La resistencia a compresión es el valor más representativo de cualquier hormigón. Ciñéndose al ámbito de los HLE, son comunes los valores entre 20 y 35 MPa para hormigones in situ o entre 35 y 50 MPa en el caso de hormigones prefabricados. En ciertas obras singulares, como algunas plataformas petrolíferas o algunos puentes en Noruega, se han alcanzado valores cercanos a 60 MPa (FIB 2000).
En los primeros años del resurgir del HLE, se empleaba únicamente árido ligero, tanto para la fracción fina como para la gruesa del árido (Kluge, Spage y Tuma, 1949). En estos estudios se comparaba el comportamiento de estos hormigones con los hormigones convencionales conocidos a la fecha. Con posterioridad, se comprobaron los beneficios de la utilización conjunta de áridos ligeros con arena natural (Hanson, 1964).
1.5.1.1.-Factores que afectan a la resistencia a compresión
La resistencia del HLE viene determinada por los valores característicos de los materiales que lo componen. Como se ha dicho anteriormente, la influencia de los valores resistentes del árido ligero en el HLE, tienen una mayor relevancia, que la que tienen los áridos convencionales en el HC.
Cada tipo de árido presenta unas características que le diferencian del resto (densidad, resistencia, módulo elástico, absorción,…). Por ello, como una suma de características, el tipo de árido afecta definitivamente a las características del hormigón con el construido. Esta dependencia en el HLE es más marcada que en el HC.
RESISTENCIA LÍMITE DEL ÁRIDO
Sería deseable que la resistencia del árido sea lo más cercana posible a la resistencia del hormigón. Esto, en los hormigones elaborados con áridos ligeros es altamente improbable. De esta manera, la distribución de las cargas se produciría de forma uniforme a través de la pasta de cemento y los áridos.
Para que esto ocurra, en primer lugar es necesario que los módulos de elasticidad de ambos materiales sean iguales. Por ello se establece la siguiente igualdad (Schütz, 1970).
Como segunda condición se establece que la tensión del árido sea mayor o igual a la del mortero a ≥ m. Una resistencia del árido superior a la del mortero no es deseable puesto que las tensiones se distribuirían a través de los granos, en lugar de a través de la pasta de cemento.
7) a ≥ m
Durante una serie de ensayos para diversos áridos ligeros, se estableció la resistencia límite a,lim hasta la cual la resistencia del hormigón, c, es igual a la del mortero, m. Los resultados del ensayo vienen recogidos en el siguiente gráfico (Figura 1.9) (Schültz, 1970).
Fig.1.9.- Resistencia del hormigón en función de la resistencia del mortero y la resistencia límite del árido (Schültz, 1970)
En el gráfico se aprecian tres zonas perfectamente diferenciadas. En la zona 1, el módulo de elasticidad del árido es igual o superior al de la pasta de cemento, y ambos trabajan de forma proporcional a su volumen. En este escalón, la tensión del mortero es igual a la del hormigón y se extiende desde el origen hasta aproximadamente 30 MPa. En la zona 2, el módulo de elasticidad de los áridos es inferior a la pasta de mortero, y los áridos cargan en proporción menor a su volumen. En este paso, los aumentos en la capacidad resistente del mortero, no se corresponden con los aumentos de la carga del hormigón. Por último, en la zona 3, siendo el módulo de elasticidad de los áridos inferior a la pasta de mortero, los áridos han agotado su capacidad resistente. En esta zona, los
aumentos de la capacidad del hormigón son muy limitados, pese a que se aumente enormemente la capacidad de la pasta de cemento.
Este hecho tiene una consecuencia adicional. En aquellos hormigones de alta resistencia, en que la resistencia del mortero no tiene tanta influencia como en lo de baja resistencia, zonas 2 y 3 de la Figura 1.9, el endurecimiento es comparativamente más rápido. En estos casos, la parte de la resistencia dependiente de la resistencia del árido es más importante que la del mortero. La resistencia de los áridos está presente desde el inicio del amasado, mientras que la del mortero, va aumentando con el paso del tiempo. Por ello, la relación entre la resistencia a edades tempranas, en relación a la resistencia a la edad de referencia de 28 días es más alta (Weigler y Karl, 1974).
