2017
CONCRETO DE ALT O DESEMPEÑO INTEMPERISMO,, CARBONATACIO INTEMPERISMO CARBONATACION N Y LIXIVIACION
TECNOLOGIA DE CONCRETO 2 UNIVERSIDAD NACIONAL SAN AGUSTIN
Universidad Nacional San Agustín Facultad De Ingeniería Civil
TECNOLOGÍA DE CONCRETO 2 “A”
CONCRETO DE ALTO DESEMPEÑO : INTEMPERISMO , CARBONATACIÓN Y LIXIVIACIÓN
ING. MARÍA ELENA SÁNCHEZ GARCIA
BRONCANO MONTES, JOSE DANIEL CONDO BENIQUE , DANIEL EDUARDO LAZARO AYME, GUSTAVO PANIBRA PALO, KHRISTIAN SAUL PERALTA APAZA, CINTHYA STEPHANIE
-2017-
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TABLA DE CONTENIDO I.
DEFINICION ................................................................................................................................ 3 1.
SEGÚN ACI ..........................................................................................................................................................3
2.
SEGÚN DEPARTAMENTO FEDERAL DE ADMINISTRACIÓN DE CARRETERAS DE LOS EEUU .............4
3.
SEGÚN EL PROGRAMA ESTRATÉGICO DE INVESTIGACIÓN DE CARRETERAS (SHRP ) .....................4
4.
DEFINICION GENERAL ......................................................................................................................................4
II. COMPONENTES ......................................................................................................................... 6 1.
CEMENTO ............................................................................................................................................................6
2.
AGREGADOS ........................................................................................................................................................7
3.
MICROSILICE ......................................................................................................................................................7
4.
ADITIVOS .............................................................................................................................................................9
5.
AGUA ....................................................................................................................................................................9
III. INTEMPERISMO ......................................................................................................................10 1.
TIPOS DE INTEMPERISMO: ...........................................................................................................................10
1.1.
INTEMPERISMO FISICO: ...........................................................................................................................10 A. RESISTENCIA AL CONGELAMIENTO Y DESHIELO DEL CONCRETO ................................................10
1.2.
INTEMPERISMO QUIMICO:.......................................................................................................................12
IV. CARBONATACION: .................................................................................................................. 13 CARBONATACION EN EL CONCRETO .............................................................................................................. 13 FACTORES QUE AFECTAN LA CARBONATACION .......................................................................................... 14 ENSAYO CARBONATACIÓN ACELERADA .........................................................................................................15
V.
LIXIVIACION .............................................................................................................................16 ¿COMO EVITAR ESTOS FENOMENOS?............................................................................................................. 17
VI. EJEMPLOS EN AREQUIPA ...................................................¡ERROR! MARCADOR NO DEFINIDO . VII. BIBLIOGRAFIA ......................................................................................................................... 19
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CONCRETO DE ALTO DESEMPEN O I.
DEFINICION Existen muchas diferentes definiciones de concreto de alto desempeño. Por lo cual no existe una definición universalmente aceptada; muchas instituciones reconocidas internacionalmente han definido a los concretos de alto desempeño cada cual con diferentes criterios de evaluación, algunas de estas definiciones son resumidas a continuación:
1. Según ACI Un concreto de alto desempeño es el que reúne una combinación especial de requerimientos de desempeño y uniformidad que no siempre puede ser logrado usando materiales tradicionales, mezclado normal, criterios de colocación normales y prácticos de curado ordinarios. Un concreto de alto desempeño es un concreto en el cual ciertas características son desarrolladas para una aplicación y medioambiente particular. Ejemplos de estas características que pueden ser consideradas criticas para una aplicación son: a. b. c. d. e. f. g. h. i. j.
Facilidad de colocación Compactación sin segregación. Propiedades mecánicas a largo plazo Resistencia iniciales Permeabilidad Densidad Calor de hidratación Dureza Estabilidad volumétrica. Gran periodo de vida de servicio en un medioambiente severo.
