzan un grado de hidratación del orden del 65%.
De lo expuesto surge que las matrices de HAP presentan elevados porcentajes remanentes de
cemento anhidro.
La Figura 7 representa la variación de la porosidad en función del grado de hidratación.
En todos los casos la porosidad disminuye con el desarrollo de la hidratación. Para un mismo
porcentaje de hidratación las matrices de menor relación agua / cemento presentan menor
porosidad.
La Figura 8 muestra que la resistencia a compresión del mortero crece en forma directa
a medida que avanza el proceso de hidratación. Para una evolución determinada en los
productos de hidratación, el incremento en resistencia es mayor en los HAP.
Figura 6. Evolución del grado de hidratación y la porosidad de los morteros
Figura 7. Variación de la porosidad con el grado de hidratación medidos
a distintas edades sobre morteros de relación a / c 0.30, 0.40 y 0.65
Figura 8. Variación de la resistencia con el grado de hidratación medidos
a distintas edades sobre morteros de relación a / c 0.30, 0.40 y 0.65
La adherencia matriz – agregado adquiere gran importancia en el nivel de HAP y
principalmente bajo solicitaciones de flexión. Debido a las características de los HAP, en los que
se aseguran condiciones adecuadas de elaboración y elevada fluidez, se obtiene una buena
adherencia. Al analizar resultados de resistencia se observarán casos de optimización de las
interfaces donde la resistencia del material compuesto (Hormigón) alcanza el 95% de la
resistencia de la fase continua (Mortero). Asimismo, cabe indicar que la adherencia también se
verá beneficiada en las mezclas en que se incorporen adiciones minerales activas.
Finalmente, el HAP no sólo posee una porosidad mucho menor que el hormigón
convencional, sino que la cantidad de microfisuras observadas en HAP bajo carga también es
menor. Esto se debe fundamentalmente a la mayor adherencia de interfaces, la mayor
resistencia del mortero y al uso de agregados de menor tamaño.
La existencia de una matriz más compacta, en la que el tamaño de los poros y capilares,
las microfisuras y los defectos en general resultan significativamente menores que en el
hormigón convencional hace que el material mejore su comportamiento frente a los distintos
medios o substancias agresivas que atenten contra su durabilidad. Este es quizás uno de los
hechos que han contribuido en mayor medida a su identificación como hormigones de alta
performance (HAP).
Comportamiento mecánico de los HAP
La resistencia a compresión se ha empleado como parámetro fundamental para la
definición de HAP. En estos hormigones la contribución de cada fase componente es
fundamental. Mientras en el hormigón convencional las características mecánicas del agregado
rara vez inciden sobre los niveles de resistencia en HAP pueden ser altamente significativas. En
este sentido la elección del tipo de agregado es determinante.
La Figura 9 presenta el comportamiento tensión – deformación del hormigón bajo cargas
de compresión. En ella se observan curvas volumétricas semejantes a las encontradas en el
hormigón convencional para esos tamaños de agregados. Sin embargo las tensiones críticas
para las cuales se desarrolla la fisuración inestable son porcentualmente mayores en HAP.
Los valores del módulo de Poisson medidos en HAP son del mismo orden que los
medidos en el hormigón convencional. En la Figura 10 se muestra su variación respecto de los
valores iniciales para los mismos hormigones de la figura anterior. Se observa que el incremento
en los valores iniciales se produce para tensiones similares (tensión de iniciación semejante) y
que en las mezclas con el agregado C, al superar 40 MPa, se incrementan en forma notoria, lo
que implica un nivel de fisuración más extendido.
Respecto a la rigidez (módulo de elasticidad) de HAP experiencias con distintos
agregados han verificado que la misma se incrementa con el nivel de resistencia. Su crecimiento
es menor que el de la resistencia a compresión. Los valores del módulo de elasticidad para
niveles de muy alta resistencia merecen ser verificados experimentalmente dado que estas
mezclas pueden tener contenidos de pasta bastante elevados o aparecer nuevos factores como
microfisuración a nivel de agregados que modifiquen la relación módulo de elasticidad –
resistencia a compresión.
No obstante ello, una revisión de la información disponible sobre la deformabilidad en el
nivel de alta resistencia permite afirmar que si bien nos encontramos frente a un tema
relativamente nuevo existen experiencias que confirman la validez de las estimaciones
propuestas (dentro de un margen razonable de error), que son aplicables hasta niveles de
resistencia del orden de 100 a 110 MPa.
En relación a las deformaciones de tracción, se ha verificado que la extensibilidad crece
con el nivel de resistencia. Esto se ve favorecido por los tamaños de agregado reducidos que
hacen que los valores de deformabilidad tiendan a los del mortero. Por esta causa mientras en
hormigones convencionales el orden de extensibilidad bajo cargas rápidas, oscila entre 80 y 120
μm / m, en HAP se midieron valores del orden de 200 μm / m.
Con respecto al efecto de las cargas de larga duración el hecho de que los HAP posean
altos volúmenes de pasta podría llevar a la conclusión de que tendrán mayores deformaciones
en el tiempo bajo carga (creep). Por otra parte la ausencia de defectos y el menor espacio
disponible (matrices cerradas) llevaría a la conclusión opuesta.
En oposición a lo observado con el creep específico se observa que para mezclas con
contenidos de agregados semejantes la contracción por secado se modifica muy levemente con
la variación del nivel de resistencia. La Figura 11 muestra valores medidos correspondientes a
las mezclas de la figura anterior.
Figura 9. Curvas tensión relativa – deformación volumétrica de morteros
y hormigones elaborados con distintos agregados gruesos.
Figura 10. Variación del incremento del coeficiente de Poisson en función de la tensión aplicada en
morteros y hormigones elaborados con distinto tipo de agregados gruesos.
Figura 11. Variación de la contracción por secado con la resistencia
Condiciones de aplicación y comportamiento de los HAP
Los HAP, además del alto nivel de resistencia, también resultan de elevada durabilidad,
con mayor resistencia a la congelación y deshielo y ataque químico y mejor protección de las
armaduras. Por otra parte, en la actualidad es habitual obtener todas las propiedades anteriores
con mezclas que, en estado fresco, poseen fluidez elevada sin riesgo de segregación y
prácticamente sin exudación, aptas para ser bombeadas y colocadas con un esfuerzo mínimo
de compactación.
La suma de las propiedades descriptas ha conducido a que hoy se identifiquen a los HAP
como hormigones de alta performance (HAP). Ello ha abierto el campo de aplicaciones y en un
número importante de casos la adopción de este tipo de mezclas ha sido motivada,
alternativamente, por su durabilidad, su gran trabajabilidad o su elevada resistencia a corta
edad.
En el ámbito internacional, los HAR-HAP han sido utilizados principalmente para bases y
columnas de edificios, puentes de grandes luces, construcciones off-shore, elementos
premoldeados, etc. Uno de los principales aspectos que motiva su uso e interés, en especial en
el medio europeo, es el de garantizar una excelente durabilidad a las estructuras. En este
sentido el desarrollo de HAP ha incrementado los períodos de vida útil requeridos o proyectados
para las construcciones actuales.
En edificios de gran altura, los HAP permiten reducir considerablemente la sección de las
columnas de los pisos inferiores. Esto conduce a un mayor aprovechamiento de los espacios
disponibles y a una notable reducción del peso propio. La mayor rigidez sumada al menor creep
específico es también un hecho importante a los efectos de minimizar los acortamientos
diferenciales entre columnas bajo carga expuestas a diferentes condiciones. En el caso de
estructuras mixtas esta circunstancia permite una mejor compatibilidad que cuando se emplean
hormigones de resistencias convencionales.
