(1) Ing. Civil, MSc de la Facultad de Ciencias yTecnología – UCA; Ingeniero de la División de

Mantenimiento Civil e Industrial de la Central Hidroeléctrica de Itaipú Binacional (2) Ing. Civil, Prof. de la Facultad de Ciencias yTecnología – UCA; Director – Gerente de la firma

PROPACO SA.

EVALUACIÓN DEL DESEMPEÑO DE ARGAMASAS CON MICRO SÍLICE APLICADAS EN AMBIENTE HÚMEDO, COMO REPARACIÓN DE ESTRUCTURAS DE HORMIGÓN SOMETIDAS A ABRASIÓN

ACOSTA HEYN, ALCIDES A. (1)

Ciudad del Este – Area 1, Las palmeras esq. Las araucarias E 9, Tel: 061 5993072 Fax 061 5993509, e-mail alcides@itaipu.gov.py YUGOVICH, PAULO. (2)

Asunción – Sacramento 420, Tel: 021 610820 Fax 021 660338, e-mail propaco@pla.net.py

Palabra clave: hormigón; argamasa de reparación; abrasión. RESUMEN La investigación realizada evalúa el desempeño de argamasas con micro sílice y aditivo super-plastificante con una relación a/agl=0,3, para la reparación de daños causados por abrasión, aplicadas en ambientes húmedos. También se realizó una argamasa sin micro sílice y otra con resina epoxi, de manera a evaluar en el laboratorio su desempeño, simulando las mismas condiciones que en el campo (elevada humedad durante la aplicación inclusive). Fueron testados 4 puentes de adherencia: adhesivo epoxi, adhesivo acrílico, agua y lechada de cemento con micro sílice (10 % de micro sílice con relación al peso de cemento, relación a/agl=0,5) Fueron observados mejores desempeños mecánicos por parte de la argamasa con micro sílice al compararlo con la argamasa de referencia y con la argamasa con epoxi El puente de adherencia de lechada de cemento y micro sílice fue también el de mejor desempeño a los 28 días, superando inclusive al adhesivo epoxi. INTRODUCCIÓN.

Las superficies hidráulicas del tubo de succión de las unidades turbo generadoras de la Central Hidroeléctrica de Itaipú, son inspeccionadas periódicamente (cada dos años). Dichas superficies son en parte de acero y en parte de hormigón. Durante las inspecciones suelen observarse desprendimientos de

reparaciones anteriores ocasionados por la cavitación y desgastes de las superficies por el efecto erosivo del agua.

Dichos desprendimientos fueron reparados con argamasa tradicional, con

argamasas tipo DRY-PACK y con resinas epoxi, siendo el desempeño de las mismas poco satisfactorias.

El tubo de succión es vaciado para realizar las inspecciones y reparaciones.

Las reparaciones a ser ejecutadas presentan dos inconvenientes principales, elevada humedad, encima de 95%, y rápida entrada en servicio. Por la necesidad de la generación de energía el lapso para la reparación es corto (5 a 7 días), para luego ser llenado nuevamente, y para finalmente entrar en funcionamiento a los 5 a 8 días posteriores al llenado.

Las resinas epoxi, de gran eficiencia ante agentes agresivos químicos y exigencias mecánicas, no presentaron buenos resultados, debido a la elevada humedad del medio durante la aplicación, siendo dicha condición expresamente contraindicada por el fabricante (aplicar sobre superficie húmeda).

Sobre la base de lo expuesto anteriormente, surge la necesidad de evaluar el

desempeño de otros productos. La micro sílice representa una alternativa a ser considerada, de manera a obtener unos resultados que nos permitan determinar la posible utilización de dicho producto en determinadas dosificaciones.

La micro sílice es un subproducto de la fabricación por fusión del silicio

metálico y aleaciones hierro-silicio, proceso en el cual, los vapores de SiO entran en contacto con el oxígeno del aire en el enfriador del horno de arco eléctrico, se oxidan y se condensan en forma de esferas microscópicas de sílice vítrea. Las micro sílices son adiciones utilizadas con argamasas y hormigones para mejorar las resistencias mecánicas y durabilidad de las estructuras. Poseen propiedades puzolánicas, es decir fijan el hidróxido de calcio del cemento, a más de actuar como filler. Estas características disminuyen considerablemente la porosidad de la argamasa, obteniéndose una micro estructura más densa que la convencional.

