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Licenciado
Luis Martínez Argüello
Propuesta tecnológica
Entre el concreto que producen las empresas de concreto premezclado a
escala mundial y el concreto que finalmente queda colocado en el elemento
de la obra, frecuentemente existe una importante variación de la calidad
debida a las deficiencias en las prácticas constructivas que modifican
negativamente el comportamiento del material en el lugar en donde mejor
desempeño debería tener, en la estructura.
Sin embargo, no sólo eso influye negativamente en la ejecución de la obra:
también los daños causados por el mal uso de vibradores daña el buen desarrollo
de las propiedades del concreto endurecido y su compactado en la estructura.
Este cambio en la calidad del concreto colocado afecta de diversas formas
a las construcciones:
l Modifica el comportamiento estructural del elemento fabricado con concreto,
provocando un cambio en su desempeño al variar las propiedades mecánicas
en diferentes secciones estructurales tales como columnas, trabes y losas.
l Afecta la durabilidad de la estructura al presentar segregación del
concreto por mala colocación, derivando en concentración de finos en la
superficie del elemento y favoreciendo la presencia de fisuras por contracción
que permiten la penetración de agentes agresivos para el concreto y el
acero de refuerzo; estos agentes afectan la durabilidad del elemento.
Las oquedades por mala colocación, generan cambios en la sección, menor
adherencia con el acero de refuerzo y exposición del mismo, así como mayor
permeabilidad.
Estos problemas son ocasionados por una deficiencia en la calidad de la
mano de obra en la colocación y el vibrado del concreto, falta de supervisión
y escasa trabajabilidad de algunas mezclas de concreto. Los nuevos avances
en la tecnología del concreto han permitido colocar en el mercado el concreto
autocompactado.
En éste, se garantiza que las propiedades del material en estado fresco
permitirán que el concreto que se coloque en la estructura tenga un acomodo
homogéneo y quede adecuadamente consolidado, evitando así los costos por
demoliciones, reparaciones y retrasos ocasionados por una mala consolidación
del concreto.
Durante más de 40 años, las dos principales características evaluadas
en la obra al concreto han sido las siguientes:
l el revenimiento para el concreto en estado fresco, y
l la resistencia a la compresión para el concreto endurecido.
Hoy día, la resistencia a la compresión es el requisito mínimo que el
concreto cumple, a pesar de lo cual no es un indicativo directo de la
calidad del mismo ni del óptimo desempeño en la estructura a través del
tiempo.
El revenimiento es, hasta ahora, la propiedad del concreto con que se
busca correlacionar la facilidad de colocación del material y la correcta
consolidación en la estructura; sin embargo, esta característica no ha
garantizado la homogeneidad y la consolidación del concreto en la estructura
debido a que en el proceso de colocación interviene la mano de obra.
Por otro lado, las filosofías actuales de diseño sismo-resistente, en
su afán de lograr estructuras con alta ductilidad, han generado elementos
congestionados de acero en aquellas zonas donde se requiere que la estructura
disipe energía por deformaciones inelásticas, y es precisamente en éstas
donde se requiere que el concreto tenga una adecuada colocación, pero
debido a la gran cantidad de acero de refuerzo, es donde se presentan
frecuentes problemas de colocación.
El concreto autocompactado es el resultado de una tecnología que permite
por primera vez que una propiedad del concreto en estado fresco garantice
la correcta compactación y consolidación del concreto directamente en
el elemento estructural. Esta propiedad es su capacidad de autocompactación.
De esta forma, se logran conectar las propiedades del concreto en estado
fresco con el desempeño del elemento de concreto en estado endurecido,
debido a la homogeneidad en el comportamiento mecánico y la durabilidad
del concreto colocado en la estructura.
Definición de concreto autocompactado
El concreto autocompactado se define como "aquél que tiene la propiedad
de consolidarse bajo su propio peso sin necesidad de vibrado, aun en elementos
estrechos y densamente armados". Este concreto pertenece a la familia
de los concretos de alto desempeño y tiene la propiedad de fluir sin segregación,
autocompactándose por sí solo y asegurando así la continuidad del concreto
endurecido.
Ventajas del uso del concreto autocompactado
Una de las ventajas más importantes de este concreto es la uniformidad
estructural que puede lograrse sin que el proceso de colocación tenga
un efecto negativo, como sucede con el concreto convencional, en el que
a pesar de un alto revenimiento no se puede garantizar que fluya por el
armado si no se asegura la consolidación por medios mecánicos.
