CONCRETO DEL SIGLO XXI

Concretos del Siglo XXI

Roberto J. Torrent

Materials Advanced Services,

Buenos Aires, Argentina

[email protected]

CONEIC 2012, Huaraz, Perú

2

El concreto es el material de construcción más utilizado en todo

el mundo.

Concreto en el Siglo XX

Encontramos al concreto en todo tipo de edificios residenciales,

públicos e industriales, en rascacielos y en construcciones

subterráneas, en todas las estructuras vinculadas al transporte,

tales como pavimentos, vías férreas, puentes y túneles, en

estructuras para el tratamiento de aguas y efluentes, en plantas

de energía, en estructuras costa afuera, en represas, etc.

Muchos de los modernos logros de nuestra civilización

dependen del concreto el que, conjuntamente con el acero,

constituye la base de la ingeniería estructural de hoy en día.

3

El objetivo de esta presentación es:

• Destacar la versatilidad* del concreto, la que lo convierte

en el material de construcción más empleado

• Comentar las herramientas de que disponemos para hacer

“ingeniería“ del material concreto

• Dar una mirada hacia el desarrollo futuro del concreto

* Atributo de ser “apto y competente para muchas cosas diferentes"

Objetivo

4

El tecnólogo dispone de un juego de herramientas,

limitado, pero suficientemente poderoso, para diseñar un

concreto con las propiedades requeridas.

Básicamente, se puede actuar en 4 frentes:

Herramientas para la Versatilidad

• Reología del concreto fresco

• Estructura de poros

• Procesos químicos

• Mecánica de la Fractura

5







6

Reología del Concreto Fresco

La reología es el estudio de la deformación

y flujo de la materia

7

ττττV

αααα

γγγγ

ττττ

γγγγ

Agua

Miel

ηηηη

g

●

Comportamiento Reológico de un Líquido

“Newtoniano”

η η η η = Viscosidad

8

Qué es el Concreto fresco: Líquido o Sólido

9

El Concreto fresco se comporta como un Sólido

de Bingham

γγγγ

ττ ττ

ττττo

µ

●

τo = Límite de “fluencia”

µ = Viscosidad plástica

(Asentamiento)

10

Qué es el Concreto fresco: Líquido o Sólido

Alto ττττo

Bajo ττττo

11

El Concreto fresco y la pasta dentífrica tienen

un comportamiento reológico similar

12

Comportamiento Reológico de Concretos de distinta

“consistencia”

γγγγ

τ

τ

τ

τ

Rígido

Plástico

Blando

SCC

Fluido

(segregable)

●

13

El SCC y la Miel tienen un comportamiento reológico

similar

14

El comportamiento reológico del concreto fresco puede

modificarse mediante cambios adecuados en:

• Contenido de agua de la mezcla

• Cantidad y tipo de partículas finas

• Uso de aditivos químicos

• Granulometría del agregado


15

Variando los parámetros reológicos de la mezcla fresca es

posible obtener concretos que:


16

� Pueden desmoldarse inmediatamente luego de ser

compactados (Bloques premoldeados)


17

� Soportan cargas muy pesadas aún en el estado

fresco

(HCR: Concreto Compactado con Rodillo)


18

� Puede ser elevado y colocado con cintas

transportadoras


19

� Puede ser colocado con encofrados deslizantes en

paramentos inclinados


20

� Puede bombearse a grandes distancias y alturas


21

� Puede ser proyectado

neumáticamente


22

� Puede fluir libremente por canalones

� Puede fluir como un líquido sin segregarse (SCC)


23







24

Tanto la intensidad como la cinética de las reacciones

químicas que tienen lugar dentro de un concreto pueden

ser controladas, principalmente a través de:

• la composición y finura del cemento

• el uso de componentes minerales activos

• el contenido de cemento en la mezcla

• el uso de aditivos químicos

• tratamientos térmicos

Procesos Químicos

25

Controlando los procesos químicos es posible producir

concretos que:

• Fraguan casi instantáneamente

• Permanecen días sin fraguar

• Desarrollan alta resistencia inicial

• Desarrollan bajo calor de hidratación

• Presentan mejor resistencia frente a agentes

agresivos externos o internos

• Generan expansiones controladas que

compensan la retracción por secado

Procesos Químicos

26

Bajo Calor de Hidratación: Concreto Masivo

27

Alta Resistencia Inicial: Concreto “Fast-Track”

28

Aeropuerto de Zürich

Sustitución de Losas de Aeropuerto

29

Aeropuerto de London Heathrow

Sustitución de losas de Aeropuerto

30

Un Concreto que desarrolla una expansión temprana controlada, adecuadamente restringida por el acero de refuerzo, de modo de compensar la subsiguiente etapa de retracción por secado (térmica: Presas en China).

