UNIVERSIDAD AUTNOMA DE NUEVO LEN FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL

MAESTRIA EN CIENCIAS CON ORIENTACION EN MATERIALES

DE CONSTRUCCION

Desarrollo de concretos de ultra alto desempeo con agregados del rea metropolitana de Monterrey, Mxico

Ing. Guillermo Hernndez Carrillo

Tabla de contenido Introduccin. ................................................................................................................................. 3 Materiales y mtodo de mezclado ................................................................................................ 7

Materiales .................................................................................................................................................7 Diseo de mezclas .....................................................................................................................................9 Mtodo de mezclado ..............................................................................................................................10

Matriz experimental ................................................................................................................... 11 Discusin de resultados .............................................................................................................. 12

Influencia del aumento de la relacin slice/cemento ..........................................................................12 Reemplazo del cemento por un filler inerte (micro polvo de caliza) .................................................13 Microscopa electrnica de barrido. .....................................................................................................14

Conclusiones ................................................................................................................................ 15 Anexo A ........................................................................................................................................ 15 Anexo B ........................................................................................................................................ 16 Referencias ................................................................................................................................... 19

Introduccin. El concreto hidrulico surgi para cubrir la necesidad humana de proveerse refugio y su uso se populariz rpidamente debido a su versatilidad, bajo costo y el fcil acceso a sus materias primas en cualquier latitud del planeta. Entre las principales ventajas del concreto hidrulico como material de construccin se encuentran la resistencia a compresin, durabilidad y baja necesidad de mantenimiento; sin embargo, las industria moderna de la construccin demanda concretos que tengan una mayor facilidad de colocacin, que sea dctiles y que alcancen resistencias a la compresin cada vez ms cercanas al acero, caractersticas que no haban tenido hasta ahora. El concreto de ultra alto desempeo fue desarrollado debido a los problemas que tiene el concreto usual cuando se requiere alcanzar resistencias arriba de los 150 MPa a compresin. A esos niveles de solicitaciones mecnicas, los agregados ven rebasada su resistencia y se fracturan provocando una reduccin en la seccin resistente del concreto que lleva a una concentracin mayor de esfuerzos en la matriz cementante lo cual conduce a una falla del material. Este tipo de concretos, a pesar de tener una alta resistencia a la compresin, siguen adoleciendo de la baja resistencia a la tensin usual del concreto. Para subsanar esta deficiencia estos concretos son reforzados con fibras de acero, de manera que sea autosuficientes y no requieran barras de acero de refuerzo. Ejemplos de concretos comerciales de ultra alto desempeo reforzados con fibras son 1:

a) Compuestos compactos reforzados (CRC) desarrollados por Aalborg Portland en Dinamarca, b) BSI desarrollado por el grupo Eiffage en Francia, c) Concreto de polvos reactivos (RPC) desarrollado por Bouyges en Francia, d) Concreto multi escala reforzado con fibras (MSFRC) desarollado por el Laboratoire Central des

Ponts et Chausses en Francia y e) Ductal desarrollado por Lafarge, Bouyges y Rhodia en Francia.

En los 70s Brunauer et al. Desarrollaron un concreto que sobrepas los 150 MPa con una relacin a/c de .2 utilizando cemento portland fino y carbonato de potasio (.5%) para controlar la hidratacin de los aluminatos de calcio. En los 80s Bache desarrollo el concreto llamado densificado con partculas pequeas (DSP). El DSP contena una gran cantidad de humo de slice, una nueva generacin de superplastificantes y agregados muy resistentes como la diabasa o la bauxita calcinada 1 El concreto de ultra alto desempeo ms usado es el concreto de polvos reactivos (RPC) los cuales tienen la capacidad de tener resistencias entre los 200 y 800 MPa y energas de fractura arriba de los 40 kJ m-2 2. Las races de este concreto se encuentran en las bases tericas desarrolladas por DeLarrard et al. Quienes desarrollaron el modelo de densidad empaquetamiento lineal (LPDM), el modelo de suspensin slida (SSM) y recientemente el modelo de empaquetamiento a compresin (CPM) 3. La composicin tpica de un UHPFRC es la siguiente: una muy baja relacin agua/cementante que puede ir de 0.16 a 0.24 lograda utilizando altas cantidades de cemento (955 kg/m3) y un alto contenido de humo de slice (240 kg/m3) u otros cementantes alternos, adems de una alta dosificacin de superplastificante (15 litros/m3). Las principales aplicaciones del RPC segn la literatura son las siguientes 1, 4:

Construccin de estructuras presforzadas sin refuerzo de acero. Tubos para el transporte de agua, aguas residuales u otros lquidos bajo presin. Bvedas de seguridad, contenedores de desechos nucleares y estructuras de defensa y aplicaciones que

requieren alta resistencia al impacto. Moldes de partes metlicas Secciones de puentes preestresadas. Mejor retorno de inversin Alternativas de diseo

o Espacios arquitectnicos

o Eficiencia del volumen de concreto o Disminucin de secciones como columnas o Disminucin de cargas muertas

Funcionalidad Esttica Industria de los prefabricados Durabilidad de las obras de infraestructura (ingreso de cloruros, ataque por sulfatos, etc) Mejores propiedades mecnicas (mdulo elstico, mdulo de ruptura, resistencia a la tensin, etc)

Algunas imgenes de estructuras de concreto fabricadas con concreto de ultra alto comportamiento se pueden observar en la figura 1.

