INFLUENCIA DE LAS CARACTERISTICAS DEL AGREGADO EN EL COMPORTAMIENTO DEL PAVIMENTO DE HORMIGON Edgardo Souza (1) Diego Calo (2) Instituto del Cemento Pórtland Argentino San Martín 1137 (1004) Ciudad de Buenos Aires (1) I.CP.A., Jefe División Tecnología [email protected] (2) I.C.P.A., División Pavimentos [email protected] Palabras clave: agregados, normas de ensayo, pavimento, hormigón RESUMEN El agregado ocupa un volumen de entre el 70% y el 80 % del hormigón, es por ello que sus características tendrán un fuerte impacto en las propiedades tanto en estado fresco como endurecido del mismo, así como en la durabilidad del pavimento. A pesar de ello, la realidad actual muestra que usualmente se presta poca o ninguna consideración al ensayo de los agregados previo a su utilización en un proyecto. En general las evaluaciones se realizan una vez adjudicada la obra y muchas determinaciones exceden los plazos disponibles para obtener resultados confiables. La Tecnología de Alto Rendimiento (TAR) que se emplea para la construcción de pavimentos de hormigón impone el consumo en forma continua de grandes volúmenes, por lo cual exige el empleo de áridos locales para garantizar el abastecimiento. En forma complementaria, se debe tener en cuenta no sólo la calidad de los componentes, sino la uniformidad en el tiempo de sus propiedades. Una variación en la granulometría o en el contenido de polvo, producirá un cambio en el contenido de agua de la mezcla para mantener la consistencia, y un incremento en el agua redundará en una pérdida de resistencia. Básicamente, se puede indicar que los aspectos que definen el desempeño de un pavimento de hormigón están dados por la ausencia de fisuras y fallas, la rugosidad o confort de marcha, y la textura superficial que nos debe proveer adecuadas características de fricción con bajos niveles de ruido. Muchas de estas propiedades están directamente relacionadas con las características de los agregados. En este trabajo se resumen las propiedades principales de los agregados que impactan en la calidad del hormigón y en el desempeño del pavimento en servicio, las cuales son las que usualmente se evalúan al momento de definir una fuente de provisión. También se enumeran las respectivas normas de aplicación, y se propone un esquema de evaluación para contar en forma preventiva con información actualizada de las propiedades principales de los distintos yacimientos, a fin de poder valernos de ella al momento del proyecto y de la ejecución de las obras. 1. INTRODUCCION En función de que el agregado ocupa un volumen de entre el 70 al 80 % del hormigón, sus características tienen un fuerte impacto en las propiedades del mismo y en su comportamiento en servicio. En general hay conciencia de que la forma y textura así como la distribución granulométrica de un conjunto de agregados inciden fuertemente en las propiedades en estado fresco del hormigón. Sin embargo, no se tiene en cuenta adecuadamente el importante rol que tienen las características mecánicas y mineralógicas de los áridos en el desempeño de los pavimentos de hormigón. En este sentido se debe distinguir entre ensayos de aceptación y ensayos de caracterización. Los primeros permiten definir la aptitud de un determinado yacimiento, o frente de explotación. La frecuencia de realización es baja pero se debe tener presente que en general demandan mucho tiempo para obtener resultados. Algunos ensayos demoran hasta dos años, por lo cual es evidente que se deben realizar con suficiente prelación al inicio de una obra, incluso previo a la adjudicación de la misma. Están muy vinculados a la durabilidad del hormigón y entre ellos se puede mencionar: Reactividad álcali agregado, Inmersión en etilenglicol, Desgaste Los Ángeles, Estabilidad en Na2SO4. En cambio los ensayos de caracterización pertenecen al ámbito del control de calidad que se realiza durante la producción, y se evalúan propiedades que al fluctuar modifican las propiedades en estado fresco del hormigón. Su frecuencia es muy alta, se realizan durante todo el transcurso de la obra y sus resultados se obtienen rápidamente (desde algunos