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Propiedades en estado endurecido de concretopreparado con agua contaminada con clorurosOmar Guzmán-González1, Herwing Z. López-Calvo 2, Víctor G. Jiménez-Quero3 y Pedro Montes-García3

Resumen

Se estudian propiedades en estado endurecido de concreto ordinario y de alto desempeño contaminado concloruros. Para este propósito, se elaboraron cuatro mezclas con y sin cloruros adicionados intencionalmente.Se determinó la resistencia a la compresión y módulo de elasticidad para cada mezcla en cilindros de 10x20 cma los 28 días de edad. Los resultados mostraron que en el concreto ordinario contaminado con cloruros en un3% del peso del cemento, las propiedades estudiadas no son significativamente afectadas cuando se compararoncon aquellas de la mezcla no contaminada. Sin embargo, en la mezcla de concreto de alto desempeño elaboradocon agua con cloruros se presentó una pérdida importante de trabajabilidad lo que indirectamente afectó suspropiedades en estado endurecido. Debido a esto, se observó una falta de adherencia entre la pasta-agregado,lo cual, influyó negativamente en la resistencia a la compresión en las mezclas contaminadas con cloruros. Elmódulo de elasticidad del concreto de alto desempeño también sufrió una sensible disminución debido a loscloruros intencionalmente adicionados.

Palabras clave: Ingreso de cloruro de sodio, resistencia a la compresión, módulo de elasticidad.

Abstract

The present work, the properties in hardened state of ordinary and high-performance concrete contaminatedwith chlorides were studied. For this purpose, four concrete mixtures with and without intentionally addedchlorides were prepared. The 28-day compressive strength and modulus of elasticity of cylinders for eachmixture were determined. The results showed that the compressive strength and modulus of elasticity ofordinary concrete were not significantly affected by the addition of chlorides in a 3% of the cement weight in itsproperties in hardened state compared to a mixture which was not contaminated. Nevertheless, in the mixture ofhigh performance concrete elaborated with water with chlorides an important loss of the workability wasexperienced that indirectly affected its properties in hardened state. In this case, a lack of adhesion between theaggregate and the cement paste was observed, which negatively affected the compressive strength and themodulus of elasticity of the contaminated concrete.

Keywords: sodium chloridepenetation, compressive strength, modulus of elasticity.

1Estudiante de la Maestría en Ciencias en Conservación y Aprovechamiento de Recursos Naturales,CIIDIR Unidad Oaxaca, IPN México. omar.ggon@gmail.com

2Estudiante de Doctorado. Civil Engineering Faculty, University of New Brunswick, Canada3 Profesor Investigador del Grupo de Materiales y Construcción del CIIDIR Unidad Oaxaca, IPN

Hornos 1003 Sta. Cruz Xoxocotlán, C.P.71230, Oaxaca, México.

Introducción

El cemento ha contribuido al desarrollo de las civilizaciones,principalmente en la producción del concreto para elacrecentamiento de la infraestructura de los países, por loque de unos años a la fecha se le ha denominado el ��orogris�� (Obras, 2004).

El agua, por otra parte, siendo un elemento vital para eldesarrollo de las actividades empieza a escasear y el futuroes nada alentador por lo que se avecina lo que se denomina��la guerra por el agua��, esto sugiere que las reservas deagua dulce se extinguirán, y se tendría que recurrir al uso deagua de mar. Lo anterior es relevante debido a que hoy endía el concreto es sin duda uno de los materiales másutilizados en todo el mundo, y al parecer esta tendencia

continuará en los años venideros, principalmente en lospaíses en desarrollo.

El concreto es un conglomerado de ingredientes sólidos yagua que le dan propiedades de ingeniería y que el productofinal depende principalmente de las características de éstos.El diseño del concreto evolucionó significativamente,rigiendo actualmente el criterio de durabilidad y no deresistencia como en el pasado; esto dio paso al advenimientodel concreto de alto desempeño (HPC por sus siglas eninglés) (Metha y Aitcin, 1990).