MÓDULO DE ELASTICIDAD DE LOS ÁRIDOS
Cuando el módulo de elasticidad de los áridos es menor que el módulo de elasticidad de la pasta de cemento, los granos de árido se comportan como puntos débiles dentro de la masa del hormigón, aun cuando posean una elevada resistencia propia. Para aumentar la resistencia del hormigón, se debe aumentar la resistencia de la pasta de cemento en mayor medida, de forma análoga a como se aprecia en la Figura 1.10, en la zona 2. En base a los ensayos realizados, se ha determinado la siguiente relación numérica para determinar la resistencia del hormigón (Schütz, 1970).
8) 𝜎𝑐 = 𝜎𝑚− (𝜎𝑚− 0,86𝜀𝑚𝑢× 𝐸𝑎) × (1,14 − 0,60 × 10−5𝐸 𝑎) √𝑉𝑎
3
Siendo
c: Resistencia del hormigón a compresión
m: Resistencia de la pasta de cemento a compresión
mu: Deformación unitaria última de la pasta de cemento Ea: Módulo de elasticidad del árido
Va: Volumen relativo de árido respecto del volumen total
A partir de esta expresión se puede relacionar la resistencia del hormigón, c, la resistencia de la pasta de cemento, m, y la deformación última de la pasta de cemento, para un volumen de árido de referencia, Va,0 (Figura 1.10). En caso de necesitarse un valor diferente de volumen de árido del que se muestra en la figura, Va,0 = 0,51 m3/m3, será necesario multiplicar el valor de la resistencia del hormigón por la relación √𝑉𝑎,0⁄𝑉𝑎
Fig.1.10.- Resistencia del hormigón en función de la resistencia de la pasta de cemento, la deformación unitaria para una cuantía de árido (Schütz, 1970)
RESISTENCIA PROPIA DE LOS ÁRIDOS
Todo lo dicho en los anteriores puntos, solo es válido si los áridos son capaces de absorber la tensión a la que son sometidos. En caso contrario, la resistencia del hormigón queda limitada por la resistencia de los áridos. Como en los casos anteriores, un aumento en la resistencia de la pasta de mortero, apenas tiene reflejo en la resistencia del hormigón. En este caso, la resistencia de la pasta de mortero necesaria para alcanzar un valor de resistencia del hormigón, conociendo la resistencia de los áridos, bien definido por la expresión: 9) 𝜎𝑚 = 𝜎𝑐−𝜎𝑎√𝑉𝑎2 3 1− √𝑉𝑎2 3 Siendo
m: Resistencia de la pasta de cemento
c: Resistencia del hormigón
Va: Volumen del árido
DENSIDAD DE LOS GRANOS Y DENSIDAD DE CONJUNTO
La densidad de los granos de árido ligero viene determinada por su porosidad. Como es lógico, a mayor porosidad de un material, menor densidad. De un mismo material pueden disponerse varias densidades, simplemente porque uno es más poroso que otro.
En diferentes estudios se ha tratado de establecer la relación entre la densidad de los granos del árido ligero y las características mecánicas del hormigón. Si bien existe una relación de dependencia entre ambos parámetros (a mayor densidad de grano, mayor resistencia del hormigón) la dispersión de los resultados no ofrece garantías para determinar la resistencia del hormigón conociendo la densidad de los granos. Como se ha indicado anteriormente, existe una estrecha relación entre el módulo de elasticidad de los áridos, y la resistencia del hormigón. En la siguiente figura se muestra la dependencia entre el módulo de elasticidad dinámico de los granos de árido, en relación con su densidad media (Figura 1.11).
Del mismo modo se ha tratado de establecer la relación entre la densidad de conjunto de los áridos y la de la resistencia del cemento. En este caso, aun habiendo dependencia, la dispersión de los resultados es mayor si cabe.
