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NUEVAS TECNOLOGÍAS DEL CONCRETO - Ing Pasquel
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SEMANAINGENIERÍA
CIVIL2013
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NUEVAS TECNOLOGÍAS NUEVAS TECNOLOGÍAS EN CONCRETOEN CONCRETO
Ing. Enrique Pasquel Carbajal
Trujillo, 13 de Noviembre 2013
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Porqué son tan importantes las Porqué son tan importantes las
fisuras?fisuras?
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Distribución de las Fallas según las etapas del Proceso Constructivo
Materiales4.5%
Uso y Matenimiento
7.5%
Ejecución51.0%
Proyecto37.0%
Estadística del origen de Fallas en Estructuras de ConcretoEstadística del origen de Fallas en Estructuras de Concreto
Fuente : J. Calavera “Patología de las Estructuras de Hormigón Armado y Pretensado”
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Núm
ero
de
caso
s %
(%) > 100 por manifestación múltiple
0
10
20
30
40
50
60
70 Fisuras
Oxidación dearmadurasRotura delhormigónAtaque alhormigónDeformacionesexcesivasOtras
118
62
20 22
15
Distribución según el Tipo de Falla producida
Estadística del origen de Fallas en Estructuras de ConcretoEstadística del origen de Fallas en Estructuras de Concreto
Fuente : J. Calavera “Patología de las Estructuras de Hormigón Armado y Pretensado”
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Consecuencias de la Fisuración
• Alarma y Problemas• Diagnóstico y Trascendencia• Tratamiento y/o Reparación• Efecto en durabilidad• Reducción de tiempo de vida útil• Efecto en sustentabilidad• Problema recurrente• Costos de Mantenimiento y/o
Reparación y/o Rehabilitación de Estructuras de Concreto en USA ~ $ 20,000 Millones/año
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ANTECEDENTES : Sellado Autógeno Autogenous Healing
• Fenómeno conocido hace mucho tiempo (Academia Francesa 1836,Turner 1937)
• Fisuras muy finas ( 0.1 mm a 0.2 mm)
• Agua + CO2 + Ca(OH)2 = CO3Ca
• Humedad continua• Fisuras estáticas• Funciona en la práctica• No hay reglas fijas• Impredecible
Fuente : Adam Neville : “Autogenous Healing a Concrete Miracle?” – Concrete International – Nov 2002
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Fuente : C. Edvardsen : “Water Permeability and Autogenous Healing of Cracks in Concrete” – ACI Materials Journal – Aug 1999
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Concreto Autoreparable : Self Healing Concrete
5 Tecnologías Principales• Encapsulado Químico• Encapsulado Bacteriano• Adiciones Minerales• Químicos en Microtubos• Sellado Autógeno con Grietas de
Espesor Controlado
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Encapsulado Químico
Fuente : Victor C. Li, Emily Herber – “Robust Self-Healing Concrete for Sustainable Infraestructure” – Journal of Advanced Concrete Technology, June 2012 – Japan concrete Institute
Silicato de Calcio en microcápsulas de poliuretano de 100μm (2% del Volumen del concreto)
USAEUROPAJAPÖN
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Fuente : J. Gilford – “Microencapsulation of Self Healing Concrete Properties” – Louisiana State University, 2012 – USA
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Fuente : J. Gilford – “Microencapsulation of Self Healing Concrete Properties” – Louisiana State University, 2012 – USA
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14 de 81Fuente : J. Gilford – “Microencapsulation of Self Healing Concrete Properties” – Louisiana State University, 2012 – USA
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15 de 81Fuente : Rebuild Vol 4 Nº 4 (Oct-Dec 2010)- India, Healing and Self Healing of Concrete and Stone
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Encapsulado Bacteriano
Fuente : Victor C. Li, Emily Herber – “Robust Self-Healing Concrete for Sustainable Infraestructure” – Journal of Advanced Concrete Technology, June 2012 – Japan concrete Institute
Bacterias que soportan medio alcalino, rango amplio de temperaturas, generan CaCo3 en presencia de agua y consumen oxígeno previniendo corrosión
(Dosis : 15 kg/m3)
HOLANDABÉLGICA
USA
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Fuente : Klass Van Bruegel, “Self Healing Material Concepts as Solution for Aginf Infrastructure” Delft University of Tecnology- 2012 The Nederlands
