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3º Congreso Iberoamericano sobre hormigón autocompactante Avances y oportunidades Madrid, 3 y 4 de Diciembre de 2012
Eco-hormigón autocompactante con escoria granulada de alto horno como reemplazo parcial del árido fino C. Parra Departamento de Arquitectura y Tecnología de Edificación, Universidad Politécnica de Cartagena, España. M. Valcuende Departamento de Construcciones Arquitectónicas, Universidad Politécnica de Valencia, España. I. Miñano Departamento de Arquitectura y Tecnología de Edificación, Universidad Politécnica de Cartagena, España. F.J. Benito Departamento de Construcciones Arquitectónicas, Universidad Politécnica de Valencia, España. RESUMEN El objetivo de este trabajo es estudiar la influencia que tiene la incorporación de residuos metalúrgicos en las propiedades en estado fresco y endurecido en el Hormigón Autocompactante (HAC). Para ello, se han realizado diversas amasadas sustituyendo parcialmente el árido fino natural por escoria granulada de alto horno (EGAH) en proporciones del 10%, 20%, 30%, 40%, 50 % y 60%. Los resultados obtenidos, muestran la posibilidad de fabricación de HAC con grandes sustitución de árido fino natural por escoria granulada de alto horno sin alterar la reología y las propiedades en estado endurecido. PALABRAS CLAVE: sostenibilidad, granulada de alto horno, residuos.
hormigones
autocompactantes,
escoria
1.- INTRODUCCIÓN Durante los últimos años se ha extendido el empleo de hormigones especiales, debido sin duda a sus ventajas medioambientales, mejora en la calidad del hormigón y en el entorno de trabajo. Uno de los hormigones más interesantes es el hormigón autocompactante ecológico (Eco_HAC). Estos hormigones presentan un menor consumo energético durante su ejecución y plantean la posibilidad de minimizar el consumo de cemento mediante el empleo de adiciones tales como las escorias, finos
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Eco-hormigón Autocompactante con Escoria Granulada de Alto Horno .... calizos y cenizas volantes. Además, el uso de las escorias como árido plantea una nueva línea de investigación en este tipo de hormigón. El uso principal de estas escorias (Figura 1), no es la fabricación de hormigones (<1%). Se usa fundamentalmente en la industria cementera.(72%) y en carreteras (27%). En la actualidad, ha disminuido la fabricación de cementos y construcción de carreteras, por lo que origina un exceso del residuo EGAH con el problema ambiental que conlleva. Producción de cemento/Adiciones hormigón 72%
Construcción de carreteras 27%
Otros 1%
Figura 1. Diferentes usos de la escoria granulada de alto horno El objetivo de esta investigación se enfoca en la viabilidad del reciclado de la EGAH con el menor aporte energético posible descartando por tanto la molienda y usándola tal y como se extraen del alto horno, para producir hormigones autocompactantes sostenibles, con sustituciones parciales del árido fino de cantera por EGAH (del 10 al 60%). Usar las escorias en el hormigón como árido puede modificar la Zona de Transición Interfacial (ITZ) y producir cambios en la microestructura [7]. Estos cambios modifican el comportamiento en estado endurecido del hormigón. En estudios previos se ha observado que en general los HAC presentan una microestructura porosa más fina y más tortuosa que los Hormigones Tradicionales Vibrados (HTV). Estos dos aspectos, mayor finura y mayor tortuosidad, permiten justificar la menor permeabilidad de los HAC [7]. El empleo de escorias pueden potenciar la densificación de la microestructura que se da en HAC, debido a que las reacciones puzolánicas contribuyen a reducir el contenido de portlandita en la matriz de cemento e incrementar el contenido de Silicatos de Calcio Hidratado [1, 5]. La actividad puzolánica de la escoria también conduce a cambios en la red capilar y en la porosidad del hormigón. Emplear escoria, desde el punto de vista medioambiental, genera un doble beneficio: -Por un lado dar salida a un subproducto industrial, cuyo almacenamiento y tratamiento crea serios problemas al medio ambientales y al alto costo económico, según viene reflejado en el R.D 1481/ 21 de diciembre de 2001, que regula el depósito de residuos en vertedero [12].
