REOLOGÍA DEL CONCRETO

1. Introducción:

La reología es la ciencia del flujo y deformación de la materia del concreto es una ciencia relativamente nueva; la medición de las propiedades reológicas del concreto son importantes para la industria de la construcción dado que el concreto es emplazado en su estado fluido. Desafortunadamente dado la compleja composición de materiales del concreto, este no permite establecer un método exacto para predecir su flujo.

Recientemente el uso más difundido de concretos de alto performance ha dado lugar al estudio de concreto con propiedades específicas para una aplicación. El ACI menciona algunas propiedades que son “críticas para una aplicación”: trabajabilidad, compactación, estabilidad, consistencia, compactación, etc. Los conceptos comunes abarcan todas estas propiedades en definiciones como “la facilidad con que el concreto puede ser mezclado, colocado, compactado y terminado” o “la habilidad del concreto para fluir”, etc. Pero ninguna alcanza a definir objetivamente las propiedades del concreto, varios intentos por definir de la mejor forma las propiedades del concreto fresco se han dado algunos investigadores han dividido estas en tres principales:

- Estabilidad: Exudación y segregación

- Compactación: Densidad

- Movilidad: Angulo de fricción interna, adherencia y viscosidad.

Estas definiciones son subjetivas pero enlazan las palabras comúnmente usadas con factores físicos que pueden ser medidos. Las pruebas comúnmente realizadas al concreto en estado fresco miden intrínsecamente sus propiedades reológicas, sin embargo un mejor entendimiento de las propiedades del concreto en estado fresco es necesario para poder predecir su flujo.

La presente ponencia pretende dar a conocer los avances en el estudio del concreto en su estado fresco, a través del desarrollo de la ciencia de la reología del concreto. Así mismo mostrar el desarrollo de nuevas pruebas para la determinación de los parámetros reológicos, y los modelos propuestos para la predicción de estos.

2. Definición del concreto en estado fresco:

El concreto en estado fresco es realmente un suspensión concentrada de partículas sólidas (agregados) en un líquido viscoso (pasta de cemento), la pasta de cemento a su vez no es un fluido homogéneo y está compuesta de partículas (granos de cemento) en un líquido (agua). Por lo tanto el concreto en estado fresco en una escala macroscópica fluye como un líquido.

3. Fluido y suspensión reológica:

La reología es la ciencia que estudia el flujo y la deformación de la materia; podemos dar una explicación de este flujo con la ayuda de la mecánica de fluidos, si aplicamos una fuerza cortante a un líquido como se muestra en la Fig. 1, un gradiente de velocidad es inducido en el líquido.

El factor proporcional entre la fuerza y el gradiente de velocidad es llamado viscosidad. El gradiente de velocidad también puede ser llamado tasa de corte (J). Un líquido que cumple esta condición de proporcionalidad es llamado Newtoniano, la ecuación que representa esta relación es la siguiente:

4. Modelos Reológicos:

El concreto en estado fresco puede ser considerado como un fluido, con tal que un cierto grado de flujo pueda ser obtenido. Esta condición puede ser definida en concretos con slump mayor a 100 mm y libres de segregación. Es por esto que el concreto rolado compactado es excluido por esta condición. El concreto en estado fresco es considerado como un fluido de Bingham y algunos tipos de concreto exhiben el comportamiento de un fluido de Herschel – Bulkey como el concreto auto compactado.

4.1. Modelo de Bingham:

Durante los primeros estudios de reología del concreto se propuso a la ecuación de Bingham como la más apropiada para describir el comportamiento del concreto fresco, la ec. Es la siguiente.

5. Técnicas de evaluación del concreto en estado fresco:

Los parámetros que pueden ser usados para describir el flujo del concreto en estado fresco son el esfuerzo de fluencia y la viscosidad. Algunas pruebas que evalúan el comportamiento del concreto en su estado fresco se relacionan con uno de estos dos parámetros, cuando una característica de estas pruebas debería ser poder determinar los 2 parámetros.

Actualmente existen muchas pruebas empíricas y no empíricas para evaluar al concreto en su estado fresco, pero es muy difícil relacionar sus resultados. Solo se puede hacer una comparación adecuada entre concretos usando la misma prueba.

