INFLUENCIA DEL TIPO DE CEMENTO EN LA RESISTENCIA MECÁNICA DE HORMIGONES CURADOS BAJO DISTINTAS

CONDICIONES

Patricio Corallo*; Edgardo Becker**

Asesoría Técnica LOMA NEGRA C.I.A.S.A. – Av. Roca 6757 (C1439DWE) Ciudad de Buenos Aires Tel: ++ 54-11-4605-3000 Fax: ++ 54-11-4605-3006

Palabras clave: tipo de cemento, resistencia a compresión, temperatura de curado, humedad de curado, energía de activación. RESUMEN Usualmente, la resistencia a compresión de los hormigones se controla a través del ensayo de probetas cilíndricas, las cuales han sido previamente sometidas a condiciones de curado normalizado. Debido a deficientes técnicas de colocación del hormigón y/o a condiciones de curado inadecuadas, el hormigón colocado en la estructura puede presentar un valor de resistencia mecánica (y de muchas otras propiedades) sustancialmente inferior al valor potencial, inferido a través de los ensayos de dichas probetas. En efecto, las propiedades de los hormigones que no han sido curados correctamente se ven fuertemente influidas por las condiciones climáticas de humedad y temperatura. En el presente trabajo se expone la influencia de las condiciones de temperatura y humedad de curado en la resistencia mecánica de hormigones realizados con cementos de distinto tipo y/o procedencia, demostrándose que algunos de ellos son particularmente sensibles a algunas de estas condiciones. INTRODUCCIÓN

Algunos reglamentos, entre los que se halla el actual proyecto del reglamento CIRSOC 2001-2002, basados en una gran cantidad de trabajos de investigación, especifican tiempos mínimos de curado del hormigón colocado en la estructura en función del tipo y contenido de adiciones del cemento empleado y, eventualmente, de las condiciones ambientales de exposición.

*Ing. Civil, Asesoría Técnica Loma Negra. E-mail: patricio.corallo@lomanegra.com.ar **Ing. en Construcciones, Asesoría Técnica Loma Negra. E-mail: edgardo.becker@lomanegra.com.ar

El presente trabajo tiene por objeto evaluar el comportamiento de hormigones elaborados con una gran variedad de cementos disponibles en el mercado, frente a diferentes condiciones de curado. El estudio se divide en dos etapas:

Etapa A: tres condiciones de curado a 21 ± 2 ºC, con distintas situaciones de humedad. Etapa B: dos condiciones de curado en ambiente húmedo a temperaturas diferentes. MATERIALES EMPLEADOS

Las características de los cementos y agregados utilizados en el presente trabajo se resumen en las tablas 1 y 2, respectivamente.

Tabla 2: Propiedades de los cementos utilizados

Resistencia mecánica [MPa] Identificación

Tipo, según norma IRAM

50.000

Pérdida por calcinación

[g/100g]

Superficie específica

[m²/kg] 2 días 7 días 28 días CEM A CPN50 1,28 435 31,9 45,6 54,7 CEM B CPN40 2,25 317 23,2 34,1 45,2 CEM C CPC40 8,30 439 14,8 28,9 43,3 CEM D CPF40 4,88 380 23,0 36,8 45,3 CEM E CPF40 10,20 474 13,3 31,9 42,1 CEM F CPP30 3,80 463 - 22,3 35,5 CEM G CAH40 1,63 469 11,9 27,3 45,9 CEM H CPN50 1,88 443 30,2 44,8 53,9 CEM I CPN40 3,08 362 20,7 35,6 42,0 CEM J CPC40 4,95 454 21,1 34,8 43,4 CEM K CPF40 8,01 431 19,2 40,0 49,7 CEM L CPP30 2,70 384 - 21,7 34,0 CEM M CAH40 1,70 493 11,1 29,3 43,7

El tipo y contenido de adiciones minerales de los cementos indicados en la

tabla 2 son los indicados en la norma IRAM 50.000, agregando que los cementos identificados como CEM C y CEM J poseen escoria granulada de alto horno y “filler” calcáreo como adiciones minerales. MEZCLAS Y CONDICIONES DE CURADO UTILIZADAS

En las tablas 3 y 4 se indican las mezclas utilizadas en las etapas A y B, respectivamente, junto con las condiciones de curado aplicadas en cada caso.

