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17 de junio de 2015
M.Sc. Ing. Pablo Pea Torres
Control Trmico delConcreto Masivo
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Introduccin
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Introduccin
Actualmente, en nuestro pais, sepresentan proyectos de gran
infraestructura (sector minero, hidro-
energetico, industrial, etc.), en donde
se colocan grandes volmenes de
concreto para distintos tipos deestructuras. Normalmente alrededor
del 40% del volumen de concreto de
estos proyectos estn en vaciados
masivos.
Cuando no existe un control trmicodel elemento a vaciar, se puede genera
un elevado gradiente trmico entre el
interior del concreto y la superficie
expuesta, lo que causara fisuras y
grietas en el elemento.
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Introduccin
Qu 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
dimensin mnima de laseccin 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 selectingproportions for normal,
heavyweight and mass
concrete).
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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 prontoposible previniendo un gradiente alto de
temperatura
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Filosofa
Reducir latemperatura
interna delconcreto
Concreto fresco
Calor de hidratacin
Manejar elcurado y
proteccin atemprana edad
Controlar la disipacin de calor Controlar el gradiente interno por temperatura
Mantener la superficie del concreto hmedo
Reducir la retraccin por secado
Controlar la re-integracin alproceso
constructivo
Resistencia
Exposicin a las condiciones ambientales
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Factores a considerar
Concreto fresco Trabajabilidad
Tiempo de fragua
Terminado
Colocado Juntas fras
Concreto endurecido Resistencia
Tiempo/Edad
En sitio
Proteccin a la tempranaedad
Curado
Temperatura
Durabilidad Fisuramiento
Corrosin del acero
Permeabilidad
Progreso del procesoconstructivo
Diseo de mezcla Materiales
Proporciones
Temperatura del concretoFresco
Coordinacin entre producciny colocado
Control de calidad en el campo
Resistencia de diseo Temprana edad
Edad de diseo
Monitoreo de la temperatura
interna del concreto en sitio Coordinacin del curado con las
condiciones ambientales y elproceso constructivo
Reparacin del fisuramiento
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Norma
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Norma
Segn el ACI 207.2-07:
Cualquier elemento de grandesdimensiones que genere que se
tomen medidas preventivas paracontrarrestar la generacin de calorinterior debido a la hidratacin decemento causando cambiosvolumtricos y con esto, fisuras ogrietas.
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Norma
El Mtodo del ACI 207.2 se basa en bacos para predecir latemperatura mxima en el concreto, en funcin de las
dimensiones, la temperatura de colocado y la temperatura del
ambiente.
El ACI 207.2 recomienda que el delta trmico interno del concreto
no debe superar los 20C.
Alcances del ACI 207.2
Considera un concreto pobre con 150 kg/m3
Considera un concreto masivo sin acero de refuerzo
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Mtodos de prediccin de temperatura
Para predecir las temperaturas se deben conocer las caractersticas delconcreto masivo (diseo y condiciones de colocacin).
Existen diversos mtodos desarrollados en el mundo, entre los ms
conocidos se tienen:
ACI 207.2Cuadros graficasempricos yecuaciones
PCAFcil, rpidaestimacin
Schmidt
Mtodo iterativobasado entransferencia de calor
AnlisiscomputacionalMEF
Modelocomputacional basadoen esfuerzos, tiempo ytemperatura
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Comportamiento trmico
Fuente: Geun, Kim 2010
Altas temperaturas en el interior del concreto generadas por el calor de
hidratacin del cemento Portland, debido a las grandes dimensiones.
Caractersticas mas importantes del comportamiento trmico
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Comportamiento trmico
Fisuracin por
restriccin interna
Caractersticas mas importantes del comportamiento trmico
Fisuracin porrestriccin externa
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Comportamiento trmico
Calor de Hidratacin
Composicin de cementoFineza del cemento
Cantidad del cemento
Efecto qumico de los aditivos
Relacin a/c
Temperatura de la mezcla
Prediccin de la Temperatura
Ciclo medioambiental
Temperatura del aireVelocidad del viento
Humedad relativa
Nubosidad
Radiacin solar
Presin de aire
Transferencia de calor
Elemento geomtricoTamao del elemento
Mtodo de curado
Tipo de agregado
20C
Ncleo
SuperficieCiclo medioambiental
Calor de hidratacin Transferenciade calor
Tiempo
Tem
peratura
Tiempo
Tem
peratura
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Comportamiento trmico
Debe protegerse frente a las bajas o altas temperaturas, de lo contrario, se
generarn gradientes trmicos drsticos de temperatura entre el interior y la
superficie expuesta. Debe existir un gradiente mximo de temperatura.
