Mejora física y química de materiales canarios avanzados de matriz cementicia

I UNIVERSIDAD DE LAS PALMAS ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE ARQUITECTURA DE LAS PALMAS. MEJORA FÍSICA Y QUÍMICA DE MATERIALES CANARIOS AVANZADOS DE MATRIZ CEMENTICIA NELSON FLORES MEDINA DIRIGIDA POR DOCTOR JOSE MANUEL PEREZ LUZARDO CATEDRÁTICO FRANCISCO HERNANDEZ OLIVARES III A MI FAMILIA, AMIGOS Y COMPAÑEROS DE VIAJE. EN ESPECIAL A TI DORIS. MUCHAS GRACIAS V AGRADECIMIENTOS En primer lugar deseo agradecer a mi familia y amigos la culminación de esta tesis, sin su apoyo no hubiera sido posible finalizar con éxito este trabajo. En especial a mi esposa, Doris, que me ha ayudado en el desarrollo de los ensayos y apoyado hasta el final durante las distintas correcciones, fracasos y frustraciones, para superarlas y conseguir el fruto deseado. Sin ti no hubiera sido posible. En segundo lugar a la Universidad Politécnica de Madrid, especialmente a la Escuela de Arquitectura, donde cursé los cursos de doctorado, con un equipo de profesores doctores de gran nivel que me han enseñado lo que se sin pedir nada a cambio. En especial a Francisco Hernández Olivares, profesor durante los cursos y director posteriormente de la tesis y a Gonzalo Barluenga Badiola por sus asesoría y apoyo en la redacción de la tesis. Al personal del laboratorio, José y Fabián, por su ayuda en el desarrollo de los ensayos y uso del material disponible. En tercer lugar a las marcas comerciales que nos han facilitado el material de ensayo, Arican, para el trabajo con los áridos y GRACE Construction Products, por el suministro de superplastificantes, fibras y microsílice y a Readymix Asland S.A., por el uso de sus laboratorios para la caracterización de los áridos canarios. Finalmente a mis amigos y compañeros de viaje en Madrid, en especial a Gonzalo Melián Marrero, que me ha apoyado hasta el final y con quien comencé esta viaje que hoy hace un punto y seguido, para posteriormente difundir mediante artículos esta investigación. A mis amigos Tomás, Andrés, Alfonso y Héctor. VI ÍNDICE TÍTULO I DEDICATORIA III AGRADECIMIENTOS V ÍNDICE VI LISTA DE FIGURAS XII LISTA DE TABLAS XXIII LISTA DE FÓRMULAS XXVIII 1. Introducción 1 1.1. Problemas e importancia de la durabilidad en los hormigones en Canarias. Resistencia física y química. 1 1.2. Objetivo de tesis. 5 1.3. Plan de ensayos. 7 1.4. Organización de la tesis 9 2. Estado del arte. 12 2.1. Introducción. 12 2.2. Materiales cementicios canarios. 14 2.2.1.Componentes tradicionales. 14 2.2.1.1. El árido. 14 2.2.1.1.1. Tipos de rocas según sus características geológicas. 14 2.2.1.1.2. Obtención de los áridos. 15 2.2.1.1.3. Análisis de los áridos empleados en Canarias. 16 2.2.1.1.4. Coeficiente de forma. Importancia en la dosificación y puesta en obra del hormigón. 17 2.2.1.2. El cemento. 18 2.2.2.Componentes de nueva investigación. 20 2.2.2.1. Materiales puzolánicos. 21 2.2.2.1.1. Hormigones con puzolana natural. 23 2.2.2.1.2. Hormigones con Cenizas Volantes. 24 2.2.2.2. Colorantes. 26 2.2.3.Normativa vigente. 26 VII 2.2.3.1. Instrucción de hormigón estructural (EHE). 27 2.2.3.1.1. Clasificación por ambientes. 27 2.2.3.1.2. Cantidad mínima y máxima de cemento. 29 2.2.3.1.3. Relación agua/cemento (a/c). 30 2.2.3.1.4. Valores máximos de abertura de fisura. 30 2.2.3.1.5. Impermeabilidad del hormigón. 33 2.2.3.1.6. Consideraciones adicionales sobre la durabilidad (Anejo 9º). 34 2.2.4.Daños comunes en los hormigones canarios. 35 2.3. Materiales cementicios avanzados. 39 2.3.1.Hormigones con fibras. 39 2.3.1.1. Tipos de fibras. 40 2.3.1.2. Propiedades de las fibras de polipropileno. 42 2.3.1.3. Durabilidad de las fibras de polipropileno 45 2.3.1.3.1. Temperatura. 46 2.3.1.3.2. Radiación ultravioleta. 48 2.3.1.3.3. Acción química. 48 2.3.1.3.4. Fatiga. 49 2.3.1.4. Las fibras en el ambiente cementoso. 49 2.3.1.5. Propiedades plásticas del hormigón con fibras. 50 2.3.1.6. Investigaciones recientes. 53 2.3.2.Hormigones con adiciones puzolánicas. 55 2.3.2.1. Humo de sílice. 55 2.3.2.1.1. Características. 55 2.3.2.1.2. Propiedades. 57 2.3.2.1.3. Propiedades plásticas del hormigón con humo de sílice. 59 2.3.2.1.4. Investigaciones recientes. 59 2.3.2.2. Cenizas volantes. 61 2.3.2.2.1. Características. 61 2.3.2.2.2. Propiedades plásticas del hormigón con cenizas volantes. 63 2.3.2.2.3. Investigaciones recientes. 63 2.3.3.Los reductores de agua en el hormigón. 64 2.3.3.1. Los superplastificantes. 65 2.3.3.1.1. Características de los superplastificantes. 65 VIII 2.3.3.1.2. Tipos de superplastificantes. 65 2.3.3.1.3. Ventajas de los superplastificantes. 66 2.4. Estudio de las propiedades de los materiales cementicios canarios. 67 2.4.1.Propiedades físicas 67 2.4.1.1. Mecánicas (compresión, tracción, flexión). 67 2.4.1.1.1. Introducción. 67 2.4.1.1.2. Investigaciones recientes. 70 2.4.1.2. Resistencia a impacto. 73 2.4.1.2.1. Introducción. 73 2.4.1.2.2. Problemática en Canarias. 74 2.4.1.2.3. Investigaciones recientes. 74 2.4.1.3. Fisuración. 75 2.4.1.3.1. Introducción. 75 2.4.1.3.1.1. Tipos de fisuras. 76 2.4.1.3.1.1.1. Fisuras previas al endurecimiento del hormigón. 76 2.4.1.3.1.1.2. Fisuras posteriores al endurecimiento del hormigón. 76 2.4.1.3.1.2. Métodos de estimación de la fisuración. 77 2.4.1.3.1.3. Defectos constructivos. 79 2.4.1.3.2. Problemática en Canarias. 80 2.4.1.3.3. Investigaciones recientes. 80 2.4.1.4. Retracción. 83 2.4.1.4.1. Introducción. 83 2.4.1.4.2. Ensayos de determinación de los tipos de retracción. 86 2.4.1.4.3. Materiales de control de la retracción. 86 2.4.1.4.4. Problemática en Canarias. 87 2.4.1.4.5. Investigaciones recientes. 88 2.4.1.5. Compacidad/Permeabilidad. 92 2.4.1.5.1. Introducción. 92 2.4.1.5.2. Problemática en Canarias. 95 2.4.1.5.3. Investigaciones recientes. 98 2.4.2.Propiedades Químicas. 102 2.4.2.1. Carbonatación. 102 2.4.2.1.1. Introducción. 102 2.4.2.1.2. Fases de la Carbonatación. 103 2.4.2.1.3. Profundidad de Carbonatación. 103 2.4.2.1.4. Problemática en Canarias. 106 IX 2.4.2.1.5. Investigaciones recientes. 108 2.5. El proceso de corrosivo de barras de refuerzo de acero en hormigón armado. 110 2.5.1.Introducción. 111 2.5.2.Descripción del proceso corrosivo. 114 2.5.3.Factores en el hormigón que influyen en el proceso corrosivo. 117 2.5.4.Tipos de corrosión. 118 2.5.5.Estudio del proceso corrosivo en hormigones. 120 3. Mejoras en las propiedades de los materiales cementicios canarios. 124 3.1. Programa de ensayos. 124 3.1.1.Características de los cementos empleados. 124 3.1.2.Características de los áridos empleados. 126 3.1.3.Dosificaciones. 133 3.1.3.1. Hormigón tipo. 134 3.1.3.2. Hormigón tipo con reducción de agua. 134 3.1.3.3. Hormigón con microfibras de polipropileno. 135 3.1.3.4. Hormigón con humo de sílice o microsílice. 138 3.1.3.5. Hormigón con microfibras de polipropileno y humo de sílice. 139 3.1.4.Plan de ensayos. 142 3.2. Mejora en las propiedades físicas. 144 3.2.1. Mecánica de los hormigones avanzados canarios. 144 3.2.1.1. Consistencias de las distintas series. 144 3.2.1.2. Resistencia a compresión. 147 3.2.1.3. Resistencia a tracción. 153 3.2.1.4. Resistencia a flexión. 157 3.2.1.5. Resistencia a impacto. 162 3.2.1.6. Conclusiones. 168 3.2.2.La Fisuración en los hormigones avanzados canarios. 168 3.2.2.1. Ensayos desarrollados. 168 X 3.2.2.2. Área fisurada. 172 3.2.2.3. Longitud máxima de fisura. 181 3.2.2.4. Conclusiones. 185 3.2.3.La retracción en los hormigones avanzados canarios. 185 3.2.3.1. Ensayos desarrollados. 185 3.2.3.2. Variación en la relación a/c en hormigones sin adiciones. 188 3.2.3.3. Adición de microfibras de polipropileno. 189 3.2.3.4. Adición de humo de sílice o microsílice. 191 3.2.3.5. Combinación de humo de sílice o microsílice y fibras de cortas de polipropileno. 192 3.2.3.6. Retracción en condiciones de evaporación de agua de fraguado forzada por viento constante. 193 3.2.3.7. Variación en la relación A/C en hormigones con adiciones. 195 3.2.3.8. Conclusiones. 196 3.2.4. La compacidad en los hormigones avanzados canarios. 197 3.2.4.1. Ensayos desarrollados (densidad aparente, ultrasonidos, penetración de agua). 197 3.2.4.2. Densidad aparente en los hormigones avanzados canarios. 201 3.2.4.3. Microscopía en series de probetas. 204 3.2.4.4. Velocidad de propagación de ultrasonidos en los hormigones avanzados canarios. 214 3.2.4.5. Penetración de líquidos sometidos a presión en los hormigones avanzados canarios. 217 3.2.4.6. Conclusiones. 222 3.3. Mejora en las propiedades químicas. 225 3.3.1.La carbonatación en los hormigones avanzados canarios. 225 3.3.1.1. Ensayos desarrollados. 225 3.3.1.2. Valores máximo y mínimo de ancho de carbonatación. 228 3.3.1.3. Conclusiones. 230 XI 4. Conclusiones. 232 4.1. Relación entre las distintas propiedades ensayadas. 232 4.1.1.Relación entre resistencias mecánicas y compacidad. 232 4.1.2.Relación entre fisuración y los parámetros estudiados. 238 4.1.3.Relación entre carbonatación y compacidad y permeabilidad de materiales. 241 4.2. Conclusiones finales. 245 4.2.1.Reducción de agua. 245 4.2.2.Fibra corta de polipropileno. 246 4.2.3.Humo de sílice 247 4.3. Hormigones avanzados en ambientes agresivos químicamente. 248 4.4. Resistencias mecánicas de hormigones avanzados. 250 5. Aplicaciones de los materiales cementicios canarios avanzados y futuras investigaciones. 251 5.1. Ejemplos constructivos. 251 5.2. Futuras investigaciones. 252 BIBLIOGRAFÍA 253 XVIII Fig.3.51. Gráfica de relación entre la retracción y la variación de la relación a/c en hormigones avanzados con fibras cortas de polipropileno constantes en el tiempo 191 Fig.3.52. Gráfica de relación entre la retracción y la adición de humo de sílice en los hormigones canarios en el tiempo 191 Fig.3.53. Gráfica de relación entre la retracción y la adición de humo de sílice, microfibras de polipropileno y reducción en la relación A/C en los hormigones canarios en función del tiempo 192 Fig. 3.54. Gráfica de relación entre la retracción en función del tiempo en series que varían la velocidad del viento 193 Fig. 3.55. Gráfica de relación entre el valor de retracción máxima y la cantidad de microfibra de polipropileno adicionado a los hormigones con relaciones de a/c 0,609 y 0,55 195 Fig. 3.56. Gráfica de relación entre el valor de retracción máxima y influencia de la relación a/c en las distintas series de hormigones con fibras 195 Fig. 3.57. Gráfica de relación entre el valor de retracción máxima y la cantidad de Humo de Sílice o microsílice adicionado a los hormigones avanzados con las diferentes cantidades de microfibra en su interior 196 Fig.3.58. Imagen de equipo de medida de ultrasonidos usado en probeta prismática 198 Fig. 3.59. Imagen de máquina de ensayos para penetración de agua de PAS (Pavimentos Asfálticos Salamanca), vista de compresor y mesa de ensayos con cánulas de fijación 199 Fig. 3.60 Imagen de máquina de ensayos para penetración de agua de PAS (Pavimentos Asfálticos Salamanca), vista cercana de cánulas de fijación para probetas cilíndricas de 15x30 cm2 199 Fig. 3.61. Imagen de resumen de los parámetros a obtener en ensayo de penetración de agua a presión. La zona rayada es el área total de penetración 200 Fig. 3.62. Gráfica de relación entre la densidad y la cantidad de fibras en el hormigón con relación de a/c constantes 0,609 201 Fig. 3.63. Gráfica de relación entre la densidad y la relación a/c en los distintos hormigones con fibras en los que se ha pasado de una relación 0,609 a una relación 0,55. 202 XIX Fig. 3.63 Gráfica de relación entre la densidad y la adición de microsílice o humo de sílice en los distintos hormigones con fibras en los que se ha pasado de una relación 0,609 a una relación 0,55 de a/c 202 Fig.3.64. Imagen mediante cámara digital 3x de cara de probeta de Hormigón tipo (HT1), obtenida mediante corte con circular en la que se aprecia el interior de la misma 204 Fig. 3.65. Imagen mediante microscopio óptico de 200x de cara de probeta de Hormigón tipo (HT1), obtenida mediante corte con circular en la que se aprecia el interior de la misma 205 Fig.3.66. Imagen mediante cámara digital 3x de cara de probeta de Hormigón tipo con 0,066% de F.P. (HT1-600), obtenida mediante corte con circular en la que se aprecia el interior de la misma 205 Fig. 3.67. Imagen mediante microscopio óptico de 200x de cara de probeta de Hormigón tipo con 0,066% de F.P. (HT1-600) en la que se observa la fibra en la cara de dos poros 206 Fig. 3.68. Imagen mediante microscopio óptico de 200x de cara de probeta de Hormigón tipo con 0,099% de F.P. (HT1-900) 207 Fig.3.69. Imagen mediante microscopio óptico de 200x de cara de probeta de Hormigón tipo con 0,099% de F.P. (HT1-900) 208 Fig.3.70. Imagen mediante cámara digital 3x de cara de probeta de Hormigón tipo con 0,066% de F.P. Y 10% H.S. con relación a/c 0,5 (H.S.F.2-600), obtenida mediante corte con circular en la que se aprecia el interior de la misma 208 Fig. 3.71. Imagen mediante microscopio óptico de 200x de cara de probeta de Hormigón tipo con 0,066% de F.P.; 10% H.S. y a/c 0,50 (H.S.F.2-600) 209 Fig.3.72. Imagen mediante microscopio óptico de 200x de cara de probeta de Hormigón tipo con 0,066% de F.P.; 10% H.S. y a/c 0,50 (H.S.F.2-600) 209 Fig.3.73. Imagen mediante microscopio óptico de 200x de cara de probeta de Hormigón tipo con 0,066% de F.P.; 10% H.S. y a/c 0,50 (H.S.F.2-600) 210 Fig. 3.74. Imagen mediante microscopio óptico de 200x de cara de probeta de Hormigón tipo con 0,066% de F.P.; 10% H.S. y a/c 0,50 (H.S.F.2-600) 210 Fig. 3.75. Imagen mediante cámara digital 3x de cara de probeta de Hormigón tipo con 0,099% de F.P. Y 10% H.S. con relación A/C 0,6 (H.S.F.1-900) 211 Fig. 3.76. Imagen mediante microscopio óptico de 200x de cara de probeta de Hormigón tipo con 0,099% de F.P.; 10% H.S. y A/C 0,60 (H.S.F.1-900) 212 XX Fig. 3.77. Imagen mediante microscopio óptico de 200x de cara de probeta de Hormigón tipo con 0,099% de F.P.; 10% H.S. y A/C 0,60 (H.S.F.1-900) 212 Fig. 3.78. Imagen mediante microscopio óptico de 200x de cara de probeta de Hormigón tipo con 0,099% de F.P.; 10% H.S. y A/C 0,60 (H.S.F.1-900) 213 Fig.3.79.Gráfica de relación entre el módulo de ultrasonidos y la cantidad de microfibra adicionada al hormigón 214 Fig. 3.80. Gráfica de relación entre el módulo de ultrasonidos y la relación a/c 215 Fig.3.81. Gráfica de relación entre el módulo de ultrasonidos y la cantidad adicionada de humo de Sílice o microsílice 215 Fig. 3.82. Imagen de probeta ensayada a penetración de agua a presión con fallo de penetración lateral en la serie H.F.2-900 218 Fig. 3.83. Gráfica de relación entre la penetración del frente tanto máxima como media y la cantidad de microfibras adicionadas 218 Fig. 3.84. Gráfica de relación entre la penetración del frente máximo y la cantidad de relación de a/c 219 Fig. 3.85. Gráfica de relación entre la penetración del frente medio y la cantidad de relación de a/c 219 Fig. 3.86. Gráfica de relación entre la penetración del frente máximo y medio con la cantidad de humo de sílice o microsílice adicionado 220 Fig. 3.87. Imagen de probeta ensayada a penetración de agua a presión con frente de penetración en forma triangular 221 Fig. 3.88. Imagen de probeta ensayada a penetración de agua a presión con frente de penetración horizontal 221 Figura 3.89. Gráfica de relación entre el módulo de ultrasonidos (Es) y la densidad aparente de las distintas probetas 223 Fig. 3.90. Gráfica de relación entre el módulo de ultrasonidos (Es) y la penetración máxima y media en probetas ensayadas con agua a presión 224 Fig. 3.91 Gráfica de relación entre los frentes de penetración de agua a presión y las densidades aparentes de las distintas series de hormigón avanzado 224 Fig. 3.92. Imagen de indicador de pH y etileno con probeta fragmentada a ensayo brasileño y posteriormente rociada con disolución de fenoftaleina 226 Fig. 3.93. Imagen de probeta ensayada a brasileño y rociada con spray indicador de Ph a base de fenoftaleina 226 XXI Fig. 3.94. Imagen de losa fragmentada a impacto, rociada con spray indicador de Ph a base de fenoftaleina. Medición de ancho de carbonatación 227 Fig. 3.95. Gráfica de relación entre la penetración de carbonatación máxima y mínima con la cantidad de fibra añadida al hormigón 229 Fig. 3.96. Gráfica de relación entre la penetración de carbonatación máxima y mínima con la relación a/c 229 Fig.3.97. Gráfica de relación entre la penetración de carbonatación máxima y mínima en series con y sin humo de sílice con cantidades de agua y fibra iguales 230 Fig. 4.01. Gráfica de relación entre las resistencias a compresión y la densidad de las distintas series con distintas adiciones 232 Fig. 4.02. Gráfica de relación entre las resistencias a compresión y el módulo de ultrasonidos Es 233 Fig. 4.03. Gráfica de relación entre la resistencia a tracción obtenidas mediante ensayo a brasileño y la densidad de las distintas series con distintas adiciones 233 Fig. 4.04. Gráfica de relación entre las resistencias a tracción obtenidas mediante ensayo a brasileño y el módulo de ultrasonidos (Es) 234 Fig. 4.05. Gráfica de relación entre la resistencia a flexión obtenida mediante ensayo de probetas prismáticas biarticuladas y la densidad de las distintas series con distintas adiciones 234 Fig. 4.06. Gráfica de relación entre la resistencia a flexión obtenida mediante ensayo en probeta prismática biarticulada con carga única centrada y el módulo de ultrasonidos (Es) 235 Fig. 4.07. Gráfica de relación entre la densidad aparente y el módulo de ultrasonidos en distintas series de hormigones avanzados 235 Fig. 4.08. Gráfica de relación entre densidad aparente y resistencia a impactos resistidos por las distintas series de hormigón avanzado 236 Fig. 4.09. Gráfica de relación entre módulo ultrasonidos y resistencia a impactos. 236 Fig. 4.10. Gráfica de relación entre retracción y área fisurada en los distintos tipos de hormigón avanzado 238 Fig.4.11. Gráfica de relación entre profundidad de carbonatación y el área fisurada en las distintas series de hormigón avanzado 238 XXII Fig. 4.12. Gráfica de relación entre área fisurada y el área encerrada en los ensayos de penetración de agua a presión 239 Fig. 4.13 Gráfica de relación entre profundidad mínima de carbonatación pasados dos años y resistencias a compresión 241 Fig. 4.14. Gráfica de relación entre profundidad máxima de carbonatación pasados dos años y resistencias a compresión 241 Fig. 4.15. Gráfica de relación entre profundidad mínima de carbonatación pasados dos años y la densidad aparente 242 Fig. 4.16. Gráfica de relación entre profundidad máxima de carbonatación pasados dos años y la densidad aparente de las distintas series de hormigón avanzado 242 Fig. 4.17. Gráfica de relación entre profundidad mínima de carbonatación pasados dos años y módulo de ultrasonidos de las distintas series de hormigón avanzado 243 Fig. 4.18. Gráfica de relación entre profundidad máxima de carbonatación pasados dos años y el módulo de ultrasonidos de las distintas series de hormigón avanzado 243 XXIII LISTA DE TABLAS Tabla 1.1 Tabla de ensayos físicos 7 Tabla1.2 Tabla de ensayos mecánicos 8 Tabla 1.3. Tabla de ensayos químicos 8 Tabla 2.1. Composición química porcentual en peso de los áridos de tipo monolítico de la cantera de Aricán (5) 15 Tabla 2.2. Comparación de valores de módulo granulométrico de los áridos fonolíticos y basálticos de la Escuela de Arquitectura de Las Palmas y los empleados en este trabajo 16 Tabla 2.3. Valores de coeficientes de forma de los áridos de procedencia fonolítica y basáltica (5) 18 Tabla 2.4. Valores máximos porcentuales de adición de puzolana natural en los cementos según RC-08 19 Tabla 2.5. (8.2.2. EHE-08.) Clases generales de exposición relativas a la corrosión de las armaduras (1) 28 Tabla 2.6. (37.3.2.a. EHE-08) Máxima relación agua/cemento y mínimo contenido de cemento 29 Tabla 2.7. (37.3.2.a. EHE). Máxima relación agua/cemento y mínimo contenido de cemento 30 Tabla 2.8. Valores máximos de abertura de fisuras según ambiente. (5.1.1.2 EHE-08 (1)) 32 Tabla 2.9. Valores máximos y medios para la profundidad de penetración de agua bajo presión. (37.3.3 EHE-08 (1)) 33 Tabla 2.10. Propiedades físicas de las fibras comerciales más usuales. La tenacidad medida en gigapascales como relación entre la deformación y la tensión que es capaz de resistir la fibra. En el gráfico tensión-deformación corresponde al área encerrada por la curva dibujada en su trabajo hasta la rotura 41 Tabla 2.11. Propiedades de poliofinas comerciales y otros polímeros utilizados para fabricar fibras. (i significa isotáctico). Siendo Tg la temperatura de transición vítrea y Tm la temperatura de cristalización a la cual cristaliza/funden los cristales de la región cristalína del polímero 43 XXIV Tabla 2.12. Propiedades de fibra corta de polipropileno del modelo comercial Grace Microfiber, empleada en este trabajo (18) 45 Tabla 2.13. Características del microsílice Grace Force 10,000 D 56 Tabla 2.14. Análisis Químico del microsílice en comparación con cemento Pórtland común con el microsílice Grace Force 10,000 D 57 Tabla 2.15. Análisis químico de las cenizas volantes de la marca comercial Grace “Grace fly ash” en comparación con cemento Pórtland común 62 Tabla 3.1 .Características cemento puzolánico “Jaguar”, suministrado por Cementos especiales de las Islas “CEISA” 125 Tabla 3.2 .Características cemento Pórtland con puzolana “Atlante especial”, suministrado por Cementos especiales de las Islas “CEISA” 125 Tabla 3.3. Resultados de Ensayos de Granulometría de la Arena del Sahara (0/1) 126 Tabla 3.4. Resultados de Ensayos de Condiciones Físico-Químicas de la Arena del Sahara (0/1) 127 Tabla 3.5. Resultados de Ensayos de Condiciones Físico-Mecánicas de la Arena del Sahara (0/1) 127 Tabla 3.6.Resultados de Ensayos de Granulometría del Árido 0/5mm. (Arena) 128 Tabla 3.7.Resultados de Ensayos de Condiciones Físico-Químicas del Árido 0/5mm. (Arena) 129 Tabla 3.8. Resultados de Ensayos de Condiciones Físico-Mecánicas del Árido 0/5mm. (Arena) 129 Tabla 3.9.Resultados de Ensayos de Granulometría del Árido 5/10mm 130 Tabla 3.10.Resultados de Ensayos de Condiciones Físico-Químicas del Árido 5/10mm 130 Tabla 3.11. Resultados de Ensayos de Condiciones Físico-Mecánicas del Árido 5/10mm 131 Tabla 3.12. Resultados de Ensayos de Granulometría del Árido 10/20mm 131 Tabla 3.13. Resultados de Ensayos de Condiciones Físico-Químicas del Árido 10/20mm 132 XXV Tabla 3.14. Resultados de Ensayos de Condiciones Físico-Mecánicas del Árido 10/20mm 132 Tabla 3.15. Dosificación de hormigón tipo 134 Tabla 3.16. Dosificación de hormigón relación a/c 0.5 134 Tabla 3.17. Dosificación de hormigón tipo con 0.300 kg/m3 de fibra (19 mm) polipropileno, a/c 0.6 135 Tabla 3.18. Dosificación de hormigón tipo con 0.600 kg/m3 de fibra (19 mm) polipropileno, a/c 0.6. 