Figura 1. a) Puente Mars Hill en el condado Wapello, Iowa, EUA 5 b) puente peatonal Sherbrooke, Quebec, Canad 5 c) Puente peatonal Glenmore/Legsby, Calgary, Alberta, Canad 5 d) Puente peatonal de la paz, Seoul, Corea del Norte 5 Para lograr un concreto de altas propiedades se deben aplicar de los siguientes principios bsicos 2, 6:

Mejorar la homogeneidad eliminando el agregado grueso Mejorar la densidad compactada optimizando la mezcla granular y aplicando presin antes y

durante el fraguado Utilizar superplastificanes de alta calidad, para lograr una baja relacin agua/cementante que

reduzca la porosidad y aumente la resistencia. Aumentar la densidad de la mezcla mediante la inclusin de cementantes adicionales (ceniza

volante, escoria granulada, humo de slice). Mejorar la microestructura con tratamiento de calor despus del fraguado Mejorar a ductilidad incorporando pequeas fibras de acero Mantener las condiciones de colocado y mezclado tan cerca como sea posible a las prcticas

comunes.

La dureza de los agregados en general es mayor que la de la pasta de cementantes. Un ejemplo es que el mdulo de elasticidad de la slice es de 70 GPa, comparado con los 18 a 22 MPa de la pasta 2.

A pesar de que los agregados utilizados usualmente en la generacin de estos concretos son en general de altas prestaciones como lo pueden ser: el granito, la diabasa, el cuarzo molido, la arena de origen silceo, el basalto, la bauxita sinterizada o en algunos casos partculas finas de acero, existen algunos estudios que reportan la posibilidad de usar a la caliza o el vidrio reciclado como reemplazo de este tipo de agregados 7, 8, 9 y 9. Segn Richard y Cheyrezi uno de los problemas principales en el concreto es la falta de homogeneidad por lo que propone lo siguiente 2:

Eliminacin de los agregados gruesos, reemplazados con arena fina, de 600 micrmetros de tamao mximo.

Mejoramiento de las propiedades mecnicas de la pasta. Reduccin en la relacin agregado/matriz.

De acuerdo con Richard [2], los agregados en el concreto conforman un conjunto de inclusiones rgidas en la matriz. Cuando se aplica una fuerza de compresin aparecen esfuerzos de tensin y cortantes en la interface pasta/agregado que genera rajaduras en la pasta. El tamao de esas rajaduras est relacionado con el tamao de la zona bajo esfuerzo cortante o de tensin. En el caso de una inclusin esfrica, el tamao de la rajadura ecuatorial es directamente proporcional al dimetro de la inclusin. Para los RPC, con una reduccin en el tamao del agregado ms grueso por un factor de 50 (por ejemplo 400 micrmetos en vez de 20 mm), se obtiene una importante reduccin en el tamao de las microfisuras de los siguientes orgenes:

Mecnico (cargas externas) Qumico (contraccin autgena) Termo-mecnico (expansin diferencial entre la pasta y el agregado bajo los efectos del tratamiento de

calor

Aun cuando la hiptesis de Richard y Cheyrezy establece un rango prohibitivo de tamao mximo de los agregados, investigadores han hecho concreto de ultra alto comportamiento sin remover la seccin gruesa llegando hasta los 20 mm de tamao mximo de agregado 6. Collepardi 9 demostr que el uso de un agregado bien graduado de 8 mm. de tamao mximo puede reemplazar a la arena fina de cuarzo de tamao micromtrico propuesto por Richard y Cheyrezy para el concreto de polvos reactivos. En su estudio fabric concreto con agregado calizo bien graduado y lo compar con un concreto de polvos reactivos convencional, el cual contuvo arena de cuarzo molida finamente. Concluy que la adicin de agregado graduado no reduce la resistencia a compresin provista por la calidad de la matriz cementante, este estudio contrasta con la visin original del concreto de polvos reactivos. Chong 6 se fue al extremo al incluir agregado grueso de tamao mximo de 19 mm en su intento de producir un concreto de ultra alto comportamiento que pudiera fabricarse con tecnologas comunes. Seala en su estudio que al incluir polvo de caliza la hidratacin de la alita se ve acelerada y que a su vez sta mejora la compactacin y dispersin del hidrxido de calcio en el gel de C-S-H al igual que juega un papel importante en la cristalizacin. Los agregados ocupan tres cuartas partes del volumen total del concreto, es fcil pensar que sus caractersticas juegan un papel importante en el desempeo del mismo. Las fisuras se generan usualmente en las interfaces, posteriormente crecen a travs de la matriz, cuando la propagacin de una grieta alcanza al agregado grueso, ste sirve barrera provocando un serpenteo en la propagacin y ramificacin de la misma. Estos mecanismos dependen en gran medida de las caractersticas de los agregados, especialmente de la textura superficial y forma, y la diferencia que exista entre la resistencia de la matriz cementante y los mismos 8. La evaluacin de la resistencia a compresin de un agregado a travs de la prueba de ncleos de roca slida puede ser engaosa. En las formaciones rocosas existen de manera cotidiana planos preferenciales de falla provocados por el proceso de consolidacin de la misma. Al triturar el agregado y reducirlo a partculas pequeas, es posible que stos ya no signifiquen un problema. La experiencia ha mostrado, sin embargo,