minutos hasta pocas horas). Estos ensayos nos brindan una herramienta rápida para realizar las correcciones necesarias con el fin de mantener en el tiempo la calidad final del pavimento de hormigón. Entre ellos se puede indicar análisis granulométrico, contenido de polvo, humedad, etc. Otros ensayos de caracterización, que se efectúan en general directamente en hormigón, pueden brindar información muy valiosa a la hora de proyectar un pavimento, debido a que se encuentran estrictamente vinculados a su comportamiento frente a las solicitaciones impuestas por el tránsito y clima. Entre ellas se pueden mencionar el coeficiente de dilatación térmica, el módulo de elasticidad, la resistencia a flexión, etc. 2. PROPIEDADES QUE AFECTAN LA TRABAJABILIDAD DEL HORMIGON La trabajabilidad del hormigón se relaciona con la movilidad o docilidad del mismo, y se define como la facilidad con que el hormigón puede ser colocado compactado y terminado con los medios disponibles en obra. De esta definición surge que no depende sólo del hormigón sino del tipo de elemento a llenar, de los medios, y el equipamiento de que se dispone. Tipo de Agregado, Forma y Textura: En general, mediante el empleo de un agregado natural (canto rodado), se obtendrá un hormigón más dócil que cuando se usa uno proveniente de la trituración, ya que éstos poseen forma angulosa y caras más rugosas. Asimismo, para una misma consistencia se necesitará menos agua para un agregado redondeado. La demanda de agua se incrementa además cuando hay presencia de partículas lajosas y/o elongadas. Distribución de Tamaños: En general se acepta que con el incremento del tamaño máximo (T.M.) se reduce el requerimiento de agua para una consistencia determinada. No obstante ello en pavimentos se recomienda limitar el TM a 37,5mm para no afectar la trabajabilidad. En pavimentos de hormigón, al igual que en otras estructuras se busca una buena graduación de tamaños sin discontinuidades, con el fin de reducir el contenido de “vacíos” del esqueleto granular. En la figura 1 se representa los retenidos parciales correspondientes a una graduación óptima. Fig. 1: Retenidos parciales para una graduación ideal de áridos para hormigón Durante la ejecución se deben realizar muy frecuentemente determinaciones para conocer y mantener acotadas las fluctuaciones. La granulometría depende del proceso de producción y clasificación, aunque debe evitarse que se produzca segregación durante el transporte y acopio de los materiales. Contenido de Finos # 300 µm: El contenido de material que pasa por el tamiz de 300 µm de abertura (Nº 50) se debe ubicar en un entorno que garantice una mezcla cohesiva. Un exceso producirá incrementos en la demanda de agua y riesgo de fisuración; en tanto que en defecto conduce a problemas de segregación y de terminación. La mayoría de las especificaciones indican para el agregado fino un pasante en peso seco del agregado total del 10% al 30% [1] [2], si se emplea aire intencionalmente incorporado se puede reducir este valor a 5%. Contenido de Finos # 75 µm: Los finos que pasan el tamiz de 75 µm de abertura se deben limitar al 1%, ya que incrementan considerablemente la demanda de agua y los riesgos de fisuración plástica y de contracción por secado, sobre todo si son plásticos. Absorción: Para evitar que los agregados absorban agua de mezclado se los debe mantener saturados en los acopios, de lo contrario el asentamiento del hormigón variará sensiblemente durante el transporte. Asimismo si se produce absorción durante las primeras horas de vida del hormigón colocado, se incrementan los riesgos de fisuración temprana. Contenido de humedad: Se debe conocer el contenido de humedad de los agregados previo al ingreso a la hormigonera para corregir el agua libre agregada. Sino se tiene en cuenta este parámetro los asentamientos variarán sensiblemente de pastón a pastón. 