Hormigones con aditivos hiperfluidificantes para uso vial

A los aditivos hiperfluidificantes generalmente se los asocia con hormigones de alta fluidez, tales como los hormigones bombeables o autocompactantes. En este último caso en particular, estos aditivos se utilizan fundamentalmente para modificar el comportamiento reológico del hormigón y lograr que el mismo autocompacte en los encofrados de las estructuras, aun en aquellos casos de elevada complejidad de armadura. Sin embargo, los policarboxílatos también pueden utilizarse en hormigones de muy baja fluidez, similares a los usados en obras viales, actuando como un potente reductor de agua. Para estudiar el desempeño del hormigón en este último sentido se realizó el presente trabajo orientado a evaluar el comportamiento mecánico en compresión y flexión, las resistencias tempranas y su evolución en el tiempo, los cambios dimensionales y, por último, una evaluación de costos para los tres tipos de hormigones viales con diferente dosifi cación y siempre con resistencias superiores a 30 MPa. Los hormigones seleccionados para el estudio fueron:

• Hormigón 1: patrón, H30, C.U. de cemento de 328 Kg con plastifi – cante base, A/C= 0.47.
• Hormigón 2: H43, C.U. de cemento de 328 Kg con hiperplastifi cante a base de policarboxilatos y A/C = 0.39.
• Hormigón 3: H35, C.U. de cemento de 290 Kg con hiperplastifi – cante a base de policarboxílatos y A/C = 0,47.

Estos hormigones se utilizaron para construir en abril de 2008 la nueva playa de logística destinada a camiones de transporte de la empresa Sika Argentina, siendo evaluado su desempeño desde entonces. Los hormigones se dosificaron en planta hormigonera, se mezclaron y transportaron en camiones motohormigoneros, se colocaron con un asentamiento de 5 cm y se compactaron mediante regla vibradora. 

En el trabajo se presentan las dosificaciones utilizadas en la construcción de la mencionada obra, donde se destacan los cambios sustantivos ocurridos en la cantidad de cemento y agua al incorporar un hiperplastificante en reemplazo del plastificante tradicional, y los importantes incrementos de resistencia a todas las edades (particularmente a 24 horas), lográndose superar la barrera de los 25 MPa, generalmente necesarios para la apertura al tránsito.

En una de las dosificaciones se disminuyó el contenido de cemento en 38 Kg/m³ y el agua en más de 20 litros, resultando un hormigón con un cambio dimensional considerablemente menor que el obtenido en el hormigón patrón, y aun con un leve aumento de resistencia a compresión.

Con un objetivo similar, en el sentido de obtener elevadas resistencias a temprana edad pero en condiciones ambientales mucho más severas para el estado fresco, se presentan cuatro mezclas para la reparación de las losas del aeropuerto de la provincia de Corrientes.

Dos de ellas con un plastificante de medio rango y dos con policarboxilatos. Para compensar cualquier eventualidad que pudiera retrasar la habilitación del aeropuerto se dosificaron algunas mezclas con aditivos acelerantes de fragüe y endurecimiento.

Introducción

En muchas ocasiones la sociedad requiere construir con rapidez una ruta o una pista de aterrizaje o reparar un pavimento urbano, una vereda o un bache con la finalidad de habilitar o poner la obra en servicio urgentemente. Para este fin se requiere que el hormigón posea elevada resistencia temprana. Es conocido que la interrupción de la comunicación genera malestar, pérdidas de tiempo, enormes trastornos y, además, significativas pérdidas económicas. 

Algunos autores cuantifican estas pérdidas sobre la base de considerar los costos en tiempo y gastos en combustible en alrededor de $20 (a mayo de 2009) por conductor, auto y hora, lo cual sumado a los valores estadísticos de tránsito en el lugar posibilita establecer los costos por cada día de interrupción. Básicamente, para el caso de un pavimento urbano, se puede calcular como la comparación entre la situación de conflicto respecto de aquélla en condiciones normales o, en el caso de la construcción de una ruta, como diferencia entre la longitud a recorrer por un automotor por un camino alternativo, sumada, además, la diferencia en las condiciones en que se encuentran los mismos. 

