2. Hormigón autocompactante expansivo. Diseño y eficacia en

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2. Hormigón autocompactante expansivo. Diseño y eficacia en
3º Congreso Iberoamericano sobre hormigón autocompactante
Avances y oportunidades
Madrid, 3 y 4 de Diciembre de 2012
Hormigón autocompactante expansivo. Diseño y eficacia
en sistemas de refuerzo por confinamiento de pilares
cilíndricos
P. Carballosa de Miguel
Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja-CSIC de Madrid, España.
J.P. Gutiérrez Jiménez
Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja-CSIC de Madrid, España.
L. Echevarría Giménez
Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja-CSIC de Madrid, España.
RESUMEN
El confinamiento de pilares cilíndricos de hormigón por encamisado exterior, directo e
indirecto, constituye un sistema de refuerzo pasivo que sólo actúa cuando el pilar objeto
de refuerzo se deforma por acción de las solicitaciones actuantes. El uso de hormigones
autocompactantes (HAC) expansivos en encamisados de confinamiento indirecto
soluciona este inconveniente ya que debido a su acción expansiva pone en tensión la
camisa contribuyendo a la distribución homogénea de tensiones entre pilar y camisa
desde el instante inicial de su puesta en obra, transformando un refuerzo pasivo en uno
activo que se muestra efectivo tanto para las solicitaciones que actúan en el instante de
ejecución del refuerzo como para solicitaciones futuras cuya magnitud pudieran
comprometer la integridad estructural del pilar reforzado.
En este trabajo se recoge la metodología seguida para el diseño de HAC de retracción
compensada conforme al código ACI 223 para su uso como elemento de relleno del
espacio comprendido entre la camisa de refuerzo y el pilar. Las características de
autocompactabilidad se determinan a través de ensayos normalizados tipo UNE y la
dosis de aditivo expansor a través de métodos de ensayos recogidos en normas ASTM y
a través de un dispositivo diseñado en el IETcc que simula en laboratorio la
configuración del sistema de refuerzo de confinamiento por encamisados exteriores.
Una vez determinada la dosis de aditivo expansor que garantiza la puesta en tensión del
encamisado exterior gracias a la acción expansiva del HAC, se ensayan a compresión
tres series de pilares: sin refuerzo, con refuerzo por confinamiento directo y refuerzo
mediante confinamiento indirecto. Los resultados muestran que la camisa exterior
entra en tensión desde el momento inicial y que la solución de confinamiento indirecto
utilizando como relleno hormigones de retracción compensada incrementa la resistencia
y la ductilidad de los elementos objeto de ensayo.
PALABRAS CLAVE:
confinamiento.
Hormigón
autocompactante,
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expansivo,
retracción,
Hormigón autocompactante expansivo. Diseño y aplicación en refuerzos
1.- INTRODUCCIÓN
El refuerzo de pilares mediante técnicas de confinamiento es una metodología conocida,
y sobre la que existen distintas variantes. Con el desarrollo de fibras sintéticas largas y
de alto módulo (fibra de vidrio, fibras de carbono, aramidas[1], etc.), han surgido dos
alternativas para el refuerzo: métodos de confinamiento directo [2] (wrapping), en el
que se “envuelve” el pilar con la fibra y luego se aplica un recubrimiento) y métodos de
confinamiento indirecto (shell-wrapping), según el cual se construye un encofrado que
contiene la fibra de refuerzo y luego se rellena el hueco con un mortero fluido de
adecuada resistencia [3]. En el caso de emplear camisas de refuerzo externas, esta
situación implica que el refuerzo no contribuye al conjunto para las cargas de trabajo
habituales de la estructura sino que trabajará cuando las sobrecargas induzcan mayor
deformación en el pilar, éste se deforme y la camisa de refuerzo quede en tensión. En el
caso particular del sistema shell-wrapping el llenado con el mortero del espacio entre la
camisa y el pilar es una tarea difícil y la técnica empleada no asegura su correcto
llenado. Además la retracción del hormigón impide la transmisión de cargas efectiva del
pilar a la camisa de refuerzo desde el instante inicial de puesta en obra, no realizándose
esta transmisión de solicitaciones hasta que se producen unas sobrecargas que deformen
el pilar (Figura 1).