135 Tabla 3.19. Dosificación de hormigón tipo con 0.600 kg/m3 de fibra (19 mm) polipropileno, a/c 0.55 136 Tabla 3.20 Dosificación de hormigón tipo con 0.900 kg/m3 de fibra (19 mm) polipropileno, a/c 0.6 136 Tabla 3.21. Dosificación de hormigón tipo con 0.900 kg/m3 de fibra (19 mm) polipropileno, a/c 0.55 137 Tabla 3.22. Dosificación de hormigón tipo con 1.200 kg/m3 de fibra (19 mm) polipropileno, a/c 0.6 137 Tabla 3.23. Dosificación de hormigón tipo con 1.200 kg/m3 de fibra (19 mm) polipropileno, a/c 0.55 138 Tabla 3.24. Dosificación de hormigón tipo con 10 % de Humo de Sílice a/c 0.6 138 Tabla 3.26. Dosificación de hormigón tipo con 0.600 kg/m3 de fibra (19 mm) polipropileno y 10 % de Humo de Sílice a/c 0.60 139 Tabla 3.25. Dosificación de hormigón tipo con 10 % de Humo de Sílice a/c 0.55 139 Tabla 3.27. Dosificación de hormigón tipo con 0.600 kg/m3 de fibra (19 mm) polipropileno y 10 % de Humo de Sílice a/c 0.50 140 Tabla 3.28. Dosificación de hormigón tipo con 0.600 kg/m3 de fibra (19 mm) polipropileno y 10 % de Humo de Sílice a/c 0.50 140 Tabla 3.29. Dosificación de hormigón tipo con 0.900 kg/m3 de fibra (19 mm) polipropileno y 10 % de Humo de Sílice a/c 0.60 141 Tabla 3.30. Dosificación de hormigón tipo con 0.900 kg/m3 de fibra (19 mm) polipropileno y 10 % de Humo de Sílice a/c 0.55 141 Tabla 3.31. Plan de ensayos físicos 142 Tabla 3.32. Tabla de ensayos mecánicos 143 XXVI Tabla 3.33. Tabla de ensayos químicos 143 Tabla 3.34.Resultados Ensayo del Cono de Abrams Hormigón de Control 145 Tabla 3.35. Resultados Ensayo del Cono Vebe en Hormigones mejorados 146 Tabla 3.36. Valores de conversión entre probetas sometidas a compresión 147 Tabla 3.37 Resultados Ensayo mecánico a compresión de probetas de series de hormigón tipo con relación de a/c 0.60 (H.T.2) 148 Tabla 3.38. Resultados Ensayo mecánico a compresión de probetas de series de hormigón avanzados 149 Tabla 3.39 Resultados ensayo mecánico a tracción mediante método brasileño de probetas cilíndricas de hormigón tipo con relación de A/C 0.60 (H.T.2) 154 Tabla 3.40. Resultados ensayo mecánico a tracción mediante método brasileño de probetas cilíndricas de hormigones avanzados 154 Tabla 3.41. Resultados de rotura por carga estática a flexión de hormigón tipo 158 Tabla 3.42. Valores de resistencia máxima flexión y módulo elástico de probetas sometidas a flexión con carga en un punto y doblemente apoyadas en probetas pasados 24 meses 160 Tabla3.43. Resultados de rotura por impacto de un Kg. desde una altura de 1.65 m. Se han tomado valores de rotura superficial y de rotura total de las distintas probetas. 164 Tabla 3.44. Tabla resumen de resultados de medición de área total fisurada y cantidad de fisuras en losas de hormigones con y sin humo de sílice, con adiciones de fibras. 172 Tabla 3.45. Tabla resumen de resultados de medición pasados dos años de área total fisurada y cantidad de fisuras en losas de hormigones con y sin humo de sílice, con adiciones de fibras 180 Tabla 3.46. Tabla resumen de resultados de medición de longitud máxima de fisura y longitud total de fisuras en losas de hormigones con y sin humo de sílice, con adiciones de fibras 181 Tabla 3.47. Tabla resumen de valores máximos de retracción de hormigones avanzados con y sin viento 194 XXVII Tabla 3.48. Tabla resumen de valores de densidad en las distintas series de hormigones avanzados canarios 201 Tabla 3.49. Tabla resumen de resultados de velocidad de propagación de onda y módulo de ultrasonidos en las distintas series de hormigones avanzados canarios 214 Tabla 3.50. Tabla resumen de resultados de penetración máxima, media y valores de área encerrada dentro del frente de penetración en las distintas series de hormigones avanzados canarios 217 Tabla 3.51. Tabla resumen de resultados de penetración máxima en serie H.F.2900 con defectos en las probetas 217 Tabla 3.52. Tabla resumen de los distintos parámetros para indicar la compacidad y permeabilidad de los hormigones avanzados 223 Tabla 3.53. Tabla resumen de resultados de penetración máxima y mínima de carbonatación en hormigones mejorados canarios 228 6 Posteriormente y en base a estas mejoras estudiar las posibilidades constructivas de estos hormigones con elementos a escala real, o con diseños constructivos de piezas que requieran un estudio adecuado a sus características. Incluso en estos elementos la sustitución del elemento de refuerzo de acero, elaborando piezas de esta manera que no posean problemas de corrosión derivados del ambiente marino. En último lugar establecer líneas de investigación futuras para posteriores avances en el campo de desarrollo de hormigones en el campo de la durabilidad. Así también y en conjunto con otros estudios ya desarrollados con fibras de otros tamaños poder continuar el desarrollo de materiales con varios usos y destinos finales. Estudiando el campo de la sinergia de materiales en el ámbito de Canarias y de hormigones con áridos de machaqueo. 7 1.3. PLAN DE ENSAYOS: El plan de ensayos se ha realizado teniendo en cuenta los parámetros que son necesarios para asegurar el mantenimiento de la calidad mínima exigida a un hormigón y compararlo así con el de partida, y por otro lado con ensayos que reflejaran específicamente las mejoras que nos hemos marcado como objetivo de partida. Ensayos Físicos DOSIFICACIÓN CONSISTENCIA UNE 83313 UNE 83314 ULTRASONIDOS DENSIDAD UNE-EN 123506:2006 RETRACCIÓN ASTM C157 MICROSCOPÍA H TIPO SI SI SI SI SI H. CON MICROFIBRAS SI SI SI SI SI H. CON MICROSÍLICE SI SI SI SI SI H. MICROFI. + HUMO DE SÍLICE SI SI SI SI SI Ensayos Físicos DOSIFICACIÓN PENETRACIÓN DE AGUA A PRESIÓN UNE-EN 12390-8:2001 FISURACIÓN H TIPO SI SI H. CON MICROFIBRAS SI SI H. CON MICROSÍLICE SI SI H. MICROFI. + HUMO DE SÍLICE SI SI Tabla 1.1. Tabla de ensayos físicos. 8 Ensayos Mecánicos DOSIFICACIÓN COMPRESIÓN SIMPLE UNE-EN 12390-3:2003 TRACCIÓN (BRASILEÑO) UNE-EN 12390-6:2001 FLEXIÓN UNE-EN 12390-5:2001 H TIPO SI SI SI H. CON MICROFIBRAS SI SI SI H. CON MICROSÍLICE SI SI SI H. MICROFI. + HUMO DE SÍLICE SI SI SI Tabla 1.2. Tabla de ensayos mecánicos. Ensayos Químicos DOSIFICACIÓN ALCALINIDAD UNE 7-296-76 CARBONATACIÓN UNE 112011:1994 DURABILIDAD UNE 83952:2008 H TIPO SI SI SI H. CON MICROFIBRAS SI SI SI H. CON MICROSÍLICE SI SI SI H. MICROFI. + HUMO DE SÍLICE SI SI SI Tabla 1.3. Tabla de ensayos químicos. 9 1.4. ORGANIZACIÓN DE LA TESIS: El trabajo que se presenta a continuación se desarrolla partiendo de unos objetivos de mantenimiento de las propiedades mecánicas del hormigón y de mejora de los aspectos que influyen en la futura durabilidad del hormigón, como la permeabilidad, la retracción, la fisuración y mejoras mecánicas en el hormigón menos usuales en su empleo como la de la resistencia a impacto. Se estudian los factores que influyen en este aspecto según una serie de dosificaciones y fracciones granulométricas de áridos y fracciones volumétricas de fibra corta de polipropileno y en peso de adiciones tales como el humo de sílice, y se toman las referencias de estudio actual y las líneas de desarrollo que existen seguidas por otros especialistas e investigadores en la materia. Posteriormente nos enfrentamos al problema con un mayor conocimiento de causa desarrollando una serie de ensayos para finalmente obtener unas conclusiones y soluciones al problema planteado inicialmente, e incluso marcar pautas para posteriores trabajos. Los bloques en los que se divide el trabajo son por tanto seis, la introducción, el estado del arte, los ensayos con la obtención de resultados, las aplicaciones futuras de los materiales, las conclusiones y las líneas de investigación futuras que deja abiertas este trabajo. Se establece también una bibliografía con la que el autor ha encontrado ejemplos que poseen la misma línea de investigación y preocupaciones, para ver en que puntos coincide o se plantea discusión de resultados y de opiniones. Esta se recoge de manera general y no separada por capítulos, poniendo un número de referencia por cada artículo al que se hace mención. En la introducción se plantean los problemas que se van ha estudiar y los datos de partida de la tesis, el objetivo que se persigue y la organización que se ha seguido. El estado del arte se divide en cuatro cuerpos. El primero desarrolla el estado de los materiales cementicios canarios, estudiando sus componentes tradicionales y los estudiados por otros investigadores, así como la normativa vigente y los daños patológicos más comunes en los hormigones canarios que afecten a la durabilidad como efecto secundario de malas praxis constructivas. Dentro de este aspecto se estudia el 10 cemento como primer elemento diferenciador del hormigón canario y sus distintas clases resistentes y de composición química, así como los distintos tipos de árido, el comportamiento de los mismos en el hormigón tanto en su fase plástica con la decisiva influencia de los mismos en su consistencia, como en su fase sólida, en el aspecto mecánico y químico. Dentro de los materiales con estudios consolidados se encuentran también los plastificantes y superplastificantes, tanto en hormigones convencionales como en los autocompactos de más actualidad. Como materiales de nuevo uso podemos ver la incidencia de las fibras de polipropileno de mayor longitud de empleo en las mejoras mecánicas de los hormigones confiriéndoles resistencias superiores a flexión y a esfuerzos dinámicos. La normativa de estudio es principalmente la EHE-08 que afecta a nivel nacional a los elementos cementicios, tanto a los hormigones tradicionales como a aquellos que como en esta tesis emplean un conjunto de adiciones. La segunda parte estudia los distintos materiales que conformarán las dosificaciones de los hormigones, bien por ser de carácter singular en Canarias o bien por ser materiales avanzados uso reducido. Seguidamente se estudian las propiedades de los hormigones, tanto físicas como químicas, estableciendo los problemas que se plantean en cada una y las investigaciones que se desarrollan fuera de Canarias. En último lugar se estudia el proceso corrosivo de las barras embebidas en los hormigones y de los factores que influyen su inicio y desarrollo. El tercer bloque de la tesis recoge los ensayos y la obtención de los resultados que se han obtenido en los campos de desarrollo, separando y distinguiendo entre las propiedades físicas y químicas con materiales añadidos a la dosificación tipo de un hormigón tradicional canario. En cada aspecto estudiado se realiza un estudio del ensayo, se organizan los resultados y se extraen conclusiones. En cuarto lugar se establecen relaciones entre los distintos resultados y conclusiones obtenidos en cada uno de los temas desarrollados para así avanzar e entrelazar los temas como un conjunto conexo entre sí. Se desarrollan aplicaciones de estos hormigones a la realidad constructiva, bien por el ambiente en el que se plantea la utilización de las piezas, o bien por las 11 condiciones de trabajo. Se apuntan dos ejemplos constructivos con las distintas dosificaciones según sus propiedades obtenidas. Por último se establecen una serie conclusiones, analizando la relación de los resultados con las causas que originan los mismos, así como con la relación con las referencias de partida, tanto del empleo de los materiales por separado como en el de la sinergia del empleo de las distintas dosificaciones de aditivos. Por último se plantean líneas de investigación que abre la tesis a otras consideraciones o puntos de estudio. El desarrollo de la tesis ha planteado nuevas salidas y nuevos puntos a estudiar, dentro de cada punto o con el fin primero de un material obtener una nueva propiedad final. 12 CAPÍTULO 2 ESTADO DEL ARTE 2.1. INTRODUCCIÓN: Los materiales cementicios empleados en Canarias se distinguen del resto principalmente debido al material existente y a su posición de aislamiento geográfico que lo hace depender de sí mismo a la hora de la realización de los hormigones que se emplean. Las islas Canarias constituyen un conjunto de siete islas situadas en el océano atlántico en el margen Este del mismo, mirando a la costa de poniente del continente africano a unos cien kilómetros del mismo. Se encuentran enclavadas en una corteza oceánica antigua de más de doscientos cincuenta millones de años. La formación volcánica de las mismas es objeto de discusión, siendo la línea más aceptada la de formación de fracturas profundas en la corteza terrestre de amplitud regional, como vía de salida de las corrientes magmáticas. Se distinguen en la formación de las islas dos etapas: una submarina y una subaérea. La naturaleza geoquímica y petrológica de los materiales volcánicos del archipiélago canario se caracteriza por presentar asociaciones magmáticas alcalinas, que se corresponden con las propias de islas oceánicas, debido a su alto contenido en Sodio y Potasio. Es en las islas Canarias donde estos materiales volcánicos presentan en relación con otras islas oceánicas, el mayor espectro de rocas, encontrándose términos extremadamente básicos y subsaturados (basanitas, nefelinitas, melilititas, basaltos), términos intermedios (traquibasaltos, tefritas), y tipos ya altamente diferenciados (traquitas y fonolitas) (2). El origen volcánico de las islas, hace que los materiales sean distintos según las distintas coladas de materiales piroclásticos que en cada zona y tiempo hayan surgido. 13 Podemos encontrarnos desde zonas con lapilli, a zonas con coladas básicas o ácidas, así como zonas algo más erosionadas, o de aportes aéreos (3), principalmente arenas procedentes de África mediante el llamado siroco (Cercanía con el desierto del Sáhara), o aportes marinos, bien por desgaste de la propia costa o por transporte de arenas mediante las corrientes oceánicas. Los materiales propios de Canarias empleados en los hormigones son los áridos que llegan a formar el setenta y cinco por ciento del mismo y en menor medida, aunque con gran importancia también en los cementos la puzolana. El material empleado como árido debido a su resistencia, dureza y facilidad de obtención es el basalto y la fonolita en hormigones estructurales o los piroclastos en hormigones para la fabricación de prefabricados, como el bloque o la bovedilla. Los áridos empleados son de machaqueo debido a que el origen de las islas es temprano geológicamente hablando, unido a la carencia de ríos o arroyos que conformen áridos rodados. Obtenidos mediante canteras al aire libre y procesados en machacadoras hasta los distintos tamaños requeridos. El otro material empleado es la puzolana, como adición en el cemento, consiguen un cemento más económico, pues se disminuye la cantidad de cemento Pórtland puro, al ser un elemento bastante común y de fácil extracción, del conocido como “Canto Blanco” en las Islas, y por otro lado un hormigón más resistente en algunos aspectos químicos como veremos más adelante, y más estable (4). 14 2.2. MATERIALES CEMENTÍCIOS CANARIOS: 2.2.1. COMPONENTES TRADICIONALES 2.2.1.1. EL ÁRIDO: 2.2.1.1.1. Tipos de rocas según sus características geológicas: Basaltos: son las rocas canarias menos evolucionadas con una composición química muy similar al magma originario generado a varias decenas de kilómetros de profundidad. Mineralógicamente los basaltos se componen de Feldespatos de un cuarenta a un sesenta por ciento y de Máficos entre un cincuenta y cinco y un treinta y cinco por ciento. Son áridos con alto contenido en sílice, que le confiere un pH ácido alrededor al 12,5 a los mismos (4). Son además de gran diversidad estructural y con variaciones de densidad debido a las distintas porosidades con poros abiertos o internos, con un peso específico que varía de 2,93 a 3,10 kg/dm 3 , en los hormigones con empleados los de mayor densidad, constituyendo con estos hormigones con densidades medias-altas superiores a los 2200 kg/m 3 . Fonolitas: son rocas procedentes de magmas secundarios deficientes en SiO 2 en la proporción necesaria para formar silicatos. Son rocas debido a esto ricas en Nefelina (pseudofeldespato o feldespatoide), con un porcentaje mínimo de estos de un diez por ciento. Son rocas sálicas, de acidez intermedia. Poseen una densidad inferior a los basaltos de un 2,65 kg/dm 3 Son químicamente inertes (5). 15 Puzolanas: en Canarias la roca es conocida como “Canto Blanco”, las tobas blancas son muy homogéneas y de baja permeabilidad. Pertenecen a la Serie Fonolítica, y se clasifican como Fonolitas Tobas. Su empleo como árido en los hormigones es inusual, aunque sí es común su uso como mampuestos en la arquitectura tradicional canaria. 2.2.1.1.2. Obtención de los áridos. La obtención de los áridos en Canarias se realiza en canteras a cielo abierto, principalmente en zonas donde la erosión permitió la aparición cercana de las rocas empleadas, tales como los barrancos. El árido empleado en la tesis procede de la cantera de Arican, situada en el borde oeste del complejo sedimentario aluvial del barranco de Tirajana, excavada sobre mantos de la serie Fonolítica. La composición química porcentual en peso según análisis químicos es la siguiente (5): SIO 2 58.80 % Al 2 O 3 18.13 % Fe2O 3 4.10 % FeO 0.56 % MnO 0.16 % MgO 0.35 % CaO 1.68 % K 2 O+Na 2 O+otros 16.22 % Tabla 2.1. Composición química porcentual en peso de los áridos de tipo monolítico de la cantera de Aricán (5). 22 En el proceso de hidratación del cemento, se produce progresivamente una liberación de Cal, (hidróxido cálcico, conocido por Portlandita). Este hidróxido manifiesta una escasa resistencia química frente a aguas agresivas (puras, ácidas,...), disolviéndose progresivamente ante la acción de las mismas. De otro lado, bajo la acción de una elevada temperatura (400 ºC) origina óxido de cal o cal viva, cuya rehidratación originaría un fenómeno expansivo. La misión de las adiciones puzolánicas reside en la captación de la cal aportada por el Pórtland, formando silicatos cálcicos, con más durabilidad ante agresiones químicas (5). La adición de puzolanas en el cemento en proporciones del 15 al 25 por ciento es beneficiosa para fijar la cal y reducir la cantidad de sulfato formado (7). La reacción puzolánica produce silicatos de calcio hidratados de composición similar, pero con un menor radio molar de CaO:SiO 2 que aquellos formados por la hidratación de los silicatos tricálcico y bicálcico del cemento Pórtland. Esto produce que los radios de los silicatos de calcio hidratados en relación con el hidróxido de calcio en los productos hidratados aumenten según se produce la actividad puzolánica y la relación molar CaO:SiO 2 disminuya con el tiempo (8). En un cemento Pórtland sin reaccionar el radio molar CaO:SiO 2 suele ser de 3.5, mucho mayor que una vez haya reaccionado, momento en el cual el radio molar se sitúa en torno 1.5 debido a que parte del CaO se emplea en la formación de ettringita. El uso de un cemento adicionado con puzolana con sílice altamente reactivo permite poseer una mayor cantidad de material cementoso que un cemento sin adición puzolánica (8). El análisis de la ettringita procedente de cementos puzolánicos y de cementos Pórtland fue estudiado por R. Talero (9). De este se deduce que todas las puzolanas estudiadas consiguieron fijar los sulfatos para la formación de ettringita y que el radio de ettringita desde Al 2 O 3 formado por los cementos con puzolanas en contraposición con los cementos Pórtland es mayor y en diferentes tipos. 