Dale P. Bentz (dale.bentz@nist) National Institute of Standards and Technology Marzo 2010

1. Agrietamiento del Concreto a Edad Temprana: Causas, Medidas, y Mitigación Dale P. Bentz (dale.bentz@nist.gov) National Institute of Standards and Technology Marzo 2010

2. Desempeño del Concreto a Edad Temprana • Desempeño a edad temprana es fundamental para la durabilidad • Agrietamiento a edad temprana • Aspectos térmicas • Aspectos de la deformación autógena • Tecnologías para la medición • Influencia de la finura del cemento • Cemento grueso – 311 m2/kg • Cemento fino – alrededor de 380 m2/kg • Las estrategias de mitigación

3. Objetivos para el concreto • Los elementos estructurales y básicos que soportar sus cargas físicas y ambientales en toda su vida útil previsto • Requisitos de la resistencia (basados en el diseño estructural) • Durabilidad • Difusión, permeabilidad, sorción • Deterioro por congelamiento/descongelamiento, la corrosión, ataque de sulfatos, reacción álcali-sílice • Queremos que HPC signifique “High Performance Concrete” (Concreto de Alto Desempeño) y no “High Probability for Cracking” (Alta Probabilidad de Agrietamiento)

4. Ejemplo de la Importancia del Agrietamiento a Edad Temprana Resultados de U.S. - 2003 FHWA Nationwide HPC las Encuestas de las preocupaciones más comunes sobre el concreto 1) Agrietamiento de tableros (56.6 % de las repuestas estaban un 4 o 5=muchas veces) 2) Corrosión (42.3 % ---- asociada al agrietamiento) 3) Agrietamiento de las vigas, etc. (31.4 %) Los otros ataques (sulfatos, ASR, congelación, sobrecarga, mala calidad de la construcción representan menos del 25 %) Un informe de 2005 (NRC/Canadá) dice que “mas de 100,000 puentes en los Estados Unidos presentan desarrollado grietas transversales en su cubierta poco tiempo después de su construcción”

5. La Importancia de la Edad Temprana • Para un concreto, todas las propiedades de desempeño a largo plazo dependen de sus proporciones. • Si el concreto no es diseñado, fabricado, transportado, colocado, acabado y curado adecuadamente, probablemente no funcionará como es debido. • A esta edad temprana que el concreto exhibe una transición notable de una suspensión viscosa a una carga de sólidos rígidos.

6. Agrietamiento durante Transición Generación de calor • Agrietamiento Térmico El calor liberado durante la hidratación causa un aumento de la temperatura (50 oC o mas) y una expansión del concreto - En un concreto en California se detectó que el agua del concreto hirvió. La contracción se producirá durante el enfriamiento posterior Si el calentamiento/enfriamiento es demasiado rápido y el concreto está restringido (externo o interno), pueden producirse grietas Enfriamiento

7. Agrietamiento durante Transición • Deformación autógena El volumen ocupado por los productos de la hidratación del cemento es mucho menor (10 % o mas) que el de los materiales de partida Después del fraguado del concreto (en un sistema cerrado), esta contracción química se traduce directamente en una deformación autógena medible Otra vez, si el concreto es restringido (externo o interno), pueden producirse grietas Comparable a la contracción por secado, pero el secado es interno Deformación autógena

8. Que pasa en los concretos de alto desempeño (HPCs)? • Agrietamiento Térmico • Los HPCs por lo general contienen más cemento y tal vez humo de sílice, ambos aceleran y aumentan la liberación de calor y pueden propiciar el agrietamiento térmico • Agrietamiento por Deformación Autógena • Una mayor auto-desecación que aumenta en gran medida la deformación autógena (y grietas)

9. Tecnologías para la medición • Generación de calor y las tasas de reacción • Calorimetría isotérmica • Differential Scanning Calorimetry (DSC), TAMAir, Isocal, etc. • ASTM C1679-07 Standard Practice for Measuring Hydration Kinetics of Hydraulic Cementitious Mixtures Using Isothermal Calorimetry • ASTM C1702-09 Standard Test Method for Measurement of Heat of Hydration of Hydraulic Cementitious Materials using Isothermal Conduction Calorimetry • Calorimetría semi-adiabática • Adiacal, taza de café, Q-drum, etc. • Si tienes un termopar, puedes construir su propio!!! • Está estandarizado en ASTM C09.48/C01.48 • Contracción química • ASTM C1608-07 Standard Test Method for Chemical Shrinkage of Hydraulic Cement Paste

