Tema 5: Microestructura y propiedades del Hormigón.

1. Componentes del hormigón.

2. Propiedades en estado fresco.

3. Microestructura en estado fresco y endurecido.

4. Propiedades en estado endurecido.A. Propiedades físicas

B. Propiedades mecánicas

5. Caracterización: Ensayos de hormigones

6. Glosario de términos.MATERIALES I

Curso 2016-2017. Ciencia y Tecnología de la Edifica ción. C. GuadalajaraProfesor Gonzalo Barluenga Badiola

El hormigón• Material conglomerado compuesto por cemento, agua,

áridos y aditivos y adiciones.

• La dosificación condiciona las características en estadofresco y endurecido.

• En estado fresco se puede conformar por mediosmecánicos (consistencia y docilidad).

• En estado endurecido es rígido y presenta altaresistencia a compresión y fractura frágil.

• El curado facilita la hidratación del cemento y produceresistencia mecánicas.

• Se utiliza principalmente en elementos estructurales(hormigón armado).

Componentes: El cemento (EHE, Art. 26)• Es el componente activo (reacciona con el agua y los

productos de hidratación unen los áridos).• Los cementos actuales incorporan adiciones.• Cuando se mezcla con el agua forma la pasta que rellena

los huecos de los áridos.• La hidratación es una reacción exotérmica (desprende

calor) requiere de agua suficiente (curado).• El tipo y clase de cemento condiciona las propiedades

en estado endurecido (resistencia y durabilidad).• La EHE fija la cantidad mínima y máxima de cemento

(Art. 37.3.2) y recomienda tipo y aplicación (Anejo 4).• Un exceso produce problemas (retracción y fisuración).

Componentes: El agua (EHE, Art. 27)

• Cumple con varias funciones:

Confiere plasticidad a la mezcla (estado fresco).

Produce el fraguado del cemento (hidratación).

Deja espacio para la formación de los productos dehidratación.

• La cantidad de agua necesaria depende de la temperatura,el tipo de cemento y árido y la consistencia (aditivos).

• Se dosifica en función del cemento (la EHE fija larelación a/c máxima en función del ambiente, Art.37.3.2).

• En general, cuanto menor es, mayor es la resistencia ymenor es la retracción y la porosidad (permeabilidad).

Componentes: Los áridos (EHE, Art. 28)

• Materiales sólidos minerales granulares y componentemayoritario (40-80 %).

• El tamaño de partícula (granulometría) condiciona elvolumen de huecos y la cantidad de pasta requerida.

• Es difícil encontrar un árido natural con la granulometríaadecuada, por lo que se mezclan (gravas y arenas).

• Parámetros granulométricos: tamaño máximo, tamañomínimo, módulo granulométrico y índice de lajas.

• Controlan la retracción del material y le dan resistencia.

• Deben ser resistentes y poco porosos.

• Pueden ser rodados o de machaqueo (formas irregulares).

Otros Componentes: Aditivos (Art. 29) y adiciones (Art. 30)

• Aditivos: Compuestos orgánicos que modifican laspropiedades del mortero en estado fresco.

• Actúan sobre las partículas de cemento o sobre la pasta.

• Los más importantes son los fluidificantes porquereducen la cantidad de agua necesaria (a/c).

• Adiciones: Compuestos orgánicos (resinas) o inorgánicosque modifican las propiedades en estado endurecido.

• Suelen estar incorporadas al cemento (inorgánicas).

• Reaccionan con los productos de hidratación (cal libre).

• Pueden reducir la durabilidad del hormigón (pérdida depH alcalino y despasivación de armaduras).

Propiedades del hormigón

• Son diferentes en estado fresco (plástico) y en estadoendurecido (rígido).

• En estado fresco, debe ser fácil de colocar en molde,limitando la energía de compactación (trabajabilidad).

• El proceso de hidratación del cemento produce elcambio en la microestructura y del comportamiento.

• Endurecido, debe alcanzar resistencia mecánica y frentea acciones exteriores (durabilidad).

• La correcta hidratación del cemento condiciona laspropiedades en estado endurecido (protección y curado)

• Dependen de la dosificación y componentes, amasado,compactación, curado, ambiente y edad del hormigón.

Propiedades del hormigón en estado fresco

• Tiempo de amasado: para obtener una masa homogénease requiere energía mecánica (amasadora).

• Trabajabilidad: facilidad para conformar el material(consistencia –valor estático- y docilidad –v. dinámico).

Determina el tipo y tiempo de compactación.

• Segregación: Separación de los componentes por unaincorrecta dosificación o excesiva compactación.

• Retracción: El fraguado y la evaporación de agua nocombinada modifica el volumen del hormigón (merma).

