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INYECCIÓN DE VAINAS EN ESTRUCTURAS DE HORMIGON PRETENSADO.

ANÁLISIS COMPARATIVO ENTRE DISTINTAS NORMATIVAS

Loguercio, Aldo Fernando - Ing. Civil aloguercio@vslarg.com.ar

RESUMEN

El reglamento CIRSOC 201-05 de reciente aprobación para Obras Públicas Nacionales, en su capítulo 23 establece los requisitos que deben cumplir las lechadas de inyección en estructuras de hormigón pretensado. El objetivo del presente trabajo es realizar un análisis comparativo entre lo establecido en este último reglamento y otros reglamentos internacionales: CIRSOC-84, ACI (USA), PTI (USA) y EN (Europa).

Como parte del trabajo se presenta un conjunto de ensayos de laboratorio, llevados a cabo según las prescripciones de los distintos reglamentos, verificando distintas composiciones de relación agua/cemento y aditivos disponibles en el mercado local.

Se observan diferencias importantes entre las distintas prescripciones, en algunos casos justificadas y en otros no. Se hace una propuesta de modificación para futura versión del CIRSOC 201 cap. 23.

La conclusión más importante es destacar la importancia creciente que la calidad de la lechada de inyección tiene en este tipo de estructuras, y su control de calidad en obra, dado los importantes problemas de corrosión encontrados en obras existentes.

ABSTRACT

The CIRSOC 201-05 Specification, recently approved for national Public Projects , in Chapter 23 establishes the requirements for grout injection in post-tensioning concrete structures . The object of this study is to do a comparative analysis of the provisions in this specification and other international regulations : CIRSOC -84 , ACI ( USA) , PTI (USA ), and EN (Europe ).

As a part of the work it has been presented a set of laboratory tests, carried out according to the requirements of the these regulations, verifying different compositions of water / cement ratio and additives available in the local market.

Important differences between the different specifications are observed, in some cases they are justified and not in others. It is proposed an amendment to chapter 23 in future version of CIRSOC 201.

The most important conclusion to highlight is the growing importance of grout injection quality in these structures, and quality control at work, given the important corrosion problems found in existing projects.

(*) El autor es Gerente General del Sistema de Postesado VSL en Argentina-Ingeniero

Civil UBA - Ciudad Autónoma de Buenos Aires Experiencia de 20 años en diseño y ejecución de estructuras metálicas y de hormigón

armado y postesado. En los últimos 15 años ha ejecutado más de 150 obras de hormigón postesado.

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1. Objetivo

El objetivo del presente trabajo es comparar las prescripciones de las distintas normas naciones e internacionales en lo relativo al control de las lechadas de inyección para vainas de postesado.

2. Introducción 2.1. Inyección: La inyección de vainas o conductos de postesado adherente, es la

operación consistente en rellenar el espacio vacío en los conductos de postesado con un producto adecuado para proteger las armaduras activas contra la corrosión.

Los objetivos de la inyección son:

a) Rellenar completamente el espacio existente entre el conducto y las armaduras activas, a fin de protegerlas de la corrosión y la posible formación de hielo (con la consiguiente ruptura de hormigón) en climas fríos.

b) Establecer la adherencia entre las armaduras activas y el hormigón que rodea el conducto. Proporciona una distribución más uniforme de eventuales fisuras y mejora la resistencia a rotura por flexión.

En general, para la inyección de vainas se utilizan lechadas de cemento, cuyos componentes principales son: cemento, agua y ciertos aditivos.

La calidad de la lechada se logra a través de:

a) Selección cuidadosa de los materiales que constituyen el cemento, agua y aditivos.

b) Continuo control de la calidad para asegurar las propiedades del material. c) Diseño de la mezcla y los procedimientos de mezcla adaptadas a la

elección de los materiales, el medio ambiente y el equipo. d) Ejecución de la lechada en el lugar por personal calificado siguiendo el

método aprobado por las normas vigentes.

Es fundamental entonces, la adecuada elección de materiales y diseño de la mezcla (cantidades de cada material y aditivos) y un eficiente plan de control de calidad de ejecución en obra.

