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sep. 21 de 2018
Innovación y tendencias
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Resumen:

El concreto de muy alto rendimiento (UHPFRC – Ultra High Performance Fiber Reinforced Concrete) es un material cementicio que combina los beneficios de los concretos con fibra, los de alta resistencia y los autocompactantes. Conoce en este artículo cuándo utilizar este tipo de concreto, las ventajas de su uso en estructuras, entre otros temas.

*Artículo cortesía de Dr. Juan Ángel López, Hugo Coll, Fernando Galán y Dr. Esteban Camacho.

Estrategia Blue Growth

Estrategia Blue Growth.

Crédito: Research & Development Concretes SL.

El sector de la acuicultura es uno de los cinco sectores que la Comisión Europea engloba en la denominada estrategia Blue Growth (Crecimiento Azul), que apuesta por un crecimiento económico basado en aprovechar de manera sostenible los recursos marinos, que ocupan el 71% de la superficie del planeta. Una de las necesidades para dinamizar este modelo económico es utilizar sistemas de cultivo durables y resilientes que sean capaces de resistir el oleaje, tolerar el ambiente agresivo del mar y soportar el clima cambiante, entre otros.

Uno de los campos de la acuicultura con mayor potencial es el del cultivo de mejillones, que proporciona proteínas con un coste bajo y sin necesidad de alimentar con piensos. Tras China y Chile, España es la tercera productora mundial, cubriendo una cuota del 40% de toda la producción europea.

El éxito de este elevado rendimiento es un sistema de cultivo intensivo denominado batea (foto 2), que consiste en una plataforma flotante realizada con vigas de madera de eucalipto de la que cuelgan cuerdas de unos 10 metros de longitud a las que están adheridos los mejillones. La flotación de este artefacto se consigue con flotadores de acero reforzado con fibra de poliéster (en color azul en la foto 3).

Batea tradicional

Batea tradicional, realizada con madera de eucalipto.

Crédito: Research & Development Concretes SL

Las bateas se construyen con madera por su baja densidad, que permite que el coste de los flotadores no sea elevado, y por su bajo módulo elástico, que le permite adaptarse al oleaje sin daños ni arrancamiento del mejillón. Sin embargo, la batea de madera tiene una vida útil corta y muy variable (entre 8 y 15 años), requiere mantenimiento continuo y su descomposición altera el ecosistema. Estos factores, sumados a los requisitos legales crecientes en materia medioambiental, han fomentado el desarrollo de la alternativa que aquí se presenta, más tecnológica e industrializada.

Concreto de muy alto rendimiento

Se conoce por concreto de muy alto rendimiento (UHPFRC por sus siglas en inglés, Ultra High Performance Fiber Reinforced Concrete), a un material cementicio que combina sinérgicamente las ventajas de los concretos con fibras (FRC), los de alta resistencia (HSC) y los autocompactantes (SCC). Según la normativa francesa [2], la primera y más relevante que regula específicamente estos materiales, el UHPFRC se diferencia por tener al menos 150 MPa de resistencia característica a compresión, contener fibras de acero para evitar fallos frágiles y ser autocompactable en estado fresco para facilitar su colocación. La tabla proporciona el rango típico de dosificaciones y propiedades del UHPFRC.

Rango típico de dosificaciones y propiedades del UHPFRC

Las grandes ventajas del uso del UHPFRC en las estructuras se resumen en:

  • Su elevado contenido en fibras implica un comportamiento de multi-micro fisuración a tracción. Este efecto permite eliminar las armaduras secundarias y mejorar notablemente la durabilidad respecto a la apertura de macro-fisuras en servicio.
  • La reducida relación a/c implica que no existe una red intercomunicada de poros, con lo que la permeabilidad es muy reducida. Esto permite reducir significativamente los recubrimientos, aligerando así la estructura y minimizando el volumen de material utilizado.
  • La baja relación a/c también implica la presencia de cemento no hidratado en la matriz, lo que tiene un efecto de autosanado al abrirse una microfisura. De este modo la estructura se auto protege.

¿Cuándo utilizar este tipo de concreto?

El uso del UHPFRC en estructuras es especialmente competitivo cuando se busque como mínimo uno de los siguientes casos:

  • Realizar diseños más livianos para reducir costes de transporte y manipulación.
  • Reducir el mantenimiento porque es caro, complejo o arriesgado.
  • Reducir el volumen de materias primas utilizadas, promoviendo la sostenibilidad y la economía circular.
  • Afrontar con más garantías las aplicaciones en ambientes agresivos (XS, XA de acuerdo con el Eurocódigo 2 [1].
  • Abordar desafíos arquitectónicos, como estructuras esbeltas o con calidades de acabado excelentes. El caso que aquí se trata busca los cuatro primeros objetivos.