En muchos casos, al calcular la deceleración, tiempos de espera y aceleración se muestra un verdadero despilfarro de los recursos de la comunidad, al margen de afectar la calidad del uso de los espacios públicos. 

Hoy las perspectivas de rápida habilitación son alentadoras; quedaron atrás los cortes de tránsito por semanas o meses para construir o reparar calles, avenidas o rutas. La necesidad de habilitar rápidamente requiere de tres pasos claves:

• Adecuada programación
• Técnica de construcción o reparación
• Proveer un hormigón de elevada resistencia temprana que otorgue la posibilidad de minimizar los tiempos de curado, aserrado y habilitación al tránsito.

Para el tercer paso clave se cuenta generalmente con tres alternativas:

• Utilizar importantes cantidades de cemento
• Utilizar cementos de rápida hidratación
• Utilizar aditivos reductores de agua de alto poder

Considerando la tercera posibilidad se desarrolló este trabajo utilizando un hiperplastificante a base de policarboxilatos.

Policarboxilatos

Los policarboxilatos son cadenas de polímeros acrílicos cuya molécula tiene una compleja forma tridimensional, lo cual sumado a su composición química resulta en una acción dispersante de triple efecto: eléctrica, por adsorción y por repulsión estérica. 

Los policarboxilatos se basan en copolímeros de ácido acrílico y grupos éter de acido acrílico, crean una capa de adsorción de gran volumen alrededor de las partículas de cemento que demoran momentáneamente la formación de etringita en la superficie de dichas partículas y, además, debido a sus largas cadenas laterales impiden la floculación y facilitan la alta fluidez de la pasta de cemento y de mortero.

Los aditivos a base de policarboxilatos proveen al hormigón de un excelente comportamiento en estado fresco combinado con sobresalientes resultados en estado endurecido:

• Alta reducción de agua
• Elevada trabajabilidad extendida
• Mejor comportamiento reológico del hormigón fresco
• Posibilidad de combinar efectos
• Elevadas resistencias tempranas
• Elevadas resistencias finales
• Muy baja permeabilidad
• Bajísimas relaciones agua/cemento
• Alta razón performance/costo

Las ventajas técnicas de los aditivos a base de policarboxilatos son extraordinarias para cualquier hormigón, pero paralelamente estamos frente a un aditivo de los denominados sensibles; es decir, muy afectado por los cambios externos, tales como características del cemento, finura y cantidad de arena, temperatura del hormigón, cantidad de agua, variaciones en la dosificación, secuencia de mezclado, etc. 

Requiere, entonces, por parte del tecnólogo, mayor atención en todo lo referente al control de calidad respecto a un hormigón tradicional, y contar con personal entrenado para salvar posibles cambios en los materiales o en las condiciones atmosféricas. Los policarboxilatos son cadenas de polímeros de estructura compleja, pero que pueden diseñarse y adaptarse a cada conjunto de materiales, particularmente a cada tipo de cemento, adición y situación ambiental.

Es posible entonces proponer la tecnología del aditivo para cada obra, regulando sus características a fin de satisfacer los requerimientos de la misma, como, por ejemplo, la trabajabilidad extendida, la reducción de agua y la resistencia inicial o final, entre otros. 

El efecto de esta tecnología aplicada a hormigones es mucho más fuerte que aquélla tradicional basada en reductores de alto rango, como las melaminas o los naftalenos. Comparando las moléculas de melamina, naftaleno y policarboxilato, como se ilustra en las figuras 1, 2 y 3, se observa cómo las moléculas de policarboxilatos son aproximadamente de 5 a 10 veces mayores en largo y ancho, y además poseen un alto número de cadenas laterales, cubriendo muy efectivamente las partículas de cemento.