Concreto de Retracción Compensada (HRC)

Sh

rin

ka

ge

E

xp

an

sio

n

1 14 28 56 90 180 360

Age (days)

7

Moist Dry

S hrinkage-

Com pensating

Concrete

Conventional

Concrete

31

HRC: Grandes losas sin Juntas para

Pisos Industriales (trabajo pionero en Argentina)

32

Pisos Industriales de HRC en México

HEB Superstores,

30‘000 m² de HRC, losas de

40x40 = 1‘600 m² sin juntas

Depósito Colgate Palmolive

54‘000 m² de HRC, losas de

40x40 = 1‘600 m² sin juntas

33







34Poros de “Gel” = 0.28 Vh

Cemento anhidro

Vo

Cemento

completamente hidratado

Vh = 2 Vo

Incremento de volumen durante la Hidratación

35

Microestructura de la Pasta de Cemento

Partículas de

cemento

Agua

Antes de la Hidratación

36

Crecimiento de productos de hidratación: llenado de espacio vacío

Cemento aún

sin hidratar

Contorno original

de las partículas

Microestructura de la Pasta Endurecida

37

Microestructura de la Pasta Endurecida

Poro Capilar

Poros del Gel

Cristales de C-S-H

Agua libre

Agua adsorbida

Agua de Gel

Cemento

anhidro

Modelo de microestructura de la pasta de cemento hidratada

38

Rango de Poros en el Concreto Endurecido

0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000 10000

Tamaño de Poros (µm)

1 10

mm

Poros de

Gel

Poros

Capilares

Aire

Incorporado

Aire

Atrapado

Molécula

de H2O

1 10 100

nm

39

Cemento Anhidro

Hidratación inicial

Hidratación Avanzada

Crecimiento de Productos de Hidratación

40

a/c

Baja

a/c

Al t

a

t = 0 t = horas t = semanas

Efecto de la relación agua/cemento y la edad

sobre la microestructura

41

Estructura de Poros

Es posible modificar la estructura de poros del concreto

endurecido, mediante:

• Relación a/c (volumen y tamaño de capilares)

• Contenido de Cemento (volumen de poros de gel)

• Uso de componentes minerales activos (p.ej. puzolanas)

• Uso de micro-fillers (p.ej. silica fume)

• Uso de selladores de poros (p.ej. polímeros)

• Uso de incorporadores de aire/gas (volumen y tamaño de las

micro-burbujas)

• Uso de agregados porosos

• Uso de granulometrías especiales (concreto “sin finos”)

42

Variando la estructura de poros es posible obtener:

Estructura de Poros

43

Una amplia gama de concretos livianos

Estructura de Poros

44

Una amplia gama de concretos livianos (celulares)

Estructura de Poros

45

Estructura de Poros

Concreto poroso,

drenante y, no obstante,

resistente (10-30 MPa)

46

Estructura de Poros

Concretos Resistentes a Ciclos de Congelación y

Deshielo (poros de aire incorporado)

47Torres Petronas (Kuala Lumpur), 452 m (88 pisos)

Estructura de Poros

Concretos de Alta Resistencia (hasta 150 MPa)

48

Tipos de ConcretoPropiedad Rangos

Normales

Ligero (aislante) Ligero (aislante estructural) Ligero (estructural)

Peso normal Pesado (protección de radiaciones)

Rellenos FluidosLivianosNormales

Drenantes, Celulares

Normales

Alta Resistencia

Ligeros

Ligeros

Alta Resistencia

Alto Desempeño (> 65 MPa)Buena CalidadCalidad NormalBaja CalidadMuy Baja Calidad

∞∞∞∞

200 - 800800 - 1400

1400 - 20002000 - 26002600 - 5000

0.5 - 2.00.4 - 3015 - 5050 - 150

2 - 1515 - 3530 - 50

0.1 - 1.01.0 - 2.5

< 0.010.01 - 0.10.1 – 1.0

1.0 - 10> 10

Módulo de

Elasticidad (GPa)

Densidad (kg/m³)

Resistencia a

Compresión (MPa)

Conductividad Térmica

(W/m.K)

Permeabilidad al Aire

(10-16 m²)

Estructura de Poros: Efecto sobre las

Propiedades del Concreto

49







50

Mecánica de la Fractura

Aunque la debilidad intrínsica del concreto como material

estructural (fragilidad y baja resistencia a tracción) ha sido

resuelta exitosamente a través del uso del compuesto

“Concreto reforzado” con barras de acero, hay aún campo

para mejorar.

El uso de fibras (metálicas, sintéticas, de carbono, de

vidrio, vegetales, etc.) no ha sido todavía suficientemente

explorado y explotado.