En los puentes de grandes luces donde las cargas por peso propio resultan las de mayor
importancia el empleo de HAP permite una reducción importante de las mismas. Además se
obtiene un mejor control de las deformaciones bajo carga.
El empleo de HAP en elementos premoldeados permite el desarrollo de altas resistencias
a temprana edad, lo que favorece la reposición de moldes, mejorando notablemente la
producción diaria.
En estructuras pretensadas la reducción del creep específico permite disminuir las
pérdidas de tesado lo cual se traduce en economía del esfuerzo aplicado o mayor nivel de
tesado final.
Los HAP pueden ser empleados tanto para hormigón premoldeado como para
hormigonado in-situ. Existen según la aplicación, variantes en las propiedades requeridas en
estado fresco. Estas surgen conforme a los procesos constructivos y de elaboración empleados
en cada caso.
La utilización de miembros estructurales premoldeados – pretensados elaborados con
HAP sujetos a cargas axiles o a esfuerzos de flexión ha ido en aumento. El uso de HAP permite
secciones de mayor esbeltez, mayor capacidad portante y mayor economía. En muchos casos
el uso de HAP no constituye una opción, sino que resulta una necesidad ante requerimientos
estructurales específicos como es el caso de elementos de grandes luces o de alta capacidad
portante. Mientras en hormigón moldeado in-situ los requerimientos de resistencia se deben
cumplir a edades que van de los 28 a los 90 días, en el hormigón para pretensado y
premoldeado las edades especificadas son substancialmente menores. Requerimientos de
resistencias mayores de 30 MPa a 18 o 24 horas pueden ser comunes.
HORMIGONES AUTOCOMPACTABLES
El Hormigón Autocompactable (HAC) puede definirse como aquel que es capaz de fluir
en el interior de los encofrados, pasar a través de las armaduras de refuerzo, llenar
completamente el molde, logrando la compactación solamente por la acción de su propio peso
(Okamura, 1997). Este hormigón debe llenar los encofrados y lograr una buena consolidación
sin vibración, sin presentar disgregación ni exudación. Además debe presentar una gran
estabilidad, sin riesgo de producir obstrucción. Surge así un nuevo concepto de hormigón, que
ofrece una muy buena colocación de la mezcla suprimiendo la obligatoria fase de vibrado. Las
ventajas más consideradas son: facilidad de operación, acceso a zonas densamente armadas,
mejor terminación de las superficies, mayor velocidad de llenado, menor contaminación
acústica, ahorro en personal y equipos, óptima calidad de los elementos hormigonados.
El Hormigón Autocompactable fue desarrollado en Japón (Okamura, 1986) y en 1988 se
completó un prototipo utilizando materiales existentes en el mercado. Las principales
motivaciones fueron la realización de estructuras más durables, la posibilidad de hormigonar
zonas densamente armadas y / o formas complejas.
El interés por el hormigón autocompactable aumentó rápidamente a escala mundial
luego de este trabajo pionero realizado en Japón.
Propiedades del hormigón fresco
La obtención de un “hormigón autocompactable” implica la necesidad de realizar nuevas
valoraciones del hormigón fresco de modo de garantizar las propiedades deseadas. De este
modo existe consenso acerca de requerir a un HAC tres propiedades particulares:
-
Capacidad de llenado: esto es ser capaz de asegurar el llenado completo de los
encofrados y el encapsulado de las armaduras con un hormigón homogéneo.
-
Resistencia a la segregación: alcanzar la cohesión necesaria para permitir al hormigón
fresco (partículas en suspensión) mantener su homogeneidad durante el mezclado,
transporte y proceso de colocación.
-
Capacidad de pasaje: dotar al hormigón de la habilidad para atravesar obstáculos y
secciones densamente armadas.
La necesidad de verificar estas propiedades ha dado lugar a la aparición de diversos
métodos de ensayo del hormigón fresco específicos, que serán presentados más adelante. Sin
embargo, previo a ello, para una mejor comprensión de su comportamiento, resulta conveniente
describir en forma sintética las características reológicas en estado fresco de los hormigones
autocompactables.
Comportamiento reológico
La deformabilidad del hormigón fresco depende esencialmente de dos parámetros: una
mínima tensión de corte (shear stress) necesaria para fluir que es caracterizada por τ0 o umbral
de cizallamiento (yield stress) y la viscosidad plástica (μ). Estos parámetros son necesarios para
describir el comportamiento reológico del hormigón fresco dentro del modelo de Bingham
(Tattersall y Banfill, 1983). La Figura 12 representa el comportamiento típico de un hormigón
convencional donde “τ” es el esfuerzo de corte (shear stress) y “γ” es la velocidad de
deformación (shear rate).
Figura 12. Comportamiento reológico de un
hormigón convencional
Figura 13. Comportamiento reológico de
distintos hormigones
Varios trabajos experimentales de HAC muestran que los parámetros reológicos difieren
de aquellos del hormigón normal: la tensión del corte inicial es muy pequeña y la viscosidad
plástica es más grande.
En la Figura 13 se compara en forma esquemática el comportamiento reológico de un
hormigón convencional (HC), un hormigón de alta performance (HAP) y de un hormigón
autocompactable (HAC). Es muy interesante observar cómo se modifica la tensión umbral y la
viscosidad plástica en cada caso.
Ensayos sobre el Hormigón Fresco
Los ensayos que permiten determinar la requerida “trabajabilidad” de las mezclas
autocompactables han variado conforme la cantidad de experimentación que se ha destinado
para tal efecto.
Para evaluar la trabajabilidad de hormigones convencionales es habitual, tanto en terreno
como en laboratorio, el uso del cono de Abrams, sin embargo para asentamientos superiores a
los 18 cm dicho equipo deja de ser aplicable. En hormigones fluidos es tradicional el uso de la
mesa de flow, aunque ésta puede valorar de algún modo la tendencia a la segregación no
considera en absoluto la capacidad de pasaje a través de zonas armadas y además entrega
energía a través de los golpes en caída libre.
Es evidente que los requisitos establecidos implican la necesidad de realizar
evaluaciones diferentes a las tradicionalmente aplicadas al hormigón fresco, incluso a los
hormigones fluidos desarrollados desde hace muchos años atrás con la aparición de los
primeros superfluidificantes. Por estas razones se han propuesto diversos equipos alternativos
tales como la prueba de extendido, la Caja L, el embudo V, el ensayo de capacidad de llenado,
la caja U y el J-Ring. Cabe indicar que éste es un tema abierto sobre el que, en la actualidad,
trabajan laboratorios de todo el mundo.
La Tabla 1 sintetiza las diversas opciones para la valoración de las propiedades del HAC
en estado fresco. Se indican las propiedades evaluadas por cada método, junto con las
unidades de medida y los rangos recomendados. No obstante la diversidad de métodos
propuestos es evidente que mucho queda por hacer en la materia.
