Hormigón pesado. Una mirada actual de su empleo como blindaje
INTRODUCCIÓN
El hormigón pesado es útil como material de protección contra la radiación. Su aplicación en la industria de la construcción es relativamente reciente, motivado por el desarrollo de la energía nuclear. Un paramento compacto de este tipo de hormigón puede servir como protección contra los rayos gamma y los rayos X, además se desprende un ahorro económico respecto a los hormigones ordinarios, puesto que para la misma protección se necesitan espesores mayores. A pesar de que con las nuevas tecnologías el grado de conocimiento de este material ha aumentado considerablemente, es cierto que aún queda un largo camino que recorrer. Son pocas y puntuales las construcciones en las que se ha utilizado este tipo de hormigón, lo que denota su grado de desconocimiento y/o la dificultad para obtener los aglomerados necesarios para producirlo.
El concepto es claro, se diseñan hormigones de alta densidad para conseguir pesos unitarios superiores a los de los hormigones ordinarios. De esta manera, se pretende alcanzar pesos de superiores a 2600 kg/m3. Esto se consigue usando áridos pesados incluyendo minerales de hierro tales como la magnetita y limonita, rocas de cantera tales como barita, virutas de acero y minerales de hierro, o materiales sintéticos como los ferrofosforosos.
Los estudios existentes sobre este tipo de hormigones se han centrado en la protección que ofrecen y los daños que experimentan ante los efectos de la radiación en centrales nucleares.
–Hormigón pesado
La densidad es la propiedad más importante que se busca en dicho hormigón, no obstante, no se debe olvidar propiedades como la elasticidad y propiedades que permitan una baja expansión térmica y unos bajos niveles de deformidad. Utilizando áridos naturales apropiados se pueden obtener densidades de hasta 4.1 g/cm3.
Los hormigones de alta densidad suelen usarse cuando el grosor de la obra que se ejecuta está limitado. De esta forma, con un hormigón más denso se consiguen reducir los espesores necesarios. Por este motivo, se necesita un hormigón que desarrolle una alta resistencia a la compresión así como permanecer inalterado frente a las grandes variaciones de temperatura.
Además de la densidad, existen otras propiedades como la capacidad de retención de agua, la resistencia mecánica (a compresión, impacto, abrasión, tracción, etc.), la conductividad térmica, el calor específico y el coeficiente de expansión lineal. Por ejemplo es importante conocer las características de absorción de agua de los áridos, tanto de los gruesos como de los finos, con el fin de poder determinar con detalle la cantidad de agua neta en la dosificación establecida. La resistencia a compresión de los hormigones de alta densidad debe ser del orden de dos o tres veces la resistencia de los hormigones convencionales, y la pérdida por abrasión no debe superar el 20 %.
Con relación a las propiedades químicas, se exige que sean lo más inertes posible para así evitar al máximo el desarrollo de posibles reacciones químicas.
Los diferentes componentes del hormigón deben ser lo más homogéneos posible. Si se decide utilizar áridos provenientes de las menas de hierro y bario se debe tener presente que contienen una gran cantidad de polvo, sílice y otras impurezas que disminuyen la densidad y otras propiedades importantes del hormigón de alta densidad, por lo que su utilización requiere un tratamiento previo de lavado y optimización para su aplicación.
También es importante considerar que la trituración produce una gran cantidad de partículas planas y alargadas generalmente frágiles. Estos fragmentos no son deseables en la fabricación de un hormigón denso de buenas prestaciones. Por lo tanto, y en la medida de lo posible, se deben elegir materiales cuya trituración permita una buena granulometría y no produzca cantidades excesivas de polvo.
-Dosificaciones más comunes:
Los estudios existentes sobre hormigones pesados se han centrado siempre en obtener hormigones aptos para la construcción de centrales nucleares. Por este motivo, las dosificaciones más estudiadas y quizás extendidas de hormigones de alta densidad tienen que ser modificadas en algún aspecto. Para hormigones estructurales lo lógico es hablar de cantidades de cemento comprendidas entre 280 y 480 kg/m3 y una relación agua/cemento alrededor de 0.5.
Durante el "boom" de construcción de centrales nucleares en España, hacia los años 70, se hicieron unos importantes estudios en el Laboratorio de Materiales y Estructuras de la Universidad de California Berkeley. El objeto de estas investigaciones era el de proporcionar datos pertinentes de las constantes de los hormigones (resistencia a la compresión, módulos de elasticidad y Poissón,…) y para ello se confeccionaron de cada hormigón las suficientes probetas cilíndricas de 15×30 cm.