Fig.1.11.-Módulo de elasticidad medio dinámico de los granos de árido, en relación con su densidad media (Schütz, 1970)
RESISTENCIA – POROSIDAD
En general, existe una relación inversa entre la resistencia a compresión y la porosidad en todos los materiales:
10)𝑆 = 𝑆0𝑒−𝑘𝑝 Siendo
S: Resistencia del material para una porosidad dada S0: Resistencia intrínseca para porosidad = 0
k: Constante
p: porosidad
En el hormigón convencional, la porosidad existente suele concentrarse en la pasta de mortero y en la unión entre la pasta de cemento y los áridos. Éstos en general son muy poco porosos. Por el contrario, en el hormigón ligero, la mayor concentración de poros se localiza en los áridos, a pesar de contar con valores similares en la parte correspondiente al mortero y algo menos a la interfaz entre pasta y árido (Figura 1.12).
Fig.1.12.-Relación entre resistencia y porosidad (a) cemento curado normalmente (b) otros materiales (c) Diversas dosificaciones de mortero (Kumar Mehta y Monteiro, 2006) INFLUENCIA DE LA RESISTENCIA DEL MORTERO
Como se indicó en la Figura 1.11, existe una dependencia entre la resistencia de mortero y la resistencia del hormigón. La relación tiende a la igualdad cuando la deformabilidad de los áridos ligeros y el cemento es igual y la resistencia es inferior al entorno de 30 MPa. Para valores superiores a este límite, la dependencia es cada vez menor, hasta llegar al punto en que aumentos de la resistencia del mortero, apenas tienen influencia en la capacidad resistente del hormigón. Para cada tipo de árido existe un punto en el que no es rentable aumentar la resistencia del hormigón.
La resistencia del mortero viene condicionada fundamentalmente por la categoría del cemento, la cantidad de cemento y la relación agua-cemento. A mayor resistencia del cemento utilizado, a igualdad del resto de los condicionantes, la resistencia del hormigón con él confeccionado es mayor. El aumento de la resistencia del cemento no tiene una influencia tan inmediata como en el hormigón convencional, por encontrarse más allá del entorno de los 30 MPa, ya mencionado anteriormente. El aumento de la resistencia del cemento, tiene que tener como objeto el reducir la cantidad del mismo, y por tanto reducir la densidad del conjunto.
Igual ocurre con la cantidad de cemento, cuanto más cemento lleve una pasta, mayor será su resistencia. A este respecto hay que hacer hincapié en los límites de cemento a utilizar. Existe una cantidad mínima de cemento a utilizar. Esta cantidad es necesaria para dotar a las armaduras de la suficiente protección ante la corrosión. Como en el HC, está condicionada por el tipo de elemento y la clase de exposición. Pero también existe una cantidad máxima de cemento a utilizar, necesaria para controlar la retracción. Al tratarse de HLE, y ser la densidad del cemento del orden del doble a la de los áridos ligeros, hay que tratar de reducir en la medida de lo posible la cantidad de cemento para no aumentar en exceso la densidad del hormigón. Un aumento de 50 kg/m3 de cemento, genera un aumento aproximado de la densidad de 0,03 Kg/dm3.
A igualdad de condiciones, una menor relación agua-cemento se traduce en un aumento de la resistencia de la pasta de cemento. La cantidad químicamente imprescindible para la hidratación del cemento es inviable en la práctica. Las pérdidas por el encofrado, la evaporación o la absorción por parte del resto de componentes del hormigón hacen imprescindible la presencia de una mayor cantidad de agua. Además, el resultado sería una pasta tan seca que sería imposible trabajar con ella. La relación agua- cemento tiene especial importancia en los hormigones elaborados con áridos ligeros (Weigler y Karl, 1974). Dada la porosidad de este tipo de áridos, tienen en general mucha mayor absorción que los áridos empleados en los HC. Por ello es muy recomendable el hidratarlos para que de este modo no “roben” agua al cemento. Así pues, la cantidad total de agua del mortero será la suma del “agua eficaz”, el que va a reaccionar con el cemento, más el agua absorbida por los áridos. Por otro lado hay que tener en cuenta el aire ocluido en la masa. La cantidad de aire ocluido en el HLE es en general mayor que en el HC. Lo realmente determinante en el HLE, más allá de la relación agua-cemento, es la relación
espacio residual-cemento, siendo el espacio residual la suma de los volúmenes del agua eficaz y las oclusiones de aire.