Esta es un área donde podemos esperar nuevos

desarrollos para mejorar la ductilidad del concreto y su

susceptibilidad a la fisuración.

51

Fibras usadas en Concreto

� Tipos de Fibras

� Acero

� Polipropileno (PP)

� Acetato de Polivinilo (PVA)

� Celulosa

� Vidrio (V)

� Carbono

� Usadas en:

� Concreto

Premezclado

� Shotcrete

� Premoldeados

52

0

5

10

15

20

25

30

35

0 1 2 3 4Deflection (mm)

Flexural Stress (MPa)

5% Vidrio 40:20:40

V:PP:PVA

5%

5% PP

2% PVA

Sistemas Híbridos de Fibras

53

El Futuro

� Concretos de Alta Resistencia y Alto Desempeño (en

especial buscando mayor durabilidad)

� Concretos Auto-Compactantes

� Concreto reforzado con distintos tipos de fibras

� Armaduras inoxidables / no-metálicas (FRP)

� Concretos “Verdes” (hechos total o parcialmente con

materiales reciclados)

54

Fronteras de la Imaginación:

Concretos de Ultra-Alta Resistencia (UHSC)

Características de los UHSC:

� Resistencia a Compresión: 150 – 800 MPa

� Resistencia a Flexión: 10 – 400 MPa

� Virtualmente “impermeables” (durabilidad ilimitada)

55

CUAR: Aplicaciones

Puente Peatonal en

Sherbrooke (CND)

Compressive Strength: 200 MPa

(350 MPa when confined in 3mm thick

stainless steel tubes: diagonals)

Tensile Strength: 7 MPa

Bending Strength: 40 MPa

E-Modulus: 50 GPa

56

SHAWNESSY LIGHT RAIL TRANSIT

STATION

Calgary, AB, Canada

CUAR: Aplicaciones

57

130 110 470 530

Peso Propio (kg/m) de Vigas de Igual Capacidad Portante

AceroUHSC

Concreto

PretensadoConcreto

Armado

CUAR: Alta relación Resistencia /Peso

58

UHSC: Aplicaciones Especiales

59

UHSC: Aplicaciones Especiales

60

Concreto: Aplicaciones Especiales

61


62

Concreto Traslúcido

LiTraCon©

Fibras ópticas

moldeadas en el Concreto


63

LiTraCon©


64


http://www.voile-de-beton.com

65

¿Tiene el concreto

un rol que jugar en la

conquista del

espacio?


Concreto Lunar?

66

Sí, el concreto puede jugar

un papel importante en la

conquista del espacio


Concreto Lunar

67

Pies en la Tierra: Perspectivas del Concreto

� El concreto continuará siendo el material de

construcción preferido en el Siglo XXI, aunque con fuerte

competencia desde diversos flancos

� A través del uso de desechos reciclados como materias

primas, el concreto se transformará en un “eco-

Concreto”. I+D necesario para prever consecuencias de

mediano/largo plazo

68

Pies en la Tierra: Perspectivas del Concreto

� Se prestará más atención a la durabilidad en el diseño

de estructuras de concreto, para mejorar el ciclo de vida

de construcciones sustentables y hacerlo más

competitivo frente a otras alternativas

69

Disponibilidad de soluciones en el mercado

� La industria del concreto en Latinoamérica ya ofrece

muchas de estas soluciones

� Se requiere una óptima comunicación entre

propietarios, proyectistas, constructores y proveedores

de materiales para romper el „círculo vicioso“ de la no

innovación

� La aplicación de estas soluciones no requiere de

técnicas sofisticadas, sino simplemente de aplicar las

reglas del arte indicadas en los códigos de construcción

� Pregunta: porqué es tan difícil introducirlas? � una de

las razones son las Normas Prescriptivas que

prevalecen en la Construcción en Concreto

70

Problema de las Normas Prescriptivas

Norma a/c Cemento Resistencia

Máx (kg/kg) Mín (kg/m³) Mín (kgf/cm²)

EN 0.50 300 300 Costa

EN 0.45 320 350 Mareas

ACI 0.40 --- 350

NMX 0.55 300 300

� Suponen, erróneamente, que distintos materiales (ej. tipos

de cemento), en las mismas proporciones, confieren idéntico

desempeño al Concreto

� Dan pocas oportunidades para innovar y agregar valor

� Tratan al Concreto y a los materiales componentes como

commodities

� Cómo se controla la a/cmáx?; se cumple en la realidad?