que la bauxita sinterizada, el korund, el basalto y el cuarzo tienen relativamente mucha mayor resistencia que la caliza y el granito [8]. En la tabla 2 se puede observar la resistencia a compresin del ncleos de roca realizados en el estudio y en la figura 3 podemos comparar cmo el agregado influye en el desempeo del concreto.

Tabla 2. Resistencia a compresin de ncleos de roca [8]

Basalto Caliza Cuarzo Granito Resistencia a compresin (MPa) 252 83 70 102

Figura 2. Influencia del agregado en la resistencia a compresin del concreto [8].

A partir de la comparacin entre la tabla 2 y la figura 2, es posible deslumbrar que el desempeo del concreto es mejor que el de los ncleos de roca, por lo que se descarta la posibilidad de poder afirmar de manera categrica que el desempeo del agregado en el concreto es el mismo que el que se obtiene de este tipo de pruebas. Durn 11 hizo un estudio con agregados disponibles comercialmente en la zona noreste de Mxico, una parte de sus resultados se pueden observar en la tabla 3, en sus datos se puede vislumbrar que el desempeo de la caliza es menor que el de agregados de origen gneo o sliceo, sin embargo, la diferencia de resistencias entre los morteros no es muy grande. Tabla 3. Resistencias a compresin de morteros (MPa) y porcentaje de resistencia con respecto al mortero de caliza [11].

Caliza Piedrita de reynosa Andesita Arena silica

Resistencia a compresin (MPa) 92.6 103.1 (111%) 107.9 (117%) 110.4 (119%)

050

100150200250300350400450

Korund Basalto Caliza Cuarzo Granito Bauxita

Resis

tenc

ia a co

mpresin (M

Pa)

Tipos de agregado

Curado estndar Curado por vapor Autoclave Presin+vapor

El impacto del tipo de agregado es ms sensible en el concreto de alta resistencia. La energa de fractura, rigidez y resistencia del concreto depende significativamente en el tipo de agregado con el que se fabrica 11. Reda 9 compar las propiedades de un concreto de ultra alto comportamiento fabricado con caliza contra las propiedades de uno fabricado con bauxita sinterizada. Entre sus conclusiones est que con un 35% de volumen de pasta se pueden alcanzar resistencias de 200 MPa si el agregado es bauxita, por el contrario, para alcanzar el mismo desempeo con agregado calizo sera necesario que la pasta ocupara del 60 al 70% del volumen del concreto. El objetivo de este trabajo es verificar la posibilidad de a produccin de concretos de ultra alto comportamiento con resistencias de 150 MPa o mayores utilizando materiales locales comercialmente disponibles en Monterrey y agregado local.

Materiales y mtodo de mezclado Materiales El cemento utilizado fue un cemento tipo CPO 30 R RS BRA segn las normas mexicanas 13Error! No se encuentra el origen de la referencia. de 3.13 gr/cm3 de gravedad especfica, se utiliz un humo de slice con una gravedad especfica de 2.3 y un rea superficial de 21.63 m2/gr, como micro filler se utiliz micro polvo de caliza con una densidad de 2.68. La Error! No se encuentra el origen de la referencia. presenta las caractersticas qumicas y fsicas de los cementantes utilizados, mientras que la composicin en fases del cemento se presenta en la Error! No se encuentra el origen de la referencia.. Se hicieron anlisis de difraccin de rayos X tanto para el cemento como la microslice para verificar microestructura, los resultados se presentan en las Figura 1Figura 2. Se obtuvo la distribucin granulomtrica de todos los materiales utilizados con un analizador de difraccin lser de la marca MICROTRAC. La prueba se hizo en soluciones de los materiales en alcohol isoproplico, a todas las muestras se les aplic ultrasonido para evitar aglomeraciones, los resultados se presentan en la Figura 3, en el caso de la arena se crib manualmente y la fraccin menor a la malla 100 fue la analizada por lser. El aditivo superfluidificante fue uno basado en policarboxilatos de densidad 1.14 gr/cm3 y un contenido de slidos del 54.54%