En algunas regiones, principalmente, las costeras en dondeno se cuenta con la disponibilidad suficiente de recursospara la preparación de concreto, se tiene que recurrir aaquellos localmente disponibles; esto, conlleva a lautilización de materiales contaminados con cloruros,

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principalmente, agua para el mezclado de concreto. El aguade mar tiene una salinidad total aproximada del 3.5% y sereportó que cuando se usa para la producción de concretoordinario produce una resistencia temprana mayor, peromenor a largo plazo; además, que la pérdida de resistenciasuele ser menor del 15% y, por lo tanto es tolerable (Neville,2000).

Se estudió el efecto de la contaminación con cloruros enconcreto fabricado con una relación agua/cemento alta y elefecto de cemento con alto contenido de aluminato tricálcicocomo método para prevenir la corrosión del acero de refuerzo(Suryavanshi et al. 1998). También, se adicionaron clorurospara evaluar la efectividad de otros métodos de prevenciónde la corrosión en concreto reforzado, tales como inhibidores(Al-Amoudi et al. 2003). Además, se evaluó la influencia dela corrosión en la rigidez de elementos de concreto reforzado(Torres-Acosta et al. 2004). Sin embargo, es necesario estudiarel efecto del uso de materiales contaminados, agua en estecaso, para evaluar su influencia en las propiedades en estadoendurecido de concreto de alto desempeño.

El objetivo del presente trabajo es realizar un análisiscomparativo de las propiedades en estado endurecido deconcreto ordinario y de alto desempeño cuando se hanpreparado con agua contaminada con cloruros, evaluandopropiedades tales como resistencia a la compresión y módulode elasticidad a los 28 días de edad.

Materiales y Métodos

Para el desarrollo de este proyecto se realizó un diseñofactorial 22 considerando el tipo de concreto (ordinario y dealto desempeño) a evaluar y la cantidad de cloruro de sodioadicionado (0%, 3% del peso de cemento). El número deréplicas fue de seis dando un total de 24 especimenescilíndricos de concreto de 10 x 20 cm. (Tabla 1).

Se diseñaron cuatro mezclas de concreto de acuerdo con elmétodo de volúmenes absolutos del Instituto Americanodel Concreto (ACI 211.1, 1985) para el concreto ordinario; yel propuesto por Mehta y Aitcin (1990) para el de altodesempeño.

Los materiales utilizados fueron cemento puzolánico tipo II,con una gravedad especifíca de 3.15, agregado gruesotriturado de 3/4" como tamaño máximo, con una densidad de2744 kg/m3 (ASTM 138-01a), peso volumétrico seco compactode 1559 kg/m3, absorción de 0.44% y contenido de humedadde 0%. La arena de río utilizada tenía una densidad de 2632

kg/m3, peso volumétrico de 1730 kg/m3, absorción de 1.96%,contenido de humedad de 0% y un módulo de finura de 3.11.Para mejorar la fluidez del concreto, se utilizó un aditivoretardante de fraguado y reductor de agua de alto rango PLC1040, basado en la tecnología de los policarboxilatos, enproporción variable (Ficha técnica Admix Tech PLC1040,2005).

La contaminación con cloruros de 3% del peso de cementose obtuvo mediante la adición de cloruro de sodio (NaCl) alagua de mezclado como se ha utilizado en estudios previos(Torres-Acosta et al. 2004). Las mezclas se prepararon ��insitu�� para tratar de representar las condiciones reales demezclado. La Tabla 2 muestra las proporciones de lasdiferentes mezclas, en donde M1 es concreto ordinario, M1Ses concreto ordinario con 3% (por peso de cemento) decloruros, M2S y M2 son mezclas de concreto de altodesempeño con y sin cloruros respectivamente.

