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Efectos de la adición de microesferas huecas de vidrio en concreto hidráulico

Sergio Alexander Gómez Nemocón

Universidad Nacional de Colombia

Facultad de Ingeniería

Departamento de Ingeniería Civil y Agrícola

Bogotá, Colombia

2019

Efectos de la adición de microesferas huecas de vidrio en concreto hidráulico

Sergio Alexander Gómez Nemocón

Trabajo final presentado como requisito parcial para optar al título de:

Máster en Ingeniería - Estructuras

Director:

Msc., I.C. Julián David Puerto Suárez

Línea de Investigación:

Materiales para Estructuras

Grupo de Investigación:

Grupo de Investigación en Estructuras - GIES

Universidad Nacional de Colombia

Facultad de Ingeniería

Departamento de Ingeniería Civil y Agrícola

Bogotá, Colombia

2019

A Dios, a mis padres, a mi hermano, a todos quienes día

a día y a pesar de todo, se esfuerzan por ser mejores y

a ti que me brindas una parte de tu tiempo para leer este

documento.

A Diana Salazar, que bonito que existan personas como

tú.

“Lo imposible cuesta un poco más. Y derrotados…

derrotados son sólo aquellos que bajan los brazos… y se

entregan”

José Mujica

Agradecimientos

Agradezco a Dios y a mi familia por tener el privilegio de ver el amanecer cada mañana, de encontrar un apoyo

siempre que lo necesite, de tener un techo donde refugiarme y de tener un sustento para alimentarme.

Agradezco a la Universidad Nacional de Colombia, que ha sido mi lugar favorito y mi segunda casa desde

hace 8 años, que me ha brindado los conocimientos, las herramientas y las habilidades para ser un profesional

integral, que me ha permitido cumplir sueños y que me ha dado la confianza de hacer parte de su historia.

Agradezco a cada uno de los profesores con los cuales tuve el placer de compartir clase en el pregrado y en

la maestría, porque me enseñaron con el ejemplo que las cosas pueden realizarse del modo éticamente

correcto y porque me brindaron lo mejor de sí para ser el profesional que soy. Agradezco su paciencia, su

disposición, su compromiso, su vocación y su dedicación.

Agradezco a mis amigos y compañeros del pregrado y de la maestría con quienes pude compartir muchos

recuerdos, experiencias, pensamientos y sueños, quienes me enseñaron diferentes formas de ver la vida y de

quienes aprendí cosas que jamás se aprenderán con los libros, especialmente a la ingeniera Stefanía Prieto

por estar siempre ahí para mí, por brindarme su amistad incondicional, su compañía, su tiempo y su alegría.

Agradezco al ingeniero Julián David Puerto Suárez por su colaboración como director de la tesis, por todo el

trabajo efectuado, por el acompañamiento, por la asesoría prestada y por su buena actitud y disposición para

resolver las inquietudes que se fueron presentando.

Agradezco a la compañía 3M Colombia por depositar su confianza en mí, por su disposición a colaborarme

en lo que necesité y por la donación de las microesferas, principal insumo de esta investigación.

Resumen IX

Resumen

En esta investigación se estudió el efecto de microesferas huecas de vidrio (HGM por sus siglas en inglés)

como reemplazo parcial de cemento, en una proporción de 5% en peso de material cementante, en concreto

autocompactante (SCC por sus siglas en inglés), analizando algunas propiedades en estado fresco y en

estado endurecido. Para tal propósito se analizó una mezcla control (sin reemplazo) y una mezcla con el

correspondiente reemplazo de cemento por microesferas.

Inicialmente, se caracterizaron los materiales empleados, se seleccionó como metodología de diseño de

mezcla el método del ACI-237, se calibró el diseño de mezcla y posteriormente se realizaron para el estado

fresco los ensayos de escurrimiento, anillo japonés, caja en L, esfuerzo de fluencia estático y dinámico

empleando el reómetro ICAR 5000 y columna de segregación. Para el estado endurecido por su parte, se

ejecutaron los ensayos de resistencia a la compresión, a la tracción, a la flexión y resistencia a la penetración

de ion cloruro (Nordtest NT Build 492)

El resultado obtenido indica que el reemplazo de cemento por HGM generó una mejora en las propiedades

reológicas estudiadas, proporcionando mayor fluidez al material. En cuanto a las propiedades en estado

endurecido, se produjo una leve reducción (inferior al 15%) con respecto a las obtenidas en la muestra control.

De acuerdo con esto, las HGM pueden proyectarse como un buen reemplazo de cemento en una proporción

del 5% en peso del material cementante, ya que generan un comportamiento similar al obtenido en la muestra

sin reemplazo.

Palabras clave: Concreto autocompactante, microesferas huecas de vidrio, reemplazo de cemento,

propiedades del concreto en estado fresco, propiedades del concreto en estado endurecido, reología.

Abstract X

Abstract

In this investigation, the effect of hollow glass microspheres (HGM) as partial replacement of cement was

studied, in a proportion of 5% by weight of the cementing material, in self-compacting concrete (SCC),

analyzing some properties in a fresh state and in a hardened state. For such purpose, a control mix (without

replacement) and a mixture with cement replacement by HGM were analyzed.

Initially, materials used were characterized, the ACI-237 method was chosen as mix design methodology, mix

design was calibrated and subsequently, for fresh state, the slump flow test, the J-ring test, the L-box test, the

static and dynamic yield stress (using ICAR 5000 rheometer) test and the static segregation (using column

technique) test, were carried out. For hardened state meanwhile, compression strength test, splitting tensile

strength test, flexural strength (using simple beam with third-point loading) test and chloride migration

coefficient from non-steady-state test (Nordtest NT Build 492), were carried out.

The result obtained indicates that the replacement of cement by HGM generated an improvement in the

rheological properties studied, providing greater fluidity to the material. As for the properties in hardened state,

a slight reduction (less than 15%) with respect to those obtained in the control sample, was produced.

According to this, the HGM can be projected as a good cement replacement in a proportion of 5% by weight of

the cementing material, because they produce a similar behavior to that obtained in the simple without

replacement.

Keywords: Self-compacting concrete, hollow glass microspheres, cement replacement, properties of

concrete in fresh state, properties of concrete in hardened state, rheology.

Contenido XI

Contenido

Pág.

1. Antecedentes .......................................................................................................... 22 1.1 Marco teórico ....................................................................................................... 22 1.2 Estado del arte ..................................................................................................... 42

2. Justificación, identificación del problema y objetivos ........................................ 56 2.1 Justificación ......................................................................................................... 56 2.2 Identificación del problema ...................................................................................... 57 2.3 Objetivo general y objetivos específicos ...................................................................... 57

3. Caracterización de materiales ............................................................................... 59 3.1 Microesferas huecas de vidrio .................................................................................. 59 3.2 Agregados ........................................................................................................... 70 3.3 Cemento ............................................................................................................. 73 3.4 Ceniza volante ...................................................................................................... 74

4. Calibración del diseño de mezcla ......................................................................... 76

5. Resultados y discusión ......................................................................................... 83 5.1 Ensayos en muestra control ..................................................................................... 83 5.2 Ensayos en muestra con adición de HGM ..................................................................106 5.3 Efectos de adición de HGM en concreto hidráulico .......................................................126

6. Conclusiones y recomendaciones ...................................................................... 138 6.1 Conclusiones ......................................................................................................138 6.2 Recomendaciones ................................................................................................140

Bibliografía .................................................................................................................. 142

Anexos – Metodología y actividades desarrolladas ................................................. 151

Lista de imágenes XII

Lista de imágenes

Pág.

Imagen 1. Comportamiento reológico para varios tipos de fluidos. Fuente: Adaptación de (ACI-228, 2008) 31

Imagen 2. Viscosidad para varios tipos de fluidos. Fuente: Adaptación de (Schramm, 1994) .................. 32

Imagen 3. Modelos reológicos desarrollados. Fuente: Elaboración propia a partir de (Schramm, 1994) .... 33

Imagen 4. Ejemplo de gráfica de ensayo de crecimiento de esfuerzo con reómetro ICAR. Fuente: Adaptación

de (Instruments, 2010) .......................................................................................................... 35

Imagen 5. Ejemplo de gráfica de ensayo de curva de flujo con reómetro ICAR. Fuente: Adaptación de

(Instruments, 2010) .............................................................................................................. 35

Imagen 6. Curva de tendencia de ensayo de crecimiento de esfuerzo para determinación de esfuerzo estático

de fluencia. Fuente: Elaboración propia..................................................................................... 37

Imagen 7. Torque y frecuencia rotacional para los escalones definidos en ensayo de reómetro. Fuente:

Elaboración propia ............................................................................................................... 38

Imagen 8. Recubrimientos de muestras de HGM para ensayo SEM. Fuente: Elaboración propia ............ 60

Imagen 9. Microscopio electrónico de barrido. Fuente: Elaboración propia ........................................ 61

Imagen 10. SEM para zoom 100x. Fuente: Elaboración propia ....................................................... 62

Imagen 11. SEM para zoom 500x. Fuente: Elaboración propia ....................................................... 63

Imagen 12. SEM para zoom 1000x. Fuente: Elaboración propia ..................................................... 64

Imagen 13. SEM para zoom 1000x, tamaño de HGM. Fuente: Elaboración propia ............................... 65

Imagen 14. SEM para zoom 6060x. Fuente: Elaboración propia ..................................................... 66

Imagen 15. Curva granulométrica de HGM. Fuente: Elaboración propia............................................ 68

Imagen 16. Análisis químico de HGM obtenido por ensayo SEM. Fuente: Elaboración propia ................ 69

Imagen 17. Curva granulométrica de arena. Fuente: Elaboración propia ........................................... 71

Imagen 18. Curva granulométrica de grava. Fuente: Elaboración propia ........................................... 72

Imagen 19. Curva granulométrica de la ceniza volante. Fuente: (Fonseca, 2016) ................................ 75

Imagen 20. Ejemplo de mezcla experimental seca. Fuente: Elaboración propia .................................. 76

Imagen 21. Ejemplo de mezcla experimental con exceso de agua. Fuente: Elaboración propia .............. 77

Imagen 22. Ejemplo de mezcla experimental segregada y con expansión reducida en el cono de Abrams.

Fuente: Elaboración propia .................................................................................................... 77

Imagen 23. Ejemplo de mezcla experimental con exceso de agregado grueso. Fuente: Elaboración propia 78

Imagen 24. Ejemplo de mezcla experimental con exceso de agregado grueso y baja capacidad de expansión

en el cono de Abrams. Fuente: Elaboración propia ...................................................................... 78

Imagen 25. Ejemplo de mezcla experimental segregada. Fuente: Elaboración propia .......................... 79

Imagen 26. Ejemplo de mezcla experimental con baja capacidad de asentamiento. Fuente: Elaboración propia

....................................................................................................................................... 79

Lista de imágenes XIII

Imagen 27. Ejemplo de mezcla experimental con exceso de agua en el contorno del anillo de mezcla (halo).


Imagen 28. Flujo expandido para mezcla óptima. Fuente: Elaboración propia .................................... 81

Imagen 29. Materiales para fundida 25 lt de volumen de muestra control. Fuente: Elaboración propia ...... 83

Imagen 30. Ensayo de anillo japonés para muestra control. Fuente: Elaboración propia ....................... 85

Imagen 31. Ensayo de caja en L para muestra control. Fuente: Elaboración propia ............................. 86

Imagen 32. Columna de segregación para muestra control. Fuente: Elaboración propia ....................... 87

Imagen 33. Zona superior e inferior de columna de segregación para muestra control. Fuente: Elaboración

propia ............................................................................................................................... 88

Imagen 34. Pesaje agregado grueso zona inferior de columna de segregación para muestra control. Fuente:


Imagen 35. Pesaje agregado grueso zona superior de columna de segregación para muestra control. Fuente:


Imagen 36. Agregado grueso de columna de segregación para muestra control. Zona superior (izq.) y zona

inferior (der.). Fuente: Elaboración propia .................................................................................. 89

Imagen 37. Curva de ajuste para esfuerzo estático de fluencia en muestra control. Fuente: Elaboración propia

....................................................................................................................................... 90

Imagen 38. Frecuencia rotacional promedio y torque promedio para cada escalón en muestra control. Fuente:


Imagen 39. Reograma de muestra control basado en modelo de Bingham. Fuente: Elaboración propia .... 94

Imagen 40. Reograma de muestra control basado en modelo de Bingham modificado. Fuente: Elaboración

propia ............................................................................................................................... 94

Imagen 41. Modo de falla a compresión de cilindro de muestra control a 7 días. Fuente: Elaboración propia

....................................................................................................................................... 96


....................................................................................................................................... 97

Imagen 43. Curva esfuerzo - deformación para muestra control. Fuente: Elaboración propia ................. 98

Imagen 44. Curva deformación transversal - deformación longitudinal para muestra control. Fuente:


Imagen 45. Ensayo de resistencia a la compresión para muestra control en cilindro de 6"x12" para

determinación de Módulo de Young y coeficiente de Poisson. Fuente: Elaboración propia ..................... 99

Imagen 46. Ensayo de Módulo de Young y coeficiente de Poisson para muestra control. Fuente: Elaboración

propia ..............................................................................................................................100

Imagen 47. Ensayo de tracción indirecta en muestra control. Fuente: Elaboración propia .....................101

Imagen 48. Ensayo a flexión para muestra control. Fuente: Elaboración propia .................................102

Imagen 49. Falla por flexión sobre espécimen para muestra control. Fuente: Elaboración propia ...........103

Imagen 50. Vista en planta de la falla por flexión en muestra control. Fuente: Elaboración propia ...........103

Imagen 51. Ensayo Nordtest para muestra control. Fuente: Elaboración propia .................................104

Imagen 52. Perfiles de penetración de ion cloruro resultantes de ensayo Nordtest en muestra control. Fuente:

Elaboración propia ..............................................................................................................105

Imagen 53. Materiales para mezcla de SCC con adición de HGM. Fuente: Elaboración propia ..............108

Imagen 54. Flujo expandido para mezcla con HGM en muestra con adición de HGM en 5%. Fuente:


Lista de imágenes XIV

Imagen 55. Medición de escurrimiento para mezcla con HGM en muestra con adición de HGM en 5%. Fuente:


Imagen 56. t500 para mezcla con HGM al 5% en peso del material cementante. Fuente: Elaboración propia

......................................................................................................................................110

Imagen 57. Flujo expandido en ensayo de anillo japonés para mezcla con HGM al 5% en peso del material

cementante. Fuente: Elaboración propia ..................................................................................111

Imagen 58. Escurrimiento en anillo japonés para mezcla con HGM al 5% en peso del material cementante.

Fuente: Elaboración propia ...................................................................................................111

Imagen 59. Capacidad de paso para mezcla con HGM al 5% en peso del material cementante. Fuente:


Imagen 60. Ensayo de caja en L para mezcla con HGM al 5% en peso del material cementante. Fuente:


Imagen 61. Curva de ajuste para esfuerzo estático de fluencia en muestra con reemplazo de cemento por

HGM en una proporción del 5%. Fuente: Elaboración propia .........................................................114

Imagen 62. Frecuencia rotacional promedio y torque promedio para cada escalón en muestra con HGM.


Imagen 63. Reograma de muestra con HGM basado en modelo de Bingham. Fuente: Elaboración propia

......................................................................................................................................117

Imagen 64. Reograma de muestra con HGM basado en modelo de Bingham modificado. Fuente: Elaboración

propia ..............................................................................................................................118

Imagen 65. Modo de falla de testigo para ensayo de Módulo de Young y coeficiente de Poisson en muestra

con adición de HGM en 5%. Fuente: Elaboración propia ..............................................................120

Imagen 66. Espécimen con comparador de carátula para ensayo de Módulo de Young en muestra con adición

de HGM en 5%. Fuente: Elaboración propia ..............................................................................121

Imagen 67. Curva esfuerzo deformación para muestra con adición de HGM en 5%. Fuente: Elaboración propia

......................................................................................................................................122

Imagen 68. Curva deformación transversal vs deformación longitudinal para muestra con adición de HGM en

5%. Fuente: Elaboración propia .............................................................................................122

Imagen 69. Perfiles de penetración de ion cloruro resultantes de ensayo Nordtest en muestra con HGM.


Imagen 70. Curva de crecimiento de esfuerzo para muestra control y muestra con HGM. Fuente: Elaboración

propia ..............................................................................................................................129

Imagen 71. Reograma ajustado a modelo de Bingham para muestra control y muestra con HGM. Fuente:

Elaboración propia. .............................................................................................................130

Imagen 72. Reograma ajustado a modelo de Bingham modificado para muestra control y muestra con HGM.


Imagen 73. Curva esfuerzo - deformación para muestra control y para muestra con adición de HGM en 5%.


Imagen 74. Curva deformación transversal - deformación longitudinal en muestra control y en muestra con

adición de HGM en 5%. Fuente: Elaboración propia ....................................................................135

Imagen A1. Recomendación de usos para SCC según propiedades en estado fresco. Fuente: Adaptación de

(EFNARC, 2005) ................................................................................................................156

Imagen A2. Ensayo de escurrimiento. Fuente: (Bravo Sobrino, 2004) .............................................157

Imagen A3. Ensayo de Anillo japonés. Fuente: (Bravo Sobrino, 2004) .............................................158

Lista de imágenes XV

Imagen A4. Caja en L (unidades en mm). Fuente: (EFNARC, 2002) ...............................................159

Imagen A5. Molde y placa colectora para ensayo de Columna de segregación. Fuente: (ICCG, 2015) ....160

Imagen A6. Elementos y accesorios del reómetro ICAR 5000. Fuente: (Instruments, 2010) ..................162

Imagen A7. Modelos de fractura típicos. Fuente: (ICONTEC, 2010) ................................................163

Imagen A8. Localización de comparadores de carátula en probeta. Fuente: (ICONTEC, 2006) .............165

Imagen A9. Esquema de desplazamientos en comparador de carátula. Fuente: (ICONTEC, 2006).........165

Imagen A10. Revisión de presión de vacío en ensayo Nordtest. Fuente: Elaboración propia .................169

Imagen A11. Vista lateral del conjunto de elementos para ensayo Nordtest. Fuente: Elaboración propia .170

Imagen A12. Vista superior del conjunto de elementos para ensayo Nordtest. Fuente: Elaboración propia

......................................................................................................................................170

Imagen A13. Conexión de los ánodos y cátodos de las muestras a la fuente de alimentación para ensayo

Nordtest. Fuente: Elaboración propia .......................................................................................171

Lista de tablas XVI

Lista de tablas

Pág.

Tabla 1. Clasificación del SCC. Fuente: Adaptación de (Han et al., 2017) .......................................... 23

Tabla 2. Ensayos mínimos recomendados para SCC en estado fresco. Fuente: Adaptación de (EFNARC,

2005) ............................................................................................................................... 24

Tabla 3. Ejemplo de ensayos en estado fresco para caracterización de SCC. Fuente: Elaboración propia . 25

Tabla 4. Ejemplo de ensayos en estado endurecido para caracterización del concreto. Fuente: Elaboración

propia ............................................................................................................................... 27

Tabla 5. Resumen de proporción de parámetros de prueba para SCC según metodología de diseño de mezcla

de EFNARC. Fuente: Adaptación de (EFNARC, 2005) .................................................................. 29

Tabla 6. Rangos sugeridos de material cementante. Fuente: Adaptación de (ACI Committee 237, 2007) .. 29

Tabla 7. Resumen de proporción de parámetros de prueba para SCC según metodología de diseño de mezcla

del ACI. Fuente: Adaptación de (ACI Committee 237, 2007) ........................................................... 30

Tabla 8. Resultados ensayos de Fluorescencia de Rayos X. Fuente: Elaboración propia ...................... 59

Tabla 9. Distribución de tamaño de partícula de HGM. Fuente: Elaboración propia .............................. 67

Tabla 10. Análisis granulométrico de arena. Fuente: Elaboración propia ........................................... 70

Tabla 11. Densidad y absorción para arena. Fuente: Elaboración propia ........................................... 71

Tabla 12. Análisis granulométrico de grava. Fuente: Elaboración propia ........................................... 72

Tabla 13. Densidad y absorción para grava. Fuente: Elaboración propia ........................................... 73

Tabla 14. Densidad del cemento. Fuente: Elaboración propia ......................................................... 73

Tabla 15. Finura del cemento. Fuente: Elaboración propia ............................................................. 73

Tabla 16. Composición química de la ceniza volante. Fuente: (Fonseca, 2016) .................................. 74

Tabla 17. Diseño de mezcla óptimo para 1 m3 de SCC. Fuente: Elaboración propia ............................. 80

Tabla 18. Proporciones de diseño de mezcla óptima de SCC. Fuente: Elaboración propia..................... 81

Tabla 19. Clasificación por índice de estabilidad visual en SCC. Fuente: Elaboración propia a partir de

(RMCAO, 2009) .................................................................................................................. 82

Tabla 20. Resultados ensayo de escurrimiento en muestra control. Fuente: Elaboración propia .............. 84

Tabla 21. Resultados ensayo de Anillo japonés en muestra control. Fuente: Elaboración propia ............. 86

Tabla 22. Resultados ensayo de caja en L en muestra control. Fuente: Elaboración propia ................... 87

Tabla 23. Resultados ensayo de columna de segregación en muestra control. Fuente: Elaboración propia 90

Tabla 24. Parámetros iniciales para corrección de datos en muestra control para ensayo de Esfuerzo de

fluencia dinámico y viscosidad plástica. Fuente: Elaboración propia ................................................. 92

Tabla 25. Parámetros iniciales del modelo de Bingham modificado para muestra control. Fuente: Elaboración

propia ............................................................................................................................... 92

Lista de tablas XVII

Tabla 26. Parámetros finales, después de iteración, para corrección de datos en muestra control para ensayo

de Esfuerzo de fluencia dinámico y viscosidad plástica. Fuente: Elaboración propia ............................. 93

Tabla 27. Parámetros finales, después de iteración, del modelo de Bingham modificado para muestra control.


Tabla 28. Resultados ensayo de esfuerzo de fluencia estático, dinámico y viscosidad plástica con reómetro

ICAR 5000 en muestra control. Fuente: Elaboración propia ............................................................ 95

Tabla 29. Clasificación de SCC en muestra control según propiedades en estado fresco. Fuente: Elaboración

propia ............................................................................................................................... 95

Tabla 30. Resultados resistencia a compresión en muestra control. Fuente: Elaboración propia ............. 97

Tabla 31. Resultados ensayo de Módulo de Young y coeficiente de Poisson en muestra control. Fuente:


Tabla 32. Resultados ensayo de resistencia a tracción indirecta en muestra control. Fuente: Elaboración propia

......................................................................................................................................102

Tabla 33. Resultados ensayo de resistencia a flexión en muestra control. Fuente: Elaboración propia .....104

Tabla 34. Resultados ensayo Nordtest en muestra control. Fuente: Elaboración propia .......................106

Tabla 35. Diseño de mezcla para 1 m3 de SCC con reemplazo de cemento por HGM en una proporción del

5% en peso del material cementante. Fuente: Elaboración propia ...................................................106

Tabla 36. Proporciones de diseño de mezcla óptima de SCC. Fuente: Elaboración propia....................107

Tabla 37. Resultados ensayo de escurrimiento en muestra con adición de HGM en 5%. Fuente: Elaboración

propia ..............................................................................................................................110

Tabla 38. Resultados ensayo de Anillo japonés en muestra con adición de HGM en 5%. Fuente: Elaboración

propia ..............................................................................................................................112

Tabla 39. Resultados ensayo de caja en L en muestra con adición de HGM en 5%. Fuente: Elaboración propia

......................................................................................................................................113

Tabla 40. Parámetros en muestra con HGM para ensayo de esfuerzo de fluencia dinámico y viscosidad

plástica. Fuente: Elaboración propia ........................................................................................116

Tabla 41. Parámetros en muestra con HGM para elaboración de reograma. Fuente: Elaboración propia..116

Tabla 42. Parámetros del modelo de Bingham modificado para muestra con HGM. Fuente: Elaboración propia

......................................................................................................................................117

Tabla 43. Resultados ensayo de esfuerzo de fluencia estático, dinámico y viscosidad plástica con reómetro

ICAR 5000 en muestra con HGM. Fuente: Elaboración propia .......................................................118

Tabla 44. Clasificación de SCC en muestra con adición de HGM en 5% según propiedades en estado fresco.


Tabla 45. Resultados ensayo de resistencia a compresión en muestra con adición de HGM en 5%. Fuente:


Tabla 46. Resultados ensayo de Módulo de Young y coeficiente de Poisson en muestra con adición de HGM

en 5%. Fuente: Elaboración propia .........................................................................................123

Tabla 47. Resultados ensayo de resistencia a tracción indirecta en muestra con adición de HGM en 5%.


Tabla 48. Resultados ensayo de resistencia a flexión en muestra con adición de HGM en 5%. Fuente:


Tabla 49. Resultados ensayo Nordtest en muestra con adición de HGM en 5%. Fuente: Elaboración propia

......................................................................................................................................126

Lista de tablas XVIII

Tabla 50. Resultados de ensayo de Escurrimiento para muestra control y muestra con HGM. Fuente:


Tabla 51. Resultados de ensayo de Anillo japonés para muestra control y muestra con HGM. Fuente:


Tabla 52. Resultados de ensayo de Caja en L para muestra control y muestra con HGM. Fuente: Elaboración

propia ..............................................................................................................................128

Tabla 53. Variación en esfuerzo de fluencia dinámico y viscosidad plástica empleando modelo de Bingham y

modelo de Bingham modificado. Fuente: Elaboración propia .........................................................132

Tabla 54. Resultados de ensayo de Esfuerzo de fluencia estático, dinámico y viscosidad plástica para muestra

control y muestra con HGM aplicando modelo de Bingham modificado. Fuente: Elaboración propia ........132

Tabla 55. Clasificación de muestra control y muestra con HGM según propiedades en estado fresco. Fuente:


Tabla 56. Resultados de ensayos en estado endurecido para muestra control y muestra con HGM. Fuente:


Tabla A1. Matriz de ensayos de concreto en estado fresco para muestras con HGM. Fuente: Elaboración

propia ..............................................................................................................................152

Tabla A2. Matriz de ensayos de concreto en estado endurecido para muestras con HGM. Fuente: Elaboración

propia ..............................................................................................................................152

Tabla A3. Clasificación y usos recomendados para SCC de acuerdo con sus propiedades reológicas. Fuente:

Adaptación de (EFNARC, 2005) .............................................................................................155

Tabla A4 Parámetros empleados para los ensayos empleando reómetro ICAR 5000. Fuente: Elaboración

propia ..............................................................................................................................161

Tabla A5. Voltaje del ensayo Nordtest a partir de corriente inicial para voltaje de 30 V. Fuente: Adaptación de

(NT Build 492, 1999) ...........................................................................................................171

Introducción

Estar a la vanguardia con respecto a los avances que se presentan en procesos y técnicas constructivas,

maquinaria y herramientas, aditivos y materiales nuevos resulta un aspecto de vital importancia en la industria

de la construcción, esto, con el propósito de optimizar tiempos, potenciar recursos, reducir el consumo

energético, además de otros beneficios. Entre los principales avances que se han desarrollado en las últimas

décadas en torno a las técnicas constructivas y materiales nuevos, se encuentra el concreto autocompactante

(SCC por sus siglas en inglés), el cual se inventó en 1986 en la Universidad de Tokio con el propósito de

contrarrestar la baja calidad en los procesos constructivos que se estaba presentando en Japón, causada por

una reducción en el número de trabajadores calificados.

El concreto autocompactante es un concreto caracterizado por no exhibir segregación, así como por su

capacidad de fluir debida a su peso propio, razón por la cual no requiere ningún tipo de vibración para fundirse

y adaptarse a estructuras inaccesibles o que tienen formas complejas. Adicionalmente, el SCC proporciona

mayor durabilidad, fundidas más eficientes, mejores acabados y optimización de recursos. Con respecto a su

composición, este concreto presenta los mismos componentes que el concreto convencional, con la diferencia

que en el SCC se requiere una mayor cantidad de material cementante y se hace necesario la utilización de

aditivos superplastificantes cuyo principal propósito es mejorar las propiedades reológicas del concreto.

Es importante resaltar que a diferencia del concreto convencional, para el cual el diseño de mezcla se obtiene

con métodos gráficos o métodos analíticos, el SCC posee un diseño de mezcla que se basa en una metodología

experimental, y, en consecuencia, la calibración correspondiente debe realizarse siguiendo algunas

recomendaciones (en cuanto a porcentajes de dosificación) de métodos de diseño de mezcla que se encuentran

en la literatura relacionada. Adicionalmente, debido a la importancia de garantizar un comportamiento adecuado

en estado fresco, al SCC se le deben realizar ensayos a partir de los cuales se clasifica el material y se evalúa

su carácter autocompactante. Entre los principales ensayos que se realizan en estado fresco para SCC se

encuentran: escurrimiento, anillo japonés, caja en L y columna de segregación.