Las características intrínsecas que debe cumplir cada uno de los materiales, incluidos los aditivos, están establecidos en las normas, y escapan al objeto del presente trabajo.

2.2. Cualidades que debe cumplir la lechada de cemento:

a) Ser suficientemente fluida en el momento de la operación.

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b) Tener al mismo tiempo la consistencia precisa, sin exudar agua y presentar la menor retracción por fraguado.

c) Alcanzar, luego de su endurecimiento, alta resistencia mecánica, necesaria para materializar la adherencia.

d) En climas fríos, tener suficiente resistencia al congelamiento. e) No contener ningún producto posible de corroer la armadura activa.

2.3. Consecuencias de una deficiente calidad de inyección. Experiencias pasadas en la Industria de la Construcción

Numerosos estudios se han llevado a cabo en diferentes países para analizar el estado de estructuras existentes, y especialmente para evaluar el estado de corrosión de los cordones de pretensado.

Fig. 1. Inyección incorrecta. Consecuencias

El siguiente es un resumen de algunos de dichos estudios:

- Suiza (1998): 107 puentes estudiados, donde se encontraron "algunas deficiencias en la calidad de la inyección". (14 puentes con deficiencias).

- Gran Bretaña (1999): Se llevó a cabo el estudio de 8000 puentes (5.700.000 m2 de tablero). 17 % de los puentes son postesados. De éstos, se encontró que el 22 % tenían pequeñas deficiencias de inyección, el 20 % con mediana a gran deficiencia de inyección, y un 12 % de ductos directamente sin inyección. De todos estos puentes, el 11% observaba un avance moderado a severo en la corrosión de los cordones de postesado.

- Austria, Viena (2000). Relevados 10 puentes construidos entre 1976 y 1955. No se encontraron problemas relevantes en la inyección de los conductos de posteado.

- Estados Unidos de Norteamérica, Nov. 23, 2011; Federal Highway Administration (FHWA). 34 puentes estudiados en 19 Estados. Enero 15, 2013 – 183

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Proyectos, en 35 Estados. El 88 % de los proyectos estudiados habían utilizado un aditivo con contenido de ion cloruro, aunque solo algunos de ellos presentaban daños de corrosión.

Los problemas ocasionados por deficiencias en la inyección de ductos de postesado, evidenciados durante la vida útil de la estructura se pueden resumir en:

- Problemas potenciales: llenado incompleto de los ductos, exposición del acero de postesado, corrosión de acero bajo tensión, fisuración y desprendimientos de hormigón, falla.

- Potenciales reparaciones: localización del área con problemas (con sus dificultades), apertura de vaina, inspección visual o mediante métodos más precisos, limpieza de vaina y acero activo, re inyección, reparación del hormigón afectado, refuerzo mediante cordones de postesado adicional u otros métodos de restitución de capacidad portante.

Las consecuencias principales de los estudios llevados a cabo en distintos países tuvieron las siguientes consecuencias en estructuras de puentes o en ambientes de potencial corrosivo:

- Revisión de la ingeniería de detalle de las estructuras postesadas.

- Revisión de la especificación de la lechada de cemento.

-Recomendación de confiar los trabajos de postesado e inyección solo a contratistas altamente calificados y experimentados en trabajos de postesado.

El alcance del presente trabajo profundiza en la especificación de la lechada de cemento y su control, según los distintos reglamentos.

3. Indicaciones de las Normas para cada tipo de ensayo

Se resumen a continuación los distintos tipos de ensayos que indica cada norma para verificar la calidad de las lechadas de inyección de vainas de postesado. Las normas consultadas son: CIRSOC 201-84, Cap 27 (Argentina), CIRSOC 201-05, Cap. 23 (Argentina), ACI 301-2010 (USA), PTI M55.1-12 (USA), EN 445-2007 (Europa).

Se incluye la traducción del nombre de cada ensayo en inglés, para su más rápida identificación en la normativa y bibliografía internacional.

3.1. Contenido de Cloruros (Cl-):

En la nueva norma CIRSOC-05 establece la medición del ión cloruro

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estableciendo un máximo del 0.02 % por peso de cemento. En la versión anterior no se especificaba este control. Tanto en el ACI como en el PTI el límite es de 0.06 % del peso de cemento. La norma Europea no especifica este control.