3. PROPIEDADES HORMIGON QUE AFECTAN LA RESISTENCIA DEL Tipo de agregado: En general, con agregados triturados se puede lograr resistencias mayores que con áridos redondeados. Con el aumento de la relación a/c, la influencia del tipo de agregado disminuye, pues la resistencia de la pasta se vuelve primordial. La tensión a la cual una fisura se genera y propaga será mayor para agregados triturados por la mejor adherencia y la forma más trabada del esqueleto granular. Estas diferencias se encuentran atenuadas por la menor demanda de agua para una trabajabilidad equivalente, de un agregado redondeado. Resistencia intrínseca del agregado: Lo expuesto anteriormente es válido cuando se asume que el agregado es más resistente que la pasta; lo cual es cierto, en general, para hormigones convencionales. Pero cuando el agregado es más débil, como en el caso de agregados livianos, las fisuras se propagarán a través de los áridos, y en este caso tendrán una influencia muy fuerte en la resistencia del hormigón. Tamaño máximo – Distribución granulométrica: Los tamaños mayores y curvas granulométricas bien graduadas disminuyen la demanda de agua para consistencias equivalentes al existir menor superficie específica, lo que resulta en un incremento en la resistencia. En la fig. 2 se grafica el efecto de la graduación de tamaños en el porcentaje de vacíos del esqueleto granular. Textura y Limpieza: La adherencia entre la pasta y el agregado dependerá de la calidad de ambos, pero en líneas generales se puede afirmar que la misma aumentará con la rugosidad superficial del agregado, y con ello la resistencia del hormigón, debido a que con la rugosidad se incrementa la superficie de contacto y adicionalmente se consigue trabazón mecánica. Se debe tener en cuenta que el polvo adherido en los agregados disminuye notablemente la adherencia de la interfase y en consecuencia la resistencia del hormigón, por lo cual se deberá trabajar con agregados limpios. En el caso de pavimentos de hormigón se recomienda contar con al menos una fracción de agregados triturados, ya que una textura rugosa permitirá un mejor comportamiento a la flexión del material. a b c Fig 2: Los espacios vacíos son equivalentes para distintos tamaños máximos si el agregado es monogranular (a) y (b), si se combinan mejora la graduación y se reduce el volumen de vacíos (c) [2] 4. PROPIEDADES QUE AFECTAN EL DESEMPEÑO PAVIMENTOS DE HORMIGÓN EN SERVICIO DE El comportamiento de un pavimento se lo define en general como la capacidad con la que cuenta para prestar servicio al tránsito presente brindándole al usuario seguridad y confort de marcha. El pavimento alcanza el fin de su vida útil cuando su funcionalidad o su integridad estructural se encuentran afectadas, alcanzando un umbral de deterioros que requiere la ejecución de tareas de rehabilitación. En el caso de pavimentos rígidos existen una gran cantidad de deterioros que afectan su serviciabilidad. Se enumeran a continuación aquellas propiedades de los agregados que pueden tener un impacto significativo en el comportamiento del hormigón en servicio, a fin de que sean contemplados adecuadamente en el proyecto de las obras. Expansión Térmica: Las propiedades térmicas del agregado afectan de forma muy significativa la evolución de deterioros en los pavimentos de hormigón simple, dentro de los cuales debe incluirse el desarrollo de fisuración longitudinal y transversal, roturas de esquina y levantamientos de losas. Un pavimento en servicio, se encontrará sujeto a continuos cambios de temperatura y humedad, lo que se traduce en la generación de gradientes de estos parámetros en la sección de hormigón. Como consecuencia de estos gradientes se manifiestan alabeos, los cuales modifican la condición de apoyo de las losas y que se encontrarán restringidos por las cargas de tránsito y el peso propio de la calzada. El coeficiente de expansión térmica (CET) del hormigón es uno de los factores principales que gobierna los alabeos que se generan en servicio, por lo cuál en los últimos años es materia de análisis desde el proyecto mismo de los pavimentos de hormigón. El nuevo método empírico - mecanicista de diseño de pavimentos [3] es uno de los primeros que considera la influencia de este factor. Seguidamente se muestra un análisis efectuado con esta poderosa herramienta con el objetivo de evidenciar la incidencia de este parámetro en la performance predicha para un pavimento determinado. 