Tabla 1 – Propiedades de los agregados utilizados

Identificación Tipo Módulo de finura

Densidad relativa

Arena fina Silícea 1,80 2,63 Arena gruesa Silícea 3,08 2,63

Piedra partida 6/20 Granítica 6,64 2,71

Dado que en obra lo más frecuente es definir un CUC (contenido unitario de cemento) y luego ajustar el CUA (contenido unitario de agua) de acuerdo con la trabajabilidad especificada, en todas las mezclas se empleó un CUC de 305 kg/m³, con un CUA ajustado de forma tal que las mismas presenten un asentamiento de 10 ± 2 cm, sin el empleo de aditivos químicos. Como consecuencia, el rango de relaciones A/C empleadas fue de 0,54 a 0,62. El contenido de agregado fino es del 45% en volumen, con respecto al total de inertes, y la combinación de agregados totales presentó un módulo de finura de 4,70 ± 0,05. Las condiciones de curado aplicadas fueron cuatro: CN, CS, CD y CF. La primera (CN) coincide con el curado normalizado indicado en la norma IRAM 1534. La condición de curado CS consiste en la aplicación de un doble film de polietileno impermeable sobre las probetas de

hormigón, a la edad de 1 día, impidiendo el ingreso o egreso de humedad desde ambiente, el cual se encuentra a 21 ± 2 ºC. En cambio, en la condición CD, a partir de las 24 horas de moldeadas, las probetas son expuestas directamente a un ambiente a 21 ± 2 ºC y 50 ± 10 % de humedad relativa.

Es preciso resaltar que las condiciones CN, CD y CS son coincidentes durante el primer día de edad del hormigón: el mismo se encuentra dentro de sus moldes, evitándose la pérdida de humedad, en un ambiente a 21 ± 2 ºC. En la condición CF las probetas son expuestas a una temperatura 10 ± 2 ºC y 100% de humedad relativa desde su moldeo hasta la edad de ensayo.

ETAPA A: ANÁLISIS DE RESULTADOS

En las figuras 1 y 2 se muestran los resultados de resistencias mecánicas a la compresión de las mezclas en la condición CN, como valores absolutos y como valores relativos a la resistencia a 28 días en la bajo la misma condición de curado, respectivamente. Adicionalmente, en las figuras 3 y 4 se indican las resistencias mecánicas de cada mezcla, obtenidas bajo las condiciones de curado CS y CD, respectivamente, expresadas en forma relativa a la condición CN, a la edad correspondiente.

Tabla 3: mezclas utilizadas en la primera etapa

Mezcla Cemento CUA

[kg/m³]

Condiciones de curado

aplicadas

AN1 CEM A 172 AN2 CEM B 168 AC1 CEM C 168 AF1 CEM D 171 AF2 CEM E 172 AP1 CEM F 188 AH1 CEM G 175

CN, CS, CD

Tabla 4: mezclas utilizadas en la segunda etapa

Mezcla Cemento CUA

[kg/m³]

Condiciones de curado aplicadas

BN1 CEM H 165 BN2 CEM I 168 BC1 CEM J 168 BF1 CEM D 171 BF2 CEM K 172 BP1 CEM L 175 BH1 CEM M 173

CN, CF

En primer término (ver figura 3), se observa que, para todos los cementos utilizados, la diferencia entre la resistencia obtenida bajo la condición CS y la potencial es despreciable a la edad 3 días y cercana al 10% a la edad de 28 días. La condición de curado CS es de particular importancia, ya que, teniendo en cuenta que evita el transporte de humedad desde o hacia el ambiente, es semejante a la situación en que se encuentra el hormigón en el interior de una estructura, desde el punto de vista higrométrico.

En segundo lugar (ver figura 4), se puede notar que la diferencia entre la resistencia bajo la condición CD y la potencial varía para cada tipo de cemento. En efecto, mientras esta diferencia es inferior al 20% en las mezclas AN1 y AF1 (con cemento CPN50 y CPF40, respectivamente), llega 47% en la mezcla AF2, con otro cemento CPF40.

La porosidad capilar

de la pasta tiene efectos profundos sobre la resistencia y la durabilidad del hormigón. Para un determinado cemento, los dos factores principales que

afectan la porosidad de la pasta son la relación A/C (agua/cemento, en masa) y el grado de hidratación del cemento. Para una determinada relación A/C, la porosidad capilar es, básicamente, el espacio ocupado originalmente por el agua de mezclado. A medida que la hidratación del cemento progresa, el espacio ocupado por agua es llenado por los productos de hidratación. Por lo tanto, la porosidad capilar es máxima luego del mezclado, y mínima cuando casi todo el cemento se ha hidratado [1], [2].

