Posibilidades del concreto

REFORZAMIENTO ESTRUCTURAL

Uso de PFC para el mejoramiento del desempeño a compresión de CAR

El uso de concreto de alta resistencia (CAR) en la construcción de edificios y puentes se ha incrementado en las últimas dos décadas; debido a que ofrece significativas me-jorías en las propiedades estructurales, respecto a lo que permite el concreto convencional. Por otra parte, el uso de CAR en zonas sísmicas activas constituye una de las mayores preocupaciones debido a la naturaleza frágil inherente al fallo del material. Adicionalmente, está bien documen-tado que el confinamiento lateral de piezas de concreto con compuestos de polímeros de fibras de carbono (PFC) garantizan un incremento tanto de la resistencia a la compresión como de la deformación última del concreto. De ahí que en los últimos años se han estado desa-rrollando diversos estudios, la mayoría de ellos relacionados a concretos, cuya resistencia a la compresión no sobrepasan los 60 MPa, siendo li-mitados los estudios asociados al caso de los CAR.

Recientemente, en la Escuela de Ingeniería Minera, Medioambiental y Civil de la Universi-dad de Adelaida en Australia, se ha realizado un estudio experimental en el que se investiga el comportamiento a la compresión de especímenes cilíndricos de concreto de 15.2 cm de diámetro por 30.5 cm de alto, cuya resistencia a la compresión varió entre 30 y 90 MPa, previamente confinados con fibras de carbono o de aramida.

Las fibras de carbono y aramida usadas en el estudio tenían espesores, resistencia a tensión, mó-dulo elástico y deformación ultima de 0.117 y 0.20 mm, 3800 y 2900 MPa, 240 y 120 MPa, y 1.55 y 2.50%, respectivamente. En general, se estudiaron especí-menes de 30 y 60 MPa de resistencia a la compresión, confinados los de 30 MPa con una y dos capas de fibras de carbono y los de 60 MPa con 2 y 4 capas de la misma fibra. Además se ensayaron especímenes de 90 MPa confinados tanto con 3 capas de fibra de acero como con 5 capas de fibra de aramida. Cabe decir que para fines del estudio se empleó una ma-quina universal, en donde según se fueron aplicando a los especímenes escalones de carga axial, se fueron midiendo las deformaciones asociadas; mediante transductores de desplazamiento variable.

Luego de desarrollado el estudio se pudo concluir que cuando se logra un adecuado con-finamiento de piezas de CAR, se logra un alto comportamiento dúctil; sin embargo, los niveles de incremento en los esfuerzos obtenidos son inferio-res a los que se obtienen en muestras similares de concreto convencional. Por otra parte, la investiga-ción encuentra que la cantidad de confinamiento requerida en el CAR es significativamente mayor a la que se requiere en el concreto convencional.

Respecto a las propiedades mecánicas de las fibras usadas en el confinamiento, se encuen-tra en el estudio, que definitivamente influ-yen en que se tengan mejores desempe-ños a compresión en los especímenes estudiados. En general se detecta una clara interrelación entre la deformación de ruptura última de la fibra de carbono y la deformación axial última del concre-to confinado con dicha fibra.

Referencia: Ozbakkaloglu, T. y Vincent, T., School of Civil, Environmental and Mining Engineering, The University of Adelaide, Australia, “Compressive behaviour of FRP-confined high strength concrete”, publicado en Concrete en Australia, vol. 37, núm. 2, abril de 2011.

AGREGADOS

Influencia de los agregados en las características del concreto

Segunda parte

En el concreto en estado endurecido, a me-nudo la variación de la resistencia puede explicarse con el cambio de la relación agua cemento (a/c). Sin embargo, no siempre ocurre así. Independientemente de la relación a/c, las características de las partículas del agre-gado: tamaño, forma, textura de la superficie y tipo de mineral; influyen en las características de la zona de transición; y por tanto, afectan la resistencia del concreto.

En cuanto a la interrelación mecánica entre la matriz y el agregado grueso, la textura superficial de éste es principalmente responsable de la adherencia. La roca triturada produce una adherencia superior comparado con la grava de canto rodado; aunque tam-bién influye la relación a/c que afecta física y químicamente la zona de in-terfase. El efecto del tamaño máximo del agregado (TMA) en la resistencia también es conocido; en general, la tendencia indica que al disminuir, la resistencia decrece.

Concretos con bajos contenidos de agregados resisten altos esfuerzos a la edad de un día, excepto los hechos con grava triturada. En contraparte, los concretos con altos contenidos de agregados presentan bajas resistencias a compre-sión a edades tempranas, fallando probablemente por la concentración de esfuerzos alrededor de los agregados; ya que en éstos sus propiedades físicas no varían con el tiempo, mientras que la resistencia y el módulo de elasticidad de la pasta de cemento están todavía por debajo de su valor final. Por su parte, una propiedad de los agregados que resulta ser de vital importancia es la densidad, ya que si se emplea un material con una buena densidad (= 2.25) el concreto resultante podría ser igualmente denso, lo cual tendrá una influencia directa sobre el peso volumétrico y la resistencia a la compresión. El volumen que ocupa un agregado según su peso es un indicador de sus características asociadas a ligereza, porosidad y permeabilidad; propiedades que pueden influir en el incremento del requerimiento de cemento para una resistencia específica, y con esto una influencia directa sobre la economía de la mezcla. Es conocido que a mayor porosidad, mayor fuer-za de adherencia, de manera que los agregados gruesos con una mayor densidad y resistencia al desgaste presentan una menor porosidad, y como consecuencia una menor adherencia.