Dado que muchas de las características de un concreto de alto desempeño son interrelacionadas, un cambio en una sola usualmente resulta en cambios en una o más de otras características. Consecuentemente, si muchas características tienen que ser tomadas en cuenta en la producción de concreto para una aplicación, cada una de estas características debe ser claramente especificada en los documentos contractuales.
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2. Según Departamento federal de administración de carreteras de los Estados Unidos(U.S. Department of Transportation Federal Highway Administration) (FHWA 1998) Un concreto de alto desempeño es diseñado para ser más durable y si es necesario más resistente que un concreto convencional. Los concretos de alto desempeño están compuestos de esencialmente los mismos materiales que un concreto convencional. Pero las proporciones son diseñadas para proveer la resistencia y durabilidad necesaria para los requerimientos estructurales y medioambientales del proyecto.
3. Según el Programa Estratégico de Investigación de Carreteras (SHRP) a.
Un concreto de alto desempeño debe cumplir con una de las siguientes características:
b. c.
Resistencia a la compresión a los 28 días mayor o igual a 70 MPa (10 000 p si) Resistencia a la compresión a las 4 horas mayor o igual a 20 MPa (3 000 psi) Resistencia a la compresión a las 24 horas mayor o igual a 35 MPa (5 000 psi)
Un concreto de alto desempeño debe tener un factor de durabilidad mayor que 80% después de 300 ciclos de congelamiento y deshielo. Un concreto de alto desempeño debe tener una relación agua/materiales cementicios menor o igual que 0.35.
4. DEFINICION GENERAL “Un Concreto de Alto Desempeño es aquel que alcanza la mayor efectividad y eficiencia ante solicitaciones particulares; estos concretos son eficientes por que poseen una dosificación optimizada según las consideraciones de trabajabilidad y economía; y son efectivos por que cumplen las características solicitadas, pudiendo ser estas de tipo estructural o medioambiental.”
Si bien esta definición no es especifica ante los requisitos que debe cumplir los concretos de alto desempeño, desarrolla de manera general los criterios para su elaboración; en la figura 1.1. se observan algunas de las características de la dosificación y del concreto para alcanzar un concreto de alto desempeño.
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Dada la gran generalidad de todas las definiciones, concluimos que no existe un solo tipo de concreto de alto desempeño, siendo algunos de los concretos que se consideran como concretos de alto desempeño los siguientes:
Concreto de alta trabajabilidad Concreto autonivelante Concreto autocompactado Concreto de alta y muy alta resistencia Concreto ligero Concreto bombeable Concreto rolado compactado Concreto de alta durabilidad Concreto de polvo reactivo
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II.
COMPONENTES
Se muestran a los 5 componentes del concreto con algunas de sus variables, el análisis de estas para la selección de los materiales conjuntamente con una dosificación adecuada lograran los requerimientos deseados.
1. CEMENTO La elección del tipo de cemento Pórtland a usarse es muy importante para los concretos de alto desempeño, estos deben cumplir con las normas como la ASTM C 150 o C 595, por ser el cemento el componente mas activo del concreto, y teniendo en cuenta que todas las propiedades del concreto dependen de la cantidad y tipo de cemento a usarse es que la selección del tipo a usarse y una adecuada dosificación son muy importantes, en la región Arequipa los cementos comercialmente disponibles son el tipo I y el tipo IP, ambos producidos por la fabrica de cementos Yura S.A. ambos cementos cumplen con las normas ASTM y NTP.