23 2.2.2.1.1. Hormigones con puzolana natural: Bien sean morteros basados en arcilla, cal o cemento, la puzolana ha sido una adición beneficios empleada desde los tiempos de los romanos, con origen en la localidad de Pozzuoli, en las faldas del Vesubio, de donde recibe su nombre. En Canarias el empleo de la puzolana como mampuesto en la construcción de fábricas es bastante usual por su generalidad en la geología canaria y a su facilidad de labrado, incluso como sillares para esquinas y huecos. En la isla de Gran Canaria existen canteras del material, extendiéndose de manera natural desde Tenoya hasta Arguineguín, que en su forma de roca se denomina vulgarmente Canto Blanco. Se trata de una serie de rocas homogéneas, pertenecientes a la serie Fonolítica, se clasifican como Fonolitas Tobas. Su formación se atribuye a torrentes de fango incandescentes de cenizas y agua, acumulando en su recorrido clastos de manera desordenada. Podemos encontrar también a modo de ejemplo entre éstas las cenizas volcánicas, la piedra pómez, las tobas, la escoria y obsidiana. Las mejoras aportadas por las puzolanas naturales son bastante conocidas y su empleo como elemento que economice el cemento es un aspecto que lo hace aún más atractivo. La proporción máxima que un cemento puzolánico puede poseer de puzolana natural es de un 20% según la normativa para Recepción de cementos (R.C.-08). (6) Según R.E. Rodríguez Camacho, la importancia del tiempo y la sensibilidad en el curado es mayor en los cementos puzolánicos. El uso de estos cementos en el ataque por sulfatos es idóneo. La puzolana es efectiva en el control de la expansión debida a los áridos alcalinos y silíceos, teniendo en cuenta que no todas las puzolanas lo consiguen al no poseer en su composición estos elementos (10). La acción catalizadora de la puzolana es lenta, para la captación de la cal liberada y su transformación en silicatos, de los cuales el tricálcico desempeña un papel fundamental en las resistencias iniciales, y el bicálcico que aporta las resistencias a largo plazo. La adición de una fuerte dosis de puzolana a un clinker para un cemento de clase 42,5 le imprimiría un desarrollo de resistencias iniciales deficiente para tal 24 categoría, y no así en cuanto al largo plazo. Por ello se precisa de un clinker de superior categoría para que, añadida la puzolana, origine un desarrollo de resistencias propio de un clinker de categoría inmediata inferior. Es por ello que en Canarias el cemento empleado sea el de clase resistente 32,5. (5) 2.2.2.1.1. Hormigones con cenizas volantes: Las cenizas volantes son un residuo sólido y en estado de fina división procedente de la combustión de carbón pulverizado en los hogares de centrales termoeléctricas y que es arrastrado por los gases y recuperado por precipitación electroestática o por captación mecánica. Las cenizas obtenidas por otros procedimientos o con otros orígenes, no se consideran cenizas volantes. (4) Su empleo como adición en el cemento se debe a su aceptación dentro de los materiales puzolánicos, con capacidad de combinarse con la cal procedente de la hidratación de los componentes activos del cemento Pórtland para dar compuestos, especialmente silicatos hidratados, con los beneficios económicos y medioambientales que su empleo conlleva, al ser un residuo industrial. Los cementos con adición de cenizas volantes se encuentran dentro del tipo II, existiendo dos tipos de cenizas volantes, la silíceas con designación V y las calcáreas con designación W, pudiendo a su vez poseer dos subtipos según su proporción en la masa del cemento, con rangos del 6-20% para la A y del 21-35 % para la B.(6) La ceniza volante silícea es un polvo fino de partículas esféricas que consta esencialmente de dióxido de silicio reactivo (SiO 2 ) y óxido de aluminio (Al 2 O 3 ), el resto contiene óxido de hierro (Fe 2 O 3 ) y otros compuestos, que posee propiedades puzolánicas. La ceniza volante calcárea posee propiedades puzolánicas e hidráulicas, consta esencialmente de óxido de calcio reactivo (CaO), dióxido de silicio (SiO 2 ) y óxido de aluminio (Al 2 O 3 ), el resto contiene óxido de hierro (Fe 2 O 3 ) y otros compuestos. (6) También los cementos puzolánicos tipo Cem IV pueden poseer en su masa adiciones de cenizas volantes con rangos del 11-35 % de proporción en masa del 25 cemento para la subtipo A y con rangos del 36-55 % de proporción en masa del cemento para la subtipo B. (6) La adición de cenizas volantes se puede realizar en la preparación del hormigón, con la salvedad de que se debe de emplear con hormigones CEM I, llegando a incorporarse hasta en un máximo del 35 % del peso del cemento. Deben de cumplir las especificaciones de la norma UNE EN 450-1. (1) La adición de cenizas volantes en el hormigón permite corregir la carencia de finos de la arena e incluso de cemento en los hormigones pobres en conglomerante, mejorando al mismo tiempo la docilidad y la cohesión de los mismos, reduciendo la tendencia a la segregación y la exudación. (4) La importancia de esta adición a nivel de desarrollo más actual es el de su empleo como fino dentro de hormigones que requieren de facilidad de movimiento entre sus partículas y alta homogeneidad de la pasta, como son los hormigones autocompactos. Su empleo ha sido acompañado con el desarrollo de superplastificantes de última generación, realizados con polímeros sintéticos, que consiguen altas docilidades, con mejoras de las consistencias. La aplicación de las cenizas volantes en hormigones autocompactantes en obra es de uso muy específico en Canarias, como en atezados de viviendas, aunque su empleo en obras de ingeniería civil en España, como la del puente de la Hispanidad en Zaragoza (2001) o la del ayuntamiento del Mollet del Vallés (2002) es también de uso común, y su investigación y desarrollo de nuevas patentes y utilizaciones cada vez es mayor, como se ha expuesto en el primer congreso español sobre hormigones autocompactantes en Valencia de 2008 (11). En Canarias las líneas de investigación recientes han sido desarrolladas por R. Santana (12) con hormigones autocompactantes y G. Melián ha innovado en este desarrollo incorporando fibras de polipropileno en los hormigones autocompactantes adicionados con cenizas volantes de Ready Mix, procedentes de la central de Ponferrada. (13). 26 2.2.2.2. COLORANTES: La calidad estética de los hormigones es cada vez más demandada, y su empleo como material de acabado tanto en fachadas como en pavimentos es muy usual, combinando distintos diseños con la textura y color en los elementos realizados con este material. Los colorantes son pigmentos que añadidos a la masa del hormigón en el momento de la mezcla tienen por finalidad dar al mismo una coloración distinta a la gris verdosa que normalmente presenta. Deben ser estables en el tiempo y no alterables a la intemperie, siendo compatible con el cemento. (4) Los pigmentos empleados como colorantes del hormigón son de naturaleza inorgánica debido a la gran estabilidad del color que presentan. Pueden ser naturales procedentes de tierras colorantes que se generan en la desintegración de ciertas rocas ricas en óxidos metálicos o bien, ser colorantes minerales artificiales. La investigación de estos aditivos en los hormigones canarios ha sido desarrollada por J.M. Pérez (14), con colorantes tanto naturales como sintéticos. 2.2.3. NORMATIVA VIGENTE. La normativa vigente en Canarias se relaciona con la estatal referenciada a zonas costeras del resto del ámbito nacional, por lejanía o cercanía a la costa. La distinción de los hormigones canarios no ha sido desarrollada aún como elemento específico debido a sus notables diferencias en su composición. Principalmente afectan al hormigón dos normativas, Instrucción de recepción de cementos (RC-08) en cuanto al cemento a emplear en su realización y la Instrucción de Hormigón Estructural (EHE08) en lo referente a su uso general en obras de arquitectura e ingeniería. De la normativa se extraen para esta tesis aquellos aspectos que se refieren a la durabilidad. La durabilidad de una estructura de hormigón es según la EHE-08, la capacidad para soportar durante su vida útil para la que ha sido proyectada, las 27 condiciones físicas y químicas a las que está expuesta, y que podrían llegar a provocar su degradación como consecuencia de efectos diferentes a las cargas y solicitaciones consideradas en el análisis estructural (1). 2.2.2.2. Instrucción de hormigón estructural (EHE). A continuación describiremos los aspectos que en esta normativa afectan a la durabilidad de los hormigones específicamente para Canarias, y las líneas a seguir en sus recomendaciones. 2.2.2.2.1. Clasificación por ambientes. El hormigón será estudiado en el ambiente que se desarrolla de manera especial, ya que éste fijará una serie de riesgos en durante la vida del mismo, y cuanto mejor se conozcan y se planteen de antemano, más efectiva será la eficacia en la durabilidad del mismo. Para ello la E.H.E.-08 ha fijado los ambientes según la tabla: CLASE SUBCLASE DESIGNACIÓN DESCRIPCIÓN Interiores de edificios No agresiva I Elementos de hormigón en masa Interiores con alta humedad relativa (>65%) o condensaciones. Exteriores con P media anual > 600 mm sin cloruros Humedad alta II a Elementos enterrados Normal Humedad media II b Exteriores con P media anual < 600 mm sin cloruros Aérea III a Estructuras a menos de 5 Km. de la costa Sumergida III b Elementos sumergidos permanentemente Marina Zona de mareas III c Elementos en zonas de carrera de mareas Elem. no impermeabilizados en contacto con cloruros (piscinas, EDAR) Cloruros no marinos IV Superficies expuestas a sales de deshielo no impermeabilizadas Tabla 2.5. (8.2.2. EHE-08.) Clases generales de exposición relativas a la corrosión de las armaduras (1). 28 En Canarias podemos afirmar que la mayoría de las obras son desarrolladas con hormigón armado y que éstas se sitúan en zonas costeras a menos de 5 km. de la costa, por lo que el Ambiente IIIa es generalizado, con ataque por corrosión por cloruros (ataque marino aéreo), y con ambiente IIb en zonas alejadas de la costa. Debemos de tener en cuenta que una estructura puede verse sometida a distintos tipos de ambiente en sus distintos elementos estructurales para una correcta estrategia en la durabilidad (1). Una forma de garantizar la durabilidad del hormigón así como la protección de las armaduras frente a la corrosión consiste en obtener una permeabilidad reducida en ambientes agresivos. La clasificación establecida por ambientes que realiza la instrucción de hormigones influye en la disposición de las barras de acero en los elementos realizados con hormigón armado, mediante el establecimiento de un recubrimiento al exterior y de unas resistencias mínimas de los hormigones, que se obtendrán respetando una relación agua/cemento determinadas y unas cantidades de cemento preestablecidas. 29 2.2.2.2.2. Cantidad mínima y máxima de cemento. Uno de los factores clave será la cantidad de cemento a emplear, ya que es el elemento que conglomera a todos los materiales que conforman el hormigón, y una mayor cantidad de éste supondrá como se explicará más detenidamente posteriormente unas mayores reservas resistentes a la pérdida de alcalinidad por carbonatación. No obstante se marca un máximo en la cantidad del mismo en 400 kg/m³ pudiendo ser mayor en ocasiones justificadas. Podemos apreciar como aumenta la cantidad cementos hasta este máximo según los requerimientos de resistencia química a los que se ve sometido el hormigón en los ambientes según estos sean más agresivos. CLASE DE EXPOSICIÓN Hormigón I II a II b III a III b III c IV H F E En masa 200 - - - - - - 275 300 275 Armado 250 275 300 300 325 350 325 300 325 300 Mínimo cemento (kg/m³) pretensado 275 300 300 300 325 350 325 300 325 300 Tabla 2.6.(37.3.2.a. EHE-08). Máxima relación agua/cemento y mínimo contenido de cemento. Según la tabla anexa en el ambiente IIIa, muy usual en Canarias, la cantidad mínima de cemento a emplear en hormigones tanto en masa como armados es de 300 kg/m³. 2.2.2.2.3. Relación Agua/Cemento (A/C). La relación agua/cemento será determinante ya que un exceso de la misma generará una mayor porosidad por pérdida de agua en la evaporación, ya que gran parte de la misma no será necesaria para la creación de cristales y geles de cemento, dejando el hueco que ocupaban como poros, y capilares en su ascenso a la superficie. Se busca 30 por tanto que esta red de poros y capilares ocupen el menor volumen y estén lo peor intercomunicadas en lo posible. CLASE DE EXPOSICIÓN Hormigón I II a II b III a III b III c IV H F E En masa 0,65 - - - - - - - - - Armado 0,65 0,60 0,55 0,50 0,50 0,45 0,50 0,55 0,50 0,50 Máxima relación a/c pretensado 0,60 0,60 0,55 0,45 0,45 0,45 0,45 0,55 0,50 0,50 Tabla 2.7. (37.3.2.a. EHE). Máxima relación agua/cemento y mínimo contenido de cemento. La relación A/C que la E.H.E.-08 determina para un hormigón en el ambiente IIIa es de 0,50. Vemos como una reducción de ésta relación es fundamental en el aumento agresivo del medio en el que se sitúa el mismo. 2.2.2.2.4. Valores máximos de abertura de fisura. (w k ). La facilidad de fisuración del hormigón es un inconveniente que puede manifestarse en cualquier momento de la vida de este debido a su baja resistencia a tracción y reducida tenacidad (4) El articulado realizado por la instrucción de hormigones (E.H.E.-08) consciente del problema de fisuración del hormigón en zonas a tracción, debido a su nula o baja capacidad de deformación a tracción, fija un máximo de la anchura de las fisuras producidas, ya que la abertura de las mismas determinará su profundidad, que aumentaría de no ser controlada el área de ataque y la cercanía a las armaduras. El artículo que se expone a continuación recoge fisuras impuestas por trabajo a tracción del hormigón por deformaciones impuestas o acciones directas, no se recogen las debidas a la retracción plástica o asentamiento plástico, producido en las primeras horas después del amasado, pues éstas se deben controlar con los valores de dosificación, curado…etc. 31 Las fisuras de amplitud menor a 0,05mm se consideran como microfisuras y no son perceptibles a simple vista, careciendo de importancia en la interrupción que producen del monolitismo e impermeabilidad del hormigón. Las fisuras de amplitud entre 0,1 y 0,2 mm no suelen ofrecer peligro de corrosión de armaduras salvo que se de que el medio sea agresivo (4). L a w k es la abertura característica de fisura, que se calculará por la siguiente fórmula y con los siguientes valores (1): W k = β S m ε sm For. 2.1. Fórmula de cálculo de fisura característica en hormigones según EHE-08 (1). Donde: β: es el coeficiente que relaciona la abertura media de fisura con el valor característico, cuyo valor vale 1,3 para la fisuración producida por las acciones indirectas solamente (con menor dispersión de fisuras) y 1,7 para el resto de los casos. S m: es la separación media de fisuras, expresada en mm, dependiente del recubrimiento, de la distancia entre barras longitudinales y su diámetro, y del diagrama de tracciones de la sección. ε sm : es el alargamiento medio de las armaduras, teniendo en cuenta la colaboración del hormigón entre fisuras. 38 Los daños patológicos pueden ser también de carácter mecánico, que a su vez pueden producir daños químicos posteriormente, por la fisuración o rotura de los mismos como nuevos puntos de entrada de agentes externos. Las acciones a las que se enfrenta el hormigón pueden ser continuas en el tiempo –sometimiento a cargas propias y muertas o de usoo fortuitas –por agentes naturales-, pudiendo ser cargas dinámicas (por ciclos) o estáticas (continuas). La tesis doctoral de G. Melián desarrolla un hormigón capaz de resistir grandes solicitaciones de tipo mecánico, producidos por sismo y viento en Canarias (13), atendiendo a las cargas dinámicas a las que se expone el hormigón en esos supuestos. 39 2.3 MATERIALES CEMENTICIOS AVANZADOS: El desarrollo del hormigón y sus compuestos ha llevado a lo largo de la historia un proceso de mejora muy lento en épocas antiguas, mientras que hoy día se innova cada día aumentando la versatilidad de este material. Este avance también posee un lado menos positivo, y es aquel de la creencia de que cualquier materia o material puede introducirse en el hormigón sin afectar a una serie de parámetros que inicialmente no se habían tenido en cuenta. Es por ello que a la vez que se estudian los materiales en la siguiente tesis para mejoras específicas, se ha ido comprobando que se mantenga la resistencia mecánica a compresión y tracción, la docilidad, la permeabilidad, buscando que la mejora en un campo mantenga las premisas básicas que se piden a un hormigón de partida. 2.3.1 HORMIGONES CON FIBRA. Las fibras en morteros de barro y cal se emplean desde tiempos lejanos en zonas de autoconstrucción de adobes, dándole a los mismo algo de consistencia y de resistencia a la rotura en materiales que de por sí se disgregarían. El hormigón al igual que otros materiales pétreos posee bajas resistencias a tracción y es mediante barras de acero embebidas en su masa como se consigue mejorar este aspecto. Hoy día como veremos a continuación el empleo de fibras de longitud variable de materiales diversos se plantean como alternativa. Podemos verlas no sólo en el hormigón sino también en yesos y escayolas. La EHE-08 en su Anejo 14 realiza una serie de recomendaciones para la utilización de hormigón reforzados con fibras (HRF), definiéndolos como aquellos que incluyen en su composición fibras cortas, discretas y aleatoriamente distribuidas en su 40 masa, empleados con finalidad estructural, sustituyendo parcial o total de la armadura en algunas aplicaciones, o no estructural, con otros objetivos como la mejora de la resistencia al fuego o el control de la fisuración. (1) 2.3.1.1. TIPOS DE FIBRAS. El empleo de fibras como refuerzo materiales de matriz frágil para mejorar sus características mecánicas es muy antiguo, aunque podemos decir que el desarrollo moderno de las fibras como adición en matrices cementosas data de 1960. Las primeras fibras empleadas fueron las de acero, que con la aceptación de éstas por parte de la industria de la construcción favoreció el desarrollo de otras, como de acero con diversas formas, acero inoxidable, poliméricas y minerales. También han ido apareciendo nuevas técnicas de fabricación y se han desarrollado conjuntamente nuevas aplicaciones (17). En primer lugar podemos clasificar las fibras por el material que las conforma. Las fibras se dividen principalmente en orgánicas, que pueden ser naturales o sintéticas, e inorgánicas, que pueden ser naturales, sintéticas, metálicas, cerámicas...etc. La EHE08 clasifica las fibras según su naturaleza en fibras de acero, fibras poliméricas y otras fibras inorgánicas (fibra de vidrio). (1) Las fibras de acero deben estar conformes con la UNE 83500-1, pueden clasificarse según su proceso de fabricación en trefiladas (Tipo I), cortadas en láminas (Tipo II), extraídas por rascado en caliente (Tipo III) u otras (Tipo IV). Su forma, que influye en la adherencia de la fibra con el hormigón, puede ser recta, ondulada, corrugada, conformadas con extremos de distintas formas, …etc. (1) Las fibras poliméricas poseen una gran variedad, siendo las más empleadas las acrílicas, de aramida, carbono, nylon, poliéster, polietileno y polipropileno. A continuación presentamos un cuadro con las fibras comerciales más significativas y sus propiedades físicas. 41 Polímero Rigidez (GPa) Deformación rotura (%) Módulo de Young (GPa) Densidad (kg/m 3 ) Contenido de humedad a 21º C y 65 % HR, (%) Poliéster 0,37-0,73 13-40 2,1-3,7 1380 0,4 Carbono 3,1 1 227 1730 - Nylon 0,23-0,60 25-65 0,5-2,4 1130 4-5 Rayon 0,25-0,42 8-30 0,8-5,3 1500 11-13 Acetato 0,14-0,16 25-45 0,410,64 1320 6 Acrílicas 0,22-0,27 35-55 0,511,02 1160 1,5 Olefinas 0,16-0,44 20-200 0,243,22 910 0,01 Vidrio 4,6 5,3-5,7 89 2490 - Aramidas 2,8 2,5-4,0 113 1440 4,5-7 Fluorocarbono 0,18-0,74 5-140 0,181,48 2100 - Tabla 2.10. Propiedades mecánicas y físicas de algunas fibras comerciales. La rigidez medida en gigapascales como relación entre la deformación y la tensión que es capaz de resistir la fibra. En el gráfico tensión-deformación la tenacidad corresponde al área encerrada por la curva dibujada en su trabajo hasta la rotura. Las fibras poliméricas se rigen por la UNE 83500-2, pudiendo clasificarse según el proceso de fabricación en molofilamentos extruidos (Tipo I) y en láminas fibriladas (Tipo II). Según sus dimensiones las podemos clasificar en microfibras si el diámetro de estas es menor a 0,30 mm o macrofibras si el diámetro es mayor a 0,30 mm. (1) En esta tesis la fibra empleada es la de polipropileno con finalidad no estructural. Según la clasificación determinada por la EHE-08 la podemos definir en cuanto a su fabricación de tipo I y según sus dimensiones podemos determinar que es una microfibra. En el siguiente apartado se presentan de manera más detalladas sus características. 