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Fuente : Klass Van Bruegel, “Self Healing Material Concepts as Solution for Aginf Infrastructure” Delft University of Tecnology- 2012 The Nederlands
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20 de 81Fuente : Dr. H.M. Jonkers, “Bacteria Based Self Healing Concrete” Delft University of Tecnology- 2011 The Nederlands
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21 de 81Fuente : Dr. H.M. Jonkers, “Bacteria Based Self Healing Concrete” Delft University of Tecnology- 2011 The Nederlands
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Fuente : R. Boelens, J. Goedhart et al , “Self Healing Concrete : A concete solution for a concrete problem” Finalist Bioconstruction Contest Delft University of Tecnology- 2011 The Nederlands
Provincia de Tungurahua - Ecuador
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Adiciones Minerales
Fuente : Victor C. Li, Emily Herber – “Robust Self-Healing Concrete for Sustainable Infraestructure” – Journal of Advanced Concrete Technology, June 2012 – Japan concrete Institute
Reemplazo de 10% de Cemento por agentes expansivos + geomateriales + adiciones minerales
EUROPAUSA
CHINAJAPÓN
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Químicos en microtubos
Fuente : Victor C. Li, Emily Herber – “Robust Self-Healing Concrete for Sustainable Infraestructure” – Journal of Advanced Concrete Technology, June 2012 – Japan concrete Institute
Microtubos de 1mm a 3 mm x 100 mm con prepolímero de poliuretano en dosis del orden del 1% en volumen
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27 de 81Fuente : Rebuild Vol 4 Nº 4 (Oct-Dec 2010)- India, Healing and Self Healing of Concrete and Stone
Microtubes
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28 de 81Fuente : Bart de Waele, “Self Healing of Concrete”-Gent University – 2013 - Belgium
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Sellado Autógeno con Microgrietas de Espesor Controlado
Fuente : Victor C. Li, Emily Herber – “Robust Self-Healing Concrete for Sustainable Infraestructure” – Journal of Advanced Concrete Technology, June 2012 – Japan concrete Institute
Microfibras de PVA (Poly Vinyl Alcohol) limita grietas a 0.05 mmDosis : 1% a 3% en volumen
USAJAPÓNCHINA
EUROPA
ECC = Engineered Cementitious Composites
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Fuente : V. Li, Li-Li Kan, “Self-Healing Characterization of Engineered Cementitious Composite Materials – ACI Materials Journal – Dec 2010
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Fuente : V. Li, Li-Li Kan, “Self-Healing Characterization of Engineered Cementitious Composite Materials – ACI Materials Journal – Dec 2010
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Fuente : V. Li, Li-Li Kan, “Self-Healing Characterization of Engineered Cementitious Composite Materials – ACI Materials Journal – Dec 2010
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Fuente : V. Li, Li-Li Kan, “Self-Healing Characterization of Engineered Cementitious Composite Materials – ACI Materials Journal – Dec 2010
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MATRIZ COMPARATIVA DE DESEMPEÑO
Encapsulación Química
Encapsulación Bacteriana
Adiciones Minerales
Químicos en Microtubos
Sellado Autógeno con
Grietas de espesor
controlado
Tiempo de VidaLarga Vida
Dependiendo del Agente Químico
No menos de 6 meses
Larga Vida mientras la
adición no se hidrate
Larga Vida Dependiendo
del Agente Químico
Larga Vida al no requerir
adiciones
DistribuciónDispersión
Uniforme en la masa de concreto
Dispersión Uniforme en la
masa de concreto
Dispersión Uniforme en la
masa de concreto
Orientación discreta donde
se preveen fisuras
Dispersión Uniforme en la
masa de concreto
Recuperación de Propiedades
Mecánicas
Sellado completo, aún no se conoce
grado de recuperación
Sellado completo, recuperación
mínima
Sellado completo, aún no se conoce
grado de recuperación
Sellado y recuperación extensos pero no completo
Sellado completo,
recuperación puede ser total
ConfiabilidadAún en
evaluaciónAún en
evaluaciónAún en
evaluaciónAún en
evaluaciónAún en
evaluación