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2. AGREGADOS Si bien los agregados son los componentes inertes del concreto, su influencia en las características del concreto es notable; sin embargo durante varios años su estudio fue descuidado, debido principalmente, al bajo costo comparativo con el costo del cemento, además de los bajos requerimientos de resistencia, en los cuales los agregados no tienen gran influencia, hoy en día se conoce la influencia del agregado en las propiedades del concreto tanto en estado fresco y endurecido. En los concretos de alto desempeño los agregados deben cumplir las normas como la ASTM C 33, caso contrario se deberá comprobar su eficiencia en el concreto. Es recomendable que en una obra, todas las mezclas empleen los mismos agregados. Características a tomar en cuenta
Factor de esfericidad y redondez Granulometría Peso Especifico Poros y Absorción Peso Unitario Compacidad
3. MICROSILICE El uso de adiciones minerales en el concreto, no es una tecnología reciente, Maliowski reporta un viejo ejemplo que data de 5000-4000 años A. C., la cual fue una mezcla de limos y una puzolana natural, los viejos escritos del ingeniero romano Marcus Vitrubius Pollio, reportan cementos hechos por los griegos y romanos, los que describe como de durabilidad superior, el indica que los romanos desarrollaron técnicas superiores mediante el uso de una combinación de limos y puzolanas. Actualmente, el uso de adiciones minerales al concreto y al cemento, se ha difundido mundialmente, estando en boga el uso de materiales como la ceniza volante y el filler calizo, este incremento en el uso de estos materiales se debe
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principalmente a las mejoradas propiedades del concreto tanto en estado endurecido como en estado fresco; este incremento de trabajabilidad, durabilidad y según sea el caso de resistencia, hacen que el uso de adiciones ya sean naturales o artificiales sea muy recomendado para el concreto. En los siguientes imágenes obtenidas por microscopia se muestran los diferentes materiales usados como adición en el concreto.
MICROSILICE
PUZOLANA AREQUIPA
Propiedades a tener en cuenta:
COLOR
PESO UNITARIO NO DENSIFICADO FISICAS S E D A D E I P O R P
DENSIDAD SUPERFICIE ESPECIFICA COMPOSICION QUIMICA CLORUROS
QUIMICAS CRISTALINIDAD pH
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4. ADITIVOS Desde la década de 1930, el uso de aditivos en el concreto se ha difundido, pero no es hasta la década de 1970 cuando su uso se incremento significativamente, sin embargo en el Perú su uso aún no es generalizado a pesar del incremento registrado en la pasada década. La definición actual del concreto como un material de 5 componentes tomara mayor fuerza en los próximos años dadas las nuevas tecnologías, en las cuales los aditivos químicos tienen un papel muy importante. Existe gran variedad de aditivos químicos sin embargo son los plastificantes y superplastificantes los aditivos químicos mas comúnmente utilizados en el concreto; en la presente sección nos limitamos a la descripción de estos aditivos, dando especial atención a los policarboxilatos modificados los cuales fueron usados durante la investigación. La forma de actuar de los aditivos superplastificantes se encuadra dentro de alguno de los cuatro mecanismos mencionados a continuación:
Adsorción del polímero sobre las superficies de las partículas Repulsión electrostática (dispersión) Repulsión estérica Bloqueo de los sitios reactivos superficiales de las partículas del cemento por las moléculas de superfluidificante.
5. AGUA Debido a que el agua ocupa un papel predominante en las reacciones del cemento durante el estado plástico, el proceso de fraguado y el estado endurecido de un concreto, la presente sección pretende dar una visión generalizada acerca de las características que debe tener desde un punto de vista de la tecnología del concreto.
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III.
INTEMPERISMO El intemperismo se refiere al conjunto de acciones deteriorantes derivadas de las condiciones atmosféricas que se haya expuesta una estructura de concreto en el curso de la vida de servicio.
1. TIPOS DE INTEMPERISMO: 1.1. INTEMPERISMO FISICO: Es causada por procesos físicos, se desarrolla fundamentalmente en ambientes desérticos y periglaciares. Porque climas desérticos tienen amplia diferencia térmica entre el día y la noche y la ausencia de vegetación permite que los rayos solares incidan directamente sobre el concreto, mientras que en los ambientes periglaciares las temperaturas varían por encima y por debajo del punto de fusión del hielo, con una periodicidad diaria o estacional.
a. RESISTENCIA AL CONGELAMIENTO Y DESHIELO DEL CONCRETO Se espera que el concreto empleado en estructuras y pavimentos tenga una vida larga y poco mantenimiento. El concreto debe tener una buena durabilidad para resistir a condiciones de exposición anticipadas. El factor de intemperismo potencialmente más destructivo es la congelación y deshielo (hielo-deshielo) mientras el concreto está húmedo, principalmente en la presencia de anticongelantes (descongelantes). El deterioro es causado por la congelación del agua y su posterior expansión en la pasta, agregado o ambos.