Medidas:
T50 : tiempo que tarda en alcanzar un diámetro de 50 cm
Dmáx: diámetro final del extendido
Límites:
4 < T 50 < 10 segundos
65 < Dmáx < 75 cm
Figura 14. Ensayo de extendido
Medidas:
H1 : altura en la parte posterior
H2 : altura en la parte anterior
ΔH : H2 / H1 relación de bloqueo
T20 y T40 : tiempos en alcanzar 20 y 40 cm de la
compuerta
Límites:
T20 de 1 ± 0,5 segundos
T40 de 2 ± 0,5 segundos
ΔH : H2 / H1 > 0.80
Figura 15. Ensayo L Box
Medidas:
h1: altura en la parte de llenado
h2: altura en la parte opuesta
F (%) = (h1 + h2) / 2h1 * 100
(factor de llenado)
Límites:
90 < F (%) < 100
Figura 16. Filling vessel test
Medidas:
H1: altura en “A”
H2: altura en “B”
Límites:
0 < H2 – H1 < 3 cm
Figura 17. U- Box
Medidas:
Ha: altura en la parte central
Hb: altura después de las barras
Df: diámetro final
Figura 18. J-Ring
Tabla 1. Evaluación del HAC
Propiedades
Método
Slump flow
Capacidad de T 50 slump flow
llenado
V-funnel
L-box
Capacidad de U-box
pasaje
Filling capacity
*
*
*
Unidades
mm
s
s
(h2/h1)
(h2/h1) mm
%
Rango Mínimo
650
4
6
0,8
0
90
Rango Máximo
750
10
12
30
100
* y resistencia a la segregación
Diseño de mezclas
La aparición de nuevas generaciones de aditivos denominados hiperfluidificantes o
reductores de agua de alto rango ha hecho posible la elaboración de hormigones
autocompactables. Estos aditivos cuya base química es un éter policarboxílico actúan sobre la
pasta de cemento mediante dos mecanismos: repulsión eletrostática y repulsión estérica. Los
mismos constan de una molécula larga y flexible, que contiene grupos carboxílicos cargados
negativamente que provocan la repulsión electrostática entre las partículas de cemento;
asociadas a la cadena principal, las moléculas del aditivo presentan largas cadenas laterales
que dan lugar a una “repulsión estérica”. Esta repulsión estérica produce un efecto físico de
separación entre las partículas de cemento debido al tamaño de la molécula generando una
distribución espacial que evita la floculación del cemento incluso cuando la reacción de
hidratación ya ha comenzado. Este aditivo entra a formar parte del diseño del HAC, permitiendo
reducciones de agua de hasta el 40%, con dosificaciones de 0,8 al 2% respecto de la masa del
cemento, manteniendo una excelente trabajabilidad.
Respecto a los otros materiales componentes los HAC incrementan la cantidad de finos
cuando se trabaja en niveles de resistencia convencional. Para ello suele apelarse al uso de
filler calcáreo o de adiciones minerales; al mismo tiempo existen referencias al uso de aditivos
mejoradores de la viscosidad. Muchas veces es posible prescindir de este aditivo cuando se
elaboran hormigones de alta resistencia, dado que éstos de por sí incluyen altos contenidos de
finos que además incrementan la viscosidad de la matriz. Algunas dosificaciones utilizadas en
nuestro país se muestran a continuación en la Tabla 2.
Tabla 2. Dosificaciones empleadas para la
obtención de hormigones autocompactables
Mezclas
(Kg/m3)
Cemento
Filler calcáreo
Arenas
Agregados
10 mm
12 mm
14 mm
16 mm
20 mm
Aditivos
Plastificante
Inc.de aire
Agua total
agua/ cemento
agua/ finos
ICPA (2001)
351-319
287-261
908-863
Autores
LEMIT (2002)
410
158
1100
744-705
-
715
-
si-si
si-si
182-152
0.52-0.47
0.29-0.26
si
156
0.39
0.27
Propiedades en estado endurecido y aplicaciones
Resistencia
Como consecuencia de la baja relación agua / ligante de este tipo de hormigones, se
favorecen las propiedades del hormigón endurecido como por ejemplo la resistencia mecánica
que se incrementa tanto a corto como a largo plazo si se lo compara con el hormigón
convencional. La baja razón agua / ligante reduce la porosidad del hormigón lo cual implica una
mayor impermeabilidad, aumentando en consecuencia la durabilidad. Desde el punto de vista
estético el hormigón autocompactable presenta un excelente acabado debido principalmente al
elevado contenido de finos y la excelente compactibilidad.
Costo
Pese al mayor costo directo del material, el uso del Hormigón Autocompactable permite
notables ahorros en la obra, producto de la facilidad del hormigonado, de la menor necesidad de
personal, de la calidad de la terminación y del menor desgaste de equipos y encofrados. Por
otro lado, abre notables perspectivas para el diseño de formas más complejas que hasta ahora
hacían difícil su materialización. Considerando únicamente el costo de materiales (y aditivos) la
bibliografía indica un incremento de costo entre el 10 y el 15%, en este momento en nuestro
país, dicho incremento resulta del orden del 20 al 25%. En términos generales los principales
factores de reducción de costos derivados del uso de HAC son los siguientes:
-
Alta velocidad de colocación del hormigón lo que se traduce en notable reducción de los
plazos de construcción.
-
Ahorro en mano de obra.
-
Ahorro en equipos y maquinaria.
-
Alta calidad y durabilidad.
-
Superficies sin defectos.
-
Mayor flexibilidad en el diseño (elementos esbeltos).
-
Reducción de ruido (trabajo continuo).
Aplicaciones
Entre las principales aplicaciones del HAC se destacan puentes (anclajes, torres),
columnas de edificios, túneles y productos prefabricados (bloques, tabiques, tanques, vigas,
alcantarillas). Se describen a continuación algunas aplicaciones particulares:
-
Hormigonado bajo agua: el hormigón autocompactable fue utilizado en construcciones
bajo el agua, una técnica muy cara cuando se utiliza el hormigón convencional. Existe un
mercado sumamente especializado y pequeño para esta aplicación, exclusivo de este tipo de
hormigón.
-
Áreas con acceso restringido o limitado: debido a su fluidez, alta estabilidad y bajo riesgo
de obturación, el hormigón autocompactable es más fácil de colocar. Es una solución cuando
es necesario hacer reparaciones de elementos estructurales en áreas restringidas o cuando
el número de operarios y los medios de acceso se encuentran limitados.
-
Colocación en obra: El hormigón autocompactable permite una colocación en obra más
industrializada, el trabajo de compactación manual es eliminado y al mismo tiempo se puede
alcanzar una mejor calidad. Se ha estimado que aproximadamente el 50% de los costos
totales de la construcción se encuentran relacionados con la mano de obra y los encofrados,
permitiendo importantes reducciones en estos puntos.
-
Premoldeados: En este campo los productos de hormigón tienden a ser más grandes y
más complicados, necesitando mayor técnica para la compactación del hormigón. El
hormigón autocompactable ofrece la posibilidad de reducir los costos de transporte y
colocación. Se puede ahorrar en mantenimiento, mano de obra y eliminar el ruido de la
vibración.
HORMIGONES REFORZADOS CON FIBRAS DE ACERO
Al analizar las características, estructura y propiedades del hormigón como material
compuesto, teniendo en cuenta la influencia de las distintas fases y de las interfaces y
estudiando el mecanismo de fisuración y rotura del hormigón, se observa que a diferencia de un
frágil ideal en el cual la propagación de una única fisura define la rotura del material, en el
hormigón se produce un cuadro múltiple de fisuración.
La idea de utilizar acero en materiales cementíceos para sobrellevar los esfuerzos de
tracción no es por cierto novedosa, el hormigón armado o el pretensado son los ejemplos más
sencillos a los que pueden sumarse otro tipo de estructuras compuestas. El empleo de fibras de
distinto tipo para controlar la propagación de fisuras en materiales frágiles tampoco es tan
original. Ya en épocas remotas se emplearon fibras vegetales para reforzar la arcilla cocida o se
introdujeron cabellos de animales en morteros de albañilería. Igual concepto se aplica a
elementos simples como el adobe o un nido de hornero. Un ejemplo más elaborado es el
asbesto – cemento que data de comienzos de este siglo.