Introducción 20

En cuanto a los avances en materiales por su parte, recientes investigaciones se han enfocado en estudiar y

analizar el comportamiento de nuevos materiales o materiales alternativos como adición en el concreto

hidráulico, que permitan un desempeño apropiado del material empleando una dosificación menor de cemento,

ya que el concreto hidráulico es el principal material utilizado en la construcción dadas las ventajas en su

utilización frente a otros materiales, entre las que se encuentran, su fabricación, su costo accesible, su

trabajabilidad en estado fresco y sus propiedades mecánicas en estado endurecido.

No obstante, durante el proceso de fabricación del cemento, principal componente del concreto hidráulico, se

generan emisiones importantes de gases a la atmósfera lo cual repercute en una afectación en las condiciones

del medio ambiente. En este aspecto, se han llevado a cabo investigaciones analizando el efecto de materiales

tales como humo de sílice, ceniza volante, escoria de alto horno, puzolanas naturales, agregados reciclados,

vidrio reciclado, lodos calcáreos, ceniza de bagazo de caña de azúcar, ceniza de cáscara de arroz y

nanopartículas, sobre el comportamiento del concreto, ya sea, añadiéndolas para mejorar alguna propiedad del

material o reemplazándolas por una fracción del cemento y analizando su desempeño.

Las microesferas huecas de vidrio (HGM por sus siglas en inglés), son unos materiales que han sido objeto de

investigaciones durante los años recientes, estas corresponden a polvos de partículas esféricas de vidrio de

pared delgada que debido a las propiedades que presentan, se ha comprobado que ofrecen un comportamiento

idóneo como relleno para polímeros. Dentro de las propiedades que ostentan estos materiales se encuentran:

su tamaño de partícula reducido, su densidad baja y su resistencia relativamente alta a la compresión, las

cuales pueden ser de gran provecho para los materiales de la ingeniería civil, en especial del concreto

hidráulico.

En las investigaciones que se han desarrollado a partir de HGM en el concreto hidráulico, se ha analizado el

comportamiento de las HGM adicionadas en el cemento y en el concreto, no obstante, estos trabajos se han

centrado en examinar su influencia en la resistencia a la compresión, en la densidad y en el peso del compuesto,

más no, en el estudio de otras propiedades en estado endurecido tales como resistencia a la flexión, a la

tracción, módulo de Young, permeabilidad y coeficiente de Poisson. De igual manera, las investigaciones

realizadas en torno a las propiedades del concreto adicionado con HGM en estado fresco, tales como

viscosidad, manejabilidad y reología son escasas.

Introducción 21

La presente investigación tiene como objetivo evaluar el comportamiento del SCC adicionado con HGM tanto

en estado fresco como en estado endurecido, con la finalidad de obtener un panorama más completo de los

efectos que genera esta adición en el concreto, y analizar la posibilidad de reemplazar una parte de cemento

por HGM. Para tal propósito, se optó por reemplazar una fracción de cemento correspondiente al 5% del peso

del material cementante por HGM y se planteó la realización de los siguientes ensayos en estado fresco:

escurrimiento, anillo japonés, caja en L, columna de segregación y esfuerzo de fluencia estático y dinámico con

el reómetro ICAR 5000, mientras que para estado endurecido se planteó la ejecución de los siguientes ensayos:

resistencia a la compresión, módulo de Young y relación de Poisson, resistencia a tracción indirecta, resistencia

a la flexión y Nordtest NT Build 492.

En el primer capítulo de esta investigación se expone el marco teórico, la información técnica, el estado del arte

y la revisión de antecedentes e investigaciones previas desarrolladas en torno a las temáticas abordadas a lo

largo del documento. El capítulo 2 presenta la identificación de la problemática, la justificación del tema y los

objetivos generales y específicos a ser tratados en esta investigación. En el capítulo 3 se define la metodología

y se describen las actividades desarrolladas para llevar a cabo el cumplimiento de los objetivos. En el capítulo

4 se realiza la correspondiente caracterización de los materiales a utilizar, desde las HGM, los agregados,

pasando por el cemento y la ceniza volante.

El capítulo 5 describe y detalla el proceso de calibración del diseño de mezcla a partir del cual se obtuvo un

SCC, mientras que en el capítulo 6 se ejecutan los ensayos propuestos tanto en estado fresco como en estado

endurecido para la muestra patrón (0% de HGM) y para la muestra con reemplazo de 5% de HGM, se exponen

los resultados obtenidos y se procede a su análisis. El capítulo 7 registra las conclusiones y recomendaciones

obtenidas durante el desarrollo de la presente investigación y finalmente, en el capítulo 8 se relaciona la

bibliografía consultada.

1. Antecedentes

1.1 Marco teórico

La presente sección expone los conceptos básicos técnicos o el marco teórico sobre el cual se fundamenta el

presente documento, con el propósito de que el lector tenga una mayor claridad de las temáticas y terminologías

que se abordan en esta investigación. En la primera parte se presenta la definición, la clasificación, los principios

y los ensayos de laboratorio relacionados con el concreto autocompactante (SCC - Self Compacting Concrete

en inglés). En la segunda parte se abordan algunos principios de la reología que permiten comprender el

funcionamiento del reómetro, instrumento con el cual se plantea la ejecución de ensayos sobre las mezclas

propuestas. Finalmente, en la tercera parte el enfoque se centra en el desarrollo de las microesferas huecas de

vidrio (HGM - Hollow Glass Microspheres en inglés).

1.1.1 Conceptos y ensayos en concreto autocompactante

El SCC se inventó en el año 1988 con el propósito de mejorar la durabilidad de las estructuras y servir como

solución a la baja calidad en los procesos constructivos, generada por una disminución en el número de

trabajadores calificados en esta área en Japón. Fue propuesto en 1986 (Okamura, 1997), sin embargo el primer

ejemplar de este material fue desarrollado en 1988 por el profesor Ozawa en la Universidad de Tokio (Kumar

Yadav & Singh, 2015). Este prototipo se denominó “concreto de alto desempeño” y se caracterizó por su

comportamiento en las diferentes etapas del concreto (Ouchi, 2000):

▪ Estado fresco: autocompactación

▪ Edades tempranas: corrección de defectos iniciales

▪ Después de endurecido: protección contra factores externos

Este tipo de concreto se concibe como un material que no exhibe segregación y que fluye bajo su propio peso,

razón por la cual no requiere ningún tipo de vibración para fundirse y adaptarse a estructuras inaccesibles o

que tienen formas que difícilmente podría lograr el concreto convencional (Kumar Yadav & Singh, 2015).

1. Antecedentes 23

Entre las ventajas que ostenta frente al concreto vibrado se encuentran: mejoría en la durabilidad, vaciados de

mejor calidad y más rápidos, libertad en la forma de las estructuras, mejores acabados, ambiente de trabajo

más seguro, facilidad de colocación y reducción en consumo de energía, ruido y mano de obra (Han, Zhang, &

Ou, 2017).

Con respecto a su composición, este concreto presenta los mismos componentes que el concreto convencional,

con la diferencia que en el SCC se emplean aditivos químicos cuyo principal propósito es mejorar las

propiedades reológicas del material (Kumar Yadav & Singh, 2015).

Según las materias primas empleadas, el SCC se clasifica como se expone en la Tabla 1.

Tabla 1. Clasificación del SCC. Fuente: Adaptación de (Han et al., 2017)

Criterio Categorías

Tipo de mineral de mezcla

SCC incorporado con ceniza volante

SCC incorporado con humo de sílice

SCC incorporado con polvo de piedra caliza

SCC incorporado con polvo de mármol

SCC incorporado con polvo de barreno

SCC incorporado con metacaolín

SCC incorporado con ceniza de combustible de aceite de palma

SCC incorporado con ceniza de cáscara de arroz

SCC incorporado con ceniza de aserrín

SCC incorporado con ceniza de bagazo

Tipo de fibras

SCC incorporado con fibras de acero

SCC incorporado con fibras de polipropileno

SCC incorporado con fibras híbridas

Tipo de agregados SCC con agregado normal

SCC con agregado aligerado

Tamaño mínimo de partícula SCC normal

SCC incorporado con nanomaterial

Al igual que para la fabricación del concreto convencional, para el SCC se debe utilizar un diseño de mezcla

que permita tener una aproximación de la dosificación que debe ser empleada, con el propósito de obtener el

comportamiento y desempeño apropiado del material. Aunque no existe un diseño de mezcla aceptado

universalmente, su desarrollo se enmarca bajo una metodología experimental, sin embargo, en la literatura se

encuentran diferentes metodologías de diseño de mezcla que han convergido respecto a algunos parámetros

1. Antecedentes 24

base y recomendaciones que se deben tener en cuenta para una adecuada fabricación del material, como por

ejemplo (Nagamoto & Ozawa, 1997):

▪ Reducir relación volumen de agregado y material cementante

▪ Aumentar el volumen de pasta y la relación agua-cemento (A/C)

▪ Controlar el tamaño máximo y el volumen total de agregado grueso

▪ Emplear aditivos que mejoren la viscosidad

Con la finalidad de evaluar la capacidad de relleno y la estabilidad del SCC en estado fresco, en la Tabla 2 se

especifican las recomendaciones de EFNARC (The European Federation of Specialist Construction Chemicals

and Concrete Systems), en cuanto a las 4 propiedades fundamentales y sus correspondientes ensayos mínimos

asociados:

Tabla 2. Ensayos mínimos recomendados para SCC en estado fresco. Fuente: Adaptación de (EFNARC, 2005)

Característica Método de prueba preferido

Fluidez Ensayo de escurrimiento

Viscosidad (evaluado por la tasa

de flujo)

t500 en ensayo de escurrimiento o en ensayo

de embudo en V

Habilidad de paso Ensayo de caja en L

Segregación Ensayo de resistencia a la segregación

Para llevar a cabo un control de calidad y caracterizar la mezcla de concreto, en la presente investigación se

han planteado varios ensayos que miden las propiedades en estado fresco del SCC:

▪ Ensayo de Escurrimiento o Flujo de asentamiento: Calcula la consistencia y la capacidad de escurrir del

SCC. Norma ASTM C1611 (ASTM, 2009).

▪ Ensayo de Anillo japonés: Evalúa la capacidad de paso del SCC, es decir, la capacidad del concreto para

fluir debido a su propio peso, alcanzando y llenando todos los vacíos que existan en la formaleta. Norma

ASTM C1621 (ASTM, 2014b).

▪ Ensayo de Caja en L: Determina la capacidad de paso del SCC. Norma UNE-EN 12350-10 (AENOR, 2011)

▪ Ensayo de Columna de segregación: Mide la segregación estática del SCC por medio del pesaje del

agregado grueso en la parte inferior y superior de las porciones de columna de segregación. Norma ASTM

C1610 (ASTM, 2015).

▪ Ensayo de esfuerzo de fluencia estático y dinámico empleando el reómetro ICAR 5000. Basado en norma

ASTM C1749 (ASTM, 2014a)

1. Antecedentes 25

Estos ensayos se resumen en la Tabla 3.

Tabla 3. Ejemplo de ensayos en estado fresco para caracterización de SCC. Fuente: Elaboración propia

Ensayo Norma Propiedad

evaluada

Parámetros

medidos

Descripción de parámetros

medidos

Escurrimiento ASTM

C1611

Consistencia y

capacidad de

escurrir

Escurrimiento

SFj (mm)

Diámetro de flujo expandido que

resulta luego de emplear el cono

de Abrams

Anillo japonés ASTM

C1621

Capacidad de

paso

Capacidad de

paso PJ (mm)

Altura en 5 puntos desde la cara

superior del anillo hasta la

superficie del concreto luego de

emplear el cono de Abrams

Escurrimiento

SFj (mm)

Diámetro de flujo expandido que

resulta luego de emplear el cono

de Abrams

Tiempo de flujo

t500 (s)

Tiempo que tarda el concreto

desde que el cono deja de estar

en contacto con la placa base,

hasta que alcanza cualquier

punto del círculo de 50 cm de

diámetro

Caja en L UNE-EN

12350-10

Capacidad de

paso

Capacidad de

paso PL (mm)

Altura del concreto en las zonas

vertical y horizontal de la caja en

L.

Columna de

segregación

ASTM

C1610

Segregación

estática

Segregación

estática (%)

Peso del agregado grueso en las

partes inferior y superior de las

porciones de columna

Esfuerzo de fluencia

estático y dinámico

con reómetro ICAR

5000

Basado

en ASTM

C1749

Esfuerzo de

fluencia estático,

dinámico y

viscosidad

Esfuerzo de

fluencia

estático

Torque máximo alcanzado

Esfuerzo de

fluencia

dinámico

Torque que corta el eje Y en la

curva de flujo

Viscosidad

plástica Pendiente de la curva de flujo

En cuanto a la condición de estado endurecido en el SCC, se plantearon ensayos análogos a los que se

ejecutan sobre concreto convencional. A continuación, se presentan algunos de los ensayos más comunes que

se realizan para el concreto en estado endurecido.

1. Antecedentes 26

▪ Ensayo de Resistencia a la compresión de cilindros de concreto: Mide la resistencia a la compresión en

cilindros de concreto. Norma NTC 673 (ICONTEC, 2010).

▪ Ensayo de Módulo de Young y Relación de Poisson: Determina el módulo de Young estático y la relación

de Poisson en el concreto a compresión. Norma NTC 4025 (ICONTEC, 2006).

▪ Ensayo de tracción indirecta o Brasilero: Calcula la resistencia a la tensión indirecta en cilindros y núcleos

de concreto. Norma NTC 722 (ICONTEC & Colombia, 2000).

▪ Ensayo de resistencia a la flexión: Cuantifica la resistencia a la flexión en una viga de concreto con carga

en los tercios medios. Norma NTC 2871 (ICONTEC, 2004).

▪ Ensayo de resistencia a la penetración de ion cloruro en el concreto: Evalúa la resistencia a la penetración

de ion cloruro en el concreto. Norma Nordtest NT Build 492. (NT Build 492, 1999).

Un resumen de estos ensayos se presenta en la Tabla 4.

1. Antecedentes 27

Tabla 4. Ejemplo de ensayos en estado endurecido para caracterización del concreto. Fuente: Elaboración propia

Ensayo Norma Propiedad

evaluada

Parámetros

medidos Descripción de parámetros medidos

Resistencia a

la compresión

NTC

673

Resistencia a la

compresión

Carga última a

compresión

Carga que genera la falla por

compresión del elemento

Área de la

sección

transversal del

cilindro

Área de la sección transversal del

cilindro sobre la cual se aplica la fuerza

de compresión

Módulo de

Young y

Relación de

Poisson

NTC

4025

Módulo de

Young estático

y Relación de

Poisson

Carga de ensayo Carga equivalente al 40% de la carga

última

Deformación

longitudinal y

transversal del

cilindro

Deformación unitaria longitudinal y

transversal cuando sobre el cilindro se

aplica la carga de ensayo

Resistencia a

tracción

indirecta

NTC

722

Resistencia a la

tracción

indirecta

Carga de rotura Carga de compresión diametral que

genera la rotura del elemento

Área de tracción Diámetro por altura del cilindro

Resistencia a

la flexión

NTC

2871

Módulo de

rotura

Carga de rotura Carga máxima aplicada

Longitud entre

apoyos Longitud entre los apoyos de la viga

Ancho y altura

promedio de la

muestra en la

rotura

Ancho y altura promedio de la muestra

en la rotura

Longitud entre

línea de falla y

apoyo más

cercano

Longitud promedio entre la línea de falla

y el apoyo más cercano medido desde

la superficie en tensión de la viga

Nordtest NT

Build 492

NT

Build

492

Resistencia a la

penetración de

ion cloruro.

Coeficiente de

migración de

cloruros

Distancia promedio de penetración de

cloruros en los especímenes cilíndricos

de concreto, espesor del espécimen,

voltaje aplicado, promedio de las

temperaturas inicial y final en la solución

de anolito, duración del ensayo

1. Antecedentes 28

1.1.2 Metodologías de diseño de mezcla para concretos autocompactantes

Los SCC requieren diseños de mezcla especiales debido a que se debe obtener un material que tenga

condiciones particulares de fluidez y manejabilidad, así como un material que se compacte bajo su propio peso,

que no genere segregación y que ofrezca propiedades adecuadas en estado endurecido.

No existe un único diseño de mezcla para SCC, por lo cual varios autores han planteado diferentes

metodologías para diseños de mezcla en este tipo de concretos, dado lo anterior en esta sección se describen

brevemente las metodologías de diseño de mezcla más conocidas para SCC, profundizando en el método

planteado por el ACI, el cual es el método seleccionado para el desarrollo de esta investigación.

▪ Método CBI

Método elaborado por el Instituto de cemento y concreto sueco. Inicialmente, se determina el volumen mínimo

de pasta a partir de la porosidad en los agregados, luego, empleando un viscosímetro se obtiene la relación

A/C, la dosificación del plastificante y de agregado fino (Petersson & Billberg, 1999).

▪ Método LCPC

Este método emplea un modelo computacional para calcular el volumen mínimo de pasta, luego, el porcentaje

de agregado fino se establece de acuerdo a la resistencia y los materiales con los que se cuente, el contenido

de plastificante se determina con ensayos en el cono de Marsh y finalmente, empleando el reómetro y el ensayo

de escurrimiento, se define la cantidad de agua y de plastificante necesaria (Sedran & De Larrard, 1999).

▪ Método general

En este método, el volumen de agregado grueso se establece como 50% del volumen de los sólidos, el

agregado fino se define como el 40% del volumen de mortero (sin tener en cuenta el aire), mientras que la

relación A/C y la dosificación del plastificante se determinan por tanteo en el ensayo del embudo V y en el

ensayo de escurrimiento (Okamura, 1997).

▪ Método UPC

Inicialmente se establece la relación A/C, luego se calcula la cantidad de plastificante empleando el ensayo de

cono de Marsh. En cuanto a los agregados, se calcula la relación entre arena y grava que produzca el contenido

de vacíos menor. A partir de estos resultados, se determina por tanteo, el contenido óptimo de pasta que

garantice un comportamiento autocompactante (Gomes, 2002).

1. Antecedentes 29

▪ Método EFNARC

Es un método por tanteo, teniendo en cuenta las consideraciones o intervalos de dosificación recomendados

en la Tabla 5 (EFNARC, 2005).

Tabla 5. Resumen de proporción de parámetros de prueba para SCC según metodología de diseño de mezcla de EFNARC. Fuente: Adaptación de (EFNARC, 2005)

Material Rango típico por masa

(kg/m3)

Rango típico por volumen

(lt/m3)

Finos 380 - 600 -

Pasta - 300 - 380

Agua 150 - 210 150 - 210

Agregado grueso 750 - 1000 270 - 360

Agregado fino (arena) 48 - 55 % del peso total de los agregados

Agua/finos 0,85 - 1,10

▪ Método ACI

El comité ACI 237R-07 proporciona una guía en la cual se establecen porcentajes recomendados de

dosificación de materiales, para la elaboración de un diseño de mezcla de concreto autocompactante.

Básicamente, la metodología de diseño propuesta por el ACI 237, consiste en el siguiente procedimiento:

- Inicialmente se establece el valor objetivo del ensayo de escurrimiento, es decir el resultado que se quiere

obtener. A partir de este valor, se halla la masa de material cementante que debe contener 1 m3 de concreto

(Tabla 6).

Tabla 6. Rangos sugeridos de material cementante. Fuente: Adaptación de (ACI Committee 237, 2007)

Escurrimiento

< 550 mm

Escurrimiento

550 mm – 600 mm

Escurrimiento

> 650 mm

Contenido de material

cementante (kg/m3) 355 - 385 385 – 445 > 458

- También, se debe definir la categoría a la que hace parte el agregado grueso que se va a utilizar, lo cual

se efectúa dependiendo de si el tamaño máximo nominal del agregado es mayor o menor que ½” o 12,5

mm. Si el agregado presenta un TMN mayor o igual a 12,5 mm, se cataloga dentro de la Categoría 1,

mientras que si es menor se encasilla dentro de la Categoría 2.

1. Antecedentes 30

- Una vez definida la categoría del agregado grueso, se determina la proporción que debe tener el agregado

grueso respecto del volumen total de los agregados y a partir de eso se obtiene la proporción de agregado

fino con respecto al volumen total de agregados. Se establece que el contenido de agregado grueso en

volumen debe estar entre el 28% y 32% del volumen total de la muestra.

- Hasta este momento ya se ha definido la dosificación del concreto en cuanto a agregados finos, agregados

gruesos y material cementante. Luego, para determinar el contenido de agua, es preciso definir la

correspondiente relación Agua/Material cementante (A/MC) de la mezcla, para lo cual el ACI 237 sugiere

que un valor típico para este parámetro debe estar entre 0,32 y 0,45. Es importante mencionar que es

necesario corregir el contenido total de agua cada vez que se vaya a realizar una mezcla, teniendo en

consideración la humedad presente en los agregados, debido a que estos tienen una humedad que varía

con las condiciones ambientales.

- Adicionalmente a la sugerencia de dosificación de los materiales del concreto, el ACI 237 plantea intervalos

dentro de los cuales se debe localizar el volumen de pasta y el volumen de mortero de la mezcla. En este

sentido, según esta metodología, la pasta (en términos de volumen) debe estar entre el 34% y el 40% del

volumen total de la muestra, y, análogamente, el contenido de mortero, en términos de volumen, debe estar

entre el 68% y el 72% del volumen total de la muestra.

- Finalmente, como esta guía está predeterminada para muestras de concreto de 1 m3, para mezclas de un

volumen distinto, se debe aplicar una regla de 3 para conocer la dosificación correspondiente. En la Tabla

7 se establece de manera resumida los parámetros de control del ACI 237.

Tabla 7. Resumen de proporción de parámetros de prueba para SCC según metodología de diseño de mezcla del ACI. Fuente: Adaptación de (ACI Committee 237, 2007)

Proporción en volumen de agregado grueso* 28 – 32 % (>1/2” tamaño máximo nominal)

Proporción en volumen de pasta 34 – 40% (Volumen total de mezcla)

Proporción en volumen de mortero 68 – 72% (Volumen total de mezcla)

Típica relación A/MC 0,32 – 0,45

Contenido típico de material cementante 386 - 475 kg/m3

*>50% (3/8” tamaño máximo nominal)

1. Antecedentes 31

1.1.3 Fundamentos para la utilización del reómetro ICAR 5000

La reología es la rama de la física que estudia el flujo y las deformaciones generadas por la aplicación de

esfuerzos externos sobre un cuerpo. Una de sus propiedades más importantes corresponde a la viscosidad, la

cual hace referencia a la resistencia a los esfuerzos de corte que presenta un fluido, es decir, se relaciona con

su resistencia para fluir (Mott, 1996).

Con el propósito de caracterizar el comportamiento de un fluido bajo una condición de flujo, se han planteado

modelos reológicos que corresponden a modelos matemáticos que relacionan el esfuerzo cortante con la

velocidad de corte de un fluido, los cuales se representan gráficamente mediante reogramas. A partir del cálculo

de la pendiente de la curva que define el reograma, se obtiene la viscosidad del fluido (Bingham, 1922).

En este punto es importante mencionar que los fluidos cuyo comportamiento reológico se rige por una línea

recta, es decir por una viscosidad constante, se clasifican como fluidos newtonianos, por el contrario, los fluidos

que no se rigen por una relación lineal entre el esfuerzo cortante y la velocidad de corte, y por lo tanto su

viscosidad no es constante, reciben el nombre de fluidos no newtonianos (Mott, 1996). La imagen 1 presenta

un reograma con 6 tipos de fluidos.

Imagen 1. Comportamiento reológico para varios tipos de fluidos. Fuente: Adaptación de (ACI-228, 2008)

A continuación, se presenta una breve descripción de los tipos de fluidos mostrados en la imagen 1 (ACI-228,

2008):

Velocidad de corte

Esf

uer

zo d

e co

rte

1. Antecedentes 32

- Fluido 1 – Newtoniano: Viscosidad diferencial y el coeficiente de viscosidad no varían con la velocidad

de deformación

- Fluido 2 – Reoespesante – Dilatante: Viscosidad diferencial y el coeficiente de viscosidad incrementa

de forma continua con la velocidad de deformación. No existe esfuerzo de fluencia.

- Fluido 3 – Reofluidificante: Viscosidad diferencial y coeficiente de viscosidad disminuyen a medida

que se incrementa la velocidad de deformación y carece de esfuerzo de fluencia.

- Fluido 4 – Reofluidificante con esfuerzo de fluencia: Viscosidad diferencial y coeficiente de

viscosidad disminuyen a medida que aumenta la velocidad de deformación después de que el esfuerzo

de fluencia aparente ha sido sobrepasado.

- Fluido 5 – Plástico de Bingham: Viscosidad diferencial es constante al sobrepasar el esfuerzo de

fluencia. Se habla entonces de viscosidad plástica. Por otro lado, cuando la rapidez de deformación

tiende al infinito, el coeficiente de viscosidad va disminuyendo acercándose a un valor límite.

- Fluido 6 – Plástico de Bingham modificado: Viscosidad diferencial se aproxima a una constante al

sobrepasar el esfuerzo de fluencia, a medida que incrementa la rapidez de deformación, y se habla

entonces de viscosidad plástica. Por otro lado, el coeficiente de viscosidad disminuye cuando se

sobrepasa el esfuerzo de fluencia. El esfuerzo de fluencia aparente hace referencia al valor donde se

interseca la extrapolación del reograma desde la parte lineal con el eje del esfuerzo cortante.

Al representar la variación de la viscosidad de algunos tipos de fluidos, con respecto a la velocidad de corte, se

obtiene la imagen 2 en la cual se evidencia que la viscosidad para los fluidos newtonianos es constante mientras

que para los no newtonianos varía con la velocidad de corte.

Imagen 2. Viscosidad para varios tipos de fluidos. Fuente: Adaptación de (Schramm, 1994)

Velocidad de corte

Vis

cosi

dad

1. Antecedentes 33

Teniendo en cuenta lo anterior, la imagen 3 presenta algunos modelos reológicos propuestos en la literatura.

Imagen 3. Modelos reológicos desarrollados. Fuente: Elaboración propia a partir de (Schramm, 1994)

MODELO PROPUESTO MODELO CONSTITUTIVO COMPORTAMIENTO

NEWTON

BINGHAM

CASSON

OSTWALD-DE-WAELE

HERSCHEL-BULKLEY

CROSS

M

O

D

E

L

O

S

L

I

N

E

A

L

E

S

M

O

D

E

L

O

S

N

O

L

I

N

E

A

L

E

S

1. Antecedentes 34

En el caso del concreto en particular, el estudio de las propiedades reológicas cobra vital importancia debido a

que permite caracterizar el comportamiento del material en su estado fresco, estudiando parámetros como

fluidez y resistencia a la segregación.

El reómetro ICAR 5000 es un instrumento que permite la medición de las propiedades reológicas en el concreto,

basándose en el modelo plástico de Bingham (1922), según el cual, el esfuerzo de corte se expresa como una

relación lineal entre los parámetros: esfuerzo de fluencia, viscosidad y velocidad de corte. El esfuerzo de

fluencia hace énfasis en el esfuerzo requerido que se debe aplicar para iniciar el flujo, la viscosidad, como se

mencionó anteriormente, está relacionada con la resistencia a fluir una vez se ha superado el esfuerzo de

fluencia, mientras que la velocidad de corte hace referencia a la velocidad de aplicación del esfuerzo cortante

(Bingham, 1922). El modelo de Bingham ostenta la forma que se muestra en la ecuación 1.1.

𝜏 = 𝜏𝑜 + 𝜇�̇� (1.1)

Dónde:

𝜏: Esfuerzo de corte (Pa)

𝜏𝑜: Esfuerzo de fluencia (Pa)

𝜇: Viscosidad plástica (Pa s)

�̇�: Velocidad de corte (rev/s)

Gráficamente, según este modelo, en las abscisas se sitúa la velocidad de corte, en las ordenadas está el

esfuerzo de corte, la viscosidad es la pendiente de la recta y el esfuerzo de fluencia es el corte de la recta con

el eje de las ordenadas.

Resulta pertinente indicar que existen 2 tipos de esfuerzo de fluencia: uno estático y otro dinámico. El primero

corresponde al esfuerzo requerido para iniciar el flujo, siempre que se parte desde una condición estática o de

reposo, mientras que el segundo es definido como el esfuerzo requerido para mantener la condición de flujo.