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Con el empleo de aire incluido, el concreto es altamente resistente a este tipo de deterioración, como se puede observar en la figura. Durante la congelación, el agua desplazada por la formación de hielo en la pasta se acomoda, no siendo perjudicial; las burbujas microscópicas de aire en la pasta ofrecen cámaras para que el agua entre y entonces alivie la presión hidráulica generada. Cuando la congelación ocurre en el concreto que contiene agregado saturado, presiones hidráulicas perjudiciales se pueden crear también en el agregado. El agua, desplazada de las partículas de agregado durante la formación del hielo, no se puede escapar hacia la pasta circundante suficientemente rápido para el alivio de presión. Sin embargo, para la mayoría de las condiciones de exposición, una pasta de buena calidad (baja relación agua-cemento) va a prevenir la saturación de la mayoría de los agregados. Si la pasta contiene aire incluido, ella va a acomodar la pequeña cantidad de agua en exceso que se pueda expeler de los agregados, protegiendo así el concreto contra el daño del congelamiento y deshielo. La Figura enseña, para una serie de relaciones agua-cemento, que el concreto con aire incluido es más resistente a los ciclos de congelamiento y deshielo que un concreto sin aire incluido, el concreto con baja relación agua-cemento es más durable que un concreto con alta relación agua-cemento y un periodo de secado antes de la exposición a la congelación y deshielo beneficia grandemente la resistencia al congelamiento y deshielo del concreto con aire incluido. El concreto con aire incluido y baja relación agua-cemento, con un contenido de aire del 5% al 8% va a resistir a un gran número de ciclos de congelación y deshielo sin presentar fallas. La durabilidad al congelamiento y deshielo se puede determinar a través de ensayos de laboratorio como la ASTM C 666, Standard Test Method for Resistance of Concrete to Rapid Freezing and Thawing (AASHTO 161) (Norma de método de ensayo acelerado para la resistencia a congelamiento y deshielo), IRAM 1661 (Hormigones. Método de ensayo de resistencia a la congelación en aire y deshielo en agua), NCh2185 of 1992 (Hormigón y mortero - Método de ensayo – Determinación de la resistencia a la congelación y el deshielo) y NMX-C-205-79 (Determinación de la resistencia del concreto a la congelación y deshielo acelerados). Através del ensayo de la ASTM se calcula un factor de durabilidad que refleja el número de ciclos de congelación y deshielo necesario para producir una cierta cantidad de deterioro. La resistencia al descascaramiento por anticongelantes puede ser determinada por la ASTM C 672, Norma de método de ensayo para resistencia al descascaramiento de superficies de concreto expuestas a anticongelantes (Standard Test Method for Scaling Resistance of Concrete Surfaces Exponed to Deicing Chemicals).
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Relación entre la resistencia al congelamiento y deshielo, relación aguacemento y desecación de concretos con aire incluido y concretos sin aire incluido, confeccionados con cemento tipo 1 (ASTM). La alta resistencia a congelamiento y deshielo es asociado al aire incluido, baja relación aguacemento y desecación antes de la exposición al congelamiento y deshielo
1.2. INTEMPERISMO QUIMICO: Causa la disgregación de los materiales que conforman el concreto y se da cuando los minerales reaccionan con algunas sustancias presentes en sus inmediaciones, principalmente disueltas en agua, para dar otros minerales de distintas composiciones químicas y más estables a las condiciones del exterior. Como tenemos la carbonatación y lixiviación que hablaremos a continuación.
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IV.
CARBONATACION:
La carbonatación en el concreto es la pérdida de pH que ocurre cuando el dióxido de carbono atmosférico reacciona con la humedad dentro de los poros del concreto y convierte el hidróxido de calcio (con alto pH) a carbonato de calcio, el cual tiene un pH más neutral. ¿Por qué es un problema la pérdida de pH? Porque el concreto, con su ambiente altamente alcalino (rango de pH de 12 a 13), protege al acero de refuerzo contra la corrosión. Esta protección se logra por la formación de una capa de óxido pasivo sobre la superficie del acero que permanece estable en el ambiente altamente alcalino. Cuando la carbonatación empieza a experimentar la profundidad del refuerzo, la capa de óxido protectora y pasivadora deja de ser estable. A este nivel de pH (por debajo de 9), es posible que empiece la corrosión.
