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29
Oct

Concreto de ultra-alto-desempeño con cristal

Autor: Directorio de Investigación del Capitulo Estudiantil ACI UPC

Nuevo material usado para la fabricación de puentes peatonales en el campus de la Universidad de Sherbrooke

El concreto de ultra-alto desempeño (UHPC) está definido mundialmente como un concreto con propiedades mecánicas, dúctiles y durables superiores. Un UHPC típico está compuesto por cemento, polvo de cuarzo (QP), humo de sílice (SF), arena de cuarzo (QS) y fibras de acero. El UHPC logra una resistencia a la compresión de al menos 150 MPa (22 000 psi), una resistencia a la flexión hasta 15 MPa (2200 psi), módulo de elasticidad de hasta 45 GPa (6500 ksi), y una mínima fluencia o acortamiento a largo plazo. También resiste a los ciclos congelamiento y descongelamiento y a la condición de escamado sin daños visibles, y es casi impermeable al iones con cloruro. Por tanto el UHPC es un material prometedor para elementos de concreto pretensados y prefabricados especiales (cubiertas y pilares de puentes ligeros, y plataformas marinas; mobiliaria urbano; y muros prefabricados), reparación de concreto, y elementos de fachada arquitectónica.

A pesar que el UHPC es caro de producir, presenta algunas ventajas económicas porque sus propiedades mejoradas permiten:

  • Reducir o eliminar a los refuerzos pasivos en elementos estructurales;
  • Reduce el espesor y el peso propio de los elementos de concreto; y
  • Aumenta la vida útil, reduce los costos por mantenimiento.

El UHPC está diseñado con un alto contenido de cemento que esta entre 800  1000 kg/m3 (1350 y 1690 lb/yd3), lo que indica un alto costo de producción, consumo de recursos naturales, y alta emisión de CO2. Estos factores y otros como el alto contenido relativo de SF (25 a 35% por peso de cementos) son considerados un impedimento para que el UHPC sea usado en el mercado de concreto.

 El concreto con vidrio de ultra-alto desempeño (UHPGC) es un nuevo tipo de UHPC que constituye un gran avance en una tecnología sostenible del concreto, ya que cuenta con vidrio granular post-consumo con una distribución especifica del tamaño de partícula (PSD) desarrollada utilizando arena de vidrio, altas cantidades de polvo de cristal y moderado contenido de polvo fino de cristal. La tecnología UHPGC puede proporcionar beneficio ecológico valorizando el vidrio post-consumo y reduciendo el CO2 que provoca el UHPC. También provee beneficios económicos reduciendo el volumen del material de relleno y los costos del UHPC. Aunque UHPGC puede ser diseñado con una menor cantidad de cemento, SF, QP y QS que el UHPC típico, sigue conteniendo fibras y un alto contenido del aditivo reductor de agua.

El UHPGC puede ser producido con una baja relación de agua cemento (w/b), sin embargo, debido a que las partículas de vidrio tienen cero absorción, sus propiedades reológicas permiten que sea prácticamente autocolocable. Dependiendo en la composición del UHPGC y en la temperatura de curado, la resistencia a la compresión del concreto varia de 130 a 260 MPa (20 000 a 40 000 psi), mientras que su resistencia a la flexión puede exceder los 15 MPa (2200 psi), la resistencia a la tensión puede exceder los 10 MPa (1500 psi), y el módulo de elasticidad excede los 45 GPa (6500 ksi). El UHPGC se caracteriza por una excelente durabilidad debido a la insignificante penetración de iones de cloruro, baja abrasión mecánica y resistencia a la congelación y descongelación.

Puentes peatonales

 Desarrollar el UHPGC fue una de las principales metas de la Universidad de Sherbrooke. Después de un importante programa de investigación, este recién desarrollado concreto fue usado para fabricar nuevos puentes peatonales para reemplazar a las deterioradas estructuras de madera en el campus de la Universidad de Sherbrooke, QC, Canadá. La tecnología habilito al diseñador a crear secciones delgadas que sean livianas, elegantes e innovadoras en geometría y forma un precio relativamente barato. En adición, se espera que la estructura sea durable con alta resistencia a la abrasión y al impacto.