Los especímenes recibieron un curado húmedo, según lanorma ASTM 192M-00, en un tanque de agua saturada conhidróxido de calcio para evitar la lixiviación del hidróxido decalcio. Posteriormente, se realizaron las pruebas deresistencia a la compresión a los 28 días de edad, según lanorma ASTM C 39M-01. Se adaptó un compresómetro-extensómetro al equipo de pruebas para poder determinar elmódulo de elasticidad del concreto de acuerdo con la normaASTM C 469�94. Al término de las pruebas se analizaron losresultados obtenidos y se inspeccionaron las superficies defractura de los especimenes cilíndricos.

Resultados y discusión

Es muy importante resaltar que al realizar la comparación delos proporcionamientos obtenidos con los métodosutilizados (Tabla 2), se observa que la mezcla de concreto dealto desempeño (HPC) contiene 6.2 % más de cemento y16.3% más de agregados gruesos comparado con la mezclade concreto ordinario.

No obstante, a pesar de esta aparente desventaja desde elpunto de vista de mayor consumo de materiales naturales eindustrializados, el concreto de alto desempeño tienepropiedades mejoradas con la adición de éstos. Por ejemplo,se incrementa la resistencia a la compresión, lo cual repercutetambién de la resistencia a la tensión, que influye directamenteen el tiempo en que el concreto experimentará agrietamientodebido a los esfuerzos que genera la expansión de los

Tabla 1.- Variables y niveles considerados para el desarrollo del experimento Variable Niveles Descripción

Concreto ordinario 2 0%, 3% de NaCl

Concreto de alto comportamiento 2 0%, 3% de NaCl

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productos de la corrosión (Ghandehari et al. 1999). Además,una mayor cantidad de cemento mejora la impermeabilidadde la matriz de concreto limitando la entrada de agua y oxígeno,factores indispensables para el progreso de la corrosión(Broomfield, 1997).

Al momento de elaborar la mezcla de concreto de altodesempeño se observó que la adición de cloruros (NaCl)causa un efecto negativo en estado fresco, acelerando elproceso de fraguado reduciendo la trabajabilidad ydificultando su colocación en los moldes (Tabla 3).

Resistencia a la compresiónEl promedio de la resistencia a compresión obtenida en laspruebas experimentales fue sensiblemente similar a laspropuestas en el diseño de mezclas con los métodosutilizados (Tabla 4). En el concreto ordinario, la adición decloruros no influyó de manera notable en la resistencia a lacompresión. Sin embargo, en el concreto de alto desempeñocontaminado con cloruros, la resistencia tuvo un disminuciónaproximada del 36% respecto a la que no fue contaminada.

Esto se debió principalmente a la rápida pérdida detrabajabilidad de la mezcla lo cual, produjo fallas en el procesode preparación de algunos cilindros de ensaye.

Al graficar los datos anteriores y presentarlos por medio dediagramas de caja, figura 1, se observa que las resistenciasde los especimenes de concreto de alto comportamiento sonmenores cuando contienen cloruros (1). Las resistencias delos especimenes de concreto ordinario son similaresindependientemente si contienen o no cloruros. De la figura1 se observa también que la diferencia de resistencia entreconcreto de alto comportamiento y concreto ordinario esmenor cuando no contienen cloruros que cuando secomparan ambos tipos de concreto contaminados concloruros, esta diferencia considerable se debe a la granvariabilidad en los datos.

Los resultados de las pruebas de resistencia a la compresiónde los especimenes elaborados con las dos mezclas seanalizaron con el método estadístico ANOVA (AnálisisEstadístico de Varianza), usando el programa Minitab®

Versión 14 para Windows. El nivel de significancia

Tabla 2.- Proporcionamiento de mezclas (para 1m3 de concreto)