Figura 1: Resistencias mecánicas - CN

AN1 AN2 AC1 AF1 AF2 AP1 AH1

3 días-CN 7 días-CN 28 días-CN

35

510

20

0

15

2530

40

Figura 3: Resistencias relativas - CS

0102030405060708090

100

3 7 28Edad [días]

AN1 AN2 AC1 AF1 AF2 AP1 AH1

Figura 2: Resistencias relativas - CN

0102030405060708090

100

3 7 28Edad [días]

AN1 AN2 AC1 AF1 AF2 AP1 AH1

Res

iste

ncia

[MPa

]R

esis

tenc

ia [%

]R

esis

tenc

ia [%

]

Según Powers, la hidratación del cemento pórtland se reduce drásticamente cuando la humedad relativa dentro de los poros capilares es inferior al 80% (y se vuelve despreciable cuando ésta cae por debajo del 30%). La hidratación a máxima velocidad puede ocurrir sólo en condiciones de saturación, es decir, con una humedad relativa de 100%. Si la

humedad del ambiente fuese cercana al 80%, el movimiento de agua desde o hacia el hormigón mantendría condiciones adecuadas de curado. No obstante, esto sería válido sólo bajo ciertas suposiciones: idénticas temperaturas de hormigón y ambiente, ausencia de viento y luz solar, etc.[1].

De la discusión precedente se podría concluir que para que la hidratación del cemento pórtland continúe es suficiente prevenir la pérdida de humedad del hormigón. Esto es cierto sólo si la relación A/C es suficientemente alta para que la cantidad de agua de mezclado sea adecuada para que la hidratación se complete. Cabe recordarse que la hidratación en una probeta de hormigón sellada puede continuar sólo si la cantidad de agua presente es la pasta es por lo menos el doble del agua combinada. Por otra parte, el agua perdida internamente por autodesecación (debido a las reacciones químicas de la hidratación del cemento) debe ser restituida por agua exterior. La autodesecación es más importante a medida que la relación A/C es inferior [1]. Esto justifica que las mezclas presenten valores de resistencia diferentes en las condiciones CN y CS. Teniendo en cuenta lo explicado en este párrafo, la diferencia constante de resistencia cercana al 10% encontrada a la edad de 28 días entre estas dos condiciones de curado, se atribuye al hecho que en todos los casos la relación A/C utilizada es semejante (excepto la mezcla AP1, que tiene una relación A/C algo superior al resto).

Comparando las figuras 2 y 4, puede notarse que las mezclas que, en condición CN, a edades más tempranas alcanzan resistencias más cercanas a la correspondiente a 28 días, son aquellas que bajo la condición CD exhiben la menor pérdida de resistencia, en comparación con la resistencia potencial. La explicación de este hecho radica en que en todas las condiciones de curado, se previene el transporte de humedad entre el hormigón y el ambiente durante las primeras 24 horas. Sólo a partir de entonces, las probetas sometidas a la condición CD quedan expuestas a un ambiente con 50% de humedad relativa y comienzan a perder agua de su masa por evaporación. En consecuencia, la resistencia mecánica que alcancen las mezclas a 1 día de edad es de fundamental importancia para la condición CD, ya que eventualmente la humedad relativa dentro de los poros capilares se tornará inferior al 80%, y la evolución de resistencia se volverá prácticamente despreciable a partir de entonces.

Figura 4: Resistencias relativas - CD

0102030405060708090

100

3 7 28Edad [días]

AN1 AN2 AC1 AF1 AF2 AP1 AH1

Res

iste

ncia

[%]

SEGUNDA ETAPA: ANÁLISIS DE RESULTADOS

En la figura 5 se muestran los resultados de resistencias mecánicas de las mezclas en la condición CN. Por otra parte, en la figura 6 se expresan las resistencias mecánicas en la condición CF con respecto a la condición CN a la misma edad.

Puede observarse en esta etapa que no parece haber relación entre la disminución de la resistencia mecánica de una mezcla por efecto del curado a baja temperatura, y la velocidad de ganancia resistencia bajo la condición CN. En efecto, las mezclas BP1, BF2 y BH1, presentan una ganancia resistencia mecánica relativamente lenta pero, sólo la resistencia de la última de éstas, con cemento CAH40, se ve drásticamente perjudicada por el curado a baja temperatura.