42 2.3.1.2. PROPIEDADES DE LAS FIBRAS DE POLIPROPILENO. Las fibras de polipropileno pertenecen al grupo de las poliolefinas, que son fibras sintéticas compuestas por cualquier tipo de polímero sintético de cadena larga compuesto de al menos en un 85 % en peso por etileno, propileno u otras unidades de olefinas. El polipropileno posee la siguiente formulación química –{CH-CH2} n - CH3 Las poliolefinas son hidrófobas en fase cristalina y resistente a la mayoría de los solventes, de ahí sus buenas cualidades frente a las agresiones ambientales y resistencia a la degradación. Son buenas en refuerzos de materiales cementíceos, altamente alcalinos en la mayoría de los casos, así como para refuerzo de yesos y escayolas, de pH menos básico, incluso ácido. Las principales ventajas de las fibras de polipropileno (PP) son su bajo coste, su baja densidad y por lo tanto bajo peso, como también su flexibilidad. Su estabilidad, posibilidad de colocación y de diferentes texturas fueron características que se desarrollaron en los años setenta y que lo hace un material de fácil comercialización. El polipropileno isotáctico fibrilar se empezó a comercializar hacia 1961 y sus primeras aplicaciones fueron en la fabricación de alfombras, moquetas y cortinas. 43 Polímero Tg, (ºC) Tm, (ºC) Temperatura Ablandamiento (ºC) Temperatura descomposición térmica (ºC) Polietileno alta densidad Polipropileno-i Poli(1-buteno)-i Poli(3-metil-1-buteno)-i Poli(4-metil-1-penteno)-i Poli(etileno tereftalano)(PET) Nylon 6,6 -120 -20 -25 - 18 70 50 130 170 128 315 250 265 264 125 165 - - 244 235 248 - 290 - - - 400 360 Tabla 2.11. Propiedades de poliofinas comerciales y otros polímeros utilizados para fabricar fibras. (i significa isotáctico). Siendo Tg la temperatura de transición vítrea y Tm la temperatura de fusión de los cristales de la región cristalína del polímero. Las fibras de polipropileno al igual que otras de su generación poseen distintos tamaños según la finalidad de uso de las mismas. La resistencia mecánica de la fibra está ligada a su sección, mientras que la longitud será la que determine la capacidad de anclar la fibra al hormigón. Las fibras largas o macrofibras (1) son empleadas con fines normalmente estructurales. G. Melián empleó las fibras largas de polipropileno en el control de hormigones canarios a cargas estáticas y dinámicas producidas por viento y sismo, consiguiendo en su estudio hormigones dúctiles y con capacidad de respuesta a cargas cíclicas (13). 44 Figura 2.3. Vista de elemento a flexión de hormigón reforzado con fibra de polipropileno. El trabajo de la fibra se produce en la zona a tracción de la pieza, con mayor tensión en las fibras más alejadas del eje, que sufren una mayor deformación. La longitud de la fibra es importante en relación con su sección o diámetro. Es aceptado que las fibras con mayores longitudes y mayores radios longitud/diámetro consiguen mejores rendimientos de resistencias y de absorción de energía tanto como sean capaces de ser mezclados, puestos, compactados y puestos en trabajo (17). En el control de la fisuración la fibra a emplear no tiene la necesidad de resistir grandes tensiones, ni en una sola dirección, ya que éstas serán impredecibles. Esta escasa tensión a la que deben resistir favorece que la fibra no necesite gran longitud ni diámetro, ya que su anclaje no será excesivamente amplio. Esta medida favorecerá la fácil dispersión en el hormigón sin modificar en demasía su docilidad y puesta en obra posterior. Las fibras empleadas en desarrollo de éste trabajo han sido proporcionadas por la marca comercial GRACE, nombre comercial Grace Microfiber, cuya ficha técnica acompañamos a continuación para las microfibras: 45 LONGITUD DE FIBRA = 19 mm. ABSORCIÓN = NULA. PESO ESPECÍFICO = 0,91. MÓDULO DE ELASTICIDAD = 3,50 GPa. PUNTO DE FUSIÓN = 160 ºC. PUNTO DE IGNICIÓN = 590 ºC. RESISTENCIA A ÁLCALIS, ÁCIDOS Y SALES = ALTA. DOSIFICACION (en hormigones)= 300-1800 g/m 3 . DOSIFICACIÓN RECOMENDADA (en hormigones)= 600 g/m 3 . Tabla 2.12. Propiedades de fibra corta de polipropileno del modelo comercial Grace Microfiber, empleada en este trabajo (18). En el hormigón fresco (en sus primeras 24 horas), se puede producir la fisuración debido a puede estar sometido a cambios dimensionales, debido a la retracción, que puede generar tensiones que son superiores a la resistencia del material en este periodo. Es en este periodo cuando el empleo de fibra corta en pequeñas fracciones volumétricas puede ser efectivo para el control de la fisuración. (19) Con el trabajo de la fibra corta se evita la rotura y la formación de fisuras en el hormigón, lo que beneficia a éste en el intento de conseguir una permeabilidad menor. Hay que recordar que las fisuras, a mayor ancho y mayor profundidad, valores estos relacionados, son puntos de acceso de elementos nocivos, además que ya en sí mismo pueden reducir el recubrimiento. 2.3.1.3. DURABILIDAD DE LAS FIBRAS DE POLIPROPILENO. La durabilidad de las fibras es otro factor a tener en cuenta en el rendimiento de la misma a largo plazo. Mientras que en las fibras de acero la primera preocupación es la corrosión, en las fibras de polipropileno debemos tener en cuenta la durabilidad y eficacia de estas por sí mismas en el ambiente alcalino del hormigón. (17) Las fibras se encuentran protegidas por un encimaje externo hecho de resina que la protege del exterior y que permite trabajar con la misma sin problemas. La 46 durabilidad de las fibras de polipropileno es más complejo que el de barras de acero. Ya que la degradación de las fibras de polipropileno depende de la resina de la fibra en sí, de ambas a la vez y de la interfase de unión entre ambas. 2.3.1.3.1. Temperatura. En temperaturas extremas son inflamables, y en caso de incendio su resistencia se vincula totalmente con la de la resina, arde a una temperatura de 150 a 200 ºC. mientras otras fibras poseen temperatura de ignición diversas, las de Aramida 200 ºC, las de vidrio entre 300-500 ºC, y las de carbono entre 800-1000ºC en ambientes de baja oxidación. Fig. 2.4. Efecto de la temperatura en la variación del módulo elástico, y de la resistencia de rotura a tracción según estudios realizados por Francesca Ceroni (20). 47 Y. Xu (21) investigó en pastas de cemento endurecidas con y sin fibra, estudiando el efecto de dilatación y contracción térmica en los hormigones expuestos a cargas y ciclos térmicos extremas. La pasta de cemento generalmente a elevadas temperaturas, puede partir debido a la deshidratación y descomposición de hidratos, mientras que los áridos suelen aumentar previo a la desintegración. A temperaturas de 150 a 300 ºC, la pasta de cemento comienza a contraer, y a los 800ºC la pasta de cemento endurecido puede contraer hasta un 2,2 %. A estas temperaturas las tensiones termales y la fisuración se desarrolla. En rápidos aumentos de temperatura las capas externas del hormigón se separan de la masa, debido a que el hormigón es un pobre conductor, absorbiendo tensiones diferenciadas entre exterior e interior de la masa. La fisuración comienza alrededor de los cristales del hidróxido cálcico y progresa a zonas donde los granos de cemento no hidrataron correctamente. Esta fisuración a microescala se denomina microfisuración. Fig. 2.5. Fisuración de probetas cúbicas de pasta de cemento con porcentajes de fibras y relación A/C 0.5 después de exponerse a 650ºC (21). La investigación realizada por W.P.S. Dias (22), con dosificaciones de fibras y diez por ciento de cenizas volantes, consiguió reducir la fisuración superficial de la 54 hormigones, consiguiendo aumentos en las resistencias a flexión y una reducción del módulo elástico. Demostró que el refuerzo con fibras es más efectivo en hormigones Pórtland que en alcalinos, debido a que la fibra experimenta en medios alcalinos alteraciones superficiales, especialmente en procesos con altas temperaturas, que afectan a la adherencia con la matriz (25). M.C. Nataraja, empleó fibras de acero en el aumento de la resistencia del hormigón a impacto, consiguiendo la absorción por parte de las fibras la energía desprendida en el impacto y aumentando la ductilidad del hormigón, sin disminuir la resistencia a compresión del mismo (24). En Canarias el empleo de fibras ha sido desarrollado por primera vez por G. Melián, ensayando a flexión hormigones con fibras de polipropileno recta de 40 mm de longitud y una esbeltez de 90, realizando hormigones autocompactos con fibra recta de polipropileno de 19 mm de longitud y los denominados ECC (Engineered Cementicious Composite) con mejoras en la tenacidad y comportamiento ante situaciones de sismo y viento con resultados optimistas en cuanto al amortiguamiento del material (13). Las fibras también son empleadas en la rehabilitación, como demuestra S. Masoud (26), empleándolas con resinas en vigas que han perdido la masa de acero de las barras de refuerzo hasta en un 16 % debido a la corrosión. Los últimos estudios se dedican a la sinergia de fibras de distinto tamaño y uso o distinto material (27). N. Banthia mejora la dureza en hormigones mediante el empleo conjunto en dosificaciones con fibras de distinto material, empleando fibras de acero y fibras de polipropileno. F. Hernández-Olivares y otros (28) emplearon fibras de polipropileno en hormigones con caucho para el control de la fisuración por retracción del hormigón, en el diseño de pavimentos rígidos de hormigón con caucho reciclado y su mejora en el comportamiento a la fatiga. 55 2.3.2. HORMIGONES CON ADICIONES PUZOLÁNICAS. 2.3.2.1. HUMO DE SÍLICE. El humo de sílice, también denominado micro-sílice, es empleado como material puzolánico en los hormigones para mejorar la permeabilidad, consiguiendo hormigones más resistentes químicamente, como comentamos en apartados anteriores. Mejora también las resistencias de los hormigones a compresión especialmente y a flexión, consiguiendo ocupar los espacios dejados entre las partículas de cemento y los áridos, debido a su pequeña dimensión, consiguiendo una mayor unión entre componentes. El humo de sílice contribuye a la obtención de hormigones de altas prestancias, altas resistencias mecánicas y alta durabilidad (4). Otro uso comercial de este material confiere al hormigón mayor capacidad resistente al impacto, como veremos posteriormente, una mayor dureza superficial, una mayor resistencia a la abrasión del material, incluso como protector de la corrosión según algunos autores y marcas comerciales, al aumentar el ambiente alcalino en el hormigón como base protectora a la combinación de elementos en la carbonatación. Es por ello que se emplee en garajes como pavimento, en columnas de edificios de gran altura, y en estructuras expuestas a condiciones ambientales adversas. (29) Es resistente también a aguas puras, ácidas y sulfatos como en el caso de otros materiales puzolánicos, usándose esta adición en plantas químicas que empleen ácidos tanto orgánicos como inorgánicos. (58) 2.3.2.1.1. Características. El humo de sílice o microsílice es un subproducto de la manufactura industrial del ferrosilicio y silicio metálico a partir de cuarzo caliza y hierro, en hornos de arco eléctrico a elevadas temperaturas, y posee un color gris. (6) 56 Se trata de un compuesto mineral formado por partículas esféricas de SiO 2 amorfas y de gran pureza (85-98%) u porciones minoritarias de Fe 2 O 3 , Al 2 O 3 , Cao, MgO, Na 2 O y K 2 O. El tamaño de sus partículas está comprendido entre 0,1 y 0,2 micras presentando una superficie específica aproximada de 20 m 2 /g por adsorción de nitrógeno, y la densidad relativa del humo de sílice es de 2.2 kg/dm 3 . (6) Para cumplir las exigencias de la EHE-08 su índice de actividad determinado mediante UNE-EN 13263-1 debe ser superior al 100%, una pérdida de calcinación al fuego según la UNE EN 196-2 que debe ser menor al 5%, y una cantidad de cloruros (Cl - ) menor al 0,10% determinado con la UNE 80217. (1) La RC-08 exige que la pérdida por calcinación del microsílice no supere el 4% en masa según la UNE-EN 196-2, empleando un tiempo de calcinación de 1 hora. La superficie específica (BET) del humo de sílice sin tratar será al menos de 15 m 2 /g, conforme la norma ISO 9277. (6) La calidad de la misma se mide a partir de su índice de actividad, definido como el cociente, expresado en tanto por ciento, entre la resistencia a compresión obtenida sobre probetas normalizadas de mortero, preparadas con un 90% de cemento y un 10% de microsílice (en masa) y la resistencia a compresión de probetas normalizadas de mortero preparadas solamente con el cemento de referencia, según la norma UNE-EN 13263-1. (1) En la tesis que se presenta se ha empleado humo de sílice de la marca comercial GRACE, en concreto el Force 10,000 D, con las siguientes características: Peso específico 2,25 (20ºC) Contenido en sulfatos (SO3) < 1,00% Contenido en alcalinos (Na2O) < 1,5% Contenido en cloruros < 1000 ppm Tabla 2.13. Características del microsílice Grace Force 10,000 D (29). 57 Componentes Microsílice Cemento SiO2 (Sílice) 92 - 98 % 21.3 % Al2O3 0.5 % 4.5 % Fe2O3 2.1 % 4.0 % MgO 0.3 % 2.4 % CaO 0.8 % 63.1 % Na2O 0.1% 0.1 % K2O 1.0 % 1.2 % So3 0.2 % 2.2 % Tabla 2.14. Análisis Químico del microsílice en comparación con cemento Pórtland común con el microsílice Grace Force 10,000 D (29). Los cementos que poseen esta adición son designados con la letra D según la UNE-EN 197-1, pudiendo poseer una proporción en masa de cemento de un mínimo del 6% a un máximo del 10 %, según RC-08 tabla A1.1.1 (6). 2.3.2.1.2. Propiedades. El papel del humo de sílice en los hormigones es doble: uno físico al actuar como plastificante como consecuencia de su finura y, otro químico al reaccionar con el hidróxido cálcico procedente de los compuestos activos del cemento dando lugar a silicatos cálcicos hidratados de composición parecida a los procedentes de la hidratación del cemento y produciendo un aumento de las resistencias mecánicas. Se consigue también un aumento de la adherencia de la pasta a los áridos, una disminución importante de la permeabilidad de los hormigones al cerrar muchos de los conductos capilares que éste posee, y un aumento de la cohesión de la mezcla. El empleo como filler es muy interesante en el trabajo que se desarrolla, ya que el aumento de la compacidad es necesario e importante en la consecución de un hormigón impermeable, para conseguir hormigones con gran durabilidad. Consigue rellenar los huecos dejados en la microestructura angulosa y alargada de las partículas del cemento, debido al tamaño hasta cien veces menor y su forma esferoidal. 58 Fig.2.10. Imagen microscópica de cemento hidratado con y sin humo de sílice empleado en este trabajo (29). Por cada grano de cemento pueden rodearle unos 50.000 granos de humo de sílice. En estas imágenes observamos como los cristales amorfos de la imagen de la izquierda de pasta de cemento han desaparecido y se consigue una masa más homogénea en la imagen de la derecha con humo de sílice. Mejora además la cohesividad, reduciendo la tendencia a la segregación, dado que sus partículas interrumpen el flujo de agua en los canalículos que normalmente existen entre las partículas de cemento y los áridos. Estos dos últimos aspectos son los que más inciden en la heterogeneidad en la microestructura de la pasta de cemento hidratada y en especial en la “zona de transición”. Proporciona además numerosos núcleos de precipitación a los productos de hidratación del cemento, debido a su baja reactividad sólida (29). El uso microsílice para la disminución de la permeabilidad al agua es efectivo según el porcentaje empleado del mismo, pues se han obtenido reducciones del coeficiente de permeabilidad con porcentajes de un 10% en peso, mientras que con porcentajes de un 20% en peso es ineficaz (30). El coeficiente de permeabilidad al aire del hormigón con humo de sílice disminuye según se aumenta la cantidad de esta adición. El coeficiente de difusión de cloruros también disminuye con la adición de humo de sílice, siendo la adición de un 10% la más efectiva en la prevención de las barras de acero de la corrosión. Los test 59 acelerados de permeabilidad a cloruros indican una reducción de hasta una sexta parte de la permeabilidad de cloruros (7). 2.3.2.1.3. Propiedades plásticas del hormigón con humo de sílice. La principal característica del hormigón en estado plástico con adición de humo de sílice es la pérdida de docilidad de la masa fresca. La cantidad de finos requieren de una mayor cantidad de agua para el trabajo normal de la masa. Para no aumentar la relación A/C con esta adición es necesario el empleo de superplastificante, que mantenga una docilidad de la masa normal. El uso del microsílice potencia el efecto adherente de la masa cementicia al árido. Implica un cambio en la microestructura de la pasta y de la interfase árido-pasta, con unas zonas de transición cuya capacidad resistente y adherente resulta extraordinariamente incrementada. La adición de humo de sílice en hormigones con fibras mejora el anclaje de las fibras de acero, incrementando el índice de tenacidad de estos hormigones, siendo la sustitución del 20 del cemento por humo de sílice la óptima para este fin. Su empleo en hormigones reforzados con fibra de vidrio reduce la resistencia y dureza de la fibra debido al descenso del pH de la masa que lo envuelve. En hormigones con fibra de carbono la incorporación de humo de sílice mejora la resistencia, la deformabilidad, la resistencia a impacto, impermeabilidad y retracción por secado (7). 2.3.2.1.3. Investigaciones recientes. En recientes estudios como el realizado por S.Ouellet (31) se afirma que el aumento de finos en el hormigón produce un aumento en la temperatura durante la hidratación en el fraguado del mismo con mayores retracciones. Se observó además una disminución del tamaño de las partículas formadas con la hidratación adecuada de la masa consiguiendo por tanto hormigones menos permeables. 60 Otra línea de investigación seguida con este producto es el de conseguir una mejor unión entre los áridos y la pasta de cemento. Así G.V. Guinea et al. (32) emplearon humo de sílice en proporciones de hasta un 5% del peso de cemento con este fin en hormigones con áridos tanto redondeados como de machaqueo, consiguiendo en un 93% de los casos una rotura de los áridos previo a la de la matriz de unión. Estudiando la tenacidad y la mecánica de fractura de esta matriz de unión incluso incorporando resinas a los áridos. Fig.2.11. Gráfica de variación de la resistencia a tracción del hormigón en relación con la fracción de áridos fisurados (32). En la tabla presentada se puede observar como con el aumento de las resistencias el área de áridos fisurados aumenta, y es lógicamente inversa a la del área de la matriz de unión. Podemos por tanto afirmar que en las resistencias del hormigón sin una buena interfase de unión no conseguiremos un hormigón resistente por muy buenas capacidades que posea el árido, mejorando también su resistencia a tracción, y su módulo elástico. El árido de machaqueo consigue, no obstante, un mayor valor de energía en la fractura (Gf, energía específica de fractura), no teniendo la interfase efecto 61 notable, debido seguramente a una interrelación que compensa las zonas débiles de la interfase, que no se produce con áridos redondeados (32). 2.3.2.2. CENIZAS VOLANTES. Las cenizas volantes procedentes de centrales térmicas se encuentran dentro de las adiciones de tipo puzolánico y su empleo en Canarias no es normal, pues su carecemos de centrales de obtención y el coste de transporte hasta nuestra geografía no justifica la sustitución de la misma por la puzolana natural tan abundante en nuestra geología. Se trata de un subproducto industrial desechado antiguamente con los problemas de contaminación que antaño provocaba. Las cenizas volantes se obtienen por precipitación electroestática o mecánica de partículas pulverulentas arrastradas por los flujos gaseosos de hornos alimentados con carbón pulverizado. (6) El coste económico de las cenizas volantes es menor que el del humo de sílice, aunque en ambos se valora su capacidad de combinación con el cemento convencional para una reducción del impacto ecológico de las mismas, al no reducir su capacidad portante y resistencias. 