Con el reómetro ICAR 5000 se pueden realizar 2 ensayos (Instruments, 2010) :

▪ Ensayo de crecimiento de esfuerzo: Determina el esfuerzo de fluencia estático, el cual se obtiene con el

torque máximo que requiere la mezcla para comenzar a fluir bajo una velocidad de corte constante e igual

a 0,025 rev/s. Se obtiene por medio de una gráfica torque - tiempo, la cual se exhibe en la imagen 4.

1. Antecedentes 35

Imagen 4. Ejemplo de gráfica de ensayo de crecimiento de esfuerzo con reómetro ICAR. Fuente: Adaptación de (Instruments, 2010)

▪ Curva de flujo: Establece el esfuerzo de fluencia dinámico y la viscosidad plástica a través de una gráfica

torque - velocidad de corte análoga al modelo de Bingham. En esta gráfica, se determina la pendiente de

la recta y el punto de corte con el eje de las ordenadas, variando la velocidad de corte. Un ejemplo de la

curva de flujo se muestra en la imagen 5.

Imagen 5. Ejemplo de gráfica de ensayo de curva de flujo con reómetro ICAR. Fuente: Adaptación de (Instruments, 2010)

Tiempo (s)

To

rqu

e (N

m)

Velocidad de corte (rev/s)

To

rqu

e (N

m)

1. Antecedentes 36

Para realizar la conversión de torque a esfuerzo, se debe aplicar la ecuación 1.2 (Galvez Moreno, 2015).

𝜏 =

𝑇

2𝜋 ∗ 𝑅𝑖2 ∗ ℎ (1.2)

Dónde:

𝜏: Esfuerzo (Pa)

𝑇: Torque (N m)

𝑅𝑖: Radio interior (m)

ℎ: Altura del cilindro interior (m)

El software del reómetro empleado tiene algunas características de funcionamiento que vale la pena destacar

para poder interpretar los resultados entregados por el programa. Inicialmente, este software registra torque -

tiempo para distintas frecuencias rotacionales o escalones, posteriormente, toma únicamente los resultados de

torque obtenidos a partir del primer segundo de cada escalón, con el propósito de trabajar con datos que se

encuentren en una condición estable, y después, promedia los valores correspondientes a cada escalón. Con

estos valores, se procede a la elaboración del reograma, no obstante, no hay certeza de que, en la duración de

cada escalón, los valores de torque alcancen una condición estable, y por tanto, si este escenario de no

estabilidad ocurre, el reograma obtenido representaría un fluido reoespesante, lo cual no sería correcto

(Wallevik, Feys, Wallevik, & Khayat, 2015).

Adicionalmente, como fue mencionado previamente, el software del reómetro emplea únicamente el modelo de

Bingham, sin embargo, puede haber otros modelos con los cuales se produzca una mejor correlación de los

datos obtenidos. Otro aspecto que resaltar es que el esfuerzo de fluencia estático se determina a partir del

esfuerzo máximo o esfuerzo pico, sin tener precisión si este es un dato atípico y sin considerar la tendencia de

los demás datos.

Por lo anterior, es conveniente realizar un análisis manual de los datos obtenidos por el programa con el

propósito de ejecutar los ajustes correspondientes.

1. Antecedentes 37

1.1.3.1 Ajuste de esfuerzo de fluencia estático

El esfuerzo de fluencia estático se determina como el esfuerzo máximo alcanzado, de acuerdo con la gráfica

de ensayo de crecimiento de esfuerzo con reómetro ICAR. Como se mencionó anteriormente, el software del

reómetro arroja un valor de esfuerzo de fluencia estático que corresponde efectivamente al máximo esfuerzo

alcanzado, no obstante, para mayor precisión, se debe considerar la dispersión de los datos, y en consecuencia

seleccionar el máximo esfuerzo que se obtiene con una curva de tendencia, como por ejemplo la que se aprecia

en la imagen 6.

Imagen 6. Curva de tendencia de ensayo de crecimiento de esfuerzo para determinación de esfuerzo estático de fluencia. Fuente: Elaboración propia

1.1.3.2 Ajuste de esfuerzo de fluencia dinámico y viscosidad

Para llevar a cabo este ajuste, se deben registrar los datos de torque para frecuencias rotacionales de forma

escalonada y decreciente, tal como se presenta en la imagen 7.

1. Antecedentes 38

Imagen 7. Torque y frecuencia rotacional para los escalones definidos en ensayo de reómetro. Fuente: Elaboración propia

En la imagen 7, se observan los 7 escalones de frecuencia rotacional. El escalón 0 finaliza para un tiempo de

20 s, periodo en el cual el cilindro interior del reómetro rota a la frecuencia máxima (0,5 rps), produciendo

inicialmente un torque máximo que se va reduciendo hasta encontrar una condición estable, evidenciando la

cedencia de las fuerzas entre partículas, que aumentan la viscosidad aparente en el fluido cuando este se

encuentra en reposo, eliminando así el efecto de la tixotropía.

Después de transcurridos los 20 segundos iniciales, se toman datos en escalones de frecuencia rotacional,

cuya duración corresponde a 5 s cada uno, y posteriormente se calcula una rotación y un torque promedio

asociado a cada escalón, despreciando los valores presentes en el primer segundo de cada intervalo ya que

se busca una condición estable. A partir de estos resultados, se determina la desviación estándar (𝜎)

correspondiente, para seleccionar los valores de torque que se encuentren dentro del intervalo comprendido

entre ± 1,5𝜎 (Galvez Moreno, 2015).

Con base en estos datos, se procede a graficar torque y frecuencia rotacional para evaluar el modelo reológico

que mejor se ajusta a la mezcla propuesta. Para esta investigación sólo se comparó el modelo de Bingham y

1. Antecedentes 39

el modelo de Bingham modificado. Este último modelo reológico se define a través de una ecuación polinomial

de segundo orden.

Si los datos se ajustan mejor al modelo de Bingham modificado, se tendría una función de aproximación como

la que se ilustra en la ecuación 1.3.

𝑇 = 𝐺 + 𝐻𝑁 + 𝐶𝑁2 (1.3)

Dónde:

𝑇: Torque

𝑁: Frecuencia rotacional

𝐺: Intersección del reograma con el eje T

𝐻: Coeficiente del término de primer orden en el reograma

𝐶: Coeficiente del término de segundo orden en el reograma

Por otro lado, la ecuación de Riner-Riwlin para el modelo de Bingham se puede expresar de acuerdo a la

ecuación 1.4 (Feys, Wallevik, Yahia, Khayat, & Wallevik, 2013).

𝑇 =4𝜋 ∗ ℎ ∗ ln (

𝑅𝑜𝑅𝑖

)

1

𝑅𝑖2 −

1

𝑅𝑠2

𝜏𝑜 +8𝜋2 ∗ ℎ

1

𝑅𝑖2 −

1

𝑅𝑜2

𝜇𝑁 +8𝜋3 ∗ ℎ

1

𝑅𝑖2 −

1

𝑅𝑠2

∗𝑅𝑠 + 𝑅𝑖

𝑅𝑠 − 𝑅𝑖𝑐𝑁2

(1.4)

Dónde:

𝑇: Torque (N m)

𝑁: Frecuencia rotacional (s-1)

𝜏0: Esfuerzo de fluencia (Pa)

𝜇: Término lineal del modelo de Bingham modificado (Pa s)

𝑐: Término de segundo orden del modelo de Bingham modificado (Pa s2)


𝑅𝑖: Radio del cilindro interior (m)

𝑅𝑠: Radio que delimita la frontera entre el material deformado y sin deformar (radio de zona muerta) (m)

1. Antecedentes 40

En consecuencia, se tienen las igualdades que se presentan en las ecuaciones 1.5, 1.6 y 1.7.

𝜏𝑜(𝑃𝑎) = [(1

𝑅𝑖2 −

1

𝑅𝑠2)/(4𝜋 ∗ ℎ ∗ ln (

𝑅𝑜

𝑅𝑖))] ∗ 𝐺 (1.5)

𝜇(𝑃𝑎 𝑠) = [

1

𝑅𝑖2 −

1

𝑅𝑜2

8𝜋2 ∗ ℎ] ∗ 𝐻 (1.6)

𝑐(𝑃𝑎 𝑠2) = [

1

𝑅𝑖2 −

1

𝑅𝑠2

8𝜋3 ∗ ℎ] ∗

𝑅𝑠 − 𝑅𝑖

𝑅𝑠 + 𝑅𝑖∗ 𝐶 (1.7)

𝜏𝑜 corresponde al esfuerzo de fluencia dinámico, 𝜇 representa la viscosidad plástica, mientras que 𝑐 es un

factor que permite clasificar el comportamiento del fluido, en reoespesante (𝑐 > 0), en reofluidificante (𝑐 < 0) o

asociarlo al modelo plástico de Bingham (𝑐 = 0) (Rubio-Hernández, Velázquez-Navarro, & Ordóñez-Belloc,

2013) .

El radio de zona muerta se define con la ecuación 1.8 (Galvez Moreno, 2015).

𝑅𝑠 = √𝑇

2𝜋 ∗ ℎ ∗ 𝜏0≤ 𝑅𝑜 (1.8)

Dónde:

𝑅𝑠: Radio de zona muerta (m)

𝑇: Torque (N m)

𝜏0: Esfuerzo de fluencia (Pa)


𝑅𝑜: Radio del cilindro exterior o del contenedor (m). Para este caso se toma como 0,143 m.

Por ende, cuando existen zonas muertas, es necesario corregir los datos obtenidos, variando los parámetros

𝜏0, 𝜇, 𝑐 y 𝑅𝑠 en la ecuación 1.8, por medio de un método iterativo como el que es descrito en detalle por

(Galvez Moreno, 2015).

1. Antecedentes 41

1.1.4 Definición de las microesferas de vidrio

Las HGM son polvos de partículas esféricas de vidrio de pared delgada cuyas principales características

comprenden entre otras: su forma esférica, su tamaño reducido, baja densidad, resistencia relativamente alta

a la compresión, su capacidad de aislamiento térmico, acústico y dieléctrico, que lo convierten en un material

con un comportamiento idóneo como relleno o filler para materiales poliméricos (Budov, 1994).

La composición química típica de las HGM de silicato sódico calcio granulado es (CYM, 2015):

▪ SiO2 70 a 73%

▪ NaO2 13 a 15%

▪ K2O 0,2 a 0,6

▪ CaO 7 a 11%

▪ MgO 3 a 5%

Se producen a partir de vidrio plano seleccionado y tratado, que no contiene sílice libre ni es tóxico o

cancerígeno. Su proceso de fabricación consiste en las etapas de machacado, eliminación de cuerpos

extraídos, secado, trituración, almacenamiento intermedio del grano, tratamiento esférico y tamizado (AYMSA,

2017)

Las HGM empleadas en el presente proyecto, se caracterizan porque son elaboradas a partir de vidrio de

borosilicato de sodio-cal, por su superficie lisa y no porosa, dureza, ligereza, baja densidad y permeabilidad,

además de químicamente inertes y resistentes al agua. Debido a su forma esférica, las HGM ostentan una muy

baja área superficial, lo cual genera una menor necesidad de material cementante, proporcionan una mayor

estabilidad dimensional (lo cual indica menor contracción) y disminuyen de forma considerable las posibilidades

de deformación (3M, 2009).

Debido a sus características, las HGM tienen una gran variedad de aplicaciones, entre las cuales se destacan:

materiales de construcción, masillas, selladores, pinturas y recubrimientos. Las HGM reducen la cantidad de

cemento utilizado en el refuerzo de los pozos de petróleo y aíslan las tuberías bajo el agua, lo que permite

extraer más petróleo del fondo del mar, también, también, se utilizan en la fabricación de piezas plásticas para

automóviles, debido a que ayudan a minimizar el peso del vehículo optimizando el correspondiente consumo

de combustible (3M, 2009).

1. Antecedentes 42

Son utilizadas además como material abrasivo para tareas de granallado, puesto que realizan limpieza y

terminación decorativa sobre la estructura sin remover el metal base y sin contaminarla debido a que no deja

incrustaciones. Adicionalmente, son empleadas para la reflectividad de pinturas en la señalización vial

horizontal, puesto que proporcionan visibilidad al conductor, mediante reflexión, en el instante en que son

iluminadas por las luces de los vehículos.

Las HGM que se emplean en el presente trabajo son las microesferas iM30k, las cuales son una mezcla de

borosilicato de vidrio de cal sódica (97 - 100% en peso) y gel de sílice libre de cristales sintético amorfo (0-3%

en peso), con una resistencia al aplastamiento de 186,1 MPa. Su tamaño se encuentra entre 10 y 19 micras y

densidad bulk entre 0,12 y 0,9 g/cm3. Se considera un material no soluble en agua y estable químicamente (3M,

2017).

1.2 Estado del arte

En esta sección se describen brevemente algunas investigaciones que se han realizado en torno al SCC y a

las HGM, tomando en cuenta sus aplicaciones con relación a técnicas constructivas y al avance de nuevos

materiales. Inicialmente, se exponen los trabajos previos relacionados con el estudio de adiciones en SCC,

posteriormente, se presentan las investigaciones que enfatizan en las HGM como material llenante, y finalmente

se muestran los estudios que involucran el comportamiento de partículas de vidrio en el concreto.

1.2.1 Adiciones en SCC

Tang, Wang, Liu y Cui (2018) enfatizaron en el estudio de propiedades como resistencia a la compresión, a la

tracción, fluidez y microestructura de un SCC, al reemplazar ceniza volante por lodo rojo, el cual es un desecho

de la producción de alúmina, en proporciones de 12,5, 25 y 50% del peso. Para este trabajo se realizaron entre

otros, ensayos de microscopía electrónica de barrido (SEM) en los cuales se evidenció que el lodo rojo mejoró

levemente la zona de interface entre la pasta cementante y los agregados. También se cuantificó la resistencia

a la compresión, la cual presentó valores mayores a medida que aumentó el contenido de lodo rojo (incremento

inferior a 5 MPa). En relación con la resistencia a tracción del concreto, se indica que el lodo rojo redujo

levemente esta propiedad. Adicionalmente, el ensayo de difracción de rayos X mostró que al adicionar lodo rojo

al SCC, se obtiene mayor silicato tricálcico en el concreto y mayor hierro y sodio en la estructura química de la

matriz cementante. En cuanto a los ensayos en estado fresco, se concluyó que el lodo rojo genera una pérdida

de fluidez en la muestra de concreto, motivo por el cual se agregó mayor cantidad de plastificante en

comparación con la muestra sin reemplazo. (Tang, Wang, Liu, & Cui, 2018).

1. Antecedentes 43

Silva, Valencia, Delvasto y Alvarez (2013) estudiaron el lodo calcáreo producido en la industria papelera como

material de reemplazo del cemento en proporciones de 35% y 50% en SCC, específicamente en las

propiedades en estado fresco y resistencia a la compresión del SCC. Como muestra patrón se utilizó un SCC

adicionado con caliza para una dosificación del 35% y 50%. En cuanto a las propiedades reológicas, al adicionar

el lodo calcáreo, se tuvo que aumentar la relación Agua/Cemento (A/C) y el contenido de plastificante con

relación a las muestras patrón. Vale la pena mencionar que el contenido de plastificante aumentó en

aproximadamente un 50% para las muestras de 35% de lodo, mientras que para las muestras de 50%, el

contenido de plastificante aumentó casi en un 100%, lo cual expresa la importante pérdida de fluidez que implica

el lodo calcáreo. En relación a la resistencia a la compresión, se detalló que el lodo calcáreo disminuye la

resistencia a la compresión en el concreto (Silva, Burgos, Valencia, Delvasto, & Alvarez, 2013).

Moretti, Nunes y Sales (2018) evaluaron el efecto de adicionar ceniza de bagazo de caña de azúcar en pastas,

morteros y concretos autocompactantes, evaluando algunas de sus propiedades en estado fresco y en estado

endurecido. En este trabajo se reemplazó una determinada fracción de cemento por ceniza, obteniendo como

resultado que la ceniza de bagazo de caña de azúcar presenta bondades tanto en el mortero como en el SCC,

en cuanto a la mejora en la trabajabilidad (escurrimiento y t500), en aumento de la resistencia a la compresión

(del orden de 7% a 17%) y en incremento de la resistividad, entre 15% y 28% (Moretti, Nunes, & Sales, 2018).

Le y Ludwig (2016) se centraron en el estudio principalmente de la influencia de la ceniza de cáscara de arroz,

actuando como reemplazo del cemento en mortero y en SCC de alto rendimiento, para 8 tipos de mezclas que

contenían humo de sílice y ceniza volante como material de reemplazo del cemento para diferentes

proporciones. Empleando el ensayo del mini-slump flow (Kantro, 1980), se observó que la dosis saturada del

plastificante, la cual hace referencia a la dosis del plastificante a partir de la cual no se genera un aumento en

la fluidez del material, se vio reducida por la ceniza volante y el humo de sílice, mientras que la ceniza de

cáscara de arroz la incrementó. Aunque la ceniza de cáscara de arroz aumentó significativamente la viscosidad

plástica, la resistencia a la segregación y la dosis saturada del plastificante, también redujo el sangrado. Dentro

de los efectos negativos que generó para la condición fresca de la mezcla se encuentra una disminución leve

del escurrimiento y de la capacidad de paso del material. Por el contrario, el humo de sílice y la ceniza volante

mejoraron estas dos últimas propiedades.

En cuanto a la resistencia a la compresión, se observó que la ceniza volante (con una dosificación del 20% del

peso del cemento) mejoró levemente la resistencia a partir de los 7 días de vaciado, aunque dosis mayores

generan una disminución en esta propiedad. La ceniza de cáscara de arroz presentó un comportamiento muy

similar al de la ceniza volante, donde, para edades menores a 7 días, la máxima resistencia se obtiene con una

1. Antecedentes 44

dosificación del 10%. Sin embargo, contrario a lo que sucede con la ceniza volante, para edades mayores a 7

días, al aumentar la concentración de cáscara de arroz se obtiene un incremento en la resistencia a la

compresión del material. La ceniza de cáscara de arroz y el humo de sílice tienen un efecto sinérgico en la

resistencia a la compresión (Le & Ludwig, 2016).

Liu (2010) investigó el efecto de reemplazar contenidos de cemento (0%, 20%, 40%, 60% y 80%), por ceniza

volante en concretos autocompactantes en su estado endurecido. En cuanto al estado fresco, se concluyó que

estos reemplazos requieren un aumento en la relación A/C y una reducción en el plastificante para poder

garantizar un comportamiento adecuado como SCC, ya que producen un deterioro en la capacidad de paso y

en la consistencia de la mezcla. En cuanto a las propiedades en estado endurecido, se constató que para un

porcentaje de reemplazo de 20% no se producen alteraciones en el comportamiento, también, que a mayor

porcentaje de reemplazo, existe menor resistencia a la compresión y a la tensión, menor velocidad de pulso

ultrasónico y menor módulo de Young dinámico presenta el material, no obstante esta reducción se minimiza

con el tiempo (Liu, 2010).

Niewiadomski, Hoła y Ćwirzeń (2018) analizaron la influencia de nanopartículas como reemplazo de cemento

en SCC. Las nanopartículas que se adicionaron fueron: nano-SiO2, nano-TiO2, nano-Al2O3. Las dos primeras

se reemplazaron en proporciones de 0,5, 2 y 4%, mientras que la última se reemplazó en proporciones de 0,5%,

1%, 2% y 3%. Todas las muestras trabajaron con una misma relación A/C y un mismo contenido de plastificante.

En estos ensayos se apreció que en los casos en los cuales se añadió nano-SiO2 y nano-Al2O3, se presentó

una reducción en la fluidez de la mezcla, cercana al 50%, mientras que empleando nano-TiO2 se produjo una

alteración mínima. Con respecto a la resistencia a la compresión se evidenció que las mezclas con adición de

nano-SiO2 exhibieron una mejoría, mientras que las mezclas con nano-TiO2 y nano-Al2O3 tuvieron un

comportamiento similar a la muestra patrón o sin adición, incluso con menor resistencia. En cuanto a la

resistencia a la flexión, las muestras con nano-SiO2 al 0,5% mostraron un comportamiento similar a la muestra

patrón, mientras que en las otras muestras existió una clara tendencia a disminuir la resistencia a flexión del

material, muy marcada a la edad de 90 días. Finalmente, el módulo de Young se vio afectado positivamente

por la adición de nanopartículas (Niewiadomski, Hoła, & Ćwirzeń, 2018).

1. Antecedentes 45

Robayo, Mattey, Silva y Delvasto (2016) enfatizaron en el estudio de las propiedades en estado fresco y la

resistencia a compresión de muestras de SCC, reemplazando cemento por escoria de carbón finamente molida

en proporciones de 10%, 20%, 30% y 50%. En estos escenarios, las propiedades en estado fresco evaluadas

resultaron satisfactorias por lo cual se mantuvo constante la relación A/C y el contenido de plastificante, sin

embargo, fue para la condición de 10% de reemplazo, para la cual se obtuvo la mayor mejoría con respecto a

la muestra control. En cuanto a la resistencia a la compresión, se observó que la adición de escoria incrementa

la resistencia a la compresión, pero únicamente cuando se trata reemplazos del 10, 20 y 30%, debido a que

con un 40% esta propiedad disminuye y resulta inferior a la obtenida con la muestra control (Robayo, Mattey,

Silva, & Delvasto, 2016).

Ali y Al-Tersawy (2015) evaluaron la incidencia del vidrio reciclado como reemplazo de agregado fino sobre

muestras de SCC con contenido de cemento de 350, 400 y 450 kg/m3, para cada una de las cuales el porcentaje

de reemplazo fue 0%, 10%, 20%, 30%, 40% y 50%. Vale la pena aclarar que se manejó una relación A/C y un

porcentaje de humo de sílice constante para todas las mezclas. En lo que concierne a las propiedades

reológicas del SCC, se concluyó que un incremento en el contenido de vidrio reciclado produce un aumento en

la fluidez del material sin generar segregación, por lo cual se debe reducir el contenido de plastificante. En

cuanto a la resistencia a la compresión, se evidenció que la presencia de vidrio reciclado disminuye la

resistencia del material, presentando una reducción máxima del 25% para el reemplazo de 50%. Con relación

a la resistencia a tracción, al igual que la resistencia a la compresión, también se obtuvo una disminución con

el contenido de vidrio reciclado llegando a ser del orden del 30%. En lo que se refiere a la resistencia a flexión,

esta también se vio afectada negativamente con el contenido de vidrio reciclado alcanzando una reducción del

25%. Finalmente, el módulo de Young tuvo un comportamiento similar disminuyendo con el vidrio reciclado (Ali

& Al-Tersawy, 2015).

Al-sanusi, Esmoue y Gumma (2012) profundizaron en el estudio de muestras de SCC para relaciones A/C de

0,34 y 0,37, en cada una de las cuales se realizaron dosificaciones de 3%, 6% y 9% de humo de sílice como

reemplazo del material cementante. Para cada mezcla, se evaluaron propiedades en estado fresco y resistencia

a la compresión del material. De este análisis, se puede concluir que la dosificación de 6% corresponde a la

mezcla óptima del conjunto de muestras analizadas, ya que presenta mejores resultados que la dosificación del

3% y de manera general también presenta resultados levemente mejores que la dosificación del 9% (Al-sanusi,

Esmoue, & Gumma, 2012).

1. Antecedentes 46

Madandoust y Mousavi (2012) analizaron muestras de SCC con diferentes relaciones A/C: 0,32, 0,38 y 0,45

para cada una de las cuales se reemplazó cemento por metacaolín en las proporciones de 0%, 5%, 10%, 15%

y 20%. En términos generales se tiene que la adición de metacaolín mejora la fluidez de la muestra. En cuanto

a la resistencia a compresión, se tiene que el metacaolin produce un aumento en esta propiedad, aunque no

es tan clara la influencia con diferentes porcentajes de adición. Por otro lado, el metacaolín mejora el

comportamiento del material frente a la tensión, sin embargo este aumento de resistencia es muy bajo para la

dosificación del 20%, a tal punto que es similar al obtenido para la muestra control (Madandoust & Mousavi,

2012).

1.2.2 Propiedades de las HGM

De las investigaciones realizadas en torno a los potenciales empleos de las HGM en el campo de la ingeniería

civil, a continuación se describen algunas cuyo enfoque se direccionó al estudio de las propiedades de estas

partículas. Posteriormente, se presentan los estudios que se han llevado a cabo con respecto al

comportamiento de las HGM actuando con otros materiales y por último se exponen las investigaciones que

específicamente tratan de las HGM en el cemento y en el concreto, temática principal de este documento.

Mckenna (2016) estudió el comportamiento de las HGM como aislante térmico para una estructura de malla de

alambre multicapa, cada una de las cuales está separada por un material de relleno, que en este caso fueron

las HGM. Las variables estudiadas fueron: número de capas de malla de alambre, material de relleno e

influencia de la temperatura. Los resultados experimentales indicaron que la cantidad de capas fue el principal

factor en la determinación del valor efectivo de conductividad térmica; incrementar el número de capas de malla

de alambre implicó un aumento en la conductividad térmica efectiva del aislamiento. Relacionado con las HGM,

su adición como material de relleno resultó en un aumento insignificante de la conductividad térmica efectiva.

De manera análoga, los cambios en la temperatura tuvieron muy poco efecto sobre la conductividad térmica

(Mckenna, 2016).

Kim, Park y Kim (2014) caracterizaron la formación de puentes capilares sobre HGM debidos al fenómeno de

la corrosión. Las HGM se trataron con agua purificada, se limpiaron y se secaron para observar la formación

de puentes capilares entre las HGM usando microscopía electrónica de barrido ambiental de alta resolución.

Durante este proceso se encontró que la formación de puentes entre HGM depende del método de secado, por

ejemplo, si la muestra se seca en el medio ambiente se generan puentes, caso contrario cuando se secan en

la cámara ESEM. También se encontró que los puentes entre las HGM se encogieron al interactuar con los

electrones generados por la corrosión. Los ensayos análogos, pero utilizando esferas de oro, no mostraron

1. Antecedentes 47

puentes de conexión, empero, al ensayar HGM y de oro mezclados, aparecieron puentes para cada una de las

combinaciones, eso es: vidrio-vidrio, vidrio-oro y oro-oro. Por lo tanto, estos resultados indican que la reacción

química entre vidrio y agua conduce a un ambiente en el que se forman puentes entre microesferas sin importar

su composición química (Kim, Park, & Kim, 2014).

Yan, Xie, Li, Yuan y Zhang (2011) evaluaron la influencia que tiene la densidad y la imperfección de la estructura

de HGM, en su resistencia a la compresión. En este trabajo se determinó una formulación matemática para

calcular la resistencia a la compresión de las HGM, a partir de sus correspondientes parámetros como el módulo

de Young, la relación de Poisson, la densidad del material de la pared y la densidad de las HGM. Se empleó

dicha expresión matemática en 6 tipos de muestras de diferentes densidades, 3 de las cuales se prepararon a

través de procesos de secado por pulverización e ignición, mientras que los restantes se prepararon a partir de

polvos de vidrio pre-sintetizado y procesos de quema. Esta resistencia teórica se comparó con la resistencia

real, la cual se determinó a través de un sistema en el cual un lote de HGM se probó con presión hidrostática

de 12 MPa y se calculó el porcentaje de HGM falladas. En este ensayo se observó que muchas HGM habían

fallado bajo esta presión (12 MPa), la cual fue inferior a la resistencia teórica. También se observó que el

porcentaje de HGM falladas no disminuyó con el aumento en la densidad, y que los tipos de HGM preparados

con el primer método tuvieron un porcentaje de muestras fallidas considerablemente mayor que las fabricadas

por el segundo método. Por lo tanto se concluyó que la resistencia real de las HGM debe definirse por la

resistencia teórica multiplicada por un coeficiente de estructura "φ", que se relaciona estrechamente con la

tecnología de preparación (Yan, Xie, Li, Yuan, & Zhang, 2011).

Li, Yuan, An y Zhang (2011) investigaron el efecto de la microestructura y los parámetros físicos de las HGM

en el aislamiento térmico, empleando 5 muestras de HGM de diferentes densidades. Este estudio concluyó que

la densidad de la HGM y la conductividad térmica presentan una relación directamente proporcional, por lo

tanto, el uso de HGM de baja densidad disminuye la conductividad térmica tanto de las HGM como del sistema.

Por otro lado se concluyó que la conductividad térmica del sistema y de la HGM disminuye cuando el coeficiente

de apilamiento de HGM aumenta (B. Li, Yuan, An, & Zhang, 2011).

1. Antecedentes 48

1.2.3 HGM como material de relleno

A continuación, se presentan algunas investigaciones que se centran en el comportamiento de las HGM para

mejorar las propiedades en otros materiales.