Materiales

Como en cualquier concreto o mortero, la reología del UHPC es fuertemente afectada por la finura del cemento así como los dos componentes más reactivos en un cemento Portland ­­̶ C3A y C3S. Las características del cemento son más críticas en el caso del UHPGC,  por los muy bajos resultado del w/b en empaquetaduras cerradas de las partículas de cemento. Es particularmente importan seleccionar el cemento con menor contenido de C3A y C3S. El cemento seleccionado para puentes peatones de UHPGC fue formulado con una baja cantidad de C3A para brindar una alta resistencia a los sulfatos. Las propiedades del cemento incluyen: Composición del 50% de C3S, 25% C2S, 14% C3A y 11% C4AF; gravedad específica de 3,21; finura de 370 m2/kg; y D50 de 11 µm.

Otros materiales usados en la mezcla del UHPGC incluye:

  • SF compatible con CAN/CSA-A3000-13 ‘’compendio de materiales cementicos’’ especificación con contenido de sílice de 99,8%, gravedad especifica de 2,20; D50 de 0.15 µm y área superficial especifica de 20 000 m2/kg;
  • QS con 99.8% de sílice, gravedad especifica de 2,70; D50 de 250 µm y tamaño máximo de partícula de 600 µm;
  • Polvo de vidrio (GP) con 73% de sílice, gravedad especifica 2,60; tamaño máximo de partícula de 100 µm y contenido de Na20 de 13%;
  • Base de polycarboxilato HRWRA, comercializado como ViscoCrete-6100 (Sika); y
  • Fibras de Alcohol polivinilo (PVA) con 13 mm(0.5 in.) de largo y 0.2 mm (0,008 in.) de diámetro

Mezcla de concreto

El diseño de mezcla fue desarrollado en tres pasos. El primer paso, la densidad de las composición granular (QS, GP, cemento y SF) fue optimizada a 0.78% usando el modelo comprensible. La mezcla resultante comprendió 410 kg/m3 (690 lb/yd3) de GP. El segundo paso, la dosis de HRWRA fue determinada para los valores de la relación w/b, obteniéndose las características reólogicas necesarias para obtener una matriz auto-consolidante, así como una resistencia adecuada. El tercer paso, la fibra fue optimizada según fue necesario mejorar la ductilidad del UHPGC sin alterar significativamente las propiedades reólogicas de la mezcla fresca.

La tabla 1 brinda la composición para la mezcla del UHPGC con una w/b de 0.24 usado en este proyecto.

        diseño de mez

Diseño

Los puentes peatonales fueron diseñados para que cumplan con los requerimientos arquitectónicos y estructurales de la universidad para que los peatones, así como para cumplir con las regulaciones de la universidad en un desarrollo sostenible. Debido a que las propiedades mecánicas del UHPGC permitieron que los tramos sean construidos con una sección transversal pequeña, cada tramo tuvo un peso total de 4000 kg (8800 lb).

El sistema estructural  consiste en una losa arqueada de 4910 mm (193in.) de largo, 2500 mm (98 in.) de ancho y 75 mm (3 in.) de espesor, encima de apoyos longitudinales de altura variable y de ancho constante de 130 mm (5 in.). Usando las propiedades mecánicas determinadas durante el programa de prueba, la sección fue diseñada para que satisfaga la resistencia y utilidad limite que la universidad requiere. La losa arqueada fue reforzada con alambre soldado (M10 a 300 mm [12 in.] en ambas direcciones) colocadas a media altura de la losa. Cada apoyo fue reforzado con una solo barra de refuerzo M20 ubicada cerca de la parte baja del apoyo. La figura 1(a) muestra el arreglo de refuerzos del puente y la figura 1(b) brinda las dimensiones del concreto. Un puente fue instrumentado con termopares y medidores vibrantes de tensión de alambre para que la temperatura y la deformación puedan ser monitoreadas a través del tiempo.

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Fig. 1 Esquema del puente: (a) sección longitudinal en la línea central; y (b) vista desde abajo
mostrando las dimensiones del concreto. Las dimensiones están en mm (Cercano a in.)

