Este es el texto de una conferencia en la que el autor refiere los avances hechos en Japón para lograr un concreto autocompactante que resolviera los problemas de durabilidad que presentaban las estructuras en ese país. También menciona algunas obras en las que se está utilizando este material que, al no requerir vibración, evita la segregación y conduce a una mayor racionalización del trabajo de la construcción.

Significó un gran placer y un privilegio para mí haber sido designado Conferencista de Ferguson, pues hace aproximadamente 30 años estudié con el profesor Ferguson en la Universidad de Texas, en Austin. Dos estudios,^1,2 publicados por el ACI, fueron el fruto del tiempo que pasé con él.

Estos trabajos de investigación involucraban cálculos con el empleo de un programa creado por el profesor Breen.³ Este programa, en el cual se adoptó la no linearidad de los materiales y la geometría, constituía lo más avanzado en el campo en ese tiempo.

Un poco antes del trabajo del profesor Breen, realizamos investigaciones en la Universidad de Tokio.⁴ Nuestro programa bidimensional FEM simula el comportamiento no lineal del concreto reforzado, bajo una carga cíclica invertida (figura 1). El éxito de la simulación deriva del modelo constitutivo exacto del concreto reforzado que fuimos capaces de crear.
 

  El concreto autocompactante es una mezcla que puede compactarse en todos los rincones de una cimbra únicamente por medio de su propio peso y sin necesidad de compactación por vibración. A pesar de su alta fluidez el agregado grueso no tiene segregación.

Se utilizó una cimbra modelo para observar si el concreto autocompactante fluía bien a través de los obstáculos (figura 2). El concreto se coloca en la torre derecha, fluye a través de los obstáculos, y se eleva en la torre izquierda. Los obstáculos se escogieron de modo que simularan las zonas confinadas de una estructura real. El concreto autocompactante a la izquierda se puede elevar casi al mismo nivel que el de la derecha.

Se realizaron experimentos similares de este tipo en un período de aproximadamente un año, y se pudo verificar la aplicabilidad del concreto autocompactante para estructuras prácticas. Esta investigación se empezó a sugerencia del profesor Kokubu, otro de mis supervisores y miembro honorario del ACI.

Durante varios años a partir de 1983, el problema de la durabilidad de las estructuras de concreto fue un tema de gran interés en Japón, e inclusive, se lo consideró un problema mayúsculo que enfrentaba la sociedad japonesa. Para construir estructuras de concreto durables se requiere de suficiente compactación por trabajadores calificados. Sin embargo, la gradual reducción del número de trabajadores calificados en la industria japonesa de la construcción ha llevado a una reducción similar en la calidad de los trabajos de construcción. Por eso, yo comprendí que era necesario el desarrollo de un concreto autocompactante para garantizar estructuras de concreto durables en el futuro.

Al principio, pensamos que sería fácil crear este nuevo concreto, pues se tenía ya en la práctica un concreto subacuático antideslavante. El concreto subactuático antideslavante se cuela por debajo del agua y se evita estrictamente la segregación, agregando una gran cantidad de un agente viscoso hecho de un polímero soluble en agua. Esto evita que las partículas de cemento se disuelvan en el agua circundante. Sin embargo, se encontró que el concreto subacuático antideslavante no era aplicable para estructuras al aire, por dos razones: primero, las burbujas de aire atrapadas no podían ser eliminadas debido a la alta viscosidad; y segundo, la compactación en las áreas confinadas de las varillas de refuerzo era difícil. Por lo tanto, nosotros empezamos a investigar la trabajabilidad del concreto.

El experimento de visualización fue desarrollado por el profesor Hashimoto de la Universidad de Gumma⁵ (figura 3). El uso de un material polímero transparente en lugar del mortero nos permite observar el movimiento del agregado grueso. El resultado del experimento mostró que el bloqueo del flujo a través de secciones transversales angostas ocurre como resultado del contacto entre el agregado grueso. Para evitar esto, es necesaria una viscosidad moderada.