3.2. Tiempo de Fraguado (Setting Time)

El nuevo reglamento CIRSOC -05 hace referencia a la Norma IRAM 1619 como método de ensayo, pero en cuanto al límite del tiempo de fraguado solo dice que debe ser mayor que el requerido para el trabajo de inyección. El ACI y el PTI hacen referencia a ASTM C942 como método de ensayo, estableciendo el límite para el tiempo de fraguado como mayor a 3 hs y menor a 12 hs (fraguado inicial en ambos casos. La norma Europea, con ensayo según EN196-3, coincide en las 3 hs como tiempo mínimo, pero al tiempo máximo de fraguado lo establece en 24 hs para el fraguado final.

3.3. Permeabilidad (Permability Test)

El test de permeabilidad solo es establecido en el PTI para lechadas especiales, y en ninguna otra de las otras normas estudiadas. Se mide la conductividad eléctrica como indicación de la penetración de iones de cloruro (a 28 días, después de 6 hs a 30 V, debe ser menor a 2500 Coulombs).

3.4. Fluidez en inyección no tixotrópica (Fluidity)

El CIRSOC 201-84 establece la medición de la fluidez midiendo el tiempo que tarda 1 lts. de lechada en atravesar el cono de Marsh, repitiéndose el ensayo a los 30 min. El tiempo debe ser mayor a 13 seg y menor a 25 seg. En el CIRSOC 201-05, en cambio, se mide el tiempo que tarda 1,7 lts. en atravesar el cono, y solo establece que debe ser mayor a 11 seg, sin indicación del tiempo máximo que debe cumplir. La relación agua / cemento debe ser menor a 0,40. El ACI establece que el tiempo debe ser mayor a 11 seg. y menor a 30 seg. El PTI establece que la diferencia de tiempo entre la fluidez inicial y la medida a los 30 min debe ser menor a 10 seg., y la norma europea que ambos ensayos deben cumplir con un tiempo menor a 25 seg. Estas 3 últimas miden el tiempo que tarda 1 lt de lechada en atravesar el cono.

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Fig. 2 y 3. Fluidez en cono de Marsh

3.5. Fluidez en inyección tixotrópica (Fluidity)

Una mezcla tixotrópica es aquella que muestra cambios apreciables de su viscosidad según el tiempo de agitación. Son poco comunes entre las mezclas de inyección. Solo la norma europea hace esta distinción, estableciendo en estos casos que la fluidez debe medirse según la extensión (o diámetro) del círculo formado por la lechada en un plano, luego de desmoldarse a los 30 seg. un molde de 39 mm de diámetro y 60 mm de altura.

(1: cilindro. 2: placa plana)

Fig. 4. Medición de fluidez en mezcla tixotrópica según norma europea

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3.6. Exudación (Bleed)

Tanto en el CIRSOC 201-82 como en la versión 2005, la exudación se mide como la cantidad de agua retenida en un tubo, evitando la evaporación, a 3 hs y 24 hs, en %. El límite es 2 % del volumen inicial después de 3 hs. en reposo, y a las 24 hs debe ser re absorbida. En el ACI es similar, pero el límite es 0 % a las 3hs hs en reposo.

Fig. 5. Ensayo de Exudación

En el PTI y en la norma Europea se establece un requerimiento adicional, midiendo la cantidad de agua y aire contenido en un tubo transparente con cordones de PT, inclinado 30 grados, de 80 mm de diámetro y 5 m de longitud, evitando la evaporación. Se mide la exudación a los 30 min y 24 hs. En ambos casos se requiere que la exudación sea menor a 0,3 % del volumen inicial después de 3 hs en reposo.

Este ensayo denominado de tubo inclinado, es el de más alto requerimiento para la calidad de lechadas de inyección. En el PTI se lo especifica solo en el caso de lechadas especiales o de altas exigencias (como pueden ser conductos verticales). En la norma europea se lo especifica solo si nunca se ha realizado antes con el equipo a utilizar.

Para lechadas comunes, la norma europea y el PTI recomiendan el ensayo de Exudación inducida.