Kumar, Mireja, Khandelwal, Arun y Manik (2017) enfatizaron en el estudio el uso de HGM y fibras de bambú en

compuestos híbridos basados en polipropileno, con relación a su resistencia y morfología. En esta investigación

se empleó fibra de bambú entre 0% y 20% en peso manteniendo la participación de HGM fija al 10% en peso

con respecto a la matriz. Al realizar este ensayo, se aprecia que la densidad se reduce aproximadamente en

un 8,5% debido a la adición de HGM, sin embargo, al agregar las fibras de bambú se genera un aumento en

los valores asociados a esta propiedad. En cuanto a las propiedades mecánicas de tracción, flexión e impacto,

se tiene que las HGM disminuyeron la resistencia a la tracción en un 8%, mejoraron la resistencia a flexión y

generaron una diminución en la resistencia al impacto del orden del 37,6%. Estas pérdidas de resistencia se

vieron compensadas por las fibras de bambú para el caso en que se adicionó el 20% en peso; las resistencias

a la tracción, a la flexión y al impacto aumentaron en un 23,5%, 38,5% y 47,9%, respectivamente, de acuerdo

con las condiciones iniciales (Kumar, Mireja, Khandelwal, Arun, & Manik, 2017).

Jiao, Wang, Li y Chen (2017) examinaron el desempeño de las HGM en la reducción de riesgo de incendio para

compuestos de poliuretano termoplástico (TPU). En esta investigación se ensayaron 5 tipos de muestras para

cada uno de las cuales variaba su proporción de TPU (98% - 100%) y de HGM (0% - 2%). En este estudio se

observó que la proporción de 2% en peso de HGM produjo una reducción del 26% en la liberación de humo.

Los resultados del análisis termogravimétrico/espectrometría infrarroja confirmaron que las HGM podrían

mejorar la estabilidad térmica de los compuestos, reducir la liberación de humo, de gases nocivos y tóxicos y

liberar CO2 y H2O, eliminando la combustión de los compuestos de TPU. Por lo tanto, las HGM demostraron

tener un buen desempeño para reducir el riesgo de incendio para TPU (Jiao, Wang, Li, & Chen, 2017).

Ren, Hu, Ren, Wang y otros (2017), desarrollaron un material de flotación compuesto por HGM como material

de relleno en una matriz de óxido de silicio para aplicaciones a altas temperaturas. En esta investigación se

analizaron muestras de la mezcla a diferentes temperaturas: 650, 700, 750, 800 y 850°C, para cada una de las

cuales se midió la densidad, la porosidad, la conductividad térmica y el módulo de Young. De estos ensayos se

observó que la densidad, la conductividad térmica y la resistencia a la compresión aumentaron, mientras que

la porosidad disminuyó. No obstante, a pesar de esto, la mezcla lograda exhibió densidad y conductividad

térmica baja, porosidad alta y resistencia a la compresión relativamente alta, lo cual hace que tenga buenas

propiedades de resistencia a la temperatura (Ren, Hu, et al., 2017).

1. Antecedentes 49

Ren, Li, Zhang y otros (2017) evaluaron las propiedades mecánicas y de resistencia a altas temperaturas de

un material elaborado por HGM con matriz de borosilicato de vidrio. En este estudio se ensayaron mezclas de

cuatro tipos de HGM, cada una de las cuales tenía un tamaño de partícula distinto, a temperaturas de 650, 700

y 750°C, en donde se midieron parámetros como densidad, resistencia a la compresión, porosidad y módulo

de Young. Como resultado se observó un aumento de la densidad aparente, de la resistencia a la compresión

y del módulo de Young de los cuatro tipos de materiales compuestos y una reducción en la porosidad a medida

que la temperatura pasaba de 650°C a 750°C. Adicionalmente, se observó que los mayores cambios se

produjeron para la mezcla con HGM de menor tamaño (Ren, Li, et al., 2017).

Xiao y Chen (2015) analizaron el mejoramiento en las propiedades de impacto, haciendo énfasis en la

resistencia al impacto y capacidad de agrietamiento, que generan las HGM sobre un polipropileno compuesto,

actuando de manera conjunta con caucho flexible de nitrilo butadieno en polvo (BNRP). En este estudio se

ensayaron especímenes variando su composición para 3 casos: especímenes compuestos únicamente de

polipropileno, de polipropileno más BNRP y de polipropileno, BNRP más HGM. De estos ensayos se obtuvo

que la resistencia para el primer caso fue 3,86 kJ/m2, para el segundo caso de 5,57 kJ/m2 y para el tercer caso

de 6,55 kJ/m2. Se evidenció además que al adicionar las HGM se redujo el agrietamiento en la mezcla. Las

conclusiones de la investigación indican que las HGM evitan la formación y ampliación de grietas, que los BNRP

mejoran la resistencia al impacto y en consecuencia la combinación de HGM y BNRP mejora el comportamiento

del polipropileno frente al impacto (Xiao & Chen, 2015).

Aruniit, Kers, Majak, Krumme y Tall (2012) indagaron sobre la Influencia de las HGM en las propiedades

mecánicas, físicas y en el costo de los compuestos de polímero reforzado con partículas de trihidrato de

alúmina. En este estudio, se reemplazó parte del trihidrato de alúmina por HGM para reducir el peso y ahorrar

costos. Se midieron algunas propiedades tales como resistencia a tracción, dureza y densidad. De este trabajo

se concluyó, por un lado, que las HGM disminuyeron el peso, la resistencia a la tracción y la dureza en el

material compuesto reforzado con partículas, y por otro, que resultaron más costosas. Por ejemplo, el material

compuesto con 6% de HGM mostró una pérdida del 3% en la resistencia a la tracción, del 26% en la dureza

superficial, del 13% en peso y un incremento en el costo del material en un 7% (Aruniit, Kers, Majak, Krumme,

& Tall, 2012).

1. Antecedentes 50

Peroni, Scapin, Avalle, Weise y Lehmhus (2012) observaron el comportamiento mecánico de espumas

sintácticas de hierro con adición de HGM, en lo que concierne a la sensibilidad respecto a la velocidad de

deformación. En este estudio se realizaron pruebas de compresión a tres niveles de velocidad de deformación,

se probaron muestras de espumas sintácticas de hierro con 2 tipos de HGM: S60HS (baja resistencia) e iM30K

(alta resistencia), cada una de las cuales se adicionó en porcentajes de 5, 10 y 13% en peso. Los resultados

experimentales mostraron que la tasa de deformación aumenta la respuesta de sensibilidad del material en casi

todos los casos, también, que las HGM redujeron la resistencia a la compresión en el material, siendo más

manifiesta en el caso de las microesferas S60HS. Las iM30K tendieron a presentar un comportamiento dúctil,

mientras que las S60HS un comportamiento frágil (Peroni, Scapin, Avalle, Weise, & Lehmhus, 2012).

Yakushin, Stirna, Bel’kova, Deme y Sevastyanova (2011) analizaron el efecto de las HGM sobre las propiedades

de compresión, tracción y coeficiente de expansión térmica de 2 tipos de espumas rígidas y livianas de

poliuretano de baja densidad. Para cada ensayo se analizó el comportamiento tanto en dirección X como en

dirección Z, siendo esta última la dirección de subida de la espuma. Se emplearon HGM con un porcentaje de

participación en peso del 0% al 5%, debido a que para porcentajes superiores se generaban problemas de

manejabilidad en la mezcla. En este estudio se observó que los mayores aumentos en las propiedades

analizadas se generaron en las espumas rígidas, representando un aumento entre 10% y 13%, respecto a las

espumas livianas en la resistencia y el módulo elástico en compresión en la dirección Z, mientras se empleaban

porcentajes de HGM entre 1% y 2%. En cuanto a las propiedades a tracción en dirección X, se aprecia que en

las espumas livianas, las HGM únicamente redujeron las propiedades, mientras que en las espumas rígidas, el

módulo de Young a tracción tuvo el máximo valor para un 3% de HGM, con un aumento del 20%, en tanto que

la resistencia a la tracción fue máxima para un 2% de HGM con un aumento del 8%. Contrariamente al módulo

de Young y la resistencia a la tracción, el alargamiento a la rotura de las espumas disminuyó drásticamente con

el aumento del contenido de HGM, es decir que el material se volvió más frágil. En cuanto a los coeficientes de

expansión térmica lineal, se tiene que para las espumas rígidas tanto en X como en Z, estos coeficientes

disminuyeron, casi en igual medida a mayor contenido de HGM, siendo el coeficiente en dirección X el que más

se vio afectado cuando el contenido de HGM sobrepasó el 3% (Yakushin, Stirna, Bel’kova, Deme, &

Sevastyanova, 2011).

Ferreira, Salviano, Costa y Capela (2010) investigaron la influencia de la adición de fibras cortas de vidrio de

un compuesto de resina epóxica y HGM mediante la medición de parámetros como la densidad, módulo de

Young, resistencia a la flexión y resistencia a la fatiga para un millón de ciclos. Inicialmente, se determinaron

estos parámetros para un compuesto sin refuerzo, es decir, únicamente tenía resina epoxi como matriz de unión

y HGM, las cuales variaron su contenido en volumen de 0%, 10%, 26%, 43% y 50%. Posteriormente, se

1. Antecedentes 51

midieron los parámetros establecidos para el mismo compuesto, pero esta vez con fibras de vidrio cortas,

escenario en el que se variaron los porcentajes del contenido de refuerzo de 0,3%, 0,4%, 0,9% y 1,2% en

volumen y los porcentajes de HGM entre 10% y 43%. Finalmente, se presenta un tercer escenario en el cual

se analizó un material compuesto por la resina epoxi, las HGM y reforzado con fibras de carbono cortas cuyo

porcentaje varía de 0,4% a 0,9% con un contenido de HGM de 43%. Para el primer caso, se observa una

reducción en todos los parámetros estudiados a medida que se incrementaba el contenido de HGM en la

muestra, para el segundo caso, se produce solo una ligera mejora en la resistencia a la flexión, mientras que

para el tercer caso se genera una mejora importante a la flexión con un contenido de fibras de carbón de 0,9%.

Se obtuvo una mejora en la resistencia a la fatiga de más del 30% mediante la adición de pequeños porcentajes

de fibra de vidrio o carbono (Ferreira, Salviano, Costa, & Capela, 2010).

Park, Jin y Lee (2005) estudiaron propiedades fisicoquímicas (energías libres de superficie), propiedades

térmicas (temperatura de transición vítrea) y propiedades interfaciales eléctricas y mecánicas de resinas epoxi

de diglicidil-éter de bisfenol A, variando el contenido de HGM que se añadían (0%, 1% y 2%). En este estudio

se evidenció que el aumento en el contenido de HGM, entre otras cosas logró un curado más controlado,

disipando calor, generando menores cambios volumétricos, reduciendo el coeficiente de expansión térmica y

disminuyendo la constante dieléctrica (Park, Jin, & Lee, 2005).

1.2.4 Reacciones cemento – polvo de vidrio

En el área de la ingeniería civil, de acuerdo a la revisión de literatura realizada, las HGM se han utilizado

principalmente como relleno para mejorar las propiedades de un determinado material, principalmente cemento

y polímeros, no obstante, dado que el presente trabajo se enfoca en el comportamiento de las HGM en el

concreto, resulta pertinente exponer el efecto y el tipo de reacción que generan estas partículas en el cemento,

particularmente en lo que tiene que ver con la reacción álcali-sílice teniendo en cuenta que el sílice es uno de

los componentes del vidrio. En este orden de ideas, a continuación, se presentan algunas investigaciones que

se han realizado con objeto de explicar las reacciones que genera el mezclar cemento con polvo de vidrio.

Zheng (2016) centró su estudio en el efecto que producen las partículas de vidrio en la mitigación de la reacción

álcali-sílice en el concreto. De este trabajo se concluyó que la reacción puzolánica del vidrio por un lado aumenta

la concentración de álcali y por otro lado aumenta la concentración de aluminio en la solución presente en los

poros de la mezcla, lo cual reduce la disolución de la sílice reactiva y por lo tanto controla la reacción alcalina.

Esta es una de las razones por las cuales, aunque el vidrio aumenta la concentración de sílice en el concreto,

finalmente se inhibe la reacción álcali-sílice en la mezcla (Zheng, 2016).

1. Antecedentes 52

Rodríguez y Caturelli (2016) analizaron la resistencia a la compresión y la reactividad álcali-sílice de un concreto

en el cual se ha reemplazado cemento (15%, 20% y 25% en volumen) por vidrio residual finamente molido

(TMN de 150 µm). De este trabajo se concluyó que al efectuar estos reemplazos se obtienen resistencias

mayores que las correspondientes a la muestra control, que el vidrio en el tamaño utilizado se comporta como

una puzolana, y que no solo no produce, sino que inhibe considerablemente la reacción álcali-sílice, aún si se

utilizan agregados reactivos (Rodriguez & Caturelli, 2016).

Idir, Cyr y Tagnit-Hamou (2013) evaluaron las diferencias que presentan el polvo fino y el polvo grueso de vidrio

en el concreto, específicamente en el tipo de reacción que se produce. De esta investigación se concluyó que

el uso de polvos finos mejora las propiedades del concreto debido a que se genera una reacción puzolánica,

mientras que, para el caso de polvos gruesos, generalmente se presenta un comportamiento perjudicial debido

a la reacción álcali-sílice. Por otro lado, en cuanto a los geles que se producen, se observó que las partículas

gruesas de vidrio quedan cubiertas parcialmente por una doble capa de gel alcalino y de gel C-(N,K)-S-H,

mientras que las partículas finas quedan cubiertas completamente y se reemplazan por hidratos de carbono C-

(N,K)-S-H. También se concluyó que los productos de partículas finas tienen una relación cal/sílice más baja y

mayores contenidos de álcali que los productos de partículas gruesas (Idir, Cyr, & Tagnit-Hamou, 2013).

Shi, Wu, Riefler y Wang (2005) estudiaron la estructura interna, el tamaño de partícula y la actividad puzolánica

de cuatro tipos de vidrio en polvo y de ceniza volante, empleados como reemplazo de cemento (20% en peso)

para su análisis en morteros. En esta investigación se observó que el incrementar la temperatura de curado de

35 a 65°C, produjo actividad puzolánica más intensa de los polvos de vidrio, generando un aumento en la

resistencia a la compresión, el cual se vio más marcado en el caso de los morteros que tenían polvo de vidrio,

que en el caso de los que emplearon ceniza volante. Este aumento en la resistencia a la compresión se produjo

únicamente a los 28 días, para edades menores a 7 días la muestra control obtuvo los mejores resultados. En

cuanto a la reducción en la reacción álcali-sílice, se observó que la ceniza volante generó mayores

disminuciones en comparación con el polvo de vidrio (Shi, Wu, Riefler, & Wang, 2005).

Shao, Lefort, Moras y Rodríguez (2000) orientaron su investigación en el comportamiento del concreto al

reemplazar un 30% en volumen de su contenido de cemento por vidrio residual finamente molido, en cuanto a

actividad puzolánica, resistencia a la compresión y capacidad de expansión del material. Este estudio determinó

que el vidrio con tamaño de partícula menor a 38 µm exhibió un comportamiento puzolánico y que un tamaño

de partícula de vidrio más pequeño condujo a una mayor reactividad con la cal, una mayor resistencia a la

compresión y una menor expansión. Adicionalmente, al compararse con la ceniza volante, el concreto con vidrio

1. Antecedentes 53

molido presentó una mayor resistencia tanto a corto como a largo plazo (Shao, Lefort, Moras, & Rodriguez,

2000).

1.2.5 HGM en el cemento y en el concreto

Por último, a continuación, se exponen algunos estudios que se han llevado a cabo en torno al comportamiento

del cemento y del concreto cuando se adicionan HGM.

Lv, Duan y Chen (2018) analizaron las bondades que presentan las HGM en la capacidad de absorción de

ondas electromagnéticas en el cemento, mediante la medición de pérdidas por reflexión de dichas ondas para

distintas dosificaciones de HGM, sobre placas a base de cemento de 200 mm por 200 mm y espesor entre 10

mm y 30 mm. En el ensayo se evidenció que al agregar nano-plaquetas de grafeno (GN) y HGM a los

compuestos a base de cemento estudiados, se mejoraron las propiedades de absorción en el material. Según

este estudio, la mezcla óptima, en cuanto a capacidad de absorción de ondas electromagnéticas se refiere,

corresponde a un elemento de espesor entre 20 mm y 30 mm con una combinación de 40% de HGM en volumen

y 0,2% de GN. Vale la pena aclarar que la combinación de 40% de HGM, corresponde al punto donde la

transmisión de las ondas alcanza su máximo nivel. Como se pudo apreciar en la investigación, al adicionar

HGM se logró una disminución en las pérdidas por reflexión, lo cual se traduce en una mejora en las

propiedades de absorción de ondas electromagnéticas en el cemento (Lv, Duan, & Chen, 2018).

Shahidan, Aminuddin y otros (2017), investigaron el comportamiento en cuanto a aislamiento térmico, de HGM

como potencial reemplazo del cemento en concreto celular (ACI, 1997), mediante la medición de conductividad

térmica sobre muestras de concreto con espumas ligeras variando el porcentaje que presentaba de HGM (0%,

3%, 6% y 9%), adicionalmente, se analizaron las propiedades de resistencia a la compresión, absorción de

agua y aislamiento térmico. Según este estudio, con un porcentaje de adición de 3% de HGM se obtuvieron los

mejores resultados del análisis, esto es la máxima resistencia a la compresión con la menor absorción de agua

y un bajo aislamiento térmico (alta conductividad eléctrica). Sin embargo, vale la pena mencionar que cuanto

mayor era la contribución de HGM en la mezcla, mayor era su aislamiento térmico, el cual se obtuvo con una

contribución del 9% en HGM (Shahidan, Aminuddin, Mohd Noor, Ramzi hannan, & Saiful Bahari, 2017).

Perfilov, Oreshkin y Semenov (2016) estudiaron el comportamiento de las HGM en los morteros, centrando su

atención en lo que tiene que ver con reducciones en la densidad de esta mezcla. En esta investigación se

adicionaron diferentes porcentajes de HGM sobre el mortero y se midieron sus correspondientes densidades y

resistencias, obteniendo como resultado que las HGM redujeron la densidad de la mezcla, incrementaron la

adhesión del material con los muros, mejoraron la resistencia tanto a compresión como a flexión y redujeron el

1. Antecedentes 54

agua absorbida por la mezcla. Un hallazgo adicional que es relevante mencionar es que, dado que el proceso

de corrosión tiene lugar en la superficie de las HGM, se genera un refuerzo en la zona de contacto debido a la

formación de compuestos insolubles en agua, y una migración de los iones calcio a las paredes de las HGM en

lugar de iones sodio, lo que conduce a la reducción de defectos de estructura y, en última instancia, a la

eliminación de la zona de contacto, mejorando la durabilidad de la estructura (Perfilov, Oreshkin, & Semenov,

2016).

Oreshkin, Semenov y Rozovskaya (2016) profundizaron en el estudio de las propiedades del concreto aligerado

de agregado fino con HGM empleando la tecnología de la extrusión, mediante la determinación de parámetros

como la resistencia a la compresión y la densidad. En esta investigación se analizaron muestras de concreto

de agregado fino extruido y no extruido, ambos con 15% y 30% de HGM en peso del cemento. Los resultados

de este trabajo fueron que la demanda de agua de la mezcla de concreto después del proceso de extrusión se

reduce entre un 10% y 12% en comparación con la mezcla de concreto sin extruir, que la resistencia del

concreto aumenta y que la reducción del agua de mezcla contribuye a un leve aumento en la densidad promedio

del concreto. Adicionalmente, se concluye que existe un aumento significativo de la resistencia a la fisuración

en el concreto que es extruido en comparación con el no extruido (Oreshkin, Semenov, & Rozovskaya, 2016).

Zhuge, Shen, Lu, Hesse y Chen (2014) plantearon el análisis del comportamiento de las HGM como material

de sustitución del cemento en el compuesto flexible de cemento (ECC) desarrollado por la Universidad de

Michigan (V. C. Li, 1998), mediante la medición de la resistencia a compresión a la edad de 28 días, sobre cada

una de las muestras analizadas, las cuales presentaban un 10% de HGM. En esta investigación se emplearon

2 mezclas, para cada una de los cuales se aplicaron 10% de HGM; la primera mezcla consistió en emplear

1,5% de la fibra polivinil-alcohol (PVA), mientras que en la segunda mezcla se empleó 2% de la fibra PVA. Se

encontró que la fibra PVA aumentó la resistencia a la compresión 3 veces sin importar la participación de HGM.

Sin embargo, cuando se adicionó el 10% de HGM, la resistencia a la compresión de las muestras se redujo

ligeramente (Zhuge, Shen, Lu, Hesse, & Chen, 2014).

Padilla, Flores, Panamá y Huerta (2010) evaluaron el efecto de las HGM como reemplazo parcial de arena, en

morteros poliméricos e hidráulicos mediante la determinación de la densidad y la resistencia a la compresión

para los casos considerados, cada uno de los cuales presentaba una dosificación diferente de HGM, tanto en

morteros hidráulicos como en concretos poliméricos. De esta investigación se concluyó que las HGM, actuando

como reemplazo de arena, reducen la densidad y aumentan la resistencia a compresión de la mezcla, tanto en

el caso de los morteros hidráulicos como en concretos poliméricos, sin embargo, el mayor efecto se logra en

los morteros hidráulicos (Padilla Ramírez, Flores Bustamante, Panamá, & Huerta, 2010).

1. Antecedentes 55

Wang y Li (2003) enfatizaron en el estudio de las propiedades como material de relleno en ECC de 4 diferentes

clases de material, utilizando 15 diseños de mezcla, para lo cual se evaluaron parámetros como densidad y

resistencia tanto a tracción como a compresión. Los materiales de relleno estudiados fueron HGM, microesferas

poliméricas y arena de perlita expandida. De este estudio se concluyó que con el uso de HGM, los materiales

ligeros del ECC exhiben capacidad de deformación a tracción superior al 3% en el rango de densidades entre

0,93 a 1,78 g/cm3. También se encontró que el diseño de mezcla más eficiente es el que utiliza 20% de HGM

S26 con 4% de superplastificante, debido a que con esta dosificación se obtiene una densidad intermedia (1,67

g/cm3), la resistencia a la tracción máxima (4,56 MPa) y una resistencia a la compresión alta (43,2 MPa) (Wang

& Li, 2003).

2. Justificación, identificación del problema y objetivos

2.1 Justificación

El cemento es el material más utilizado en la industria de la construcción debido a las propiedades que ofrece

en las estructuras; a saber: resistencia, manejabilidad, durabilidad, facilidad de fabricación y costo accesible.

Sin embargo, una de las desventajas principales que presenta se debe a la contaminación que genera su

proceso de fabricación. Debido a su amplia aplicabilidad, resulta pertinente investigar materiales que

adicionados al concreto mejoren sus propiedades, reduzcan la necesidad de material cementante en el

compuesto y optimicen su rendimiento. Se han estudiado los beneficios que generan las adiciones tales como

humo de sílice, escoria de alto horno, puzolanas naturales y cenizas volante sobre el comportamiento del

concreto, principalmente en lo concerniente a aumento de la resistencia del material, mejoramiento de

manejabilidad de la mezcla, reducción en la permeabilidad y disminución tanto en el contenido de cemento

como de agua requerido, entre otras características.

En cuanto a las HGM, debido a las propiedades que ostentan, se han llevado a cabo estudios que profundizaron

en su comportamiento como material de relleno, como agente reductor de peso, como aislante térmico y como

adición para trabajar a altas temperaturas, especialmente en compuestos poliméricos, observando una mejora

en dichas propiedades. En menor medida, se ha analizado el comportamiento de las HGM adicionadas en el

cemento y en el concreto, no obstante, estos trabajos se han centrado en examinar su influencia en el aumento

de la resistencia a la compresión y en la disminución tanto de densidad como de peso del compuesto. Otras

propiedades en estado endurecido tales como resistencia a la flexión, a la tracción, módulo de Young,

permeabilidad y coeficiente de Poisson aún no han sido suficientemente investigadas. De igual manera, existe

poca literatura en torno a las propiedades del concreto adicionado con HGM en estado fresco, tales como

viscosidad, manejabilidad y reología.

2. Justificación, identificación del problema y objetivos 57

Por lo anterior, en este estudio se evaluó el comportamiento del concreto adicionado con HGM tanto en estado

fresco como en estado endurecido, de una manera particular, más no limitándose exclusivamente al estudio de

la densidad y la resistencia a la compresión, con el propósito de que se tenga un panorama más completo de

los efectos que genera esta adición en el concreto y de esta manera evaluar su viabilidad técnica como material

de reemplazo parcial del cemento en la producción de SCC.

2.2 Identificación del problema

En la industria de la construcción existe la necesidad de utilizar materiales que sean amigables con el medio

ambiente o por lo menos que reduzcan su nivel de contaminación, que alcancen altas resistencias y que además

tengan buenas propiedades de desempeño. Las HGM han demostrado ser un material que ofrece un buen

comportamiento frente a los requisitos anteriormente descritos, no obstante, su estudio se ha enfocado

principalmente en polímeros. Los estudios que se han ejecutado en lo referente a HGM adicionadas en el

concreto, han evaluado principalmente las bondades que representa sobre las propiedades de densidad y de

resistencia a la compresión en el material. En el presente documento se presenta el estudio realizado sobre los

diferentes efectos que generan las HGM como reemplazo parcial de cemento, en el estado fresco y en el estado

endurecido del concreto.

2.3 Objetivo general y objetivos específicos

2.3.1 Objetivo general

Evaluar el efecto de la adición de microesferas huecas de vidrio de borosilicato de sodio-cal en el concreto

hidráulico, en estado fresco y endurecido, por medio de la ejecución de los ensayos: caja en L, escurrimiento,

anillo japonés, esfuerzo de fluencia estático y dinámico empleando el reómetro ICAR 5000, resistencia a la

compresión, a la tracción, a la flexión y resistencia a la penetración de ion cloruro (método Nordtest NT Build

492).

2.3.2 Objetivos específicos

▪ Determinar las propiedades de viscosidad, trabajabilidad y reológicas del concreto con adición de

microesferas huecas de vidrio, en estado fresco, mediante los ensayos: caja en L, escurrimiento, anillo

japonés y esfuerzo de fluencia estático y dinámico empleando el reómetro ICAR 5000.

2. Justificación, identificación del problema y objetivos 58

▪ Evaluar las propiedades de resistencia a la compresión, a tracción, a flexión, módulo de Young y coeficiente

de Poisson del concreto adicionado con microesferas huecas de vidrio, en estado endurecido.

▪ Determinar la resistencia a la penetración del ion cloruro del concreto hidráulico adicionado con

microesferas huecas de vidrio aplicando el método Nordtest NT Build 492.

▪ Comparar los parámetros estudiados anteriormente con los obtenidos en laboratorio para el concreto

hidráulico sin adicionar microesferas de vidrio.

3. Caracterización de materiales

3.1 Microesferas huecas de vidrio

En la Tabla 8 se presentan los resultados del ensayo de Fluorescencia de Rayos X aplicado sobre las

microesferas huecas de vidrio (HGM), a partir del cual se obtuvo la composición química del material.

Tabla 8. Resultados ensayos de Fluorescencia de Rayos X. Fuente: Elaboración propia

Elemento y/o Compuesto (% en peso)

SiO2 79,26%

CaO 14,70%

Na2O 4,78%

P2O5 0,49%

SO3 0,30%

MgO 0,28%

Al2O3 0,14%

Fe2O3 0,02%

TiO2 0,02%

Zr 0,01%

K2O 79 ppm

Sr 32 ppm

En la Tabla 8 se observa que el compuesto predominante en el material es la sílice, lo cual es coherente

teniendo en cuenta que la sílice es el principal compuesto del vidrio. También se destaca la presencia de cal y

de óxido de sodio con una participación del 14,70% y 4,78% respectivamente. Teniendo en cuenta únicamente

estos 3 compuestos se obtiene una representación del 98,74% de la composición química de las microesferas.

Comparando esta información con la expuesta en la ficha técnica del producto, resultan congruentes los datos

de la prueba de Flurosecencia de Rayos X.

3. Caracterización de materiales 60

Por otro lado, para el estudio de la morfología de las HGM se realizó una prueba SEM, a partir de la cual

también, por medio de un detector de rayos X de energía dispersiva, se obtuvo la composición química de este

material. Para la ejecución de este ensayo, inicialmente se tuvo que aplicar sobre las microesferas un

recubrimiento metálico con el propósito de mejorar la visibilidad de este material fino. Para esta investigación

se emplearon 3 muestras de HGM, en cada una de las cuales variaba el tamaño del elemento recubierto, siendo

la muestra 1 la de menor tamaño, seguida por la muestra 2 y finalmente la muestra 3, la de mayor tamaño

(imagen 8).