Sin embargo en las últimas décadas se desarrollaron diversos materiales compuestos
reforzados con fibras de distintos tipos combinadas con diferentes matrices como plásticos,
productos epoxílicos, etc. a los que la industria de la construcción tampoco ha permanecido
ajena. Ya en 1920 existían fibras de vidrio pero recién en la década del ’60 aparecieron fibras
compatibles con el medio alcalino de las bases cementíceas. Del mismo modo si bien las
patentes sobre el uso de pequeñas piezas de acero dentro del hormigón datan de 1913, recién
en la década del ’70 se produce el desarrollo de morteros y Hormigones Reforzados con Fibras
(HRF) extendiendo en forma notoria su campo de aplicación. Fibras de carbón, polipropileno,
poliéster, polietileno, acrílicas, naturales, etc. se suman a los tipos de fibras entonces
disponibles.
Se estudiará el empleo de fibras de acero en hormigón ya que éstas son las de mayor
efectividad y con las que se han realizado obras en mayor número e importancia. No obstante
los conceptos básicos generales son aplicables a los distintos tipos de materiales cementíceos
reforzados con fibras.
Interacción matriz – fibra
La presencia del refuerzo modifica las propiedades de la matriz original mediante dos
efectos importantes: por un lado mejora la resistencia del material bajo todo tipo de
solicitaciones que induzcan tensiones de tracción y, más importante aún para nuestro caso,
mejora la capacidad de deformación y controla el proceso de fisuración de una matriz frágil. Esto
último es de gran interés al evaluar el comportamiento frente a acciones dinámicas.
Las fibras controlan el proceso de fisuración no tanto en su inicio como en su desarrollo
posterior. Ejercen una acción de costura o puente a través de las fisuras que permite alguna
transmisión de esfuerzos que confiere a material una resistencia adicional. Este último efecto
depende notablemente del tipo de solicitación aplicada.
La respuesta frente a solicitaciones de tracción directa es el ejemplo más sencillo para
analizar el comportamiento de las matrices reforzadas (Fig. 19). Conforme el tipo y
concentración de fibras se observaran diferentes curvas carga – deformación luego de
alcanzada la fisuración inicial. A medida que se producen microfisuras la carga se transfiere
progresivamente a las fibras mediante esfuerzos tangenciales en la interface fibra-matriz. Si las
fibras son cortas (A) y en una cantidad insuficiente para transmitir tal carga se romperán o lo
más frecuente, fallarán por adherencia (pull – out) observando un decrecimiento progresivo en la
capacidad portante del material bajo condiciones de deformación creciente. Por otro lado si el
tipo y concentración de fibras es suficiente para sobrellevar la carga de rotura de la matriz sin
reforzar se incrementará la capacidad resistente con un comportamiento tensión – deformación
diferente según el tipo de refuerzo (B, C, D).
Respecto a las propiedades requeridas para las fibras en sí mismas, es posible distinguir
entre las propias de cada tipo de material y las relativas a su geometría.
Tanto la resistencia a tracción como la deformabilidad de las fibras deben ser muy
superiores a las de la matriz, esto no constituye un problema para la mayor parte de las fibras
dada las características frágiles de las bases cementíceas.
Cuanto mayor es el módulo de elasticidad de las fibras mayor es la carga transmitida
para una dada deformación pero menor la capacidad de deformación de la composición
posterior a la fisuración, estos hechos alcanzan importancia al comparar las bondades de
distintas fibras. Si el módulo de Poisson de la fibra es mayor que el de la matriz se reduce la
adhesión a nivel de interfaces bajo solicitaciones de tracción.
Finalmente si las fibras no son perfectamente elásticas pueden sufrir una relajación de
tensiones bajo carga por lo que el grado de refuerzo impartido decrecerá.
Para un dado tipo de fibras la efectividad se modifica en gran medida conforme la
geometría adoptada. La transmisión de esfuerzos fibras – matriz cementícea se produce por
adherencia superponiendo acciones que involucran fenómenos de adhesión, fricción y
entrecruzamiento mecánico. La mayor o menor efectividad para cada tipo de fibra es evaluable
mediante un parámetro numérico que gobierna su comportamiento: la relación dimensional
longitud / diámetro (l / d) llamada comúnmente “aspecto” o “aspecto geométrico” de la fibra. Las
fibras poseen usualmente aspectos comprendidos entre 30 y 150.
Figura 19. Esquema de curvas tensión – deformación bajo solicitaciones
de tracción en materiales reforzados con fibras
Si la longitud es menor que un valor crítico (lc) la fibra fallará por adherencia (pull-out)
mientras que si lo supera romperá por tracción. Aún cuando no se pueda alcanzar la máxima
eficiencia de las fibras, las propiedades mecánicas de los materiales reforzados mejoran
sensiblemente, para un dado volumen, con el aumento del aspecto geométrico de las fibras
empleadas.
Sin embargo en general no es posible mezclar o alcanzar buena trabajabilidad con
volúmenes adecuados de fibras si éstas son tan esbeltas; por tal motivo las fibras más
empleadas son conformadas (en sus extremos o a lo largo de toda la fibra) con el propósito de
sumar a la adherencia puramente friccional de las fibras rectas un efecto de anclaje de tipo
mecánico.
La forma, textura superficial, recubrimientos, etc. inciden en la adherencia desarrollada y
por lo tanto en la efectividad de cada tipo de fibra. Por ejemplo, en fibras de vidrio o polipropileno
se verifican grandes diferencias entre monofilamentos o refuerzos multifibrados.
Cabe enfatizar que los potenciales beneficios en las propiedades mecánicas diferirán
según la matriz empleada. En pastas o morteros es posible incorporar por medios
convencionales entre el 2 y el 10% de fibras mientras que en hormigones los volúmenes usuales
oscilan entre el 0.5 y el 2%.
Propiedades de los hormigones reforzados
Los materiales cementíceos del tipo del hormigón poseen características frágiles con una
extensibilidad (capacidad de deformación previa a la fisuración) en tracción directa del orden de
100 a 500 μm / m conforme el nivel de resistencia y la cantidad de inclusiones presentes. Por
ejemplo sobre una pasta de baja relación agua / cemento se pueden medir valores de
extensibilidad del orden de 400 a 500 μm / m mientras que en un hormigón convencional con
agregados de 20 mm de tamaño máximo se alcanzan valores de sólo 100 μm / m.
Consideremos el sencillo caso de tracción directa; es de esperar que la tensión de
fisuración del compuesto δC sea igual a la deformabilidad de la matriz por el módulo de
elasticidad del material compuesto (EC = β Ef Vf + Em Vm ); donde E y V representan los módulos
de elasticidad y los volúmenes relativos de las fibras y la matriz y β un coeficiente que considera
la orientación de las fibras (β = 1 para fibras continuas y alineadas). Sin embargo aún
considerando el máximo valor para β, los valores de tensión de fisuración medidos superan
ampliamente los predichos por la ecuación. Esto ha sido verificado para distintos tipos de fibras
y significa que la presencia de las fibras conduce a un incremento en la extensibilidad del
material compuesto.
El control del proceso de fisuración es seguramente uno de los hechos más importantes
derivados de la inclusión de refuerzos con fibras. Como consecuencia del mismo no sólo se
producen incrementos de la tensión en la que aparecen fisuras en la matriz, sino que se limita su
propagación posterior.
No obstante el comportamiento post-fisuración es el más importante en los HRF y por el
cual se justifican la mayor parte de sus aplicaciones. Aquí nos encontramos frente a dos hechos
fundamentales: por un lado el incremento en la capacidad resistente, por el otro un aumento en
la tenacidad del material.
