Características reológicas de las mezclas de shotcrete húmedo con áridos triturados y aditivos minerales

Características reológicas de las mezclas de shotcrete húmedo con áridos triturados y aditivos minerales

RESUMEN:

En este estudio, se evalúan cuantitativamente las implicaciones de varios aditivos minerales como las cenizas volantes, el humo de sílice, la metacaolina y la Escoria de Alto Horno Granulada Molida (GGBFS) para las propiedades reológicas del hormigón proyectado fresco de mezcla húmeda que incorpora agregados triturados. Las pruebas de laboratorio se realizaron utilizando un reómetro IBB, que ha demostrado medir adecuadamente los parámetros de Bingham de las mezclas de hormigón fresco. También se proponen consejos técnicos para mejorar la bombeabilidad y la shootabilidad en términos del tipo y nivel de reemplazo de los aditivos minerales basados en los resultados de la caracterización reológica. Los resultados de una serie de pruebas de laboratorio incluyen: (1) la incorporación de dosis más altas de cenizas volantes y humos de sílice condujo a una mejora de la bombeabilidad y shootabilidad de las mezclas de hormigón proyectado mezclado en húmedo; (2) el uso de metacaolín y GGBFS sólo fue efectivo para mejorar la bombeabilidad, particularmente cuando se emplearon dosis más bajas; y (3) se pudo lograr un espesor de acumulación de aproximadamente 240 mm a 390 mm variando el tipo y el nivel de reemplazo de los aditivos minerales.

1. INTRODUCIÓN:

Como un fluido no newtoniano compuesto de partículas de varios tamaños desde unos pocos micrómetros hasta decenas de milímetros, hormigón fresco se somete a una respuesta elástica en un rango de baja tensión y comienza a exhiben un flujo de plástico una vez que se alcanza una cierta tensión en el desviador (Tattersall y Banfill, 1983). La reología es reconocida como una teoría eficaz para describir tal respuesta de flujo de un material en entre las fases líquida y sólida, como la pasta de cemento fresca, y hormigón (Tattersall y Banfill, 1983; Lavrov y Torsæter, 2016). Ha habido una serie de enfoques para caracterizar el comportamiento de flujo del concreto fresco empírica y/o teóricamente. En la actualidad, el procedimiento más común y sencillo para evaluar la fluidez del hormigón recién mezclado es la prueba de asentamiento (AASHTO T 119M, ASTM C143, o equivalente), en el que las mediciones se toman por la diferencia de nivel entre la parte superior del hormigón colapsado y el de un cono de hundimiento bajo la acción de la gravedad. Porque la prueba de caída sólo mide esta única para evaluar la característica de flujo, sin embargo, es el parámetro no se considera una estimación totalmente exacta del hormigón fresco comportamiento.

Por otro lado, el modelo de Bingham es un modelo de dos parámetros que considera un parámetro reológico adicional además del modelo newtoniano, que se implementa predominantemente para la caracterización de concreto fresco. El modelo de Bingham estipula que el esfuerzo cortante es proporcional a una tasa de corte, dado que el esfuerzo cortante aplicado es mayor que el límite elástico; La pendiente de la relación de esfuerzo cortante y velocidad de corte se denomina viscosidad plástica, mientras que el punto de intercepción con el eje del esfuerzo cortante se conoce como esfuerzo de fluencia. El modelo de Bingham aplicado a un flujo de corte simple se puede expresar como (Tattersall et al., 1983; Ferraris y de Larrard, 1998; Koehler y Fowler, 2004; Yun et al., 2015a; Lavrov y Torsæter, 2016):

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El modelo Bingham ha sido adoptado principalmente para caracterizar fluidos viscosos con una alta concentración, como la pasta de cemento fresca. Sin embargo, con la ayuda de los recientes avances en aparatos de prueba como los reómetros oscilatorios y rotativos (Van Wazer et al., 1963; Barnes y Hutton, 1989; Wallevik y Gjørv, 1990; Beaupre, 1994), las propiedades reológicas de los reómetros frescos son las siguientes El hormigón que incorpora fases de áridos gruesos (especialmente mezclas de hormigón altamente trabajables con un valor de asentamiento de > 150 mm) puede medirse de forma viable, aunque se requiere un modelo mucho más complejo, como el modelo Herschley-Bulkley, para describir el comportamiento del flujo de hormigones especiales, como los hormigones autonivelantes y autocompactantes.