Bateas de UHPFRC para cultivo de moluscos

La empresa Research & Development Concretes desarrolló en 2015 y patentó mediante un modelo de utilidad el diseño de batea realizada con UHPFRC.

La solución básica es un diseño mixto que combina vigas de UHPFRC con pontones de madera (Foto 3), mientras que la solución plana y sin mantenimiento está compuesta de bastidores de UHPFRC (Foto 4).

Batea de vigas de UHPFRC

Batea de vigas de UHPFRC con pontones de madera durante su colocación sobre la lámina de agua.

Crédito: Research & Development Concretes SL.

Batea con bastidores de UHPFRC

Batea con bastidores de UHPFRC. Su planeidad aporta mayor seguridad en el trabajo.

Crédito: Research & Development Concretes SL.

El diseño mixto consiste en un entramado de vigas pretensionadas de sección aligerada conectadas mediante pernos. La batea tiene unas dimensiones de 20 x 27 m y se compone de vigas de UHPFRC (6 primarias y 11 secundarias) sobre las que se apoyan los pontones de madera de los que cuelgan las cuerdas.

El modelo plano consiste en realizar los pontones en UHPFRC e integrarlos en las vigas generando bastidores del mismo material. La ventaja de esta solución es que se reducen los plazos de montaje y se elimina por completo la madera y su mantenimiento. La idoneidad del diseño propuesto por RDC se fundamenta en los siguientes principios:

  • Según [2], el concreto pretensionado en clase de exposición XS3 admite recubrimientos de 25 mm para una vida útil de 50 años. Este reducido recubrimiento permitió diseñar una viga ligera y con un canto reducido, reduciendo su inercia lo máximo posible para aportar la flexibilidad que requiere la aplicación.
  • La elevada resistencia a compresión del UHPFRC permitió diseñar unas vigas que en estado de reposo se encuentran a una tensión de compresión de hasta 50 MPa, lo que impide que los momentos de servicio provoquen fisuración en las vigas, asegurando una buena durabilidad.

La comparación entre las secciones de las vigas de madera de una batea tradicional y las de la batea de UHPFRC se muestra en la foto 5.

Vigas de madera
 

Comparación de secciones de batea de UHPFRC con la de madera (izquierda) y comparación cualitativa de las propiedades que tendría una batea si se construyera con diferentes materiales para tener una cierta capacidad.

Crédito: Research & Development Concretes SL.

El diseño tiene unas consecuencias para el sector que se cuantifican en la tabla siguiente, y que muestra que la solución propuesta es una inversión duradera y de una elevada relación calidad/precio, lo que explica el creciente volumen de demanda de este producto.

Tipo de batea

Fabricación de bateas de UHPFRC

RDC logró el apoyo de la fase dos del programa SME Instrument Horizon2020 de la Comisión Europea para la financiación de los primeros prototipos de bateas, de las que actualmente ya existen seis en diferentes puntos de la costa española.

Actualmente, las vigas y bastidores se prefabrican con el marcado CE de elementos estructurales lineales EN 13225:2013, certificado por Applus®. Las exigencias mecánicas y recubrimientos de este tipo de concretos aconsejan un nivel de control intenso durante el prefabricado. Dado que el coste del UHPFRC puede ser hasta 20 veces superior al de los concretos tradicionales, el control de calidad se suele plantear con volúmenes comedidos de material. En este caso desde el inicio se planteó controlar la reología al final del proceso de amasado con el ensayo mini-slump flow (ASTM C230), que para diámetros de entre 250 y 280 mm proporcionaba una autocompactabilidad óptima y sin segregación. Las amasadas con valores superiores eran descartadas.

Ensayo para medir la reología del UHPFRC

Ensayo mini-slump flow para medir la reología del UHPFRC.

Crédito: Research & Development Concretes SL.

Ensayo mini-slump flow para medir la reología del UHPFRC

Ensayo mini-slump flow para medir la reología del UHPFRC – Resistencia a la compresión.

Crédito: Research & Development Concretes SL.

Los ensayos a compresión se realizaron sobre probetas cúbicas de L=100 mm y menos de un 5% de todas las muestras eran inferiores a la resistencia característica considerada en el diseño (fck=135 MPa). Especialmente relevante es la caracterización de la resistencia a flexión, realizada mediante ensayos a 4 puntos sin entalla, puesto que permite mediante un análisis inverso estimar la ley tenso-deformacional del concreto a tracción. La ley media obtenida en el concreto producido en la planta se muestra en la foto 8. La pendiente creciente de la ley tensión-deformación muestra el endurecimiento por deformación del material hasta una deformación a tracción del 0.4%.