70 Fisuración Transversal, % 60 50 40 TPMDA: 4500 V. Pesados/día Tasa de Crecimiento: 3% anual Espesor: 25 cm. Subbase: Granular con Cto. (EROD: 1) Sep. Juntas: 4,5 m. Pasadores: 32mm. MR (28 días): 4,7 Mpa E (28 días): 29 GPa. Banquina Flexible. Clima: Húmedo s/congelamiento Edad: 25 años. 30 20 10 0 7.00 8.00 9.00 10.00 11.00 12.00 13.00 14.00 Coeficiente de dilatación térmica del Hormigón, 1x10-6 1/ºC Fig. 3. Efecto del Coeficiente de dilatación térmica del hormigón en la fisuración transversal Según se observa, bajo las condiciones de proyecto adoptadas en este caso, este factor tiene una incidencia muy significativa en la fisuración predicha a largo plazo. Por consiguiente, este factor debe analizarse en el proyecto de los pavimento, a fin de evaluar la necesidad de adoptar medidas en el diseño estructural, con el objeto de que el pavimento experimente un comportamiento adecuado durante el período de diseño. Si bien, el coeficiente de expansión térmica del hormigón se encuentra gobernado principalmente por el coeficiente de expansión térmica del agregado, la determinación de su valor debe efectuarse directamente en el hormigón confeccionado con dicho árido. [4] Mediante la figura 4 se representa el coeficiente de dilatación térmica del hormigón, y de agregados de distinto origen, en forma complementaria se indica el de la pasta de cemento y el del acero [5]. En el hormigón, por tratarse de un material compuesto, el coeficiente de dilatación térmica del mismo se corresponderá aproximadamente con el promedio ponderado en volumen del CET de los materiales componentes. Acero Hormigón Material Pasta Cuarcítica Arenisca Dolomita Caliza Basalto Granito 0 5 10 15 20 Coeficiente de Expansión Térmica [1x10-6/ºC] Fig. 4. Coeficiente de dilatación térmica de distintos materiales Resistencia al desgaste: esta propiedad puede afectar el desempeño del pavimento de hormigón tanto en servicio como durante la ejecución. Un agregado que no cuente con una adecuada resistencia al desgaste puede fragmentarse durante su manipuleo, acopio y mezclado modificando su graduación y el contenido de polvo en la mezcla, afectando las características en estado fresco y eventualmente en estado endurecido. En un pavimento en servicio, esta propiedad puede llevar a que se verifique un desgaste excesivo de la superficie del pavimento y de los bordes de las juntas. Módulo de elasticidad: El módulo de elasticidad del hormigón es una de las características que en mayor medida afecta la tendencia a la fisuración de un pavimento de hormigón. Al igual que otras propiedades ya mencionadas, este parámetro se encuentra fuertemente influenciado por la rigidez propia del agregado. Aunque no se ha verificado que exista una correlación lineal entre ambas, en general un agregado de mayor módulo de elasticidad generalmente produce un hormigón de mayor rigidez. Seguidamente se representa la incidencia del módulo de elasticidad del hormigón en la fisuración transversal prevista a largo plazo en el pavimento, considerando idénticas condición climática, composición estructural y tránsito que las adoptadas para el análisis de la influencia del CET. 90 TPMDA: 4500 V. Pesados/día Tasa de Crecimiento: 3% anual Espesor: 25 cm. Subbase: Granular con Cto. (EROD: 1) Sep. Juntas: 4,5 m. Pasadores: 32mm. MR (28 días): 4,7 Mpa CET: 10 x 10-6 /ºC Banquina Flexible. Clima: Húmedo s/congelamiento Edad: 25 años. Fisuración Transversal, % 80 70 60 50 40 30 20 10 0 28 30 32 34 36 38 40 42 Módulo de elasticidad a 28 días, GPa Fig. 5. Efecto del módulo de elasticidad del hormigón en la fisuración transversal En general, se determina comúnmente el módulo de elasticidad del hormigón debido a que es el que mejor muestra el impacto del agregado en el comportamiento de tensiones y deformaciones. Presencia de minerales potencialmente reactivos: Determinados agregados contienen minerales capaces de reaccionar con los álcalis (Na2O y K2O) aportados por el cemento o por cualquier otra fuente. Como producto de reacción se genera un gel, el cual expande en presencia de