Imagen 8. Recubrimientos de muestras de HGM para ensayo SEM. Fuente: Elaboración propia

Posteriormente, se introdujeron las 3 muestras de HGM al interior del microscopio electrónico de barrido para

proceder a su análisis (imagen 9).


Imagen 9. Microscopio electrónico de barrido. Fuente: Elaboración propia

De cada muestra de HGM, se extrajeron 4 imágenes, en cada una de las cuales varió el nivel de detalle

alcanzado, manteniendo constante el voltaje de 20 kV.

▪ Zoom 100x. Distribución general de las HGM

▪ Zoom 500x. Distribución particular de las HGM

▪ Zoom 1000x. Tamaño de HGM

▪ Zoom 6060x. Superficie de la HGM

En la imagen 10 se aprecia la distribución general de las HGM, en la imagen 11 se muestra la distribución

particular, en la imagen 12 se observan la variedad de tamaños para un zoom de 1000x, en la imagen 13 se

exhibe la medición de los tamaños de partícula y en la imagen 14 se detalla la superficie de una HGM.


Imagen 10. SEM para zoom 100x. Fuente: Elaboración propia


Imagen 13. SEM para zoom 1000x, tamaño de HGM. Fuente: Elaboración propia


Con base en estas imágenes se comprueba la forma perfectamente esférica de las HGM. Adicionalmente, se

observa que en su superficie existe una especie de filamentos pequeños, que resultan de su proceso de

fabricación y no tienen relación con la adhesión interfacial entre las HGM y la matriz.

Por otro lado, al detallar las imágenes SEM con zoom de 6060x (empleando la escala que se encuentra en la

parte inferior de la imagen), se tiene un diámetro de partícula aproximado de las HGM igual a 20 µm.

Teniendo en cuenta las mediciones de los diámetros de HGM realizadas en las fotos obtenidas en el ensayo

SEM para cada una de las muestras analizadas, en la Tabla 9 se presenta la distribución de tamaño de partícula

y en la imagen 15 su correspondiente curva granulométrica.

Tabla 9. Distribución de tamaño de partícula de HGM. Fuente: Elaboración propia

Tamaño de partícula

(µm)

Distribución por tamaño de partícula (%) % HGM

pasa M1 M2 M3 Promedio

4 0 0 0 0% 0%

6 0% 3% 11% 5% 5%

8 15% 12% 15% 14% 19%

10 8% 9% 11% 9% 28%

12 8% 15% 9% 10% 38%

14 15% 15% 17% 16% 54%

16 0% 9% 11% 6% 60%

18 19% 21% 11% 17% 77%

20 23% 9% 13% 15% 92%

22 8% 9% 4% 7% 99%

24 4% 0% 0% 1% 100%


Imagen 15. Curva granulométrica de HGM. Fuente: Elaboración propia

Analizando la distribución del tamaño de partícula de las HGM, se identifica que el tamaño que ostenta una

mayor representación en esta curva granulométrica es el de 18 µm, el cual corresponde con lo consignado en

la ficha técnica del producto. Por otro lado, según esa ficha, el rango de tamaño de las HGM se encuentra entre

10 y 19 µm, mientras que de acuerdo con la información obtenida en las imágenes SEM este intervalo se limita

entre 6 y 22 µm, es decir, se ha obtenido una buena aproximación de los tamaños de las HGM. Adicionalmente,

revisando la distribución granulométrica de las HGM, se detalla que debido a que el tamaño de partícula se

concentra dentro de un intervalo muy reducido, este material presenta una mala gradación.

Con el detector de rayos X de energía dispersiva que tenía el equipo SEM, se evaluó la composición química

de las HGM, la cual se fundamenta en el análisis de los pesos atómicos de los elementos que componen este

material, comparándolos y asociándolos con los pesos atómicos de los elementos químicos conocidos.

A partir de esa evaluación, se obtuvo la imagen 16 que muestra los elementos constituyentes de las HGM.


Imagen 16. Análisis químico de HGM obtenido por ensayo SEM. Fuente: Elaboración propia

Según la imagen 16 se tiene que las HGM están compuestas principalmente por silicio (14,59%), calcio (7,42%),

sodio (3,97%) y níquel (2,03%), sin embargo, es pertinente mencionar que, aunque en esta imagen aparece

oxígeno (41,15%) y carbono (22,29%), el equipo empleado no proporciona información confiable sobre estos 2

elementos químicos, ya que su presencia también se debe a factores externos al ensayo, como por ejemplo el

ambiente y la manipulación, lo cual no permite identificar de manera precisa su participación en las HGM.

Comparando esta composición química con la obtenida mediante el ensayo de Fluorescencia de Rayos X, se

observan resultados congruentes, especialmente en el hecho de que los elementos más comunes en las HGM

son oxígeno, silicio, calcio y sodio, mientras que los compuestos más comunes son la sílice (dióxido de silicio),

la cal (óxido de calcio) y el óxido de sodio.


3.2 Agregados

Para la caracterización de los agregados se propuso la realización de los ensayos de granulometría, de

densidad y de absorción. En los siguientes numerales se presentan los resultados de los ensayos ejecutados.

3.2.1 Arena

En la Tabla 10 se expone el análisis granulométrico de la arena empleada en el diseño de mezcla para la

presente investigación.

Tabla 10. Análisis granulométrico de arena. Fuente: Elaboración propia

No. Tamiz Peso retenido

(g)

Peso que pasa

(g) % Pasa

4 52 1056 95,31

8 274 782 70,58

16 206 576 51,99

30 128 448 40,43

50 106 342 30,87

100 134 208 18,77

Fondo 208 0 0

Total 1108

A partir de la información consignada en la Tabla 10, se realizó la correspondiente curva granulométrica de la

arena empleada, la cual se muestra en la imagen 17.


Imagen 17. Curva granulométrica de arena. Fuente: Elaboración propia

Analizando la curva granulométrica de la arena expuesta en la imagen anterior, se establece que es mal

gradada y que su tamaño de partícula se sitúa entre 0,2 mm y 3 mm.

Por otro lado, en la Tabla 11 se exhiben los resultados obtenidos en los ensayos de densidad y absorción de la

arena empleada.

Tabla 11. Densidad y absorción para arena. Fuente: Elaboración propia

Densidad aparente SSS (g/cm3) 2,410

Densidad aparente seca (g/cm3) 2,280

Absorción (%) 5,350

Masa unitaria suelta (kg/m3) 1517,83

Masa unitaria apisonada (kg/m3) 1641,78


3.2.2 Grava

En la Tabla 12 se expone el análisis granulométrico de la grava empleada en el diseño de mezcla para la

presente investigación.

Tabla 12. Análisis granulométrico de grava. Fuente: Elaboración propia

No. Tamiz Peso retenido

(g)

Peso que pasa

(g) % Pasa

3/4" 8 2092 99,62

1/2" 268 1824 86,86

3/8" 842 982 46,76

No. 4 960 22 1,05

Fondo 22 0 0

Total 2100

A partir de la información consignada en la Tabla 12, se realizó la correspondiente curva granulométrica de la

grava empleada, la cual se muestra en la imagen 18.

Imagen 18. Curva granulométrica de grava. Fuente: Elaboración propia


Analizando la curva granulométrica de la grava expuesta en la imagen anterior, se establece que tiene mala

gradación y que su diámetro de partícula se sitúa entre 7 mm y 15 mm.

Por otro lado, en la Tabla 13 se exhiben los resultados obtenidos en los ensayos de densidad y absorción de la

grava empleada.

Tabla 13. Densidad y absorción para grava. Fuente: Elaboración propia

Densidad aparente SSS (g/cm3) 2,316

Densidad (g/cm3) 2,413

Densidad nominal (g/cm3) 2,565

Absorción (%) 4,181

Masa unitaria suelta (kg/m3) 1347,61

Masa unitaria apisonada (kg/m3) 1430,25

3.3 Cemento

Para el desarrollo de este trabajo se empleó cemento gris hidráulico de uso estructural. Para la caracterización

del cemento se realizaron los ensayos de densidad y finura, cuyos resultados se encuentran en la Tabla 14 y

15, respectivamente.

Tabla 14. Densidad del cemento. Fuente: Elaboración propia

Volumen inicial (cm3) 0,90

Temperatura inicial (°C) 20,2

Volumen final (cm3) 23,50

Temperatura final (°C) 20,3

Masa de cemento (g) 64,001

Densidad del cemento (g/ cm3) 2,83

Tabla 15. Finura del cemento. Fuente: Elaboración propia

Masa de cemento (g) 2,615

Tiempo (s) 204,90

k 17,2

Finura del cemento (cm2/g) 6468,55


3.4 Ceniza volante

La ceniza empleada en esta investigación fue ceniza cuya fuente corresponde a la Central Termoeléctrica

TERMOPAIPA, la cual está localizada en el municipio de Paipa, Boyacá. La caracterización de este material

fue llevada a cabo por Fonseca (2016).

Teniendo como base la investigación de Fonseca (2016), en la Tabla 16 se presenta la composición química

de la ceniza volante fuente Termopaipa (FAP).

Tabla 16. Composición química de la ceniza volante. Fuente: (Fonseca, 2016)

% en peso

Elemento y/o compuesto Sin normalizar Normalizado

SiO2 49.180 62.209

Al2O3 18.941 23.860

Fe2O3 4.395 5.609

K2O 1.497 1.905

TiO2 1.063 1.355

SO3 0.858 1.091

CaO 0.792 1.009

P2O5 0.587 0.747

MgO 0.511 0.643

Na2O 0.449 0.564

Cl 0.416 0.529

Ba 0.095 0.121

Sr 0.076 0.097

Cr 0.042 0.054

Zr 0.034 0.043

V 0.027 0.034

Ce 0.025 0.032

MnO 0.016 0.020

Zn 0.014 0.018

Rb 0.012 0.016

Cu 0.009 0.012

Pb 0.009 0.012

Y 0.006 0.008

Ni 0.005 0.006

Ga 0.004 0.005

Nb 0.002 0.002


A partir de la Tabla 16 se establece que los principales componentes químicos de la ceniza volante analizada

son: sílice (62,21% en peso), alúmina (23,86% en peso) y trióxido de di-hierro (5,61% en peso), los cuales

tienen un aporte cercano al 92% del peso total del material.

En cuanto a otras propiedades, se destaca que este tipo de ceniza presenta una densidad de 2,07 kg/m3, una

humedad que alcanza el 0,3% y un tamaño promedio de partícula igual a 37,6 µm. En la imagen 19 se exhibe

la curva granulométrica de la ceniza.

Imagen 19. Curva granulométrica de la ceniza volante. Fuente: (Fonseca, 2016)

4. Calibración del diseño de mezcla

Varias mezclas de calibración fueron llevadas a cabo durante la presente investigación para evaluar las

propiedades en estado fresco del material, interpretando su comportamiento y analizando qué parámetro de la

dosificación se debía modificar para aproximarse más a los estándares de aceptación fijados. Al inicio se calibró

el porcentaje de agregados gruesos y finos, y posteriormente, se calibró la cantidad de agua y la cantidad de

plastificante, con el propósito de otorgarle a la mezcla una mayor fluidez, pero sin presentar excesos de agua

ni segregación.

De acuerdo con lo anterior, en las imágenes 20 a 27, se presentan algunas ilustraciones que describen las

diferentes consistencias que se presentaron en las mezclas de SCC, antes de alcanzar la dosificación óptima.

Imagen 20. Ejemplo de mezcla experimental seca. Fuente: Elaboración propia

4. Calibración del diseño de mezcla 77

Imagen 21. Ejemplo de mezcla experimental con exceso de agua. Fuente: Elaboración propia

Imagen 22. Ejemplo de mezcla experimental segregada y con expansión reducida en el cono de Abrams. Fuente: Elaboración propia


Imagen 23. Ejemplo de mezcla experimental con exceso de agregado grueso. Fuente: Elaboración propia

Imagen 24. Ejemplo de mezcla experimental con exceso de agregado grueso y baja capacidad de expansión en el cono de Abrams. Fuente: Elaboración propia


Imagen 25. Ejemplo de mezcla experimental segregada. Fuente: Elaboración propia

Imagen 26. Ejemplo de mezcla experimental con baja capacidad de asentamiento. Fuente: Elaboración propia


Imagen 27. Ejemplo de mezcla experimental con exceso de agua en el contorno del anillo de mezcla (halo). Fuente: Elaboración propia

Finalmente, después de los tanteos efectuados, se obtiene la dosificación óptima para una mezcla de 1 m3 de

SCC la cual se encuentra expuesta en la Tabla 17. Adicionalmente, en la Tabla 18 se presentan las

proporciones que se utilizaron para la mezcla óptima.

Tabla 17. Diseño de mezcla óptimo para 1 m3 de SCC. Fuente: Elaboración propia

Material Dosificación

Masa (kg) Volumen (m3)

Cemento 455,0 0,147

Ceniza volante 20,0 0,007

Agua 250,0 0,250

Plastificante SIKA Viscocrete 2100 3,3 0,003

Grava 572,1 0,237

Arena 985,1 0,408


Tabla 18. Proporciones de diseño de mezcla óptima de SCC. Fuente: Elaboración propia

Parámetro Valor

Cemento (kg/m3) 455

Ceniza (kg/m3) 20

Vol. Agregado fino (%) 43,2%

Vol. Agregado grueso (%) 24,0%

Volumen de pasta (%) 40,3%

Volumen de mortero (%) 83,5%

A/MC 0,45

Plastificante (% en peso del material cementante) 0,62%

La ilustración del ensayo de escurrimiento para la mezcla óptima se expone en la imagen 28.

Imagen 28. Flujo expandido para mezcla óptima. Fuente: Elaboración propia

Con base en las imágenes anteriores, en la Tabla 19 se ejemplifica la clasificación visual de SCC, donde se

evalúa su estabilidad a través del índice de estabilidad visual (VSI - visual stability index en inglés).


Tabla 19. Clasificación por índice de estabilidad visual en SCC. Fuente: Elaboración propia a partir de (RMCAO, 2009)

Clasificación Descripción Ilustración

VSI – 0

(Altamente estable)

No se evidencia segregación ni

sangrado en el material

VSI – 1

(Estable)

No se evidencia segregación, no

obstante, se presenta un

sangrado leve, el cual se

manifiesta como un brillo sobre la

superficie del material

VSI – 2

(Inestable)

Se produce un halo menor o igual

que 10 mm y/o una acumulación

leve de agregados en el centro de

la mezcla de concreto

VSI – 3

(Altamente inestable)

Se evidencia segregación, un halo

mayor que 10 mm y/o un

apilamiento importante de

agregados en el centro de la

mezcla de concreto

5. Resultados y discusión

5.1 Ensayos en muestra control

En la imagen 29 se identifican los materiales empleados para una fundida de 0,025 m3 (25 lt) de volumen para

la muestra control. En la zona superior izquierda se encuentra la grava, en la superior derecha e inferior

izquierda se ubica la arena, en la inferior derecha se sitúa el cemento adicionado con ceniza volante, en el

superior central se localiza el agua correspondiente y finalmente, el superplastificante se encuentra sobre el

platón de arena ubicado en la zona superior derecha.

Imagen 29. Materiales para fundida 25 lt de volumen de muestra control. Fuente: Elaboración propia

Grava

Agua

Arena Cemento con ceniza

Superplastificante

Arena

5. Resultados y discusión 84

5.1.1 Ensayos en estado fresco para muestra control

En esta sección se presentan los resultados obtenidos para los ensayos en estado fresco ejecutados sobre la

muestra control.

▪ Escurrimiento

En la Tabla 20 se exponen los resultados obtenidos en el ensayo de escurrimiento, en el cual se midió un

diámetro de expansión máximo (d1) de 610 mm y un diámetro de expansión perpendicular a éste (d2) de 600

mm. Con estos valores se aplicó la ecuación A.1 donde se determinó un valor de escurrimiento de 605 mm.

Es importante destacar de acuerdo con la Tabla 6, en la cual se relaciona el contenido de material cementante

con el escurrimiento deseado en el diseño de mezcla, que se esperaba un escurrimiento levemente mayor,

correspondiente a más de 650 mm, sin embargo, se debe tener en cuenta que el diseño de mezcla del ACI-237

es sólo una guía de diseño y por tanto se sugieren, pero no se restringen, valores de propiedades del concreto.

Tabla 20. Resultados ensayo de escurrimiento en muestra control. Fuente: Elaboración propia

Propiedad Parámetro de medición Valor

d1 (mm) 610

d2 (mm) 600

Escurrimiento SFj (mm) 605

▪ Anillo japonés

En la imagen 30 se aprecia la circunferencia que exhibe la muestra control, una vez ha cesado el escurrimiento

del concreto en el ensayo de Anillo japonés. Como se puede ver en esta imagen, el escurrimiento del concreto

se da de manera uniforme, es decir que sus diámetros expandidos son muy similares sin importar en qué puntos

se miden estos parámetros. Adicionalmente, se detalla la existencia de una leve segregación de la mezcla en

cuanto a que agregados gruesos se concentran en el borde interior del anillo (visto en planta), dificultando el

paso de agregados hacía el exterior del anillo.


Imagen 30. Ensayo de anillo japonés para muestra control. Fuente: Elaboración propia

En la Tabla 21 se presentan los datos registrados en el ensayo de anillo japonés para la muestra control, tales

como los diámetros de expansión (d1 y d2), el tiempo en el cual la mezcla alcanza una expansión de 500 mm

(t500) y las alturas desde el borde superior del anillo (visto en perfil) hasta la superficie del concreto (∆ho, ∆hx1,

∆hx2, ∆hy1 y ∆hy2). Tomando como base estos resultados, se procedió a calcular los valores de capacidad

de paso (PJ) y escurrimiento (SFj) aplicando las ecuaciones A.2 y A.3 respectivamente. A partir de su

comparación con los resultados obtenidos en el ensayo de escurrimiento, este material se clasifica dentro de

una condición de bloqueo correspondiente a mínimo bloqueo perceptible.

Al comparar los valores de escurrimiento obtenidos aplicando por un lado el ensayo de escurrimiento (SFj =

605 mm) y por el otro, el ensayo de Anillo japonés (SFj = 563 mm), se destaca que este último presenta valores

menores de escurrimiento que el primer ensayo, dado que el anillo japonés representa una condición de

restricción de paso.


Tabla 21. Resultados ensayo de Anillo japonés en muestra control. Fuente: Elaboración propia


t500j (s) 2,87

d1 (mm) 560

d2 (mm) 565

∆ho (mm) 102

∆hx1 (mm) 107

∆hx2 (mm) 106

∆hy1 (mm) 106

∆hy2 (mm) 108

Capacidad de paso PJ (mm) 4,75


Tiempo de flujo t500j (s) 2,87

Bloqueo Mínimo bloqueo perceptible 43

▪ Caja en L

En la imagen 31 se ilustra el comportamiento de la mezcla control en el ensayo de caja en L. Se observa que

efectivamente el concreto alcanzó a fluir por su propio peso desde la zona vertical hasta el extremo de la zona

horizontal de la caja, y también que se mantuvieron las marcas resultantes del bloqueo ejercido por las barras

verticales casi que hasta el extremo de la caja en L.

Imagen 31. Ensayo de caja en L para muestra control. Fuente: Elaboración propia

En la Tabla 22 se presentan los datos registrados en el ensayo de Caja en L para la muestra control, tales como

las alturas del borde de la caja a la superficie del concreto tanto en la zona vertical (o de la zona de barras de

refuerzo) (H1-i) como en la zona horizontal (H2-i). A partir de estas mediciones, se calculó la capacidad de paso

del material empleando la ecuación A.4.


Tabla 22. Resultados ensayo de caja en L en muestra control. Fuente: Elaboración propia


Lectura H1-1 (mm) 56






Capacidad de paso PL 0,92

▪ Columna de segregación

En la imagen 32 se exhiben los 3 cilindros o las 3 zonas que conforman la columna de segregación. Como

especifica la norma, 15 minutos después del llenado de la columna de segregación, se debe proceder al corte

o la separación de cada zona de la columna, teniendo especial cuidado en la zona superior e inferior de la

misma, ya que es en estas zonas en las que se pesan los agregados con un mayor tamaño del tamiz #4 para

posteriormente calcular el porcentaje de segregación estática.

Imagen 32. Columna de segregación para muestra control. Fuente: Elaboración propia


En la imagen 33 se visualiza la zona inferior y superior de la columna de segregación inmediatamente después

de realizar el corte. Así mismo, la imagen 34 y la imagen 35 indican el peso de los agregados gruesos, después

del lavado y tamizado en el tamiz #4, de la zona inferior y de la zona superior respectivamente, de la columna

de segregación para la muestra control.

Imagen 33. Zona superior e inferior de columna de segregación para muestra control. Fuente: Elaboración propia

Imagen 34. Pesaje agregado grueso zona inferior de columna de segregación para muestra control. Fuente: Elaboración propia


Imagen 35. Pesaje agregado grueso zona superior de columna de segregación para muestra control. Fuente: Elaboración propia

La imagen 36 permite comparar la cantidad de agregado grueso tanto de la zona superior como de la zona

inferior de la columna de segregación para la muestra control. En esta imagen se observa que las cantidades

de material son muy similares.

Imagen 36. Agregado grueso de columna de segregación para muestra control. Zona superior (izq.) y zona inferior (der.). Fuente: Elaboración propia

A partir de los pesos de los agregados gruesos de las zonas superior e inferior de la columna de segregación

para la muestra control, los cuales se encuentran expuestos en las imágenes 44 y 45, se aplicó la ecuación A.5

para determinar el porcentaje de segregación estática del material, según se expone en la Tabla 23.


Tabla 23. Resultados ensayo de columna de segregación en muestra control. Fuente: Elaboración propia


Peso agregado superior (g) 3356

Peso agregado inferior (g) 3576

Segregación estática S (%) 6,35

▪ Esfuerzo de fluencia estático, dinámico y viscosidad plástica con reómetro ICAR 5000

Para determinar el esfuerzo de fluencia estático, dinámico y la viscosidad plástica, se optó por realizar un

tratamiento de datos, teniendo en cuenta los principios de funcionamiento del software del reómetro, los cuales

se encuentran descritos en los numerales 1.1.3.1 y 1.1.3.2 del presente documento. Hecha la observación

anterior, primero se tomaron los datos correspondientes al ensayo de crecimiento de esfuerzo, y se determinó

la correspondiente curva de mejor ajuste, con el propósito de calcular el esfuerzo de fluencia estático para la

muestra control. Los datos arrojados por el reómetro y la curva de ajuste se presentan en la imagen 37.

Imagen 37. Curva de ajuste para esfuerzo estático de fluencia en muestra control. Fuente: Elaboración propia


De acuerdo con la función de ajuste presentada en la imagen 37, que corresponde a un polinomio de grado 6,

el torque máximo alcanzado es 1,214 N m y, aplicando la ecuación 1.2 del presente documento, se obtiene un

valor de esfuerzo máximo y por tanto un esfuerzo de fluencia estático para la muestra control igual a 377,3 Pa.

Para la determinación del esfuerzo de fluencia dinámico y la viscosidad plástica, se llevó a cabo la corrección

de datos, mediante el método iterativo, descrito por Gálvez Moreno (2015). En virtud de ello, en la imagen 38

se exhibe la frecuencia rotacional promedio y el torque promedio empleado para cada escalón, datos que sirven

como base para la elaboración del reograma correspondiente.

Imagen 38. Frecuencia rotacional promedio y torque promedio para cada escalón en muestra control. Fuente: Elaboración propia

En la Tabla 24 se consignan los parámetros iniciales con los que se parte para la corrección de datos.


Tabla 24. Parámetros iniciales para corrección de datos en muestra control para ensayo de Esfuerzo de fluencia dinámico y viscosidad plástica. Fuente: Elaboración propia

Escalón

Frecuencia rotacional promedio

(rps)

Torque promedio

(N·m)

Desviación estándar del

torque (+)

Desviación estándar del

torque (-)

Rs (m)

¿Rs ˃ Ro?

1 0,500 1,725 1,812 1,639 0,218 Cumple

2 0,426 1,410 1,526 1,294 0,197 Cumple

3 0,351 1,280 1,399 1,160 0,188 Cumple

4 0,276 1,048 1,148 0,947 0,170 Cumple

5 0,201 0,804 0,891 0,717 0,149 Cumple

6 0,126 0,647 0,701 0,594 0,134 Correccion plug flow


A partir de estos datos, se obtienen los parámetros del modelo de Bingham modificado, los cuales se presentan

en la Tabla 25, en donde se observa que teniendo en cuenta el valor de “c”, este material se clasifica como un

fluido reoespesante, ya que se cumple la condición de que c > 0.

Tabla 25. Parámetros iniciales del modelo de Bingham modificado para muestra control. Fuente: Elaboración propia

𝝉𝟎 (Pa) 40,843

μ (Pa s) 53,989

c (Pa s2) 0,668

Realizando el correspondiente procedimiento iterativo para la corrección de datos, resultan los parámetros

finales mostrados en la Tabla 26, a partir de los cuales se procede a la elaboración del reograma.

Adicionalmente, los parámetros finales del modelo de Bingham modificado para la muestra control se registran

en la Tabla 27.


Tabla 26. Parámetros finales, después de iteración, para corrección de datos en muestra control para ensayo de Esfuerzo de fluencia dinámico y viscosidad plástica. Fuente: Elaboración propia

Escalón


(rps)

Torque promedio

(N·m) T (Pa)

Rs nuevo

(m) T' (N m) T' (Pa) γ ̇ (s-1)

1 0,5000 1,73 536,25 0,143 1,70 527,19 7,94

2 0,4258 1,41 438,15 0,143 1,47 457,34 6,94

3 0,3509 1,28 397,72 0,143 1,25 388,65 5,92

4 0,2762 1,05 325,58 0,143 1,04 322,00 4,88

5 0,2012 0,80 249,84 0,143 0,83 256,97 3,83

6 0,1255 0,65 201,19 0,134 0,62 192,67 2,73

7 0,0509 0,39 119,70 0,103 0,40 123,59 1,50

Tabla 27. Parámetros finales, después de iteración, del modelo de Bingham modificado para muestra control. Fuente: Elaboración propia

𝝉𝟎 (Pa) 45,344

μ (Pa s) 50,354

c (Pa s2) 1,296

En la imagen 39 se expone el reograma de la muestra control basándose en el modelo de Bingham, mientras

que en la imagen 40 se presenta el reograma, en esta ocasión, basándose en el modelo de Bingham modificado,

con el propósito de mostrar la correlación que maneja la mezcla con estos 2 modelos reológicos.


Imagen 39. Reograma de muestra control basado en modelo de Bingham. Fuente: Elaboración propia

Imagen 40. Reograma de muestra control basado en modelo de Bingham modificado. Fuente: Elaboración propia


Comparando las imágenes 50 y 51, se evidencia que el modelo de Bingham modificado ostenta la mejor

correlación con los datos arrojados por el reómetro para la muestra control, por lo tanto, se toma este modelo

como el modelo reológico característico de la mezcla control.

En la Tabla 28 se resumen los resultados obtenidos con este ensayo para la muestra control, esto es: esfuerzo

de fluencia estático, esfuerzo de fluencia dinámico y viscosidad plástica.

Tabla 28. Resultados ensayo de esfuerzo de fluencia estático, dinámico y viscosidad plástica con reómetro ICAR 5000 en muestra control. Fuente: Elaboración propia

Esfuerzo de fluencia estático (Pa) 377,3

Esfuerzo de fluencia dinámico (Pa) 45,3

Viscosidad plástica (Pa s) 50,4

A partir de los resultados obtenidos para la muestra control en estado fresco y teniendo en cuenta los criterios

de aceptación para SCC definidos por la EFNARC, los cuales se encuentran en la Tabla A3 del presente

documento, la mezcla de control ostenta la siguiente clasificación según la Tabla 29.

Tabla 29. Clasificación de SCC en muestra control según propiedades en estado fresco. Fuente: Elaboración propia

Parámetro de medición

Valor de

aceptación

Valor del parámetro

para muestra control Clasificación

Escurrimiento (mm) 550 - 650 605 SF1

t500 (s) > 2 2,87 VS2/VF2

Capacidad de paso ≥ 0,80 con 3 barras

de refuerzo 0,92 PA2

Porcentaje de segregación (%) ≤ 15% 6,35% SR2

Con estos resultados, al emplear la imagen A1 que muestra recomendaciones de uso para SCC a partir de sus

propiedades en estado fresco, se detalla que la mezcla de concreto propuesta se puede utilizar en rampas.

Adicionalmente, de acuerdo con la clasificación definida en la Tabla 29, el concreto de la muestra de control

debe emplearse en estructuras mediana o levemente reforzadas, teniendo en cuenta su capacidad de asentarse

y fluir por su propio peso.