Como contrapartida la introducción del refuerzo reduce la trabajabilidad del material en
estado fresco. Este hecho es más negativo en el caso de HRF que para compuestos con fibras
de vidrio o asbesto, a causa de la metodología de elaboración de estos últimos. Las dificultades
en la elaboración se incrementan, como es previsible al aumentar el contenido de refuerzo. Uno
de los problemas característicos consiste en la segregación de las fibras mediante la formación
de “pelotas” o “erizos” (Figura 20) La tendencia hacia la formación de erizos crece, para un
dado tipo de fibra y tamaño máximo de agregados con el volumen incorporado y el aspecto
geométrico de las fibras.
En el hormigón los aditivos químicos han contribuido en gran parte a solucionar este
problema. En el hormigón fresco se suman además otros aspectos a los que debe brindarse
especial atención como la alteración de las fibras durante el mezclado, la orientación final de las
mismas, el logro de una adecuada compacidad, y el acabado de las superficies.
El estado endurecido
Como fuera anticipado los principales beneficios de la incorporación de fibras en el
material endurecido se sintetizan en el control de la fisuración y en los incrementos en tenacidad
y resistencia. La magnitud de los mismos dependerá del contenido y tipo de fibras empleadas.
La Figura 21 muestra curvas carga – flecha características de HRF obtenidas en
ensayos de flexión. Es posible observar que luego del comportamiento lineal propio del
hormigón simple se alcanza un punto en el que el material modifica la rigidez apartándose de la
linealidad (carga de fisuración). A partir de aquí comienza un proceso post-fisuración que es
fundamental al momento de evaluar el comportamiento de los HRF. La carga de fisuración se
define en general con bastante claridad y conforme los porcentajes y tipos de fibras presentes
puede estar seguida por un incremento o por un decrecimiento en la capacidad resistente del
material. Para porcentajes de fibras elevados puede dificultarse su definición.
Es posible evaluar la tenacidad del HRF a partir de la curva carga – flecha cuantificando
el área bajo la misma. Las matrices cementíceas son extremadamente frágiles y aún cuando la
presencia de los agregados pueda modificar tal comportamiento lo hace en un nivel mínimo. La
incorporación de fibras permite el desarrollo de una fisuración múltiple, mejor distribuida,
confiriendo además al material fisurado una capacidad portante residual muy importante
comparada con la matriz sin reforzar.
El significado de este incremento en tenacidad depende por supuesto del tipo de
aplicación del material. Para el caso de colapso total (por ejemplo un terremoto) el área
completa bajo la curva será una medida de la capacidad del material. Para otras aplicaciones
(por ejemplo un puente) pueden existir limitaciones de servicio en la deformabilidad y solo el
área comprendida bajo una parte de la curva (hasta una dada deformación) será de interés.
Figura 20. Formación de “pelotas” o “erizos” causadas por
un dosaje excesivo de refuerzo de fibras
Figura 21. Curvas carga – flecha del HRF
Figura 22. Esquema del equipo empleados para ensayos de impacto
Sin embargo, la fisuración del hormigón también se puede generar en ausencia de
cargas externas, por ejemplo por acción de la contracción por secado en condiciones
restringidas. Varias experiencias han demostrado la capacidad de las fibras para mejorar el
comportamiento del material en tales situaciones. Esta propiedad ha posibilitado por ejemplo
incrementar el espaciamiento entre juntas en pavimentos de HRF.
El empleo de HRF resulta especialmente indicado cuando nos enfrentamos a acciones
dinámicas. No obstante no es sencilla la evaluación de tal comportamiento mediante ensayos.
Se ha demostrado que la incorporación de fibras incrementa no sólo la carga de fisuración ante
impactos sino que evita el crecimiento de fisuras y la disgregación de las piezas.
También se han verificado las mejoras de comportamiento frente a acciones de fatiga
cuando se incorporan fibras. De todos modos si bien tales beneficios concuerdan con lo
esperado, las experiencias al respecto no son demasiado abundantes.
Aplicaciones de los hormigones reforzados con fibras
Las fibras de acero se emplean principalmente en hormigones más que en morteros o
pastas de cemento. A diferencia de los otros tipos de refuerzos no se afectan negativamente con
el sistema convencional de mezclado. Los contenidos de refuerzo utilizados oscilan entre 50 y
100 kg / m3; comparados con el hormigón convencional los HRF con fibras de acero no
muestran grandes incrementos de resistencia a tracción directa pero sí bajo esfuerzos de
flexión.
Las primeras aplicaciones de hormigones con fibras de acero incluyeron la construcción
de pavimentos, losas de aeropuertos, puentes y pisos industriales, reparaciones de diques
sujetos a cavitación, estabilización de rocas y túneles (en estos últimos se suma el HRF
proyectado como procedimiento más frecuente de elaboración), etc. Con posterioridad a 1980 la
mayor parte de las aplicaciones consistieron en sobrecapas de pavimentos o uso de hormigón
proyectado en túneles. También surgieron aplicaciones en elementos premoldeados y en menor
medida refractarios.
Los principales cuestionamientos en el uso de HRF para pavimentos se han centrado en
la exposición de fibras en las superficies. En el caso de losas de aeropuertos se ha cuestionado
la posibilidad de que se desprendan fibras y se introduzcan en las turbinas de las aeronaves.
Por todo esto se ha intensificado el control en la forma de compactación y terminación del
material.
Las fibras de polipropileno se destacan por su excelente resistencia a la humedad, a los
ácidos o álcalis a lo que se suma su bajo costo. Originalmente se utilizaron monofilamentos de
sección uniforme pero luego, con el propósito de incrementar la adherencia fue desarrollado un
proceso llamado fibrilación que consiste en la creación de una estructura ramificada. A esto se
suma además el haber otorgado a los filamentos secciones irregulares.
Una de sus limitaciones en la que se ha puesto atención es la necesidad de incrementar
el módulo de elasticidad de las fibras.
La mayor parte de las aplicaciones de este tipo de fibras se centra en la incorporación a
pastas de cemento o morteros en busca de alternativas para los productos tradicionalmente
elaborados con asbesto – cemento como placas delgadas, tanques, revestimientos, etc. En el
hormigón, el uso de fibras de polipropileno discontinuas es muy limitado y se reduce a la
incorporación de bajos porcentajes con el propósito de reducir o controlar la contracción plástica.
Más recientemente se han comenzado a utilizar en hormigón proyectado para estabilización de
rocas, canales, reparaciones de hormigón deteriorado, etc.
HORMIGON COMPACTADO A RODILLO (HCR)
El hormigón compactado a rodillo es un material compuesto básicamente de cemento
portland, agregados pétreos y agua.
En estado fresco tiene consistencia seca (asentamiento nulo). Inmediatamente después
de mezclado posee el aspecto de un material granular húmedo y debe ser transportado,
colocado y compactado con los equipos propios de las obras de suelos y enrocados. En
particular su compactación se realiza con rodillos vibratorios de gran energía. Luego
de
compactado y endurecido el HCR desarrolla propiedades semejantes a la del hormigón
convencional.
Se utiliza en la construcción de diques y obras viales y la ventaja de su utilización se
deriva de:
a) El uso de menor cantidad de agua de mezclado, que permite reducir los contenidos
unitarios de ligante para igual resistencia final.
b) La mayor velocidad de ejecución que permite reducir los plazos de obra con los
consiguientes ahorros en el costo financiero.
c) La reducción del costo global de la obra por los factores mencionados en a) y b),
sumados a la menor utilización de mano de obra y de encofrados.