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Fig. 6 y 7. Ensayo de Tubo inclinado

3.7. Exudación Inducida (Bleeding wick induced)

Solo establecidos en el PTI y en la norma europea, se agrega el ensayo de exudación inducida, midiendo la cantidad de agua retenida en un tubo transparente de 80 mm de diámetro y 1 mt de largo, evitando la evaporación, con cordones de PT en su interior, en posición vertical. En el PTI el límite es de 0 % del volumen inicial después de 3 hs en reposo, y en la euronorma el límite es de 0,3 % del volumen inicial después de 3 hs en reposo.

Fig. 8, 9 y10. Exudación inducida. Tubo vertical con cordón de PT

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3.8. Variación de Volumen (Volume change)

El tipo de ensayo coincide básicamente en todas las normas (aunque en alguna varía un poco el diámetro del tubo), y consiste en medir la cantidad de agua retenida en un tubo evitando la evaporación, a las 24 hs. En ambas versiones de CIRSOC, el límite de la variación de volumen es de + 10 %. En el ACI establece que la variación debe estar entre 0% y 4 %, y en la norma europea debe estar entre - 1% y + 5 %. El PTI compara la variación de altura de la probeta, que debe estar entre 0 % y + 1%.

Fig. 11. Ensayo de variación de volumen

3.9. Resistencia a la compresión (Compressive Strength)

Suele ser una característica física que las lechadas suelen cumplir sin problemas. El CIRSOC en sus dos versiones establece límites mínimos de

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27 MPa (1 probeta) o 30 MPa (serie de probetas), a los 28 días, en probeta cilíndrica. Las normas internacionales establecen límites entre 30 y 35 MPa a los 28 días en probetas cilíndricas.

3.10. Densidad húmeda (Density)

En el ACI, PTI y la norma europea, solo indican la forma de medir la relación masa / volumen, únicamente para establecer su valor, pero no es restrictivo y por lo tanto normalmente no se incluye en los programas de ensayos, solo en casos especiales.

3.11. Test de corrosión acelerada (Accelerated Corrosion test)

Solo indicado en el PTI, para lechadas especiales. Se determina una relación comparativa de la resistencia a corrosión de la lechada, mediante una celda de corrosión de 30 cm de diámetro y 40 cm de altura, con ánodo y cátodo. El PH debe ser > 11,5.

3.12. Exudación bajo presión (Schupack pressure bleed test)

Solo establecido en el PTI para lechadas especiales, se mide la cantidad de agua que pasa por un filtro mediante presión. El filtro es tal que retiene el 99,7 % de las partículas mayores a 0,3 micrones. Se utiliza un cilindro graduado de 10 mL y un compresor de aire. El requerimiento es tal que, dependiendo de la altura y presión, debe obtenerse entre 0 y 4 % de exudación.

4. Ejemplos de Ensayos realizados

Se realizaron una serie de ensayos para verificar la calidad de diferentes lechadas, probando distintos aditivos de diferentes proveedores del mercado local. El resultado de estos ensayos sobrepasa el alcance del presente trabajo, ya que no presenta ninguna innovación especial. Sin embargo, a modo de ejemplo, se incluye en el anexo I el informe y la planilla de resultado de los ensayos de las mezclas seleccionadas.

5. Propuesta de modificación para futura versión del CIRSOC 201, Cap. 23.

Puede observarse una notable dispersión en las prescripciones de las distintas normativas. Sin embargo lo que creemos más importante destacar es:

a) Distintas prescripciones según el tipo de estructura. Lechadas especiales

Podemos notar que las principales diferencias entre distintos reglamentos tienen que ver principalmente con el tipo de ensayo para medir la

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exudación, y el uso o no del tubo inclinado. En ambos casos, sería útil definir claramente (como lo hace el PTI) las ocasiones donde la lechada debe poseer características especiales y en qué casos no es necesario. Evidentemente, el requerimiento de una lechada para un losa de edificación (normalmente espesor de estructura del orden de 18 cm y diámetro interior de vaina de 20 mm) no debería ser el mismo que para el postesado vertical, típico en estructuras contenedoras de líquidos, o por ejemplo en tanques de gas natural licuado. En estos casos, el ensayo de tubo inclinado (no incluido en el CIRSOC) no puede estar ausente, y el ensayo de exudación inducida parece más realista que el especificado en el CIRSOC.