10. Tecnologías para la medición • Calorimetría isotérmica evalúa la producción de calor en condiciones de temperatura constante • Los resultados pueden expresarse como el flujo de calor o integrarse para determinar la liberación total de calor en función del tiempo • Limitada a pastas de cemento o morteros - Isocal para concreto • Los experimentos en tres temperaturas diferentes (10, 25, y 40 °C) pueden ser utilizados para estimar la energía de activación (necesario para la aplicación del método de la madurez) w/c=0.35 pastas de cemento

11. Tecnologías para la medición • Calorimetría semi-adiabática evalúa el aumento de la temperatura con relación al control (o por lo menos medida) de la pérdida de calor • Los resultados se expresan como la temperatura en función del tiempo • Puede ser utilizado en pastas, morteros, o concretos • Puede ser utilizado tanto en obra y en el laboratorio para el proporcionamiento de la mezcla y el control de calidad w/c=0.35 pastas de cemento

12. Algunas Limitaciones para la Calorimetría Calorimetría isotérmica de NIST • Calorimetría está siendo defendida por algunos como un medio de evaluar el tiempo de fraguado de los materiales cementantes • Pero calorimetría evalúa el grado de hidratación del que el material, mientras fraguado es un fenómeno físico …por ejemplo, consideremos w/c Tiempo de fraguado

13. Tecnologías para la medición • Contracción química evalúa el consumo de agua externa en una pasta de cemento durante su hidratación. Los productos de hidratación ocupan menos volumen que los ingredientes • Estandarizado en 2005 como ASTM C1608 por ASTM C01.31 • Burrows ha defendido que la contracción química a 12 h es menos que o igual a 0.0105 mL/g cemento para un cemento resistente a grietas (Burrows, et al., Three Simple Tests for Selecting Low-Crack Cement, Cement and Concrete Composites,26 (5), 509-519, 2004.)

14. Un Ejemplo de Contracción Química (CS) La hidratación del silicato tricálcico C3S + 5.3 H  C1.7SH4 + 1.3 CH Volúmenes molares 71.1 + 95.8  107.8 + 43 CS = (150.8 – 166.9) / 166.9 = -0.096 mL/mL o -0.0704 mL/g cemento Para cada lb (g) de silicato tricálcio que reacciona completamente, tenemos que proporcionar 0.07 lb (g) de agua de curado extra para mantener condiciones de saturación (En 1935, Powers mide un valor de 0.053 por 28 d de hidratación – 75 %)

15. Tecnologías para la medición • Deformaciones y grietas a edad temprana • Tubos de plástico ondulado (con dilatómetros digitales) para deformación autógena del mortero y pastas de cemento • Cilindros o prismas de concreto en sus moldes para la deformación autógena de concreto • Marcas de agrietamiento (“cracking frames”) • Pruebas del anillo de la contracción moderada y edad temprana de agrietamiento • Medición de las emisiones acústicas

16. Tecnologías para la medición Dilatómetros digitales (Desarrollado y construido por Prof. O.M. Jensen – Technical University of Denmark) Las muestras selladas en tubos corrugados de polímeros se almacenan a temperatura constante Aprobado como ASTM C 1698 en 2009 AutoShrink equipo ya está disponible por Germann Instruments

17. Tecnologías para la medición en concreto • Para la deformación autógena de concreto, se pueden usar tubos corrugados más grande, prismas cerrados (diapositiva siguiente), o … • El uso de moldes cilíndricos de plástico para concreto con un ancho de línea simple ---- (como experimentos de fluencia convencional) • Viabilidad demostrada por Craeye and De Schutter en Bélgica and Brooks et al. de U.K. (Referencias disponibles a pedido) NRMCA, Dec. 2007 Control de la temperatura es crítica

18. Tecnologías para la medición en concreto Medición lineal de la contracción autógena (Japón 1999) Una configuración similar a la utilizada por el Consejo de Investigación de Transporte de Virginia y por uno o más productores de concreto en EE.UU. (muestra envuelta en una película de plástico) Posibilidades de confusión: la variación de la temperatura