El HCR constituye una nueva tecnología constructiva. Ello, a su vez, implica resolver
nuevos problemas. Los más importantes son la tendencia a la segregación, su permeabilidad,
asegurar la adherencia entre las numerosas capas de hormigón y la anisotropía provocada por
la compactación, que son consecuencia del sistema constructivo. La tendencia a la segregación
surge como una resultante lógica de colocar mezclas secas con topadoras. Por otro lado para
asegurar la correcta compactación de cada capa se trabaja con espesores comúnmente entre
30 y 100 cm. El problema de la correcta ejecución de las juntas horizontales, que deben
asegurar una adecuada adherencia e impermeabilidad entre dos capas en contacto es de tal
impacto técnico-económico, que su correcta resolución es crucial para el éxito o fracaso de toda
la obra y es motivo del desarrollo de las diferentes variantes tecnologías del HCR.
Estos aspectos se deben evaluar desde la selección de los criterios de diseño y el
proyecto de las estructuras, la elección de los materiales y la determinación de la dosificación de
los hormigones, pasando luego por un adecuado programa de ensayos y finalmente por la
correcta ejecución de las obras.
Es suficientemente conocido que las reacciones químicas producidas durante la
hidratación del cemento son de carácter exotérmico y que la cantidad de calor y la velocidad con
que es liberado difieren para cada uno de sus componentes potenciales. A su vez, ese calor
liberado va a originar una elevación de la temperatura del hormigón que, en condiciones
adiabáticas será directamente proporcional al calor de hidratación del cemento y al contenido
unitario con que ha sido utilizado.
En las estructuras de hormigón la elevación de temperatura producida por la hidratación
del cemento está condicionada por la capacidad de disipación de calor de la propia estructura.
Entran a jugar aquí la difusividad térmica del hormigón (variable según las características de sus
componentes), las dimensiones de la estructura y el gradiente térmico entre la temperatura del
hormigón y la del medio que la rodea.
Las temperaturas que se desarrollarán en el interior de una estructura de hormigón
masivo van a depender tanto de la propia generación de calor de hidratación como de las
condiciones de borde y la omisión de una sola de éstas pueden conducirnos a conclusiones
totalmente erróneas.
Las variaciones de temperatura del hormigón no tendrían mayor significación si la
estructura estuviese completamente libre de dilatarse y contraerse. Esa situación no se da
durante la construcción de una presa.
Las soluciones tecnológicas a la problemática planteada pasan a través de:
-
Utilización de hormigones con baja capacidad de generación de calor: para ello se
requiere fundamentalmente cementos de bajo calor de hidratación y mezclas con bajos
contenido unitario de cemento. Esto último se consigue mediante el empleo de
agregados con Tmáx de 150 o 74 mm.
-
Reducción de la temperatura de colocación de hormigón mediante la utilización de
escallas de hielo como agua de mezclado y preenfriado del agregado grueso.
-
Eliminación con el auxilio de sistemas de refrigeración del calor generado en el interior
del hormigón.
Las ideas sobre el H.C.R. fueron inicialmente planteadas por J. Patton (Glasgow, 1961) y
J. Lowe III (Nebraska, 1962). No obstante, los primeros trabajos publicados se deben a J.M.
Raphael (1970) que extrapoló las aplicaciones del suelo cemento a un conjunto granular natural
para darle cohesión y así mejorar su resistencia al corte. En 1972, R.W. Cannon presentó
resultados obtenidos con mezclas extrapoladas de las usadas en el interior de diques de
gravedad, a las que compactó con rodillos. A comienzos de 1975, en el Dique de Tarbela
(Pakistán), en sólo 44 días se colocaron 344.000 m3 de material granular cohesionado con
cemento portland, utilizando la técnica preconizada por Raphael. Ello puede considerarse la
primera aplicación industrial de H.C.R.
Inmediatamente después se produjo un rápido desarrollo del HCR y se multiplicaron los
proyectos, en lo que constituye la mayor evolución que en las últimas décadas ha
experimentado la ingeniería de presas de hormigón.
La Argentina también ha sido partícipe de esta evolución. Así lo atestiguan la presa de
Urugua-í, el proyecto de Cuesta Blanca, sobre el Río San Antonio, Córdoba, y los estudios para
el embalse del Río El Tala en Catamarca y al aprovechamiento El Chibuido sobre el río
Neuquen.
Materiales y métodos de dosificación
En una primera aproximación las características requeridas a los materiales y los
principios utilizados en el dosaje de las mezclas de HCR son similares a los correspondientes a
los hormigones convencionales, con las singularidades propias del proceso constructivo.
El material aglomerante por excelencia en los hormigones es el cemento portland. La
necesidad de controlar la fisuración por retracción térmica lleva a la utilización de ligantes con
moderado o bajo calor de hidratación. Los cementos pueden ser puros, del tipo normal, de
moderado o bajo calor de hidratación; puzolánicos y de escoria de alto horno.
Las adiciones activas, incorporadas al cemento durante su fabricación, o mezcladas
directamente en obra, son las mismas que se utilizan para los hormigones convencionales. En la
mayor parte de las aplicaciones se ha utilizado cenizas volantes, por su disponibilidad en los
países en que se construyen las presas. También se han utilizado escorias de alto horno y
puzolanas naturales.
Finalmente, en la variante tecnológica de alto contenido de pasta se recurre al uso de
cantidades elevadas de adiciones que pueden llegar a una relación adición / cemento= 2.
Dependiendo de la magnitud del proyecto, de los niveles resistentes requeridos y de la
necesidad de reducir la variación de calidad del HCR elaborado, se hace necesario procesar y
separar distintas fracciones para luego recomponer la curva granulométrica deseada, en forma
similar a como se procede para el hormigón masivo convencional. En este caso es
recomendable separar al agregado fino en dos fracciones y al grueso en 2 o 3 fracciones.
Las curvas granulométricas integradas utilizadas en HCR difieren ligeramente de las
correspondientes al hormigón masivo convencional. Ello se debe a que:
a) El tamaño máximo no supera los 75 mm para reducir la segregación durante el
movimiento de la mezcla.
b) Se eleva el contenido de arena a un valor del orden del 40%, también para reducir la
segregación y facilitar la compactación.
c) Se aumenta el contenido de finos hasta un valor entre 4% y 10%, por lo expuesto en 4.1.
Estos finos pueden ser inertes (limos no plásticos, polvo de molienda) o activos (cenizas
volantes, escorias, puzolanas naturales y arcillas activadas).
La figura 23 muestra las curvas límites recomendadas por el American Concrete Institute
207.5R-87 y la curva granulométrica empleada en ensayos para el estudio de factibilidad del
aprovechamiento hidroeléctrico del Río Negro, Argentina.
Dosificación de las mezclas
Al dosificar las mezclas se debe tener en cuenta la influencia que se ejerce sobre la
resistencia del HCR, especialmente en lo que concierne a los conceptos básicos siguientes:
a) Cantidad óptima de agua de mezclado.
b) Contenido de material cementante y % de vacíos como parámetros de diseño.
c) Energía de compactación como referente de los conceptos a) y b).
Asimismo, la consistencia seca de las mezclas no permite usar los métodos clásicos para
medir la trabajabilidad del hormigón, y esta queda definida en función de su aptitud para ser
compactada mediante los equipos de obra hasta la densidad (% de vacíos) necesaria para
asegurar la resistencia buscada. En ese sentido, un contenido de agua de mezclado insuficiente
resta trabajabilidad a la mezcla e impide su compactación hasta el % de vacíos deseado,
disminuyendo su resistencia (ver figura 24) Por otra parte, el exceso de agua produce el
hundimiento del rodillo vibratorio, lo cual también impide la compactación proyectada. Al
respecto, es habitual que cuando esto empieza a ocurrir se forma una onda de HCR delante del
rodillo que avanza.