5.1.2 Ensayos en estado endurecido para muestra control

A continuación, se presentan los resultados obtenidos para los ensayos en estado endurecido ejecutados sobre

la muestra control.

▪ Resistencia a la compresión

Con relación al tipo de falla presentado por los cilindros fallados a compresión, se detalla en la imagen 41 que,

para una edad de 7 días, hubo un leve desprendimiento de concreto en las paredes de la zona superior de los

especímenes. De acuerdo con la imagen A7, se agrupa dentro del tipo 5 de falla.


Para los cilindros ensayados a los 28 días, como se evidencia en la imagen 42, su modo de falla se caracteriza

principalmente por un plano de falla diagonal, acompañado por un desprendimiento de concreto en las paredes

del espécimen, por ello, relacionándolo con la imagen A7 se clasifica dentro del tipo 4 de falla.



En la Tabla 30 se exponen los resultados de resistencia a la compresión de la muestra control determinados a

partir de cilindros de 4”x8” a las edades de 7 días y de 28 días. En esta tabla se observa que la resistencia

alcanzada a los 28 días corresponde a un incremento cercano al 40% de la resistencia a los 7 días.

Tabla 30. Resultados resistencia a compresión en muestra control. Fuente: Elaboración propia

Propiedad Parámetro de medición Edad

7 días 28 días

f’c 1 (MPa) 36,66 51,51

f’c 2 (MPa) 33,72 47,80

f’c 3 (MPa) 38,35 49,61

Resistencia a la compresión f’c (MPa) 36,24 49,64


▪ Módulo de Young y Coeficiente de Poisson

En la imagen 43 se muestra la curva esfuerzo - deformación de la muestra control para especímenes ensayados

a los 28 días. Se observa que para ambos casos existe una marcada relación lineal entre los parámetros

estudiados. La pendiente de esta curva representa el módulo de Young del material.

En la imagen 44 se ilustra la curva de deformación transversal - deformación longitudinal para la muestra control,

obtenida a los 28 días. En esta gráfica existe una tendencia lineal entre estos dos parámetros, que se manifiesta

principalmente a partir de una deformación longitudinal de 1,5x10-4 mm/mm. La pendiente de esta curva

representa el Coeficiente de Poisson del material.

Imagen 43. Curva esfuerzo - deformación para muestra control. Fuente: Elaboración propia


Imagen 44. Curva deformación transversal - deformación longitudinal para muestra control. Fuente: Elaboración propia

En la imagen 45 se muestra el ensayo de resistencia a la compresión efectuado sobre un cilindro de 6”x12”

para la muestra control, a partir del cual se determina la carga (0,4f’c) a la cual se debe llevar los especímenes

para calcular el módulo de Young y el coeficiente de Poisson.

Imagen 45. Ensayo de resistencia a la compresión para muestra control en cilindro de 6"x12" para determinación de Módulo de Young y coeficiente de Poisson. Fuente: Elaboración propia


En la imagen 46 se aprecia la ejecución del ensayo de módulo de Young y coeficiente de Poisson para la

muestra control.

Imagen 46. Ensayo de Módulo de Young y coeficiente de Poisson para muestra control. Fuente: Elaboración propia

En la Tabla 31 se presentan los resultados obtenidos para los ensayos de módulo de Young y coeficiente de

Poisson sobre cilindros de 6” x 12”, los cuales se determinaron aplicando las ecuaciones A.7 y A.8

respectivamente.

Se observa que el módulo de Young del concreto de la muestra control (E=18525 MPa) es cercano a los 20000

MPa, lo cual es coherente con lo expuesto en la literatura. En cuanto al coeficiente de Poisson resultante, el

valor de 0,21 es muy similar al que se establece en la literatura, el cual es cercano a 0,2.


Tabla 31. Resultados ensayo de Módulo de Young y coeficiente de Poisson en muestra control. Fuente: Elaboración propia

Propiedad Parámetro de medición Edad: 28 días

f’c (MPa) 25,88

S2 (MPa) 10,35

S1 (MPa) 1,61 2,10

𝜀2 0,00049 0,00053

𝜀𝑡2 0,00011 0,00010

𝜀𝑡1 0,000014 0,000016

µ 0,23 0,19

E (MPa) 20098 17159

Coeficiente de Poisson µ prom 0,21

Módulo de Young E prom (MPa) 18525

▪ Resistencia a la tracción

En la imagen 47 se aprecia el ensayo de resistencia a tracción indirecta en la muestra control.

Imagen 47. Ensayo de tracción indirecta en muestra control. Fuente: Elaboración propia

La Tabla 32 especifica la resistencia a la tracción a los 28 días para el concreto de la muestra control, mediante

el ensayo sobre especímenes de 4” x 8” y aplicando la ecuación A.12 del presente documento. Se calculó una

resistencia a la tracción promedio de 2,76 MPa, no obstante, los resultados obtenidos por cada espécimen por

separado presentaron una variabilidad importante, con diferencias máximas cercas al 50%. Calculando la

relación entre la resistencia a la compresión y la resistencia a la tracción, se obtiene que la resistencia a la

tracción equivale a aproximadamente el 5,5% de la resistencia a la compresión.


Tabla 32. Resultados ensayo de resistencia a tracción indirecta en muestra control. Fuente: Elaboración propia


28 días

P máx (kN) 121,1 81,6 68,1

d (mm) 102 102 102

l (mm) 204 204 204

T (MPa) 3,7 2,5 2,1

Resistencia a tracción indirecta T prom (MPa) 2,76

▪ Resistencia a la flexión

En la imagen 48 se ilustra la ejecución del ensayo de resistencia a flexión en vigueta por carga aplicada en los

tercios para muestra control.

Imagen 48. Ensayo a flexión para muestra control. Fuente: Elaboración propia

En la imagen 49 se aprecia el momento exacto en que se produce la falla por flexión en la muestra control,

mientras que en la imagen 50 se identifica la zona de la vigueta donde se generó la falla por flexión. A partir de

la imagen 50 se establece que la falla por flexión de la vigueta se produjo dentro del tercio medio del espécimen.


Imagen 49. Falla por flexión sobre espécimen para muestra control. Fuente: Elaboración propia

Imagen 50. Vista en planta de la falla por flexión en muestra control. Fuente: Elaboración propia

La Tabla 33 indica que la resistencia a la flexión promedio de la muestra control corresponde a 4,86 MPa. De

igual manera, se observa que todos los especímenes fallaron en el tercio medio de la viga, razón por la cual,

para determinar la resistencia a la flexión bastó con aplicar únicamente la ecuación A.13.


Tabla 33. Resultados ensayo de resistencia a flexión en muestra control. Fuente: Elaboración propia


P (kN) 36,5 35,6 36,6

L (mm) 453 456 454

Zona de ruptura Tercio medio Tercio medio Tercio medio

a (mm) - - -

𝑑𝑟𝑢𝑝 (mm) 150 151 150

𝑏𝑟𝑢𝑝 (mm) 150 150 150

R (MPa) 4,90 4,75 4,92

Resistencia a flexión R prom (MPa) 4,86

▪ Coeficiente de migración de ion cloruro (Nordtest)

En la imagen 51 se aprecia la ejecución del ensayo Nordtest en muestra control.

Imagen 51. Ensayo Nordtest para muestra control. Fuente: Elaboración propia

En la imagen 52 se identifican los perfiles de penetración de ion cloruro resultantes de ensayo Nordtest en

muestra control, para las 3 probetas ensayadas.


Imagen 52. Perfiles de penetración de ion cloruro resultantes de ensayo Nordtest en muestra control. Fuente: Elaboración propia

En la Tabla 34 aparecen los datos registrados durante el ensayo Nordtest para la muestra control, así como

también los resultados obtenidos, esto es, el coeficiente de migración del ion cloruro el cual se determinó

aplicando la ecuación A.15.


Tabla 34. Resultados ensayo Nordtest en muestra control. Fuente: Elaboración propia

Propiedad Parámetro de medición

Muestra

1 2 3

U (V) 20 20 20

T (°C) 18 18 18

L (mm) 50 50 52

𝑥𝑑 (mm) 16,6 17,6 19,9

t (h) 24 24 24

𝐷𝑛𝑠𝑠𝑚 (x10-12 m2/s) 11,06 11,91 14,10

Coeficiente de migración de

ion cloruro 𝐷𝑛𝑠𝑠𝑚 (x10-12 m2/s) 12,4

5.2 Ensayos en muestra con adición de HGM

Para la muestra con adición de microesferas huecas de vidrio, se optó por reemplazar cemento por HGM en

una proporción de 5% en peso del material cementante, por lo cual la dosificación de la mezcla para 1 m3 de

SCC quedó expresada como se aprecia en la Tabla 35.

Tabla 35. Diseño de mezcla para 1 m3 de SCC con reemplazo de cemento por HGM en una proporción del 5% en peso del material cementante. Fuente: Elaboración propia

Material Dosificación

Masa (kg) Volumen (m3)

Cemento 432,25 0,139

Ceniza 20,00 0,007

HGM 22,75 0,038

Agua 250,45 0,250

Superplastificante SIKA Viscocrete 2100 2,90 0,003

Grava 572,10 0,237

Arena 985,07 0,408

Las proporciones que se utilizaron para la mezcla con reemplazo del 5% en peso de material cementante, de

cemento por HGM, es especifican en la Tabla 36.


Tabla 36. Proporciones de diseño de mezcla óptima de SCC. Fuente: Elaboración propia

Parámetro Valor

Cemento (kg/m3) 432,3

Ceniza (kg/m3) 20

HGM (kg/m3) 22,8

Vol. Agregado fino (%) 43,2%

Vol. Agregado grueso (%) 24,0%

Volumen de pasta (%) 40,3%

Volumen de mortero (%) 83,5%

A/MC 0,45

Superplastificante (% en peso del material cementante) 0,61%

Dado que las HGM aumentaron la fluidez de la mezcla, fue preciso reducir la proporción del superplastificante,

pasando de 0,62% a 0,61%, con el propósito de controlar la segregación y el fenómeno de halo. No se redujo

más el contenido de plastificante debido a que se quiso hacer una comparación con la muestra control,

manteniendo constante la mayor cantidad de parámetros de diseño de mezcla.

La imagen 53 presenta el conjunto de materiales empleados en la mezcla de SCC con adición de HGM al 5%

en peso de material cementante, para un volumen de 0,05 m3 (50 lt). En la zona superior izquierda se encuentra

la HGM, en la superior derecha se localiza el agua, en la superior e inferior derecha se ubica la grava, en la

inferior izquierda se sitúa el superplastificante y el cemento adicionado con ceniza volante, y, finalmente, en la

zona inferior se encuentra una fracción de la arena empleada.


Imagen 53. Materiales para mezcla de SCC con adición de HGM. Fuente: Elaboración propia

5.2.1 Ensayos en estado fresco para muestra con adición de HGM

En esta sección se presentan los resultados obtenidos para los ensayos en estado fresco ejecutados sobre la

muestra con adición de HGM en 5% en peso del material cementante.

▪ Escurrimiento

En la imagen 54 se aprecia el flujo expandido de la muestra con HGM al 5% para el ensayo de escurrimiento.

Al tomar mediciones de los diámetros correspondientes, como se evidencia en la imagen 55, se obtuvo como

resultado un diámetro de expansión máximo (d1) de 645 mm y un diámetro de expansión perpendicular a éste

(d2) de 642 mm. Con estos valores se aplicó la ecuación A.1 donde se determinó un valor de escurrimiento de

643,5 mm, tal como se expone en la Tabla 37. Este valor de escurrimiento obtenido es más similar al esperado

de acuerdo con el diseño de mezcla del ACI-237, en comparación con el de la muestra control.

Agua

HGM

Grava

Cemento con

ceniza

Superplastificante

Arena


Imagen 54. Flujo expandido para mezcla con HGM en muestra con adición de HGM en 5%. Fuente: Elaboración propia

Imagen 55. Medición de escurrimiento para mezcla con HGM en muestra con adición de HGM en 5%. Fuente: Elaboración propia


Tabla 37. Resultados ensayo de escurrimiento en muestra con adición de HGM en 5%. Fuente: Elaboración propia


d1 (mm) 645

d2 (mm) 642

Escurrimiento SFj (mm) 643,5

▪ Anillo japonés

En la imagen 56 se observa el momento exacto en que el concreto de la mezcla con adición de HGM al 5%

alcanza un diámetro de 500 mm, es decir el momento en que se calcula el t500, mientras que en la imagen 57

se aprecia la circunferencia que exhibe la muestra con HGM, una vez se ha detenido el escurrimiento del

concreto en el ensayo de Anillo japonés. Como se puede ver en esta imagen, el escurrimiento del concreto se

da de manera uniforme, es decir que sus diámetros expandidos son muy similares sin importar en qué puntos

se miden estos parámetros. También se observa que existe una distribución de tamaño de los agregados

apropiada, ya que no se visualiza concentración de agregado por tamaños, lo cual implica una segregación

baja.

Imagen 56. t500 para mezcla con HGM al 5% en peso del material cementante. Fuente: Elaboración propia


Imagen 57. Flujo expandido en ensayo de anillo japonés para mezcla con HGM al 5% en peso del material cementante. Fuente: Elaboración propia

En la imagen 58 se evidencia la toma de lecturas de los diámetros expandidos (d1 y d2), mientras que en la

imagen 59 se muestra la toma de lecturas de las alturas desde el borde superior del anillo (visto en perfil) hasta

la superficie del concreto (∆ho, ∆hx1, ∆hx2, ∆hy1 y ∆hy2). Estos datos se registran en la Tabla 38.

Imagen 58. Escurrimiento en anillo japonés para mezcla con HGM al 5% en peso del material cementante. Fuente: Elaboración propia


Imagen 59. Capacidad de paso para mezcla con HGM al 5% en peso del material cementante. Fuente: Elaboración propia

Tabla 38. Resultados ensayo de Anillo japonés en muestra con adición de HGM en 5%. Fuente: Elaboración propia


t500j (s) 2,74

d1 (mm) 634

d2 (mm) 630

∆ho (mm) 101

∆hx1 (mm) 105

∆hx2 (mm) 103

∆hy1 (mm) 105

∆hy2 (mm) 106

Capacidad de paso PJ (mm) 3,75


Tiempo de flujo t500j (s) 2,74

Bloqueo Bloqueo no visible 11,5

Tomando como base estos resultados, se procedió a calcular los valores de capacidad de paso (PJ) y

escurrimiento (SFj) aplicando las ecuaciones A.2 y A.3 respectivamente. De acuerdo con su comparación con

los resultados obtenidos en el ensayo de escurrimiento, este material se clasifica dentro de una condición de

bloqueo no visible. A partir de este ensayo se obtuvo una capacidad de paso de 3,75 mm, escurrimiento de 632

mm y tiempo de flujo de 2,74 s, que al compararse con los resultados obtenidos en la muestra control, manifiesta

una mezcla con mayor fluidez y capacidad de asentamiento.


▪ Caja en L

En la imagen 60 se ilustra el comportamiento de la mezcla con HGM en el ensayo de caja en L. Se observa que

efectivamente el concreto alcanzó a fluir por su propio peso desde la zona vertical hasta el extremo de la zona

horizontal de la caja. En comparación con lo obtenido en la muestra control, se observa que la muestra con

HGM tiene mayor fluidez, y de igual manera presenta mejor capacidad de paso.

Imagen 60. Ensayo de caja en L para mezcla con HGM al 5% en peso del material cementante. Fuente: Elaboración propia

En la Tabla 39 se presentan los datos registrados en el ensayo de Caja en L para la muestra con HGM, como

las alturas del borde de la caja a la superficie del concreto tanto en la zona vertical (H1-i) como en la zona

horizontal (H2-i). A partir de estas mediciones, se calculó la capacidad de paso del material empleando la

ecuación A.4.

Tabla 39. Resultados ensayo de caja en L en muestra con adición de HGM en 5%. Fuente: Elaboración propia








Capacidad de paso PL (mm) 0,94


▪ Ensayo de esfuerzo de fluencia estático, dinámico y viscosidad plástica con reómetro ICAR 5000

Para determinar el esfuerzo de fluencia estático, dinámico y la viscosidad plástica, se optó por realizar un

tratamiento de datos, teniendo en cuenta los principios de funcionamiento del software del reómetro, el cual se

encuentra descrito en los numerales 1.1.3.1 y 1.1.3.2 del presente documento. Dadas las condiciones

mencionadas, primero se tomaron los datos correspondientes al ensayo de crecimiento de esfuerzo, y se

determinó la correspondiente curva de mejor ajuste, con el propósito de calcular el esfuerzo de fluencia estático

para la muestra con reemplazo de cemento por HGM. Los datos arrojados por el reómetro y la curva de ajuste

se presentan en la imagen 61.

Imagen 61. Curva de ajuste para esfuerzo estático de fluencia en muestra con reemplazo de cemento por HGM en una proporción del 5%. Fuente: Elaboración propia

De acuerdo con la función de ajuste presentada en la imagen anterior, que corresponde a un polinomio de

grado 6, el torque máximo es 1,614 N m y, aplicando la ecuación 1.2 del presente documento, se obtiene un

valor de esfuerzo máximo y por tanto un esfuerzo de fluencia estático para la muestra control igual a 501,5 Pa.


Para la determinación del esfuerzo de fluencia dinámico y la viscosidad plástica, se calculó la frecuencia

rotacional promedio y el torque promedio empleado para cada escalón, datos que sirven como base para la

elaboración del reograma correspondiente y que se muestran en la imagen 62.

Imagen 62. Frecuencia rotacional promedio y torque promedio para cada escalón en muestra con HGM. Fuente: Elaboración propia

Con base en los datos extraídos de la imagen 62, se obtienen los parámetros con los cuales se procede a la

elaboración del reograma y que se exponen en la Tabla 40.


Tabla 40. Parámetros en muestra con HGM para ensayo de esfuerzo de fluencia dinámico y viscosidad plástica. Fuente: Elaboración propia

Escalón


(rps)

Torque promedio

(N m)

Desviación estándar (+)

de torque

Desviación estándar (-) de torque

Rs (m) Rs ˃ Ro ?








Tomando los datos registrados en la Tabla 40, se procede a calcular la velocidad de corte asociada, según lo

expuesto en la Tabla 41.

Tabla 41. Parámetros en muestra con HGM para elaboración de reograma. Fuente: Elaboración propia

Escalón


(rps)

Torque promedio

(N m) T (Pa) Rs (m) T' (N m) T' (Pa) γ' (s-1)

1 0,4999 1,49 464,45 0,121 1,49 463,84 10,51

2 0,4258 1,37 426,75 0,116 1,38 429,65 9,66

3 0,3506 1,28 398,56 0,112 1,28 396,23 8,81

4 0,2761 1,18 367,56 0,108 1,17 364,34 7,96

5 0,2004 1,06 329,39 0,102 1,07 333,19 7,09

6 0,1258 0,98 303,21 0,098 0,98 303,77 6,24

7 0,0508 0,89 276,52 0,094 0,89 275,42 5,38

A partir de estos datos, se obtienen los parámetros del modelo de Bingham modificado, los cuales se presentan

en la Tabla 42, en donde se observa que teniendo en cuenta el valor de “c”, este material se clasifica como un

fluido reoespesante, ya que se cumple la condición que c > 0.


Tabla 42. Parámetros del modelo de Bingham modificado para muestra con HGM. Fuente: Elaboración propia

𝝉𝟎 (Pa) 127,05

μ (Pa s) 22,88

c (Pa s2) 0,873

En la imagen 63 se expone el reograma de la muestra con HGM basándose en el modelo de Bingham, mientras

que en la imagen 64 se presenta el reograma basándose en el modelo de Bingham modificado, con el propósito

de mostrar la correlación que maneja la mezcla con estos 2 modelos reológicos.

Imagen 63. Reograma de muestra con HGM basado en modelo de Bingham. Fuente: Elaboración propia


Imagen 64. Reograma de muestra con HGM basado en modelo de Bingham modificado. Fuente: Elaboración propia

Comparando las imágenes 74 y 75 se evidencia que el modelo de Bingham modificado ostenta la mejor

correlación con los datos arrojados por el reómetro para la muestra con HGM, por lo tanto, se toma este modelo

como el modelo reológico característico de la mezcla con HGM.

En la Tabla 43 se expresan los resultados obtenidos con este ensayo para la muestra con HGM, esto es:

esfuerzo de fluencia estático, esfuerzo de fluencia dinámico y viscosidad plástica.

Tabla 43. Resultados ensayo de esfuerzo de fluencia estático, dinámico y viscosidad plástica con reómetro ICAR 5000 en muestra con HGM. Fuente: Elaboración propia

Esfuerzo de fluencia estático (Pa) 501,5

Esfuerzo de fluencia dinámico (Pa) 127,1

Viscosidad plástica (Pa s) 22,9


A partir de los resultados obtenidos para la muestra con adición de HGM en 5% en peso de material cementante

y teniendo en cuenta los criterios de aceptación para SCC definidos por la EFNARC que se explican en la Tabla

A3 del presente documento, la mezcla con HGM ostenta la clasificación presentada en la Tabla 44.

Tabla 44. Clasificación de SCC en muestra con adición de HGM en 5% según propiedades en estado fresco. Fuente: Elaboración propia

Parámetro de

medición Valor de aceptación

Valor del parámetro para muestra

con adición de HGM en 5% Clasificación

Escurrimiento (mm) 550 - 650 643,5 SF1

t500 (s) > 2 2,74 VS2/VF2

Capacidad de paso ≥ 0,80 con 3 barras de

refuerzo 0,94 PA2

Con estos resultados, al emplear la imagen A1 que muestra recomendaciones de uso para SCC a partir de sus

propiedades en estado fresco, se deduce que la mezcla de concreto propuesta se puede utilizar en rampas.

Adicionalmente, de acuerdo con la clasificación expuesta en la Tabla 44, el concreto de la muestra con

reemplazo de HGM debe emplearse en estructuras mediana o levemente reforzadas, teniendo en cuenta su

capacidad de asentarse y fluir por su propio peso. En este orden de ideas, comparando esta mezcla con la

muestra control, se concluye que ambas se consideran apropiadas para los mismos tipos de estructuras, a

pesar de que la adición de HGM proporcionó una mejora en las propiedades reológicas medidas del concreto.

5.2.2 Ensayos en estado endurecido para muestra con adición de HGM

A continuación, se presentan los resultados conseguidos para los ensayos en estado endurecido ejecutados

sobre la muestra con reemplazo de cemento por HGM en una proporción de 5% en peso de material

cementante.

▪ Resistencia a la compresión

En la Tabla 45 se exponen los resultados de resistencia a la compresión de la muestra con HGM determinados

a partir de cilindros de 4” x 8” a las edades de 7 y 28 días. En esta tabla se observa que la resistencia alcanzada

a los 28 días posee un aumento cercano al 30% de la resistencia a los 7 días.


Tabla 45. Resultados ensayo de resistencia a compresión en muestra con adición de HGM en 5%. Fuente: Elaboración propia


7 días 28 días

f’c 1 (MPa) 35,4 45,4

f’c 2 (MPa) 36,1 46

f’c 3 (MPa) 35 46,4

Resistencia a la

compresión f’c (MPa) 35,5 45,9

Con relación al tipo de falla presentado, para los especímenes analizados a la edad de 7 y 28 días, se presentó

una falla de tipo 4 de acuerdo con la clasificación presentada en la imagen A7, es decir, su modo de falla se

caracteriza principalmente por un plano de falla diagonal, acompañado por un desprendimiento de concreto en

las paredes del espécimen.

▪ Módulo de Young y Coeficiente de Poisson

De acuerdo con lo expuesto en la normativa correspondiente, para este ensayo es necesario tomar un testigo

y determinar su resistencia a la compresión, con el objetivo de aplicar sobre los demás especímenes, una carga

axial de compresión equivalente al 40% de la carga máxima obtenida en el ensayo a compresión. En la imagen

65 se muestra el modo de falla de la probeta testigo, que corresponde al modo 4 de falla.

Imagen 65. Modo de falla de testigo para ensayo de Módulo de Young y coeficiente de Poisson en muestra con adición de HGM en 5%. Fuente: Elaboración propia


En la imagen 66 se observa el espécimen de la mezcla con HGM junto con el comparador de carátula instalado,

para obtener el módulo de Young.

Imagen 66. Espécimen con comparador de carátula para ensayo de Módulo de Young en muestra con adición de HGM en 5%. Fuente: Elaboración propia

En la imagen 67 se relaciona la gráfica de esfuerzo - deformación resultante del ensayo a los 28 días, a partir

de la cual se calcula el módulo de Young del material mediante la determinación de la pendiente de la recta.

Por otra parte, en la imagen 68 se presenta la curva de deformación transversal – deformación longitudinal

resultante del ensayo a los 28 días, a partir de la cual se determina la relación de Poisson por medio del cálculo

de la pendiente de la recta correspondiente.


Imagen 67. Curva esfuerzo deformación para muestra con adición de HGM en 5%. Fuente: Elaboración propia

Imagen 68. Curva deformación transversal vs deformación longitudinal para muestra con adición de HGM en 5%. Fuente: Elaboración propia


En la Tabla 46 se presentan los resultados obtenidos para los ensayos de módulo de Young y coeficiente de

Poisson, los cuales se determinaron aplicando las ecuaciones A.7 y A.8 respectivamente. Se observa que el

módulo de Young del concreto de la muestra con HGM es cercano a los 16000 MPa y que el coeficiente de

Poisson es 0,14. Estos valores obtenidos son similares a los valores típicos para concretos convencionales.

Tabla 46. Resultados ensayo de Módulo de Young y coeficiente de Poisson en muestra con adición de HGM en 5%. Fuente: Elaboración propia


f’c (MPa) 26,82 26,96

S2 (MPa) 10,73 10,78

S1 (MPa) 1,69 1,88

𝜀2 0,00059 0,00060

ϵ t2 0,000013 0,000022

ϵ t1 0,000095 0,000098

µ 0,151 0,138

E (MPa) 16157 16424

Coeficiente de Poisson µ prom 0,14

Módulo de Young E prom (MPa) 16291

▪ Resistencia a tracción

La Tabla 47 resume la resistencia a la tracción a los 7 y 28 días para el concreto de la muestra con HGM,

mediante el ensayo sobre 3 especímenes y aplicando la ecuación A.12 del presente documento. Se calculó una

resistencia a la tracción promedio de 2,77 MPa a los 7 días y de 2,86 MPa a los 28 días. Calculando la relación

entre la resistencia a la compresión y la resistencia a la tracción, se obtiene que la resistencia a la tracción

equivale a aproximadamente el 6,2% de la resistencia a la compresión.

Tabla 47. Resultados ensayo de resistencia a tracción indirecta en muestra con adición de HGM en 5%. Fuente: Elaboración propia

Propiedad Parámetro de

medición

Edad

7 días 28 días

P máx (kN) 89,4 92,3 91,7 92,8 90,4 95,6

d (mm) 102 103 102 102 102 101

l (mm) 204 204 205 203 204 203

T (MPa) 2,7 2,8 2,8 2,9 2,8 3

Resistencia a tracción

indirecta T prom (MPa) 2,77 2,86


▪ Resistencia a la flexión

La Tabla 48 indica que la resistencia a la flexión promedio de la muestra con HGM corresponde a 4,11 MPa.

De igual manera, se observa que todos los especímenes fallaron en el tercio medio de la viga, razón por la cual

para determinar la resistencia a la flexión bastó con aplicar únicamente la ecuación A.13.

Tabla 48. Resultados ensayo de resistencia a flexión en muestra con adición de HGM en 5%. Fuente: Elaboración propia


P (kN) 30,4 31,6 30,8

L (mm) 453 456 447

Zona de ruptura Tercio medio Tercio medio Tercio medio

a (mm) - - -

𝑑𝑟𝑢𝑝 (mm) 151 152 149

𝑏𝑟𝑢𝑝 (mm) 149 150 150

R (MPa) 4,05 4,16 4,13

Resistencia a flexión R prom (MPa) 4,11

▪ Coeficiente de migración de ion cloruro (Nordtest)

En la imagen 69 se identifican los perfiles de penetración de ion cloruro resultantes de ensayo Nordtest en

muestra con HGM, para las 3 probetas ensayadas.


Imagen 69. Perfiles de penetración de ion cloruro resultantes de ensayo Nordtest en muestra con HGM. Fuente: Elaboración propia

En la Tabla 49 aparecen los datos registrados durante el ensayo Nordtest para la muestra con HGM, así como

también los resultados obtenidos, esto es, el coeficiente de migración del ion cloruro el cual se determinó

aplicando la ecuación A.15.