19. Tecnologías para la medición en concreto “Schleibinger Shrinkage Drain” 1 m largo del canal 60 mm por 38 mm (mortero) 60 mm por 100 mm (concreto) Hojas de neopreno utilizados para evitar la fricción de la pared Canal de paredes dobles con calefaccióny la refrigeración también está disponible Precisión de unos 2 μm Necesidad de sellar la muestra Utilizado por el grupo de Hansen et al. en la Universidad de Michigan Variantes lineales

20. Tecnologías para la medición en concreto Modificación para reducir la fricción Utilice un canal de V 285 mm por 40 mm por 45 mm Un extremo fijo y un extremo móvil LVDT con 0.15 μm exactitud Sellado con lámina de plástico Newlands, M.D., Paine, K.A., Vemuri, N.A., and Dhir, R.K., “A Linear Test Method for Determining Early-Age Shrinkage of Concrete,” Magazine of Concrete Research, 60 (10), 747-757, 2008. Variantes lineales

21. Tecnologías para la medición en concreto Modificación para reducir la fricción mas Gira la V-canal “Schleibinger Shrinkage Cone” Utiliza un láser para medir el movimiento Resolución de 0.3 μm Controlada por la temperatura

22. Tecnologías para la medición en concreto • Grandes tubos corrugados • Dilatómetro de concreto • En la actualidad, no se ha normalizado y no está disponible comercialmente Realizarlo en un baño con control de temperatura para minimizar la variación de temperatura? Sujeto a evaluación enDinamarca, Suecia, Purdue, etc.

23. Tecnologías para la medición en concreto Tubo de PVC ondulado inmerso en un baño con control de la temperatura en LCPC en Francia Forma de corrugacionesy el tipo de tubo de(impermeable, estable)puede ser consideraciones importantes En concreto de muy alto desempeño (VHPC), todavía puede medida un aumento de temperatura de 2 ºC durante las primeras 24 h de la curación http://www.argenco.ulg.ac.be/etudiants/Multiphysics/StaquetS-Methodes_experimentales_part1.pdf

24. Tecnologías para la medición Marco de gran escala basado en las máquinas para la evaluación del desempeño a edad temprana Rigid Cracking Frame de Technical University of Munich (por Mangold 1998) Temperature-stress testing machine TSTM- (Springenschmid 1980, 1985) Empleados en los EE.UU. por el grupo de Schlinder et al. en la Universidad de Auburn

25. Tecnologías para la medición Método del anillo para determinar el agrietamiento bajo deformación restringida (ASTM C 1581 método de prueba) Actualmente, Purdue y NIST están trabajando en un método de prueba de anillo doble para medir la contracción y la expansión y con control activa de la temperatura

26. Deformación restringida; Método del Anillo

27. Tecnologías para la medición • De emisión acústica se puede utilizar para indicar microfracturas y cavitación (auto-desecación) para curado por sellado • El grupo de Purdue University (Prof. Weiss) es muy activo en este campo

28. Las Estrategias de Mitigación • Agrietamiento Térmico • Utilice un cemento con baja liberación de calor (ASTM Type IV o especificar el requisito de calor de la hidratación opcional establecido por ASTM Type II – 290 J/g cemento a 7 d) • Estos cementos son difíciles de encontrar actualmente en los EE.UU. • EE.UU.: finura de cemento en aumento constante desde 1950

29. Las estrategias de mitigación • Agrietamiento Térmico • Reducir la tasa de liberación de calor mediante la sustitución de cemento con cenizas volantes o escorias de lenta reacción • puede aumentar la contracción autógena • Agregados refrigerados o adiciones de hielo como parte del agua para la mezcla • Utilice tuberías de refrigeración en concreto masivo ($$) • Refrigeración por nitrógeno líquido • Utilice materiales de cambio de fase (PCM), que "absorben" el calor de hidratación durante el cambio de fase de sólido a líquido (durante la fusión)

30. Las estrategias de mitigación • Mihashi, H, Nishiyama, N, Kobayashi, T, Hanada, M., Development of a Smart Material to Mitigate Thermal Stress in Early Age Concrete. In: Control of Cracking in Early Age Concrete, 2002. p. 385-392. • Utilice un retardador de la hidratación encapsulado en parafina como material de cambio de fase • Durante el primer aumento de temperatura de hidratación, la parafina se derrite (absorbe energía durante su cambio de fase) y libera el retardador de la hidratación

