ACI UNI - Control Termico Del Concreto Masivo Junio 2015

Control Térmico del Concreto Masivo 17 de junio de 2015

M.Sc. Ing. Pablo Peña Torres [email protected]

Índice         

Introducción Norma Experiencias de vaciados de concreto masivo Importancia del control térmico en concretos masivos Factores a considerar en la temperatura Formas de controlar la temperatura Procedimiento de vaciado de concreto masivo Registros térmicos de experiencias en obra Conclusiones

Introducción

Introducción • Actualmente, en nuestro pais, se presentan proyectos de gran infraestructura (sector minero, hidroenergetico, industrial, etc.), en donde se colocan grandes volúmenes de concreto para distintos tipos de estructuras. Normalmente alrededor del 40% del volumen de concreto de estos proyectos están en vaciados masivos. • Cuando no existe un control térmico del elemento a vaciar, se puede genera un elevado gradiente térmico entre el interior del concreto y la superficie expuesta, lo que causaría fisuras y grietas en el elemento.

Introducción ¿Qué es el concreto masivo? • Vaciado de concreto el cual debido a sus dimensiones y/o condiciones ambientales pueden resultar en fisuramiento del elemento de concreto en sitio debido a efectos termales. • Particularmente cuando la dimensión mínima de la sección transversal se excede a los 90 cm o cuando el contenido de cemento excede los 350 kg/m3. (ACI 211.1R-91 Standard practice for selecting proportions for normal, heavyweight and mass concrete).

Objetivo

Proteger el concreto en sitio lo mas posible para evitar la perdida de calor y los efectos de las condiciones ambientales

Permitir que el concreto libere la mayor cantidad posible de calor lo mas pronto posible previniendo un gradiente alto de temperatura

Filosofía Reducir la temperatura interna del concreto

• Concreto fresco • Calor de hidratación

Manejar el curado y protección a temprana edad

• • • •

Controlar la disipación de calor Controlar el gradiente interno por temperatura Mantener la superficie del concreto húmedo Reducir la retracción por secado

Controlar la reintegración al proceso constructivo

• Resistencia • Exposición a las condiciones ambientales

Factores a considerar •

Concreto fresco – – – –

Trabajabilidad Tiempo de fragua Terminado Colocado • Juntas frías

•

Concreto endurecido – Resistencia

• Tiempo/Edad • En sitio

– Protección a la temprana edad • Curado • Temperatura

– Durabilidad

• Fisuramiento • Corrosión del acero • Permeabilidad

– Progreso del proceso constructivo

•

Diseño de mezcla – –

• • • •

Temperatura del concreto Fresco Coordinación entre producción y colocado Control de calidad en el campo Resistencia de diseño – –

• • •

Materiales Proporciones

Temprana edad Edad de diseño

Monitoreo de la temperatura interna del concreto en sitio Coordinación del curado con las condiciones ambientales y el proceso constructivo Reparación del fisuramiento

Norma

Norma

Según el ACI 207.2-07: • “Cualquier elemento de grandes dimensiones que genere que se tomen medidas preventivas para contrarrestar la generación de calor interior debido a la hidratación de cemento causando cambios volumétricos y con esto, fisuras o grietas”.

Norma • El Método del ACI 207.2 se basa en ábacos para predecir la temperatura máxima en el concreto, en función de las dimensiones, la temperatura de colocado y la temperatura del ambiente. • El ACI 207.2 recomienda que el delta térmico interno del concreto no debe superar los 20ºC. • Alcances del ACI 207.2 – Considera un concreto pobre con 150 kg/m3 – Considera un concreto masivo sin acero de refuerzo

Métodos de predicción de temperatura Para predecir las temperaturas se deben conocer las características del concreto masivo (diseño y condiciones de colocación). Existen diversos métodos desarrollados en el mundo, entre los más conocidos se tienen: ACI 207.2

PCA

•Cuadros graficas empíricos y ecuaciones

•Fácil, rápida estimación

Schmidt

Análisis computacional MEF

•Método iterativo basado en transferencia de calor

•Modelo computacional basado en esfuerzos, tiempo y temperatura

Comportamiento térmico Características mas importantes del comportamiento térmico Altas temperaturas en el interior del concreto generadas por el calor de hidratación del cemento Portland, debido a las grandes dimensiones.