Hay 2 categorías amplias, las pruebas que miden un solo parámetro y las que miden dos. Las pruebas usualmente aplican 2 métodos:

X). Por gravedad: El esfuerzo aplicado es por el mismo peso del material.

X). Por Vibración: El esfuerzo es deducido por la dinámica de la prueba, en estos métodos, el esfuerzo de fluencia y el flujo del concreto es muy diferente al observado cuando no se aplica vibración.

En la tabla 1, se observa una lista de las pruebas más conocidas para evaluar al concreto, estas pruebas intentan simular el comportamiento del concreto de obra en laboratorio.

Tabla 1: Pruebas usadas para evaluar al concreto en estado fresco

Prueba Esfuerzo Aplicado Comentarios

Slump Gravedad Relacionada al esfuerzo de fluencia

Esfera de Kelly Presión por penetración Relacionada al esfuerzo de fluencia

Prueba de Vicat Presión por penetración Relacionada al esfuerzo de fluencia

K-slump Gravedad Relacionada a la segregación

Visco metro Gravedad Relacionada a la viscosidad

Prueba de Ve-Be Por vibración Para concretos con alto esfuerzo de fluencia

A finales del siglo pasado se desarrollaron varios reómetros especialmente diseñados para concreto, uno de ellos desarrollado en el Laboratorio Central de Puentes y Caminos (LCPC, Francia), llamado BTRHEOM (Fig. 4). La característica principal de este reómetro es que sigue una determinación cuantitativa del esfuerzo de fluencia y la viscosidad de las mezclas de concreto. A diferencia de otros reómetros con cilindros concéntricos este instrumento es un

reómetro de platos paralelos. El esfuerzo cortante en este reómetro es impuesto por la geometría mediante la velocidad angular (Fig5.), mediante la relación entre el momento y la velocidad angular se puede calcular analógicamente el esfuerzo cortante y la tasa de corte de la mezcla de concreto ensayada.

Fig. 4. Reómetro BTHREOM Fig5. Distribución de esfuerzos cortantes en el BTRHEOM.

La necesidad de encontrar una prueba no tan costosa como lo son los reómetros y considerando que la prueba de slump es la más utilizada alrededor del mundo, se realizó modificaciones al procedimiento de esta prueba para hacer posible la medición del esfuerzo estático y la viscosidad plástica, en el siguiente punto se describe la prueba modificada de slump.

6. Prueba de Modificada de Slump:

La prueba de modificada de slump fue desarrollada en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnologías (NIST) de Estados Unidos; mediciones realizadas del slump en función del tiempo mostraron curvas que podían ser simuladas computarizadamente asumiendo al concreto al concreto en estado fresco como un material de Bingham (Fig.6). La curva slump-tiempo depende tanto del esfuerzo estático como de la viscosidad plástica, esta relación slump - tiempo llevo a la conclusión de que el tiempo es el parámetro adecuado para completar la prueba de slump.

Fig. 6. Simulación de la prueba de slump.

En la Fig. 7 y 8 se muestran el detalle de la modificación de los aparatos de la prueba de slump.

Fig. 7. Vara y plato, elementos adicionados a la prueba de slump.

El procedimiento original para realizar la prueba de slump modificado es el siguiente:

Equipo:

. Base horizontal con la adición de una vara de acero de 35 cm de alto. . Cono de slump estándar (ASTM C 143-90). Plato deslizante. Varilla para el apisonado. Regla graduada. Cronometro con una aproximación de 0.01s.

_El concreto es emplazado de la misma manera como en la prueba de slump estándar (ASTM C 143 / ITINTEC 339.035). Luego se realiza los siguientes pasos.

1. Usando un trapo húmedo limpie la parte de la varilla central que está por encima de la muestra de concreto.

2. Deslice el plato a lo largo de la varilla hasta que esté en contacto con la superficie de concreto.

3. Cuidadosamente levante el molde verticalmente mientras acciona el cronometro.

4. Mientras el concreto este fluyendo, continuamente observe el plato y pare el cronometro tan pronto como el plato deje de moverse.

5.Una vez que el slump este estabilizado, o no después de un minuto después de comenzar la prueba, remueva el plato y mida el slump con la regla graduada. (Fig. 9).