Cuando el concreto fluye n las varillas de refuerzo, se cambia la localización relativa del agregado grueso. Este desplazamiento relativo causa esfuerzos de cortante en la pasta entre el agregado grueso, además de esfuerzos de compresión. Para que el concreto fluya suavemente a través de los obstáculos, el esfuerzo de cortante debe ser suficientemente pequeño para permitir el desplazamiento relativo. A fin de entender mejor este tipo de esfuerzo cortante, realizamos un experimento para simular su generación; el experimento involucró un par de placas de acero con pasta entre ellas (figura 4). Los resultados del experimento indican que la fuerza de cortante requerida para el desplazamiento relativo, depende en gran medida de la relación agua-cemento (a / c) de la pasta. De esto, nosotros derivamos una a / c óptimo para minimizar la generación de esfuerzos de cortante (figura 5).

Sin embargo, aunque la manipulación de la a / c conduce a una fluidez mejorada de la pasta de cemento, también conduce a una viscosidad reducida. Por lo tanto, para lograr la capacidad autocompactante, fue indispensable utilizar un superplastificador. Con un superplastificador, la pasta puede hacerse fluida con una pequeña reducción concomitante en la viscosidad (figura 6). Se puede derivar una combinación óptima de a/c y del superplastificador para lograr la capacidad autocompactante para un concreto con un contenido fijo del agregado (figura 7).
Como hemos visto, el bloqueo en una sección angosta se debe directamente al contacto entre el agregado. Si el contacto del agregado grueso excede un cierto límite, entonces ocurrirá un bloqueo a pesar de la viscosidad moderada del mortero. El valor límite del agregado grueso es de aproximadamente 50 por ciento del volumen sólido.

De manera similar, si el contenido de agregado fino excede una cierta cifra, el contacto directo entre las partículas de arena da como resultado una reducción en la deformabilidad, y, una vez más, a pesar de la viscosidad moderada de la pasta. El valor límite del contenido de agregado fino en el mortero es de aproximadamente 40 por ciento del volumen del mortero (figura 8).

Nosotros hemos propuesto un sistema simple para proporcionar la mezcla:

El contenido de agregado grueso se fija en 50 por ciento del volumen sólido.

El contenido de agregado fino se fija en 40 por ciento del volumen del mortero.

La relación volumétrica agua / cemento se supone que está entre 0.9 y 1.0, dependiendo de las propiedades del cemento.

La dosificación del superplastificador y la a / c final se determinan de modo que se asegure la capacidad autocompactante.

Entre los muchos métodos de prueba propuestos para evaluar la capacidad de autocompactación, la prueba del tipo "U" propuesta por el grupo Taisei,6 parece ser, en esta etapa, la más apropiada (figura 9). En esta prueba, el grado de capacidad de compactación puede indicarse por la altura que alcanza el concreto después de fluir a través del obstáculo. Al fin se logra el material buscado En el verano de 1988, Ozawa, actualmente profesor asociado de la Universidad de Tokio, alcanzó el éxito al desarrollar por primera vez concreto autocompactante.7 Un año después, se llevó a cabo un experimento abierto sobre este nuevo concreto en la Universidad de Tokio, frente a más de cien investigadores e ingenieros. Como resultado, se empezaron investigaciones intensivas en muchos lugares, especialmente en los institutos de investigación de las grandes compañías de construcción, y en la Universidad de Tokio. En 1991, investigadores de 13 contratistas generales pasaron un año en nuestro laboratorio para estudiar el concreto autocompactante de alto rendimiento. En 1993, nosotros publicamos un libro sobre la materia.8 El número de presentaciones sobre concreto autocompactante en la reunión anual del Instituto del Concreto del Japón se incrementó rápidamente a 30, en 1992, una cifra que ha permanecido constante desde entonces. El puente sobre el estrecho de Akashi El uso del concreto autocompactante en estructuras reales se ha estado incrementando gradualmente en los últimos años. El puente sobre el Estrecho de Akashi, actualmente en construcción, será el puente de suspensión más largo (1,990 m) del mundo. Se usó concreto autocompactante en la construcción de los dos anclajes del puente (figura 10). En este proyecto se introdujo un nuevo sistema de construcción, que hace pleno uso de las cualidades del concreto autocompactante. El concreto se mezcló en la planta de dosificación de la obra, y después fue bombeado fuera de la planta. Se transportó a 200 m a través de tubos hasta el sitio real del colado. En el sitio del vaciado, los tubos fueron acomodados en filas de 3 a 5 m (10 a 16 pies) entre ellos. El concreto fue vaciado desde las válvulas de salida localizadas a intervalos regulares de 5m a lo largo de los tubos (figura 11). Estas válvulas se controlaban automáticamente, de modo que podía mantenerse una superficie nivelada del concreto colado. El tamaño máximo del agregado grueso en el concreto autocompactante usado en este sitio fue de 40 mm. El concreto caía desde una altura de hasta 3 m, pero no ocurrió segregación a pesar del tamaño grande del agregado grueso. En el análisis final, el uso de concreto autocompactante redujo el período de construcción del anclaje en 20 por ciento, de 2.5 a 2 años. Un tanque de gas natural licuado Se ha programado concreto autocompactante de alto rendimiento para el muro de un gran tanque de gas natural licuado (figura 12). La adopción de concreto autocompactante de alto comportamiento significa que:

El número de coladas se reducirá de 14 a 10, puesto que puede incrementarse la altura de una colada.

El número de trabajadores del concreto se reducirá de 150 a 50. El período de construcción de la estructura se reducirá de 22 a 18 meses.9 Puesto que el grado de compactación del concreto autocompactante usado en la estructura depende directamente de la calidad del concreto mismo, sin la posibilidad de que trabajadores calificados puedan compensar la deficiencia de calidad, es vital que tengamos un sistema de fabricación capaz de producir concreto autocompactante de la calidad requerida. En esta etapa, yo recomiendo un método para garantizar la capacidad autocompactante de todo el concreto colocado en el sitio. Si el concreto fluye a través del aparato en el sitio antes del bombeo (figura 13), el concreto se considera autocompactable para la estructura. El concreto autocompactante puede mejorar grandemente los sistemas de construcción que antes se basaban en el concreto convencional, que requería compactación por medio de vibración. La compactación vibratoria que puede causar fácilmente segregación, ha constituido un obstáculo para la racionalización del trabajo de construcción. Una vez que este obstáculo haya sido eliminado, se puede racionalizar la construcción con concreto, y puede desarrollarse un nuevo sistema de construcción, incluyendo cimbras, refuerzo, apoyos, y diseño estructural. Por ejemplo, la figura 14 ilustra una estructura llamada sandwich. Aquí, el concreto se vierte en un cascarón de acero. Debo destacar que este tipo de estructura, parte de la cual ha sido ya completada en Kobe, no habría podido lograrse sin el desarrollo del concreto autocompactante. Nosotros esperamos y tenemos fe en que el concreto autocompactante algún día llegue a ser tan ampliamente usado que sea visto como el "concreto estándar", en vez de un "concreto especial". Cuando esto suceda, nosotros habremos logrado crear estructuras de concreto durables y confiables, que requieran muy poco trabajo de mantenimiento.
Referencias 1. Okamura, H., S.N. Pagay, J.E. Breen y P.M. Ferguson, "Elastic Frame Analysis - Corrections Necessary for Design of Short Concrete Columns in Braced Frames", ACI Journal, vol. 67, noviembre de 1970, pp. 894-897.
2. Ferguson, P.M., H. Okamura y S.N., Pagay, "Computer Study of Long Columns in Frames", ACI Journal, diciembre de 1970, pp. 955-958.
3. Breen, J.E., "Computer Use in Studies of Frames with Long Columns", Flexural Mechanics of Reinforced Concrete, Proceedings of the International Symposium, noviembre de 1964, ASCE-1965-50, ACI SP-12, pp. 535-556.
4. Okamura, H. y K. Mackawa, Nonlinear Analysis and Constitutive Models of Reinforced Concrete, Gihodo Publishing, Tokyo, 1991.
5. Hashimoto, C., K. Maruyama y K. Shimizu, "Study on Visualization Technique for Bolcking of Fresh Concrete Flowing in Pipe", Concrete Library International, JSCE, núm. 12, marzo de 1989, pp. 139-153.
6. Shindo, T., K. Yokota y K. Yokoi, "Effect of Mix Constituents on Rheological Properties of Super Workable Concrete", Production Methods and Workability of Concrete, International RILEM Conference, Paisley, Scotland, junio de 1996, pp. 263-270.
7. Okamura, H., M. Kunishima, K. Mackawa y K. Ozawa, "High-Performance Concrete Based on the Durability Design of Concrete Structures", Proceedings of EASEC-2, núm. 1, enero de 1989, pp. 445-450.
8. Okamura, H., K. Mackawa y K. Ozawa, High Performance Concrete (en japonés), Gihodo Publishing, Tokio, septiembre de 1993.
9. Kitamura, H., K. Ukaji y H. Okamura, "Improvement of Ductility and Liquid-Tightness of Prestressed Concrete for LNG Containment", Concrete for Infrastructure and Utilities, E&FN Spon, Londres, 1996, pp. 469-479.