2.3.2.2.1. Características. Las cenizas volantes pueden ser silíceas (V) o calcáreas (W). La ceniza volante silícea es un polvo fino de partículas esféricas que tiene propiedades puzolánicas. Consta esencialmente de dióxido de silicio reactivo (SiO 2 ) y óxido de aluminio (Al 2 O 3 ), el resto contiene óxido de hierro (Fe 2 O 3 ) y otros compuestos. La ceniza volante calcárea es un polvo fino que tiene propiedades hidráulicas o puzolánicas. Consta esencialmente de óxido de calcio reactivo (CaO), dióxido de silicio reactivo (SiO 2 ) y óxido de aluminio (Al 2 O 3 ) y otros compuestos. (6) 62 Las cenizas volantes pueden ser empleadas como filler, en sustitución del cemento o de los áridos mas finos en hormigones autocompactos con tamaños de partículas menores para una mejor redistribución de la masa. Producen una activación alcalina, con un mayor entrecruzamiento de las cadenas de CSH (geles de cemento), que se refleja en la mejora de la resistencia a compresión, al igual que con el humo de sílice (33). Esta activación produce un aumento de la temperatura cuya reacción a temperatura ambiente es baja, pero a temperaturas entre 40 y 85ºC, incrementa la reacción notablemente, produciendo morteros que desarrollan en pocas horas grandes resistencias. La reacción descrita produce un polímero inorgánico de naturaleza amorfa y estructura en tres dimensiones formada por alumino-silicatos hidratados, donde cargas negativas se producen por los iones alcalinos. (34) Componentes Cenizas Volantes Cemento SiO2 (Sílice) 49.0 % 21.3 % Al2O3 24.6% 4.5 % Fe2O3 7.3 % 4.0 % MgO 1.6 % 2.4 % CaO 9.1 % 63.1 % Na2O 0.2% 0.1 % K2O 0.6 % 1.2 % So3 0.4% 2.2 % Tabla 2.15. Análisis químico de las cenizas volantes de la marca comercial Grace “Grace fly ash” en comparación con cemento Pórtland común (34). 63 2.3.2.2.2 Propiedades plásticas del hormigón con cenizas volantes. Las cenizas volantes reducen la capacidad de trabajo con el hormigón fresco. Es por ello que requieran también un aumento de la relación agua/cemento o empleo de superplastificante o superfluidificantes. En la tesis desarrollada a continuación no se han desarrollado muestras con este material, aunque presentaremos algunas de las investigaciones más recientes. 2.3.2.3. Investigaciones recientes. El empleo de las cenizas volantes ha sido desarrollado en Canarias por G. Melián, en el estudio de autocompactables con y sin fibras de polipropileno (13). Así como por R. Santana (12) que estudia las propiedades y características de los mismos. S. Ouellet (31), estudió el efecto de las cenizas volantes en la mejora de la porosidad de la pasta de cemento hidratada, consiguiendo la reducción de tamaño de los poros de la red capilar que conformaba la masa en el proceso de curado. No se apreciaron efectos negativos ni positivos de la sustitución de cemento por cenizas volantes. Puede disminuir los costes de producción de cemento y una menor emisión de CO 2 en su producción. Al igual que con el humo de sílice se observó un aumento de la temperatura. F. Puertas (25) estudió la retracción de los morteros con cenizas volantes y con humo de sílice observando que los más estables volumétricamente eran aquellos con cenizas volantes con prácticamente valores nulos. Estudió también el control de la fisuración mediante el empleo de fibras de polipropileno, observando una mejoría también a flexión con este refuerzo. La estabilidad de estos morteros con cenizas volantes ante ciclos de congelación/descongelación fue muy buena consiguiendo mejores resistencias. 70 Fig. 2.13. Variación de la relación tracción/compresión en relación con el valor de compresión del material (34). 2.4.1.1.2. Investigaciones recientes. G.V. Guinea (32) investigó la unión en materiales de base cementicia de la matriz con los áridos, fueran de machaqueo o redondeados, mediante la rotura de materiales, y la transmisión de tensiones desde las caras abiertas de la fisura a la unión de ambas caras, considerando mediante ecuaciones la resistencia de un material. A medida que la fisura se abre la resistencia del material disminuye, hasta llegar a un punto crítico donde desaparece la cohesión del material, denominado “fisura verdadera”. 71 Fig. 2.14. Esquema de rotura de fisura y curva de aproximación según G. Guinea.(32) El trabajo empleado para producir una unidad de área de fisura verdadera es la energía de fractura específica (Gf), que coincide con el área bajo la curva de cálculo. Tanto la energía de fractura, como la resistencia, así como la apertura crítica de fisura, y la función de cálculo, son propiedades del material macroscópico, y por lo tanto son dependientes de la estructura interna del hormigón (32). El estudio de materiales a flexión con empleo de refuerzos distintos al de barras de acero, ha sido desarrollado por G. Melián en Canarias, con fibras rectas de polipropileno de diámetro mayor a 0,30 mm. Consiguió piezas de hormigón armado estructural sin acero, que aumentaron su capacidad a flexión y su tenacidad, con un comportamiento dúctil del hormigón (13). N. Banthia (27), consiguió la mejora de las capacidades resistentes de hormigones a flexión con fibras de acero, consiguiendo también un aumento de la tenacidad y resistencia a tracción del hormigón. 72 Fig. 2.15. Gráfica esquemática de rotura de material tenáz (27). fig. 2.16. Gráficas de resultados obtenidos por N. Banthia de materiales a flexión. En la gráfica superior podemos ver como después de una primera rotura el material continúa trabajando. En la segunda se estudia la flecha en milímetros del material después del pico de rotura máximo (27). 73 Para la mejora de las capacidades mecánicas de un hormigón se pueden emplear distintas fibras, variando su tamaño o material y su fin específico. Es lo que se conoce por sinergia de materiales, en los que se consiguen mejoras de las capacidades primeras para las que los materiales eran empleados por sí solos. N. Banthia propuso híbridos basados en la dimensión de las fibras y del fin para el que eran empleadas. (27) 2.4.1.2. RESISTENCIA A IMPACTO. 2.4.1.2.1. Introducción. El hormigón como material resistente a cargas estáticas, bien sean constantes o sean cíclicas, es muy usual y posee normativa que lo regula. En el caso de resistencia a impacto de hormigones las referencias en este campo son menos comunes. El hormigón en masa es un material frágil que ante impactos se fisura excesivamente y rompe fácilmente. Su empleo como material en elementos que pueden recibir impactos como las barreras de autopista es meramente económico. No se le ha adaptado para ser un material capaza de absorber correctamente la energía y disiparla. Este material también ha sido empleado en puentes de ríos o de estrechos en mares que sufren heladas en invierno, y donde el paso del hielo o materiales arrastrados pueden deteriorarlo seriamente. En su lugar normalmente es material es protegido a su vez por chapas de acero, material más dúctil y más resistente. El aspecto más positivo que posee el hormigón es el de adaptarse a casi cualquier forma de manera sencilla y sin mano de obra muy especializada. Es por ello que mantenga su uso mediante el correcto diseño de las formas de los elementos que se exponen al golpeo con elementos móviles, siempre que su dirección y fuerza sean previstas. 74 En este trabajo se estudia la resistencia a impacto de los hormigones con fibras y con humo de sílice como aspecto añadido en su optimización del empleo de estos en suelos industriales y barreras de autopista. 2.4.1.2.2. Problemática en Canarias. En Canarias el uso del hormigón para impacto es limitado, al no poseer agentes meteorológicos extremos que generen el movimiento de objetos con el peligro que su golpeo produce. En elementos de ingeniería podemos emplearlo en barreras de autopista, así como en los diques de los puertos. Lógicamente será en estos lugares de movimiento de vehículos donde un accidental descuido puede producir daños, no tanto al hormigón, como a los conductores de los mismos. 2.4.1.2.3. Investigaciones recientes. A nivel nacional pocos son los estudios sobre este aspecto, podemos destacar el realizado por F. Hernández-Olivares y G. Barluenga, en el empleo de caucho reciclado en firmes de autopista, estudiando la disipación de energía del material con y sin caucho en cargas dinámicas. Establecieron una cantidad óptima de fibra de goma para la estabilidad y compatibilidad de la interfase del cemento y la goma, así como la disipación de la energía dinámica y su mejor capacidad a impacto (28). A nivel internacional destacar también el trabajo de M.C. Nataraja, en el estudio de la mejora de la capacidad a impacto del hormigón reforzado con fibra de acero. El empleo de la fibra juega en este estudio el papel de absorber la energía y hacerlo un material más dúctil sin disminuir la resistencia a compresión del material. Los ensayos fueron realizados mediante una polea para recoger una carga de 4,5 kg. que era lanzada a una altura desde un soporte vertical, estudiando el momento de la primera fisura y de la última rotura, la fibra empleada era de acero (24). 75 En los hormigones con fibras se consiguió aumentar la resistencia última de rotura a impacto entre un 40-60%, según la proporción de fibras. La primera rotura aumento en algunos casos hasta 25 veces el valor de partida (24). 2.4.1.3. FISURACIÓN. 2.4.1.3.1. Introducción. La fisuración en los hormigones se produce debido a la existencia tensiones a tracción que superan la resistencia del material. El origen de estas tensiones es diverso. Desde tensiones producidas en la transformación de estado plástico a sólido del hormigón –retracción en sus diversas modalidades que veremos posteriormente-, a tensiones producidas durante su vida útil –tensiones de trabajo o ambientales-, a movimientos generados en el interior del hormigón o a expansión del material embebido en el hormigón. La fisuración es, por tanto, el resultado de la combinación de zonas de tensión y de relajación en el cambio volumétrico del hormigón. La fisuración y su control en el tiempo es muy importante ya que pueden representar un punto de entrada de elementos externos al hormigón y modificar su estado en las caras abiertas de la fisura. Representan en hormigones armados un riesgo para la corrosión de la armadura, así como un defecto estético e incluso un riesgo psicológico, con sensación de rotura última de la pieza. La EHE-08 establece un estado límite por fisuración en hormigones endurecidos expuestos a tensiones debidas al trabajo mecánico al que son sometidas durante su vida útil. Distingue dentro de las fisuras las debidas a solicitaciones normales, por cortante y torsión. Dentro de las debidas a las solicitaciones normales distingue las debidas a compresión, descompresión y tracción. (1) 76 2.4.1.3.1.1. Tipos de fisura. Podemos distinguir las fisuras según el momento en que se producen, antes o después de endurecido el hormigón. 2.4.1.3.1.1.1. Fisuras previas al endurecimiento. La fisuración producida en esta etapa del hormigón se puede producir por la propia formación del mismo en su fraguado y proceso de endurecimiento o por agentes externos. Podemos diferenciar entre las producidas por heladas durante la formación del hormigón, las de asentamiento plástico y retracción plástica (capítulo 2.4.1.4) y las de movimientos de los encofrados o de la sujeción de la base que los soporta. 2.4.1.3.1.1.2. Fisuras posteriores al endurecimiento Las fisuras posteriores al endurecimiento se producen por agentes externos al propio hormigón, bien sean agentes químicos, físicos, térmicos o mecánicos. Dentro de las fisuras producidas por agentes químicos podemos destacar los procesos de corrosión del acero (capítulo 2.5), reacción árido-álcalis, agentes orgánicos, ataque de por ácidos… Las fisuras de aspecto físico se pueden producir por el afogarado del hormigón en tiempos calurosos o de curado ineficaz, que los áridos posean retracción o alta absorción de agua, o por retracción hidráulica (capítulo 2.4.1.4). La temperatura produce diversos tipos de fisuración, por retracción térmica interna (capítulo 2.4.1.4), variaciones de la temperatura a lo largo de una jornada o de una estación a otra, y por ciclos de hielo y deshielo. Las fisuras estructurales son las propias para las que se ha dispuesto una pieza, con aberturas máximas de las mismas establecidas en la EHE-08. Este tipo de 77 fisuración es implícito al trabajo del hormigón, su cantidad, forma y longitud nos puede indicar el exceso de carga de un material superior a la de diseño inicial. (1) Una vez la fisura se produce su propagación se puede producir incluso con una menor tensión en el material. Una fisura en propagación incrementa la tensión a todo plano no figurado. (32) En el estudio realizado de barreras por el Instituto de Michigan se comprobó que la base fisurada de la barrera de autopistas causa fisuras de 0.2 a 0.3 veces el tamaño de su sección, en ente punto la fisura se puede propagar libremente por toda la sección sin ninguna carga debido al desequilibrio de cargas entre la zona fisurada y sin fisurar de la sección (36). La superficie expuesta del elemento por el volumen del elemento expuesto afecta a la magnitud de la retracción, con una menor o mayor pérdida de calor de hidratación según esta relación (36). 2.4.1.3.1.2. Métodos de estimación de la fisuración. Para la determinación de la fisuración de origen mecánico la EHE-08 establece según el tipo de solicitación una formulación para su cálculo. En todas las situaciones persistentes y en las situaciones transitorias bajo la combinación más desfavorable de acciones correspondiente a la fase en estudio, las tensiones de compresión en el hormigón deben cumplir: σ c ≤ 0,60 f ck, j donde: σ c Tensión de compresión del hormigón en la situación de comprobación. f ck,j Valor supuesto en el proyecto para la resistencia característica a j días (edad del hormigón en la fase considerada). Fig. 2.17. Comprobación de límite de fisuración por solicitaciones a compresión en piezas de hormigón armado. (1) 78 La comprobación general del Estado Límite de Fisuración por tracción consiste en satisfacer la siguiente inecuación: w k ≤ w max donde: w k Abertura característica de fisura. w máx Abertura máxima de fisura definida en la tabla 5.1.1.2 (EHE-08). Fig. 2.18. Comprobación de límite de fisuración por solicitaciones a tracción en piezas de hormigón armado. (1) La fisuración por efecto de la retracción se detalla en esta tesis en el capítulo 2.4.1.4. Los métodos de estimación de la fisuración por efecto de la retracción están en su mayoría basados en los modelos ACI 209 y CEB-FIP, del American Concrete Institute y del Comité Euro-internacional del Hormigón y Federación Internacional del Pretensado respectivamente. Otros derivan de éstos, incorporando nuevos parámetros y modificaciones. Estos métodos estudian la fisuración producida por la retracción según distintos procedimientos de curado. Por lo tanto las fórmulas matemáticas son similares. (36) Cada modelo posee un valor último de retracción que predice el total de retracción según la resistencia del material y del tipo de cemento. La retracción en función del tiempo se basa en el proceso de fraguado del hormigón comenzando desde su colocación, parando este proceso siempre cuando la humedad relativa llega al 100%. También se tiene en cuenta la forma de los materiales según la superficie expuesta del mismo. La humedad relativa se toma de la media existente en el ambiente al que se expone (36). 79 Fig. 2.19. Fórmula ACI 209 donde t es la edad del hormigón a la que se quiere predecir la retracción del hormigón, tc es la edad de comienzo del curado del hormigón, y ε shu es la retracción última (36). 2.4.1.3.1.3. Defectos constructivos. El factor que más reduce la vida del hormigón es el defecto constructivo durante su colocación y curado. Errores en la selección del material, prácticas constructivas poco acertadas y falta de mantenimiento de los elementos de hormigón son determinantes en la vida útil de las estructuras. La falta de agua de curado o el tiempo en que se tarda en aplicar agua de curado al hormigón produce daños patológicos importantes e irreversibles, produciéndose desde las primeras horas este tipo de defecto constructivo, especialmente en los hormigones puzolánicos (10). El resto de las malas prácticas que provocan fisuración son aquellas por falta de previsión en proyecto, bien por la mala elección del material, mala disposición de los elementos en la construcción, cargas excesivas no planteadas en cálculo o mal uso por parte de los usuarios (15). Existe también una influencia de posición que ocupen las barras de acero en la pieza de hormigón. Durante el vertido debido a la segregación del hormigón y al ascenso de agua alrededor de las barras se produce un hormigón poroso con peor unión. Es por ello que por ejemplo una barra que ocupe la base de un elemento de hormigón esté rodeado de un hormigón de mejor calidad que una barra situada en la zona superior de la pieza. La EHE (1) determina posición I y II en los hormigones según este aspecto, diferenciando la longitudes de anclaje y de solape de las varadse refuerzo de acero. 86 Por lo tanto podemos decir que la deformación total por retracción se debe a la siguiente fórmula (38) en función del tiempo: ε T (t) = ε autógena (t) + ε secado (t) + ε térmica (t) + ε fluencia (t) For.2.5. Fórmula de cálculo de la retracción en hormigones. (38) La retracción autógena y de fluencia producen tensiones por cambios volumétricos del propio material, mientras que la térmica y la de secado producen tensiones ajenas a la formación de éste. 2.4.1.4.2. Ensayos de determinación de los tipos de retracción. Para la determinación del valor de deformación producido por la retracción autógena se realizan ensayos que mantienen la temperatura constante, y en cápsulas que evitan la evaporación de agua. En estos estudios M. Sule notó un descenso de los valores de retracción autógena con el porcentaje de refuerzo, cualquiera que fuera su disposición, en hormigones armados con barras de acero. (38) Para la deformación por retracción termal se emplean probetas curadas semiadiabáticamente. En este tipo de retracción el refuerzo con barras de acero no altera los resultados, al poseer valores de dilatación similares al hormigón. 2.4.1.4.3. Materiales de reducción de la retracción. Uno de los materiales desarrollados para el control de la retracción fue la parafina atendiendo a la disminución del calor de hidratación del cemento por Mihashi (40). La micro-cápsula de parafina se introducía en el hormigón con un agente retardador, que una vez se alcanzaba una temperatura según el tipo de parafina la cápsula rompía y expulsaba el retardador. Según el tipo de parafina que se empleara el agente retardador controlaba el aumento o la bajada de los valores de temperatura. 87 Otro de los sistemas de control de la retracción es también químico, desarrollado por Dhir (40), introduciendo elementos que disminuyeran el efecto de evaporación del agua de fraguado y un auto-curado en el cemento. Empleó polímeros sintéticos solubles en agua y elementos naturales químicos. Durante el desarrollo de los ensayos probó la mejora de las propiedades de la micro-estructura del hormigón, la calidad de la superficie y de la resistencia a compresión del material. El empleo de áridos ligeros con capacidad de almacenar agua debido a su morfología porosa fue estudiada por Weber y Reingardt, sustituyendo un porcentaje de los áridos del hormigón por estos porosos, para emplearlos como reservas de agua durante el curado, incluso independientemente del curado que se practicara. 2.4.1.4.4. Problemática en Canarias. Al depender este proceso de las características del cemento y del ambiente, debemos estudiar estos dos aspectos en el caso particular de Canarias. Por un lado, el cemento con puzolanas naturales poseen bajo calor de hidratación, que se presenta en valores de resistencias bajos. Es por ello que son cementos que no retraen en demasía debido a las bajas cargas térmicas en el proceso químico de solidificación del producto. El uso de materiales minerales que produzcan bajas temperaturas de hidratación ayudará a reducir las tensiones por temperaturas tempranas. En cuanto a la modificación volumétrica de productos de cemento una vez hidratados que provocan la retracción autógena, podemos considerar este punto sin estudiar aún en los cementos puzolánicos de Canarias. En lo referente al clima de Canarias es conocido el fuerte viento que reina prácticamente todo el año y las condiciones de soleamiento, que influirán mucho en la retracción por secado. 88 En el aspecto de la retracción por evaporación Razek y Enein en 1999, establecieron fórmulas para la previsión de los valores que esta puede tomar basándose en que el hormigón es un medio poroso. R c = h C (T da – T w ) / L donde R c es la evaporación por secado (W/m), h C es el calor de convección transferido (W/m 2 ºC), T da es el bulbo de secado de temperatura del aire del ambiente (ºC), T w (ambos T da y T w tienen en cuenta el ábaco psicométrico de ASHRAE) es el bulbo de humedad y L es el calor latente de vaporización del agua (ºC). For.2.6. Fórmula de cálculo de la retracción por secado. Para el estudio del comportamiento en las primeras horas del hormigón, se hace necesario estudiar a edad temprana el módulo elástico, la resistencia a tracción y aquellas propiedades propias de un material visco-elástico (19). 