La investigación realizada evalúa el desempeño de argamasas con micro

sílice (con 7,5%, 10% y 15% de micro sílice con relación al cemento) y aditivo superplastificante, para la reparación de daños causados por abrasión, aplicadas en ambientes húmedos.

También se ensayó una argamasa con resina epoxi, de manera a evaluar en

el laboratorio su desempeño, en las mismas condiciones que en el campo (elevada humedad).

Para la evaluación, se hicieron diversos ensayos, tales como resistencia a

compresión, tracción por compresión diametral, adherencia, resistencia a la abrasión, de manera a analizar el comportamiento de las argamasas con diferentes dosificaciones de micro sílice.

En los ensayos de adherencia realizados en los cuerpos de pruebas, se usaron puentes de adherencia de resina epoxi y adhesivo acrílico. También se ensayaron con agua y lechada de cemento con micro sílice (10% del peso de cemento y a/agl =0,5), como puente de adherencia. EXPERIMENTACIÓN.

Materiales utilizados. Para la realización de la investigación fueron utilizados materiales de

procedencia nacional y brasileña. Micro sílice: El producto utilizado para el ensayo fue del tipo micro sílice no condensada, con un porcentaje de Si02 superior a 85%, densidad específica de 2,16 g/cm3, y un área específica de 20.000 m2/kg. La procedencia del producto es brasileña. Aditivo superplastificante: El aditivo utilizado fue un superplastificante poli condensado de formaldehído y melamina sulfonada, con un porcentaje de sólidos de 35,43 %, una densidad de 1,21 g/cm3 y un pH de 7,55. La procedencia del superplastificante es brasileña. Cemento: El cemento utilizado fue el Pórtland Tipo I, con una resistencia nominal de 320 kg/cm2, densidad específica igual a 3,05 g/cm3 y una densidad aparente de 1,15 g/cm3. La procedencia es nacional. Arena: Se utilizó para la elaboración de las argamasas, una arena cuarzosa, con un módulo de finura de 1,86, un diámetro máximo del agregado igual a 0,6 mm y una densidad específica de 2,66 g/cm3

Ensayos realizados. Fueron realizados ensayos en estado fresco y en estado endurecido de las

diferentes argamasas ensayadas. Elaboración de argamasas: Fueron elaboradas 5 dosificaciones diferentes de argamasas, que fueron identificadas según la Tabla I. Las consistencias de las mismas variaron de secas a blandas, de manera a obtener la consistencia adecuada para la utilización como argamasa de reparación.

Tabla I. Identificación de argamasas.