Es posible, además, combinar varias tecnologías de los policarboxilatos con el objeto de aprovechar los mayores beneficios de cada una de ellas. Continuas investigaciones y desarrollos han creado múltiples hiperplastificantes para aplicaciones específicas, satisfaciendo performance con mínimo costo. El desempeño del aditivo se evalúa generalmente mediante:

• Reducción de agua
• Trabajabilidad extendida
• Tiempo de fraguado
• Resistencia inicial y final
• Penetración de agua a presión y absorción
• Contracción
• Durabilidad

Para ello existen varios tipos de polícarboxilatos de acuerdo a los requerimientos de obra, tal como se representa en la figura 4. La forma de cómo se podrían modificar sus características de acuerdo a la combinación de efectos se representa en la figura 5. Los campos de acción de los reductores de agua, en términos comparativos en lo que respecta a la reducción de agua, trabajabilidad y alta resistencia temprana, se esquematizan en la figura 6.

Los policarboxilatos pueden trabajar como muy altos reductores de agua tanto en hormigones de bajo asentamiento, plásticos o fluidos, así como también modificar el comportamiento reológico en hormigones autocompactantes. El primer caso mencionado fue el adoptado para este trabajo, donde se estudiaron, caracterizaron y aplicaron diversas dosificaciones de hormigón en dos obras ya construidas:

Playa de logística de sika argentina

Datos previos

Para habilitar la playa de logística al movimiento de cargas por camión se requieren las siguientes condiciones:

• Resistencia mínima para la habilitación: a compresión = 25 MPa o en flexión = 4.0 MPa.
• Tiempo de habilitación = 24 horas (preferentemente)
• Condiciones climáticas: temperaturas de 14 a 20 °C (mes de abril)
• Materiales componentes y dosificación para un hormigón H 30 a 28 días y una fluidez medida por asentamiento de 5 +/- 1 cm.

Materiales componentes y dosificación

Para el logro de las condiciones anteriormente citadas se proyectaron mezclas de hormigón con los siguientes materiales:

• Cemento Pórtland compuesto: CPC 40 Loma Negra 
• Arena fina argentina natural con MF = 1.7
• Arena de trituración MF = 3,10
• Agregados gruesos fracción 6 – 19 mm.
• Agregados gruesos fracción 10 – 30 mm.
• Aditivos: plastificante base e híper a base de policarboxilatos

Se plantearon tres dosificaciones:

• Hormigón patrón (1): contenido de cemento 328 kg/m³ y plastificante base Plastiment BV
• Hormigón (2): con igual contenido de cemento del hormigón patrón: 328 kg/m³ y policarboxilatos: Viscocrete 6
• Hormigón (3): menor contenido de cemento: 290 kg/m³ y policarboxilatos: Viscocrete 6.

Las dosificaciones se informan en la tabla 1, donde además figura el asentamiento y la razón a/c de cada una de ellas.

Comportamiento mecánico y cambios dimensionales

Para las mezclas citadas se ensayaron los hormigones a compresión, módulo resistente a flexión y cambios de largo. Los resultados promedio de las probetas ensayadas para las edades de 1, 2, 3, 7, 14 y 28 días se informan en la tabla 10. Dichos resultados fueron posteriormente confirmados con muestras tomadas durante la construcción de las losas de pavimento con las tres dosificaciones y ensayada a las mismas edades, con lo cual se confirmaron los resultados enunciados. 

Para esquematizar la evolución de resistencias a compresión en función del tiempo de cada hormigón, de acuerdo a la dosificación de la tabla 9, se graficó el comportamiento de las mismas en la figura 7. Los cambios dimensionales se refieren exclusivamente a contracción por secado. Los ensayos se efectuaron siguiendo la norma IRAM 1597, para lo cual se realizaron lecturas periódicas entre dos puntos fijos empotrados en la probeta. 