Tabla 49. Resultados ensayo Nordtest en muestra con adición de HGM en 5%. Fuente: Elaboración propia

Propiedad Parámetro de medición

Muestra

1 2 3

U (V) 20 20 20

T (°C) 18 18 18

L (mm) 50 51 52

𝑥𝑑 (mm) 17 18 20

t (h) 24 24 24

𝐷𝑛𝑠𝑠𝑚 (x10-12 m2/s) 15,15 14,45 12,39

Coeficiente de migración de

ion cloruro 𝐷𝑛𝑠𝑠𝑚 (x10-12 m2/s) 14

5.3 Efectos de adición de HGM en concreto hidráulico

En la Tabla 50 se presenta una comparación entre los resultados obtenidos para el ensayo de escurrimiento o

slump flow, para los casos de muestra control y muestra con 5% de HGM como reemplazo del cemento en peso

del material cementante.

Tabla 50. Resultados de ensayo de Escurrimiento para muestra control y muestra con HGM. Fuente: Elaboración propia

Propiedad Parámetro de medición M. Control M. HGM 5%

d1 (mm) 600 645

d2 (mm) 610 642

Escurrimiento SFj (mm) 605 644

De acuerdo con lo expuesto en la Tabla 50 se evidencia que la adición de HGM en el concreto produce un

aumento en la fluidez de este, reflejada en el correspondiente aumento del diámetro de flujo expandido para el

ensayo de escurrimiento, el cual pasó de 605 mm para la muestra control, a 644 mm para el escenario de

reemplazo de cemento por HGM en una proporción del 5% en peso de material cementante, es decir, un

incremento cercano al 6,5% en este parámetro. Esto significa que las HGM generan que el concreto aumente

su capacidad de escurrir bajo su propio peso.


En la Tabla 51 se compara los resultados obtenidos para el ensayo de Anillo japonés para los casos de muestra

control y muestra con 5% de HGM como reemplazo del cemento. Se analizan todos los parámetros medidos

en este ensayo, tales como t500j, d1, d2 y las alturas ∆hi medidas desde el anillo japonés hasta la superficie del

concreto, una vez ha cesado su escurrimiento.

Tabla 51. Resultados de ensayo de Anillo japonés para muestra control y muestra con HGM. Fuente: Elaboración propia

M.

Control

M. HGM

5%

Propiedad Parámetro de

medición Valor Valor

t500j (s) 2,87 2,74

d1 (mm) 560 634

d2 (mm) 565 630

∆ho (mm) 102 101

∆hx1 (mm) 107 105

∆hx2 (mm) 106 103

∆hy1 (mm) 106 105

∆hy2 (mm) 108 106

Capacidad de paso PJ (mm) 4,75 3,75

Escurrimiento SFj (mm) 563 632

Tiempo de flujo t500j (s) 2,87 2,74

Bloqueo Mínimo bloqueo

perceptible 43 11,5

Bloqueo no

visible

Teniendo en cuenta los datos presentados en la Tabla 51, se corrobora en primer lugar, las ventajas que

proporcionan las HGM en el SCC, específicamente en su capacidad de escurrir, en segundo lugar, se destaca

que el t500j en la muestra con HGM (t500j = 2,74 s) es inferior al de la muestra control (t500j = 2,87 s), lo cual se

traduce en que las HGM aumentan la fluidez de la mezcla, aumentando la velocidad de escurrimiento. En cuanto

a los resultados obtenidos para la capacidad de paso, se observa que las HGM aumentan la capacidad del

concreto para escurrir ante la presencia de obstáculos, por lo tanto, el bloqueo que se presenta en la mezcla

pasa de ser mínimo perceptible a no visible.

En la Tabla 52 se plantea la comparación entre los resultados obtenidos para el ensayo de caja en L para los

casos de muestra control y muestra con 5% de HGM como reemplazo del cemento.


Tabla 52. Resultados de ensayo de Caja en L para muestra control y muestra con HGM. Fuente: Elaboración propia

Propiedad Parámetro de medición M. Control M. HGM 5%

Lectura H1-1 (mm) 56 31






Capacidad de paso PL 0,92 0,94

A partir de los datos expuestos en la Tabla 52, se observa que la capacidad de paso en el concreto con

reemplazo de HGM es mayor que en la muestra control, por lo cual, la muestra con HGM tiene una mayor

capacidad de fluir por entre los aceros de refuerzo y en consecuencia de alcanzar los vacíos que se presenten

en la formaleta durante la fundida de estructuras.

En la imagen 70, se presentan las curvas de crecimiento de esfuerzo, correspondientes a la muestra control y

a la muestra con reemplazo de cemento por HGM, a partir de las cuales se determina el esfuerzo estático de

fluencia. Se identifica que la muestra con HGM exhibe un esfuerzo estático de fluencia mayor que la muestra

control, es decir que para poner en movimiento la muestra con HGM se necesita la aplicación de un esfuerzo

mayor para romper la inercia del fluido, esto es, un aumento de esfuerzo cercano al 30%.


Imagen 70. Curva de crecimiento de esfuerzo para muestra control y muestra con HGM. Fuente: Elaboración propia

En la imagen 71 se ilustran los reogramas para el ensayo con reómetro ICAR 5000, tanto para la muestra

control como para la muestra con adición de HGM en 5%, basándose en el modelo reológico de Bingham.

Haciendo énfasis en la ecuación 1.1, la cual es la que define este modelo reológico, se tiene que la pendiente

de la recta corresponde a la viscosidad plástica, mientras que el corte con el eje de las ordenadas determina el

esfuerzo de fluencia, en este caso, el dinámico.

Teniendo en cuenta las curvas de aproximación definidas en la imagen se obtiene que el esfuerzo dinámico de

fluencia es mayor en la muestra con HGM que en la muestra control, aproximadamente en un 235%. Por otra

parte, se observa que la viscosidad plástica es mayor en la muestra control que en la muestra con HGM, en un

porcentaje cercano al 70%.


Imagen 71. Reograma ajustado a modelo de Bingham para muestra control y muestra con HGM. Fuente: Elaboración propia.

En la imagen 72 se presentan los reogramas para el ensayo con reómetro ICAR 5000, tanto para la muestra

control como para la muestra con adición de HGM en 5%, basándose en el modelo reológico de Bingham

modificado. Haciendo énfasis en el análisis de las ecuaciones de 1.3 a 1.7, las cuales definen este modelo

reológico, se tiene que el coeficiente que acompaña el término de primer orden corresponde a la viscosidad

plástica, mientras que el corte con el eje de las ordenadas determina el esfuerzo de fluencia, en este caso, el

dinámico.

Teniendo en cuenta las curvas de aproximación definidas en la imagen se obtiene que el esfuerzo dinámico de

fluencia es mayor en la muestra con HGM que en la muestra control, aproximadamente en un 180%. Por otra

parte, se observa que la viscosidad plástica es mayor en la muestra control que en la muestra con HGM, en un

porcentaje cercano al 120%.


Imagen 72. Reograma ajustado a modelo de Bingham modificado para muestra control y muestra con HGM. Fuente: Elaboración propia

Comparando los resultados obtenidos aplicando cada modelo reológico, se evidencia que los resultados de

esfuerzo de fluencia dinámico aumentaron en sus valores cuando se pasó del modelo de Bingham al modelo

de Bingham modificado, caso contrario sucedió con la viscosidad plástica, ya que sus valores se redujeron al

cambiar de modelo reológico. No obstante lo anterior, estos cambios fueron mucho más notorios en el esfuerzo

de fluencia dinámico que en la viscosidad, tal como se evidencia en la Tabla 53.

En adición se observa que ambos fluidos se clasifican como reoespesantes, ya que el coeficiente que acompaña

el término de segundo orden o “c”, es mayor a cero, es decir que la viscosidad aparente se incrementa con el

gradiente de esfuerzo cortante, y en consecuencia va a tender a esperarse con el tiempo.


Tabla 53. Variación en esfuerzo de fluencia dinámico y viscosidad plástica empleando modelo de Bingham y modelo de Bingham modificado. Fuente: Elaboración propia

Bingham Bingham

modificado

Variación de modelo básico

a modelo modificado de

Bingham

Parámetro

evaluado

M.

Control

M.

HGM

M.

Control

M.

HGM M. Control M. HGM

Esfuerzo de

fluencia

dinámico (Pa)

22,2 74,5 45,3 127,1 +104% +70%

Viscosidad

plástica (Pa s) 62,6 36,8 50,4 22,9 -19% -38%

En la Tabla 54 se exponen los resultados obtenidos en el ensayo de esfuerzo de fluencia estático, dinámico y

viscosidad plástica con reómetro ICAR 5000, para la muestra control y para la muestra con HGM, considerando

únicamente el modelo de Bingham modificado, ya que es el modelo estudiado con la mayor correlación

existente.

Tabla 54. Resultados de ensayo de Esfuerzo de fluencia estático, dinámico y viscosidad plástica para muestra control y muestra con HGM aplicando modelo de Bingham modificado. Fuente: Elaboración propia

Parámetro evaluado M. Control M. HGM

Esfuerzo de fluencia estático (Pa) 377,3 501,5

Esfuerzo de fluencia dinámico (Pa) 45,3 127,1

Viscosidad plástica (Pa s) 50,4 22,9

Al analizar la Tabla 54, se identifica que la muestra con HGM registró un mayor esfuerzo de fluencia estático,

un mayor esfuerzo de fluencia dinámico y una menor viscosidad en comparación con la muestra control. A partir

de esta información, se establece que el reemplazo de cemento por HGM en una proporción de 5% en peso

del material cementante, produce un aumento en la fluidez de la mezcla, generando un material menos viscoso,

el cual inicia y/o mantiene una condición de flujo para esfuerzos de fluencia mayores, en comparación con la

muestra control. En este sentido, es importante anotar que con las HGM se produce un material que una vez

ha cesado su movimiento, debe ser sometido a un esfuerzo mayor que rompa la interacción entre partículas

para que empiece a fluir nuevamente.


En la Tabla 55 se muestra un cuadro resumen de los resultados obtenidos para los parámetros reológicos

medidos en esta investigación: escurrimiento, t500, capacidad de paso y porcentaje de segregación, los cuales

fueron determinados a partir de los ensayos descritos anteriormente, tanto para la muestra control como para

la muestra con reemplazo de cemento por HGM. Así mismo, a partir de esta información y de los criterios

expuestos en la Tabla A3, se presenta la correspondiente clasificación de las mezclas de acuerdo con sus

propiedades reológicas.

Tabla 55. Clasificación de muestra control y muestra con HGM según propiedades en estado fresco. Fuente: Elaboración propia

Parámetro de medición Valor de aceptación M. Control M. HGM Clasificación

Escurrimiento (mm) 550 - 650 605 643,5 SF1

t500 (s) > 2 2,87 2,74 VS2/VF2

Capacidad de paso ≥ 0,80 con 3 barras de

refuerzo 0,92 0,94 PA2

Porcentaje de segregación (%) ≤ 15% 6,35% - SR2

De acuerdo con la clasificación de SCC exhibida en la Tabla 55 y apoyándose en los usos recomendados

expuestos en la Tabla A3, se identifica que, aunque las HGM mejoraron el comportamiento en estado fresco

del SCC en comparación con la muestra control, las 2 muestras analizadas tienen igual uso, es decir

corresponde a estructuras ligeramente reforzadas o sin refuerzo.

En la imagen 73 se ilustra la curva esfuerzo – deformación para la muestra control y la muestra con HGM, en

la cual se observa que las dos curvas son muy similares, sólo se diferencian cuando la deformación longitudinal

es mayor a 3x10-4, momento a partir del cual la muestra control, para deformaciones iguales, presenta mayores

esfuerzos que la muestra con HGM, por lo cual su módulo de Young incrementa. Debido a la similitud en sus

gráficas de esfuerzo – deformación, no es prudente señalar, a criterio del autor, que las HGM aumentan el

módulo de elasticidad del SCC.


Imagen 73. Curva esfuerzo - deformación para muestra control y para muestra con adición de HGM en 5%. Fuente: Elaboración propia

Contrario a lo que se evidencia en la imagen 73, en la imagen 74 se observa que las gráficas, que para este

caso relacionan deformación transversal con deformación longitudinal, exhiben tendencias diferentes para la

muestra control y para la muestra con HGM. Estas gráficas son muy similares (tal como sucede en la curva

esfuerzo – deformación) para deformaciones longitudinales inferiores a 3x10-4 mm/mm, sin embargo, para

deformaciones mayores, la curva del material con HGM comienza a reducir su pendiente y en consecuencia su

coeficiente de Poisson, es decir que para deformaciones mayores que 3x10-4 mm/mm se genera un

comportamiento, que puede ser explicado como una degradación de la capacidad de las HGM para deformarse

transversalmente.


Imagen 74. Curva deformación transversal - deformación longitudinal en muestra control y en muestra con adición de HGM en 5%. Fuente: Elaboración propia

En la Tabla 56 se presenta un resumen de los resultados obtenidos para los ensayos realizados en estado

endurecido tanto para la muestra control como para la muestra con HGM. En ella, se aprecian los valores de

módulo de Young, coeficiente de Poisson, resistencia a la compresión, a la tensión, a la flexión y el coeficiente

de migración del ion cloruro por ensayo Nordtest.

Tabla 56. Resultados de ensayos en estado endurecido para muestra control y muestra con HGM. Fuente: Elaboración propia

Edad: 7 días Edad: 28 días

Propiedad M. Control M. HGM M. Control M. HGM

Resistencia a la compresión (MPa) 36,2 35,5 49,6 45,9

Módulo de Young (MPa) - - 18525 16291

Coeficiente de Poisson - - 0,21 0,14

Resistencia a la tensión (MPa) - 2,77 2,76 2,86

Resistencia a la flexión (MPa) - - 4,86 4,11

Coeficiente de migración de ion

cloruro (x10-12 m2/s) - - 12,4 14,0


Es preciso mencionar, que los ensayos a los 7 días se realizaron principalmente sobre la resistencia a la

compresión, con la finalidad de analizar el desarrollo de esta propiedad a edades tempranas. En este sentido,

a partir de la información presentada en la Tabla 56, se deduce que la resistencia a la compresión evaluada a

los 7 días corresponde a un 73% en la muestra control, y a un 77% en la muestra con HGM, de la resistencia

alcanzada a los 28 días. De acuerdo con lo anterior, la muestra con HGM exhibe un mayor desarrollo de

resistencia a la compresión a edades tempranas, en comparación con la muestra control.

En la Tabla 56 se observa que la muestra control alcanzó una resistencia a compresión (a los 28 días) de 49,6

MPa, mientras que la correspondiente a la muestra con HGM fue de 45,9 MPa. En adición, el módulo de Young

para la muestra control fue de 18525 MPa, mientras que para la muestra con HGM fue de 16291 MPa. En

cuanto al coeficiente de Poisson, se tiene para la muestra control un valor de 0,21 mientras que para la muestra

con HGM un valor de 0,14. La resistencia a la flexión continuó con la tendencia y en este sentido, mientras que

para la muestra control se obtuvo una resistencia de 4,86 MPa, para la muestra con HGM esta resistencia fue

de 4,11 MPa. Por otra parte, la resistencia a la tensión fue la única propiedad en estado endurecido evaluada

en la cual la muestra con HGM reportó una mejoría con respecto a la muestra control, pasando de tener una

resistencia de 2,76 MPa en la muestra control a una resistencia de 2,86 MPa en la muestra con HGM.

En lo que respecta al coeficiente de migración de ion cloruro, para la muestra control se obtuvo un valor de 12,4

x10-12 m2/s mientras que la muestra con HGM tuvo un valor de 14,0 x10-12 m2/s, los cuales son cercanos a los

valores reportados por otros autores como (Higuera, 2016) y (Pérez & Bustos, 2017) , los cuales han encontrado

valores del coeficiente de migración de ion cloruro para concreto convencional iguales a 16,6 x10-12 m2/s (para

A/C = 0,50) y a 11,7 x10-12 m2/s (para A/C = 0,58) respectivamente. Analizando los datos obtenidos para esta

propiedad en la presente investigación, se señala que con el reemplazo parcial de cemento por HGM se

presentó una reducción en la resistencia a la penetración del ion cloruro, por lo cual se evidencia que este

reemplazo produce un material más poroso, teniendo en cuenta que las HGM son partículas pequeñas pero

huecas, lo cual explica la reducción en los valores de esta y de las demás propiedades del concreto en estado

endurecido evaluadas, con respecto a la muestra control.

Finalmente, se tiene que las propiedades en estado endurecido estudiadas en la presente investigación, para

la muestra con reemplazo de cemento por HGM en una proporción de 5%, resultaron ser levemente menores

que las obtenidas para la muestra control, es decir, que este reemplazo, aunque no alcanzó los mismos valores

para las propiedades en estado endurecido que la muestra control, si mostró un comportamiento favorable en

el concreto, en comparación con el caso donde simplemente se hubiera retirado de la mezcla, la fracción

reemplazada de cemento. Por estas razones, se comprueba que se tuvo que producir una reacción entre las


HGM y la matriz cementante que conllevó a un aumento en las propiedades evaluadas en esta investigación,

teniendo en cuenta un escenario de reducción en la cantidad cemento más no de reemplazo de este.

6. Conclusiones y recomendaciones

6.1 Conclusiones

▪ De esta investigación se concluye que aun cuando el reemplazo de HGM genera una reacción en el SCC,

que se manifiesta en una reducción leve de las propiedades mecánicas del SCC con respecto a las

obtenidas en la muestra control, produce una mejoría en las propiedades reológicas estudiadas. En

consecuencia, las HGM pueden utilizarse como un adecuado reemplazo del cemento en una proporción

del 5% en peso del material cementante, ya que generan un comportamiento similar al obtenido para la

condición sin reemplazo.

▪ Las HGM en un porcentaje de reemplazo de 5% en peso de material cementante, mejoran notablemente

las propiedades reológicas del SCC debido a su forma perfectamente esférica, sin embargo, es importante

mantener un seguimiento y posterior calibración de la cantidad de superplastificante y de la relación A/C

definida para evitar que el reemplazo de cemento por HGM genere halo y/o segregación en la mezcla,

teniendo en cuenta que las HGM aumentan considerablemente la fluidez del material.

▪ Según la clasificación de uso de SCC, se encontró que reemplazando cemento por HGM en una proporción

de 5% en peso de material cementante se obtiene un material que cumple con los mismos usos que la

muestra control, es decir que con o sin reemplazo, se recomienda la utilización de estos concretos en

estructuras sin refuerzo o levemente reforzadas.

▪ Al reemplazar cemento por HGM, en una proporción de 5% en peso de material cementante, y evaluar las

propiedades mecánicas del SCC, se evidenció que estas partículas generan una resistencia a la tracción

ligeramente mayor que la muestra control. Por otro lado, en cuanto a las demás propiedades analizadas

como resistencia a la compresión, a la flexión, módulo de Young y coeficiente de Poisson, se constató que

las HGM producen en el SCC resultados levemente inferiores a los obtenidos en la muestra sin reemplazo.

Esto evidencia que se tuvo que llevar a cabo una reacción entre las HGM y la matriz cementante

(aprovechando la sílice presente en las HGM), la cual fue la responsable de que se haya producido un

comportamiento similar al de la muestra control.

6. Conclusiones y recomendaciones 139

▪ En cuanto a la resistencia a la compresión, se observa que mientras la muestra control presenta para el

ensayo a los 28 días, un aumento de resistencia cercano al 40% con respecto a la obtenida para la edad

de 7 días, la muestra con HGM ostenta un incremento del 30%. De igual manera, calculando la relación

entre la resistencia a la compresión y la resistencia a la tracción, se obtiene que la resistencia a la tracción

equivale aproximadamente al 5,5% de la resistencia a la compresión para muestra control y de 6,2% para

muestra con HGM.

▪ Con relación a la penetración del ion cloruro en SCC con reemplazo de cemento por HGM en una

proporción de 5% en peso de material cementante, medida a través del ensayo Nordtest NT Build 492, se

concluyó que las HGM proporcionan una resistencia inferior a la conseguida para la muestra control. Los

resultados de este ensayo, acompañado de los resultados de las propiedades del concreto en estado

endurecido, tanto para la muestra control como para la muestra con reemplazo, permiten deducir que las

HGM generan un aumento en la porosidad del concreto a causa de la condición hueca de las HGM, lo cual

se traduce en una reducción leve de las propiedades mecánicas y de la resistencia a la penetración del ion

cloruro.

▪ El comportamiento reológico del material, tanto de la muestra control como de la muestra con HGM, se

aproxima más al modelo de Bingham modificado, por tanto, es pertinente que siempre se ejecute un análisis

y tratamiento de los datos arrojados por el software del reómetro utilizado, ya que en este existen

particularidades y limitaciones que no permiten conocer la correlación existente entre el material y otros

modelos reológicos diferentes al modelo plástico de Bingham.

▪ Los resultados de esfuerzo dinámico de fluencia, para la muestra control y para la muestra con HGM,

aumentaron en sus valores cuando se pasa del modelo básico al modelo modificado de Bingham, caso

contrario sucedió con la viscosidad plástica, ya que sus valores se redujeron al cambiar de modelo

reológico, no obstante, estos cambios fueron mucho más notorios en el esfuerzo de fluencia dinámico que

en la viscosidad.

▪ El reemplazo de cemento por HGM en una proporción de 5% en peso del material cementante, produce un

aumento en la fluidez de la mezcla, generando un material menos viscoso, el cual inicia y/o mantiene una

condición de flujo para esfuerzos de fluencia mayores, en comparación con la muestra control. En este

aspecto, es importante indicar que con las HGM se produce un material que una vez ha cesado su

movimiento, debe ser sometido a un esfuerzo mayor que rompa la interacción entre partículas para que

empiece a fluir nuevamente.


▪ Aplicando la ecuación que define el modelo reológico de Bingham modificado, haciendo principal énfasis

en el coeficiente “c”, se concluyó que tanto la muestra control como la muestra con HGM, se clasifican

como un fluido reoespesante, ya que el coeficiente que acompaña el término de segundo orden o “c”, es

mayor a cero, es decir que la viscosidad aparente se incrementa con el gradiente de esfuerzo cortante, y

en consecuencia va a tender a esperarse con el tiempo.

6.2 Recomendaciones

▪ Es preciso tener un control riguroso del procedimiento de mezclado del concreto, teniendo en cuenta que

una diferencia en tiempos, en materiales, en la instrumentación o en los equipos a utilizar puede generar

alteración en la mezcla y por tanto un comportamiento y un desempeño distinto. Se recomienda siempre

emplear el mismo equipo de mezclado, con las mismas características, el mismo volumen y en la medida

en que sea posible realizar un algoritmo de los pasos a seguir y de la duración de estos en el proceso de

mezclado.

▪ La humedad de los agregados tiene una influencia determinante en el proceso de la mezcla, puesto que,

si no se mide este parámetro con anterioridad, se puede obtener un material o muy seco o muy fluido, cuyo

comportamiento no estaría bajo control y por ende no podría ser correctamente relacionado y comparado.

Por lo tanto, se recomienda que la humedad de los agregados, los cuales tienen que hacer parte del mismo

lote que los empleados en el concreto, se mida inmediatamente antes de realizar cada una de las mezclas.

▪ Cuando se empleen HGM en concreto hidráulico es importante realizar previo a cualquier ensayo, la

calibración de la fluidez de la mezcla, de manera que se tenga un control de esta propiedad, evitando tener

mezclas con exceso de agua, segregación o que presenten fenómenos de halo, así mismo, se recomienda

realizar el ensayo de mini-slump para determinar el porcentaje óptimo de plastificante. Por tanto, en la

medida en que sea posible, se recomienda que se cuente con suficiente cantidad de insumos (en este caso

HGM) con el propósito de que se pueda ejecutar la calibración de la fluidez de la mezcla sin modificar las

cantidades para los demás ensayos.

▪ Resulta relevante profundizar en el estudio de las reacciones que generan las HGM sobre los demás

componentes del concreto, identificando el tipo de reacción, el desarrollo de las fases y de la

microestructura del material. En este sentido, también se pueden realizar ensayos de retracción para

evaluar la reactividad álcali – sílice que generan las HGM sobre el material.


▪ A partir de este trabajo se abren diferentes campos de investigación con relación a las HGM como material

de reemplazo de cemento o de arena para el concreto hidráulico, uno de los cuales puede ser la

determinación de la proporción de reemplazo óptima, o también el estudio de las HGM actuando juntamente

con una adición, las cuales mejoren sinérgicamente las propiedades del concreto hidráulico.

▪ Se recomienda para futuras investigaciones involucrar más ensayos que permitan caracterizar el concreto

con HGM desde el punto de vista de durabilidad, teniendo en cuenta que, de acuerdo con los resultados

obtenidos en el presente trabajo, las HGM producen un material con mayor porosidad, lo que facilita el

ingreso de elementos nocivos para el material como cloruros, sulfatos y carbonatos, y en consecuencia

mayor afectación en el acero de refuerzo que se presente.

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Anexos – Metodología y actividades desarrolladas

Metodología

La metodología de trabajo de la presente investigación consiste en una metodología experimental, basada en

la realización de ensayos sobre concreto hidráulico con y sin adición de microesferas huecas de vidrio, de

acuerdo con la propiedad que se desee analizar. A continuación, se lista la totalidad de ensayos que se llevaron

a cabo junto con la correspondiente propiedad que se estudió.

▪ Ensayo de Escurrimiento (Slump flow). ASTM C1611. Fluidez del concreto.

▪ Ensayo de la caja en L (L box). UNE-EN 12350-10. Fluidez del concreto

▪ Ensayo de anillo de barras o de anillo japonés (J ring). ASTM C1621. Fluidez del concreto

▪ Ensayo de columna de segregación. ASTM C1610. Segregación estática del concreto

▪ Ensayo de esfuerzo de fluencia estático, dinámico y viscosidad con reómetro ICAR 5000. Basado en ASTM

C1749. Esfuerzo de fluencia estático, dinámico y viscosidad del concreto.

▪ Ensayo de compresión simple. NTC 673 y NTC 4025. Resistencia a la compresión, coeficiente de Poisson

y Módulo de Young del concreto

▪ Ensayo de tracción indirecta (Brasilero). NTC 722. Resistencia a la tracción del concreto

▪ Ensayo de flexión. NTC 2871. Resistencia a la flexión del concreto

▪ Ensayo Nordtest NT Build 492. NT Build 492. Resistencia a la penetración de ion cloruro en el concreto

El plan experimental planteado se relaciona en las Tablas A1 y A2, que involucra el estudio de las propiedades

del concreto tanto en estado fresco como en estado endurecido, empleando una dosificación de microesferas

de vidrio de 5% en peso de material cementante, teniendo en cuenta el diseño de mezcla establecido.

Anexos - Metodología y actividades desarrolladas 152

Tabla 57. Matriz de ensayos de concreto en estado fresco para muestras con HGM. Fuente: Elaboración propia

Ensayo Volumen unitario (m3) No. Ensayos Volumen total (m3)

Escurrimiento 0,005 3 0,016

Caja en L 0,012 3 0,036

Anillo japonés 0,005 3 0,016

Reómetro 0,016 3 0,048

0,12

Tabla 58. Matriz de ensayos de concreto en estado endurecido para muestras con HGM. Fuente: Elaboración propia

Ensayo No. de probetas (6" x 12") Volumen total

(in3)

Volumen total

(m3) a 7 días a 28 días

Módulo de Young y

coeficiente de Poisson 0 3 1018 0,017

No. de probetas (4" x 8")

Resistencia a la

compresión 3 3 603 0,010

Nordtest NT Build 492 1 101 0,002 No. de probetas (4" x 8")

Resistencia a tracción 3 3 603 0,010

No. de vigas (0,15 m x 0,15 m x

0,55 m)

Resistencia a flexión 0 3 2266 0,037 0,08


Actividades desarrolladas

Las actividades desarrolladas se pueden agrupar de la siguiente manera:

▪ Adquisición de microesferas de vidrio

▪ Caracterización de materiales (cemento, microesferas y agregados)

▪ Selección de metodología de diseño de mezcla

▪ Calibración de diseño de mezcla

▪ Ensayos de concreto en estado fresco

▪ Ensayos de concreto en estado endurecido

Adquisición de microesferas

El suministro de las microesferas huecas de vidrio fue gestionado como una donación de la compañía 3M

Colombia. Las microesferas que se solicitaron fueron las microesferas serie iM30K (3M, 2017), teniendo en

cuenta que son una referencia que comercialmente maneja la compañía en Colombia, que presentan una

elevada resistencia al aplastamiento y que han sido empleadas por otros autores como Shahidan, Aminuddin y

otros (2017), Ren, Hu, Ren, Wang y otros (2017) y Peroni, Scapin, Avalle, Weise y Lehmhus (2012).