Figura 1. Comportamiento de la solución de confinamiento sin
hormigón autocompactante expansivo
Una alternativa para mejorar estas situaciones es diseñar [4,5] un hormigón
autocompactable y expansivo [6,7] para el relleno del encofrado de refuerzo [8]. La
característica de autocompactabilidad del mortero permitirá asegurar el correcto llenado
del encofrado de refuerzo de carbono, incluso procediendo a su inyección desde la zona
inferior del pilar, en tanto que la característica de expansivo, optimiza la condición
estructural del sistema. La importancia de esta metodología reside en mejorar la puesta
en obra del sistema con la utilización de hormigones o morteros autocompactables, que
aseguran el relleno de forma continua y compacta [9], así como la de transmitir desde el
mismo momento de su ejecución un refuerzo activo [10] de confinamiento del elemento
que ejerce la camisa debido al carácter expansivo de la mezcla (Figura 2).
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Figura 2. Comportamiento de la solución de confinamiento con
hormigón autocompactante
2.- PROCESO EXPERIMENTAL
2.1- Diseño del hormigón autocompactante
En este caso por facilidad de uso y con objeto de que la naturaleza y proporción de los
componentes sea lo más homogénea posible se emplea un hormigón pre dosificado por
una casa comercial, caracterizando tanto el estado fresco como el endurecido. Una vez
determinadas las características de autocompactabilidad y resistencia mecánica de la
mezcla de referencia, se establecen tres dosis de aditivo expansor
2.2- Procedimiento para evaluar el grado de expansión
El objetivo del diseño de hormigones expansivos es el determinar la dosis de aditivo
expansor requerida para alcanzar una expansión ligeramente superior a la retracción
total prevista del hormigón.
El Código ACI 223 establece el procedimiento de diseño en función de la relación entre
la expansión del miembro, la expansión de prismas normalizados, y el porcentaje de
refuerzo cuando el elemento y el prisma están fabricados con el mismo hormigón y se
curan en condiciones idénticas. El ensayo de expansión restringida medida sobre
probetas prismáticas se describe en la Norma ASTM C878.
Si se emplea una camisa de refuerzo para reparar una columna, y el hueco existente
entre la camisa y la columna de hormigón se llena con un hormigón expansivo, la
situación es similar, ya que hay un cierto grado de restricción impuesto por el
encamisado a la expansión; pero el grado de restricción es desconocido. En un caso
ideal, podría representarse mediante una línea recta, equivalente a una determinada
cuantía de refuerzo.
Para reproducir experimentalmente estas situaciones, se reemplaza el hormigón interior
por un anillo de acero muy rígido, que se envuelve con la camisa de refuerzo. Se
asegura la alineación correcta de los elementos, y posteriormente, se rellena el hueco
con el hormigón autocompactante de retracción compensada. Con el mismo hormigón
se fabrican probetas prismáticas según el procedimiento ASTM C878, obteniendo así
datos comparables. La expansión real del hormigón de retracción compensada que
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Hormigón autocompactante expansivo. Diseño y aplicación en refuerzos
rellena el hueco se mide mediante galgas extensométricas adheridas a la camisa, más
galgas adicionales en la parte interior del anillo, para cerciorarse que se comporta como
un sólido indeformable, tal como se muestra en la Figura 3.
Figura 2. Esquema del dispositivo diseñado para evaluar la
restricción a la expansión impuesta por el refuerzo
Una vez comprobado el buen funcionamiento del dispositivo del anillo en lo que a
simulación del sistema de confinamiento se refiere, se realiza una configuración similar
utilizando como núcleo un pilar cilíndrico de hormigón de dimensiones 240 x 900 mm
al que se coloca en su alrededor, y equidistante, una camisa de fibra de carbono con
galgas extensométricas, a 120º y en 3 alturas, para el registro de deformaciones en la
misma.
2.3- Contribución mecánica del hormigón autocompactante expansivo
Por último, con el fin de comparar la contribución del sistema de confinamiento
estudiado a la capacidad resistente de pilares cilíndricos de hormigón armada se
ensayan a compresión 3 configuraciones de refuerzo:



2 pilares cilíndricos de hormigón de dimensiones 24 x 90 cm, sin refuerzo.
2 pilares cilíndricos de hormigón de dimensiones 24 x 90 cm, con refuerzo
directo de fibra de carbono.