VersatilidadMecanismo
Independiente de agentes externos
Requiere presencia
continua de humedad
Requiere presencia
continua de humedad
Mecanismo Independiente
de agentes externos
Requiere presencia no continua de humedad
RepetibilidadAún en
evaluaciónAún en
evaluaciónAún en
evaluaciónNo es repetible
Parcialmente en más de 1 ciclo
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36 de 81Fuente : Victor C. Li, Emily Herber – “Robust Self-Healing Concrete for Sustainable Infraestructure” – Journal of Advanced Concrete Technology, June 2012 – Japan concrete Institute
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CURADO INTERNO : DEFINICIÓN ACI
“Proveer una reserva adicional de agua en una mezcla de concreto fresco mediante
el empleo de agregado liviano pre-humedecido para contrarrestar
contracción autógena y fisuración”
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Diferencia entre curado externo e interno
Fuente : Dale P. Bentz, W. Jason Weiss, Internal Curing : A 2010 State of the Art Review – NIST, USA
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Estructura de Hidratación de la pasta vs Relación Agua/Cemento
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9
Relación Agua/Cemento
Por
cent
aje
Cemento Hidratado Cemento sin hidratar Poros capilares Agua de hidratación Agua Sobrante
Fuente :Enrique Pasquel, “Tópicos de Tecnología del Concreto”, 1998- Perú
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ANTECEDENTES
• Industria Agregados Ligeros y Concreto Liviano, USA - 1937
• Paul Klieger USA – 1957• Robert Phileo - 1991• Weber & Reihardt, Alemania – 1995• Van Breugel & De Vries, Holanda - 1998• Bentur, Igarishi & Kovler, Israel - 1999• Jensen & Hansen, Dinamarca – 2001• Mohr, Premenko, USA – 2005• Villarreal, USA – 2008• Bentz, Weiss – USA – 2010• Año 2010 > 300,000 m3 de concreto premezclado
con curado interno en USA
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Curado Interno del Concreto
4 Tecnologías Principales• Agregado Liviano• Polímeros Superabsorbentes• Fibras de pulpa de madera• Concreto reciclado
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Como se verifica la efectividad del curado interno?
Con mediciones experimentales directas e indirectas :
• Humedad Relativa Interna• Deformación Autógena• Desarrollo de resistencia en compresión• Flujo Plástico (creep)• Grado de Hidratación• Contracción Restringida en ensayo ASTM C 1581• Microtomografía 3D por Rayos X • Observaciones con Microscopio Electrónico
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Fuente : Dale P. Bentz, Pietro Lura, John Roberts, “Mixture Proportioning for Internal Curing”, Concrete International – 2005-USA
Cuanto Agregado Ligero se requiere?
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No considera :Pérdida de humedad durante producción, transporte y colocaciónDistribución no uniforme del agregado livianoUso de adiciones mineralesContracción por secado, efectos térmicos
MIXTURE PROPORTIONING WITH INTERNAL CURING
10
20
30
40
50
60
70
80
0 10 20 30 40 50 60 70 80
Water demand (lb/yd3)
w /c>=0.36
w /c=0.33
w /c=0.3
w /c=0.27
w /c=0.24
w /c=0.21
w /c=0.18
10
20
30
40
50
60
70
80
400 500 600 700 800 900
Cement content (lb/yd3)
CS=0.05
CS=0.06
CS=0.07
CS=0.08
Starting with the cement content in the graph on the upper right, find the chemical shrinkage of the mixture (a good default value is 0.07). Proceed to the value on the y-axis and starting with this same value in the graph on the upper left, find the line for the mixture’s w/c ratio. (Note that there is a single (thick) line for all w/c ratios greater than or equal to 0.36 as for these w/c ratio values, it is assumed that complete hydration of the cement powder can be achieved.) Proceed to the value on the x-axis and starting with this same value in the graph on the lower left, find the line for the absorption (dry mass of aggregate basis) of the lightweight aggregate. Finally, proceed to the value on the y-axis to obtain the recommended level of lightweight aggregate (dry mass basis) to be added to the concrete mixture. This replacement should then be conducted on a volumetric basis, replacing an equal volume of normal weight aggregates with pre-wetted (SSD) lightweight aggregates.