Tabla 1 Propiedades del Cemento Portland y el humo de slice

Tabla 2 Compuestos potenciales de Bogue del Cemento

Composicin en xidos (%)

Cemento Microslice

SiO2 20.5 94.93 Al2O3 3.6 .76 Fe2O3 4.46 .05 CaO 64 0.41 MgO 1.6 .36 SO3 2.68 - K2O 0.27 .81 Na2O 0.17 - P2O5 - .36 MnO - .03 Prdida por ignicin (%) 2.7 2.3

Densidad (gr/cm3) 3.13 2.31

Fase Porcentaje C3S 66.3 C2S 8.7 C3A 2.1 C4AF 13.6

Fineza (m2/kg) 362.9 21630

Figura 1 Difractograma de rayos X del cemento

Figura 2 Difractograma de rayos X de la microslice.

1.- C3S 2.- C2S 3.- C3A 4.- C4AF H.- Hemihidrato Y.- Yeso

Cr.- Cristobalita

Figura 3 Distribucin granulomtrica de los materiales usados

Diseo de mezclas El diseo de mezclas se bas en los siguientes parmetros:

Se busc obtener una distribucin granulomtrica de toda las mezcla que se asemejara en la medida de lo posible al modelo de Andreasen y Andersen modificado con un q de .25 y tamaos mximo y mnimo de 4750 y .486 micrmetros respectivamente [14], [15], para este propsito se sumaron los porcentajes en peso que pasan de todas las secciones tanto de agregados como de materiales cementantes = $ $$ $

Donde: P (D): es una fraccin del total de solidos que son menores que el tamao D, D: es el tamao de partcula en micrmetros Dmx: es el tamao mximo de partcula en micrmetros Dmn: es el tamao mnimo de partculas en micrmetros q: es el mdulo de distribucin.

Debido a la debilidad del agregado calizo se dise la pasta de manera que ocupara ms del 50 por ciento del volumen del mortero [10]

Se utiliz un cemento Prtland con una composicin qumica que contiene un bajo contenido de C3A significativamente menor que el 8% [5], debido a que requieren de menos agua y la relacin agua/cemento puede reducirse ms [2]. Otro efecto que se ha reportado en el concreto hecho con cemento con un alto contenido de C3A, es que ste reacciona con los aditivos superfluidificantes base policarboxilato, los cuales son los ms usados en el concreto de ultra alto comportamiento, debido a que el radical COO- que existe en los aditivos reacciona formando compuestos organominerales [16]. La mezcla base fue de una relacin agua/cemento de .25

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.1 1 10 100 1000 10000

Porcen

taje que

pasa

Tamao en micrmetros

Cemento Micro slice Arena Micro polvo de caliza

Se busc a travs de la dosificacin del aditivo que se obtuvieran mezclas de alrededor de 30 +- 3 cm de extensibilidad en el cono de mini slump [17]. Las mezclas para conocer la cantidad de aditivo ptimo se muestran en el anexo A.

Se investig la adicin de micro slice entre un 5 y 25 por ciento [2], los clculos para determinar la cantidad ptima de micro se presentan en el anexo B.

Se realizaron tres sustituciones en volumen de cemento por micro polvo de caliza hasta llegar a la mnima relacin agua cemento que se hidrata completamente para una adicin de 14 por ciento de micro slice a partir del modelo desarrollado por Jensen en [18]. Los clculos para determinar la mnima relacin agua/cemento para una adicin de 14% de micro slice que se hidrata completamente se muestran en el anexo C.

Mtodo de mezclado Las mezclas de ajuste de aditivo se hicieron en bachadas de 1 litro en una batidora planetaria Hobart N50A (Figura 4) con el siguiente procedimiento:

1. Todos los polvos se adicionaron con prcticamente la totalidad del agua de mezcla exceptuando una pequea cantidad que se dej para diluir el aditivo fluidificante, esto con el objetivo de utilizar en su totalidad al mismo pues es muy viscoso.

2. Se da un mezclado de 4 minutos inicial a velocidad 1 para poder homogenizar los materiales, al trmino del minuto 4 se adiciona el aditivo fluidificante y se mezcla un minuto adicional.

3. Al minuto 5 se detiene la mezcla y se procede a un raspado general 4. Posteriormente se pasa a velocidad 2 para completar 8 minutos.

*En el caso del sistema de adicin de 25% de humo de slice el tiempo en velocidad 1 se alarg 3 minutos en lugar del minuto utilizado en las dems mezclas, todo el dems proceso se mantuvo igual.

Figura 4 Mezcladora Hobart.

Para el mezclado de las formulaciones con cantidades de aditivo optimizadas se hicieron bachadas de 2.5 litros, se utiliz una mezcladora planetaria marca UNIVEX de 14.21 litros de capacidad se sigui el siguiente procedimiento:

1. Todos los polvos se adicionaron con prcticamente la totalidad del agua de mezcla exceptuando una pequea cantidad que se dej para diluir el aditivo fluidificante, esto con el objetivo de utilizar en su totalidad al mismo pues es muy viscoso.