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-Por otro lado la producción de Eco_HAC con un bajo contenido de cemento CEM II /B-M (S-L) 42,5R, con una cantidad de clinker de 260 kg/m3 y la aplicación de materiales de relleno secundarios como escorias molidas y finos calizos (115 Kg/m3), reduciendo la emisiones de CO2 a la atmosfera. En el 2006 la producción de hormigón mundial genero aproximadamente el 7% global del CO2 en la atmosfera [4]. 2. MATERIALES Y PLAN EXPERIMENTAL 2.1.- Materiales Se fabricaron siete tipos de hormigones autocompactantes: seis hormigones autocompactantes con diferente sustitución de árido fino por escoria granulada de alto horno (10% - 60%) y un hormigón autocompactantes sin ningún tipo de sustitución, siendo este último el hormigón de referencia, todos ellos con una cantidad de cemento de 375 kg/m3 y una relación a/c = 0,55. El tipo de cemento de las mezclas fue un CEM II /B-M (S-L) 42,5R y el aditivos empleado un superplastificante de policarboxilato (Viscocrete 3425). Los áridos de piedra caliza machaqueada, grava 4/12 con un contenido de finos 1% y dos tipos de arena: una gruesa 0/4, que tiene una curva granulométrica que se encuentra dentro de los límites definidos por la norma española EHE-08 [10] y otra fina 0/2, con un contenido de finos muy alto (tamaño de partícula <0,063 mm)de 11, 98 y 17,06 % respectivamente, la función principal de los cuales era proporcionar un mayor volumen de materiales finos para mejorar la estabilidad de la hormigón fresco (de acuerdo con las recomendaciones EFNARC [11], el contenido de finos total debe ser de 490 ± 110 kg/m3 cuando no se utiliza aditivos modificadores de la viscosidad, en nuestro caso entre 408 y 435 kg/m3). Las características granulométricas y propiedades de los áridos se muestran en la Figura 2 y Tabla 1. 100
Pasa (%)
80 60 40 20 0 0,032
0,063
0,125
0,25
0,5
1
2
4
Tamices (mm) Escoria
Grava
A.Gruesa
A.Fina
Figura 2. Curvas granulométricas de los diferentes aridos
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Tipo de árido Arena fina 0/2 Arena gruesa 0/4 Grava 4/12 Escoria 0/2
Tabla 1. Propiedades de los áridos Módulo Peso especifico granulométrico [%] [g/dm3] 2,13 2,63 2,92 2,63 6,91 2,70 3,27 2,45
Coeficiente de absorción [%] 0,69 0,70 1 8
Todos los hormigones autocompactantes con sustitución de áridos finos por escorias granuladas de alto horno, presentan buena unos resultados en el ensayo de escurrimiento de ∅f igual a 700±30mm y con T500 bastante bajos, y una buena resistencia a la segregación. Encontrándose todos los HAC estudiados, en zona de buena trabajabilidad y con buen acabado superficial, según se muestra en la Figura 3. Para el estudio del HAC en estado fresco se ha utilizado el reómetro 4C-Rheometer.
Figura 3. Reometro 4C-Rheometer y comportamiento de HAC con EGAH según D.T. Institute 2.2.- Métodos de ensayo Tres tipos de ensayos se llevaron a cabo para analizar las propiedades en estado endurecido: resistencia a compresión, resistencia a tracción y módulo de elasticidad. Las probetas que se han usado para dichos ensayos fueron cilíndricas de 150 mm de diámetro y 300 mm de altura, que se curaron en una sala climática a 20 º C y HR> 95% hasta llegar a la edad de ensayo. La resistencia a compresión se ensayo a los 7, 28 y 90 días, mientras que la resistencia a tracción y modulo de deformación se realizaron a 28 días. Los ensayos se llevaron a cabo de acuerdo con las especificaciones indicadas en las normas europeas UNE-EN-12390-3: 2003, UNE-EN-12390-6: 2003 y ANSI C46965, respectivamente.