71

Tendencias

Varias organizaciones están promoviendo Normas y

Especificaciones basadas en el Desempeño del Concreto

o aún de las Estructuras mismas, especialmente en lo

referido a su Durabilidad, ejemplos:

� NRMCA: Enfoque P2P

(Prescription to

Performance)

� RILEM: Comité Técnico PSC "Performance-based

Specification and Control of Durability"

72

CO2 Cl- SO42-, Abrasión, Hielo

Acero

“Recubrimiento”

de Peor Calidad

Debido a:

• Segregación

• Compactación

• Curado

• Exudación

• Acabado

• Microfisuras

Realidad: Calidad del Concreto en la Estructura

Las probetas

moldeadas y

curadas en

forma

normalizada,

NO

representan la

vital calidad

del

‘recubrimiento’

73

Ejemplo de Norma por Desempeño: Norma Suiza SIA

262:2003 “Concrete Construction”

Respecto a la durabilidad, la calidad del Concreto de

recubrimiento es de particular importancia

Se verificará la impermeabilidad del Concreto de

recubrimiento, mediante ensayos de permeabilidad

in situ (p.ej. mediciones de permeabilidad al aire) o

sobre testigos extraídos de la estructura

74

Permeabilidad al Aire del Recubrimiento (Método de

Ensayo SIA 262/1-E)

La permeabilidad al aire del

recubrimiento (kT) se mide

directamente sobre la estructura

terminada, a 28 - 90 días, con la

siguiente clasificación tentativa:

High> 1.0PC4

Medium0.1 – 1.0PC3

Low0.01 – 0.1PC2

Very Low< 0.01PC1

Covercrete

Permeability

Site kT

(10-16 m²)

Permeability

Class

Se usan mediciones complementarias para verificar que el

concreto esté suficientemente seco

75

1. El enfoque de la Norma Suiza SIA 262 de establecer

como Indicador de Durabilidad la permeabilidad del

recubrimiento, medida en la estructura , apunta a

controlar el producto terminado

2. Así, mide el resultado de la contribución de todos los

actores en la cadena de construcción en concreto

(especificadores, proveedores de concreto y de

materiales, contratista, etc.)

Norma SIA 262 (por Desempeño)

76

3. Al controlar el producto terminado, impone una

mentalidad orientada al desempeño en todos los

actores, asegurando una competencia leal:

� en los Contratistas , que entregan el producto a ser

controlado, donde quienes no apliquen buenas

prácticas serán penalizados al deber usar mezclas más

caras o aplicar medidas curativas

� en los Productores de Concreto , que deberán diseñar,

producir y entregar, eficientemente, concretos que

alcancen el desempeño requerido

� en los Proveedores de Materiales (cementos, aditivos,

áridos) que deben diseñar sus productos hacia un

desempeño óptimo en el concreto


77

� SCC, que crea un recubrimiento más compacto y uniforme

que el Concreto vibrado

� Membranas permeables en los encofrados

� Compuestos de curado más eficientes y/o de concretos

“autocurantes”

� Concretos de Alto Desempeño

� Compuestos de Ultra Alto Desempeño (selectivamente)

� Concretos de baja retracción o retracción compensada

4. Incentiva la innovación fomentando el uso de:

5. Facilita la tarea de la D.d O., que no necesita controlar

todas las etapas de la ejecución sino solamente el

producto final (+ rol preventivo)


78

Uso de Membranas Permeables en los Encofrados

Con

Membrana

Sin

Membrana

kT = 1/10

79

� Las estructuras de Concreto tienen puntos débiles!

UHPFRC: Ultra-High Performance Fiber-ReinforcedComposite

� Idea: usar UHPFRC en partes específicas donde la exposición ambiental o mecánica sea más severa

Ejemplo de Uso Selectivo de UHPFRC

80

Colocación de UHPFRC

81

Propiedades Mecánicas de UHPFRC

Comportamiento a tracción

~ 37 - 16First crack

stress [MPa]

00.05 - 0.2Strain hardening

[%]

0.6 – 1.0Retracción [‰]

~ 39 - 20ft [MPa]

~ 3548 - 60E [GPa]

~ 40160 - 250f’c [MPa]

CCUHPFRCPropiedad

82

Permeabilidad del UHPFRC

UHPFRC

� Permeabilidad al Aire (Ensayo SIA 262/1-E):

83

Durabilidad?, porqué debemos ocuparnos?

� Porque las reparaciones (hoy superan el 50% de los

fondos dedicados a Construcción en Europa y Norte

América), en el que la Industria del Concreto participa

poco, le quitan mercado

� Porque esos recursos, de aumentarse la vida en

servicio, podrían dedicarse a nuevas obras de

infraestructura y vivienda, tan

necesarias en países

emergentes

� Porque es un talón de Aquiles

que puede ser explotado por

materiales competitivos

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CONCRETO DEL SIGLO XXI