La presencia de un porcentaje importante de materia orgánica en los agregados puede provocar problemas en la fabricación de concreto, trayendo consigo efectos indeseables. Los agregados contaminados pueden ser causa de reducción de la resistencia a la compresión del concreto; y además, pueden contener sustan-cias nocivas que afecten químicamente al material de diversas formas. Aunque de manera simplista pudiera pensarse que el agregado grueso actúa principalmente como relleno para reducir el con-tenido de pasta de cemento y moderar el esfuer-zo en la matriz, sus contribuciones parecen ser más que eso. Un porcentaje máximo en volumen de agregados, sobre todo gruesos, tiene un efecto positivo tanto en la resistencia, como en las caracte-rísticas de flujo plástico, contracción por secado y permeabilidad; lo cual es una consecuencia de que la pasta de cemento endurecido es el elemento más débil en lo que respecta a las pro-piedades antes citadas.

La demanda de agua de los agregados determina el contenido de cemento y de pasta para una determinada resistencia del concreto. Debido a que la pasta es la principal fuente de acortamiento y alargamiento en el concreto, agre-gados con bajas demandas de agua producirían concretos menos propensos a la deformación (acortamiento y alargamiento)

Referencia: Chan J. L.; Solís R.; Moreno E., “In-fluencia de los agregados pétreos en las caracte-rísticas del concreto”, en Revista Ingeniería, 7-2, FIUADY, México, 2003.

DISEÑO ESTRUCTURAL

Columnas compuestas

El empleo de secciones compuestas de acero y concreto, ha sido ampliamente di-fundido en estructuras, fundamentalmente de edificios y puentes. Uno de los elementos más comunes han sido precisamente las columnas compuestas con revestimiento de concreto, que al mismo tiempo y por diversas razones no han recibido el mismo reconocimiento que la de acero o concreto reforzado. El presente reporte muestra los resultados de ensayos de laboratorio en este tipo de columnas, evidenciando fundamentalmen-te su capacidad de carga y deformación.

Las pruebas se realizaron en columnas com-puestas de acero laminado I-HEA 160 totalmen-te recubiertas de concreto de varias clases. La sección se compone además de cuatro barras longitudinales y de estribos de acero liso, de 12 y 6 mm de diámetro, respectivamente; resultando en una sección transversal de 26.0 x 26.0 cm; el ensaye se realizó en elementos a escala real con una longitud de 2.5 m. En general, se ensayaron en una prensa hidráulica 16 columnas compuestas y una de acero laminado I.

Durante el ensayo las columnas se sometieron a una compresión axial hasta la rotura, variando la resistencia del concreto del recubrimiento y la forma de aplicación de la carga; por lo que se consideraron dos esquemas de carga. En el primer caso la carga se aplicó a la sección compuesta total, mientras que en el segundo, se aplica la carga al perfil I que sobresale de la sección de la columna. Según se incrementa-ron las cargas, también se obtuvieron las deformaciones unitarias tanto en la sección metálica, como en la de concreto.

Las mediciones fueron realizadas en tres secciones: en los bordes superior e inferior y en el centro. La columna metálica fue la primera en ensayarse, sobreviniendo el fallo por pérdida de estabilidad general a un nivel de carga axial de 990 kN. El desplazamiento de esta columna a nivel de los ejes principales de inercia de la sección I, resultó al centro de la altura, de 2,5 y 1,5 cm respectivamente.

En general en el ensayo de las columnas compuestas se encuentra que el fallo depende del estado de esfuerzos en el recubrimiento de concreto; encontrándose que a mayor resistencia a la compresión del concreto en el recubrimien-to, mayor capacidad de carga de la columna compuesta; sin embargo, no se aprecia ninguna influencia respecto al tipo de fallo. Por otra parte, se encuentra que en una columna compuesta de sección constante, el aumentar la resistencia del concreto no es la única manera eficaz de aumentar su capacidad de carga. Otra forma de lograrlo, es reforzando las zonas en las que se producen concentraciones de esfuerzos; una manera de re-forzar esta zonas, podría ser mediante la adición localizada de fibras en el concreto. Es necesario referir, que los mejores efectos se alcanzan, si el encabezado se conforma con un concreto de si-milares propiedades mecánicas a las del concreto de recubrimiento de la columna compuesta.