2. Se da un mezclado de 4 minutos inicial a velocidad 1.5 para poder homogenizar los materiales, al trmino del minuto 4 se adiciona el aditivo fluidificante y se mezcla un minuto adicional.

3. Al minuto 5 se detiene la mezcla y se procede a un raspado general 4. Posteriormente se pasa a velocidad 4 para completar 8 minutos.

*En el caso del sistema de adicin de 25% de humo de slice el tiempo en velocidad 1 se alarg 3 minutos en lugar del minuto utilizado en las dems mezclas, todo el dems proceso se mantuvo igual.

Terminada las mezclas se virtieron, sin vibrar ni compactar, en el cono que marca la norma ASTM C 230/C 230 M, una vez enrasado el cono se removi y la extensibilidad fue medida una vez que la mezcla detuvo su movimiento, se tomaron dos medidas y se promediaron los resultados. Simultneamente se midi el peso volumtrico y el contenido de aire a travs del procedimiento descrito en la norma ASTM C185. Se llenaron un total de 4 moldes de tres celdas por sistema para hacer pruebas de compresin a las edades de 3,7,28 y 56 das.

Figura 5 Mezcladora Univex

Matriz experimental A continuacin se presentan la matriz experimental realizada, junto con las propiedades de las mezclas en estado fresco

Tabla 3 Diseo de mezclas y propiedades en estado fresco

Materiales Sistema

1 Sistema

2 Sistema

3 Sistema

4 Sistema

5 Sistema

6 Sistema

7 Agua 198 197 194 185 193 189 186 Aditivo 4 6 11 33 14 20 26 Cemento 799 800 796 800 602 484 404 Micro slice 0 40 111 200 84 68 56 Micro polvo de caliza 0 0 0 0 165 265 332 Arena 1372 1329 1241 1147 1270 1285 1294 Relacin a/c1 0.25 0.25 0.25 0.25 0.33 0.41 0.49 Relacin s/c2 0.00 0.05 0.14 0.25 0.14 0.14 0.14 Reemplazo en peso de cemento por filler 0 0 0 0 22% 35% 45%

Reemplazo en volumen de cemento por filler 0 0 0 0 24% 39% 49%

Extensibilidad (cm) 31.5 29.25 30 27 30.75 28 23.25 Peso volumtrico (g/cm3) 2.40 2.37 2.35 2.30 2.35 2.34 2.31

Contenido de aire terico (%) 1.80 2.56 2.86 4.05 1.92 1.81 2.50

1 La relacin agua/cemento (a/c) se calcul en base al agua de reaccin que viene dada por la suma del agua adicionada ms el contenido lquido del aditivo 2 La relacin micro slice cemento (s/c) se calcula dividiendo la cantidad de micro slice entre la cantidad de cemento portland

Discusin de resultados Influencia del aumento de la relacin slice/cemento Las propiedades de la microslice como un cementante suplementario han sido verificadas en innumerables ocasiones, tanto su efecto como acelerador de la reaccin de hidratacin del cemento como su reaccin puzolnica con el hidrxido de calcio son conocidos [18], [19]. Debido a que el hidrxido de calcio es una fase dbil en relacin a los dems productos formados en una matriz base cemento prtland su remocin a travs de la reaccin puzolnica debiera generar matrices mecnicamente ms resistentes, esa es la razn por la cual se experiment con la adicin de este polvo reactivo. Partiendo de una mezcla base de relacin agua/cemento .25 con un consumo de 800 kg/m3 de cemento se fue adicionando desde el 5% en peso de cemento hasta llegar al 25%. Los resultados de compresin se presentan en la Figura 6. Se puede apreciar que la resistencia a compresin tiende a aumentar con el aumento de microslice, sin embargo, en el sistema ms rico en micro slice se ve una reduccin de la misma. Este comportamiento puede deberse a que los morteros con tan altas cantidades de microslice tienden a ser muy viscosos y por lo tanto tienen mayor cantidad de aire atrapado produciendo matrices ms porosas y dbiles a pesar de que la matriz cementante en si misma pudiera ser ms resistente. El aumento de aire en las mezclas es directamente proporcional al aumento de microslice (Figura 7), en los resultados de compresin podemos ver que debe existir un mximo en el que la mejora de las propiedades de la matriz por parte de la adicin de microslice a las mezclas se ve eclipsado por el aumento de porosidad de las mezclas. Otro fenmeno interesante es la demanda de aditivo superfluidificante para obtener la extensibilidad objetivo (30 3 cm) es exponencial con respecto al aumento de adicin de microslice. En el caso de la adicin de 25% de micro slice se alcanz el lmite de adicin de aditivo (ver Anexo A), a mayores adiciones no se observ una mejora en la extensibilidad. En ese caso en especfico no se pudo replicar el comportamiento de la batidora Hobart en la UNIVEX de mayor capacidad por lo que se repetirn todos los sistemas para verificar los resultados.