6 pilares cilíndricos de hormigón de dimensiones 24 x 90 cm, con refuerzo de
fibra de carbono + hormigón autocompactante expansivo.
3.- RESULTADOS
3.1- Propiedades reológicas y mecánicas del HAC de referencia
Tabla 1. Ensayos de caracterización del hormigón en estado fresco
Parámetro de
Mezcla sin aditivo
Norma de ensayo
medida/Unidades
(laboratorio)
UNE EN 12350-8
Escurrimiento (df) (mm)
700
UNE EN 12350-9
Tiempo (seg)
3
UNE EN 12350-10
Coeficiente de bloqueo (CbL)
0,98
3
UNE EN 12350-6
Densidad (g/cm )
2,2
UNE EN 12350-7
Contenido de aire (%)
5,1
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Tabla 2. Ensayos de caracterización del hormigón en estado
endurecido
Mezcla sin aditivo
Norma de ensayo
Parámetro de medida/Unidades
(laboratorio)
UNE EN 12390-3
Resistencia a compresión (MPa)
25,8
UNE EN 12390-5
Resistencia a flexión (MPa)
4,1
UNE 83316
Módulo elástico estático (GPa)
23,5
3.2- Expansión en probetas prismáticas
Una vez comprobada la autocompactabilidad de la mezcla, se evalúa el grado de
expansión sobre probetas prismáticas, para determinar una única dosis de aditivo
expansor que garantice unas deformaciones positivas que compensen la restricción y
retracción del hormigón de referencia. Para ello, se moldean 2 series de 4 probetas por
cada dosis de aditivo expansor empleado, de acuerdo a la norma ASTM C878, y se las
somete a dos regímenes de curado:


2 probetas: 7 días en cámara húmeda (20ºC  2ºC, HR>95%) + curado en cámara
seca (20ºC  2ºC, HR 50%  5%).
2 probetas con envoltura aislante: 7 días en cámara húmeda (20ºC  2ºC, HR>95%)
+ curado en cámara seca (20ºC  2ºC, HR 50%  5%).
Las dosis de aditivito expansor que se emplean son de 10%, 15% y 50% sobre el peso
de cemento. Las probetas con un 50% de aditivo expansor demostraron un grado de
expansión elevado, que fue imposible medir ya que se provocaba la destrucción del
hormigón. En la figura 4 se muestran los resultados de expansión y secado de las series
con 15% y 10% de aditivo expansor.
Figura 3. Resultados de expansión con un 15% y 10% de aditivo
expansor
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Hormigón autocompactante expansivo. Diseño y aplicación en refuerzos
La expansión máxima alcanzada con un 15% de aditivo es del orden de cinco veces la
alcanzada con un 10% del compuesto expansor. En cuanto a los regímenes de secado, la
velocidad del mismo es similar e independiente de la dosis de aditivo.
3.3- Expansión en dispositivo de anillo
A partir de las mediciones de expansión en vigas prismáticas se escoge la dosis de
aditivo del 15% para evaluar su comportamiento en el dispositivo del anillo, ya que,
según los resultados, proporciona los rangos de expansión adecuados.
Se moldean varios anillos, con un refuerzo exterior consistente en una camisa exterior
de fibra de carbono, para evaluar si el hormigón con la dosis del 15% de aditivo
expansor puede compensar el grado de restricción impuesto por los mismos. En este
caso se evalúa el grado de restricción en tres regímenes de curado:



1 anillo en cámara húmeda (20ºC  2ºC, HR>95%)
1 anillo con envoltura aislante en cámara seca (20ºC  2ºC, HR 50%  5%).
1 anillo sin envoltura aislante en cámara seca (20ºC  2ºC, HR 50%  5%).
A continuación se muestran los resultados de expansiones medidas en anillos con
camisa de carbono según la configuración de dispositivo propuesto anteriormente. El
gráfico de la figura 3 recoge la deformación media de tres galgas dispuestas
circunferencialmente cada 120 grados.
Figura 4. Resultados de expansión para una camisa de carbono
(curado: cámara húmeda, film y al aire)
Los resultados permitieron comprobar que la camisa exterior de carbono entraba en
todos los casos efectivamente en tensión debido a la acción del hormigón expansivo que
se empleó para rellenar el hueco entre la camisa exterior y el anillo de acero interior que
simula un pilar de hormigón.