A continuación se muestra el comportamiento de diferentes hormigones elaborados con diferentes áridos, relacionando la resistencia del hormigón con la relación espacio residual-cemento, para una dosificación dada. La curva 1, se corresponde con áridos ligeros de alta resistencia; la curva 2, con áridos ligeros de resistencia media; y la curva 3, con áridos convencionales (Figura 1.13).
Fig.1.13.-Relación entre la resistencia a compresión a 28 días del hormigón y el espacio residual- cemento (Pauw, 1967)
COMPOSICIÓN GRANULOMÉTRICA DE LOS GRANOS
La curva granulométrica en el HC influye en la cantidad de agua necesaria para lograr una determinada consistencia. Como se ha indicado anteriormente, la relación agua cemento es un factor fundamental para conocer la resistencia del hormigón. Por ello han de priorizarse las granulometrías que conduzcan a una menor cantidad de agua. En general ha de tenderse a la utilización del mayor tamaño posible de árido.
Esto también es válido, en general, para el HLE con una importante salvedad. Dada la naturaleza porosa de los granos y la forma en que se elaboran, suele haber una relación inversa entre el tamaño del árido y sus parámetros resistentes. A mayor tamaño, menor resistencia y menor módulo de elasticidad. Al pasar de un tamaño máximo de árido de 25
mm a un tamaño máximo de árido de 16, es previsible un aumento de la resistencia a compresión de un 10%, y un aumento de la densidad de 0,03 Kg/dm3. Por ello se tiende a la utilización de áridos de un tamaño no superior a 16 mm.
Es común además sustituir parte del árido ligero fino por arena natural (Hanson, 1964). La densidad del árido aumenta al reducirse el tamaño, por lo que la diferencia en peso entre el árido ligero fino y la arena natural no es tan marcada como entre el árido ligero grueso y la grava. La arena natural suele presentarse en forma redondeada, especialmente si es de río, mientras que el árido ligero fino suele presentarse con aristas vivas resultado del proceso de machaqueo. Esto hace que para una misma docilidad sea necesaria una menor cantidad de agua. Con ello, esta sustitución lleva aparejada un aumento en el módulo de elasticidad y de la resistencia. Introducir un 10% del volumen total de áridos mediante arena natural suele generar un aumento del módulo elástico de un 20% (Teubert, J., 1970).
CONDICIONES DE CURADO
La resistencia de la pasta de cemento es mayor cuanto mayor sea su nivel de hidratación. Esto se aprecia claramente en la variación de los parámetros resistentes del hormigón para distintas edades. Según va aumentando la edad del hormigón, se va hidratando una mayor cantidad de pasta y por tanto, aumenta su capacidad resistente. Este proceso se prolonga mientras exista agua libre en el interior de la masa del hormigón, capaz de reaccionar con las partículas de cemento. Las pérdidas de agua por el encofrado, absorción de áridos o la simple evaporación hacen que se pierda esta agua y el cemento no se hidrate correctamente. El curado se encarga de prevenir estar pérdidas. Si no se ha producido un correcto curado, el agua inicialmente disponible ha podido perderse, con lo que no todo el cemento puede hidratarse, y por tanto, alcanzar su capacidad resistente. PARÁMETROS DEL ENSAYO
Además de los parámetros indicados anteriormente que influyen directamente sobre la capacidad resistente del hormigón, existen otros, como la forma de la probeta o la velocidad de carga, que influyen decisivamente en los resultados obtenidos en la investigación. Para tener unos valores homogéneos y comparables, es necesario unificar todos estos parámetros y dejarlos perfectamente definidos en el plan de ensayos. La realización de los ensayos mediante los procedimientos recogidos en la normativa,
La velocidad de carga tiene una importancia vital en este punto. La velocidad establecida para la realización del ensayo conforme a los estándares europeos, EN12390- 3, es de entre 0,2 y 0,6 MPa/s, 0,25 MPa/s según ASTM 469. Si la velocidad se reduce a sólo 0,007 MPa/s, la resistencia baja un 12%. En cambio, si la velocidad de carga aumenta a 6,9 MPa/s, entonces la resistencia aumenta en igual proporción (Jones y Richart, 2001).