Figura 6 Influencia de la relacin s/c en la resistencia a 28 das.

80.0

90.0

100.0

110.0

120.0

130.0

140.0

150.0

160.0

170.0

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25

Resis

tenc

ia (M

Pa)

Relacin s/c

Figura 7 Influencia de la adicin de micro slice

en el aire atrapado Figura 8 Influencia de la relacin s/c en el

consumo de aditivo superplastificante

Reemplazo del cemento por un filler inerte (micro polvo de caliza) Debido a las altas cantidades de cemento anhidro se investig la posibilidad de reemplazar el cemento en lo posible (14). Se parti del sistema con 14% de adicin de micro slice puesto que ste alcanz los 150 MPa de resistencia que eran el objetivo de la investigacin, se presentan 3 reemplazos desde el 24 hasta el 49% en volumen del cemento por micro polvo de caliza cuyo objetivo fue determinar si una pasta tericamente ms hidratada podra ser al menos igual de efectiva que el sistema de mayor xito.

Figura 9 Efecto del remplazo de cemento en las resistencia.

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

3.50

4.00

4.50

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25

Aire atrap

ado (%

)

Relacin s/c

0

5

10

15

20

25

30

35

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25

Cantidad

de ad

itivo

(kg/m3)

Relacin s/c

0.0

20.0

40.0

60.0

80.0

100.0

120.0

140.0

160.0

180.0

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Resis

tenc

ia (M

Pa)

Reemplazo en volumen

3 dias 7 das 28 das

La sustitucin se hizo en volumen para evitar que el aumento de pasta dificultara la apreciacin del efecto del filler en las mezclas. En la Figura 9 se puede apreciar que aunque las mezclas con menores cantidades de cemento tericamente estn ms hidratadas los agregados influyen grandemente en la resistencia a compresin, comprobando lo visto por [8],[10],[11]. Estos resultados no significan que no sea posible reemplazar cemento, simplemente se muestra que es necesario un material con una resistencia mayor o igual a la del cemento sin hidratar.

Microscopa electrnica de barrido. Se le hizo una microscopa electrnica de barrido a una muestra pulida al sistema de adicin de 14 por ciento de microslice para observar su estructura microsestructural y ver si se podra encontrar portlandita en la misma. En la Figura 10 se puede observar el alto grado de densificacin que tiene la matriz, al igual que la gran cantidad de cemento anhidro en forma de los puntos blancos [20], se asume eso a partir de que los elementos ms densos aparecen ms brillantes en las imgenes de electrones retrodispersados. Al observar las figuras no se pueden observar los caractersticos cristales hexagonales de portlandita, en cambio podemos observar que prcticamente la mitad del rea de la pasta permanece anhidra.

Figura 10 Micrografas obtenidas con electrones retrodispersados del sistema de 14% de adicin de

micro slice.

Conclusiones La fabricacin de mortero de ultra alto desempeo con agregado calizo es posible a relaciones

menores slice/cemento que las reportadas por la literatura (.14) El aumento de microslice solo mejora las propiedades s la viscocidad de la mezcla se mantiene

baja puesto que viscocidades altas atrapan mayores cantidades de aire El aumento de microslice incrementa la demanda de aditivo de manera exponencial cuando se

quiere obtener una fluidez equivalente. Es necesario un consumo mnimo de 800 kg/m3 de cemento y una relacin a/c de .25 para poder

alcanzar 150 MPa, an cuando gran parte de cemento se mantiene anhidro, las partculas de cemento sin hidratar funcionan bien como agregado.

El mayor reemplazo en volumen de cemento por micropolvo de caliza que an alcanza los 100 Mpa es .39.

Los cubos de mortero de dos pulgadas no son la mejor manera de evaluar este tipo de mezclas, puesto que provocan una gran dispersin de los resultados.

Anexo A Se presentan a continuacin los ajustes de mezclas que se hicieron en la mezcladora Hobart para obtener en la medida de lo posible formulaciones que obtuvieran una extensibilidad de 303 cm Tabla 4.

Tabla 4 Tanteos para obtener la cantidad de aditivo ptima

Sistema Relacin a/c efectiva Relacin s/c

Reemplazo por micro polvo en

volumen (%)

Gramos de aditivo/kilogramo

de polvo Extensibilidad

1 0.25 0 0 5 31.75 2 0.25 0.05 0 6 19.1 2 0.25 0.05 0 8 32.25 3 0.25 0.14 0 13 31.75 4 0.25 0.25 0 31 29.25 4 0.25 0.25 0 33 27.25 4 0.25 0.25 0 35 29.5 5 0.33 0.14 24.24 16 28 5 0.33 0.14 24.24 17 29 6 0.41 0.14 39.02 20 22 6 0.41 0.14 39.02 25 27 7 0.49 0.14 48.98 33 23.5 7 0.49 0.14 48.98 41 25 7 0.49 0.14 48.98 52 25

Una vez obtenida la cantidad de aditivo necesaria para alcanzar la extensibilidad objetivo se procedi a hacer las mezclas definitivas en la mezcladora Univex, stos fueron los resultados:

Tabla 5 Extensibilidad de las mezclas finales.