Encofrado

El molde para los puentes fue construido en la planta de Betons Genial, Inc., y luego transportado al laboratorio integrado de materiales innovadores y sostenibles y la investigación de valorización estructural de la universidad. Betons Genial, Inc. Diseño y construyo un molde reusable integrando una cara de caucho-uretano con una dureza “Shore” especifica. La cara fue diseñada para producir una superficie antideslizante en la cubierta y que sea muy suave,  con juntas libres en otras superficies del puente (Fig. 2). A pesar que el acortamiento del UHPGC es muy bajo, el material de recubrimiento fue seleccionado para acomodar el acortamiento del concreto y minimizar el riesgo de que se cree micro-fisuras durante el curado del concreto. El molde fue diseñado de tal forma que el puente puede estar echado boca abajo, permitiendo que la forma compleja relativa se forme con las áreas antideslizantes integrales en la cubierta.

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Fig. 2: El molde del puente fue diseñado para proporcionar superficies formadas en todas sus caras expuestas: (a) un inserto de madera fue fabricado en la forma de la cubierta usando superficies y bordes; y (b) el inserto fue usado para emitir el revestimiento de caucho-uretano, usado para la producción de los puentes.

Producción

El UHPGC fue producido en el laboratorio de la Universidad de Sherbrooke usando una planta de concreto automática a escala con una mezcladora estacionaria tipo olla con 500 L (18 ft3) de capacidad. Para lograr una mezcla uniforme y evitar la aglomeración de partículas, todos los materiales en polvo fueron mezclados en seco por 10 minutos antes de las adiciones de agua y HRWRA. Cerca de la mitad del HRWRA fue disuelta en mitad del agua mezcla, y esto fue agregado gradualmente durante los próximos 3 a 5 minutos del tiempo de mezcla. El resto de HRWRA y agua así como las fibras fueron añadidos durante los siguientes 3 a 5 minutos del tiempo de mezcla. El tiempo total de la mezcla fue 20 minutos.

Cuatro lotes de concreto fueron producidos para un total de 2.0 m3 (3 yd3) para cada puente peatonal. La producción y colocación del concreto duro 2 horas. Una vez los cuatro lotes fueron cargados en la tolva, las propiedades de fluidez y auto colocación del UHPGC permitieron que el concreto sea colocado en menos de 12 minutos sin vibración externa.  A pesar que el UHPGC no puede ser descrito como auto compactante, este fluyo extremadamente bien. Solo se necesitó 1 minuto de vibración interna para asegura una buena compactación. Después del secado, el concreto expuesto fue cubierto con unas láminas plásticas hasta que el molde fuera retirado. Para cada puente, el molde fue removido 24 horas después de su colocación. Primero, un puente grúa fue utilizado para abrir en molde separándolo en dos partes con las correas y anclajes (Fig. 3(a)). El puente fue luego elevado y rotado (Fig. 3(b)). Después del desencofrado, las láminas plásticas fueron colocadas sobre cada puente para permitir un curado continuo.

Las propiedades reológicas y frescas del UHPGC fueron medidas después del mezclado. Las muestras necesarias para los ensayos de resistencia a la compresión, tensión y flexión, así como el de módulo de elasticidad, resistencia a la abrasión mecánica, escamado, resistencia a congelamiento y descongelamiento, penetración del ion-cloruro y a la resistividad fueron fabricados luego. Los ensayos fueron realizados de acuerdo a los estándares internacionales del ASTM. Las muestras fueron almacenadas a 23 °C (73 °F) y 100% de humedad relativa (RH) por 24 horas antes de remover el molde, después del cual fueron guardados en una habitación de niebla a 23 °C (73 °F) y 100% de RH hasta probarlos

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Fig.3: El puente fue colocado boca abajo. La base del encofrado llevo a cabo el revestimiento del caucho de uretano que se muestra en la Fig. 2, y el molde  se cerró con un inserto separador de madera que formo las superficies curveadas y acanaladas  del puente: (a) el inserto fue removido de la base del molde, exponiendo la superficie inferior del concreto y el bloque expandido de poli estireno indicado en la Fig. 1; y (b) el puente peatonal fue jalado del molde usando correas y ganchos, y marcos de acero que fue adjuntada en preparación para voltear la estructura completa.