Ventajas para el constructor
l Buen desempeño mecánico y de durabilidad de los elementos y las estructuras.
l Elementos de concreto sin oquedades internas, ni agrie- tamientos que
permiten el acceso de agentes nocivos para el concreto y el acero de refuerzo
como son los cloruros, los sulfatos y el CO2.
l Se evita la concentración del agregado grueso en zonas mal vibradas
(panal de abeja).
l Reducción de costos y tiempos asociados con la coloca - ción y el vibrado.
l Reducción de herramientas y equipo necesarios para la colocación.
l Eliminación del ruido provocado por el uso de vibra- dores durante el
proceso de colocación.
l Reducción de los tiempos de ejecución de la obra. Ventajas para el trabajador
de la construcción.
l Disminución de los problemas auditivos.
l Reducción del riesgo de caídas al eliminar la necesidad de vibrado.
l Mayor facilidad y, por ende, menor esfuerzo para trabajarlo.
Ventajas para el dueño
l Reducción de los costos de mantenimiento y reparaciones.
l Garantía de comportamiento estructural y de durabilidad de su edificación.
l Mejores acabados. l Reducción de costos de ejecución.
Conceptos aplicables al concreto autocompactado
Los conceptos que hasta hoy resultan útiles para definir la calidad del
concreto, como son la relación agua/cemento, la relación grava/arena y
el revenimiento, en el caso del concreto autocompactado no son aplicables,
ya que para el manejo de esta tecnología se establecieron en el diseño
de la mezcla otros conceptos que permiten controlar las características
del comportamiento deseado.
Estos conceptos para el manejo de la tecnología son:
Relación agua / finos
Se establece la relación entre el contenido de agua y el contenido de
finos menores que la malla núm. 100. De acuerdo con el comportamiento
de mezclas realizadas en los laboratorios, se recomienda que esta relación
quede ubicada entre 0.30 y 0.35. Esta relación considera como finos a
todas los materiales y partículas con tamaño menor a la malla núm. 100,
incluyendo el cemento y las partículas de los agregados que pasan dicha
malla.
El contenido de estos finos recomendado para el concreto autocompactado
se ubica entre los 500 y 600 kg/m3. En éstos queda incluido el uso de
materiales puzolánicos tales como el fly ash y la microsílice.
Relación grava / arena
Esta relación debe estar entre 0.72 y 0.80, significando esto que el concreto
autocompactado lleva una mayor cantidad de arena que un concreto convencional,
y es esta relación, combinada con el contenido de finos, lo que define
el efecto de autocompactación.
Este concreto debe cumplir con ciertas características tales como:
l elevada fluidez, y
l alta viscosidad.
De tal manera que al ser descargado se extienda por sí solo. Tales propiedades
en este material no provocan ni segregación del agregado grueso, ni sangrado,
garantizando así que el concreto colocado mantenga la homogeneidad.
Coeficiente de forma1 del agregado grueso
El coeficiente de forma del agregado grueso es un factor que influye en
el comportamiento del concreto en estado plástico, por lo que es preferible
el uso de agregado grueso que no contenga partículas planas y alargadas.
El coeficiente de forma del agregado grueso debe ser mayor o igual a 0.20.
El tamaño máximo nominal del agregado grueso recomendado se encuentra
entre 3/8" y 1/2". Tanto la grava como la arena pueden ser cribados o
bien producto de trituración.
Evaluación
de las propiedades del concreto en estado fresco
Uno de los aspectos importantes es la evaluación en el punto de descarga
en la obra, por lo que las preguntas ¿cómo garantizar que el concreto
no dejará grandes oquedades? y ¿cómo saber que se mantendrá homogéneo
sin segregación?, quedan respondidas al evaluar el efecto de autocompactación
mediante la realización de una prueba muy simple, que es la DIN 1048.
La mesa de extensibilidad2
Esta es una prueba desarrollada en Alemania.
Equipo
l Un cono truncado de material no absorbente, sin deformaciones, de 20
cm de diámetro inferior y de 13 cm de diámetro superior, con 20 cm de
altura.
l La mesa, armada con dos placas del mismo material del cono de 70 x 70
cm de lado. Éstas se encuentran unidas por uno de los lados con un dispositivo
(bisagra) que permite modificar el ángulo de unión entre ellas.
l Un pisón de madera.
Desarrollo de la prueba
El cono se llena en dos capas de igual volumen, consolidando cada capa
con el pisón, levantando el cono al terminar el enrasado de la segunda
capa. Posteriormente se miden dos diámetros perpendiculares entre sí,
y se procede a levantar la placa superior sobre la que descansa el concreto,
dejándola caer desde una altura de 4 cm en 15 ocasiones durante 15 seg
sobre la placa inferior.