Característica M1 M1S M2 M2S

Arenosa

Buena X X

Apariencia

Graduada X X

Buena

Media X X X

Trabajabilidad

Pobre X

Revenimiento (cm) 6.0 5.5 4.0 2.0

Contenido de aire (%) 1.4 2.0 1.8 1.6

Tabla 3.- Resultados de pruebas en estado fresco

f´c

ClorurosConcreto

10ordhpcordhpc

80

70

60

50

40

30

20

Figura 1.- Diagramas de caja para Resistencia a laCompresión f�c

Materiales Concreto ordinario (ACI) Concreto de alto desempeño M1 M1S M2 M2S

Agua (kg) 202.0 202.0 160.0 160.0

Cemento (kg) 505.0 505.0 535.5 535.5

Agregado grueso (kg) 920.0 920.0 1070.1 1070.1

Agregado fino (kg) 747.5 747.5 684.3 684.3

Superplastificante (lt) 2.65 3.0 6.8 7.0

Cloruro de sodio (kg) 0.0 15.2 0.0 16.0

Relación a/c 0.40 0.40 0.3 0.3

Resistencia f�c de diseño MPa 42.0 42.0 65.0 65.0

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considerado fue del 5%. Para la utilización de este método,previamente se revisaron y comprobaron la normalidad delos datos y la homogeneidad de varianzas (Box et. al, 1978).Los resultados del análisis se muestran en la Tabla 5.

Debido a que la interacción (contenido de cloruros x tipo deconcreto, CC x TC) fue significante, no es necesario analizarlos efectos principales (Box et. al, 1978). La interacción essignificante ya que la resistencia en los cilindros varía demanera diferente en los dos tipos de concreto, siendo másconsiderable esta disminución en el concreto de altocomportamiento.

Tabla 4.- Comparación de promedios de resistencias experimentales a los 28 días de edad con resistencias de diseño.

0 = Sin cloruros, 1 = Con clorurosORD = Concreto ordinario, HPC = Concreto de alto comportamiento

f´cm = resistencia a la compresión media

Además del análisis estadístico de datos se realizó tambiénla inspección visual de los fragmentos de los cilindros. Seobservó una pérdida de adherencia entre la pasta y elagregado grueso. La figura 2 muestra las oquedades en loscilindros por un deficiente acomodo del concreto en losmoldes causado por la rápida pérdida de trabajabilidad, locual se considera contribuyó en parte, en la disminución dela resistencia a la compresión del concreto en estadoendurecido.

Al analizar los fragmentos de cilindros de la mezcla M1 y M2probados en compresión, (figura 3), se puede observar queel plano de falla secciona los agregados, lo que indica unacorrecta adherencia entre la pasta y éstos.

Origen DF Seq SS Adj SS Adj MS F P

CC 1 660.77 660.77 660.77 8.08 0.01

TC 1 62.24 62.24 62.24 0.76 0.393

CC x TC 1 622.91 622.91 622.91 7.62 0.012

Error 20 1635.03 1635.03 81.75

Total 23 2980.95

Tabla 5.-Resultados de análisis de varianza para f�c

Tipo de Concreto

Adición de Cloruros

Resistencia f´c experimental (MPa)

f´cm y �

Resistencia f�c de diseño (MPa)

ORD 0 52.2

ORD 0 53.1

ORD 0 54.1 48.6 ± 5.7 42.0

ORD 0 49.1

ORD 0 41.6

ORD 0 41.6

ORD 1 46.8

ORD 1 43.7

ORD 1 51. 1 48.3 ± 2.9 42.0

ORD 1 47.3

ORD 1 49.9

ORD 1 51.0

HPC 0 70.4

HPC 0 51.2

HPC 0 62.0 62.0 ± 8.7 65.0

HPC 0 61.0

HPC 0 54.2

HPC 0 73.2

HPC 1 62.3

HPC 1 31.2

HPC 1 33.5 41.3 ± 14.5 65.0

HPC 1 38.6

HPC 1 26.3

HPC 1 56.1

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Figura 2.- Oquedades en el interior de los cilindros por fallas en el

vibrado.