Al igual que en los hormigones convencionales, la dosificación de una mezcla de HCR es
un proceso iterativo que incluye:
•
Dosaje teórico preliminar
•
Verificación experimental de las proporciones
•
Nuevo ajuste del dosaje
•
Comprobación de la resistencia
•
Optimización técnico-económico de las condiciones de borde impuestas al diseño
de la mezcla (contenido unitario de cemento y adiciones, % de vacíos, energía de
compactación)
•
Realización de mezclas con distintos contenidos unitarios de ligante para tener
una curva que relacione resistencia – contenido de (cemento + adición).
Para la primera de las etapas mencionadas no existe una metodología de uso
convencional, aunque se tiende a utilizar un único equipo de compactación para determinar la
“trabajabilidad” y preparar las probetas para los ensayos de resistencia.
Los métodos más usados para determinar la densidad del HCR son los siguientes:
1) Proctor modificado según Norma ASTM C-1557
Utiliza 95 golpes con un peso de 4,5 kg y 450 mm de altura de caída.
Figura 23. Curvas límites recomendadas por ACI para HCR
Figura 24. Dispositivo para Método Ve-be modificado
2) Método Ve-be modificado
Se pueden utilizar dos recipientes. Las dimensiones indicadas entre parámetros
corresponden al mayor de ellos.
Este método da buenos resultados cuando la mezcla tiene un contenido de pasta mayor
que el de vacíos. El recipiente se llena en tres capas. Cada una de ellas se vibra hasta
que aparece pasta alrededor del disco apoyado sobre el hormigón. El tiempo en
segundos necesario para ello es un índice de la trabajabilidad de la mezcla. La figura 24
muestra resultados de ensayos para determinar la calidad óptima de arena respecto del
total de agregados en la mezcla de HCR.
Elemento
Mesa vibradora
Amplitud
Molde
Altura interior
Sobrecarga
Item
Frecuencia
1.0 mm
Diámetro interior
Masa
Especificación
3000 rpm
24 (48) cm
20 (40) cm
20 kg
3) Martillo neumático
Los más usuales tienen una frecuencia menor de 600 impactos / minutos y 15 cm de
golpe (stroke). El recipiente también se llena en capas y cada una de ellas se compacta
hasta que comienza a sacar los agregados de la masa ya compactada. El tiempo de
compactación de una capa está en el rango de 10 a 20 seg.
Los mismos instrumentos se utilizan para compactar las probetas para ensayos de
resistencia. Al igual que en el hormigón masivo convencional, las probetas son cilíndricas, de 15
cm de diámetro y moldeadas con la fracción menor de 38 mm. Para el hormigón integral se
utilizan cilindros de 25 y 30 cm. de diámetro.
Propiedades del HCR
-
El moderno concepto de fiabilidad de una estructura incluye los tres aspectos siguientes:
Seguridad estructural
Aptitud en servicio
Durabilidad
Estos mismos conceptos deben ser considerados y analizados para el HCR, teniendo en
cuenta en cada uno de ellos a los factores condicionantes y su vinculación con las
características intrínsecas del material. En el Cuadro 2 se esquematizan los factores que
entendemos son los más significativos. Sobre ellos se hacen consideraciones en este trabajo.
Cuadro 2. Conceptos inherentes a la fiabilidad de una presa de HCR
SEGURIDAD
Resistencia
de la masa
de la junta
Permeabilidad
FIABILIDAD
Seguridad a la fisuración
DE UNA
APTITUD EN SERVICIO Erosión por escurrimiento superficial del
PRESA DE
agua
R.C.C.
Aspectos estéticos
Lixiviación por precolación de agua en las
juntas
DURABILIDAD
Congelación y deshielo
Ataques químicos
R.A.S.
Resistencia estructural
Con respecto a la seguridad estructural, el factor fundamental y casi exclusivo a
considerar es la resistencia mecánica.
Resistencia a compresión
En un dique de gravedad para cualquier estado de carga, es determinante la resistencia
a compresión (f’c). A partir de curvas de correlación correspondientes a los hormigones de obra
se ha obtenido la curva de la figura 25. Se aprecia una variación de la resistencia del orden del
7% cuando el porcentaje de vacíos se modifica en el 1%.
Se puede indicar, entonces, que en los hormigones secos (no plásticos), incluyendo el
HCR, es de aplicación la ley que vincula resistencia-porosidad si existe continuidad en la matriz
cementante; deja de tener validez si se produce una deficiencia en la cantidad de ligante y/o una
compactación inadecuada que originen discontinuidades significativas.
Por tal motivo, una vez fijado la energía disponible en los equipos de compactación, los
niveles de f’c del HCR dependen fundamentalmente del contenido de ligante o material
cementante, entendiendo como tal al cemento portland y las adiciones activas empleadas.
Pierde validez como parámetro de diseño la razón agua / cemento. El agua de mezclado óptimo
es aquella que origina la máxima densidad, para el conjunto de materiales y la energía de
compactación utilizados. El contenido de material cementante, y el % de vacíos son por lo tanto,
los parámetros de diseño de las mezclas.
La figura 26 ilustra sobre los conceptos anteriores. Se aprecia como varía la densidad
con el contenido de agua, que existe un óptimo al cual corresponde la máxima densidad y que
esa humedad óptima disminuye con el aumento de la energía de compactación. Además, si la
dosificación de la mezcla y la energía de compactación se mantienen constantes, la máxima
densidad se corresponde con la mayor resistencia.
Puede afirmarse que es posible lograr mezclas con resistencias dentro del rango de 10 a
65 MPa, dependiendo del contenido de cemento, la compacidad de la mezcla y la efectividad del
curado.
Como se planteó anteriormente, la relación existente entre la porosidad del material y su
resistencia, indica que una reducción en los vacíos de la mezcla conduce a un incremento en la
resistencia. Consecuentemente, en las mezclas con bajo contenido de cemento suele ser
necesario incorporar finos no activos (material que pasa por el Tamiz Mo.200) a efectos de
lograr un conjunto granulométrico cerrado, con un mínimo porcentaje de vacíos. Si esos finos
además tienen acción puzolánica se logra un incremento adicional de resistencia, ya que los
productos de hidratación reducen aún más los vacíos y actúan como material cementante.
Anisotropía del hormigón
El HCR es un material fuertemente anisotrópico. La colocación en capas de reducido
espesor y su compactación mediante rodillos vibratorios produce una estratificación con
comportamiento diferencial según sea la dirección de aplicación de las cargas en relación a los
planos de compactación.
En las presa de gravedad, las tensiones principales de compresión son verticales o
subverticales, por lo que tienden a coincidir con la normal a los planos de compactación, que es
la dirección de mayor resistencia a compresión.
Figura 25. Influencia del porcentaje de vacíos en la resistencia relativa del HCR
Figura 26. Influencia del contenido de humedad y la densidad sobre la resistencia del HCR
Juntas constructivas
Constituyen una particularidad de las masas de HCR derivada del propio proceso
constructivo.
Toda presa de hormigón tiene en las juntas un plano de debilidad, cuya magnitud
depende del tratamiento que reciba.