Ley tensión-deformación y tensión-apertura de fisura

Ley tensión-deformación y tensión-apertura de fisura del UHPFRC producido en planta.

Crédito: Research & Development Concretes SL.

La extracción y almacenamiento de los elementos de la bancada de pretensado se realizaba 48 horas tras el vertido. El transporte hasta destino, que en el caso de Galicia excedía los 1000 km, requiere un transporte especial específico por la longitud de las vigas/bastidores.

Vigas y bastidores de UHPFRC acumulados en la planta

Vigas y bastidores de UHPFRC acumulados en la planta.

Crédito: Research & Development Concretes SL.

Comportamiento de las bateas de UHPFRC

La capacidad y flexibilidad de las vigas de UHPFRC fue testada y contrastada con la de la madera mediante ensayos de ciclos de carga a escala real en laboratorio, probando que las primeras no sufrían una caída de la capacidad de carga con la repetición de ciclos. Además, las primeras bateas de UHPFRC se monitorizaron para analizar su comportamiento real en servicio. El sistema de sonorización se alimenta con energía solar y consiste en:

  • Instalación de cámaras de control en directo para observar en tiempo real la respuesta frente al oleaje y la facilidad para realizar los trabajos de cultivo. El comportamiento en directo se puede visualizar en la web de la RDC.
  • Instalación de una red integrada de sensores para la monitorización de la durabilidad [7]. En cada punto se instalaron dos sensores de corrosión y cuatro sensores de alerta temprana para detectar cambios relevantes en la actividad de cloruros y en el nivel de pH del concreto. En cada batea se colocó además una probeta de control realizada con concreto convencional (a/c = 0,65) dentro de la cual se dejó embebido un set de sensores similar para contrastar la información obtenida.

Este sistema no destructivo envía de forma inalámbrica dos veces al día el estado de corrosión de las armaduras en cuatro zonas de cada batea. Los sensores proporcionan intensidad de corrosión ajustándose a un modelo teórico, el potencial de corriente nula (OCP) de los sensores de pH, de detección de cloruros y de los sensores de corrosión (Ecorr). Desde el inicio de la monitorización en octubre de 2016 ninguna de las bateas ha mostrado un riesgo o velocidad de corrosión significativo, si bien los datos de mayor interés se observarán durante los próximos años.

Primera batea mixta de UHPFRC a vista de dron

Primera batea mixta de UHPFRC a vista de dron.

Crédito: Research & Development Concretes SL

Referencias:

[1] UNE-EN 1992-1-1. Eurocódigo 2: Proyecto de estructuras de hormigón. Parte 1-1: Reglas generales y reglas para la edificación. Junio 2010.

[2] French Norm NF P 18-470.

[3] UNE-EN-12350-8. Ensayos de hormigón fresco. Parte 8: Hormigón autocompactante. Ensayo del escurrimiento.

[4] UNE-EN 12390-3 Ensayos de hormigón endurecido. Parte 3: Determinación de la resistencia a compresión de probetas.

[5] UNE-83316. Ensayos de hormigón. Determinación del módulo de elasticidad en compresión.

[6] UNE-EN 12390-5, Ensayos de hormigón endurecido. Parte 5: Resistencia a flexión de probetas.

[7] Informe sobre la instalación de una red de control de la corrosión en bateas de hormigón de altas prestaciones. Realizado para RDC. Instituto Interuniversitario de Investigación de Reconocimiento, Universitat Politècnica de València.

Nota aclaratoria de responsabilidad: Las observaciones contenidas en este documento son de carácter informativo y deben ser aplicadas y/o evaluadas por el constructor o usuario solamente en caso de considerarlas pertinentes. Por lo tanto, estas observaciones no comprometen a Argos, a sus filiales o a sus subordinados.

El UHPFRC se diferencia por tener al menos 150 MPa de resistencia característica a compresión, contener fibras de acero para evitar fallos frágiles y ser autocompactable en estado fresco.

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Conclusión

El elevado rendimiento del UHPFRC permite resolver problemas en sectores hasta ahora impensables para el concreto convencional. Prueba de ello son las bateas aquí propuestas, una de las primeras aplicaciones con UHPFRC viables técnica y económicamente alejada del sector de las infraestructuras. Los elementos prefabricados aportan al cliente un elevado nivel de calidad y estandarización, lo que le permiten afrontar la inversión con unas garantías de vida útil con las que hasta ahora no podía contar.

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