Oquedades

Figura 3.- Falla en probetas de concreto M1(a) y M2 (b)

Sin embargo, en la figura 4 se aprecia que en los especimenes elaborados con agua contaminada con cloruros M1S y M2S, el plano de falla pasa en la zona de transición debido probablemente a la falta de adherencia entre la pasta y el agregado grueso. La disminución de resistencia registrada puede también deberse a la pérdida de adherencia en la zona de transición concreto-pasta debido a la alta concentración de cloruros intencionalmente adicionados al agua de mezclado (Guinea et al 2002). Módulo de elasticidad Con los valores de deformación longitudinal obtenidos con el compresómetro-extensómetro, se elaboraron las gráficas esfuerzo - deformación para cada tipo de mezcla (Figura 5). En dichas gráficas, se observa que la adición de cloruro de sodio (NaCl) en concreto ordinario no tiene efecto perjudicial significativo. Sin embargo, en la mezcla de concreto de alto desempeño, es notoria la diferencia en la deformación sufrida entre las que fueron contaminadas con cloruros y las que no estuvieron expuestas a dicha condición. Posteriormente, se calcularon los valores de módulos de elasticidad (E) con los datos obtenidos de manera

(a) (b)

Figura 4.- Falla en probetas de concreto M1S (a) y M2S (b)

0123456789

10111213141516171819202122

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

Deformación Unitaria (mm X10-3

).

M1 ConcretoOrdinario

M1S ConcretoOrdinario conCloruro

M2 Concreto deAlto Desempeño

M2S Concreto deAlto Desempeñocon Cloruro

Esf

uerz

o (M

Pa)

Figura 5.- Gráfica Esfuerzo- Deformación para las diferentes

mezclas de concreto ordinario y de alto desempeño.

experimental y aplicando la ecuación recomendada por la norma ASTM C 469 � 94.

000050.02

12

�

����

SS (Ec. 1)

en donde: E = Módulo de elasticidad. S2 = Corresponde al 40% de la resistencia a la compresión del cilindro. S1 = Corresponde a el esfuerzo a la compresión producido en una deformación unitaria de 50 millonésimas. �2 = Deformación unitaria producida por la carga S2 Además, se realizó un análisis comparativo de los valores teóricos del módulo de elasticidad utilizando los siguientes códigos: ACI 363 (ACI 363.2R-98), para concretos de resistencias superiores a 41MPa

70423´10615 �� cfc

E (Ec. 3)

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Normas Técnicas Complementarias del RCDF (NTCRCDF, 2004), para concretos de resistencias superiores a 40MPa utilizando agregado grueso calizo.

MPaencfcE ;11000'2700 �� (Ec. 4) Asociación Americana del Cemento Portlan (PCA, 1994)

(Ec. 5) De la tabla anterior, se deduce que los valores de los módulos de elasticidad del concreto ordinario con y sin cloruros (M1S y M1), obtenidos con los datos experimentales, presentan una reducción del 17 y 16% respecto al promedio de los módulos calculados en forma teórica. Pero al realizar la comparación entre los valores de los módulos de elasticidad de concreto ordinario sin cloruros y los valores de los módulos de elasticidad del mismo concreto con cloruros la diferencia es de tan sólo 1%, lo que permite inferir que la adición de cloruros, en concreto ordinario, no repercute en el valor del módulo de elasticidad (Cook and Sirivivatnanon, 1978). En el caso del concreto de alto desempeño los valores de los módulos de elasticidad con y sin cloruros (M2S y M2), obtenidos con datos experimentales presentan una disminución del 5 y 1% respecto a los valores de los módulos obtenidos en forma teórica. Al realizar la comparación entre los valores de los módulos de elasticidad de concreto de alto comportamiento, sin cloruros y los valores de los módulos de elasticidad de concreto de alto comportamiento con cloruros la diferencia es de 7%. Con lo anterior se deduce que la adición de cloruros en concreto de alto desempeño influye en el valor del módulo de elasticidad.

Módulo de elasticidad en MPa, de acuerdo a: Concreto Ordinario (ACI)

Concreto de Alto Desempeño (HPC)

M1 M1S M2 M2S

ASTM C 469 � 94 25185 24950 32430 26888

ACI 363 30057 30011 33041 28025

NTCRCDF 29789 29752 32211 28140

PCA 30004 29958 32982 27975

Tabla 6.- Promedio de módulos de elasticidad obtenidos con diferentes reglamentos.