Fuente: Geun, Kim 2010

Comportamiento térmico Características mas importantes del comportamiento térmico

Fisuración por restricción interna

Fisuración por restricción externa

Comportamiento térmico Predicción de la Temperatura

Ciclo medioambiental

Transferencia de calor

Núcleo Temperatura

Temperatura

Calor de hidratación

Superficie Tiempo

Tiempo Calor de Hidratación Composición de cemento Fineza del cemento Cantidad del cemento Efecto químico de los aditivos Relación a/c Temperatura de la mezcla

20ºC

Ciclo medioambiental Temperatura del aire Velocidad del viento Humedad relativa Nubosidad Radiación solar Presión de aire

Transferencia de calor Elemento geométrico Tamaño del elemento Método de curado Tipo de agregado

Comportamiento térmico Gradiente Térmico Debe protegerse frente a las bajas o altas temperaturas, de lo contrario, se generarán gradientes térmicos drásticos de temperatura entre el interior y la superficie expuesta. Debe existir un gradiente máximo de temperatura.

Fuente: PCA, 2004

Comportamiento térmico Gradiente Térmico

Comportamiento térmico Gradiente Térmico

Experiencias de vaciados de concreto masivo

Experiencias de vaciados masivos COLOMBIA • Refinería de Cartagena (Año: 2011) – Dimensiones: 24mx57mx2.4m – Volumen de vaciado: 3300 m3

Experiencias de vaciados masivos COLOMBIA • Refinería de Cartagena – Volumen vaciado: 3300 m3 – Tiempo: 22.5 horas

Experiencias de vaciados masivos CHILE • Central Térmica Angamos, Mejillones (Año: 2009) – Dimensiones: 57m x 35m x 1.75m

Experiencias de vaciados masivos CHILE • Central Térmica Angamos, Mejillones – Volumen vaciado: 3,500 m3

Experiencias de vaciados masivos EEUU • New Wilshire Grand (Año: 2014) • Record Guinness de vaciado masivo

Experiencias de vaciados masivos EEUU

• New Wilshire Grand

– Volumen vaciado: 16,200 m3 – Tiempo: 24 horas

Experiencias de vaciados masivos PERÚ • Proyecto Antapacay /Expansión Tintaya (Año: 2011) – Dimensiones: 20m x 20m x 3.2m

Experiencias de vaciados masivos PERÚ • Proyecto Antapacay /Expansión Tintaya – Volumen vaciado: 1,280 m3 – Tiempo: 20 horas

Experiencias de vaciados masivos PERÚ • Nueva sede del Banco de la Nación (Año: 2014)

Experiencias de vaciados masivos PERÚ • Nueva sede del Banco de la Nación – Volumen vaciado: 5,600 m3 – Tiempo: 36 horas

Experiencias de vaciados masivos PERÚ • Nueva campus UTEC (Año: 2014)

Experiencias de vaciados masivos PERÚ • Nueva Campus UTEC – Volumen vaciado: 850 m3 – Tiempo: 8 horas

Experiencias de vaciados masivos Perú / Antapacay

• 64 m3/hora

Perú / Banco de la Nación

• 155.5 m3/hora

Perú / UTEC

• 112.5 m3/hora

Colombia (Refinería de Cartagena) • 147 m3/hora

EEUU (New Wilshire Grand) • 876 m3/hora

Importancia del control térmico del concreto masivo

Importancia del control térmico del concreto masivo Al conocer el comportamiento térmico teórico del concreto masivo, se puede realizar predicciones de la temperatura máxima y tomar medidas de contingencia para la fabricación y vaciado del elemento.

Ahorro de tiempo en la construcción Ahorro de dinero Cumplir con las EETT

Importancia del control térmico del concreto masivo ¿El problema? Fisuras a edad temprana, debido a altos gradientes de temperaturas en el interior del concreto (Los esfuerzos de tracción actuantes son mayores a la resistencia a tracción).

A edad temprana se tiene una baja resistencia a la tracción

Fuente: Geun, Kim 2010

Importancia del control térmico del concreto masivo ¿El problema? A mayor espesor del elemento estructural, se generara mayor calor acumulado, debido a que la distancia para disipar el calor es mayor.