Las conclusiones que se extrajeron fueron muy interesantes:
1- Bajo condiciones dinámicas la resistencia a la compresión se incrementa alrededor de un 20-25% al pasar de hormigones convencionales a hormigones de alta densidad. El módulo de elasticidad y de Poisson también crecen un orden de un 5-8% y 10-15% respectivamente.
2- El módulo de elasticidad se asemeja al módulo calculado con la ecuación del ACI
3- El uso de Puzolana como aditivo en áridos de peso normal tiende a retardar la hidratación y a un substancial aumento de la resistencia a la compresión entre los 28 y 90 días después de elaborado.
4- Los hormigones de alta densidad estudiados (en este caso uno con magnetita y el otro con perdigones de acero), presentan valores elevados de la resistencia a la compresión y del módulo de elasticidad.
1.3- Dosificaciones
En la siguiente tabla tomada de la normativa ACI, se pueden distinguir varias dosificaciones para diferentes hormigones de alta densidad. Como se puede apreciar en la tabla, esta propiedad varía en función de los áridos utilizados.
Tabla 1- Proporciones para el hormigón de alta densidad (American Concrete Institute)
2 -MATERIALES:
–Agua: El agua utilizada en el amasado de hormigones de alta densidad debe seguir las recomendaciones de la ACI 301. Como regla general, el agua de mezclado debe ser potable. No debe contener impurezas que puedan afectar la calidad del hormigón.
–Áridos: El hormigón de alta densidad se consigue con el uso de áridos pesados incluyendo minerales de hierro tales como la magnetita y la limonita, rocas de cantera tales como la barita, virutas de acero y minerales de hierro o materiales sintéticos tales como los ferrofosforosos. Parece lógico pensar que los áridos de alta densidad son más caros y requieren tratamientos especiales en lo que se refiere a la dosificación en el hormigón y su puesta en obra. Los áridos de alta densidad tienden a segregarse en el seno de la pasta de cemento, por lo que se necesita un tamaño de grano más fino que el usual. A pesar de esto, las granulometrías de los áridos pueden ser las convencionales. La arena no necesariamente tiene que ser especial, siempre que sea admisible por el peso unitario. Debe ser limpia, bien graduada y libre de limo, arcilla o materiales orgánicos. La gravedad específica o módulo de finura puede ser especificada para mezclas especiales tales como hormigones de agregado grueso reducido.
Se debe evitar la incorporación de aire, a causa del detrimento de la densidad y por consiguiente no puede ser usada para mejorar la laborabilidad del hormigón. Por este motivo, muchas veces la solución es usar arenas más finas y elevados contenidos de cemento para obtener un hormigón cohesivo y con una buena laborabilidad.
La densidad y la composición de los áridos deben cumplir los requerimientos de la ASTM C637 y la ASTM C638. Si se usan como árido grueso agregados metálicos, tenemos que verificar que el 100% del peso quede retenido en el tamiz de 9,5mm y que están libres de pedazos finos, planos o alargados de metal.
Los áridos se deberán transportar y almacenar de una manera que asegure una pequeña o nula pérdida de finos así como una protección frente a la contaminación por otros materiales.
Experiencias internacionales en el uso de varios tipos de áridos.
Los minerales ferrosos, ilmenita, hematina y magnetita, de densidades comprendidas entre 4.1 y 4.8 kg/dm3 pueden producir hormigones con densidades comprendidas entre
3.2 y 4.8. Los minerales ferrosos son utilizados fácilmente en forma usual y pueden ser procesados con facilidad en áridos gruesos y finos. En la tabla 2 podemos apreciar una imagen del mineral de ilmenita.
La hematina que podemos apreciar en la tabla 2, se encuentra en abundancia pero con muy poca riqueza, por lo que el peso específico aparente es relativamente bajo.
Un problema que surge para el suministro de la magnetita (tabla 2) es la granulometría y la forma de los granos. La magnetita adecuada para árido grueso, en cuanto a tamaño, se produce casi exclusivamente por trituración, por lo que se obtienen áridos angulosos que le dan un aspecto áspero al hormigón y difícilmente trabajable. Por este motivo estos hormigones son difícilmente bombeables.
La barita es una roca de cantera compuesta de un 90 a 95% de Sulfato de bario con un peso específico de entre 4.1 y 4.3. Se puede procesar con cierta facilidad para transformarla en árido fino y grueso, y normalmente se obtiene un hormigón de densidad 3.7. En la tabla 2 se aprecia una imagen del mineral barita.
| Mineral de ilmenita |
| Hematina roja |
| Cristales de magnetita |
| Mineral barita |
Tabla 2: Minerales empleados como áridos en hormigones pesados.