31. Las estrategias de mitigación • La cera de parafina como un ejemplo de un material de cambio de fase • La cera se funde a 50 °C • ΔH cerca a150 J/g cera • Para un concreto típico con 400 kg/m3 de cemento • Temperatura máxima calculada de 108 °C (23 °C ambiente) • Con una adición de 350 kg/m3 de cera, la temperatura máxima calculada se reducirá a 86 °C • La cera se puede añadir en forma de "polvo“ al concreto, o puede ser "incrustado" en los agregados de peso ligero (LWA – lightweight aggregates)

32. Las estrategias de mitigación Resultados semi-adiabática en morteros con adiciones de cera de parafina; el aumento de la temperatura máxima se reduce en alrededor de 8 °C y después de una hora; disminución de la temperatura después la máxima es más gradual, podría extenderse a una mezcla de las PCMs Bentz, D.P., and Turpin, R., “Potential Applications of Phase Change Materials in Concrete Technology,”Cem Concr Comp, 29 (7), 527-532, 2007.

33. Las estrategias de mitigación • Deformación autógena y grietas • La magnitud de los esfuerzos autógenos es controlada por la ecuación de Kelvin-Laplace • Dos variables que el usuario final puede explotar a su favor son: • La disminución de la tensión superficial (γ) de la solución en los poros • Aumentar el tamaño de los poros (rpore) quese vacían durante la auto-desecación que acompaña a la contracción química Aditivos reductores de la contracción (SRA) Aumento del espacio entre las partículas de cemento Curado Interno (IC)

34. Deformación Autógeno - SRAs • Los SRAs pueden reducir la tensión superficial de la solución en los poros por 50 % • Los esfuerzos autógenos también pueden ser del 50 % con relación al concreto sin SRA • Entonces, los SRAs pueden reducir la contracción autógena, así como la contracción por secado • Los SRAs también modifican la viscosidad de la solución de los poros, y afectan las tasas de evaporación por secado y la contracción de plástica de agrietamiento de una manera positiva

35. Deformación Autógena - SRAs w/cm=0.35 mortero, curado sellado, 30 oC

36. Secado con y sin SRAs Sin SRA – El secado es más rápido Con SRA – El secado es más lento Efecto Marangoni

37. Algunas referencias para los SRAs • Bentz, D.P., Geiker, M.R., and Hansen, K.K., “Shrinkage-Reducing Admixtures and Early Age Desiccation in Cement Pastes and Mortars,” Cement and Concrete Research, 31 (7), 1075-1085 2001. • Bentz, D.P., “Curing with Shrinkage-Reducing Admixtures: Beyond Drying Shrinkage Reduction,” Concrete International, 27 (10), 55-60, 2005. • Bentz, D.P., “Influence of Shrinkage-Reducing Admixtures on Early-Age Properties of Cement Pastes,” Journal of Advanced Concrete Technology, 4 (3), 423-429, 2006. • Lura, P., Pease, B. Mazzotta, G. Rajabipour, F., and Weiss, J. “Influence of Shrinkage-Reducing Admixtures on the Development of Plastic Shrinkage Cracks,” ACI Materials Journal, 104 (2), 187-194, 2007.

38. Soluciones para el Concreto • Cementos de grano más grueso • Reducir el aumento de la temperatura y puede disminuir el ritmo de descenso de la temperatura durante el curado semi-adiabático debido a la reactividad reducida (área reducida de la superficie) • Reducir la contracción autógena, debido a un mayor espaciamiento entre partículas • Reducción de la resistencia : 25 % a 28 d w/c = 0.35 pasta de cemento Finura de Blaine: Coarse – 310 m2/kg Fine – 380 m2/kg w/c = 0.35 morteros

39. Soluciones para el Concreto • Aumento de w/c • Reducir el aumento de la temperatura y puede disminuir el ritmo de descenso de la temperatura durante el curado semi-adiabática debido a una reducción en el contenido de cemento y a un aumento de la capacidad calorífica • Reducir la contracción autógena, debido a un mayor espaciamiento entre partículas • Reducción de la resistencia : 7% a 28 d Pastas Morteros