humedad, causando fisuración de la matriz cementicia y por consiguiente, reduciendo la capacidad estructural del hormigón. La reacción álcali – sílice (RAS) se caracteriza por ser un fenómeno que puede desarrollarse luego de varios años. Por consiguiente, los ensayos para evaluar si un agregado es potencialmente reactivo con los álcalis del cemento pueden demorar desde algunas semanas a 1 año, en tanto que los estudios para validar las medidas preventivas a adoptar pueden tomar incluso más de 2 años. Resistencia al congelamiento y Los daños por deshielo: congelamiento y deshielo en pavimentos de hormigón pueden Fig. 6: Deterioro típico de un pavimento de hormigón con RAS. Se observa presencia de gel y bordes de reacción en el testigo. originarse por mecanismos asociados al incremento de volumen que experimenta el agua al congelarse. La causa más común de daño es la falta de un sistema de poros interconectados de tamaño, distribución y espaciamiento adecuado en la pasta de cemento que permita tolerar las presiones que se generan durante los continuos ciclos de congelamiento y deshielo. Sin embargo, si los agregados no cuentan con una adecuada resistencia al congelamiento también puede manifestarse deterioros bajo esta condición. Una manifestación común de daños por congelamiento y deshielo debidos al agregado es la Fisuración en D (D-cracking). Este tipo de fisuración es causada por agregados con un cierto rango de tamaño de poros. En general este problema suele presentarse en agregados gruesos y para cada tipo de agregado específico, existe un tamaño crítico por debajo del cual no se verifica este problema. [6] Estabilidad dimensional: La contracción por secado del hormigón tiene un impacto significativo en la fisuración de los pavimentos de hormigón. La contracción por secado en general se manifiesta en la pasta de cemento y el esqueleto granular quien es responsable de su estabilidad dimensional restringirá esta deformación. Por consiguiente se verificará que agregados más rígidos al constituir una restricción mayor a la deformación, reducen la contracción por secado del hormigón. Asimismo, agregados con elevada absorción experimentarán mayor contracción por secado en el hormigón. [7] Contracción por secado [%] Sin embargo, no en todos los casos una mayor contracción por secado es perjudicial. En ciertas ocasiones, donde se verifique que existe riesgo de que se desarrollen levantamientos de losas, una contracción por secado mayor proveerá al pavimento de una mayor abertura de juntas para acomodar las expansiones generadas por cambios de temperatura y humedad. 0,12 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 0,00 Arenisca Pizarras Granito Caliza Cuarzo Tipo de Agregado Fig. 7: Contracción por secado del Hormigón en función del agregado empleado (ACI 221R) 5. METODOS DE ENSAYO Se enumeran a continuación los distintos métodos de ensayo empleados en la caracterización y evaluación de aptitud de agregados junto con la duración aproximada, la frecuencia de ejecución propuesta y las propiedades del hormigón que se encuentran afectadas por dichas variables. Mediante el diagrama de flujo se representan las secuencias de evaluación de cada una de estas propiedades que debe efectuarse al momento de considerar una potencial fuente de provisión. Físicas Propiedad Mecánicas Duración Frecuencia Propiedad del H° afectada Economía Trabajabilidad Densidad Resistencia Granulometría IRAM 1505 IRAM 1627 Horas Diaria Absorción IRAM 1520 IRAM 1533 Un día Mensual Durabilidad Contracción por secado Pérdida de asentamiento Densidad relativa IRAM 1520 IRAM 1533 Un día Mensual Densidad Resistencia Contenido de Polvo IRAM 1540 Un día Semanal Economía Contracción Por secado Fisuración Peso de la Unidad de Volumen y contenido de vacíos IRAM 1548 Horas Semanal Trabajabilidad Economía Forma y Textura IRAM 1687 IRAM 1681 Horas Mensual Trabajabilidad Economía Resistencia AASHTO TP 60 Un mes Anual IRAM 1532 IRAM 1543 Días 6 Meses Resistencia al Desgaste Módulo de Elasticidad ASTM C 469 Un mes 6 Meses Módulo de elasticidad Fisuración Mineralogía IRAM 1649 Una semana 6 Meses Durabilidad RAS