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0 10 20 30 40 50 60 70 80
LW
A a
dd
itio
n (
lb/y
d3 )
abs= 5 %
abs= 10 %
abs= 15 %
abs= 20 %
abs= 25 %
abs= 30 %
abs= 35 %
abs= 40 %
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Curado Interno con Polímeros Superabsorbentes (SAP)
Fuente : Mateusz Wyrzykowsky, Pietro Lura, Dariusz Gawin, “Modelling Internal Curing in Concrete” EMPA – Paris-2011
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Curado Interno con Polímeros Superabsorbentes (SAP)
Fuente : Mateusz Wyrzykowsky, Pietro Lura, Dariusz Gawin, “Modelling Internal Curing in Concrete” EMPA – Paris-2011
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Curado Interno con Polímeros Superabsorbentes (SAP)
Fuente : Mateusz Wyrzykowsky, Lecture on Internal Curing- EMPA – -2011
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Curado Interno con Polímeros Superabsorbentes (SAP)
Fuente : Mateusz Wyrzykowsky, Lecture on Internal Curing- EMPA – -2011
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Curado Interno con Polímeros Superabsorbentes (SAP)
Fuente : Mateusz Wyrzykowsky, Lecture on Internal Curing- EMPA – -2011
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Fuente : Mateusz Wyrzykowsky, Lecture on Internal Curing- EMPA – -2011
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Curado Interno con Polímeros Superabsorbentes (SAP)
Fuente : Mateusz Wyrzykowsky, Pietro Lura, Dariusz Gawin, “Modelling Internal Curing in Concrete” EMPA – Paris-2011
Absorben mucha agua
Liberan el agua una sola vez
Partículas pequeñas muy distribuidas
Dosis : 1 Onza por bolsa kg de cemento
Costo : ~ $ 2.50/Bolsa de cemento
Costo : ~ $ 20.00 a $ 30.00 por m3
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Curado Interno con Fibras de Pulpa de Madera
The absorption capacity of thermomechanical pulp (TMP) fibers was determined by ESEM image analysis1.
Absorption capacity = 3.3 g water/g fiberSize : 30x50x1500μm
1 Mohr, B.J., Premenko, L., Nanko, H., Kurtis, K.E. “Examination of Wood-Derived Powders and Fibers for Internal Curing of Cement-Based Materials.” In: Proceedings of the 4th International Seminar on Self-Desiccation and Its Importance in Concrete Technology, 2005: 229-244.
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1 Mohr, B.J., Premenko, L., Nanko, H., Kurtis, K.E. “Examination of Wood-Derived Powders and Fibers for Internal Curing of Cement-Based Materials.” In: Proceedings of the 4th International Seminar on Self-Desiccation and Its Importance in Concrete Technology, 2005: 229-244.
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
0 2 4 6 8 10 12 14 16Time (days)
No
rmal
ized
Mo
istu
re C
on
ten
t StaliteHydrocure (Solite)PerliteTMP fibers
Stalite : Pizarra volcánica procesadaSolite : Arcilla expandidaPerlite : Agregado volcánico liviano natural
Curado Interno con Fibras de Pulpa de Madera
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• Wood-derived fiber-cement composites exhibit losses in flexural strength and toughness with wet/dry cycling1-3.
• For internal curing applications in concrete, this concern may be negligible as the fibers provide minimal toughening in the presence of coarse aggregate.
• In addition, self-desiccation is mitigated at an early age, prior to any degradation.
What About TMP Fiber Composite Durability?
1 Mohr, B.J., Nanko, H., Kurtis, K.E. “Durability of Kraft Pulp Fiber-Cement Composites to Wet/Dry Cycling.” Cement and Concrete Composites 2005; 27(4): 435-448. 2 Mohr, B.J., Nanko, H., Kurtis, K.E. “Durability of Thermomechanical Pulp Fiber-Cement Composites to Wet/Dry Cycling.” Cement and Concrete Research, 2005; 35(8): 1646-1649. 3 Mohr, B.J., Biernacki, J.J., Kurtis, K.E. “Microstructural and Chemical Effects of Wet/Dry Cycling on Pulp Fiber-Cement Composites.” Cement and Concrete Research, 2006; 36(7): 1240-1251.