40. Soluciones para el Concreto • Piedra caliza (polvo grueso), en sustitución del cemento • Reducir el aumento de la temperatura y puede disminuir el ritmo de descenso de la temperatura durante el curado semi-adiabático debido a una reducción en el contenido de cemento • Reducir la contracción autógena, debido a un mayor espaciamiento entre partículas (D50 de 50 a 100 μm) • Reducción de la resistencia : 7 % a 28 d Pastas Morteros

41. Algunas Referencias para la Finura de Cemento • Bentz, D.P., and Haecker, C.J., “An Argument for Using Coarse Cements in High Performance Concretes,” Cement and Concrete Research, 29, 615-618, 1999. • Bentz, D.P., Garboczi, E.J., Haecker, C.J., Jensen, O.M., “Effects of Cement Particle Size Distribution on Performance Properties of Cement-Based Materials,” Cement and Concrete Research, 29, 1663-1671, 1999. • Bentz, D.P., Jensen, O.M., Hansen, K.K., Oleson, J.F., Stang, H., and Haecker, C.J., “Influence of Cement Particle Size Distribution on Early Age Autogenous Strains and Stresses in Cement-Based Materials,” Journal of the American Ceramic Society, 84 (1), 129-135, 2001. • Bentz, D.P., Sant, G., and Weiss, W.J., “Early-Age Properties of Cement-Based Materials: I. Influence of Cement Fineness,” ASCE Journal of Materials in Civil Engineering, 20 (7), 502-508, 2008. • Bentz, D.P., and Peltz, M.A., “Reducing Thermal and Autogenous Shrinkage Contributions to Early-Age Cracking,” ACI Materials Journal, 105 (4), 414-420, 2008.

42. Deformación Autógena - IC • Con un curado interno (IC), se provee al concreto de una reserva de agua para un curado interno adicional en 3-D • Agregados de peso ligero (LWA) en condición de saturados superficialmente secos (SSS) • Polímeros superabsorbentes (SAP) • Fibras de la madera saturadas • Agregados reciclados de concreto triturado • Reduce significativamente la contracción autógena a edad temprana y posterior • Reduce la contracción plástica y la contracción por secado • También puede mejorar la hidratación y la resistencia a largo plazo (≥ 7 días)

43. Pregunta:¿Por qué necesitamos el IC? Repuesta: Particularmente en HPC, no es fácil suministrar agua de curado desde la superficie exterior a la tasa que se requiere para mitigar la contracción química en curso, esto es debido a que la permeabilidad resulta extremadamente baja que se ha logrado en estos concretos, lo que origina que los poros capilares se desconecten. Percolación/depercolación de los poros capilares observó por la primera vez por Powers, Copeland y Mann (PCA-1959).

44. Pasta de cemento Depósito de agua

45. Resultados de Deformación Autógena w/cm=0.35 mortero, curado sellado, 30 oC Control

46. Resultados de Deformación Autógena CCA = Agregados reciclados de concreto triturado Mortero con escoria (20 %) de cemento mezclado IC a través de LWA/CCA fina para aumentar “w/c” total de 0.30 a 0.38 (0.36) Nota – La contracción química de las reacciones de la escoria es ~0.18g agua/g escoria o alrededor de2.6veces mayor que la de cemento

47. Grado de Hidratación y Resistencia w/cm = 0.35 morteros, curado sellado w/cm = 0.3 HPM con humo de sílice en un cemento mezclado

48. Microtomografía Tridimensional con Rayos X • La Microtomografía con rayos X permite la observación directa de la microestructura 3-D de los materiales base cemento • Ejemplo: Visible Cement Data Set http://visiblecement.nist.gov • En Octubre de 2005, se realizaron experimentos en la Universidad de Penn State para monitorear el movimiento del agua en tres dimensiones durante el curado interno de un mortero de alto desempeño por un período de dos días

49. Después de mezclar 1 d hidratación 2 d hidratación Todas las imágenes son 13 mm por 13 mm Azul indica seco Rojo indica mojado Resta: 1 d – después de mezclar

50. Microtomografía Tridimensional con Rayos X 2-D imagen con regiones sin agua (poros) superpuestas enmicroestructura original (4.6 mm por 4.6 mm) Imagen tridimensional de 1 d hidratación – microestructura inicialmostrando los poros llenos de agua que sevacían durante el curado interno (4.6 mm por cada lado)