Fig. 12 Postesado vertical en tanques de GNL

Se propone entonces, la siguiente diferenciación entre tipos de lechadas según el uso:

Característica Lechada común Lechada especial

Tipo de postesado

Conductos poco profundos, diámetro reducido, cordones

relativamente cortos. Típicamente lo utilizado en

edificación

Cordones largos, gran diferencia de altura entre

puntos bajos y altos. Típicamente los utilizados

en puentes de vigas de gran altura

Tipo de Cemento Cualquier Cemento Portland

Normal

Cemento Portland seleccionado, con

características específicas y controladas

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Mezcla Cualquier mezcla de inyección

de vaina de PT

Mezcla específica para cada tipo de maquinaria de

inyección

Diseño de la mezcla Ensayo y error

Mezclas probadas y optimizadas. Uso de mezclas preparadas

previamente

Ensayo previo de aceptación de la mezcla

No necesario

Mezcla aprobada para cada maquinaria de inyección.

Ensayos de Fluidez, exudación, exudación

inducida, Tubo inclinado

Control de calidad de la mezcla en obra

A aplicar parcialmente SI

Control de calidad de componentes y

cantidades, en obra SI SI

Nota: Cordones cortos: hasta 30 m. Cordones poco profundos: hasta 0,80 m

Tabla 1. Características a cumplir por la mezcla según tipo de lechada

b) Lechadas comunes: Falta de consideraciones en CIRSOC 201-05

Las principales características a evaluar en las lechadas de inyección son la fluidez y la exudación, debido a que debe evitarse que queden espacios vacíos una vez fraguada la lechada.

El reglamento CIRSOC 201-05, en el ensayo de fluidez no establece un valor máximo. Esto no tiene precedentes en otros reglamentos y un tiempo excesivo en el paso de la lechada por el cono de Marsh (poca fluidez) puede generar que no se llenen todos los espacios vacíos del interior de la vaina, así como mangueras de inyección y zonas de anclajes y cuñas. Se recomienda en futuras revisiones del reglamento que se establezca un tiempo máximo en el ensayo de fluidez, en función del volumen. (Por ejemplo t < 25 seg como en CIRSOC 201-84 o t < 30 seg

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como en ACI, ambos casos para el paso de 1 lt de lechada).

En el ensayo de exudación establecido en el CIRSOC, los valores de agua retenida suelen ser del orden de un par de milímetros, lo que dificulta su medición con precisión. El ensayo de exudación inducida, con cordones de postesado incluidos dentro del tubo de ensayo, y de 100 cm de largo, parece ser más realista, aunque por supuesto, requiere más tiempo de preparación. Nuestra recomendación es la de establecer el ensayo de exudación inducida en una oportunidad para aceptación de la fórmula de la lechada, y el ensayo de exudación que actualmente indica el CIRSOC para el control en obra.

6. Conclusiones

Debido a una creciente preocupación en la última década en distintos países, la normativa internacional es cada más exigente respecto al diseño y control posterior de las lechadas usadas para la inyección de conductos de postesado. Se diferencian los tipos de lechada según el tipo de estructura (o características del postesado utilizado), definiendo para cada caso los controles que deben realizarse sobre la mezcla.

Se realiza una propuesta a ser evaluada, para futuras revisiones del reglamento CIRSOC, en cuanto a la definición de los tipos de ensayos, y algunas modificaciones puntuales en los controles en obra.

Más allá de los controles mediante ensayos de las mezclas para inyección, se hace hincapié también en el control de materiales y la mano de obra encargada de estas tareas. La tendencia es que en el futuro, los especialistas en postesado deberán demostrar su experiencia en el trabajo de inyección en estructuras postesadas. La ejecución del postesado y posterior inyección en Argentina deberían ser realizadas por empresas de postesado que dispongan un programa de certificación aprobado, tanto para sus materiales como el personal, como actualmente es exigido en Estados Unidos y Europa.