Durante el diseño del refuerzo de columnas compuestas, debe prestarse especial atención a la forma de aplicación de la carga. La mejor manera es aplicarla directamente sobre toda la sección transversal de la sección compuesta. De acuerdo a lo anterior, es necesario el empleo de conectores adicionales que aseguren un mejor desempeño del conjunto acero-concreto, así como la utilización de placas metálicas de apoyo, colocadas en las zonas de aplicación de las cargas; que garantizan una mejor distribución de la carga sobre la sección compuesta total.

Los ensayos realizados indican la eficacia del reforzamiento de las columnas metáli-cas recubiertas de concreto. El análisis de los resultados del estudio muestra también que el comportamiento y el tipo de fallo de estas columnas es de tipo muy complejo y que dependen de muchos factores; algunos de los cuales no son considerados en los có-digos vigentes.

Referencia:Szmigiera E., Faculty of Civil Engineering, Warsaw University of Technology, “Influence of concrete and fibre concrete on the load-carrying capacity and deformability of com-posite steel-concrete columns”, en Journal Of Civil Engineering And Management, (http:/www.jcem.vgtu.lt), vol XIII, núm. 1, 55–61, 2007.

ADITIVOS

Reductores de contracción

El avance de la tecnología de aditivos per-mite nuevas soluciones a las construcciones con concreto. La contracción por secado siempre ha sido un fenómeno no deseado en las construcciones de concreto y en especial en pavimentos y pisos industriales, en donde en con-diciones normales, la distancia entre juntas está limitada básicamente por esta condición. Hoy, gracias a esta nueva gama de aditivos, se permiten losas de dimensiones mayores a 1,000 m2.

El concreto es propenso a fisurarse debido a las contracciones que se generan durante el secado; este es el mayor inconveniente asociado con el concreto como material de construcción. Algunas empresas de aditivos para concreto han desarrollado tecnologías para solucionar este problema, que van desde el desarrollo de aditivos expansores que compensan estas deformaciones, hasta el desarrollo de aditivos que reducen las contracciones en el concreto.

Los aditivos reductores de contracción pueden ser utilizados en cualquier proyecto de construc-ción, en donde la contracción y sus fisuras asociadas puedan afectar la durabilidad, la funcionalidad o el aspecto estético; tal es el caso de pisos industriales, garajes y estacionamientos, estructuras marinas, plantas de tratamiento de aguas residuales, pa-vimentos, entre otros. Estos aditivos, en general, reducen el esfuerzo superficial del agua existente en todos los espacios internos del concreto; y los agregados del concreto actúan como controla-dores internos de la contracción de la pasta. De acuerdo a lo anterior, la contracción en el concreto es función de la contracción que sufre la pasta de cemento, del volumen de la misma, de la dureza de los agregados, así como de la adherencia entre los agregados y la pasta. Un aspecto importante es que estos aditivos, no sólo reducen la contracción a largo plazo; sino que también lo retardan a edad temprana, que es cuando el concreto es más vul-nerable a la fisuración.

Los resultados varían con los diferentes diseños de mezclas. La primera razón para esta variación es la relación agua/cemento (a/c). En general, los rendimientos (% de retracción en función del % de aditivo) son mejores para a/c bajas. Un segundo factor que puede modificar el comportamiento del concreto es el cemento; diferentes cementos se comportan de distinta manera, con virtualmente todos los tipos de aditivos.

El tercer factor que afecta los niveles absolutos de contracción y su porcentaje de reducción es el nivel de curado. El porcentaje de reducción debido a la acción de un aditivo reductor de contracción, en las primeras edades, se incrementa drásticamente cuando se cura el concreto; sin embargo, después de 90 días el porcentaje de reducción tiende a ser invariable, independientemente de que se cure o no. Adicionalmente, el nivel absoluto de contrac-ción será menor a medida que se conciban mejores procedimientos de curado. Aunque muchas de las fisuras que aparecen en las superficies de losas de concreto se atribuyen a la contracción por secado, un elevado por ciento de ellas se debe a efectos térmicos. En condiciones extremas un concreto puede contraerse más en tres días por cambios térmicos que en un año debido a la contracción por secado. El aditivo reductor de contracción no altera el coeficiente de expansión térmica del concreto, pero sí modifica la cantidad de calor generada debido a la hidratación, produciendo picos de temperatura más bajos y, por tanto, menor contracción térmica después de ellos. Esta ligera reducción en la hidratación se manifiesta en la menor resistencia observada cuando se usa este aditivo. En mezclas donde se debe reducir el agua (o aumentar el cemento) para ganar resisten-cia, se compensa el efecto de esta reducción del calor generado. Para el tipo de mezclas usadas en tableros de puentes, estacionamientos, gara-jes y estructuras marinas, donde se usa una baja relación de a/c por cuestiones de durabilidad, el concreto es normalmente sobredimensionado en resistencia. En estos casos la reducción del calor inducido por la acción de los aditivos reductores de contracción puede ser un factor importante en la disminución de la probabilidad de fisuración.

Referencia: Kenny E. “Aditivos reductores de re-tracción”, en Hormigonar, Revista de la Asociación Argentina del Hormigón Elaborado, núm. 3, 2004.

 

TEXTO: Los editores

 

<< Regresar