El hecho que la resistencia del hormigón se incrementa con el progreso de la hidratación del cemento, y que la velocidad de hidratación de éste aumenta con el incremento de la temperatura, lleva a que la resistencia pueda ser expresada como una función del tiempo y la temperatura. Las funciones de madurez son expresiones para convertir la historia térmica del hormigón a un índice indicativo de su resistencia. La función de madurez propuesta en [3] puede utilizarse para evaluar la edad equivalente de un hormigón a una determinada temperatura:

1 1

0

in Q

Ta Tsi

ite e t

− ⋅ −

=

= ⋅ ∆

∑ (Ec 1)

te: edad equivalente a la temperatura especificada Ts (°K) Q: energía de activación dividida por la constante universal de los gases ideales (°K) Tai: temperatura promedio del hormigón durante el intervalo ∆ti (ºK) Ts: temperatura especificada, tradicionalmente se considera de 293°K (20°C) ∆ti: intervalo de tiempo (hs)

Figura 5: Resistencias mecánicas - CN

05

10152025303540

BN1 BN2 BC1 BF1 BF2 BP1 BH1

3 días-CN 7 días-CN 28 días-CN

Figura 6 Resistencias relativas

0102030405060708090

100

BN1 BN2 BC1 BF1 BF2 BP1 BH1

3 días 7 días 28 días

Si ∆ti es constante, se puede decir que la edad del hormigón luego de n intervalos de tiempo ∆ti es n.∆ti, y la (Ec 1) puede escribirse como:

1 1

1

in Q

Ta Ts

ii

te en t

− ⋅ −

=

=

⋅ ∆ ∑ (Ec 2)

Es importante resaltar que el cociente te/(n. ∆ti), que representa la edad

equivalente con respecto a la edad real del hormigón, depende solamente de Tai y Q. Dado que todas las mezclas fueron sometidas a una misma temperatura, es lógico suponer que la evolución de temperatura de los hormigones Tai, en función tiempo, fue semejante en todos hormigones ensayados y que, por lo tanto, en ellos el cociente te/(n. ∆ti ) depende exclusivamente de la energía de activación. Por otra parte, dado que Tai es menor que Ts en la condición de curado CF, valores mayores Q implican en la (Ec 2) un exponente negativo de mayor valor absoluto y, consecuentemente, un valor más bajo del cociente te/(n. ∆ti). Los valores de Q (en °K) dados según algunos autores, como [3], son:

Para los cementos pórtland: ( )

<−⋅+=≥=

KTTQKTQ

29329317540002934000

Para los cementos con adiciones de escoria de alto horno 6000=Q

Esto significa que, a una determinada edad, los hormigones con cemento de alto horno, en comparación a aquellos con otros cementos sometidos a una temperatura menor a la de referencia, experimentan menor edad equivalente, justificándose los valores relativamente bajos de resistencia mecánica en la mezcla BH1 bajo la condición CF, con respecto a la condición CN. Esto, sumado al hecho que a temperaturas de 21°C sean “lentos” en su ganancia de resistencia, hace que los cementos con adiciones de escoria de alto horno se vean particularmente desfavorecidos en épocas invernales o condiciones de baja temperatura ambiente.

La función de madurez propuesta por Nurse-Saul [2]:

( )0

n

i ii

M Ta To t=

= − ⋅ ∆∑ (Ec 3)

M: madurez, generalmente en (°C hs) Tai: temperatura promedio del hormigón durante el intervalo ∆ti (hs) To: temperatura de referencia, usualmente se considera (-10°C) ∆ti: intervalo de tiempo (hs) no resulta apropiada para este análisis, debido que no tiene en cuenta que el efecto de la temperatura en la evolución resistencia mecánica es diferente para cada hormigón, según el tipo de cemento empleado.

CONCLUSIONES De acuerdo con lo expuesto, y para los materiales empleados y condiciones impuestas en el presente trabajo, se pueden extraer las siguientes conclusiones: • La diferencia de resistencia mecánica obtenida en los hormigones al reemplazar

un curado húmedo por uno sellado que impide el ingreso o egreso de humedad, a 21 ± 2 °C, es despreciable a edades tempranas (3 días), y llega a valores cercanos al 10% a edades avanzadas (28 días). Este comportamiento es aproximadamente independiente del tipo cemento utilizado.

• Cuando se interrumpe el curado húmedo, los hormigones elaborados con

cementos más “lentos”, ven más afectada su resistencia a largo plazo, independientemente del tipo y contenido de adiciones minerales.

• La disminución de la temperatura de curado, a 100 % de humedad relativa,

produce reducciones en las resistencias mecánicas, que son más drásticas para los cementos con adición de escoria de alto horno, debido a que estos presentan una mayor energía de activación.

BIBLIOGRAFÍA [1] Neville, A.M. “Properties of Concrete”, WILEY (1998) [2] Francis Young, J., Mindess, S. “Concrete”, PRENTICE-HALL INC (1981) [3] Spingenschmid, R. “Prevention of Thermal Cracking in Concrete at Early Ages”, E & SPON (1998)