Instalación

Antes que los puentes fueran transportados para su instalación, fueron colocadas barandillas de madera y acero (Fig. 4).  Un camión de plataforma sencilla fue usado para la transportación al sitio de trabajo (Fig. 5), y un camión con una grúa montada y correas fueron utilizados para elevar e instalar los puentes sobre pilares convencionales de concreto con cojines de neopreno.  Cargar y colocar tomo poco menos de una hora.

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Fig. 4: Como preparaciones finales antes del transporte al lugar de trabajo, barandillas
de madera y acero fueron adjuntados en los bordes del UHPGC

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Fig. 5: El puente completo fue transportado por un camión con plataforma e instalado
con un camión-gura

Desempeño del  concreto

Propiedades frescas

Los ensayos fueron ejecutados para obtener propiedades básicas del concreto fresco incluyendo el slump (ASTM C1437, “Método de prueba estándar para el flujo de mortero de cemento hidráulico”), peso unitario, contenido de aire y temperatura (ASTM C185, “Método de prueba estándar para el contenido de aire en un mortero de cemento hidráulico)  ̶  los valores fueron 280 mm (11 in.) sin tapar, 2231 kg/m3 (140 lb/ft3), 3.5% y 22 °C (72 °F), respectivamente.

Para examinar la capacidad del concreto para la auto-colocación sin problemas de consolidación ni segregación, se realizaron varias pruebas normalmente llevadas a cabo para un concreto auto consolidante. El diámetro del slump con el cono de Abram (ASTM C143/C143M, “Método de prueba estándar para el slump de un concreto hidráulico) fue de 780 mm (31 in.) El tiempo que tomo alcanzar los 500 mm (20 in.) fue de 6.8 segundos, lo cual explica la viscosidad relativa alta. El índice visual de estabilidad (VSI) fue 0, lo que significa que no hubo evidencia de segregación.

Para asegurarse que el concreto fluya adecuadamente alrededor de las barras de refuerzo, la diferencia entre el diámetro del slump y el diámetro de propagación del aro-J no debe de exceder los 50 mm (2 in.) según la guía alemana SCC o a 10 mm (0.4 in.) según EFNARC. Este valor fue solo 5 mm (0.2 in.) para el UHPGC, indicando una excelente capacidad pasante. La relación de bloqueo para la prueba con el aro-J fue de 0.83. El índice de auto nivelación para la caja-l con dos varillas de acero fue de 1.0 (el limite aceptado por la guía del 2002 del EFNARC es de entre 0.80 y 1.0). El tiempo para que el concreto alcance el final de la sección horizontal de 600 mm (24 in.) de largo fue de 9,8 segundos.  Las propiedades mejoradas de esta mezcla derivan de la gran incorporación de polvo de vidrio con cero absorción.

Propiedades mecánicas

Los ensayos de resistencia a compresión fueron tomados de acuerdo al ASTM C39/C39M, “Método de ensayó estándar para la resistencia a compresión de una muestra cilíndrica de concreto”, en muestras cilíndricas de 100 x 200 mm (4 x 8 in.) a 1, 7, 28 y 91 días después de un curado normal. La resistencia a la compresión de las muestras de UHPGC a 28 y 91 días fue de 96 y 127 MPa (14 000 y 18 500 psi), respectivamente.  El incremento en la resistencia a la compresión de 33% de 28 días a 91 días indica la reactividad de la puzolana del polvo de vidrio.

Otras pruebas realizadas a 28 y 91 días, fueron: resistencia indirecta a la tensión dividida según ASTM C496/C496M, “Método de prueba estándar para la resistencia a la tensión dividida de muestras cilíndricas de concreto,” muestras cilíndricas de 100 x 200 mm (4 x 8 in.); resistencia a la flexión de acuerdo al ASTM C78/C78M, “Método de prueba estándar para la resistencia a la flexión del concreto (usando una viga simple con tres puntos de carga) en prismas de 100 x 100 x 400 (4 x 4 x 16 in.), y el módulo de elasticidad según el ASTM C469/C469M, “Método de prueba estándar para el módulo de elasticidad estático y la relación de Poisson para un concreto a compresión,” en cilindros de 100 x 200 (4 x 8 in.). La tabla 2 muestra la lista de propiedades mecánicas del concreto.