Gradiente Trmico
Fuente: PCA, 2004
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Comportamiento trmico
Gradiente Trmico
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Comportamiento trmico
Gradiente Trmico
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Experiencias de vaciadosde concreto masivo
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Experiencias de vaciados masivos
COLOMBIA Refinera de Cartagena (Ao: 2011)
Dimensiones: 24mx57mx2.4m
Volumen de vaciado: 3300 m3
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Experiencias de vaciados masivos
COLOMBIA Refinera de Cartagena
Volumen vaciado: 3300 m3
Tiempo: 22.5 horas
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Experiencias de vaciados masivos
CHILE Central Trmica Angamos, Mejillones (Ao: 2009)
Dimensiones: 57m x 35m x 1.75m
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Experiencias de vaciados masivos
CHILE Central Trmica Angamos, Mejillones
Volumen vaciado: 3,500 m3
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Experiencias de vaciados masivos
EEUU New Wilshire Grand (Ao: 2014)
Record Guinness de vaciado masivo
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Experiencias de vaciados masivos
EEUU New Wilshire Grand
Volumen vaciado: 16,200 m3
Tiempo: 24 horas
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Experiencias de vaciados masivos
PER Proyecto Antapacay /Expansin Tintaya (Ao: 2011)
Dimensiones: 20m x 20m x 3.2m
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Experiencias de vaciados masivos
PER Proyecto Antapacay /Expansin Tintaya
Volumen vaciado: 1,280 m3
Tiempo: 20 horas
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Experiencias de vaciados masivos
PER Nueva sede del Banco de la Nacin (Ao: 2014)
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Experiencias de vaciados masivos
PER Nueva sede del Banco de la Nacin
Volumen vaciado: 5,600 m3
Tiempo: 36 horas
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Experiencias de vaciados masivos
PER Nueva campus UTEC (Ao: 2014)
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Experiencias de vaciados masivos
PER Nueva Campus UTEC
Volumen vaciado: 850 m3
Tiempo: 8 horas
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Experiencias de vaciados masivos
64 m3/horaPer / Antapacay
155.5 m3/hora
Per / Banco de la Nacin
112.5 m3/hora
Per / UTEC
147 m3/horaColombia (Refinera de Cartagena)
876 m3/hora
EEUU (New Wilshire Grand)
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Importancia del controltrmico del concreto masivo
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Importancia del control trmico delconcreto masivo
Al conocer el
comportamiento trmico
terico del concreto
masivo, se puede realizarpredicciones de la
temperatura mxima y
tomar medidas de
contingencia para la
fabricacin y vaciado del
elemento.
Ahorro de tiempoen la construccin
Ahorro de dinero
Cumplir con lasEETT
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Importancia del control trmico delconcreto masivo
El problema?Fisuras a edad temprana, debido a altos gradientes de temperaturas en el
interior del concreto (Los esfuerzos de traccin actuantes son mayores a la
resistencia a traccin).
Fuente: Geun, Kim 2010
A edad temprana setiene una baja
resistencia a la traccin
l l l
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Importancia del control trmico delconcreto 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.
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Factores a considerar enla temperatura
i fl l
-
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Factores que influyen en lastemperaturas
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 proteccin del concreto.