La mesa de extensibilidad sirve para evaluar la capacidad del concreto
para extenderse bajo su propio peso y es un indicativo de si el concreto
puede colocarse sin necesidad de vibrado, es decir, si tiene la suficiente
fluidez para garantizar su paso por las barras de acero de refuerzo sin
dejar oquedades.
Se encontró que valores de extensibilidad entre 60 y 70 cm cumplen con
el comportamiento deseado
Características mecánicas
Toda vez que las propiedades del concreto en estado fresco han cubierto
las especificaciones indicadas, el punto más relevante lo constituye el
definir el comportamiento del concreto en estado endurecido a partir de
esas propiedades.
A continuación se presentan los resultados obtenidos con mezclas de concreto
diseñadas a partir de:
l la extensibilidad,
l el contenido de finos,
l las relaciones de grava y finos.
Materiales utilizados en la elaboración de la mezcla
Agregado fino:
l Arena andesítica de origen natural cribada
La andesita es un material de origen ígneo extrusivo de composición intermedia
a básica, que se puede depositar en forma de piroclastos y/o flujos de
lava, con buena calidad física y química para funcionar como agregado
para concreto.
Densidad: 2.42 g/cm3
Absorción: 5.4%
Finos < Malla núm. 100: 15.0 %
Módulo de finura: 2.7
Granulometría: discontinua
Agregado grueso:
l Grava andesítica de 3/8", de origen natural triturada
Densidad: 2.42 g/cm3
Absorción: 4.5%
Finos < Malla núm. 100: 0.0 %
Coeficiente de forma: 0.32
Granulometría: continua
Cementantes:
l Cemento portland combinado
Este cemento tiene una resistencia a la compresión mínima de 403 MPa a
los 28 días. Es un cemento adicionado con fillers inertes. El contenido
permitido de fillers en el cemento es de 6 a 35 por ciento.
Agua:
l Potable
Diseño de la mezcla
Contenido de cemento: 450 kg/m3
Relaciones utilizadas en el diseño de la mezcla:
Agua/Finos: 0.31
Grava/Arena:0.72
Desempeño del concreto autocompactado
En estado fresco:
l Extensibilidad: 64 cm*
En estado endurecido:
La relevancia que representa el utilizar un alto contenido de finos en
el concreto autocompactado hace necesario describir el desempeño del material
en estado endurecido de forma tal de conocer con certeza cuál es el nivel
de afectación que esa característica tiene sobre el concreto en los elementos
estructurales.
Las propiedades que describiremos en este trabajo para el concreto en
estado endurecido son:
l Resistencia a la compresión4
l Contracción por secado5
l Módulo de elasticidad6
l Módulo de ruptura7
Consideradas como aquellas propiedades que potencialmente pueden sufrir
mayor afectación con las características del concreto autocompactado,
afectan la durabilidad del concreto de distinta manera:
l Impermeabilidad
l Penetración de cloruros
l Penetración de sulfatos
Resistencia a la compresión
El contenido de cemento requerido para estas mezclas indica que la resistencia
a la compresión que el material puede potencialmente alcanzar será superior
al estándar manejado en los concretos convencionales. Dependiendo de las
características del cemento y de la relación agua/finos que de acuerdo
con el diseño de la mezcla se obtenga, los valores esperados serán superiores
a los 35 MPa a los 28 días.
Las mezclas de referencia evaluadas y descritas en el presente estudio
tuvieron una resistencia a la compresión promedio de 55 MPa a los 28 días.
Si consideramos que el consumo de cemento fue de 450 kg/m3 y lo comparamos
contra la resistencia obtenida, tenemos que la eficiencia del cemento
se ubica en niveles superiores a 120 por ciento.
En la figura 1 mostramos que la resistencia a la compresión en el concreto
autocompactado se desarrolla de forma tal que a edades tempranas (de 24
horas) se obtiene un alto porcentaje de la resistencia final esperada.
Influido por la baja relación agua/finos y el contenido de cemento, este
desarrollo a edad temprana en general es satisfactorio para los procesos
de avance en obra.
Con base en los resultados obtenidos en el laboratorio, el concreto de
55 MPa a un día nos da 23.7 MPa, lo que en la mayoría de las obras es
una resistencia suficiente para proceder con cualquier proceso de descimbrado
de elementos tanto verticales como horizontales (autoportantes).
La resistencia a la compresión en el concreto autocompactado es apenas
el indicador primero de las propiedades del concreto, pero con mucho,
no es el más relevante ya que el desempeño mecánico con este concreto
está garantizado en el rango de resistencias más común en la industria
de la construcción en los tiempos presentes.