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Propiedades de durabilidad

La abrasión del concreto fue medida según la ASTM C944/C944M, “Método de prueba estándar para la resistencia a la abrasión de la superficies del concreto o mortero por el método de girar el cortador.” El valor promedio del índice de pérdida de volumen relativo fue de 1.35 mm (0.05 in.). Para un UHPC típico, la perdida de volumen relativo varia de 1.1 a 1.7 mm (0.04 a 0.07 in.), el cual es relativamente menor al de HPC (2.8 mm [0.11 in.]) y un concreto normal (4.0 mm [0.16 in.]).

La resistencia al escamado fue medido de acuerdo al ASTM C672/C672M, “Método de prueba estándar para la resistencia al escamado  de superficies de concreto expuestas a descongelantes químicos.” Después de 50 ciclos de congelación y descongelación, la masa escamada fue 12 g/m2 (0.04 oz/ft2). La masa escamada reportada para el UHPC, varía aproximadamente de 8 a 60 g/m2 para muestras sometidas a 28 a 50 ciclos de congelación y descongelación.

La resistencia a la penetración de iones de cloruro fue evaluada por el ASTM C1202, “Método de prueba estándar para la indicación eléctrica de la capacidad del concreto a resistir la penetración de iones de cloruro.” Las muestras a 28 y 91 días mostraron valores menores a 10 Coulomb, indicando una penetración “despreciable” de iones de cloruro.

La resistencia al congelamiento y descongelamiento fue medida de acuerdo a la ASTM C666/C666M, “Método de prueba estándar para la resistencia al rápido congelamiento y descongelamiento del concreto.” El modulo dinámico relativo fue 100% después de 700 ciclo de congelamiento y descongelamiento.

El ensayo de resistividad se llevó a cabo en muestras cilíndricas de 100 x 200 mm (4 x 8 in.) después de 91 días de curado. Un valor extremadamente alto de 3466 kΩ•cm fue obtenido. En comparación, la resistividad de un UHPC tradicional sin fibras es de 1130 kΩ•cm, 96 kΩ•cm para el HPC y 16 kΩ•cm para un concreto normal.

Instrumentación del puente

Los cambios de temperatura de un puente fueron monitoreados con dos termopares: uno insertado en el centro de la cubierta y otro en el centro de la viga de soporte (borde). La figura 6 brinda los resultados de los dos termopares. La temperatura alcanzo aproximadamente los 53 °C (127 °F) en los primeros días, seguido por caídas graduales hasta la temperatura en el laboratorio. Después del curado a temperatura del laboratorio (alrededor de 23 °C [73 °F]) por 28 días, los puentes fueron transferidos al campo, donde la temperatura bajo a menos de cero, como se muestra como una caída repentina en la curva de temperatura. Algunas noches, la temperatura llegaba a -33 °C (-22 °F).

Un medidor de alambre vibrante fue insertado en el medio de la cubierta del puente instrumentado para medir la deformación por acortamiento (Fig. 6). Una torcedura de aproximadamente 430 µm/m fue medida al final del curado en el laboratorio, seguido por incrementos repentinos en el campo debido a los cambios de temperatura y a la remoción de las láminas de plástico (las torceduras fueron resultado al cambio de temperatura y al secado adicional). La separación total fue como mucho de 1200 µm/m algunos días. Después de deducir la expansión térmica, la torcedura isotérmica fue de aproximadamente 800 µm/m.

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Resumen

Un nuevo tipo de UHPC ha sido desarrollado usando vidrio reciclado, creando así el UHPGC. El nuevo material exhibe una excelente trabajabilidad y propiedades reológicas por la cero absorción de las partículas de vidrio y la densidad optimizada de la matriz de todo el material. Las propiedades mecánicas  fueron encontradas para que sean excelentes y comparables con el UHPC tradicional.

La construcción de dos puentes peatonales con UHPGC en la Universidad de Sherbrooke muestra el potencial del material para ser usado en futuros proyectos. El UHPGC va a producir estructuras altamente eficientes enérgicamente, ecológicas, económicas y resistentes.

Reconocimiento

Esta investigación fue fundad por la presidencia industrial en la valorización de materiales de vidrio SAQ y los autores agradecen este apoyo. A los autores también les gustaría reconocer el apoyo de la Universidad de Sherbrooke en realizar este proyecto.