El ferrofosforoso tiene una alta densidad de entre 5.8 y 6.3, lo que le permite producir un hormigón con densidades de alrededor de 4.0 a 5.6. Sin embargo, hay que tomar precauciones con su uso porque cuando se mezcla con cemento Pórtland genera un gas inflamable y posiblemente tóxico el cual puede desarrollar altas presiones si es confinado. No se reporta en la literatura consultada las experiencias en la fabricación hormigones a base de áridos de acero o ferrofósforos.
Los pedazos y las virutas de hierro y acero tienen la densidad más alta de todas, de entre
6.2 y 6.7. Esto permite realizar hormigones de densidades de alrededor de 4.80. Para obtener densidades máximas, las virutas y barritas de hierro se utilizan como árido grueso. En cambio, los áridos de acero a menudo no son deseables debido a su nula granulometría y a que presentan problemas de segregación. Muchas veces con los áridos de acero es difícil conseguir unas correctas adherencias y resistencias a la compresión.
–Cemento: Los hormigones de alta densidad no deben llevar cementos especiales. Todos
aquellos cementos que cumplan las consideraciones de la ASTM C150 o la ASTM C595 y consigan las propiedades físicas requeridas, siendo utilizables para fabricar hormigones convencionales, podrán ser usados para fabricar hormigones de alta densidad. Si nos fijamos en las recomendaciones de la normativa americana ACI, tenemos que tener en cuenta que si los áridos tienen componentes que puedan reaccionar con los álcalis, deben utilizarse cementos con bajo contenido de estos componentes. Si la construcción requiere hormigón en masa, será preciso utilizar cementos de bajo calor de hidratación.
A menos que se controle la temperatura del hormigón, no se recomienda utilizar cementos de tipo III, ya que esto comportaría tener un alto calor de hidratación que conllevaría a aumentar la fisuración. Los componentes puzolánicos o mixtos cemento- puzolana tienden a reducir la densidad del hormigón, por este motivo, no está recomendado su uso a no ser que la reducción de la densidad no suponga quedarse por debajo de los límites especificados.
Es aconsejable no utilizar aditivos, a no ser que el hormigón se ponga en servicio bajo condiciones que supongan ciclos de hielo/deshielo. En principio los aditivos tienden a disminuir la densidad del hormigón, no obstante, si la mezcla es lo suficientemente densa como para aceptar un 4% de aire ocluido, la utilización de aditivos comportará notables mejoras en las condiciones de laborabilidad y homogeneización de la mezcla.
–Aditivos: Aunque la norma especifica claramente que únicamente no deben usarse aditivos en hormigones blandos y hormigones fluidos, no es recomendable utilizar aditivos que no sean plastificantes en hormigones de alta densidad a no ser que esté justificada su utilización y se conozcan claramente las desventajas que pueden ocasionar. Los plastificantes sí deben utilizarse, ya que facilitan la puesta en obra.
Los aditivos más comunes son los siguientes:
a) Aceleradores de endurecimiento: Cumplen la función de acelerar el endurecimiento del hormigón. Permite aumentar la resistencia del hormigón a edades tempranas (primeros 28 días), logrando una disminución de los tiempos de obra.
b) Retardadores de fraguado: Funcionan retardando el inicio de fraguado, otorgando mayores tiempos para la colocación del hormigón. Muy utilizado en hormigón premezclado donde éste es transportado largas distancias y transcurre un tiempo considerable desde su preparación hasta su colocación. Normalmente produce menores resistencias en edades tempranas.
c) Aireantes: Ayudan a incorporar micro-partículas de aire al hormigón. Comenzó a utilizarse para hormigones sometidos a congelamiento y deshielo, ya que el aire incorporado absorbe la expansión del hielo, evitando así que éste rompa el hormigón. Además, la incorporación de aire mejora la laborabilidad del hormigón en estado fresco y la durabilidad en estado endurecido. La incorporación de aire disminuye la resistencia a la compresión del hormigón. El aire incorporado por este mecanismo oscila entre un 2 y un 7% dependiendo de la dosis de aditivo y la cantidad de áridos finos. También permite hormigones de menores densidades y con mejores propiedades para el aislamiento acústico y térmico.
d) Plastificantes: Aumentan la laborabilidad del hormigón fresco, permitiendo una mayor docilidad de éste. Permite utilizar menos agua en la mezcla para alcanzar una misma fluidez, mejorando la relación agua/cemento (A/C) y, por lo tanto, la resistencia del hormigón. Con la utilización de plastificantes se alcanzan reducciones de hasta un 20% del agua requerida en la mezcla. Este aditivo se
utiliza normalmente para: Mejorar la laborabilidad del hormigón fresco, mejorar la resistencia del hormigón endurecido (por necesitar menos cantidad de agua) y disminuir la dosis de cemento en la mezcla de hormigón.
e) Superplastificantes: Básicamente tienen los mismos efectos sobre el hormigón que los plastificantes, pero en grados mayores. Con la aplicación de superplastificantes se alcanzan reducciones de hasta un 60% del agua requerida en la mezcla del hormigón. Son ampliamente usados principalmente en la elaboración de hormigones de alta resistencia y autocompactantes.