Es bien sabido que tales propiedades reológicas son factores críticos que están estrechamente asociados con el rendimiento del hormigón proyectado (es decir, la bombeabilidad y la shootabilidad) del hormigón proyectado de mezcla húmeda (Beaupre, 1994; Yun et al., 2015b), que se utiliza generalmente para aplicaciones en túneles y pavimentación (Jeon et al., 2016). Sin embargo, en la actualidad, no existen medios convenientes para obtener información sobre la bombeabilidad y la shootabilidad basada en las propiedades del hormigón proyectado fresco, mientras que ha habido numerosos intentos de investigación sobre la bombeabilidad de los hormigones de alto rendimiento y de alta fluidez. Un estudio de Browne y Bamforth (1977) estimó la bombeabilidad del concreto recién mezclado a través de pruebas de asentamiento y sangrado por presión. Otros estudios (Beaupre, 1994; Tattersall, 1991) identificaron una relación entre los parámetros reológicos del hormigón proyectado de mezcla húmeda y la bombeabilidad y la shootabilidad midiendo la presión del pistón, el espesor de la acumulación y la tasa de rebote. Burns (2008) caracterizó la bombeabilidad del hormigón proyectado de mezcla húmeda para el bombeo de líneas pequeñas, teniendo en cuenta la reología y la tribología, y la presión de la bomba. Otro intento de investigación fue hecho por Seo (2010) para establecer una correlación entre la bombeabilidad/ fluidez y propiedades reológicas del hormigón fresco a base de evaluaciones de laboratorio. Kwon et al. (2011) investigaron la característica de bombeo del hormigón fresco mezclado de alta resistencia utilizando un sistema de bombeo continuo. Un estudio reciente de Yun et al. (2015b) correlacionó los parámetros reológicos con la bombeabilidad y shootability del hormigón proyectado de mezcla húmeda con varios aditivos para sugerir una pauta potencial para predecir el hormigón proyectado el rendimiento.

Los objetivos de este estudio son: (1) investigar los efectos del tipo y nivel de reemplazo de los aditivos minerales tales como cenizas volantes, humo de sílice, metakaolin y GGBFS (Ground Granulated Blast Furnace Slag) sobre las propiedades reológicas del hormigón proyectado de mezcla húmeda; y (2) identificar si los agregados triturados (es decir..., roca de granito triturado de 10 mm y arena triturada) de conformidad con las especificaciones de gradación de "Standard Specifications for Road Construction (Ministry Construction and Transportation, 2009)" y "Guidelines for Quality Improvement of Shotcrete Tunnel Lining (Korea Expressway Corporation, 2003)" pueden utilizarse directamente para la producción de mezclas de hormigón proyectado de mezcla húmeda. Con este fin, se midieron el contenido de aire, el asentamiento y los parámetros reológicos para comprobar el cumplimiento de los requisitos típicos de dichas propiedades. Además, la bombeabilidad y la shootabilidad se predijeron con base en las mediciones reológicas y los criterios de bombeo dados en estudios previos (Tattersall, 1991; Beaupre, 1994; Burns, 2008; Yun et al., 2015; Jeon et al., 2016).

1. MATERIALES Y MÉTODOS:

1.  Materiales:

1. Cemento y agregados:

Este estudio utilizó un cemento portland comercial Tipo I que cumple con KS L 5201 (Cemento Portland). La Tabla 1 resume las composiciones químicas y propiedades físicas del cemento utilizado. Los áridos utilizados consistían en roca lavada triturada (granito) con un tamaño máximo de 10 mm y arena lavada triturada, cuya gradación se fabricó para cumplir los criterios de gradación requeridos tanto en las "Especificaciones estándar para la construcción de carreteras" como en las "Directrices para la mejora de la calidad del revestimiento de túneles de hormigón proyectado". La Fig. 1 ilustra la gradación combinada de los agregados utilizada en este estudio, junto con los límites inferior y superior de la gradación recomendada. La gravedad específica, la capacidad de absorción y el módulo de finura (FM) de la gradación agregada combinada utilizada en el estudio fueron 2.82, 2.08% y 3.75, respectivamente. La gravedad específica se calculó de la siguiente manera:

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1. Aditivos Minerales y Químicos:

Se utilizaron cenizas volantes que cumplían los requisitos de KS L 5405 (cenizas volantes). La composición química de las cenizas volantes utilizadas se presenta en la Tabla 2. La gravedad específica fue de 2,25, que fue superior al límite inferior de 1,95 especificado por la norma. Se utilizó humo de sílice con una gravedad específica de 3,0-3,6, un contenido de humedad de 1,15%, una porción de tamaño de partícula de 0-45 µm de > 98% y un área específica de 200.470 cm2/g. La composición química se resume en la Tabla 3.

Como material cementante complementario se utilizó metacaolín con una superficie específica de 12.000 cm2/g. La Tabla 4 muestra la composición química de la metacaolina utilizada. GGBFS con una gravedad específica de 2,90, un área específica de 4.306 cm2/g, y un índice de actividad a los 28 días de 103 fue utilizado. Las composiciones químicas que tenía el GGBFS: 5,61% MgO, 1,0% SO3, 0,007% ión cloruro y 0,43% LOI.

Como aditivo químico, se utilizó un superplastificante a base de policarboxilato con una gravedad específica de 1,05 ± 0,03 (a 20°C) y un valor de pH de 5,0 ± 2,0 para ajustar el asentamiento a un nivel objetivo de 100 ± 20 mm.

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