Los módulos obtenidos con los datos experimentales se ordenaron como se muestra en la tabla 7. Con los datos anteriores, se elaboraron los diagramas de caja (figura 6), en ellos se observa que el módulo de elasticidad del concreto de alto comportamiento es mayor cuando no contiene cloruros y nuevamente que el del concreto ordinario no es afectado de manera significativa con la adición de cloruros.

La diferencia de los módulos de elasticidad entre el concreto de alto comportamiento y el concreto ordinario es mayor que la diferencia presentada entre ambos tipos de concreto contaminados con cloruros. Los resultados de los módulos de elasticidad de los diferentes concretos, calculados con datos experimentales, se analizaron también con el método estadístico ANOVA. Los resultados del análisis estadístico (Tabla 8), indican que el contenido de cloruros no afecta significante el módulo de elasticidad,

Tipo de Concreto Adición de Cloruros

Módulo de elasticidad

ORD 0 21447

ORD 0 *

ORD 0 28923

ORD 1 23396

ORD 1 25067

ORD 1 26386

HPC 0 33961

HPC 0 31903

HPC 0 31426

HPC 1 26620

HPC 1 25931

HPC 1 28112

Tabla 7.- Módulos de elasticidad calculados con valores experimentales

º* Dato no disponible

mientras que el tipo de concreto sí lo hace. La interacción de estos efectos principales también es significante. Como el módulo de elasticidad esta en función de la resistencia del concreto y la resistencia en función del tipo de concreto, la disminución de los valores de módulo son más afectados en el concreto de alto comportamiento que en el concreto ordinario.

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Modulo

ClorurosConcreto

10ORDHPCORDHPC

34000

32000

30000

28000

26000

24000

22000

20000

Figura 6.- Diagramas de caja para Módulos de Elasticidad

Origen DF Seq SS Adj SS Adj MS F P

CC 1 35607758 22254288 22254288 4.04 0.084

TC 1 49845630 56218326 56218326 10.21 0.015

CC x TC

1 18776166 18776166 18776166 3.41 0.107

Error 7 38551543 38551543 5507363

Total 10 142781097

Conclusiones

Los resultados indican que aunque la adición de clorurosen las mezclas de concreto estudiadas no afectandirectamente su resistencia a la compresión y el módulo deelasticidad, lo hace indirectamente al ocasionar pérdida detrabajabilidad, principalmente en el concreto de altodesempeño. Esto puede ser debido a posibleincompatibilidad de algunos componentes de la mezcla, porejemplo: aditivo superplastificante y cloruros adicionadosintencionalmente.Los resultados también indican que es másadecuado obtener el módulo de elasticidad del concreto dedatos experimentales ya que al utilizar expresiones teóricasse sobreestiman dichos parámetros.

Recomendaciones

Como una extensión natural de este trabajo se recomiendallevar a cabo un estudio de compatibilidad entre los diferentescomponentes de la mezcla de concreto, el cual puede incluirpastas preparadas con los tipos de cemento y aditivosdisponibles en la región.

Agradecimientos

Los autores desean agradecer el apoyo financiero otorgadopor la Secretaria de Investigación y Posgrado del Instituto

Tabla 8.-Resultados de análisis de varianza para Módulo deElasticidad

En donde CC es el contenido de cloruros y TC el tipo de concreto

Politecnico Nacional de México mediante el proyecto deinvestigación: ��Desperdicios agrícolas e industriales comofuente alternativa para la producción de materialessuplementarios en concreto ��, Clave: SIP 20060647 y 20070633y al CIIDIR Unidad Oaxaca, IPN.

También se agradece al Consejo Nacional de Ciencia yTecnología (CONACYT) por los recursos económicosotorgados mediante la aprobación del proyecto: ��Corrosióndel acero en concreto ordinario y de alto desempeñoconteniendo puzolanas obtenidas de desperdicio agrícola��,clave SEP-CONACYT CIENCIA BÁSICA P47937-Y

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