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3.- RESULTADO Y DISCURSION Para evaluar la validez de los resultados y determinar si las diferencias registradas entre los hormigones son estadísticamente significativas, para las diferentes sustituciones del árido fino por escoria granulada de alto horno en los hormigones autocompactantes, todos los datos procedentes de los ensayos a tracción y compresión han sido tratados estadísticamente mediante el Statgraphics Plus. La prueba inferencial realizada ha sido un análisis de varianza ANOVA. Todas las conclusiones han sido establecidas con un nivel de confianza del 95%. 3.1.- Resistencia a compresión La resistencia media a compresión a 7 ,28 y 90 días, en función del contenido de EGAH, se puede observar en la Figura 4. El análisis estadístico mediante el programa Statgraphics Plus revela a través de ANOVA que no hay diferencia estadísticamente significativa entre las resistencias a compresión medias de cada amasada con un nivel de hormigón a otro.
Resistencia a compresión (MPa)
55 48,7
47,6
50
47,5
45 40
38,5
35 30
29,9
39,2
31,3
39,2
31,2
39,3 32,8
46,5
46,7
45,2
39,0
46,7
39,3
38,9
34,0 31,0
33,0
25 20
HAC 60% HAC 50% HAC 40% HAC 30% HAC 20% HAC10% HAC 00%
7dias
28 días
90 días
Figura 4. Histograma de la resistencia a compresión media de las diferentes sustituciones de arido fino por escoria granulada de alto horno en los diferentes Eco_HAC El incremento resistente, expresado como el cociente entre la resistencia a una edad j y la resistencia a 28 días, se muestra en la Tabla 2. Se observa que el incremento entre 7 y 28 días es sensiblemente similar en los diferentes hormigones. De igual manera, entre 28 y 90 días, la evolución de la resistencia en ambos hormigones es similar, no existiendo diferencias significativas en cuanto al uso de EGAH en el HAC. Las
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Eco-hormigón Autocompactante con Escoria Granulada de Alto Horno .... pequeñas diferencias registradas se pueden situar dentro de los errores propios del ensayo. Tabla 2. Ratio de la resistencia a compresión a 7y 90 días de cada tipo de hormigón con respecto a la resistencia a compresión a 28 días fj/f28 Amasada HACHACHACHACHACHACHAC60% 50% 40% 30% 20% 10% 00% 7dias 0,77 0,82 0,80 0,83 0,87 0,79 0,84 28dias 1 1 1 1 1 1 1 90dias 1,23 1,28 1,16 1,21 1,21 1,20 1,19 3.2.- Resistencia a tracción
Resistencia a tracción (MPa)
Los resultados obtenidos se expresan en la Figura 4. Mediante el análisis a través del programa Statgraphics Plus, revela que no hay diferencias estadísticamente significativas entre las resistencias a tracción media de cada amasada. 4 3 2 1 0
HAC 60% HAC 50% HAC 40% HAC 30% HAC 20% HAC10% HAC 00%
Figura 5. Histogramas de la resistencia a tracción indirecta media a 28 días de los diferentes hormigones 3.3.- Modulo de elasticidad En la Figura 6 se presentan los valores individuales del modulo de elasticidad obtenido en MPa para cada hormigón autocompactante en función de la sustitución de EGAH. Se observa el módulo de elasticidad obtenido para todos los hormigones autocompactantes ensayados (del 10 al 60% con sustitución de EGAH) valor inferior al HAC de referencia. Así, parece que la tendencia es que a medida que se sustituye el árido fino natural por EGAH disminuye ligeramente el modulo elástico. Esto puede justificarse en parte, por el uso de la escoria granulada de alto horno como árido fino en el hormigón autocompactante. Éstas influye en las propiedades del modulo elástico, debido a su granulometría abierta (contenido insuficiente de finos), la forma angulosa de los grano y a su gran porosidad [3].