3- EQUIPAMIENTO, FABRICACIÓN Y PUESTA EN OBRA:
-Equipamiento: El equipamiento utilizado para mezclar los hormigones convencionales es el mismo que se emplea para la fabricación del hormigón pesado. Se tendrá que tomar un especial cuidado para no recargar los equipos.
Algo importante que se debe tener en cuenta cuando se vaya a verter el hormigón y poner en obra, es la disposición de los apuntalamientos necesarios para que los encofrados resistan los empujes del hormigón fresco (que en este caso al estar hablando de un hormigón de alta densidad serán ?=2.4 t/m3).
-Fabricación: Para fabricar hormigones de alta densidad no se tiene que seguir ningún proceso específico. El método de fabricación es el convencional, teniendo siempre en cuenta no sobrecargar las amasadoras ni camiones hormigonera.
-Puesta en obra: Se han realizado estudios sobre las formas de colocación de hormigones de alta densidad. Previamente se deben hacer cuidadosas consideraciones sobre los posibles métodos. Es importante tener en cuenta factores como los áridos, la densidad, la resistencia, la composición de las mezclas, la cantidad de hormigón requerido, el equipamiento disponible, la complejidad de las formas, el tipo y cantidad del acero de refuerzo, condiciones de colocación y experiencia de los ejecutores, entre otros.
a) Método convencional:
La puesta en obra de los hormigones de alta densidad está sujeta a unas condiciones que no se tienen que tener en cuenta en los hormigones convencionales. Hay unos estándares de calidad que se deben cumplir ya que el hormigón pesado es más susceptible a variaciones que el hormigón convencional.
El hormigón de alta densidad es muy propenso a sufrir segregaciones durante su puesta en obra. Estas segregaciones no sólo afectan en una disminución de la resistencia del hormigón sino que provocan variaciones en la densidad que afectan de forma muy grave la forma de trabajar el hormigón.
Para hormigones de alta densidad este método es utilizable cuando el hormigón no contiene fragmentos de acero como árido grueso. Coloquialmente podemos hablar de él como el "vertido con cubilote". Los áridos, cemento y agua son mezclados juntos y después vertidos en los moldes. Utilizando este método de vertido se debe tener en cuenta que el hormigón de alta densidad, al tener un peso específico superior, para un mismo volumen, pesa más. Por lo tanto se tendrán que tomar precauciones para no sobrecargar las grúas, camiones grúa o cualquier otro medio con el que se vaya a verter el cubilote de hormigón. Se tendrán que tomar precauciones también para no sobrecargar las hormigoneras y evitar la segregación de los áridos durante el amasado.
Otro punto a tener en cuenta es el vibrado. Con este método la vibración durante la colocación es beneficiosa pero debe ser usada con discreción.
b) Bombeo:
Esta técnica de vertido se puede utilizar cuando la curva granulométrica esté comprendida en un huso apto para el bombeo, y la forma de los áridos sea apropiada. En principio, el bombeo es un método rechazable para la puesta en obra de hormigones de alta densidad. Por este motivo, en caso de querer utilizar este procedimiento, se recomienda efectuar pruebas de bombeo en las condiciones extremas para verificar la bombeabilidad de la mezcla antes de adoptar este sistema de colocación. Realmente, la máxima densidad que puede obtenerse por este método es bastante menor que la del hormigón colocado por otros métodos. En la práctica no suele utilizarse con frecuencia ya que lo normal es trabajar con hormigones secos para aumentar la densidad. No obstante, y a pesar de que los áridos gruesos suelen proceder de mineral triturado (con formas muy irregulares y angulosas que dificultan el bombeo), cada vez existen más profesionales que aseguran que se puede bombear hormigón de alta densidad en casi cualquier situación.
En la figura 1 se aprecia un camión bomba típico de este tipo de sistema de colocación.