Fig. 9. Esquema de la prueba modificada

6.1. Modelo para evaluar el esfuerzo estático:

Basado en el análisis del modelo de Bingham para la prueba de slump y las medidas del esfuerzo estático usando un reómetro. Se propuso la siguiente formula relacionando el slump “s” al esfuerzo estático.

Dónde:

La predicción del esfuerzo estático dada por este modelo es bastante aceptable teniendo un error promedio de 162 Pa, comparada con otros modelos con elevados valores de error.

6.2. Modelo semi-empírico para evaluar la viscosidad plástica:

Para evaluar la viscosidad plástica de los resultados de la prueba de slump modificado, la siguiente hipótesis fue usada: para un mismo slump final y una misma densidad del concreto, una diferencia en el tiempo de slump puede ser atribuida a una diferente viscosidad plástica. Realizando el análisis dimensional de los parámetros de la prueba y las medidas realizadas en un reómetro se proponen las siguientes formulas:

La prueba de slump modificado está actualmente siendo evaluada por ASTM, como un posible ensayo que sirva para caracterizar al concreto en estado fresco.

LCPC desarrollo este modelo para predecir las propiedades del concreto a

partir de su composición.El concreto es definido como una mezcla granular (de cemento y agregado grueso) suspensión de agua.Por ej. Un concreto sin trabajabilidad es decir sin flujo, es definido como un concreto donde la porosidad está llena con agua. Esto implica que no existe exceso de agua entre los comsólidos (Fig 10). Por supuesto el esfuerzo estático puede ser correlacionado con el esfuerzo necesario para iniciar el flujo superando las fuerzas de fricción entre las partículas. Estas fuerzas dependen en el número y tipo de contactos entre partículas.

En otro caso un incremento en el contenido de agua, más de la necesaria para llenar losposible espacios entre las partículas de la mezcla y consecuentemente deslizamientos entre partículas pueden ser iniciados (Fig 11).

U

d

e

n

s

i

d

a

d

d

e

l

c

o

n

c

r

e

t

o

e

n

K

g

/

mS slump medido en mm

W 0 Esfuerzo estático en P

I

7. Modelos para predecir las propiedades reológicas :

7.1. Modelo de acomodamiento compresible (CPM):

Para el modelo de acomodo compresible (CPM) cada componente i, de la mezcla es definido por su paquete de densidad, I *, y la fracción volumétrica de material sólido (con respecto a un volumen total de 1) Ii. Un paquete de densidad, es definido como el máximo valor posible de Ii, con todos los otros I j (j z i) permaneciendo constantes. También la totalidad de la mezcla es caracterizada por un paquete máximo I * y la fracción volumétrica de los materiales sólidos I.

7.2. Modelo modificado de Krieger-Dougherty:

Este modelo se basa en la ecuación de Krieger-Dougherty. Esta ecuación muestra que hay un incremento en la viscosidad del medio cuando se agregan más partículas sólidas. Este incremento por lo tanto depende la concentración de partículas:

donde [n] es la viscosidad intrínseca, es iguala 2.5 para esferas, es la viscosidad de la suspensión y n es la viscosidad del medio.

8. Comentarios finales:

El estudio avanzado de modelos aplicables a la predicción del comportamiento reológico del concreto puede producir nuevas técnicas para el proporcionamiento de mezclas de concreto, es decir diseñar mezclas de concreto con determinadas características reológicas, un ejemplo puede ser el diseño de un concreto con bajo esfuerzo de fluencia (50-70 Pa) y una mediana viscosidad (20-30Pa.s), el cual seria un concreto autocompactado. Así mismo también el diseño de mezclas de concreto a ser bombeado puede ser regido por sus propiedades reológicas. El desarrollo ulterior de la ciencia de la reología del concreto pretende en los siguientes años revolucionar la tecnología del concreto introduciendo parte de los conceptos de la “Moderna Tecnología del Concreto”.

APELLIDOS Y NOMBRES:

_HUAMAN BAUTISTA YUVAL.

CURSO:

_ TECNOLOGIA DEL CONCRETO.

PROFESOR:

_ ING. JORGE JULIAN CASTRO.

TRABAJO:

_COMPORTAMIENTO REOLOGICO DEL CONCRETO

FRESCO.

CICLO:

_ “V” CICLO.

FECHA:

_ CAJAMARCA 19 DE JUNIO DEL 2013.