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Modulo medio de elasticidad (MPa)
33000 31000
HAC- 00%
29000
HAC- 10%
27000
HAC- 20%
25000
HAC- 30%
23000
HAC- 40%
21000 19000
HAC- 50%
17000
HAC- 60%
15000 Figura 6. Representación del modulo de deformación medio de diferentes hormigones 4.- CONCLUSIONES Esta investigación a estudiado la posibilidad de emplear EGAH como sustitutos de árido finos, estimación de la resistencia a tracción y el módulo de deformación y comparando los valores estimados por diferentes códigos y autores con los obtenidos experimentalmente. Basándose en este el estudio, se pueden establecer las siguientes conclusiones: • Todos los hormigones autocompactantes con sustitución de áridos finos por escorias granuladas de alto horno, presentan buena trabajabilidad. • En los ensayos de resistencia a compresión a 28 y 90 días no se observan diferencias significativas entre los diferentes hormigones autocompactantes, al igual que ocurre para los ensayos a tracción indirecta a 28 días. • El módulo de elasticidad es ligeramente menor en los HAC-EGAH (entre un 3,7% y un 6,8%), tendiendo a ser menor cuanto mayor es el porcentaje de árido sustituido. • Como conclusión general se verifica que se pueden grandes sustituciones de escoria granulada de alto horno como árido fino en los hormigones autocompactantes, obteniendo propiedades similares en estado fresco y endurecido al hormigón autocompactante de referencia, sin alterar la reología, resistencia a compresión y a tracción indirecta. AGRADECIMIENTOS Los autores de este trabajo manifiestan su agradecimiento a los técnicos de laboratorio R. Calabuig y J. Martinez por su desinteresada colaboración en la realización de los ensayos. Asimismo, reseñar que las EGAH utilizadas han sido gentilmente suministrados por HOLCIM.
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REFERENCIAS [1] YUKSEL, I.; BILIR, T. Y OZKAN, O. - Durability of concrete incorporating nonground blast furnace slag and bottom ash as fine aggregate. Building and Environment 42, 2651-2659, 2007. [2] LAUBER, M. - Influencia de la calidad de los residuos metalúrgicos granulares utilizados como áridos en las propiedades del hormigón. Universidad Politécnica de Cataluña, 2009. [3] ANTONINA, M. - Contribuição ao estudo da carbonatação e da retraçãoem concretos com elevados teores de escória de alto-forno. Programa de pós-graduação em engenharia civil. Universidade Federal do Espírito Santo 2002. [4] HERNÁNDEZ-CASTAÑEDA, O. Y MENDOZA-ESCOBEDO, C.J. - Durabilidad e infraestructura: restos e impactos socioeconomicos. Ingenieria investigacion y tecnologia VII. 1. 57-70, 2006. [5] BILIR, T. "Effects of non-ground slag and bottom ash as fine aggregate on concrete". Construction and Building Materials, v.26, 1, 2012.
[6] CERVANTES, V. Y ROESLER, J. - Ground Granulated Blast Furnace Slag Tech Note. n.º 35. University of Illinois, Department of Civil and Environmental Engineering. 1211 NCEL, MC-250. Urbana.Illinois. U.S.A., 2005. [7] VALCUENDE, M., PARRA, C. Y GOMEZ, F. - Splitting tensile strength and modulus of elasticity of self-compacting concrete. Construction and Building Materials. Vol. 25, 1, pp 201–207, 2011. [8] PUERTAS, F. - Escorias de alto horno: Composición y comportamiento hidráulico. Materiales de construcción. Vol. 43. n.° 229. enero/febrero/marzo 1993. [9] BERRIDI AGUIRRE I. - Análisis de la influencia de residuos metalúrgicos como áridos en las propiedades del hormigón. Universidad Politécnica de Cataluña, 2008. [10] INSTRUCCIÓN DE HORMIGÓN ESTRUCTURAL. EHE-08. - Comisión permanente del hormigón. Madrid: Ministerio de Fomento. Centro de publicaciones; 2008. [11] EUROPEAN FEDERATION OF NATIONAL TRADE ASSOCIATIONS (EFNARC). - The European guidelines for self-compacting concrete. Specification, production and use. UK, 2005. [12] REAL DECRETO 1481/2001, 27 de diciembre, por el que se regula la eliminación de residuos mediante depósito en vertedero.
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