Sistema Relacin a/c efectiva Relacin s/c

Reemplazo por micro polvo en

volumen (%)

Gramos de aditivo/kilogramo

de polvo Extensibilidad

1 0.25 0 0 4.75 31.5 2 0.25 0.05 0 7.6 29.25 3 0.25 0.14 0 12.35 30 4 0.25 0.25 0 33 27 5 0.33 0.14 24.24 16 30.75 6 0.41 0.14 39.02 28 25 7 0.49 0.14 48.98 33 23.25

Anexo B Para el clculo de la relacin de dixido de silicio con respecto al cemento se sigui el siguiente procedimiento: Para la determinacin de la cantidad de moles de silicatos clcicos presentes en el cemento se necesita conocer el peso molar de cada uno, se supusieron composiciones puras para simplificar el clculo. Masas molares de los elemento presentes en los silicatos clcicos:

Clculo de la masa molar de los silicatos clcicos Silicato clcico Cantidad de Ca

(gr/mol) Cantidad Si (gr/mol)

Cantidad de O (gr/mol)

Masa molar (gr/mol)

C3S 3*(40.078) 1*(28.086) 3*(15,999)+2*(15,999) 228.315 C2S 2*(40.078) 1*(28.086) 2*(15,999)+2*(15,999) 172.238

S=SiO2=28,086+2*(15,999)=60.006 gr/mol Conociendo las masas molares de los silicatos clcicos presentes en el cemento se procede a calcular la cantidad de moles de cada uno presentes en un gramo de cemento. C,S = %/012 40 567 89 8: ;8?@@ BCDEFGH IHJKL MFJ N6O = %/012 40 567 89 8: ;8?@@ BPPQ.,BS CD/UVW Ec.1 CPS = %/012 4 5X7 89 8: ;8?@@ BCDEFGH IHJKL MFJ NXO = %/012 40 5X7 89 8: ;8?@@ BBYP.P,Q CD/UVW Ec.2 De acuerdo a [16] un modelo de hidratacin de los silicatos clcicos que se aproxima a la reaccin del cemento es el siguiente:

C3S+5.3HC1.7SH4+1.3CH C2S+4.3H C1.7SH4+0.3CH

Elemento Masa molar (gr/mol) Calcio 40.078 Oxgeno 15.999 Silicio 28.086

A partir del modelo se calculan los moles de hidrxido de calcio (CH) producidos por la hidratacin de los silicatos de calcio: N6O = %/012 40 567 89 8: ;8?@@ BPPQ.,BS CD/UVW 1.3 NXO = %/012 40 5X7 89 8: ;8?@@ BBYP.P,Q CD/UVW 0.3 Al sumar ambos contenidos podemos conocer la cantidad de moles de hidrxido de calcio que se producirn de llegarse a hidratar la totalidad de los silicatos clcicos. Durante la reaccin puzolnica se consume el hidrxido de calcio, suponiendo que se formar un CSH del tipo C1.7SH1.3 se necesitarn 1.7 moles de CH por cada uno de S amorfo. = `H`KJ1.7 = `H`KJ1.7 60.006 A partir de lo establecido se proceder con el clculo de la cantidad de S reactivo para consumir todo el CH Compuestos potenciales de Bogue del cemento

Fase Porcentaje en Peso C3S 66.5 C2S 8.6 C3A 2.0

C4AF 13.6 Composicin en xidos de la micro slice.

Composicin en xidos (%) Microslice

SiO2 94.93 Al2O3 .76 Fe2O3 .05 CaO 0.41 MgO .36 SO3 - K2O .81 Na2O - P2O5 .36 MnO .03

Prdida por ignicin (%) 2.3

Densidad (gr/cm3) 2.31 Fineza (m2/kg) 21630

Calculando para un gramo de cemento `H`KJ(moles) = % C,S228.315 gr/mol 1.3 + % CPS172.238 gr/mol 0.3 `H`KJ = .vvSPPQ.,BS CD/UVW 1.3 + .wQvBYP.P,Q xy: 0.3 =0.003938 moles

Cantidad de SiO2 en gramos necesaria para consumir todo el CH = `H`KJ1.7 % 60.006 = 0.003938 1.7 .95 60.006 = . 146 Anexo C De [18] se extraen las siguientes ecuaciones, que permiten conocer los volmenes de productos de hidratacin y los tipos de agua que se encuentran en la pasta hidratada

Agua Capilar (Vcw) = G(+ .42 .5 )G + (G + ) Contraccin qumica (Vcs)