2.4.1.4.5. Investigaciones recientes. Para reducir el proceso de retracción algunos autores han estudiado el empleo de productos expansivos (EXP) como el óxido de calcio o de magnesio y reductores de la retracción (SRA) como el propileneglicol, por separado y en conjunto para estudiar el efecto sinérgico de ambos, en porcentajes de un 3% por separado y en combinación. (41) Se obtuvieron buenos resultados en el uso de productos espansivos para hormigones curados mediante inmersión en agua, no siendo así en curados a humedad de ambiente. El trabajo de estos componentes expasivos se produce al combinarse con agua y llegar a aumentar lentamente su tamaño hasta un 90%. En el caso de muestras con el empleo de reductores de la retracción no se obtuvieron buenos resultados. En las 89 muestras de combinación de adiciones se consignó un trabajo sinérgico de los materiales y por lo tanto una mejora en los valores, con reducciones de retracción. C. Maltese (41) estudió también la importancia de la tensión capilar, y su importancia en la retracción por secado: P = M (∆V/V) elástica = 2 γ / r , donde P es la presión capilar, M el módulo de compresibilidad (Bulk Modulus), γ es la tensión superficial del poro y r el radio del menisco. For.2.7. Fórmula de cálculo de la presión capilar. Por lo que la reducción de la tensión superficial reducirá la presión capilar. Este aspecto sucede en hormigones con reductores de la retracción (SRA) en su composición que por lo tanto retraen menos (41). Este estudio de la capilaridad en el proceso de hidratación también ha sido estudiado por V. Morin. (42). Investigando paralelamente los valores de retracción autógena y de ultrasonidos. El estudio de la retracción autógena demostró que el desarrollo de tensiones capilares aumenta con el consumo de agua durante el proceso de hidratación, induciendo una nueva retracción a las 39 horas cercano a la disminución del 3% de la hidratación, como punto hiperestático de la curva que se presenta a continuación. 90 Fig.2.23. Gráfico de cambio volumétrico relativo en función de la hidratación (42). Las tensiones capilares inducidas por la existencia de aire retenido entre el líquido y la fase sólida, y los efectos electroestáticos de repulsión debidos a la doble capa eléctrica formada por los iones de la superficie de las partículas sólidas y los iones de la solución alrededor de éstos, producen una retracción importante en las primeras horas. Estas cargas producen tensiones a compresión en el hormigón según aumenta la concentración de iones de Calcio por efecto capilar, provocando una fluencia del material y su retracción (ε fluencia ). (42) El estudio del proceso de formación de capilares y su tamaño con el estudio de la hidratación nos lleva a contemplar tres fases: la primera entre un 0 y un 3% (punto hiperestático) del descenso de hidratación con la formación de capilares de radio 20 nm que bajan hasta llegar al 8% en una segunda fase con radio capilar de 10 nm con la determinación de la máxima energía disipada, hasta la tercera fase a partir del 15% con radio de capilares de 2 nm. (42) 91 Fig. 2.24. Gráfico de relación entre radio capilar activo y energía disipada en función del descenso de la hidratación. (42) El estudio de la morfología química de las muestras con estas adiciones de productos expansivos (EXP) como el óxido de calcio o de magnesio y reductores de la retracción (SRA) como el propileneglicol demostró como se esperaba que los SRA disminuyeran la formación de hidróxido de calcio, al contrario que con el EXP que al basarse en óxido de calcio aumento la cantidad de hidróxido cálcico. Se estudió mediante un espectroscopio de rayos X el aumento de Portlandita en las muestras con el uso de EXP y especialmente en la combinación de ambas (41). En otro orden de cosas, F. Puertas, realizó estudios de retracción en morteros con cementos Pórtland comunes y alcalinos añadiendo fibras en su interior. Los cementos alcalinos activados con cenizas volantes son más estables dimensionalmente, al ser su producto de resultado más estable con una estructura tridimensional de hidratos aluminosilicatos. El empleo de la fibra produjo un aumento en la retracción química y una disminución a largo plazo de la misma, debido a que el trabajo de las mismas se produce con el hormigón endurecido durante la desecación del mismo. (25) 92 2.4.1.5. COMPACIDAD. PERMEABILIDAD El concepto de compacidad y el de permeabilidad van ligados aunque no siempre directamente. La compacidad de un material viene definida por la máxima cantidad de materia en un volumen determinado. Por tanto un material es más compacto cuanta menos cantidad de huecos posea entre sus elementos. La permeabilidad de un material es capacidad que este posee para permitir el paso de gases o líquidos a través de su masa, para ello es necesario que en la masa existan huecos o poros y éstos estén intercomunicados. 2.4.1.5.1. Introducción. Para determinar estos dos factores es necesario estudiar la estructura interior del material o micro-estructura. Como hemos visto en apartados anteriores la formación de los poros es propia de los procesos químicos de formación de los elementos sólidos del hormigón por efecto de la retracción hidráulica. Por otro lado también hemos visto que con la retracción por secado, la migración de agua desde la masa interna del hormigón hacia la externa va dejando vías de salida que posteriormente pueden servir de entrada de agentes perjudiciales para el hormigón. Dentro de la formación de estos poros podemos distinguir entre micro-poros, poros capilares y macro-poros. 93 Fig.2.25. Diagrama esquemático de la estructura porosa del hormigón. (43). Los poros de gel son tan pequeños que no influyen en las propiedades resistentes y de permeabilidad del hormigón, y son causados por la retracción autógena y por fluencia, como hemos desarrollado anteriormente. Los poros capilares en su volumen y tamaño están ligados con la relación a/c y el grado de hidratación del cemento. En relaciones a/c bajas con curados buenos los capilares tienen tamaños de entre 10 y 50 nm, en relaciones a/c altas y en las primeras edades de hidratación los poros capilares pueden llegar hasta los 3,0 µm. Los poros de tamaño superior a 50 nm tienen efectos negativos sobre las resistencias y la impermeabilidad, mientras que los inferiores a 50nm influyen más sobre la estabilidad dimensional. (43) Los poros de aire son normalmente esféricos y pueden ser de dos tipos, los de compactación, generados durante el amasado de la pasta fresca y su tamaño suele ser ≥3µm, y los de aire ocluido, introducidos con aditivos y con tamaños entre 20 y 500 nm. Pueden tener consecuencias negativas sobre la resistencia y la estabilidad del mortero u hormigón, pero cuando son generados mediante aditivos, mejoran la resistencia frente a las heladas. 94 Podemos afirmar que un hormigón es compacto cuando posee una porosidad total entre un 5-10% y entre un 10-15% para hormigones con bajas resistencias mecánicas (43), pues la relación entre compacidad y resistencia es determinante en esta última. La permeabilidad está ligada a la estructura porosa del material, especialmente a la intercomunicación de los poros entre sí. Podemos tener un material poco compacto y ser poco permeable si su superficie es homogénea y sin huecos y no existe comunicación del exterior al interior mediante capilares o conductos. La permeabilidad obedece a la siguiente expresión: pAt Q k∆ = η 1 donde: k: coeficiente de permeabilidad intrínseco Q: caudal del fluido t: tiempo A: superficie que atraviesa el fluido η: viscosidad del fluido ∆ρ: diferencia de presión Fig.2.8. Fórmula de cálculo del coeficiente de permeabilidad intrínseco en un material poroso. (43) 95 Fig. 2.26. Imagen de la representación esquemática de un sistema biporoso (43). La permeabilidad de un hormigón nos indica la capacidad que tiene el material de permitir el paso de agentes externos a su interior. Se trata de un factor muy importante en la durabilidad del hormigón y será estudiado en esta tesis como un parámetro más de predicción de la vida del material. Un material será en principio más durable mientras menos permeable sea y cuanto más compacto. Al introducir barras de acero en el hormigón debemos saber que su protección es muy importante, para evitar su corrosión. La compacidad y especialmente la permeabilidad del material nos determinarán los recubrimientos que debemos tener en cada caso para una vida útil del acero que tengamos en su interior. 2.4.1.5.2. Problemática en Canarias. Los valores de permeabilidad en las zonas de ambientes agresivos están determinados en la EHE-08 mediante ensayos de penetración de agua a presión UNEEN 12390-8, especificando unos valores máximos para la profundidad máxima y 102 2.4.2 PROPIEDADES QUÍMICAS. 2.4.2.1. CARBONATACIÓN. 2.4.2.1.1. Introducción. El mecanismo de carbonatación consiste en la difusión del anhídrido carbónico y su reacción química con los compuestos del hormigón. El dióxido de carbono de la atmósfera se difunde a través de los poros del hormigón y reacciona con los productos hidratados. Es propiamente la reacción del dióxido de carbono (CO 2 ) con el Hidróxido cálcico (Ca(OH) 2 ), los geles de cemento C-S-H. De estas reacciones la más preocupante es la de la asociación del dióxido de carbono con el hidróxido de calcio ya que es éste el que aporta un pH alto al hormigón. Esta reacción es químicamente irreversible y es la causante de la despasivación del hormigón, pues el producto obtenido el CaCO3 posee un bajo pH. La carbonatación afecta a la fase plástica y a la sólida del hormigón, y desprotege químicamente al acero embebido en el hormigón, que se encuentra como expuesto a la atmósfera. Es por ello que la carbonatación y posteriormente la corrosión sea mayor en áreas con contaminación y altos contenidos de CO2. El proceso de carbonatación es lento en áreas de contaminación normal con volúmenes del orden de 0.03%, y con hormigones densos y con reservas de cemento y bajas relaciones de agua/cemento (43). El cemento Pórtland en comparación con el cemento blanco posee un Ph mayor y es por lo tanto posee menos resistencia al ataque del CO2. (10) La carbonatación está asociada a los casos de corrosión generalizada, ya que afecta a la pieza igualmente en toda su longitud. 103 2.4.2.1.2. Fases de la Carbonatación. La carbonatación es dividida en cinco fases según Pade con la consiguiente pérdida progresiva de Ph (51). En la primera fase de “hormigón intacto” el pH es superior a 12.5 y la fase sólida consiste en la unión de hidróxido de Calcio (CH), silicato de calcio hidratado (CSH), tetra-calcio mono-sulfoaluminato (AFm) y etringita (AFt). Cuando el pH baja del valor de 12.5 el hidróxido de calcio se transforma en carbonato de calcio (primera fase). Cuando el Ph baja ya de 11.6, el tetra-calcio mono-sulfoaluminato comienza a descomponerse (fase II), y bajo un Ph menor de 10.5 la ettringita se descompone (fase III). Finalmente, con un Ph menor a 10, el silicato de Calcio hidratado, que se había descalcificado en el proceso de las fases II y III, con suficiente tiempo se transformará en gel de sílice y óxido de Calcio hasta dejar la pasta sin oxido de calcio que carbonatar (51). Si se considera que el 100% del óxido de calcio encontrados en CH, AFt y AFm, y el 50% del óxido de calcio encontrado en el CSH se han trasformado en Carbonato de Calcio en el hormigón carbonatado, entonces alrededor del 75% del óxido de calcio del Clinker original se habrá hidratado. 2.4.2.1.3. Profundidad de Carbonatación La carbonatación es un proceso que comienza de las capas superficiales del hormigón hacia su interior. La difusión del dióxido de Carbono se estudia como la de un gas en un sólido mediante la segunda Ley de Fick que se presenta a continuación: D = k t 0.5 donde D es el coeficiente de difusión, k es la constante del tipo de hormigón y t es el tiempo. For. 2.9. Fórmula de la segunda Ley de Fick (52). 104 Otra manera de determinar la carbonatación es mediante la ley de difusión. Considerando la difusión como el transporte de un gas o un líquido a través de un medio poroso en función de un gradiente de concentración. Que de acuerdo con la primera ley de Fick la cantidad de CO 2 que ingresa en el hormigón es: J = -D (∂ c / ∂ x) donde J es la flujo de dióxido de carbono (g/m2 s), D es un coeficiente de difusión que depende de la temperatura (m2/s), c es la concentración de CO 2 (g/m3) y x es la profundidad de penetración. For. 2.10. Primera Ley de Fick. Fórmula de cálculo de la profundidad de carbonatación en función del tiempo (52). El empleo de la primera ley nos habla de la densidad de flujo en el material y la segunda de la concentración a una profundidad y un tiempo determinados según las características del hormigón. En conclusión, podemos decir que la segunda ley de Fick, se basa en la consideración de que cada hormigón posee una constante de carbonatación independientemente de la concentración. En la realidad, la reacción de carbonatación influye por sí misma en la estructura porosa de la muestra, especialmente en la reducción del volumen de poros (52). El carbonato de Calcio, principal producto de la carbonatación, bloquea los poros abiertos y producen según el hormigón carbonata una reducción de la difusividad del gas. Si la reducción de la difusividad del gas o el coeficiente de carbonatación se considera como un parámetro, el coeficiente de carbonatación debe decrecer en función del tiempo (51). 105 La ecuación presentada es la más aceptada aunque en los casos de hormigones con gran resistencia o bajo exposiciones al exterior no poseen una relación igual a la raíz cuadrada del tiempo en esos casos el índice de raíz 0.5 suele ser menor. La carbonatación es variable en un mismo hormigón si éste se encuentra expuesto, y se produce en porcentajes de humedad relativa entre 40-80%. El tipo de cemento y sus adiciones influyen en el proceso de carbonatación y en su profundidad, eso ha hecho que diversos autores añadan factores correctores a la fórmula de cálculo de la profundidad en el tiempo (53). El proceso de carbonatación es mayor en elementos protegidos de la lluvia. Esto se debe a que en el proceso de lluvia los poros del hormigón se bloquean y el proceso de evaporación del agua introducida en el hormigón es más lento que en el medio normal. Es por ello que incluso podamos diferenciar la profundidad de carbonatación según se produzca en elementos expuestos a lluvia o no (44). Normalmente hay que tener en cuenta que la humedad en el interior de un material poroso como el hormigón suele ser mayor que la del exterior y los procesos de humectación y secado de las piezas son más pausados y progresivos que los del ambiente. Las oscilaciones de humedad y de temperatura son menos drásticas que en el ambiente exterior. Por ejemplo en una estación como el verano con varias semanas sin llover el hormigón habrá tenido tiempo de bajar su humedad interior, pero en una lluvia ocasional la humedad relativa del medio ambiente variará hasta un 100% mientras que en el hormigón no aumentará si esta no se mantiene varios días. La EHE-08 establece para el cálculo de la profundidad de entrada de elementos agresivos en el hormigón la segunda Ley de Fick, desarrollando un modelo de carbonatación que calcula el tiempo en que esta se produce a una profundidad de la superficie mediante la siguiente expresión: 106 t = (d/K c ) 2 d Profundidad, en mm. t Tiempo, en años. For. 2.11. Expresión para el cálculo de tiempo necesario para que se produzca carbonatación a una distancia de de la superficie del hormigón. (1) K c = c env . c env . a . (f cm ) b donde: f cm Resistencia media del hormigón a compresión, en N/mm 2 , que puede estimarse a partir de la resistencia característica especificada (fck). c env , Coefiente de ambiente, según tabla A.9.1 EHE-08 (1 protegido de la lluvia, 0.5 expuesto a la lluvia). c air , Coeficiente de aireantes, según tabla A.9.2 EHE-08 (1 en hormigones con porcentaje de aire ocluido menor a 4.5 %, 0.7 en hormigones con porcentaje de aire ocluido mayor a 4.5 %) . a, b Parámetros función del tipo de conglomerante, según tabla A.9.3 EHE-08. For.2.12. Expresión para el cálculo del coeficiente de carbonatación. (1) 2.4.2.1.4. Problemática en Canarias En Canarias los cementos que se emplean contienen adiciones puzolánicas. Según diversos autores la cantidad de Ca(OH) 2 en estos cementos es menor que en los cementos Pórtland debido a la sustitución de un porcentaje de los mismos en el proceso de fabricación y por lo tanto poseen menos cantidades de portlandita para la consumición en el proceso químico, que les resta capacidad resistente (10). Sin embargo K. Sisomphon (52), establece que los cementos puzolánicos son menos porosos, impidiendo el acceso del CO 2 , aunque siempre que posean un curado 107 adecuado, pues son más sensibles y lentos en este proceso. Este beneficio en los cementos con puzolanas puede ser perjudicial si no se efectúan curados adecuados y prolongados en el tiempo, con peores resultados que un hormigón con cemento Pórtland sin adiciones. Según Sisomphon, se producen aumentos de los valores de carbonatación en los hormigones que no empleaban cenizas volantes o escorias de alto horno como adiciones, sucediendo lo contrario en hormigones con un 5% de humo de sílice. De las tres adiciones es la de cenizas volantes la que menos afectó al hormigón en el proceso de carbonatación. (52) Fig. 2.32. Gráficas de cálculo de la profundidad de carbonatación según un tiempo determinado en probetas con cemento con y sin adiciones en distintas cuantías mediante proceso de carbonatación acelerado (52). Este proceso aumenta las concentraciones normales del medio ambiente de 0,03-0,04 % hasta concentraciones del 3% por volumen con una humedad relativa del 65%, controlada por una solución de NH4NO3 y con un flujo de gas constante de 100 cm3/min. La primera se realiza con hormigones con tres días de curado, la segunda con hormigones con siete días de curado y la última con veintiocho días de curado. En el ejemplo de las gráficas presentadas anteriormente, se puede apreciar una disminución significativa de la profundidad de carbonatación con el aumento del tiempo de curado en todas las series estudiadas. Además los hormigones con menor profundidad de carbonatación en estos ejemplos de carbonatación acelerada son los de cementos sin adiciones. 108 A nivel de control de los hormigones se podría marcar un tiempo mínimo de curado según el cemento y el ambiente al que éste es expuesto, siendo este aspecto más efectivo que aumentar cantidades de cemento o añadir adiciones que se contradicen según los autores que se consulten. Al igual que para determinar la resistencia de un hormigón se realizan probetas, de un hormigón podríamos ensayar la carbonatación del mismo y poder de esta manera bajar de clase resistente en ambientes más agresivos y disminuir cantidades de cemento, con el ahorro económico que esto conllevaría. 2.4.2.1.5. Investigaciones recientes. Y. Houst desarrolló estudios de la profundidad de carbonatación en elementos expuestos a la lluvia de elementos con dosificaciones diversas después de cuarenta semanas de exposición. (44) Fig. 2.33. Gráficas de estudio entre la relación A/C y la cantidad de CO 2 en el desarrollo de la profundidad de la pieza, comparando según sea una pieza expuesta o protegida de la lluvia. La de la izquierda con una relación 0.4, la central 0.6 y la de la derecha 0.9. (44) Se obtienen varias conclusiones. La ya mencionada de que un hormigón protegido de la lluvia se carbonata más fácilmente, que mientras mayor sea la proporción a/c mayor es la profundidad de carbonatación siendo el proceso de carbonatación es más marcado en hormigones con alta relación a/c, bajando bruscamente la cantidad de CO 2 en poca profundidad. La disminución de la profundidad de carbonatación en relación con de la relación de a/c no es siempre directa. Y. Houst encontró que existe un aumento de la 109 carbonatación en hormigones de muy baja relación a/c 0.3-0.4 con respecto a relaciones 0.5, debido seguramente a la falta de compactado y el daño producido por la retracción autógena (44). Fig.2.34. Gráficas que demuestran un estado óptimo para la relación agua cemento de 0.5 e incluso 0.6 en hormigones expuestos. En la izquierda se representan la cantidad de carbonatos formados en 40.5 semanas y en la gráfica de la derecha se estudia la carbonatación aparente calculada mediante los datos de carbonatación. (44) En el estudio de hormigones con grandes cantidades de adiciones de cenizas volantes de baja calidad, L. Jiang (54), demostró un aumento de la carbonatación con la sustitución de este elemento por cemento Pórtland. Empleó también activadores que consiguieron mejorar estos datos. El estudio de los cementos con bases de calcio-sulfoaluminato por parte de L. Zhang estableció que la relación de carbonatación no es lineal con la relación a/c, mediante ensayos con empleo de fenoftaleína, microscopio de infrarrojos y análisis termogravimétrico. (55) En otro orden de cosas, G. Cultrone (44), estudió los efectos de la carbonatación natural y forzada en morteros con bases de arcilla, y su importancia en la dureza final obtenida en los mismos. 