Diseo de mezcla de concreto
F i fl l
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Factores que influyen en lastemperaturas
Temperatura decolocacin del concreto
y condicionesambientales
Diseo de mezcla ycondicionesambientales
Fuente: Figueroa, 2009
= +
F i fl l
-
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Factores que influyen en lastemperaturas
Temperatura decolocacin del concreto
y condicionesambientales
Diseo de mezcla ycondicionesambientales
Temperatura de agregados
Temperatura de agua de mezcla
Transporte de mezcla
Dimensiones de elemento
Tipo de cemento
Fineza del cemento
Cantidad de cemento en la mezcla
Tamao mximo del agregado
F t i fl l
-
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Factores que influyen en lastemperaturas
DISEO
CONSTRUCCIN
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Formas de controlar laTemperatura
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Guas Generales
Temperatura del concreto fresco Necesaria para evitar que el concreto endurecido exceda 71C
Temperatura mxima del concreto en sitio 71C
Gradiente mximo 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 / Proteccin durante la temprana edad 7 das
Temperatura interna en descenso Gradiente interno 20C
Gradiente mximo con el ambiente durante 24h anteriores 10C
Temperatura ambiente en ascenso por las prximas 6 horas.
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Controles Trmicos
Controlar el contenido de cemento
Mtodo de pre enfriamiento
Mtodo de post enfriamiento
Planificacin del proceso constructivo
El calor de hidratacin es el calor que
genera el concreto durante el periodo
de endurecimiento como resultado del
proceso qumico por el cual el cemento
reacciona con el agua para formar una
pasta dura y estable.
Fuente: PCA: Desarrollo relativo de laresistencia de cubos de morteros de
cemento como un porcentaje de la
resistencia a los 28 das. Los promedios
fueron adaptados de Gebhardt 1995.
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Controles Trmicos
Controlar el contenido de cemento
Mtodo de pre enfriamiento
Mtodo de post enfriamiento
Planificacin del proceso constructivo
MTODOCOSTO
ESTIMADO(US$/m3)
Enfriamiento de agua de mezcla a 2C 9-22.5Enfriamiento de agregados con agua a 13C 9-27Reemplazo del 50% de agua por hielo 13.5-27Usar agua a 2C para mezcla y agregados 18-45Nitrgeno lquido 45-100
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Controles Trmicos
Controlar el contenido de cemento
Mtodo de pre enfriamiento
Mtodo de post enfriamiento
Planificacin del proceso constructivo
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Controles Trmicos
Controlar el contenido de cemento
Mtodo de pre enfriamiento
Mtodo de post enfriamiento
Planificacin del proceso constructivo
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Proceso constructivo
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Diseo de mezcla
Caractersticas del concreto a utilizar
Definir tipo de concreto a utilizar, TNM, slump, a/c, etc.
Alternativas para reducir la Temperatura mxima del concreto masivo desde eldiseo: Utilizar aditivo retardador de fragua para retardar la hidratacin y distribuir la liberacin de calor
en un mayor tiempo.
Utilizar agua helada en la mezcla de concreto (T=2C) o hielo.
Dejar reposar el cemento para as disminuir su temperatura al momento del vaciado.
Utilizar un cemento de moderado calor de hidratacin (Tipo MS, II o IP).
Utilizar TNM del agregado grueso (1 o 1 ) a fin de disminuir la cantidad de cemento por m3 deconcreto.
Usar un factor de seguridad de 1.2 para la resistencia, es decir: fcr=1.2 fc (no debemos exagerarla resistencia final, en este caso debemos bajar la cantidad de cemento por m3).
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Colocacin del concreto
Esquema de disposicin de equipos
BOMBA 1
BOMBA 2
BOMBA 3
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Colocacin del concreto
El vaciado debe ser continuo para evitar juntas fras.
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Curado
Mtodos de curado
Interposicin de un medio hmedo
Curado por mantas
Curado por interposicin de un medio impermeable
Utilizar los encofrados
Papel impermeable
Hojas de polietileno
Compuestos sellantes
Curador qumico
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Curado
Microclima o ambientes cerrados Se considerar el uso de ambientes cerrados como el medio ms efectivo de
proteccin para los climas fros y lograr concretos de alta calidad. Losambientes cerrados podrn construirse con materiales flexibles o conmateriales rgidos (Mitigar cargas de viento, nieve, ser impermeables al aire).