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Las deformaciones medidas sobre el anillo interior fueron despreciables, lo que indica
que efectivamente simula el efecto de un pilar macizo. Las expansiones medidas sobre
los anillos permitió la comparación con los resultados de expansión medidos sobre las
vigas.
Los resultados demuestran que, efectivamente, la relación entre la deformación sufrida
por la camisa de refuerzo de fibra de carbono y la experimentada por probetas
prismáticas con restricción de acuerdo a la norma ASTM C878 son lineales, con muy
buen grado de correlación. Por tanto, podría aplicarse el esquema de diseño propuesto
en la ACI 223, actualizando los ábacos de diseño a las medidas realizadas con el
dispositivo propuesto en este trabajo.
3.3- Contribución mecánica del hormigón autocompactante expansivo
La técnica de refuerzo propuesta, camisa de fibra de carbono y hormigón
autocompactante expansivo, ha sido aplicada en pilares de hormigón armado de sección
circular de 900 mm de altura y 240 mm de diámetro para comprobar su eficacia y
ajustar y validar el modelo propuesto de confinamiento.
Se han construidos 10 pilares de hormigón armado de baja resistencia. Para el refuerzo
se han fabricado camisas de fibra de carbono de 320 mm de diámetro, con un espesor de
lámina de 1,3 mm y una tensión de rotura del orden de 508 MPa. Las configuraciones
de refuerzo ensayadas han sido:



2 Pilares sin refuerzo (PH-1 y PH-2).
2 Pilares con refuerzo directo de fibra de carbono, wrapping (PHR-1 y PHR2).
6 Pilares con refuerzo directo de fibra de carbono, sell-wrapped column
(PHRE-1 a PHRE-6)
Figura 5. Configuraciones de refuerzo objeto de ensayo
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Hormigón autocompactante expansivo. Diseño y aplicación en refuerzos
El hormigón utilizado fue de 23 N/mm2 de resistencia media y la deformación medida
en la camisa de fibra de carbono por efecto de la expansión del hormigón
autocompactante expansivo fue de 0,685 ‰.
La tabla 3 recoge la carga media de rotura y tensión media de los pilares ensayados para
cada una de las configuraciones de refuerzo propuestas.
Tabla 3. Resultados de resistencia a compresión en pilares
Carga rotura
Carga media
Resistencia a compresión
Referencia pilar
(kN)
(kN)
promedio (N/mm2)
PH-1
1032
1043
23,06
PH-2
1054
PHR-1
1673
PHR-2
1569
PHRE-1
PHRE-2
PHRE-3
PHRE-4
PHRE-5
PHRE-6
2682
2830
2653
2957
2708
2851
1621
35,83
2780
61,45
Figura 6. Resistencia a compresión según refuerzo
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4.- CONCLUSIONES
Es posible emplear un hormigón autocompactante de retracción compensada como
relleno de camisas de fibra de carbono para pilares de sección circular.
Se asegura la puesta en carga desde el instante inicial de colocación del refuerzo,
gracias a las reacciones expansivas, sin necesidad de esperar a que se produzcan
sobrecargas.
La expansión dependerá de la dosis de aditivo, por lo que deberá diseñarse previamente
la mezcla de hormigón. Pudiendo emplearse la correlación del dispositivo de anillo que
simula el pilar a reforzar y las probetas prismáticas ASTM C878, puesto que esta
correlación es lineal y permite obtener la expansión que va a experimentar la camisa de
refuerzo en función de la medida sobre probetas normalizadas.
La presencia o no de agua externa afecta a la cuantía de las deformaciones
experimentadas, pero no al comportamiento, por lo que podría establecerse un método
de ensayo basado en condiciones de conservación estándar.
Aumento de la respuesta resistente a compresión en el caso de sistemas de
confinamiento indirecto, con hormigones expansivos, frente al sistema de
confinamiento directo.
AGRADECIMIENTOS
Este trabajo ha sido posible gracias a la financiación del Ministerio de Ciencia e
Innovación de España, para desarrollar el proyecto de referencia BIA2007-62464, a
través de la convocatoria de Ayudas a Proyectos de I+D 2007. Así mismo, los autores
del trabajo agradecen la colaboración de la empresa SIKA, S.A.U., por los medios
materiales y humanos puestos a disposición del mismo.
REFERENCIAS
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