110 2.5 EL PROCESO CORROSIVO DE BARRAS DE REFUERZO DE ACERO EN HORMIGÓN ARMADO. El empleo de barras de acero cada vez más resistentes, con mayores cantidades de carbono, hace que éstas sean más sensibles a la combinación con el oxígeno a la oxidación. Antiguamente el uso del conocido vulgarmente por hierro dulce más dúctil y con menos carbono producía menos patologías por el mal uso del material, bien por malas disposiciones constructivas o bajas calidades de los hormigones, con unas categorías resistentes menores que los actuales. Para garantizar la vida útil del acero y de la propia estructura de hormigón armado, el recubrimiento de hormigón protege a la barra de acero como barrera física y mediante su alcalinidad desarrolla una capa pasivante en la barra en valores de pH altos en torno a 12.5. La durabilidad del hormigón puede ser muy dilatada. Sin embargo, al igual que la piedra natural, se puede ver afectado por distintos tipos de deterioro ya que a pesar de su apariencia de material denso y pétreo, resulta permeable a líquidos y gases. Esto es debido a la red de poros que se genera en su interior, ocasionada por el exceso de agua de amasado. Después del fraguado, el agua queda retenida en el interior o se evapora pero conforma una red de capilares que junto con las burbujas de aire ocluido, constituyen el camino de entrada a los agentes exteriores. (57) La presencia de agua o humedad es el factor común a los diferentes tipos de deterioro que puede sufrir la pasta de cemento, a excepción del deterioro mecánico. El transporte de agua a través del hormigón viene determinado por el tipo, tamaño y distribución de los poros y por las fisuras (micro o macro fisuras). Además, la penetración en el hormigón de gases ácidos como el CO 2 o el SO 2 , o la penetración de cloruros procedentes de sales de deshielo o ambientes marinos, pueden acabar produciendo corrosión en las armaduras. Así pues, el control del tipo y distribución de poros y fisuras se convierte en labor esencial para lograr una adecuada durabilidad (43). 111 Nosotros nos centraremos en los procesos que influyen en la penetración del ión cloro en la masa del hormigón y en el proceso de despasivación de la armadura, habiendo tratado este aspecto ya en el apartado dedicado a la carbonatación 2.4.2.1. 2.5.1. INTRODUCCIÓN. Los mecanismos por los que los agresivos pueden penetrar en el hormigón son: absorción, difusión, permeabilidad o migración, según Andrade (58). La absorción capilar es un fenómeno que se produce debido a los efectos de la tensión superficial en capilares que ocurre al poner en contacto un líquido con un sólido poroso. La altura que alcanzará el líquido, o la masa de él por unidad de superficie, depende del tamaño de los poros, la viscosidad del líquido y la temperatura. Obedece a la ley de Jurin. gr h ρ ϕ γ cos2 = donde: h: altura capilar γ: tensión superficial del líquido φ: ángulo de contacto entre líquido y hormigón p : densidad del líquido g: 9.8 m/s 2 r: radio del capilar For.2.13. Fórmula de cálculo de la altura capilar según la ley de Jurin. La difusión iónica se produce cuando hay una diferencia de concentración. En el caso del hormigón esta difusión tiene lugar en general en estado no estacionario, y se resuelve aplicando la segunda ley de Fick que mencionamos anteriormente. 118 A su vez la retracción no se explica sin tener en cuenta otros factores como la relación a/c, el tipo de cemento, normal o rápido (con mayores retracciones al poseer temperaturas excesivas en la formación de compuestos), la fluencia del material producida por la capilaridad del hormigón (en mayor medida en poros de pequeño tamaño), aspectos desarrollados en capítulos anteriores. La fisuración producida también juega factores determinantes en la rotura de la capa protectora que envuelve la masa de hormigón, creando zonas de carbonatación y corrosión más acelerada, conde desaparece el recubrimiento de la masa. En general debemos tener en cuenta que los procesos no se producen aisladamente, siempre entran en juego varios factores, que desencadenan otros que pueden reincidir en los primeros. Se deben realizar mayores esfuerzos desde el proyecto y posteriormente en la puesta en obra de los hormigones. De nada sirve emplear hormigones con grandes posibilidades si nunca llegan a “madurar” al no poseer curados adecuados, que sean específicos para cada lugar, momento de construcción, orientación de la pieza…etc. 2.5.4. TIPOS DE CORROSIÓN. La corrosión atendiendo a la cantidad de área atacada puede distinguirse en generalizada y localizada. 119 Fig. 2.36. Vista esquemática de los tipos de corrosión (61). La corrosión generalizada se produce por una pérdida de protección general del hormigón, normalmente producida por efecto de la carbonatación de la pieza, que pierde los valores alcalinos de altos pH importantes en el hormigón. Como vimos en apartados anteriores la reducción de estos valores se relacionan con la calidad del hormigón, tanto por su compacidad, baja permeabilidad, cantidad de cemento y elementos estables, calidad del curado…etc. Mientras la corrosión localizada se produce por agentes externos agresivos en zonas que no han perdido naturalmente la alcalinidad que las protege, pero que por efecto de la permeabilidad en una zona heterogénea de la pieza se favorece la entrada de éstos iones y de agua para el proceso corrosivo. Debemos también hablar de la formación de macropares galvánicos debido a la existencia de zonas de la armadura con distinto potencial de corrosión, con zonas que se corroen –ánodosy otras que se mantienen pasivas –cátodos- (61). El estudio de la conductividad eléctrica del hormigón en relación con la capilaridad de éste fue realizado por V. Morin en el proceso de formación del hormigón. El estudio revela que por debajo del punto de inflexión del 8% de deshidratación del hormigón, se debe a la rápida formación de los hidratos C-S-H, que disminuye la cantidad de agua en los poros por la autodesecación y la formación de hidratos que 120 llenan los espacios entre los sólidos. Por encima del 8% la conductividad depende de la evolución interna de C-S-H y de la tortuosidad de la matriz de los hidratos. El incremento de la tortuosidad permite el aumento de la distancia en la transferencia iónica (42). De los dos tipos de corrosión el que más importancia en esta tesis posee es el de corrosión generalizada, que se relaciona con los temas estudiados, como la carbonatación, permeabilidad y retracción. 2.5.5. ESTUDIO DEL PROCESO CORROSIVO EN HORMIGONES. Para los métodos de estudio podemos destacar el trabajo con viguetas y traviesas de hormigón realizado por J. Sarriá (43) recogido en su tesis y el de la evaluación de la corrosión en la rehabilitación de vigas corroídas con fibras y resina realizado por S. Masoud (26). S. Masoud (26) empleó métodos internos y externos de medición de probetas. De manera interna con celdas de medición que se introducían y se sellaban con resinas, y que medían el potencial mientras las probetas eran expuestas a la corrosión. Las de carácter externo fueron realizadas por el instrumento de medida galvánica. Éste aparato determina sin destruir la pieza, el potencial y el factor de corrosión de las barras de acero embebidas. Las medidas de corrosión mediante el medidor de pulso galvánico favorece el estudio en la longitud de la pieza, con distintas posiciones. 121 Fig.2.37. Gráfico de medidas del potencial corrosivo en distintas localizaciones de las vigas empleando el pulsímetro galvánico. En la parte superior se ve la sección esquematizada de la viga, marcada con una zona gris que ha sido sometida a corrosión acelerada con un terminal catódico (26). Las medidas realizadas en vigas reparadas con resinas y fibras después de corroídas desvelaron una reducción de la pérdida de masa de acero de sus barras con respecto a aquellas que no fueron rehabilitadas hasta en un 16% después de 152 días de corrosión acelerada. Las láminas compuestas de fibras de vidrio fueron más efectivas que las de carbono empleadas normalmente como refuerzo estructural. J. Sarriá (43) estudió la resistividad de los hormigones que protegían las barras de acero midiendo las Icorr o intensidad de corrosión del metal, en relación con la temperatura y la humedad, los ciclos noche y día y anuales. Determinó que no existe relación directa entre la humedad relativa o la temperatura y la velocidad de corrosión, depende más del grado de saturación del hormigón. Las medidas de Icorr se obtuvieron en épocas calurosas después de lluvias. Las fisuras de hasta 1 mm en hormigones de buena calidad no presentan un riesgo adicional de corrosión en ataques a causa de la carbonatación. No obstante en el caso de ataque por cloruros éste afecta en cualquier ancho de fisura, aspecto este importante en ambientes marinos que nos afectan en Canarias. La corrosión permanece 122 activa en situaciones de aplicación continua de éstos, en caso contrario las fisuras autocicatrizan y se detiene la corrosión (43). En este aspecto debemos tener en cuenta lo mencionado en el artículo de G.R. Meira (16), expuesto anteriormente también, en el que se destaca la acción del aerosol marino en los primeros metros de orilla, alcanzando grandes distancias por efecto de viento hacia el interior. Es interesante medir la deposición de clorhidros secos en estructuras expuestas a ambiente marino, como en la figura expuesta a continuación. Fig. 2.38. Gráfica de deposición de clorhídros a lo largo de un año en estaciones de medida a distintas distancias del mar (16). Se observa la bajada exponencial en la cantidad de sales marinas en las muestras extraídas con la distancia del mar, y la influencia del viento en la cantidad y lejanía alcanzada por estas sales. No existe una relación directa entre la concentración superficial de cloruros y la cantidad de éstos que penetra en el hormigón. En concentraciones bajas en superficie se facilita la entrada de cloruros, aunque a mayor cantidad de cloruros entraran mayor cantidad pero hasta un límite en el que se ralentiza el proceso al llegar a saturar los poros de entrada (16). El proceso de entrada del ión cloro se rige por la ya mencionada fórmula de la raíz cuadrada del tiempo. 123 Según T.J. Kirkpatrick (62) el tiempo en que comienza la corrosión es más sensible al coeficiente de difusión que al recubrimiento. Para recubrimientos por encima de 3.8 mm la relación del tiempo de inicio de la corrosión con el incremento de la profundidad de protección posee una relación lineal en función de otras variables. El comienzo de la corrosión en hormigones con coeficientes de difusión por debajo de 10mm 2 /año aumenta en medida no lineal con respecto a aquellos por encima de 30 mm 2 /año. El estudio realizado por T. Vidal (37) apunta que el ancho de la fisura no parece influir en el proceso de entrada de cloruros, estableciendo un ancho de fisura mínimo de 0.3 mm a partir del cual se produce este proceso, siendo más importante la tensión en el acero que la fisuración del hormigón. También establece que existe una diferencia de concentración de cloruros en zonas a tracción y a corrosión. La segregación de hormigones es una causa importante de la desunión de la interfase, permitiendo una propagación temprana de la corrosión de las barras situadas en zonas a compresión en comparación con barras a tracción en vigas a flexión. Fig.2.39. Gráfica de contenido total de cloruros en la zona de la barra de las muestras (16 mm) en las zonas corroídas a compresión o a tracción de las vigas corroídas en el tiempo (37). El empleo de adiciones puzolánicas en el control de la retracción y de la corrosión ha sido estudiado por L. Jiang (54), con grandes cantidades de cenizas volantes, consiguiendo mejoras en el control de la corrosión en probetas con un 5% de Na 2 So 4 y 5% de HCl. 124 CAPÍTULO 3 MEJORA EN LAS PROPIEDADES DE LOS MATERIALES CEMENTICIOS CANARIOS 3.1. PROGRAMA DE ENSAYOS 3.1.1. CARACTERÍSTICAS DE LOS CEMENTOS EMPLEADOS. A continuación se acompañan las características de dos de los tipos de cemento puzolánico empleados en Canarias. Para esta tesis se ha empleado el cemento puzolánico con denominación comercial “Atlante especial”, con un porcentaje menor de puzolana que el “Jaguar”. El primero es el empleado en edificación en mayor medida y permite la adición posterior de humo de sílice sin perder resistencia mecánica. La sustitución de humo de sílice por un porcentaje de cemento no debe pasar el valor final del 30 % de puzolanas. (6) Cemento puzolánico Denominación comercial: Jaguar. Designación: CEM IV / A (P) 32,5 N Composición especificaciones Según UNE-EN 1971:2000 Valor real medio % Clinker 65/89 70 % Puzolana 11/35 30 Puzolanidad 8 D CUMPLE % Máximo SO3 3,5 % Máximo Cl0,1 Recomendable para: Obras de hormigón en masa de gran volumen dado su bajo calor de hidratación. Obras en las que se requiere una buena impermeabilidad. Bases y subbases de carreteras. Morteros en general especialmente en ambientes moderadamente agresivos, en obras hidráulicas, y hormigones con áridos reactivos. Expansión máxima. 10 mm Principio de Fraguado >75 min. No recomendable en hormigones pretensados. Elementos estructurales con gran cuantía de 125 Final fraguado < 12 horas. armadura y/o que precisen desencofrados rápidos. MIN 2 días - MIN 7 días 16 MIN 28 días 32,5 RESISTENCIA A COMPRESIÓN N/mm2 MAX 28 días 52,5 Precauciones y recomendaciones de uso: Almacenamiento menor de dos meses. Evitar desecaciones bruscas en climas secos y ventosos, prolongando el curado. Tabla 3.1 .Características cemento puzolánico “Jaguar”, suministrado por Cementos especiales de las Islas “CEISA”(63). Cemento Pórtland con puzolana Denominación comercial: Atlante especial. Designación: CEM II / A (P) 32,5 R Composición especificaciones Según UNE-EN 1971:2000 Valor real medio % Clinker 80/94 82 % Puzolana 6/20 18 Puzolanidad 8 D CUMPLE % Máximo SO3 3,5 % Máximo Cl0,1 Recomendable para: Todo tipo de hormigón armado y en masa. Elementos prefabricados de hormigón con tratamientos hidrotermicoso higrotérmicos. Expansión máxima. 10 mm Principio de Fraguado >75 min. Final fraguado < 12 horas. No recomendable en hormigones pretensados. MIN 2D 13,5 MIN 7D - MIN 28 D 32,5 RESISTENCIA A COMPRESIÓN N/mm2 MAX 28 D 52,5 Precauciones y recomendaciones de uso: Almacenamiento menor de dos meses. Evitar desecaciones bruscas en climas secos y ventosos, prolongando el curado. Tabla 3.2 .Características cemento Pórtland con puzolana “Atlante especial”, suministrado por Cementos especiales de las Islas “CEISA” (63). 126 Según la marca comercial la adición de puzolana es natural, procedente de la cantera de CEISA, en Arguineguín, Gran Canaria. 3.2.2. CARACTERÍSTICAS DE LOS ÁRIDOS EMPLEADOS. El hormigón que se ha empleado en la tesis posee cuatro granulometrías, dos arenas y dos áridos. La caracterización de los áridos empleados ha sido realizada en el laboratorio Readymix Asland S.A. estudiando en cada caso la Granulometría, las condiciones físico-químicas y las condiciones físico-mecánicas. Árido 0/1 mm. (Arena del Sahara) Granulometría: Valores Especificaciones Módulo Granulométrico (UNE 7295) 1.64 Tamiz UNE: 2 mm. 100% Pasa Tamiz UNE: 1 mm. 99% Pasa Tamiz UNE: 0.5 mm. 74% Pasa Tamiz UNE: 0.25 mm. 55% Pasa Tamiz UNE: 0.125 mm. 9% Pasa Tamiz UNE: 0.063 mm. 0.8% Pasa Tabla 3.3. Resultados de Ensayos de Granulometría de la Arena del Sahara (0/1). 127 Condiciones Físico-Químicas: Valores Especificaciones Terrones de arcilla (UNE 7133) 0% Máx. 1% Materia Orgánica (UNE-EN 1744-1) 0% Ausencia Contaminantes orgánicos ligeros (UNE 7244 o UNE-EN 1744-1) 0.05% Máx. 0.5% Comp. Totales de Azufre (UNE-EN 1744-1) 0.07% Máx. 1% Sulfatos Solubles en Ácido (UNE-EN 1744-1) 0.06% Máx. 0.8% Equivalente en Arena (UNE-EN 933-8) 93% Según ambiente Compuestos de cloro (UNE-EN 1744-1) 0.04% HA<0.05%,HP<0.03% Reactividad arido/alcali (UNE 146507-1 y -2) No Reactivo No Reactivo Tabla 3.4. Resultados de Ensayos de Condiciones Físico-Químicas de la Arena del Sahara (0/1). Condiciones Físico-Mecánicas: Valores Especificaciones Friabilidad “micro-Deval” (UNE 83115) 15 Máx. 40 Peso Específico (UNE-EN 1097-6) 2.64 Mg/m 3 Contenido de Finos (UNE-EN 933-1) 0.8% Según ambiente Absorción (UNE-EN 1097-6) 0.65% Máx. 5% Estabilidad en peso (UNE-EN 1367-2) 2.25% Máx. 15% (MgSO 4 ) Tabla 3.5. Resultados de Ensayos de Condiciones Físico-Mecánicas de la Arena del Sahara (0/1) 230 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 Serie H.F.2.-600 0% H.S. Serie H.S.F.2-600 10% H.S. Serie H..F.1-900 0%H.S. Serie H.S.F.1.-900 10% H.S. Penetración carbonatación (cm) VALORES MÁXIMOS VALORES MÍNIMOS Fig.3.97. Gráfica de relación entre la penetración de carbonatación máxima y mínima en series con y sin humo de sílice con cantidades de agua y fibra iguales. 3.3.1.3. Conclusiones. En general los valores obtenidos han sido satisfactorios e incluso mejores que los de partida. El tiempo en el que las probetas han sido expuestas al exterior, dos años, no es demasiado dilatado, aunque si significativo en cuanto al comportamiento futuro de los hormigones. Mediante el estudio se han establecido tres líneas de mejora y variación de la serie base u hormigón tipo: la adición de fibras, la reducción de la relación agua/cemento y la adición de humo de sílice. Por un lado se ha incluido en los hormigones canarios fibra corta de polipropileno. Se puede establecer que la inclusión de éstas no afecta o incluso mejora el comportamiento futuro del hormigón en cuanto a la carbonatación de la pieza. Se han conseguido valores estables en los anchos máximos, mientras que en los valores mínimos de penetración se ha mejorado con la adición de fibra. El valor óptimo de cantidad de fibra es de un 0,066%, con una reducción de hasta un 50% en el valor mínimo de ancho de carbonatación y estable en cuanto al máximo ancho de carbonatación. El porcentaje de adición de microfibra de 0,099% es menos regular con 231 un aumento del valor máximo del ancho de penetración. Este logro es un aspecto secundario o no buscado a partir de la adición de fibra. El efecto de la carbonatación por la disminución de la relación de agua se ha realizado en hormigones con un porcentaje de microfibra de 0,066%. Se han obtenidos valores negativos con la disminución de la cantidad de agua en las series de hormigón. Esto se puede deber principalmente a la segregación o mala ejecución de las probetas debido a la consistencia seca de las muestras. La reducción de un 20% de agua produjo aumentos en el valor máximo de penetración de CO 2 hasta en un 50% y el valor mínimo hasta en un 18%. En cuanto a la adición de humo de sílice se ha producido una reacción dispar en las diferentes series de probetas. En las series con 0,066% de microfibra la adición de microsílice ha producido un aumento de los valores de anchos mínimos y máximos, mientras que en las series con 0,099% los valores han sido contrarios, por tanto no podemos establecer una línea clara en este aspecto. El trabajo conjunto de microfibras de polipropileno y de microsílice es más efectivo en el control de la carbonatación que por separado. 232 CAPÍTULO 4 CONCLUSIONES 4.1 Relación entre las distintas propiedades ensayadas. Se ha notado una mejora en los hormigones con el empleo de los materiales adicionados, humo de sílice y microfibras de polipropileno, y se ha estudiado la afección de éstas en los hormigones. A continuación se relacionan entre sí los resultados de los ensayos para el estudio de las propiedades físicas y químicas ya realizados y analizados individualmente en los capítulos anteriores. 4.1.1. Relación entre capacidades mecánicas y compacidad. 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 2150 2200 2250 2300 2350 Densidad aparente (kg/m3) Rcompresión (MPa) Hormigón tipo Hormigón con Fibras Hormigón con H.S. Hormigón con F.P. y H.S. Fig. 4.01. Gráfica de relación entre las resistencias a compresión y la densidad de las distintas series con distintas adiciones. 233 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 36 37 38 39 40 41 42 43 Módulo de Ultrasonidos Es (GPa) Rcompresión (MPa) Hormigón tipo Hormigón con Fibras Hormigón con H.S. Hormigón con F.P. y H.S. Fig. 4.02. Gráfica de relación entre las resistencias a compresión y el módulo de ultrasonidos Es. 2160 2180 2200 2220 2240 2260 2280 2300 2320 2340 2360 2,85 2,9 2,95 3 3,05 3,1 3,15 3,2 3,25 R tracción indirecta (MPa) Densidades aparentes (kg/m3) Hormigón tipo Hormigones con fibras Hormigones con H.S. Hormigones con F.P. y H.S. Fig. 4.03. Gráfica de relación entre la resistencia a tracción obtenidas mediante ensayo a brasileño y la densidad de las distintas series con distintas adiciones. 