Hajime Okamura, miembro del ACI, es profesor y decano de la Escuela de Ingeniería de la Universidad de Tokio. Actualmente es miembro consultor del Comité 440 del ACI, Refuerzo FRP, y también es el presidente del Comité del Concreto de la Sociedad de Ingenieros Civiles de Japón. Fue miembro de enlace del Comité 318 del ACI, Código Estándar de Construcción, durante muchos años. Esta conferencia Phil M. Ferguson fue dictada el 6 de noviembre de 1996, en la Convención de Otoño del ACI, en Nueva Orleans, La. Este artículo fue publicado en Concrete International y se reproduce con la autorización de

(Pies y textos de ilustraciones:)
(FOTO) El profesor. Ferguson (izquierda) con el profesor Kobuku
Figura 1. Un ejemplo de análisis de un elemento finito (FEM). a) prueba b) análisis c) curva interior d) envolvente
Figura 2. Modelo de un cimbra que simula estructuras reales
Figura 3. Experimento de visualización
Figura 4. Generación de esfuerzo debido al desplazamiento relativo entre el agregado. a) agregado grueso b) placas de acero c) pasta d) refuerzo
Figura 5. Relación entre la tasa agua-cemento y el esfuerzo cortante de la pasta. a) escoria b) ceniza volante c) relación agua-polvo (Vol.) d) contenido de agua unitario (kg/m3)
Figura 6. Efecto del superplastificador. a) El papel del superplastificador b) agregando el superplastificador c) agregando agua d) viscosidad f) fluidez g) El superplastificador puede incrementar la fluidez con una ligera disminución en la viscosidad.
Figura 7. Combinación óptima de la dosificación del superplastificador y la relación agua / cemento a) Combinación de la relación a / c más apropiada, y la relación superplastificador - polvo (sp / p) b) clasificando la capacidad autocompactante c) relación agua-polvo (A/C) d) relación superplastificador-polvo sp / p
Figura 8. Contenido apropiado de agregados finos para un concreto autocompactante a) cantidad de agregado fino b) concreto c) mortero d) agregado grueso e) agua f) cemento g) agregado fino, h) 50% de volumen sólido, i) 40% de volumen de mortero
Figura 9. Prueba de evaluación de capacidad autocompactante a) salida central b) concreto c) después de abrir la compuerta central d) altura e) obstáculo de las varillas de acero
Figura 10. El puente en el estrecho de Akashi y sus anclajes
Figura 11. Concreto que está siendo colado desde la válvula de salida
Figura 12. Tanque de gas natural licuado
Figura 13. Aparato para garantizar capacidad autocompactante a) refuerzo D13 b) separación 60 c) espacio entre los obstáculos d (plan) e) (vista frontal)
Figura 14. Estructura "sandwich"