Pueden aparecer tensiones que, si superan la resistenciaa tracción, pueden romper el hormigón (fisuración).

Docilidad (EHE-08, Art. 31.5)

• Es la facilidad con que el hormigón fresco es manejado,transportado, colocado y compactado en los moldes yencofrados con la mínima pérdida de homogeneidad.

• La docilidad de un hormigón aumenta con el contenidode árido fino, con la dosificación de cemento, con elempleo de cenizas volantes, con el uso de aditivosplastificantes y con el aumento del agua de amasado.

• Depende de la forma y tamaño del molde y de losmedios de compactación

• Se valora determinando laconsistenciay el tiempo devibrado.

Consistencia

• Es la oposición que presenta el hormigón fresco a experimentar deformaciones por efecto de su propio peso (valor estático). Se mide por el asiento de la masa en el cono de Abrams (UNE-EN 12350-2:06)

• Depende de la forma, granulometría y tamaño máximo del árido, de la dosificación de cemento, de la cantidad de agua de amasado y del eventual empleo de aditivos.

• Propiedad muy sensible al agua de amasado. Un 3% más de agua produce incrementos de asiento de 2,5 cm.

Consistencia del hormigón en estado fresco

Consistencia de mezclas secas (Vebe)

Consistómetro VebeP.J. M.Monteiro

Modificadores de la Consistencia

Mecanismo de defloculación (fludificantes)

P.J. M.Monteiro

Microestructuras del hormigón

A edades tempranas (< 24 horas) elhormigón pasa por tres estadosdiferentes:

1. Plástico: estado líquido en el que tienecomportamiento viscoelástico

2. Semiplástico: tras el inicio de fraguadose comienza a formar un esqueletosólido. Pasa de comportarse como unlíquido a hacerlo como sólido.

3. Rígido: tras el fin de fraguado, elhormigón es rígido y empieza aadquirir resistencia conforme secompleta la hidratación (inicio delendurecimiento).

Tiempo de fraguado

SCHINDLER, Prediction of Concrete Setting

FRAGUADO ENDURECIMIENTO

Productos de hidratación del

cemento

Ettringita

Porlandita

Hidratación del hormigón

ÁRIDOZONA DE

TRANSICIÓNMATRIZ DE CEMENTO

Hormigón en estado endurecido

Hormigón en estado

endurecido

ÁRIDOZONA DE

TRANSICIÓN (INTERFASE)

MATRIZ DE CEMENTO

Propiedades físicas en estado endurecido

• Porosidad: Depende de la granulometría y tipo delos áridos y de la cantidad de pasta y de agua(relación a/c).

Condiciona la densidad, comportamiento higro-térmico, permeabilidad, resistencia y durabilidad.

• Densidad:– Hormigón ligero (d<2000 kg/m3)

– Hormigón en masa (entre 2000 y 2400 kg/m3)

– Hormigón armado (2500 kg/m3)

– Hormigón pesado (hasta 6000 kg/m3)

Propiedades mecánicas (EHE-08, Art.39)

• Rigidez y Resistencia: El hormigón es un material rígido(E≅20-30 GPa) con alta resistencia a compresión (MPa):

Tiene una baja resistencia a flexión y tracción (Rc/10).

La rigidez y resistencia del hormigón aumentan con eltiempo (aunque se ralentiza el aumento con el tiempo).

Se toman como referencia los valores a 28 días (normal).

• Fractura: Tiene una fractura frágil (muy poca ductilidad)

• Fluencia: Bajo carga, aumenta su deformación con eltiempo (se reduce E), pudiendo fracturarse por fluencia.

H 20 H 25 H 30 H 35 H 40 H 50…

Resistencia a compresión

• La resistencia del hormigón colocado en obra es una variable aleatoria, con función de distribución en general desconocida

• Se establece en las condiciones normalizadas de probeta cilíndrica 15/30,conservada a 20ºC y 95% de humedad y rota a los 28 días de edad.

• Resistencia característica de proyecto(fck): valor que se adopta en el proyecto.

• Resistencia característica real(fc,real): valor que tiene una probabilidad del 95% de ser superado en la rotura de cualquier probeta del hormigón de la amasada colocada en obra. (EHE-08, Art. 15 y Art. 39.1)

Resistencia a compresión

Rigidez y resistencia del hormigón (EHE)

• Valor medio (m): media de los valores individuales.

• Valor característico (k): el 95 % de los valores es mayor.