234 36 37 38 39 40 41 42 43 2,85 2,9 2,95 3 3,05 3,1 3,15 3,2 3,25 R tracción indirecta (MPa) Módulo Es (GPa) Hormigón tipo Hormigón con fibras Hormigón con H.S. Hormigón con F.P. y H.S. Fig. 4.04. Gráfica de relación entre las resistencias a tracción obtenidas mediante ensayo a brasileño y el módulo de ultrasonidos (Es). 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 2220 2230 2240 2250 2260 2270 2280 2290 2300 2310 2320 Densidad aparente (kg/m3) Rflexión (MPa) Hormigón tipo Hormigón con fibras Hormigón conF.P. y H.S. Fig. 4.05. Gráfica de relación entre la resistencia a flexión obtenida mediante ensayo de probetas prismáticas biarticuladas y la densidad de las distintas series con distintas adiciones. 235 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 36 37 38 39 40 41 42 Módulo de Ultrasonidos Es (GPa) RFlexión (MPa) Hormigón tipo Hormigón con fibras Hormigón con F.P. y H.S. Fig. 4.06. Gráfica de relación entre la resistencia a flexión obtenida mediante ensayo en probeta prismática biarticulada con carga única centrada y el módulo de ultrasonidos (Es). 36 37 38 39 40 41 42 43 2160 2180 2200 2220 2240 2260 2280 2300 2320 2340 2360 Densidad aparente (kg/m3) Modulo de ultrasonidos Es (GPa) Hormigón tipo Hormigón con F.P. Hormigón con H.S. Hormigón con F.P. y H.S. Fig. 4.07. Gráfica de relación entre la densidad aparente y el módulo de ultrasonidos en distintas series de hormigones avanzados. 236 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 2220 2240 2260 2280 2300 2320 2340 2360 Densidad aparente (kg/m3) Resistencia a impactos (J) Hormigón tipo Hormigón con F.P. Hormigón con F.P. y H.S. Fig. 4.08. Gráfica de relación entre densidad aparente y resistencia a impactos resistidos por las distintas series de hormigón avanzado. 0 100 200 300 400 500 600 700 800 36 37 38 39 40 41 42 43 Módulo ultrasonidos Es (GPa) resistencia a impactos (J) Hormigón tipo Hormigón con fibras Hormigón con F.P. y H.S. Fig. 4.09. Gráfica de relación entre módulo ultrasonidos y resistencia a impactos. En general podemos apreciar una relación entre varios parámetros en línea con lo preestablecido en el estado del arte. 237 En general la densidad aparente en los hormigones está directamente relacionada con las resistencias mecánicas. En concreto se puede apreciar que este parámetro es más determinante en los hormigones sin adiciones que en los hormigones con fibras, aunque en éstos últimos también se mantiene la relación entre ambos. A flexión en general se produce también una relación directa, excepto en aquellas series con fibras cortas de polipropileno, en las que la resistencia responde más a la proporción de ésta en las dosificaciones. Las resistencias a impacto mejoran con el aumento de la densidad en las series con fibras y con humo de sílice, no siendo así en las de hormigones sin adiciones El módulo de ultrasonidos está relacionado también con las resistencias mecánicas, especialmente en las resistencias a compresión en todas las series. A tracción el comportamiento es indiferente, incluso inverso en los hormigones con microfibras, debido seguramente a que la colaboración de la fibra es más determinante. Las tensiones absorbidas a flexión y el módulo elástico poseen cierta proporcionalidad en los hormigones con fibras y valores inversos en los hormigones con combinaciones de humo de sílice y fibra. La resistencia a impacto es indiferente al módulo de ultrasonidos, con valores variables en cada serie de hormigón ensayada, aunque existe una tendencia al aumento de las resistencias con el módulo en las que poseen fibras y no así en el resto de las series. En lo referente a la relación del módulo de ultrasonidos Es y las densidades aparentes esta es proporcional con aumento conjunto de las mismas en todas las series ensayadas. La relación del módulo elástico E y las densidades no se corresponden de igual manera, siendo directamente proporcional en las series que combinan humo de sílice y fibras de polipropileno e inversamente proporcional en aquellas sólo con fibras. 238 4.1.2. Relación entre fisuración y los parámetros estudiados. 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 0 50 100 150 200 250 300 350 400 Área Fisurada (mm2/m2) Retracción (mm/m) Hormigón tipo Hormigón con fibras Hormigón con F.P. y H.S. Fig. 4.10. Gráfica de relación entre retracción y área fisurada en los distintos tipos de hormigón avanzado. 0 2 4 6 8 10 12 14 16 0 50 100 150 200 250 300 350 Área fisurada (mm2/m2) Profundidad de carbonatación (mm) Hormigón tipo Hormigón con F.P. Hormigón con F.P. y H.S. Fig.4.11. Gráfica de relación entre profundidad de carbonatación y el área fisurada en las distintas series de hormigón avanzado. 239 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0 50 100 150 200 250 300 350 400 Área fisurada (mm2/m2) Área encerrada (mm2/m2) Hormigón tipo Hormigón con fibras Hormigón con F.P. y H.S. Fig. 4.12. Gráfica de relación entre área fisurada y el área encerrada en los ensayos de penetración de agua a presión. En la figura inicial se aprecia que la relación entre retracción y área fisurada es más estrecha en las series sin fibras, y en menor medida en aquellos con fibras debido a la colaboración posterior de éstas a fisuración. En las series en las que se ha combinado la microfibra de polipropileno y el humo de sílice la relación es menor, debido a que como se analizó anteriormente se mejora la estabilidad del conjunto. En lo referente a la relación entre profundidad de carbonatación y área fisurada es determinante en el avance de este ataque químico. La relación es directamente proporcional en los hormigones que no poseen humo de sílice, tanto con o sin fibras. La inclusión de humo de sílice ha producido un mayor efecto en la carbonatación al disminuir la cantidad de reservas de hidróxido de calcio en la sustitución de este material por cemento. La permeabilidad, estudiada con ensayos de agua a presión, y el área fisurada se relacionan entre sí en aquellos hormigones que poseen fibras, es decir con un área fisurada mayor la permeabilidad del hormigón es mayor. En los hormigones con fibra se ha conseguido controlar la permeabilidad a la vez que la fisuración. En los hormigones sin fibras la relación entre estos parámetros es inversa, debido a que las caras de las 246 también mejora el módulo de ultrasonidos. Se consigue también una menor permeabilidad al agua en los ensayos de agua a presión presentados. Podemos por tanto, a tenor de los resultados, establecer valores óptimos de relación a/c por debajo de 0,5 en aquellos casos que consigamos buena trabajabilidad con el empleo de superplastificantes. 4.2.2. Fibra corta de polipropileno. En general el empleo de fibra de polipropileno de 19 mm de longitud ha sido beneficioso, incluso mejorando aspectos para los que no fue pensada o establecida en las referencias estudiadas sobre éstas. La fibra de polipropileno ha variado notablemente la consistencia y trabajabilidad de la masa con necesidad de aumento de la cantidad de superplastificante. No ha afectado a las propiedades mecánicas. En compresión los valores se han mantenido estables, al igual que a tracción. La resistencia a flexión ha mejorado levemente por la inclusión de fibra debido a que en las zonas a tracción pueden colaborar débilmente. En el aspecto que mejor han funcionado mecánicamente es en el de resistencia a impacto, especialmente en combinaciones con Humo de Sílice, con proporciones entre 0,066-0,099 % con aumento de los valores de hasta un 100%. Estos valores están en línea con los obtenidos con fibras de acero por Nataraja (24) y por Balaguru y Shah (17) en hormigones con fibras de polipropileno. La fibra ha desempeñado su mejor labor en el control de las fisuras provocadas en las primeras horas de curado por la retracción por secado. Este aspecto ha sido espacialmente visible en los hormigones con humo de sílice, que poseen mayores retracciones y por lo tanto mayores tensiones tempranas del hormigón en su deformación. Los parámetros estudiados en este campo han sido el área fisurada, la fisura máxima y la fisuración total, tomando como porcentaje óptimo el de 0,066%, en consonancia con lo estudiado por Barluenga y Hernández-Olivares (19). 247 Se redujo también, aunque ligeramente la profundidad de carbonatación máxima y mínima en los hormigones con fibras. El valor que se mantiene como óptimo es el de 0,066%. No obstante la fibra afecta negativamente la retracción en el hormigón, como hemos visto en este apartado, pudiendo deberse a la mayor cantidad de superplastificante. La retracción aumenta hasta un valor de 0,099% de porcentaje en peso de fibra y disminuye una vez aumentado este valor. La adición de microfibra perjudica los valores de compacidad estudiados, tanto a la densidad aparente como a los módulos de ultrasonidos. Esto se puede deber a que la fibra posee una densidad menor que otras fibras como las de acero, donde su efecto no es tan notable, y a que la disminución en la docilidad que producen puede producir segregación. Se consigue mejorar la impermeabilidad al agua a presión, con valores de profundidad del frente de penetración de agua menores en cantidades de fibra también de 0,066%. En general podemos concretar un volumen de fibra a adicionar a los hormigones de 0,066% como óptimo, coincidiendo con otros autores, con mejoras en la permeabilidad a líquidos y gases. 4.2.3. Humo de sílice o microsílice. La adición de humo de sílice en las mejoras mecánicas fue relevante especialmente en las resistencias a compresión como era previsible (4 y 7). En lo referente a las probetas estudiadas a flexión e impacto su empleo debe de ser controlado mediante la fibra, debido a que las retracciones y las fisuraciones eran tan fuertes que dejaban puntos débiles en la probeta de posterior rotura. En los casos en los que se combinaba ambas adiciones se mejoraba los resultados notablemente con el humo de sílice una vez controlada la fisuración. El empleo de la adición de microsílice en sustitución de cemento ha sido negativo tanto en la retracción como en la fisuración, con aumentos prácticamente 248 exponenciales por su uso. No obstante existía cierta sinergia con el empleo de fibras y reducción de agua, consiguiendo los mejores resultados a fisuración de esta manera. El humo de sílice también perjudico los valores de profundidad a carbonatación máximos y mínimos, debido a la diferencia de composición química de las series en las que era empleado. La adición de este material reduce las reservas de hidróxido de calcio (9) en los hormigones y por tanto el pH de los mismos disminuye con mayor celeridad en el tiempo. Se produjeron mejoras de la compacidad, tanto en las densidades aparentes como en módulo de ultrasonidos. En cambio su efecto en la permeabilidad, en los ensayos con agua a presión fue negativo, permitiendo avances mayores del líquido en su interior. En este aspecto los resultados obtenidos con esta adición son contrarios a los esperados, pues se empleó para rellenar los huecos dejados entre los granos de cemento de mayor tamaño que el microsílice y mejorar la compacidad, pensando en que de esta manera se disminuiría la permeabilidad. 4.3. Hormigones avanzados en ambientes agresivos químicamente. El principal objetivo de esta tesis doctoral era estudiar varios de los factores que afectan la durabilidad de los hormigones químicamente para controlarlos con adiciones que mejoraran individual o colectivamente estos aspectos, aumentar la vida útil del material y reducir los costes futuros de mantenimiento en las estructuras y elementos constructivos en los que se emplea. El ambiente en el que se emplean los hormigones es un factor importante en la vida del material. Se trata como hemos visto de un elemento poroso con alta permeabilidad a agentes externos. Normalmente el desarrollo de los hormigones va centrado a la mejora de las capacidades resistentes, manteniendo normalmente las dosificaciones para cada resistencia independientemente del lugar. Cuando un ambiente es más agresivo se soluciona de manera simple aumentando la cantidad de material que recubre al acero que dota al hormigón de resistencia a tracción (1). 249 Como se ha visto mediante cambios en la dosificación o con adiciones en los hormigones podemos mejorar la capacidad de adaptarse al medio en el que se encuentra la pieza proyectada. Las líneas seguidas por la normativa para mejorar la resistencia de los hormigones ante ataques químicos pueden ser discutidas para los distintos tipos de cemento y adiciones en cada serie de hormigones estudiados en este trabajo. Lo que en primer lugar se puede desprender de los ensayos realizados es que cada hormigón es distinto a otro variando ligeramente uno de los parámetros existentes durante su fabricación, vertido y curado. Los ensayos realizados son difícilmente viables en toda obra, pero al igual que se realizan estudios de resistencia a compresión como mínimo, también se podría estudiar aspectos como la compacidad de las probetas y la penetración a agua utilizando la misma probeta. Los materiales adicionados a los hormigones canarios estudiados han mejorado, en general, las capacidades resistentes químicas de los hormigones, lo que nos permitiría disminuir recubrimientos o mantener las capacidades resistentes de los hormigones para ambientes más desfavorables. También se ha comprobado que es prácticamente igual de importante el cuidado del hormigón durante su curado. Aspectos como la retracción pueden aumentar hasta en tres veces con el efecto del viento o del aumento de las temperaturas, existiendo dosificaciones que son menos dependientes que otras antes estos parámetros ambientales. Se debe establecer en cada ambiente una serie de parámetros a resistir por el hormigón, tales como la penetración anual de la carbonatación, la permeabilidad o la resistividad de un hormigón (16), como también hemos visto en otros trabajos que marcan líneas de estudio en cuanto a la durabilidad. De esta manera una casa de hormigones podría acreditar la resistencia química de un hormigón en un ambiente o ante una determinada situación de hormigonado. Para ambientes desfavorables químicamente se puede establecer que el empleo de la fibra de polipropileno es beneficioso por la disminución en primer lugar de la fisuración, con menores puntos de entrada de agentes externos, en segundo lugar por la 250 disminución de la permeabilidad a agua a presión y en último lugar por el aumento de resistencias ante el ataque de CO 2 del ambiente, manteniendo el pH del hormigón en el tiempo. Se puede establecer un porcentaje en peso de fibra de un 0,066 % como óptimo en el empleo de las microfibras manteniendo la trabajabilidad del hormigón con superplastificantes. Con la reducción de agua podemos conseguir también hormigones más resistentes al ataque de elementos agresivos químicamente, controlando la compacidad y la retracción para una disminución de la fisuración. En este ámbito de estudio químico podemos desaconsejar el empleo de humo de sílice sin la colaboración de la fibra, debido al aumento de las retracción y de la fisuración, así como la pérdida de docilidad del hormigón en estado fresco, que requiere mayores cantidades agua que serían muy negativas o de superplastificante para mantener la relación a/c. 4.4. Resistencias mecánicas de hormigones avanzados. Otro de los objetivos de esta tesis, era el control de las capacidades mecánicas de los hormigones mejorados químicamente, y estudiando en qué aspecto podían mejorar como efecto añadido o secundario la resistencia de los hormigones ante solicitaciones físicas externas. En general las adiciones empleadas no afectan negativamente ningún aspecto mecánico del hormigón. La resistencia a compresión de los hormigones se mejoró con la reducción de agua y con la incorporación de microsílice, siendo más efectiva la reducción de agua. A tracción se mejoran las capacidades resistentes del hormigón con el empleo de la microfibra de polipropileno y con el humo de sílice, mientras que a flexión la fibra mejoró débilmente las resistencias en porcentajes óptimos de un 0,1% de peso. La resistencia a impacto de los hormigones avanzados mejora con la adición fibra de polipropileno de 19 mm de longitud, especialmente en combinación con el humo de sílice, con resistencias hasta tres veces superiores que en los hormigones tradicionales canarios. 251 CAPÍTULO 5 APLICACIONES DE LOS MATERIALES CEMENTICIOS CANARIOS AVANZADOS Y FUTURAS INVESTIGACIONES 5.1 Ejemplo constructivo. El deseo de esta investigación es la aplicación final de estos avances en materiales constructivos reales, en los que hemos visto los problemas que se han resuelto en esta tesis doctoral. Es por ello que ha continuación se recogen dos ejemplos de los muchos en los que se podrían emplear estos avances. Por un lado en elementos esbeltos o de gran superficie, como las losas empleadas en pavimentos, albardillas, aplacados…, por otro lado, elementos de prefabricación o con moldes deslizantes, como las barreras de autopista. En los elementos esbeltos, por lo general, es difícil conseguir recubrimientos de las barras de acero que los refuerzan con el exterior, hasta tal punto que pueden obligar que estos se realicen sin éstas. Según los datos obtenidos en esta tesis doctoral podemos conseguir reducir los recubrimientos manteniendo la vida útil del material, asegurando la no entrada de agentes externos nocivos y el mantenimiento del pH. Por otro lado se puede emplear estos hormigones avanzados sin armadura interior en elementos superficiales como pavimentos industriales, manteniendo la estética al ser materiales que no fisuran y por otro lado con resistencias a flexión buenas y resistencias a impacto mejores que en los hormigones sin estas adiciones. En las barreras de autopista los hormigones realizados con moldes deslizantes se requieren hormigones con consistencias secas o plásticas, que no pierdan su forma al trasladarse el encofrado, como los hormigones avanzados estudiados con humo de sílice y fibras de polipropileno de 19 mm. Por otro lado la durabilidad de estos hormigones es deseable para disminuir los costes de mantenimiento de las mismas. Posee además estos hormigones mejores resistencias a impacto, y según lo estudiados por otros autores (4, 34) lo tendría también al desgaste. 252 5.1 Futuras investigaciones. El empleo de adiciones en los hormigones canarios se ha ido realizando siguiendo quizá la estela de estudios internacionales en la mejora de aspectos específicos para cada adición. En esta tesis se ha intentado dejar claro que es a veces en la actuación conjunta de materiales donde radica el éxito final. La sinergia de materiales de igual o distinta índole puede ser un camino de investigación amplio por estudiar. Una línea abierta de investigación es el del empleo de fibras en hormigones canarios distintas a las de polipropileno, pues al modificar el tamaño, la densidad o la flexibilidad de la fibra, los resultados serán distintos. O el empleo conjunto de fibras del mismo material con distintos tamaños en una misma dosificación, para evitar emplear en materiales esbeltos el acero, mejorando las condiciones mecánicas en mayor medida con las fibras de mayor tamaño y las químicas con las de menor tamaño, así como la fisuración superficial de la pieza. En cuanto a la durabilidad se podría estudiar la resistencia de estos hormigones a abrasión, a altas temperaturas y fuego, tanto con fibras como con microsílice y la combinación de ambos. Otro aspecto a estudiar sería la penetración de cloruros en hormigones mediante ensayos acelerados en cámara salina o mediante ciclos de humectación y desecación con agua con cloruros o mediante inmersión de probetas en estas soluciones. Se puede mediante modelos matemáticos predecir y establecer la profundidad de entrada de agentes externos como el CO 2 o los cloruros en los hormigones avanzados, con leyes como la de Fick estudiadas anteriormente. De esta manera se podrían establecer recubrimientos y la vida útil de un hormigón desde el proyecto. Otra serie de adiciones que tienen cabida en esta serie de estudios posteriores son los agentes con capacidad de expansión empleados en el control de la retracción de los hormigones. 253 BIBLIOGRAFÍA 1. Instrucción de Hormigón Estructural (EHE), Ministerio de Fomento, Real Decreto 1429/2008. 2. Schmincke, H.U., “Geological Field Guide of Gran Canaria”, sexta edición, Pluto Press, Kiel, Germany. 3. I. Menéndez, J.L. Díaz Hernández, J. Mangas, I. Alonso, P.J. Sánchez-Soto, “Airbone dust accumulation and soil development in the North-East sector of Gran Canaria” (Canary Islands, Spain), (Journal of arid environments, 71 (2007), 57-81). 4. M. 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