Identificación Relación Cemento : arena

Relación A/C

% Micro sílice con relación al cemento

A-000 1 : 2 0,3 0,0 A-075 1 : 2 0,3 7,5 A-100 1 : 2 0,3 10,0 A-150 1 : 2 0,3 15,0

A-111 (Epoxi) 1 : 5 - 0

Las diferentes probetas fueron realizadas según las normas brasileñas NBR5738. Fueron utilizadas probetas cilíndricas de 5cm x 10 cm, probetas prismáticas de 4cm x 4cm x 16 cm y 25cm x 25 cm x 12,5 cm. Estado fresco: Fueron realizados según la Norma Brasileña, ensayos de consistencia mediante la mesa de sacudidas NBR7215, ensayo de inicio y fin de fraguado NBR11581, ensayo de peso específico y aire ocluido según la NM 47:95. Estado Endurecido: Fueron realizados los siguientes ensayos, Ensayo de compresión: Los ensayos fueron ejecutados según la norma NBR 7215, a los 3, 7 y 28 días. Fueron realizados 6 ensayos por tipo de argamasa y día de rotura. Ensayo de tracción por compresión diametral: Fueron ejecutados según la norma NBR 7222, a los 3, 7 y 28 días. Fueron realizados 6 ensayos por tipo de argamasa y día de rotura. Ensayo de abrasión: Fueron ejecutados según el ensayo propuesto por Adam Neville [1], a los 3, 7, y 28 días. Este ensayo consistió en proyectar sobre la muestra a ensayar granos de acero (granalla) de 850 µm de diámetro, desde una distancia de 102 mm, por medio de un pico de 6,3 mm de diámetro, a través de aire comprimido a 0,62 MPa. Fueron ejecutados 6 ensayos por tipo de argamasa y día de rotura. Ensayo de adherencia a flexo tracción: Fueron realizados según la NM 55:96 (Norma Mercosur), en probetas prismáticas de 4cm x 4cm x 16 cm. El ensayo consistió en lo siguiente: se preparó con una antecedencia de 28 días, la mitad del cuerpo de prueba (4cm x 4cm x 8cm) con una argamasa 1:2 (cemento, arena) que equivalió al substrato. Esta mitad fue escarificada con martillo de aguja para obtener una rugosidad adecuada. Luego fueron aplicados cuatro tipos de puente de adherencia, resina epoxi, adhesivo acrílico, agua y lechada de cemento con micro sílice (10% del peso de cemento y a/agl=0,5). Finalmente fue aplicada la argamasa de reparación. Ensayo de módulo de elasticidad: Fueron ejecutados según la norma NBR 8522, a la edad de 28 días. Fueron realizados 3 ensayos por tipo de argamasa. Ensayo de penetración: Los ensayos de permeabilidad fueron ejecutados según la NBR 10787 basado en el método sueco [3], por ser una técnica rápida de medición de la permeabilidad y por existir correlaciones con el ensayo de permeabilidad del Cuerpo de Ingenieros de los EUA. Fueron ejecutados 2 ensayos por cada tipo de argamasa a la edad de 28 días. El ensayo consistió en aplicar agua a la muestra de argamasa de 25 cm x 25 cm x 12,5 cm, (de abajo para arriba) a una presión de 0,82 MPa por un período de 24 h. Posteriormente el cuerpo fue roto en la prensa y fue medida la altura de penetración del agua en la muestra. Ensayo de absorción: El ensayo fue realizado, conforme la Norma Brasileña NBR 9778, en tres probetas por tipo de argamasa a los 28 días.

Fig. 1. Resistencia media a Compresión.

3 d7 d

28 dA-000

A-075A-100

A-150A-111

40,2

29,9

21,3

56,8

40,7

26,3

64,9

42,6

32,7

58,2

45,8

28,5

18,0

16,1

20,4 0,0

10,0

20,0

30,0

40,0

50,0

60,0

70,0

MPa

RESULTADOS Y ANÁLISIS.

Argamasa en estado fresco.

Todas las argamasas fueron mantenidas con una relación a/agl próxima a 0,3. El porcentaje de superplastificante utilizado fue de 2% de sólidos por peso del aglomerante (cemento + micro sílice) utilizado [4]. Los resultados de las propiedades de la argamasa fresca pueden observarse en la Tabla II. Pudo constatarse que el aumento de micro sílice en la dosificación aumentó la trabajabilidad de la argamasa, como lo afirma Aïctin [4].

Tabla II. Dosificación y propiedades de las argamasas frescas.

Cemento Arena Agua MS SP Flow Fraguado Aire Peso Argamasa Kg Kg l kg L Test Inicio Fin Ocluid. Espec

g/cm3 A-000 A/agl=0,33

620.0 1615,0 h=1,7% 151,5 0 3%

43,5 162 mm

30% 6h 30 8h 4,8% 2,214

A-075 A/agl=0,32

568,0 1513,6 h=2,4% 144,8 46,8 2%

29,2 153 mm

22% 5h 30 7h 4,7% 2,214

A-100 A/agl=0,30

564,0 1469,5 h=2,6% 133.5 62,75 2%

29,25 203 mm

62% 6h 30 8h 7,0% 2,178

A-150 A/agl=0,30

544,0 1413,8 h=1,7% 150,5 96,0 2%

29,9 210 mm

68% 6h 30 8h 6,3% 2,157

A-111 En volumen 1 5 0 0 Epoxi

1 135 mm

8% 6h 6h 30 17,0% 2,066

El peso de la arena incluye la del agua contenida en los poros indicada en la tabla por h (humedad total de la arena en %). En la relación agua / aglomerante se incluye el agua aportada por la humedad de la arena y por el superplastificante.