CARBONATACION EN EL CONCRETO ¿Por qué no debemos permitir la corrosión? Para el acero embebido en el concreto, la corrosión da como resultado la perdida de sus optimas propiedades mecánicas. La corrosión produce además un descascaramiento y vacíos en la superficie del acero, reduciendo la capacidad resistente como resultado de la reducción de la sección transversal Al corroerse el refuerzo, la formación de óxido conduce a la pérdida de adherencia entre el acero y el concreto y la subsecuente delaminación y exfoliación, dando como resultado un agrietamiento y fisuramiento del concreto la cual si se deja sin revisar puede comprometer seriamente la integridad de la estructura.
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En concreto que no contiene acero de refuerzo, la carbonatación es, generalmente, un proceso de pocas consecuencias. Sin embargo, en el concreto reforzado, este proceso químico aparentemente inocuo, avanza lenta y progresivamente hacia adentro desde la superficie expuesta del concreto, y asalta al acero de refuerzo. El concreto es un material muy poroso, el cual permite la penetración en su interior del CO2 del aire, a través de los poros. Cuando esto sucede, se produce la reacción del CO2 con el hidróxido de calcio del hormigón y los compuestos hidratados del cemento, formándose carbonato de calcio.
FACTORES QUE AFECTAN LA CARBONATACION Contenido de humedad del concreto: para que tenga lugar la carbonatación, debe
haber presencia de humedad. La reacción de carbonatación avanza más rápidamente cuando la humedad relativa en el concreto se encuentra entre 50 y 55 por ciento. A humedad más baja, no hay suficiente agua en los poros del concreto para que se disuelvan cantidades significativas de hidróxido de calcio. Por encima de 75 por ciento de humedad, la situación se revierte y los poros se bloquean progresivamente con agua
Recubrimiento del concreto y defectos de superficie: La carbonatación puede
inclusive causar problemas de corrosión aun en concreto de alta calidad. Un recubrimiento bajo del concreto y defectos de superficie tales como grietas y pequeños hoyos proporcionan una ruta directa al acero de refuerzo. Permeabilidad del concreto: El concreto permeable se carbonatará rápidamente.
Muchos años de protección contra la carbonatación pueden sumarse al concreto reforzado si los constructores simplemente siguen las prácticas estándar para producir concreto de baja permeabilidad (DE ALTO DESEMPEÑO).
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Éstas incluyen relaciones bajas de agua/cemento, compactación apropiada por vibración, uso de puzolanas tales como ceniza volante o humo de sílice que permitan el relleno de oquedades en la mezcla haciéndola más densa, y un riguroso curado. Todas estas prácticas reducen la permeabilidad del concreto y hacen más difícil para que el dióxido de carbono se difunda a través de él. En resumen, la durabilidad y la vida útil del concreto expuesto a la intemperie se relacionan con la permeabilidad del recubrimiento del concreto que protege el refuerzo (armadura). Las relaciones agua-material cementantes bajas, comunes en el CAD, resultan en periodos mucho más largos para la corrosión, asumiendo que la estructura esté libre de agrietamiento. En términos prácticos, el recubrimiento de CAD sin fisuras es inmune a la carbonatación hasta una profundidad que pueda causar corrosión.
ENSAYO CARBONATACIÓN ACELERADA Se coloca una fenolftaleína sobre el concreto. Las áreas carbonatadas del concreto no cambiarán de color, mientras que las áreas con un pH mayor a 9 tomarán un color rosado brillante. Este cambio apreciable de color muestra cuál es la profundidad de carbonatación dentro de la masa de concreto.
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V.