Los resultados obtenidos para 1, 2, 3, 7, 14, 21 y 28 días se adjuntan a continuación en las tablas 3, 4, y 5 para los hormigones 1, patrón con Plastiment BV, hormigón 2, con policarboxilatos e igual contenido de cemento; y hormigón 3 con menos cemento e igual razón a/c que el hormigón 1. En la figura 8 se representan los cambios longitudinales siguiendo los lineamientos de la norma IRAM 1597. Se trató de reproducir lo esperable a realizar en obra; es decir, se mantuvo al hormigón bajo agua simulando el curado esperable durante tres días y luego se dejó secar al aire.

Por lo tanto, las mediciones a 1, 2 y 3 días fueron con el hormigón saturado y luego se dejaron las probetas a temperatura de laboratorio (23 +/- 2 °C) y humedad relativa ambiente de 50% hasta completar la edad de 28 días, efectuando mediciones a 7, 14, 21 y 28 días. Como es de esperar, durante los primeros tres días hubo una leve expansión del hormigón y luego contracción, llegando a 28 días con resultados diferentes en lo asociado a cambios longitudinales.

Aquellos hormigones con menor volumen de pasta, como el hormigón 3, experimentaron la menor contracción; luego se ubicó el hormigón 2 y por último el hormigón 1, denominado patrón, con mayor cambio dimensional. La diferencia en el contenido de pasta, medido en volumen entre el hormigón patrón y aquéllos con policarboxilatos, se ubicó aproximadamente en 30 litros, lo cual significa aproximadamente entre un 11 y un 13% menos de pasta para estos últimos.

Recordemos que para cerrar la dosificación en el metro cúbico la disminución del contenido de pasta, variable muy sensible a los cambios dimensionales en estado fresco y endurecido, lleva a un aumento en el contenido de áridos que tiende a favorecer la estabilidad del hormigón.

Análisis de resultados para la playa de logística

De los resultados mecánicos obtenidos sobre probetas cilíndricas de 15 cm de diámetro, esbeltez igual a dos, tablas 9 y 10 y figura 7, se puede observar la importante reducción de agua en aquellas mezclas que llevan policarboxilatos, en el hormigón 2, a igualdad del contenido de cemento (328 Kg/m³) y fluidez (5 cm) se lograron aumentos significativos en la resistencia y una disminución del 25% en el cambio de largo a 28 días. 

La ventaja más destacable en este tipo de hormigón se encuentra en la elevada resistencia temprana, ya que a las 24 horas se alcanza una resistencia a compresión superior a 25 MPa y un módulo resistente a flexión, medido sobre vigas de 15 x 15 x 45 cm, superior a 4.0 MPa (ambos requisitos resultan generalmente necesarios para la habilitación al tránsito).

Con respecto a las mezclas con policarboxilatos y menor contenido de cemento (290 Kg/m³) (hormigón 3), las resistencias fueron del orden de 5,0 MPa superiores de aquéllas con un plastificante y 38 kg/m³ más de cemento. 

Por otra parte, se obtuvo una reducción en el cambio dimensional del orden del 48% a la edad de 28 días respecto de la mezcla patrón. Recordemos que en este caso se cuenta con un hormigón que tiene 38 Kg menos de cemento y 22 Kg menos de agua por metro cúbico, equivalente a un 13% menos de pasta en volumen en relación a la mezcla de referencia. 

Respecto al estudio económico, los costos de los materiales de cada dosificación, considerando valores aproximados y a febrero de 2010 en Buenos Aires, fueron los siguientes: Para elaborar un m³ de hormigón 1 patrón: costo de los materiales incluyendo un plastificante base = $ 261/m³. Para elaborar un m³ de hormigón 2 con igual C.U .de cemento y policarboxilatos en lugar del plastificante base = $ 280/m³ Para elaborar a un m³ de hormigón 3 con 38 Kg/m³ menos en el C.U. de cemento y con policarboxilatos en lugar del plastificante base = $ 26/m³.