La temperatura de descenso despus del periodo de proteccin, para lassecciones masivas la cada deber ser menor de 10C en 24 horas, a fin dereducir las distintas deformaciones inductoras de agrietamiento entre el
interior y el exterior de la estructura.
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Instrumentacin
Los instrumentos para monitorear y registrar la temperatura del concreto
fueron las termocuplas ( ncleo central y superficie)
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Registros trmicos deexperiencias en obra
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Experiencias en obra
Proyecto Cerro Verde Largo: 29m
Ancho: 19.5m
Alto: 1.75m
Volumen: 990 m3
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Experiencias en obra
Caractersticas del vaciado
ITEM SIMBOLO VALOR (C)
Temperatura de colocadoTCOL 27
Temperatura de ambiente TAMB 17
Temperatura de terrenoTM 16
Temperatura mnima promedioTA 5
fc=280 kg/cm2
Cemento Tipo HE
Wc=365 kg/m3
Encofrado de madera
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Experiencias en obra
Layout para vaciado masivo
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Experiencias en obra
Situacin de diseo mas critica
1.75 m
1
2
3
4
5
6
Volumen total = 6 x 16 = 96 m3
Vel = 100 m3/h
0.30 m
1.84 m
-
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Experiencias en obra
Registro de temperaturas
T emp er at ur a Su pe rf ic ie Co nc re to Amb ie nt e
Mximo 50.5 72.5
Mnimo 18.5 28.0
25.0
10.5
35.0
1.5
-
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Experiencias en obra
Registro de temperaturas
35 C
-
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Experiencias en obra
Registro de temperaturas
2 DIA
51 C
6 DIA
43 C
-
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Experiencias en obra
Proyecto Cerro del guila Alto: 2.8m
Largo: 3.15m
b
-
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Experiencias en obra
-
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i i b
-
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Experiencias en obra
E i i b
-
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Experiencias en obra
Ubicacin de
Termocuplas
E i i b
-
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Experiencias en obra
Registro de temperatura
E i i b
-
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Experiencias en obra
Registro de temperatura
27C
22C
E i i b
-
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Experiencias en obra
Proyecto Inmaculada Pedestal de molino SAG
Altura: 1.75m
E i i b
-
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Experiencias en obra
0
10
20
30
40
50
60
70
Temperatura(C)
CONTROL TEMPERATURA CONCRETO
Temp. Centro
Temp.Superficie
Temp.Microclima
Tmin ambiente
= 10C
Tmax concreto
= 70C
Tiempo
1 DIA 2 DIA 3 DIA 4 DIA 5 DIA
E i i b
-
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Experiencias en obra
De las grficas 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 15C.
El gradiente trmico entre el ncleo y la superficie de concreto no sobrepaso los 20C
permitidos por el ACI 207 llegando a diferenciales mximos de 13C.
0.0
5.0
10.0
15.0
20.0
25.0
Grad
iente
(C)
GRADIENTE DE TEMPERATURA CONCRETO
GradienteTemperatura
Gradiente
mximo = 20C
1 DIA 2 DIA 3 DIA 4 DIA 5 DIA
-
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Conclusiones
Conclusiones
-
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Conclusiones
El incremento de temperatura depende de diversos factores:
Dimensiones geomtricas
Temperatura de vaciado
Contenido y tipo de cemento
Condiciones ambientales y
Propiedades trmicas del concreto.
Se debe reducir el incremento de la temperatura al interior delconcreto.
Se pueden tomar en cuenta precauciones desde el punto de vistade construccin y de diseo.
Construccin: Mantas trmicas, Microclima, Estufas, Tuberas de aguahelada, Temperatura de agua de curado, Aditivos plastificantes, entreotras.
Diseo: Tipo de cemento, Reduccin de la cantidad de cemento, Finura delcemento, tamao mximo del agregado, entre otras.
Conclusiones
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Conclusiones
Se pueden soportar gradientes mayores a 20 C, en el caso de estructuras
reforzadas.
21MPa 28MPa
33 C38 C
35MPa
43 C
Fuente: Gajda, 2002
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Gracias
M.Sc. Ing. Pablo Pea [email protected]