Argamasa en estado endurecido. Resistencia a la compresión: El ensayo a compresión fue realizado en probetas cilíndricas de 5 cm x 10 cm. En la Fig. 1, son mostradas las resistencias medias a compresión obtenidas del ensayo a compresión. Pudo constatarse que la argamasa A-100 obtuvo el mejor desempeño a los 3 y 28 días. A los 7 días, la argamasa A-150 fue la que presentó el resultado mayor. La argamasa A-111 (con epoxi), presentó el peor desempeño. Pudo observarse que las probetas, una vez rotas, parecían no estar secas en su interior, probablemente

debido a que estuvieron sumergidas en el agua, lo cual evidentemente dificultó la reacción de endurecimiento de la resina epoxi.

Pudo verificarse que la sustitución de cemento por micro sílice incrementó la resistencia de las argamasas a compresión en todas las edades, pues al compararse las argamasas con adición de micro sílice con la A-000, se observó que las resistencias a compresión de las argamasas con micro sílice

fueron superiores a la A-000. Resistencia a la tracción por compresión diametral: La Fig. 2 muestra los resultados obtenidos en los ensayos a tracción por compresión diametral. Pudo observarse que las argamasas A-100, A-150 y la A-111 (Epoxi) fueron las de mejor desempeño a los 3 días, con muy poca variación entre ellas. A los 7 días la argamasa A-150 fue la de mejor desempeño (3,7 MPa). Para los 28 días, las argamasas A-075 y A-100, presentaron los mejores resultados.

Pudo constatarse nuevamente que la argamasa A-111, perdió resistencia con el correr de los días, como lo ocurrido con la compresión axial.

También fue calculada la resistencia a

tracción del substrato utilizado en el ensayo a adherencia, el cual tuvo una resistencia media a tracción igual a 2,43 MPa a los 28 días. El ensayo realizado para el substrato fue el de flexo tracción sobre 6 probetas. Resistencia a la abrasión: La Fig. 3, muestra la resistencia media a la abrasión de las argamasas ensayadas. Puede observarse que la argamasa A-100 presentó el mejor desempeño a los 3 y 28 días. La argamasa A-075 fue la que presentó mayor eficiencia a los 7 días.

Todas las argamasas con adición de micro sílice presentaron un mejor

comportamiento a la abrasión, al compararla con la argamasa A-000, en todas las edades. La argamasa A-111 (epoxi) nuevamente presentó el peor rendimiento entre las argamasas ensayadas.

3 d

7 d

28 d

A-000A-075

A-100A-150

A-111

10,2%

14,8%

14,9%

9,4%

6,9%

5,8%

8,2%

7,2%

4,9%

10,1%

6,5%

5,6%

16,1%

10,4%

6,5%

0,0%

2,0%

4,0%

6,0%

8,0%

10,0%

12,0%

14,0%

16,0%

18,0%

Fig. 3 Resistencia a la abrasión en % de pérdida de masa.

3 d

7 d28 d

A-000A-075

A-100A-150

A-111

3,4

2,2

1,8

5,2

3,2

2,2

5,1

3,4

2,6

4,9

3,7

2,71,8

1,6 2,8

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

MPa

Fig. 2. Resistencias medias a tracción por compresión diametral.

Adherencia: La Fig. 4, muestra la resistencia media de la adherencia a flexo tracción de las diferentes argamasas ensayadas, con los cuatro tipos de puente de adherencia (adhesivo acrílico, resina epoxi, agua y lechada de cemento con micro sílice con a/agl =0,5).

Pueden observarse que la adherencia a los 3 días, con los puentes de

adherencia con epoxi presentaron los mejores resultados, especialmente los realizados con la argamasa A-111(1,78 MPa). También los puentes de adherencia con lechada presentaron buenos resultados (1,14 MPa). Las resinas acrílicas y el agua presentaron resultados poco satisfactorios.

La adherencia a los 7 días con los puentes epóxicos (1,97 MPa) y con lechadas (1,76 MPa) continuaron con mejor desempeño. La adherencia a los 28 días con lechada presentó la máxima adherencia (2,75MPa) en las argamasas A-100, seguida por los puentes con epoxi (2,16 MPa).

Fig. 4. Adherencia a flexo tracción en MPa de las diferentes argamasas.