1.5.1.2.-Comportamiento del hormigón bajo compresión uniaxial
El comportamiento estructural del HLE es bastante diferente del HC (FIP, 1983). En ambos casos, el hormigón es un material bifase, donde por un lado se encuentra la pasta de cemento y los áridos finos, y por otro el árido grueso. Algunos autores indican que existe una tercera fase, correspondiente a la zona de unión entre ambas. Pero mientras en el HC sus áridos presentan en general unos valores mecánicos superiores a los del mortero de cemento, en el HLE sucede lo contario (Figura 1.14). Por tanto, en el HC, las tensiones se transfieren fundamentalmente a través de los áridos gruesos, su parte más resistente, en el HLE lo hacen a través del mortero.
En el momento de la rotura, mientras en el HC, se produce en general por la pasta de mortero, su parte menos resistente, en el HLE lo hace por sus áridos. Esto explica el por qué aumentos en la resistencia del mortero tienen gran influencia en el HC, y menos en el HLE, especialmente para altas resistencias.
Fig.1.14.-Transferencia de tensiones en el HC (a) y en el HLE (b) (Leonhardt F., 1986) La rotura de las probetas no se produce de forma súbita, sino que sucesivas grietas van apareciendo. Estas roturas comienzan a nivel microscópico dentro de la pasta de cemento,
fundamentalmente en la zona de unión con los áridos. Según va aumentando la carga las fisuras se van propagando hasta hacerse visibles, sin necesidad de ayuda exterior.
1.5.1.3.-Modos de fallo en el hormigón
Cuando la rigidez de los áridos es igual o superior a la del mortero (zona 1) el fallo se produce en la matriz de mortero, y tanto la resistencia del mortero como la del hormigón presentan valores similares. Cuando el árido es menos rígido que el mortero, absorbe menos carga (zona 2). En este caso la resistencia del hormigón es ligeramente inferior a la del mortero. El punto de una zona a otra se denomina resistencia límite, fL (Figura 1.15).
Fig.1.15.- Relación simplificada de la resistencia del hormigón en función de la resistencia del mortero (Weigler y Karl, 1974)
Ea: Módulo de elasticidad del árido Em: Módulo de elasticidad del mortero fa,c: Resistencia calculada del árido fa: Resistencia del árido
fm: Resistencia del mortero
Cuando fL es excedida, aparecen tensiones alrededor de los granos del árido causadas por la bifurcación de las líneas de compresión. Estas tensiones son de tracción en la dirección que las líneas de compresión son perpendiculares a la fuerza normal, y de comprensión en la dirección perpendicular, cuando las líneas de comprensión son tangentes al grano de árido (Figura 1.14).
1.5.1.4.-Evolución de las resistencias a compresión con la edad
El Código Modelo (CEB-FIB, 2010) estima el valor de la resistencia media a compresión a una edad de t días, a partir de la resistencia media a compresión a 28 días, según la siguiente expresión:
11)𝑓𝑐𝑚(𝑡) = 𝛽𝑐𝑐(𝑡)∙ 𝑓𝑐𝑚 12)𝛽𝑐𝑐(𝑡)= 𝑒𝑥𝑝 {𝑠𝑐[1 − (28 𝑡) 0,5 ]} Siendo:
fcm(t): Resistencia media a compresión en MPa a la edad de t días fcm: Resistencia media a compresión en MPa a los 28 días
cc(t): Coeficiente que depende de la edad del hormigón
t: Edad del hormigón en días (debe ajustarse en función de la temperatura de curado según tabla 5.1- 85 de CEB-FIB, 2010)
sc: Coeficiente dependiente de la clase de cemento, según tabla 5.1-9. En este caso, sc = 0,25
Para el caso concreto de hormigón con áridos ligeros, se especifica que el coeficiente sc ha de sustituirse por slc, con los valores de 0,05 para áridos de alta resistencia, y 0,25