Factores a considerar en la temperatura

Factores que influyen en las temperaturas Los factores que influyen en las temperaturas del concreto masivo son las siguientes: • Temperatura inicial de agregados. • Temperatura inicial del agua • Transporte de mezcla • Las dimensiones del elemento. • Condiciones ambientales y protección del concreto. • Diseño de mezcla de concreto

Factores que influyen en las temperaturas Diseño de mezcla y condiciones ambientales

𝑻𝑻𝑻𝑻 = 𝑻𝟎 + ∆𝑻𝟏

Temperatura de colocación del concreto y condiciones ambientales Fuente: Figueroa, 2009

Factores que influyen en las temperaturas Diseño de mezcla y condiciones ambientales

Temperatura de colocación del concreto y condiciones ambientales

Tipo de cemento Fineza del cemento Cantidad de cemento en la mezcla Tamaño máximo del agregado Temperatura de agregados Temperatura de agua de mezcla Transporte de mezcla Dimensiones de elemento

Factores que influyen en las temperaturas DISEÑO

CONSTRUCCIÓN

Formas de controlar la Temperatura

Guías Generales • Temperatura del concreto fresco

• Necesaria para evitar que el concreto endurecido exceda 71ºC

• Temperatura máxima del concreto en sitio • 71ºC

• Gradiente máximo de la temperatura interna del concreto • Varios lugares

• Monitoreo de la temperatura interna del concreto

• Varios lugares • Profundidad: 2 @ 5cm., 1 @ 15cm. & 30cm., 2 @ media profundidad

• Curado / Protección durante la temprana edad • • • • •

7 días Temperatura interna en descenso Gradiente interno ≤ 20ºC Gradiente máximo con el ambiente durante 24h anteriores ≤ 10ºC Temperatura ambiente en ascenso por las próximas 6 horas.

Controles Térmicos Controlar el contenido de cemento Método de pre enfriamiento Método de post enfriamiento Planificación del proceso constructivo

El calor de hidratación es el calor que genera el concreto durante el periodo de endurecimiento como resultado del proceso químico por el cual el cemento reacciona con el agua para formar una pasta dura y estable. Fuente: PCA: Desarrollo relativo de la resistencia de cubos de morteros de cemento como un porcentaje de la resistencia a los 28 días. Los promedios fueron adaptados de Gebhardt 1995.

Controles Térmicos Controlar el contenido de cemento Método de pre enfriamiento Método de post enfriamiento

MÉTODO Planificación del proceso constructivo

Enfriamiento de agua de mezcla a 2°C Enfriamiento de agregados con agua a 13°C Reemplazo del 50% de agua por hielo Usar agua a 2°C para mezcla y agregados Nitrógeno líquido

COSTO ESTIMADO (US$/m3) 9-22.5 9-27 13.5-27 18-45 45-100



Proceso constructivo

Diseño de mezcla Características del concreto a utilizar •

Definir tipo de concreto a utilizar, TNM, slump, a/c, etc.

Alternativas para reducir la Temperatura máxima del concreto masivo desde el diseño: • • • • • •

Utilizar aditivo retardador de fragua para retardar la hidratación y distribuir la liberación de calor en un mayor tiempo. Utilizar agua helada en la mezcla de concreto (T=2ºC) o hielo. Dejar reposar el cemento para así disminuir su temperatura al momento del vaciado. Utilizar un cemento de moderado calor de hidratación (Tipo MS, II o IP). Utilizar TNM del agregado grueso (1” o 1 ½”) a fin de disminuir la cantidad de cemento por m3 de concreto. Usar un factor de seguridad de 1.2 para la resistencia, es decir: f´cr=1.2 f´c (no debemos exagerar la resistencia final, en este caso debemos bajar la cantidad de cemento por m3).

Colocación del concreto • Esquema de disposición de equipos

BOMBA 3 BOMBA 1 BOMBA 2

Colocación del concreto • El vaciado debe ser continuo para evitar juntas frías.