Contracción por secado
El alto contenido de finos de este concreto nos lleva, en principio, a
especular sobre la afectación negativa que esto podría tener sobre el
comportamiento de la contracción por secado. Sin embargo, este fenómeno
se ve fuertemente atenuado por el bajo contenido de agua que se maneja
debido al uso de aditivos de alta capacidad de reducción de agua y de
alta fluidificación de la mezcla de concreto.
En la figura 2 mostramos el desempeño obtenido para el concreto autocompactado
con las características mencionadas.
Aun cuando en teoría el concreto nunca termina de contraerse, llega un
momento en que el incremento de la contracción se hace insignificante,
es decir, cuando la curva se hace asintótica al eje de las "x" se establece
una tendencia clara en la gráfica.
En el concreto autocompactado, durante los primeros 28 días de edad, en
que los especímenes se conservan en una humedad relativa superior a 95
%, observamos que hay una ligera expansión tal y como sucede en el concreto
convencional. A partir del día 28, que es cuando se extraen del cuarto
de curado y se trasladan a la cámara de secado, se inicia el proceso de
contracción. En la figura 2, se puede observar que a la edad de 90 días
el desarrollo de la contracción del concreto empieza a marcar una disminución
en el rango de contracción.
De acuerdo con la tendencia que comienza a mostrar la gráfica, se estima
que la contracción final del concreto será menor de 2,000 millonésima,
que es lo que especifican las Normas Técnicas Complementarias del Reglamento
de las Construcciones del Distrito Federal para concreto clase 2, que
hace referencia a un concreto convencional para esa región.
Módulo de elasticidad
Otra de las propiedades del concreto que han merecido especial estudio
por su importancia para el diseño estructural es el comportamiento del
módulo de elasticidad, ya que, de acuerdo con la tecnología del concreto,
puede verse modificado debido al alto contenido de finos y la baja en
la relación grava/arena.
En las evaluaciones de esta propiedad, y con base en los resultados obtenidos
en las pruebas de laboratorio, se determinó el valor de la constante K
para estimar el módulo de elasticidad de la siguiente expresión:
Ec = K o f'c
donde:
Ec = Módulo de Elasticidad Estático del Concreto [en kg/cm2] a la edad
de 28 días.
K = Una constante que varía en función de los materiales utilizados.
f'c = Resistencia a la compresión de diseño a 28 días en kg/cm2.
Las pruebas al concreto autocompactado arrojaron valores para K de 7,450.
Este valor es 20% menor de lo que se obtiene para concretos convencionales
producidos con los mismos agregados y para la misma clase de concreto
en la ciudad de México.
Derivado de este resultado, y dependiendo de los requerimientos de módulo
de elasticidad de los reglamentos de cada localidad, este valor puede
ser modificado con al utilización de diferentes agregados. Los valores
del módulo de elasticidad del concreto que se va a utilizar deben indicarse
al responsable estructural para que realice el diseño tomándolos como
base.
Resistencia a la tensión por flexión
En esta evaluación obtuvimos valores que representan 10% de la resistencia
a la compresión, apegándose a la siguiente expresión:
T x F = 0.10 f'c
En esta misma evaluación para concretos convencionales elaborados con
los mismos agregados, hemos obtenido que
T x F = 0.11 f'c
Aplicando la ecuación de la correlación entre la tensión por flexión y
la resistencia a la compresión a los resultados alcanzados con el concreto
autocompactado, obtenemos valores de tensión por flexión de 6 MPa, lo
que lo ubica como un concreto con buen desempeño ante esta solicitación,
y útil en aplicaciones de pisos y pavimentos.
El establecer una correlación es sólo una forma de evaluar el concreto
autocompactado contra una clase de concreto específica y unos agregados
determinados. Con los resultados obtenidos, podemos definir que para alcanzar
mayores valores en esta correlación podemos, al igual que para el módulo
de elasticidad, utilizar diferentes agregados.
Evaluación de la uniformidad del concreto autocompactado colocado en
una estructura convencional
Toda vez que las propiedades del concreto autocompactado muestran un buen
desempeño, la evaluación más relevante la representa el conocer las propiedades
del concreto endurecido que ha sido colocado en la estructura sin ningún
tipo de vibración o consolidación.
Para verificar la uniformidad del concreto ya colocado, realizamos el
colado de dos losas con dimensiones de 3.0 x 3.0 m y un espesor de 12
cm. En la primera de estas losas colocamos concreto convencional con resistencia
de 300 kg/cm2, con un revenimiento de 20 cm. Éste se colocó y vibró bajo
las recomendaciones del ACI 309.
La segunda losa la colamos con autocompactado que no fue vibrado ni regleado.