0 cycles 25 cycles
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Curado Interno con concreto reciclado
Agregado retornado a plantas de premezclado en USA ~ 15 millones de m3
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Curado Interno con concreto reciclado
NRMCA Promotor de investigaciones
Reeemplazo de 200 kg/m3 a 400 kg/m3
Procesamiento cuidadoso
Combinación con agregado liviano
Reducción de contracción autógena en ~ 70%
No influye significativamente en f’c
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CONCRETO AUTOCOMPACTANTE
CON REOLOGÍA ADAPTADA
Colaboración : Cristian Sotomayor – Tesis de Maestría Universidad de Sherbrooke – Asesor Dr. Kamal Khayat - 2012
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Es un tipo de concreto de alto desempeño que se coloca
facilmente al interior del encofrado y se compacta por
efecto de la gravedad (propio peso) sin aporte de energía
alguna de consolidación interna o externa, con una
segregación mínima o nula luego de su colocación.
DEFINICIÓN
CONTROL DE LA REOLOGÍA
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NOCIONES FUNDAMENTALES DE LA REOLOGIA
Estudia la deformación y el flujo de materiales de naturaleza muy diferentes, cuando los mismos son sometidos a esfuerzos externos [Bingham, 1921]
Un cuerpo se deforma si el
mismo sufre cambios en su
forma y dimensiones .
Un cuerpo fluye si el grado
de deformación cambia en
el tiempo en forma
continua.
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NOCIONES FUNDAMENTALES DE LA REOLOGIA
Líquidos (materiales
viscosos)
Sólidos (materiales elásticos)
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Viscosity (Viscosidad) : Medida de la resistencia al flujo! Shear strees (Esfuerzo de corte): medida de la fuerza por unidad de superficie
Shear rate (Índice de corte o gradiente de velocidad) mide la
variación de velocidad entre 2 capas de un fluido
NOCIONES FUNDAMENTALES DE LA REOLOGIA
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MODELOS REOLÓGICOS: FLUIDO NEWTONIANO
Presenta un
comportamiento viscoso
perfecto (el gradiente
de velocidad es
proporcional al esfuerzo
de corte).
Un fluido es
perfectamente viscoso,
si el flujo del material
ocurre inmediato a la
aplicación del esfuerzo
de corte.
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MODELOS REOLÓGICOS : BINGHAM
Fluido visco-plástico
Fluido viscoso
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LA REOLOGÍA COMO HERRAMIENTA PARA OPTIMIZAR LOS DISEÑOS DE MEZCLAS DE CONCRETO
Referencia: Introduction to Rheology of Fresh Concrete. ICI Rheocenter, Iceland, 2010
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Disminución de la viscosidad en el tiempo, bajo un
esfuerzo cortante constante y una tasa de cortante
constante, seguido de una recuperación gradual cuando
dichos parámetros son removidos
Structural build up (Floculation, coagulation)
TIXOTROPIA
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Referencia: Développement des bétons semi-autoplacant à rhélogie adaptée pour des infrastructures, mémoire de maîtrise, Université de Sherbrooke, Québec, Canada, 2012.
TIXOTROPIA EN REPOSO
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APLICACIÓN DE LA TIXOTROPIA: REDUCCIÓN DE PRESION LATERAL EN EL ENCOFRADO
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APLICACIÓN DE LA TIXOTROPIA: ALTERNATIVA A PAVIMENTACIÓN CONVENCIONAL CON ENCOFRADO DESLIZANTE
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APLICACIÓN DE LA TIXOTROPIA: PAVIMENTACIÓN CON SCC MODIFICADO
Referencia: Feasibility of Slip-form Paving with Self-Consolidating Concrete, National Concrete Pavement, Mayo 2006
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CIVIL2013
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Referencia: Low Compaction Energy Concrete for Improved Slipform Casting of Concrete Pavements, by Bekir Yilmaz Pekmezci, Thomas Voigt, Kejin Wang, and Surendra P. Shah, ACI Material journal, 2007.
APLICACIÓN DE LA TIXOTROPIA: PAVIMENTACIÓN CON SCC CON REOLOGÍA ADAPTADA