Módulo de elasticidad: La Fig. 5 muestra el módulo de elasticidad medio de las diferentes argamasas ensayadas a la edad de 28 días. Puede verse cómo se incrementa el módulo de elasticidad con el incremento de la adición de micro sílice, en las dosificaciones ensayadas. La argamasa A-150 fue la que presentó el módulo de elasticidad mayor (843.279 kg/cm2).

La argamasa A-111 (epoxi) presentó un módulo de elasticidad muy bajo (35.399 kg/cm2), probablemente debido a lo explicado en el ensayo a compresión.

0,000,100,200,300,400,500,600,700,800,901,001,101,201,301,401,501,601,701,801,902,002,102,202,302,402,502,602,702,802,90

3 d 7 d 28 d

A-000 Acríl.

A-000 Epoxi

A-075-Acríl.

A-075 Epoxi

A-075 Agua

A-075 Lecha.

A-100 Acríl.

A-100 Epoxi

A-100 Agua

A-100 Lecha.

A-150 Acríl.

A-150 Epoxi

A-111 Acríl.

A-111 Epoxi

Fig. 5 Módulo de elasticidad de las argamasas.

438.611

637.967721.824

843.279

35.399

0100.000200.000300.000400.000500.000600.000700.000800.000900.000

kg/c

m2

A-000 A-075 A-100 A-150 A-111

Permeabilidad: La Fig. 6 muestra la permeabilidad media en cm de las diferentes argamasas ensayadas a la edad de 28 días. El ensayo realizado fue el del método sueco o también llamado ensayo de penetración.

La argamasa A-075 presentó la menor permeabilidad (2,40 cm), y fue la que tuvo menor consistencia en el ensayo de mesa de sacudidas (153 mm ver Tabla II.). Todas las argamasas con adición de micro sílice presentaron una permeabilidad menor que la A-000, lo que indica que la adición de micro sílice en la dosis ensayadas disminuye la permeabilidad.

ANÁLISIS

En lo referente al estado fresco, pudo constatarse que el empleo de micro sílice en argamasas de baja relación a/agl < 0,4 mejoran la trabajabilidad (ver Tabla II) como lo afirma Aïctin [4]. En la tabla puede observarse como el aumento del porcentaje de utilización de micro sílice incrementa la fluidez de la argamasa.

La Fig. 7 muestra la relación existente entre la resistencia a compresión con la de abrasión de las diferentes argamasas ensayadas a la edad de 28 días. Puede observarse que las argamasas que presentan mejores resistencias a compresión presentan también mejor desempeño a la abrasión, lo cual coincide con la literatura técnica. La argamasa A-100 con una resistencia media a compresión de 64,9 MPa presentó un desgaste a la abrasión de sólo 4,9 %, siendo la de mejor desempeño. La argamasa A-111 presentó una resistencia media a compresión de tan sólo 18 MPa y un desgaste a la abrasión de 14,9 %, siendo la de peor desempeño.

La Fig. 8 muestra la relación existente

entre el índice de vacíos y la permeabilidad de las diferentes argamasas ensayadas a la

edad de 28 días. En los ensayos realizados no pudo verificarse lo que indica la literatura, de que a mayor índice de vacíos corresponde mayor permeabilidad, pues como puede verse la argamasa A-100 fue la de menor índice de vacíos (8,0%) pero no fue la de menor permeabilidad. La de menor permeabilidad fue la A-075 con 2,4 cm de penetración y un índice de vacíos de 11,9%.

Fig. 7. Compresión Vs Abrasión a los 28 días.

Fig. 6 Permeabilidad de las argamasas.

40,2

56,864,9

58,2

18,0

6,5 5,6 4,9 5,814,9

A-000 A-075 A-100 A-150 A-111

Compresión MPa Abrasión %

5,25

2,40 2,55

4,00

0,001,002,003,004,005,006,00

Pene

trac

ión

(cm

)

A-000 A-075 A-100 A-150

En lo referente a los distintos puentes de adherencia ensayados en reparaciones en ambientes húmedos, pudo comprobarse que la lechada de cemento y micro sílice (con 10 % de micro sílice y relación a/agl = 0,5) presentó el mejor desempeño (2,75 MPa) a los 28 días. El substrato presentó una resistencia media a tracción de 2,43 MPa y las diferentes argamasas con micro sílice presentaron valores muy superiores. En síntesis puede verse que el punto débil de la reparación sería el substrato. A los 3 y 7 días presentó mejor desempeño a la adherencia la resina epoxi, seguida por la lechada de cemento con micro sílice.