El concreto autocompactado en estado fresco mostró: o
Extensibilidad: 63.0 cm.
La descarga del concreto autocompactado en el elemento fue directamente
del canalón de la unidad moto-revolvedora, descargando desde un solo punto
sin mover el canalón (véanse las fotos 3 y 4).
Estas condiciones de colocación serían inaceptables para un concreto convencional,
inclusive con un revenimiento alto como el mostrado por el concreto colocado
en la losa testigo.
Tradicionalmente, en el concreto de losas de cimentación la descarga es
directamente del camión; sin embargo, para concreto colocado en losas
inaccesibles para el camión, el transporte dentro de la obra frecuentemente
es con bomba, lo que requiere altos revenimientos para poder tener la
trabajabilidad adecuada.
Para realizar la evaluación de la uniformidad del concreto endurecido,
extrajimos núcleos de 5 x 10 cm en cinco puntos ubicados en toda la superficie
de ambas losas.
A estos núcleos les verificamos su masa volumétrica en estado saturado
y superficialmente seco, y también totalmente secos, y los ensayamos para
determinar su resistencia a la compresión de acuerdo con la norma aplicable.
Los resultados de la losa colada con concreto convencional, apegándose
a las prácticas de colocación recomendadas por el ACI, los mostramos en
la tabla 1, en tanto que en la tabla 2 presentamos los resultados obtenidos
de la losa colada con concreto autocompactado.
En una inspección visual, el aspecto de los núcleos de cada losa también
nos indicó que el autocompactado tuvo mejor consolidación y menor número
de vacíos que el convencional, a pesar de que el proceso para el colado
del autocompactado fue más severo ya que no se vibró ni se extendió (véase
la foto 5).
En los resultados mostrados puede verse que la homogeneidad que se obtiene
con el concreto autocompactado es mejor que la que se obtiene con un concreto
convencional que ha sido colocado bajo las recomendaciones del ACI 309,
puesto que su resistencia a la compresión es mayor, su masa volumétrica
es mayor y la desviación estándar es menor.
Es mediante estas pruebas que finalmente podemos saber que el concreto
autocompactado se apega a las especificaciones descritas y exhibe un mejor
desempeño que el concreto que ha sido colocado bajo especificaciones aceptadas
para un buen manejo del concreto en la obra.
Para poder obtener concretos que se apeguen a los materiales de cada localidad
en donde se llegue a colocar concreto autocompactado, recomendamos que
se realicen pruebas para validar el desempeño y conocer las fórmulas precisas
para cada caso de cemento y agregados que permitan tener el desempeño
mostrado en el presente estudio.
Conclusiones
1. La tecnología para producir concreto autocompactado es accesible y
alcanzable.
2. Se obtiene concreto mucho más homogéneo y durable.
3. El exceso de finos no incrementa la tendencia a la contracción por
secado.
4. La resistencia a la compresión del cemento se potencia con una relación
agua/finos baja.
5. Se obtiene un producto muy trabajable amigable al constructor que es
fácil de colocar, elimina retrabajo y actividades que generan costos y
son fuente de errores.
6. Produce acabados más tersos y sín huecos.
7. Es de esperarse un buen desempeño en pisos y pavimentos.
8. No hay segregación, es fácil de bombear y llena bien las cimbras.
9. Otros características como el módulo de elasticidad y la relación resistencia
a compresión/tensión por flexión se modifican, por lo que es importante
conocerlas para que los especificadores y calculistas las apliquen en
sus diseños y haya concordancia entre el diseño y la realidad estructural
final.
Bibliografía
DDF (1996) "Normas Técnicas Complementarias para Diseño y Construcción
de Estructuras de Concreto", Gaceta Oficial del Distrito Federal, México,
D.F.
Mendoza, C.J. y C.F. Moguel (1998), "Deficiencias en la calidad de los
materiales de construcción y su efecto en la resistencia de las estructuras
de concreto reforzado", Instituto de Ingeniería, UNAM, México.
Byfors, J., "SCC is an Important Step Towards Industralisation of the
Building Industry", Proceedings of the First International RILEM.
El ingeniero César Constaín es Director comercial de Cemex México,
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Una revolución
tecnológica Ingeniero César Constaín Van Reck Este artículo presenta el
concreto autocompactado como la solución al manejo y colocación del concreto
en la obra. Las razones son varias: en estado fresco, no requiere vibrado
y garantiza homogeneidad en la masa del material; una vez endurecido,
se traduce en estructuras con mayor densidad, menor permeabilidad, propiedades
mecánicas uniformes y mayor durabilidad. A estas ventajas se suma otra:
la reducción del tiempo de ejecución.
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