Las implicancias de este tema deben ser adecuadas en relación a su capacidad para:
a) resistir las tensiones de tracción perpendiculares a la junta, en la zona adyacente al
parámetro de agua arriba, cuando existen solicitaciones sísmicas significativas.
b) resistir el deslizamiento en el plano de una junta debido a las componentes horizontales
de las cargas.
c) impedir el escurrimiento del agua en su plano, con el consiguiente proceso de lixiviación
y reducción de la capacidad resistente citada en a) y b).
El comportamiento de las juntas está en relación a su tratamiento, incluyendo el estado
de la superficie, la “moldeabilidad” de la capa de asiento y del HCR y la energía de
compactación aplicada, pudiéndose esperar valores de cohesión del siguiente orden:
0.05 f’c < C < 0.20 f’c
Con respecto al coeficiente de fricción las variaciones son menores. En las juntas de
construcción endurecidas con contacto íntimo entre las dos superficies se tienen valores de Ø =
450. En superficies mal ejecutadas, sin mezcla de asiento Ø puede reducirse a valores del orden
de 400.
Las consideraciones formuladas respecto de la cohesión son también aplicables a la
resistencia a tracción normal a la junta de construcción, ya que ambas magnitudes son
exteriorizaciones del mismo fenómeno de adherencia. Consecuentemente, cabe esperar un
rango de valores entre resistencia nula y la fc de la masa.
Aptitud en servicio
Los temas que cobran importancia en relación al concepto de aptitud en servicio de una
presa de gravedad de HCR están vinculados, según se desprende del Cuadro 2, con la
permeabilidad, seguridad a la fisuración, erosión por escurrimiento superficial de agua y también
con el aspecto estético de la estructura.
Permeabilidad
La permeabilidad de una presa de HCR, dejando de lado el escurrimiento de agua que
puede producirse a través de vías preferenciales (fisuras y / o defectos macroscópicos), está
gobernada, al igual que los problemas resistentes pro el comportamiento de la masa y de la
junta. En la masa se pueden obtener coeficientes de permeabilidad que varían entre 10-7 y 10-10
cm / seg según el rango del contenido del material cementíceo.
Sin embargo el comportamiento global de la presa respecto a esta característica está
influenciado por las juntas y por el tratamiento realizado en las mismas. En presas donde el
tratamiento de juntas ha sido deficiente o el HCR ha presentado segregación, el coeficiente de
permeabilidad mencionados ha aumentado drásticamente a valores del orden de:
K = 10-3 a 10-4 cm/seg
La evaluación del significado de los valores del coeficiente de permeabilidad deben
realizarse teniendo en cuenta los siguientes puntos:
a) Aún en los casos de mayor permeabilidad no se afecta la capacidad de retención del
embalse.
b) La precolación de agua a través de una presa, provoca un proceso de lixiviación del
Ca(OH)2 con la consiguiente disminución o degradación del cemento hidratado y de su
capacidad resistente. Este hecho es de importancia prioritaria en las juntas, que
constituyen planos de debilidad de la estructura.
Seguridad a la fisuración
Las presas de HCR deben verificar la seguridad a la fisuración en forma análoga a una
presa de hormigón convencional. Son de aplicación todos los métodos utilizados para este
último tipo de presas, con la particularidad que debe tenerse en cuenta el menor espesor de las
tongadas y la variación de la temperatura del medio ambiente a lo largo del día.Al igual que en
toda presa de gravedad, en las de HCR deben ser consideradas dos situaciones:
1) La fisuración de la masa por enfriamiento lento, que puede provocar la aparición
de fisuras transversales y / o paralelas al eje de la presa.
2) El enfriamiento rápido de los paramentos debido a la acción de la temperatura del
aire, especialmente el de agua arriba, por su incidencia en la permeabilidad.
Comparativamente con las presas de hormigón convencional, las de HCR poseen la
ventaja de utilizar mezclas con bajos contenidos de cemento. Estos contenidos pueden ser
menores a 100 kg/m3 , pero las presas de HCR tienen el inconveniente de que es muy difícil
controlar las temperaturas de colocación.
El preenfriamiento del HCR es prácticamente imposible. El enfriamiento del agua de
mezclado mediante la incorporación de hielo debe descartarse por el poco volumen utilizado y el
preenfriamiento de los agregados también debe descartarse en razón de su costo.
Consecuentemente la temperatura de colocación del HCR es la que posee naturalmente en las
condiciones reales de trabajo. Esto conduce a que en muchos casos se establezcan períodos de
veda durante los meses más cálidos para evitar temperaturas máximas que luego producirán la
fisuración de la masa.
Erosión por Escurrimiento
La erosión del HCR por escurrimiento superficial de agua es todavía un aspecto abierto a
la investigación, no existiendo un cúmulo importante de información. Sin embargo puede
plantearse que los HCR de altos niveles de resistencia, con tamaños máximos de agregados
pequeños y textura superficial lisa presentan una mejor resistencia a la erosión. Algunos
estudios puntuales indican que hormigones con tamaños máximos de 38 mm tienen buen
comportamiento hasta con velocidades de 20 m/seg.
El HCR expuesto ha mostrado tener alta resistencia a la erosión por su elevado
contenido de agregados. El grado de resistencia a la erosión es directamente proporcional a la
resistencia a compresión, la cual, como ya sabemos, depende de la calidad de los agregados,
las proporciones de la mezcla y la compactación.
Aspecto estético
El aspecto estético de aquellos HCR vistos, no es del todo agradable, fundamentalmente
por presentar una terminación pobre no asimilable a la de un hormigón convencional. Sin
embargo este hecho puede ser técnicamente solucionado ubicando en la cara vista de la presa
un revestimiento.
Durabilidad
Con relación a la congelación y deshielo el comportamiento de un HCR será similar al de
un hormigón pobre sin aire incorporado. El bajo contenido de agua de mezclado hace imposible
lograr una incorporación de aire adecuada. Ensayos rápidos de congelación y deshielo
realizados, han indicado un comportamiento deficiente. Por tal motivo, para este tipo de
exposición al medio, es aconsejable proveer al HCR de una protección exterior.
Con respecto a la reacción álcalis-agregado (R.A.S.), el aporte de álcalis del cemento
puede llegar a ser mínimo por los bajos contenidos unitarios de ligante. No obstante, los mismos
agregados pueden aportar álcalis y además, las experiencias más recientes alertan sobre las
nuevas especies minerales capaces de reaccionar en el tiempo con los álcalis del medio. Por
todo ello, en hormigones destinados a presas deben tomarse precauciones especiales respecto
a este fenómeno ya que al existir siempre humedad, se dan las condiciones para el desarrollo
de la R.A.S.
Nota:
Para la preparación del presente apunte de cátedra se han tomado como base las siguientes publicaciones:
“Curso de Tecnología del hormigón”, A. Castiarena, Asociación Argentina de Tecnología del Hormigón, 1994.
P.K. Metha, P.J.M. Monteiro, “Concrete structure, properties and materials”, Prentice Hall, Inc., E.E.U.U., 1993.
S. Mindess, J.F. Young, “Concrete”, Prentice Hall, Inc., E.E.U.U., 1981.
G. Giaccio, A. Martín, M. Soriano, R. Zerbino, “Hormigones autocompactables”, Revista Ciencia y Tecnología del
Hormigón, Laboratorio de Entrenamiento Multidisciplinario para la Investigación Tecnológica (LEMIT), 2002, N° 9, pp.
33-46.
“Ciencia y Tecnología del Hormigón” Laboratorio de Entrenamiento Multidisciplinario para la Investigación Tecnológica
(LEMIT), Año 2 Nº 3.
Apuntes de cátedra desarrollados por el Ing. Romeo Miretti, UTN Facultad Regional Santa Fe.
Santa Fe, marzo de 2006.