= G(.000064 + .00022)G + (G + ) Agua de gel (Vgw)

= G(.19 + .5)G + (G + ) Gel slido (Vgs)

G = (G + ( + . 23 .000064 .00022 ))G + (G + ) Cemento sin hidratar (Vuc)

G = (1)GG + (G + ) Micro slice sin hidratar (Vus)

G = (1)GG + (G + ) Hidratacin mxima . 42 + .5 Relacin a/c mnima que se hidrata completamente . 42 + .5

Donde:

ac= Relacin agua cemento

sc= Relacin slice cemento

pc= Densidad de la microslice

pc= Densidad del cemento

pw= Densidad del agua

= Grado de hidratacin

A partir de las ecuaciones presentadas se puede calcular cuanto cemento se puede reemplazar de manera que el cemento que quede se encuentre completamente hidratado.

Para una relacin slice cemento de .14 (la cual fue la mnima que alcanz los 150 MPa) tenemos que podemos reemplazar cemento hasta tener una relacin a/c efectiva de .49 (.42+.5*.14=.49

Referencias 1. Soutsos M., Stephen M., Konstantinos K, Mix Design, Mechanical Properties, and Impact

Resistance of Reactive Powder Concrete (RPC) International RILEM Workshop on High Performance Fiber Reinforced Cementitious Composites in Structural Applications (2006) pp. 549-560

2. Richard P., Marcel C. Composition of reactive powders Cement and Concrete Research (1995), Vol. 25, No. 7, pp 1501-1511

3. Cwirzen A, V. Penttala, C. Vornanen. Reactive poder based concretes: Mechanical propierties, durability and hybrid use with OPC, Cement and Concrete Research 38 (2008) pp. 1217-1226

4. Graybeal, B., Ultra-High Performance Concrete, TechNote, FHWA-HRT-11-038, Federal Highway Administration, McLean, VA, 2011.

5. Henry G., Graybeal B. Ultra-High Performance Concrete: A State-of-the-Art Report for the Bridge Community, FHWA, U.S. Department of Transportation, FHWA-HRT-13-060, McLean, VA, 2013.

6. Wang C., Changhui Y, Chaojun W., Xingcheng P., Preparation of ultra-high performance concrete with common technology and materials, Cement and Concrete Composites 34 (2012) pp. 538-544

7. S.L Yang, S. G Millard, M. N. Soutsos, S.J. Barnett, T.T. Le. Influence of aggregate and curing regime on the mechanical properties of ultra-high performance fibre reinforced concrete (UHPFRC) Construction and Building Materials 23 (2009) pp. 2291-2298

8. Serdar Aydin, Halit Yazici, Mert Ycel Yardimci, Hseyin Yiiter Effect of Aggregate Type on Mechanical Propertiesof Reactive Powder Concrete Cement and Concrete Research 31 (2001)

9. Collepardi, S.; Coppola, L.; Troli, R.; and Collepardi, M., Mechanical Properties of Modified Reactive Powder Concrete, Cement and Concrete Composites, V. 21, 2004, pp. 51-62.

10. Reda M.M, N.G. Shrive, J. E Gillot. Microstructural investigation of innovative UHPC Cement and concrete research (1999) pp. 323-329

11. Durn A. Desarrollo de compuestos densificados-reforzados base cemento Prtland CPO 40 de la compaa CEMEX Tesis Doctoral, UANL, 2003.

12. Wu K., Bing C., Wu Y., Dong Z. Effect of coarse aggregate type on mechanical properties of high-performance concrete Cement and concrete research (2001) pp. 1421-1425

13. NMX C-414-ONNCCE-2004 14. R. Yu, P. Spiesz, H.J.H. Brouwer, Mix design and properties assessment of Ultra-High

Performance Fibre Reinforced Concrete (UHPFRC), Cement and Concrete Research 56 (2014) pp. 20-39

15. Browers H., Radix H.J Self compacting concrete: the role of the particle size distribution First International Symposium on Design, Performance and Use of Self-Consolidating Concrete SCC'2005 - China, 26 - 28 May 2005

16. Atcin, P. Binders for durable and sustainable concrete, 2008. 17. Wille K., A. E. Naaman, and G. J. Parra-Montesinos Ultra-High Performance Concrete with

Compressive Strength Exceeding 150 MPa (22 ksi): A Simpler Way ACI Materials Journal, No. 108-M06, Enero-Febrero 2011

18. Jensen O. Autogenous deformation and RH-changeself-desiccation and self-desiccation shrinkage. Appendix-measurements and notes (en Dans), Building Materials Laboratory, The Technical University of Denmark, Lyngby, Denmark, 1993

19. Lothenbach B., Scrivener K., Hooton R., Supplementary cementitious materials Cement and Concrete Research 41 (2011) pp. 12441256

20. Blandine A., Essad B., Bernard G. Comparison of the weathering behavior of a very high strength concrete with that of a standard concrete Cermica 54 (2008) pp. 388-394