σE0 E

fct,m

ε

fcm

( ) ( ) nMPafMPaf cicm =

( ) 8fMPaf ckcm +=

( ) 3 2ckmct, f3.0MPaf ⋅=

( ) 3cm0 f10000MPaE ⋅=

( ) 3cmf8500MPaE ⋅=

Evolución de la Resistencia a compresión

Hormigones de endurecimiento rápido: con cemento de clase 42,5R, 52,5 ó 52,5R y a/c≤ 0,60, con cemento de clase 32,5R ó 42,5 y a/c≤ 0,50 o que se utilice acelerante defraguado. El resto de los casos se consideran de endurecimiento normal.

Comportamiento mecánico en el tiempo

Comportamiento mecánico en el tiempo

Ensayos de caracterización

• En estado fresco• Propiedades físicas Densidad (aire ocluido)

Reología Cono de Abrams

Mesa de sacudidas

Consistómetro Vebe

• En estado endurecido• Propiedades físicas (permeabilidad, porosidad, densidad)

• Propiedades mecánicas Destructivos Compresión

Tracción (Bras.)

Flexotracción

No destructivos (in-situ)

Control de porosidad

El principio de medida de POROSITESTER son los tubos de Karsten, desarrollados para la medida de penetración de agua en la superficie de hormigón en las fachadas por la lluvia batiente. La presión inicial de 100 mm de la

columna de agua del tubo corresponde a la ejercida, por las gotas de agua proyectadas contra la pared o superficie por un viento de 140 Km/h.

Control de permeabilidad

(UNE-EN 12390-8)

Toma de muestras y fabricación de probetas

Fabricación de probetas

Ensayo resistencia a compresión

Refrentado de probeta cilíndrica

Ensayo a compresión

Ensayo resistencia a compresión (UNE-EN 12390-2)

P

P

mmen probeta, la de longitud la L,

mmen probeta, la de diámetro el D,

Nen probeta, la sobre compresión de carga la P,

N/mmen indirecta, tracción a aresistenci la ,

SIENDO,

2

2cti

cti

f

DL

Pf

π=

Ensayo de tracción indirecta (brasileño)

ctict ff 90.0=

23 2

23 2

/,21.0

/,30.0

mmNff

mmNff

ckctk

ckctm

=

=

Ensayo de tracción indirecta (brasileño)

Ensayo a flexión (flexotracción)

P

0.60

0.45

0.15

0.15

0.60

0.45

0.15

P/2 P/2

• Dimensiones de las probetas:10 x 10 x 40 cm15 x 15 x 60 cm

• Procedimientos: a tres puntos, carga centradaa cuatro puntos, carga en dos puntos (flexión pura)

"Pull off" tester

Es un método de ensayo, utilizado para medir la resistencia superficial a la tracción en el hormigón. El ensayo consiste en realizar

un corte circular con una pequeña broca de 50 mm. de diámetro. Seguidamente, y utilizando un adhesivo con base rápida ,se pega un disco de ensayo. El disco se arranca con el DYNA, que indicará su

resistencia directamente en N/mm2 o en kN.

Ensayos no destructivos (in-situ)

Martillo Schmidt (Esclerómetro)

Ultrasonidos

Detector de armaduras

Mediante un sistema de inducción de pulsos, este aparato localiza barras en armaduras, determina el recubrimiento de hormigón, almacena en memoria hasta 100.000 valores de

medición y determina el diámetro de barras con una sola sonda universal.

Glosario de conceptos del Tema 5•Hormigón •Rigidez, Resistencia y Fractura

•Componentes y funciones •Valor característico y de proyecto

•Relación agua/cemento •Evolución de la resistencia (tiempo)

•Propiedades en fresco y endurecido •Fluencia (comp. en el tiempo)

•Amasado •Ensayos de caracterización

•Trabajabilidad: Consistencia y Docilidad

•Toma de muestras y fabricación de probetas

•Segregación •Ensayos de trabajabilidad

•Retracción •Ensayos físicos (ND)

•Microestructuras del hormigón •Ensayos mecánicos (probetas)

•Zona de Transición (Interfase) •Ensayos de extracción (in situ)

•Densidad y Porosidad •Ensayos No-Destructivos

Tema 5: Microestructura y propiedades del Hormigón.

1. Componentes del hormigón.

2. Propiedades en estado fresco.

3. Microestructura en estado fresco y endurecido.

4. Propiedades en estado endurecido.A. Propiedades físicas

B. Propiedades mecánicas

5. Caracterización: Ensayos de hormigones

6. Glosario de términos.

Bibliografía de consulta recomendada.

• Fernández Canovas, M; Hormigón : adaptado a la Instrucción de Recepción de Cementos y a la Instrucción de Hormigón Estructural EHE, 7ª Ed., COICCP, 2008.

• Mehta, P. K. y Monteiro, P.; Concrete: structure, properties and materials, Prentice-Hall, 2006.

• EHE-08 Instrucción de Hormigón Estructural (2008)