Curado Métodos de curado • Interposición de un medio húmedo – Curado por mantas

• Curado por interposición de un medio impermeable – Utilizar los encofrados – Papel impermeable – Hojas de polietileno

• Compuestos sellantes – Curador químico

Curado Microclima o ambientes cerrados • Se considerará el uso de ambientes cerrados como el medio más efectivo de protección para los climas fríos y lograr concretos de alta calidad. Los ambientes cerrados podrán construirse con materiales flexibles o con materiales rígidos (Mitigar cargas de viento, nieve, ser impermeables al aire).

• La temperatura de descenso después del periodo de protección, para las secciones masivas la caída deberá ser menor de 10°C en 24 horas, a fin de reducir las distintas deformaciones inductoras de agrietamiento entre el interior y el exterior de la estructura.

Instrumentación • Los instrumentos para monitorear y registrar la temperatura del concreto fueron las termocuplas ( núcleo central y superficie)

Registros térmicos de experiencias en obra

Experiencias en obra Proyecto «Cerro Verde» • • • •

Largo: 29m Ancho: 19.5m Alto: 1.75m Volumen: 990 m3

Experiencias en obra • Características del vaciado ITEM

SIMBOLO

VALOR (°C)

Temperatura de colocado

TCOL

27

Temperatura de ambiente

TAMB

17

Temperatura de terreno

TM

16

Temperatura mínima promedio

TA

5

f’c=280 kg/cm2 Cemento Tipo HE Wc=365 kg/m3 Encofrado de madera

Experiencias en obra • Layout para vaciado masivo

Experiencias en obra • Situación de diseño mas critica 0.30 m

6 1.75 m

1.84 m

5

4

Volumen total = 6 x 16 = 96 m3 Vel = 100 m3/h

3

2 1

Experiencias en obra • Registro de temperaturas

Temperatura

Superficie

Concreto

Ambiente

Δ

Máximo

50.5

72.5

25.0

35.0

Mínimo

18.5

28.0

10.5

1.5


35 °C


51 °C 43 °C

2° DIA

6° DIA

Experiencias en obra Proyecto «Cerro del Águila» • •

Alto: 2.8m Largo: 3.15m

Experiencias en obra



Experiencias en obra Ubicación de Termocuplas

Experiencias en obra • Registro de temperatura

Experiencias en obra • Registro de temperatura

27ºC 22ºC

Experiencias en obra Proyecto «Inmaculada» • •

Pedestal de molino SAG Altura: 1.75m

Experiencias en obra CONTROL TEMPERATURA CONCRETO

70

Tmax concreto = 70°C

Temperatura (°C)

60

50 Temp. Centro Temp. Superficie

40

Temp. Microclima

30

20 Tmin ambiente = 10°C

10

0 1° DIA

2° DIA

3° DIA

4° DIA

5° DIA

Tiempo

Experiencias en obra 25.0

GRADIENTE DE TEMPERATURA CONCRETO

Gradiente máximo = 20°C

Gradiente (°C)

20.0

15.0

Gradiente Temperatura

10.0

5.0

0.0 1° DIA

2° DIA

3° DIA

4° DIA

5° DIA

De las gráficas podemos notar lo siguiente: • •

El microclima se mantuvo a temperaturas mayores a los 10 C en casi todo el tiempo de curado, con un promedio de 15°C. El gradiente térmico entre el núcleo y la superficie de concreto no sobrepaso los 20°C permitidos por el ACI 207 llegando a diferenciales máximos de 13°C.

Conclusiones

Conclusiones • El incremento de temperatura depende de diversos factores: – – – – –

Dimensiones geométricas Temperatura de vaciado Contenido y tipo de cemento Condiciones ambientales y Propiedades térmicas del concreto.

• Se debe reducir el incremento de la temperatura al interior del concreto. • Se pueden tomar en cuenta precauciones desde el punto de vista de construcción y de diseño. – Construcción: Mantas térmicas, Microclima, Estufas, Tuberías de agua helada, Temperatura de agua de curado, Aditivos plastificantes, entre otras. – Diseño: Tipo de cemento, Reducción de la cantidad de cemento, Finura del cemento, tamaño máximo del agregado, entre otras.

Conclusiones • Se pueden soportar gradientes mayores a 20 °C, en el caso de estructuras reforzadas.

33 °C

38 °C

43 °C

21MPa 28MPa 35MPa

Fuente: Gajda, 2002

Gracias

M.Sc. Ing. Pablo Peña Torres [email protected]

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