Para el análisis del desempeño de las reparaciones fue utilizada la metodología propuesta por D.R. Morgan [2], el cual analiza la compatibilidad del material de reparación con el substrato.

El módulo de elasticidad de las argamasas con micro sílice sufrió un gran aumento con el incremento del porcentaje de micro sílice (ver Fig. 5). Esto resulta en un factor negativo desde el punto de vista de la compatibilidad dimensional, pues lo ideal hubiese sido que posea un módulo de elasticidad similar al substrato de hormigón, de manera que la generación de fuerzas internas en la zona interfacial sea mínima para no a peligrar la adherencia. No fueron consideradas otras propiedades que afectan a la compatibilidad dimensional como la dilatación y la retracción, debido a que la temperatura dentro del tubo de succión y toma de agua sufren poca variación, y la humedad del ambiente es elevada con lo cual la reparación constantemente de halla humedecida evitando la retracción del material de reparación. Por lo tanto, desde el punto de vista de la compatibilidad dimensional, la argamasa A-075 sería la que tendría mejor desempeño por ser la de módulo de elasticidad más próxima al substrato de hormigón.

En síntesis, desde el punto de vista de las compatibilidades de los materiales y sistemas de reparación, cada dosificación de micro sílice ensayada, posee una cualidad. La A-100 fue la de mayor resistencia a la abrasión, la A-075 la de mayor compatibilidad dimensional y la A-150 la de mayor compatibilidad electroquímica, debido a que su permeabilidad es la más próxima a la argamasa de referencia, dificultando la formación de pilas galvánicas por aireación diferencial, que podrían ocasionar corrosión en las armaduras. CONCLUSIONES.

La argamasa con micro sílice obtuvo el mejor desempeño mecánico, comparada con la argamasa de referencia y con la epoxi, en las condiciones simuladas, siendo la argamasa A-100 la que presentó mejor desempeño mecánico.

12,6 11,9

8,9

12,0

5,25

2,40 2,554,00

A-000 A-075 A-100 A-150

Índice de Vacíos % Permeabilidad cm

Fig. 8. Índice de vacíos Vs Permeabilidad a los 28

La argamasa con micro sílice presentó mejor desempeño a la abrasión,

comparada con las demás argamasas ensayadas, siendo la argamasa A-100 la de mejor desempeño a la abrasión.

El puente de adherencia con adhesivo epoxi presentó una mayor eficiencia a

flexotracción, al compararlo con el adhesivo acrílico, cuando aplicados en ambientes húmedos.

La lechada con micro sílice presentó un mejor desempeño a los 28 días como

puente de adherencia, cuando aplicado en ambiente húmedo. Las argamasas con resinas epoxi presentaron bajas resistencias mecánicas,

cuando aplicadas en ambientes húmedos. Finalmente pudo constatarse mediante los ensayos que la adición de micro

sílice en argamasas en las dosificaciones realizadas confieren las siguientes propiedades: • Aumenta las resistencias mecánicas en todas las edades. • Incrementa el módulo de elasticidad. • Mejora la resistencia a la abrasión. • Mejora la trabajabilidad de las argamasas en estado fresco. • Disminuye la permeabilidad de las argamasas. AGRADECIMIENTOS.

Agradecimientos al personal del Laboratorio de Hormigón y de la División de Mantenimiento Civil e Industrial, de la Entidad Binacional Itaipú por su apoyo, sin el cual hubiese sido muy difícil la ejecución de la investigación REFERENCIAS. [1] Adam Neville, Propiedades do concreto, PINI, 1986. [2] D. R. Morgan,”Compatibility of concrete repair materials and system”, Construction and Building Materials, Vol. 10, (1996). [3] Luercio Scandiuzzi y Francisco Rodrigues Andriolo, Concreto y sus materiales. PINI. (1978) [4] Pierre Claude Aïctin, Concreto de Alto Desempenho, PINI, (2000).