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7. Bibliografía

CIRSOC 201-84. Centro de Investigación y Reglamentos de las Obras Civiles de la República Argentina, Capítulo 27. 1984

CIRSOC 201-05. Centro de Investigación y Reglamentos de las Obras Civiles de la República Argentina, Capítulo 23. 2005

European Standard EN445. Grout for Prestressing Tendons. Test Methods. Oct 2007.

American Concrete Institute, ACI 301S-10. Sección 9. Especificación para el Concreto Estructural, Juio 2010.

Post Tensionig Institute. PTI M55.1-12 (USA), Specification for Grouting of Post-Tensioned Structures. Abril 2012.

VSL Grouting Manual, VSL Intenational Inc. Switzerland, Abril 2000.

VSL Grouting of Postensioning Tendons. Switzerland, Mayo 2002.

Federal Highway Administration, U. S Department of Transportation. FHWA Memo dated Nov23, 2011. Subject: Action: Elevated Chloride Levels in SG 300PT Cementitious Grout.

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Anexo I. Informes de Ensayos en Lechadas de Inyección

Programa de Ensayos de lechada de cemento para inyección de vainas de postesado

1. Introducción Se propuso adecuar las características de las lechadas de inyección de vainas, a

las características descriptas en las diferentes normas analizadas. El propósito de este informe es el de exponer lo equipos utilizados, los materiales

(cementos y aditivos) con los que disponemos en nuestro mercado, y las dosificaciones más adecuadas obtenidas para cada equipo.

2. Equipos

A continuación enumeramos los equipos operativos y sus características:

Equipo: Equipo

CG550/2C4/EHT Equipo 2.

VSL Mixopress

Descripción general

Equipo compacto de mezclado y

bombeo

Equipo compacto de mezclado y bombeo

Velocidad de mezclado 400 rpm 1500 rpm

Tipo de mezclador Agitador de flujo axial

Agitador de flujo radial, con impulsor con alabes a 30°

Tipo de bomba Bomba

helicoidal rotor/estator

Bomba helicoidal rotor/estator

Capacidad de tolva de mezclado 170 litros 90 litros

Capacidad de tolva de agitación/bombeo

n/a 90 litros

Presión de bombeo máx. 12 bar 10 bar

Motor Eléctrico/380 V - Hidráulico

Eléctrico/380 V

Origen U.S.A. Suiza

Tabla 2. Equipos utilizados en los ensayos de lechada de inyección

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Fig. 13.Equipo 1. VSL Mixopress Fig. 14 Equipo 2. CG550/2C4/EHT

3. Materiales

Se adjunta al informe las hojas técnicas de los siguientes materiales:

Material Nombre Fabricante

CEMENTO CPF40 Cementos Avellaneda

ADITIVO FLUIDIFICANTE Sikament S-Plus Sika Argentina

ADITIVO EXPANSOR INYEFLUID BASF Argentina

Tabla 3 Materiales utilizados

4. Ejecución de Ensayos

Se presentan a continuación una galería de fotografías tomadas durante la ejecución de los distintos ensayos.

Fig. 15, 16 y 17. Ejecución de los ensayos

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Fig 18, 19, 20 y 21. Ejecución de los ensayos

5. Resultados obtenidos En la búsqueda de las dosificaciones que cumplimentan todos los requisitos

expresados en las normas, se ha logrado determinar dosificaciones que generan lechadas con propiedades cercanas a las óptimas.

En la siguiente tabla se puede observar las dosificaciones para ambos equipos analizados.

Adjunto se encuentran las tablas resumen de los resultados de los ensayos correspondientes.

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Mezcla N°1 Mezcla N°2

Equipo: Equipo 1 CG550/2C4/EHT

Equipo 2. VSL Mixopress con bomba Inyectomat*

Relación a/c 0,34 0,34

Fluidificante: Sikament S-Plus 1,65% 1,45%

Expansor: INYEFLUID – BASF 0,2% 0,2%

Tabla 4. Dosificaciones óptimas para cada equipo

6. Conclusiones

Mezcla N°1

Demostró una fluidez inicial acorde a lo solicitado, y pasados 30 minutos la fluidez desmejora, aunque se mantiene dentro de los límites del ACI. Sin embargo, mediante el re mezclado del mismo durante 2 minutos restituye su fluidez a valores aceptables por la norma más exigente( EN: t

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