Caracterización de materiales

Para caracterizar los agregados (tanto finos como gruesos) del concreto se realizaron ensayos de

granulometría, de densidad SSS, de absorción y de peso unitario. Adicionalmente, se realizó la medición de

humedad en los agregados unas cuantas horas antes de ejecutar los ensayos en estado fresco, con el propósito

de poder ejercer mayor control en la influencia de factores del medio ambiente. Para caracterizar el cemento

se ejecutaron los ensayos de densidad y finura para cemento hidráulico.

Para la caracterización de las microesferas de vidrio se propuso la realización de 2 ensayos: Fluorescencia de

Rayos X y Microscopia Electrónica de Barrido (SEM).

▪ La Fluorescencia de Rayos X es una técnica de espectrometría que permite conocer la composición

química de un compuesto, a partir de la medición de su longitud de onda o energía de emisión de rayos X,

característica de cada elemento químico, para posteriormente determinar su concentración (Jenkins, 1999).


▪ La microscopia electrónica de barrido (SEM) es una técnica que permite tener una imagen de la superficie

de una muestra, la cual es generada por la interacción de un haz de electrones con el elemento de estudio,

específicamente con los átomos que lo componen. A partir de esta técnica se puede obtener una

caracterización morfológica de la muestra (Brandt Brandt, 2008).

Selección de metodología de diseño de mezcla

Para esta investigación se adoptó la metodología de diseño de mezcla propuesta por el comité ACI 237R-07,

la cual corresponde a una metodología por tanteo, estableciendo porcentajes recomendados de dosificación de

materiales para la elaboración de un diseño de mezcla de concreto autocompactante.

En cuanto al plastificante a utilizar, en esta investigación se optó por emplear el superplastificante

SikaViscocrete-2100. Al revisar la ficha técnica del producto, se detalla que para concretos autocompactantes,

se puede utilizar una dosificación del superplastificante entre 0,4% y 0,8% en peso del material cementante

(Sika, 2017).

Calibración del diseño de mezcla

Es pertinente tener en cuenta que como la metodología de diseño de mezcla propuesta por el comité ACI 237

es experimental, es necesario determinar por tanteo el diseño de mezcla que garantice un comportamiento

autocompactante del concreto. En consecuencia, fue necesario realizar varias mezclas de concreto cambiando

parámetros como la proporción de material cementante, de agregado grueso, de agregado fino, de

superplastificante o la relación Agua/Material cementante (A/MC) para obtener una mezcla uniforme, que no se

segregue, que no tenga exceso de agua pero que presente buena manejabilidad y que fluya bajo su propio

peso.

Enfatizando el hecho de que la aceptación de un SCC está relacionada con ensayos realizados en estado

fresco, es pertinente comparar si los resultados obtenidos se encuentran dentro de los intervalos de aceptación

establecidos en normativas, instituciones o en literatura científica, y posteriormente proceder a su clasificación

y definición de uso recomendado. Para tal propósito, se adoptaron los rangos de aceptación definidos por la

EFNARC (European Federation of National Associations Representing for Concrete), la cual es una asociación

de empresas del gremio de la construcción a nivel europeo, que, para el interés de esta investigación, establece

criterios de aceptación para las propiedades en estado fresco del SCC. En la Tabla A3 se especifica la


clasificación y el uso recomendado de SCC teniendo en cuenta las propiedades correspondientes evaluadas

en el estado fresco.

Tabla 59. Clasificación y usos recomendados para SCC de acuerdo con sus propiedades reológicas. Fuente: Adaptación de (EFNARC, 2005)

Ensayo de escurrimiento (Slump flow)

Clasificación Valor de escurrimiento

(mm)

Uso recomendado

SF1 550 - 650 Estructuras ligeramente reforzadas o

sin refuerzo

SF2 660 - 750

Estructuras medianamente reforzadas

o estructuras convencionales como

muros columnas, etc

SF3 760 - 850 Estructuras altamente reforzadas,

estructuras de formas complejas, etc

Clasificación Valor de t500 (s) Uso recomendado

VS1/VF1 ≤ 2 Estructuras altamente reforzadas

VS2/VF2 > 2 Estructuras medianamente reforzadas

Ensayo de caja en L

Clasificación Capacidad de paso Uso recomendado

PA1 ≥ 0,80 con 2 barras de

refuerzo

Viviendas o estructuras verticales

PA2 ≥ 0,80 con 3 barras de

refuerzo

Estructuras civiles

Ensayo de columna de segregación

Clasificación Porcentaje de segregación

(%)

Uso recomendado

SR1 ≤ 20

Losas delgadas o estructuras verticales

con distancia de flujo inferior a 5 m y

espacio de confinamiento mayor que 80

mm

SR2 ≤ 15

Estructuras verticales con distancia de

flujo superior a 5 m y espacio de

confinamiento mayor que 80 mm

Como complemento informativo, en la imagen A1 se presenta un esquema que ejemplifica los usos que puede

tener un SCC de acuerdo con sus propiedades en estado fresco. No obstante, vale la pena mencionar que es

importante solicitarle al productor del concreto una asesoría sobre el uso más recomendado para el material.


Imagen 75. Recomendación de usos para SCC según propiedades en estado fresco. Fuente: Adaptación de (EFNARC, 2005)

Ensayos de concreto en estado fresco

En esta sección se presenta un breve resumen del procedimiento seguido para la realización de los ensayos

de concreto en estado fresco:

▪ Ensayo de escurrimiento. ASTM C1611 (ASTM, 2009)

- Colocar placa base cuya superficie debe estar en una condición húmeda, pero sin presentar exceso de

agua.

- Colocar cono de Abrams.

- Llenar el cono sin agitar ni compactar. Posteriormente enrasar.

- Dejar reposar el cono hasta 30 s, limpiando las salpicaduras del concreto.

- Levantar el cono en un periodo de tiempo entre 1 y 3 s.

- Medir el mayor diámetro de flujo expandido, d1 (imagen A2).

- Medir diámetro perpendicular a d1 (d2).

- Calcular el escurrimiento (SFj) de la mezcla aplicando la ecuación A.1.

𝑆𝐹𝑗 =

𝑑1 + 𝑑2

2 (A.1)


Imagen 76. Ensayo de escurrimiento. Fuente: (Bravo Sobrino, 2004)

▪ Ensayo de anillo japonés. ASTM C1621 (ASTM, 2014b)

- Colocar placa base cuya superficie debe estar en una condición húmeda, pero sin presentar exceso de

agua.

- Colocar cono de Abrams.

- Colocar Anillo japonés.

- Llenar el cono sin agitar ni compactar. Posteriormente enrasar.

- Dejar reposar el cono hasta 30 s, limpiando las salpicaduras del concreto.

- Levantar el cono en un periodo de tiempo entre 1 y 3 s (imagen A3).

- Contabilizar el tiempo que tarda el concreto desde que el cono deja de estar en contacto con la placa base,

hasta que alcanza cualquier punto del círculo de 50 cm de diámetro (t500j).

- Medir el mayor diámetro de flujo expandido (d1).

- Medir diámetro perpendicular a d1 (d2).

- Medir alturas desde la cara superior del anillo hasta la superficie del concreto: Altura en el centro (∆ho),

altura en los extremos del eje X (∆hx1 y ∆hx2) y altura en los extremos del eje Y (∆hy1 y ∆hy2) de la placa

base.

- Calcular capacidad de paso (PJ), a partir de ecuación A.2, escurrimiento (SFj), según ecuación A.3, y el

tiempo de flujo (t500j).

𝑃𝐽 =

∆ℎ𝑥1 + ∆ℎ𝑥2 + ∆ℎ𝑦1 + ∆ℎ𝑦2

4− ∆ℎ0 (A.2)


𝑆𝐹𝑗 =

𝑑1 + 𝑑2

2 (A.3)

Imagen 77. Ensayo de Anillo japonés. Fuente: (Bravo Sobrino, 2004)

▪ Ensayo de la caja en L. UNE-EN 12350-10 (AENOR, 2011)

- Apoyar la caja en L sobre una superficie horizontal, comprobada con un nivel de burbuja.

- Humedecer la caja, pero sin que se presente exceso de agua.

- Cerrar la compuerta.

- Adicionar el concreto por la zona vertical de la caja sin agitar ni compactar y posteriormente enrasar.

- Dejar reposar por 1 minuto sin alterar el ensayo.

- Abrir la compuerta completamente.

- Cuando el asentamiento de la mezcla ha cesado, se toman 3 lecturas de H1 (Lectura H1-i), las cuales

corresponden a la zona donde se encuentran las barras de refuerzo, y 3 lecturas de H2 (Lectura H2-i), las

cuales corresponden a la zona horizontal de la caja, que se encuentra localizada a una distancia de 70 cm

desde la parte posterior de la caja. Ver imagen A4.

- Calcular capacidad de paso de (PL) la mezcla empleando la ecuación A.4.

𝑃𝐿 =

(𝐻2)1 + (𝐻2)2 + (𝐻2)3

(𝐻1)1 + (𝐻1)2 + (𝐻1)3 (A.4)

Un ejemplo de la caja en L se aprecia en la imagen A4, acompañada de sus dimensiones y de las

correspondientes alturas de medición para el ensayo; H1 y H2.


Imagen 78. Caja en L (unidades en mm). Fuente: (EFNARC, 2002)

▪ Ensayo de columna de segregación. ASTM C1610 (ASTM, 2015)

Es importante señalar que las uniones empleadas entre las diferentes zonas que conforman la columna de

segregación no consistieron en fijaciones, sino en colocación de franjas de cinta transparente a lo largo del

perímetro de unión entre las 2 zonas a fijar. Por otro lado, no se emplearon placas colectoras entre las diferentes

zonas de la columna, sino que se utilizó una lámina de aluminio, cuyo propósito fue separar los 3 cilindros de

la columna después de haber retirado las franjas de cinta.

- Colocar placa base como soporte de la columna de segregación

- Fijar las 3 zonas de la columna de segregación (superior, intermedia e inferior) con franjas de cinta

transparente.

- Llenar la columna con la mezcla de SCC en menos de 2 min y enrasar.

- Dejar reposar en 15 min sin que el molde sea molestado.

- Retirar franjas de cinta entre cono superior y cono medio.

- Colocar lámina de aluminio entre zona superior y zona media.

- Girar la zona superior de manera que se apoye sobre la lámina.

- Repetir pasos 5 a 7 para extraer el cono medio, cuyo contenido se desecha.

- Colocar contenido de SCC de zona superior en un tamiz #4 y proceder con el lavado sobre dicho tamiz.

- Tamizar y guardar lo que queda retenido en el tamiz #4 (agregado grueso).

- Repetir los 2 pasos inmediatamente anteriores para la sección inferior de la columna.


- Por separado, secar superficialmente con una toalla el agregado retenido en la zona superior y el agregado

retenido en la zona inferior.

- Pesar ambas muestras de agregado grueso, por separado, siendo 𝑃𝐼 el peso de agregado grueso en molde

inferior y 𝑃𝑆 el peso del agregado grueso en molde superior.

- Calcular el porcentaje de segregación estática (S).

Si 𝑃𝐼 > 𝑃𝑆, entonces, se debe utilizar la ecuación A.5:

𝑆 = 2

𝑃𝐼 − 𝑃𝑆

𝑃𝐼 + 𝑃𝑆 (A.5)

De lo contrario S=0

En la imagen A5 se presenta un esquema de la columna segregación con las correspondientes secciones o

cilindros que la componen y de la placa colectora.

Imagen 79. Molde y placa colectora para ensayo de Columna de segregación. Fuente: (ICCG, 2015)


▪ Ensayo de esfuerzo de fluencia estático, dinámico y viscosidad plástica con reómetro ICAR 5000. Basado

en ASTM C1749 (ASTM, 2014a).

- Configurar los parámetros de ejecución de los ensayos, así como la geometría del conjunto de elementos

del reómetro. En la Tabla A4 se exhiben los correspondientes parámetros de ejecución para los ensayos

realizados en la presente investigación.

- Asegurar la paleta giratoria con la punta inferior del reómetro.

- Emplazar el conjunto de reómetro y paleta sobre las placas de apoyo y cerrar estas últimas para fijar el

equipo.

- Verter la mezcla de SCC dentro de la olla del reómetro.

- Introducir el conjunto placas de apoyo, reómetro y paleta giratoria dentro de la olla, colocarlo sobre los

soportes lisos de la olla y asegurar con los elementos inferiores de las placas de apoyo una adecuada

fijación de todo el sistema.

- Encender o activar el reómetro de manera que se ejecute el ensayo de crecimiento de esfuerzo,

manteniendo esta condición durante 1 minuto.

- Activar la opción de ensayo de curva de flujo y ejecutarla hasta que finalice automáticamente.

- Guardar los archivos generados por el software del reómetro, en los cuales se presenta entre otros

parámetros el esfuerzo de fluencia estático, el esfuerzo de fluencia dinámico y la viscosidad plástica.

Tabla 60 Parámetros empleados para los ensayos empleando reómetro ICAR 5000. Fuente: Elaboración propia

Radio de paleta giratoria (mm) 63,5

Altura de paleta giratoria (mm) 127

Radio de olla del reómetro (mm) 143

Velocidad de corte para prueba de crecimiento de esfuerzo (rev/s) 0,025

Duración de ensayo de curva de flujo (s) 5

Velocidad de corte inicial para ensayo de curva de flujo (rev/s) 0,5

Velocidad de corte final para ensayo de curva de flujo (rev/s) 0,05

Número de puntos para ensayo de curva de flujo 7

En la imagen A6 se muestran los elementos que componen el reómetro ICAR 5000.


Imagen 80. Elementos y accesorios del reómetro ICAR 5000. Fuente: (Instruments, 2010)

Ensayos de concreto en estado endurecido

A continuación, se presenta un breve resumen del procedimiento ejecutado para la realización de los ensayos

de concreto en estado endurecido

▪ Ensayo de compresión simple. NTC 673 (ICONTEC, 2010)

- Extraer el espécimen a analizar de la piscina de curado.

- Tomar 2 medidas del diámetro y de la altura del espécimen. A partir de esta información, calcular el área

de la sección transversal del cilindro (A).

- Apoyar el espécimen sobre el bloque inferior de la máquina de ensayo.

- Llevar el bloque superior de la máquina sobre la cara superior del espécimen.

- Aplicar la carga axial de compresión sobre el espécimen sin impactos ni interrupciones.

- Registrar la carga de falla o carga última que resistió el cilindro (𝑃𝑚á𝑥).

- Calcular resistencia a compresión del espécimen (𝑓𝑐) a partir de la ecuación A.6.

𝑓𝑐 =

𝑃𝑚á𝑥

𝐴 (A.6)

- De ser necesario, aplicar factor de corrección por esbeltez sobre el valor de resistencia a compresión.

- Establecer el tipo de falla presentado, teniendo en cuenta la clasificación plasmada en la NTC-673 según

se muestra en la imagen A7.


Imagen 81. Modelos de fractura típicos. Fuente: (ICONTEC, 2010)

▪ Ensayo de módulo de Young y coeficiente de Poisson. NTC 4025 (ICONTEC, 2006).

- Antes de ejecutar este ensayo se realizó el ensayo a compresión sobre especímenes del mismo lote.


- Tomar 2 medidas del diámetro y de la altura del espécimen.

- Apoyar el espécimen con sus correspondientes accesorios de medición de deformación longitudinal y

transversal, sobre el bloque inferior de la máquina de ensayo.

- Llevar el bloque superior de la máquina sobre la cara superior del espécimen y dejarlo que se asiente.

- Aplicar carga de compresión axial e ir registrando sin interrumpir el ensayo, lecturas de carga y deformación

unitaria (tanto longitudinal como transversal), teniendo principal atención en 2 situaciones específicas:

cuando la deformación unitaria longitudinal sea igual a 50x10-6 y cuando la carga aplicada corresponda al

40% de la carga ultima.

- Calcular los correspondientes esfuerzos en estos 2 puntos.

- Calcular el módulo de Young (E) y el coeficiente de Poisson (µ) empleando ecuación A.7 y A.8

respectivamente.


𝐸 =

𝑆2 − 𝑆1

𝜀2 − 0,000050 (A.7)

𝜇 =𝜀𝑡2 − 𝜀𝑡1

𝜀2 − 0,000050 (A.8)

Dónde:

E: Módulo de Young del concreto (MPa)

𝑆2: Esfuerzo correspondiente al 40% de la carga última (MPa)

𝑆1: Esfuerzo correspondiente a la deformación unitaria longitudinal 𝜀1 de 50x10-6 (MPa)

𝜀2: Deformación unitaria longitudinal producida por 𝑆2 (mm/mm)

𝜇: Coeficiente de Poisson

𝜀𝑡2: Deformación unitaria transversal producida por 𝑆2 (mm/mm)

𝜀𝑡1: Deformación unitaria transversal producida por 𝑆1 (mm/mm)

En esta investigación, con el propósito de determinar las deformaciones de la probeta, se emplearon

comparadores de carátula, colocados tanto longitudinal como transversalmente. Estos permiten una medición

de los cambios de longitud, los cuales al dividirse sobre la longitud inicial proporcionan las correspondientes

deformaciones. Los comparadores de carátula empleados se colocaron entre anillos, que inicialmente se

encontraban separados una distancia de 6” en el sentido transversal y de 8” en el sentido longitudinal. Estas

separaciones iniciales entre anillos corresponden a las longitudes iniciales que se emplean en los cálculos de

las deformaciones. Un esquema de la colocación de los comparadores de carátula se muestra en la imagen

A8.


Imagen 82. Localización de comparadores de carátula en probeta. Fuente: (ICONTEC, 2006)

La lectura de los comparadores de carátula representa el acortamiento o el ensanchamiento entre los anillos

instalados, medidos en el borde o contorno, no obstante, la medida de interés es la que se presenta en el eje

central de las probetas, motivo por el cual, se debe realizar un tratamiento de datos para calcular las

correspondientes deformaciones, el cual se especifica en la NTC 4025 y se describe a continuación:

En la imagen A9 se muestra un esquema de desplazamientos, visto en perfil, para el cálculo de deformaciones

longitudinales.

Imagen 83. Esquema de desplazamientos en comparador de carátula. Fuente: (ICONTEC, 2006).

Dónde:

a = localización del comparador de carátula

b = punto de soporte del anillo rotativo

c = localización del vástago largo pivotado


r = desplazamiento debido a la rotación del anillo alrededor de la varilla del pivote

d = acortamiento total del espécimen a lo largo de la longitud efectiva del comparador de carátula

g = lectura del comparador de carátula

𝑒𝑟 = excentricidad del vástago largo pivotado, medida desde el eje del espécimen

𝑒𝑔 = excentricidad del comparador de carátula, medida desde el eje del espécimen

De acuerdo con la imagen A9, la lectura que proporciona el comparador de carátula corresponde al parámetro

“g”, el cual se mide a lo largo del eje vertical “a”, no obstante, como la medida de interés es a lo largo del eje

vertical “b”, entonces, se tiene que la medida de acortamiento “d”, la cual resulta por semejanza de triángulos

se especifica en la ecuación A.8.

𝑑 =𝑔𝑒𝑟

𝑒𝑟 + 𝑒𝑔 (A.8)

Si las distancias del vástago largo pivotado y del comparador de carátula al eje del espécimen son iguales

(𝑒𝑟 = 𝑒𝑔), como es el caso de este trabajo, el acortamiento de la probeta se muestra en la ecuación A.9.

𝑑 =𝑔𝑒𝑟

𝑒𝑟 + 𝑒𝑟=

𝑔

2 (A.9)

Por lo tanto, el acortamiento a lo largo del eje de la probeta corresponde a la mitad de la medida que proporciona

el comparador de carátula. En este sentido, como en esta investigación se empleó, a lo largo del eje longitudinal,

una distancia inicial entre anillos igual a 8” (203 mm), entonces la deformación longitudinal del espécimen se

calculó empleando la ecuación A.10.

𝜀𝑙𝑜𝑛𝑔 =𝑔

2 ∗ 203 𝑚𝑚

(A.10)

Un razonamiento análogo se realizó para la deformación transversal de la probeta, y se tiene que debido a que

en esta investigación se empleó, a lo largo del eje transversal, una distancia inicial entre anillos igual a 6” (152

mm), entonces la deformación transversal del espécimen se calculó aplicando la ecuación A.11.


𝜀𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑣 =𝑔

2 ∗ 152 𝑚𝑚 (A.11)

▪ Ensayo de tracción indirecta. NTC 722 (ICONTEC & Colombia, 2000).


- Tomar 3 medidas del diámetro del espécimen; una en cada extremo y otra en la mitad. El promedio de los

diámetros da el diámetro (d) del espécimen.

- Tomar 2 medidas de la altura del espécimen. El promedio de las alturas proporciona la longitud (𝑙) del

espécimen.

- Apoyar el espécimen sobre el bloque inferior de la máquina de ensayo.

- Llevar el bloque superior de la máquina sobre la cara superior del espécimen y dejarlo que se asiente.

- Centrar todo el conjunto de manera que el centro del espécimen sea colineal con los centros de los bloques

superior e inferior de la máquina de ensayo.

- Aplicar carga de compresión hasta llegar a la falla del espécimen.

- Registrar carga ultima (𝑃𝑚á𝑥) y apariencia del concreto.

- Calcular la resistencia a tracción indirecta (T), según la ecuación A.12.

𝑇 =

2𝑃𝑚á𝑥

𝜋𝑙𝑑 (A.12)

▪ Ensayo a flexión. NTC 2871 (ICONTEC, 2004)


- Tomar 3 medidas para el ancho promedio (b) del espécimen en mm.

- Tomar 3 medidas para el espesor promedio (d) del espécimen en mm.

- Medir la longitud de la separación entre apoyos (L) en mm.

- Colocar sistema de apoyos dentro de la máquina de ensayo.

- Colocar la viga a ensayar sobre los apoyos definidos.

- Colocar aditamentos sobre la cara superior de la viga, los cuales permitan aplicar la carga en los tercios

medios de la viga.

- Llevar el bloque superior de la máquina sobre la cara superior de los aditamentos y dejarlo que se asiente.

- Aplicar carga de compresión hasta producir la falla de la viga.

- Una vez alcanzada la ruptura, escribir el valor de la carga de ruptura (P).


- Tomar medidas a través de una de las caras fracturadas. Tomar 3 medidas para el ancho promedio (brup)

y 3 medidas para el espesor promedio (drup), cada una de las cuales se tomará en los 2 extremos y en el

centro de la viga.

- Si la ruptura ocurre en el tercio medio de la viga, se debe aplicar la ecuación A.13 para obtener el módulo

de ruptura (R).

𝑅 =

𝑃 𝐿

(𝑑𝑟𝑢𝑝2)𝑏𝑟𝑢𝑝

(A.13)

- Si la ruptura ocurre por fuera del tercio medio de la viga por no más de 5% de la luz, se debe aplicar la

ecuación A.14 para obtener el módulo de ruptura.

𝑅 =

3𝑃 𝑎

(𝑑𝑟𝑢𝑝2)𝑏𝑟𝑢𝑝

(A.14)

Dónde “𝑎” corresponde a la distancia promedio entre la línea de ruptura y el apoyo más cercano medido en la

superficie de tensión de la viga.

- Si la ruptura ocurre por fuera del tercio medio de la viga por más de 5% de la luz, se deben descartar los

resultados.

▪ Ensayo Nordtest NT Build 492. NT Build 492 (NT Build 492, 1999)

- Cortar el espécimen de 10 cm x 20 cm en 3 rebanadas cada una de las cuales debe tener un espesor de

5 cm y un diámetro de 10 cm, tomando las más próximas a la zona central del espécimen original.

- Colocar muestras en el recipiente de vacío, manteniéndolas en esa condición durante 3 horas, teniendo en

cuenta que la presión de vacío debe ser inferior a 50 mm de Hg. En la imagen A10 se aprecia una revisión

de la presión de vacío, la cual es igual a 32,6 mm de Hg, y como es inferior que 50 mm de Hg, entonces el

resultado es catalogado como satisfactorio.


Imagen 84. Revisión de presión de vacío en ensayo Nordtest. Fuente: Elaboración propia

- Llenar el recipiente con la solución saturada Ca (OH)2, manteniendo el vacío.

- Mantener el vacío durante 1 hora más.

- Mantener las muestras en solución durante 18 horas.

- Llenar el depósito de catolito con solución de NaCl al 10%.

- Colocar el protector de caucho de manera que rodee la muestra y ajustarlo con 2 abrazaderas.

- Apoyar el cátodo sobre el soporte plástico (en el depósito de catolito) que le proporciona la respectiva

inclinación a la muestra.

- Colocar la muestra protegida con el caucho sobre el soporte plástico de manera que la superficie inferior

de la rebanada esté en contacto con el cátodo.

- A interior del protector de caucho verter el correspondiente anolito (0,3N NaOH).

- Sumergir el ánodo en el anolito.

En las imágenes A11 y A12 se ilustra (por medio de una vista lateral y de una vista superior respectivamente)

el conjunto de elementos que conforman el ensayo Nordtest. Se aprecia la localización del soporte plástico,

protector de caucho, abrazaderas, catolito, anolito, cátodo y ánodo, los cuales se encuentran dentro del

recipiente de ensayo.


Imagen 85. Vista lateral del conjunto de elementos para ensayo Nordtest. Fuente: Elaboración propia

Imagen 86. Vista superior del conjunto de elementos para ensayo Nordtest. Fuente: Elaboración propia

- Conectar el cátodo al polo negativo y el ánodo al polo positivo de la fuente de alimentación (imagen A13).

- Encender la alimentación con un voltaje de 30 V.

- Registrar la corriente inicial.

Protector

de caucho Ánodo

Abrazaderas

Catolito

Cátodo

Soporte plástico

Anolito

Ánodo


Imagen 87. Conexión de los ánodos y cátodos de las muestras a la fuente de alimentación para ensayo Nordtest. Fuente: Elaboración propia

- Si es necesario, se debe ajustar el voltaje, en cuyo caso se toma nuevamente la lectura de corriente inicial

de la muestra, y se compara con los intervalos de corriente expuestos en la Tabla A5, a partir de los cuales

se ajusta un nuevo voltaje (voltaje de ensayo).

Tabla 61. Voltaje del ensayo Nordtest a partir de corriente inicial para voltaje de 30 V. Fuente: Adaptación de (NT Build 492, 1999)

Corriente inicial con

30 V. I30V (mA)

Voltaje aplicado U

después del ajuste (V)

Posible nueva corriente

inicial. I0 (mA)

Duración de

ensayo. t (h)

I0 < 5 60 I0 < 10 96

5 ≤ I0 < 10 60 10 ≤ I0 < 20 48

10 ≤ I0 < 15 60 20 ≤ I0 < 30 24

15 ≤ I0 < 20 50 25 ≤ I0 < 35 24

20 ≤ I0 < 30 40 25 ≤ I0 < 40 24

30 ≤ I0 < 40 35 35 ≤ I0 < 50 24

40 ≤ I0 < 60 30 40 ≤ I0 < 60 24

60 ≤ I0 < 90 25 50 ≤ I0 < 75 24

90 ≤ I0 < 120 20 60 ≤ I0 < 80 24

120 ≤ I0 < 180 15 60 ≤ I0 < 90 24

180 ≤ I0 < 360 10 60 ≤ I0 < 120 24

I0 ≥ 360 10 I0 ≥ 120 6


- Se deja ejecutando el ensayo durante 24 horas aplicando el voltaje de ensayo, tiempo en el cual los iones

de cloruro migran hacia el interior de la muestra.

- Una vez concluya ese periodo de prueba, extraer la muestra, lavarla con agua y secarla superficialmente.

- Cortar axialmente la muestra en 2 rebanadas.

- Rociar una solución de nitrato de plata sobre la cara fraccionada.

- Aproximadamente 15 minutos después, cuando la solución de nitrato de plata es visible sobre la cara de

la muestra, medir la profundidad de penetración de cloruro desde el centro de la muestra hacia afuera, con

una separación de 10mm, de manera que se obtengan 7 profundidades.

- Calcular coeficiente no estacionario de migración del ion cloruro (𝐷𝑛𝑠𝑠𝑚) empleando la ecuación A.15.

𝐷𝑛𝑠𝑠𝑚 =0,0239 (273 + 𝑇)𝐿

(𝑈 − 2)𝑡 (𝑥𝑑 − 0,0238√

(273 + 𝑇)𝐿 𝑥𝑑

𝑈 − 2 ) (A.15)

Dónde:

𝐷𝑛𝑠𝑠𝑚: Coeficiente de migración no estacionario (x10-12 m2/s)

𝑈: Valor absoluto del voltaje aplicado (V)

𝑇: Temperatura promedio entre la temperatura inicial y la final en el anolito (°C)

𝐿: Espesor del espécimen (mm)

𝑥𝑑: Profundidad de penetración promedio (mm)

𝑡: Duración de la prueba (h)

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