IRAM 1674 16 días 6 Meses Durabilidad RAS IRAM 1700 1 o 2 años Anual Durabilidad Congelamiento y Deshielo IRAM 1525 IRAM 1661 Un Mes Anual Durabilidad en clima frío Coeficiente de Expansión Térmica Durabilidad Método de Ensayo Abrasión C.E.T. Fisuración térmica Fuente de Provisión Potencial Propiedades Físicas Propiedades Mecánicas Granulometría IRAM 1505/1627 Resistencia al desgaste IRAM 1532 Densidad Relativa y Absorción IRAM 1533 IRAM 1520 Contenido de polvo IRAM 1540 PUV y vacíos IRAM 1548 Requisitos de Durabilidad a Cumplimentar Análisis Petrográfico IRAM 1649 SI Resistencia al pulido IRAM 1543 Módulo de elasticidad ASTM C-469 ¿Se detectan minerales potencialmente reactivos? Método acelerado en barra de mortero IRAM 1674 SI NO NO Coeficiente de Expansión Térmica AASHTO TP-60 SI NO NO Durabilidad por ataque en sulfato de sodio IRAM 1525 ¿Excede el límite SI de pérdida? NO ¿Excede el límite de expansión? Estabilidad de Rocas Basálticas IRAM 1519 SI SI Rechazar el agregado Aceptar el agregado NO ¿Excede el límite de pérdida? Ciclos de Congelamiento y Deshielo IRAM 1661 ¿Factor de durabilidad < 80%? Rechazar el agregado o adoptar medidas preventivas NO SI NO Forma y Textura IRAM 1687 IRAM 1681 ¿Son Rocas de Origen Basáltico? SI ¿Excede el límite de expansión? Prisma de Hormigón IRAM 1700 ¿Sujeto a congelamiento y deshielo? 6. CONCLUSIONES o o o o o o Los pavimentos de hormigón ejecutados con TAR imponen el consumo en forma continua de grandes volúmenes, por lo cual exige el empleo de áridos locales para garantizar el abastecimiento. Las propiedades del hormigón se encuentran fuertemente influenciadas por las características físicas, mecánicas y durables del agregado con el que fue elaborado. Si bien estas propiedades tienen un gran impacto en el comportamiento del hormigón en estado fresco, en estado endurecido y en el desempeño en servicio, la realidad actual muestra que usualmente se presta poca consideración o ninguna al ensayo de los agregados con la anterioridad suficiente a su utilización en un proyecto. Las características de los agregados locales debe ser materia de estudio desde el proyecto de los pavimentos de hormigón a fin de contemplar las propiedades de los mismos en los respectivos diseños estructurales, permitiendo a la vez la ejecución de los estudios que demandan mayor tiempo para la obtención de resultados. Mediante este trabajo se enumeran las distintas propiedades que deben considerarse al momento de evaluar una potencial fuente de provisión de áridos con sus respectivos tiempos de ejecución y la frecuencia con la que deben realizarse. La ejecución de estos estudios en forma preventiva permitirá generar una base de datos con información actualizada de las características de los agregados de distintos yacimientos, la cual podrá encontrarse disponible tanto en el proyecto como durante la ejecución de las obras. REFERENCIAS [1] Instituto Argentino de Normalización y Certificación, Norma IRAM 1627 Agregados. Granulometría de los agregados para hormigones. 1997 [2] S. H. Kosmatka, B. Kerkhoff, W. Panarese, J. Tanesi. Diseño y Control de Mezclas de Concreto. Pórtland Cement Association, PCA 2004 [3] ARA, Inc., ERES Division. Guide for Mechanistic-Empirical Design of New and Rehabilitated Pavement Structures, Final Report NCHRP 1-37A, March 2004. [4] D. Violini, M. Pappalardi, J. M. Tobes, G. Giaccio, R. Zerbino. Efecto del Tipo de Agregado sobre la Tendencia a la Fisuración a edad Temprana en Hormigones para Pavimentos. 17° Reunión Técnica AATH 2008. [5] Peter C. Taylor, Steven H. Kosmatka, Gerald F. Voigt, et al. Integrated Materials and Construction Practices for Concrete Pavement: A State-of-the-Practice Manual. FHWA HIF 07 – 004. US Department of Transportation. Federal Highway Administration. 2006 [6] NCHRP, Aggregate Tests for Portland Cement Concrete Pavements: Review and Recommendations. Research Results Digest number 281. Transportation Research Board of the National Academies, September 2003. [7] Joseph Lamond, et. al, Guide for Use of Normal Weight and Heavyweight Aggregates in Concrete. American Concrete Institute. ACI 221R-96. 2001