LIXIVIACION La lixiviación es un proceso por el cual se extrae uno o varios solutos de un sólido, mediante la utilización de un disolvente líquido, lo que produce una separación de los componentes originales del sólido. En el concreto, es el proceso mediante el cual se produce la disolución de compuestos de hormigón en la fracción de cemento hidratado. Este fenómeno ocurre cuando la humedad disuelve las sales de calcio y estas migran a la superficie a través de la acción capilar. La lixiviación es una forma leve de desarreglo que ocurre cuando el agua disuelve componentes del concreto. El cemento portland hidratado contiene hasta 25 o 30 por ciento de hidróxido de calcio, Ca(OH)2, el cual es soluble en agua. Este componente, con mucha probabilidad, será lixiviado desde el concreto debido a que el hidróxido de calcio es más soluble en agua fría. La lixiviación produce una apariencia arenosa en las superficies expuestas de concreto de los revestimientos de canales, alcantarillas o tuberías. Si el agua pasa a través de grietas o juntas, la lixiviación también puede erosionar el concreto interior. En el concreto poroso, con una alta relación agua / cemento, la lixiviación puede remover suficiente hidróxido de calcio para reducir la resistencia del concreto. Sin embargo, generalmente es sólo un problema cosmético. Depende de la situacion o estado del agua que determina si los procesos de degradacion o disoliucion sean continuos. a) En caso de aguas en reposo, la hidrolisis de los componentes con calcio alcanzan la saturación y los procesos se detienen. b) En caso de aguas con corriente constante o filtrante la acción agresiva del agua aumenta.
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¿COMO EVITAR ESTOS FENOMENOS? La durabilidad es la capacidad de la mezcla ya endurecida de soportar sin deteriorarse, las solicitaciones provocadas por agentes físicos y químicos, que pueden agredir al concreto, no solo en su superficie, sino también en el interior de la masa. La durabilidad de un concreto de alto desempeño se mide en la resistencia que presenta frente a la acción de agentes agresivos, tanto físicos como biológicos, conservando su funcionalidad por periodos de vida útil prolongados con costos de reparación y mantenimiento mínimos.
La elevada resistencia de los concretos de alto desempeño es considerada una de las características principales de este material pero no la más relevante; la durabilidad es uno de los parámetros que exigen las estructuras actuales, que impactan económicamente y orientan a la sostenibilidad del entorno como compromiso ambiental. La durabilidad se ve amenazada por agentes agresivos que pueden estar en estado gaseoso (aire, vapor de agua, etc.) y liquido (agua, disoluciones salinas, etc.) que pueden penetrar el concreto mediante diferentes tipos de transporte. Los aditivos mejoran significativamente el rendimiento para algunas, pero no para todas las exposiciones. Las estrategias para incrementar la vida de servicio de las estructuras expuestas a ataques químicos deben estar basadas en las mejoras en el rendimiento que puedan razonablemente esperarse cuando se usan aditivos diferentes.
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El ataque de químicos casi siempre ocurre cuando los químicos están en solución. Puesto que estas soluciones pueden penetrar profundamente en el concreto, la producción de concreto de alta calidad y baja permeabilidad es la primera línea de defensa. El control del agrietamiento es también una importante medida defensiva para limitar la exposición interna del concreto a químicos agresivos Los aditivos pueden ayudar a controlar la lixiviación a través de dos mecanismos: reduciendo la permeabilidad y convirtiendo el hidróxido de calcio soluble en hidróxido de silicato de calcio insoluble (CSH). La clase de aditivos que reducen la permeabilidad incluye reductores de agua, superplastificadores y agentes inclusores de aire. Bajo la mayor parte de las condiciones, el empleo de estos aditivos en una proporción adecuada, el concreto bien compactado controla apropiadamente la lixiviación.
Los aditivos tales como el humo de sílice u otros materiales cementantes complementarios con propiedades puzolánicas reducen la permeabilidad y convierten algo del hidróxido de calcio en CSH insoluble. Cuando se espera lixiviación más severa, el costo adicional de un aditivo de humo de sílice puede justificarse.
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VI.
BIBLIOGRAFIA
TECNOLOGIA DE CONCRETO DE ALTO DESEMPEÑO AUTOR: Ing. Pablo Portugal Barriga
SEPARATAS DEL CURSO TECNOLOGIA DE CONCRETO 2 – FIC UNSA AUTOR: Ing. Maria Elena Sanchez Garcia
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