Figura 1 Hormigonado por bombeo.
c) Hormigonado con áridos pre colocados ("Prepack/Coldcrete"):
Este es el método adecuado cuando parte de los áridos o bien su totalidad sean de acero o hierro. Usando esta técnica consistente en colocar primero el árido grueso dentro del encofrado y posteriormente rellenar con mortero de cemento los espacios que dejan entre sí los áridos. De su aplicación es posible enunciar varias ventajas en comparación con los hormigones convencionales:
a) La segregación del agregado grueso, especialmente con fragmentos de acero, puede ser minimizada.
b) El hormigón de densidad y composición uniforme puede ser colocado más fácilmente en formas confinadas y alrededor de los embebidos.
c) Para materiales similares se obtiene con mayor facilidad una mayor densidad y homogeneidad.
d) Pueden usarse combinaciones de varios materiales como árido grueso.
e) El Prepack asegura que el árido pesado queda distribuido uniformemente en el escudo protector y que no existen grandes huecos de aire.
No obstante, se pueden enumerar varias desventajas de este método:
a) Existe poca experiencia en este procedimiento de colocación.
b) La terminación de la superficie superior en un área grande de hormigón es más
dificultosa y cara.
c) Generalmente el hormigón colocado por este método es más caro que el colocado por procedimientos convencionales.
d) Otros métodos de colocación:
Ocasionalmente también se puede colocar una capa de varios centímetros de mortero entre los encofrados y cubrirla luego con una capa de árido pesado, el cual se introduce mediante la ayuda del vibrado o el apisonado. Este método requiere una ejecución muy cuidadosa y controlada pero es ideal para hormigones de muy alta densidad, sobre todo los fabricados a base de áridos de acero ya que evita pasar todo el árido por la amasadora.
4 –CONTROL DE CALIDAD
Todos los materiales utilizados para la fabricación del hormigón, así como el propio hormigón pesado una vez fabricado, deben seguir unos controles de calidad previos y posteriores a la puesta en obra.
La complejidad de las estructuras en las que se suele utilizar el hormigón pesado hace difícil la obtención de muestras una vez se ha hormigonado y por lo tanto suele impedir la verificación del correcto funcionamiento del hormigón endurecido.
Además, no es aconsejable la toma de muestras en hormigones pesados fabricados con áridos metálicos. Al tomar un testigo se destruye la matriz formada por el árido metálico y la pasta de cemento, haciendo así que el hormigón trabaje de una forma que no es la que se había previsto.
El control de calidad del cemento se hará siguiendo las normas ASTM C150 y ASTM C595. Dependiendo de la obra se tendrán que hacer ensayos en la planta y ensayos en la recepción del cemento ya en la obra.
La calidad de los áridos deberá determinarse según los métodos de las ASTM C33 para áridos de peso normal y según las normas ASTM C637 para los áridos pesados. Otras características que tendrán que estar fijadas en el diseño del hormigón y que deberán ser verificadas son las cantidades de agua y de cemento.
En cuanto lo que refiere a las adiciones tendremos que seguir lo que dicta la norma ASTM 494, aunque las recomendaciones para el control y admisión se encuentran recogidas en la ACI 212.2R
El control sobre el hormigón ya fabricado se hará según la ACI 318, aunque los ensayos para determinar propiedades como la uniformidad se realizarán según la norma ASTM C94.
-Otras especificaciones usuales:
a) Tiempo de fraguado inicial:
Para temperaturas normales, el tiempo total desde el inicio de mezclado para descargar no debe exceder de 1,5 h y debe ser reducido en tanto aumente la temperatura. La mezcla debe ser descargada antes de las 300 revoluciones del tambor.
b) Asentamiento:
Ensayo de consistencia o asentamiento por el método del Cono de Abrams. La prueba de asentamiento debe ser hecha en cada vaciado, de acuerdo con las normas de control de calidad, cuanto más estricto sea el control de calidad, mayor muestreo debe tomarse
5 -APLICACIONES DE LOS HORMIGONES DE ALTA DENSIDAD.
La aplicación de este tipo de hormigones en la industria de la construcción es relativamente reciente, se ha utilizado en mayor medida para los blindajes de las centrales nucleares y en los aceleradores de partículas para irradiar tumores.
Para las instalaciones que operan con ciclotrones se requieren distintos tipos de blindajes para las áreas donde se almacenan, procesan o utilizan los materiales radiactivos. Los espesores y materiales de los blindajes dependerán del modo de desintegración del radioisótopo que se utiliza, los campos de radiación, carga de trabajo y características de las distintas zonas.
El búnker para un ciclotrón también puede ser construido con laberinto, reduciendo al máximo la incidencia de radiación directa en la puerta minimizándose su espesor. Las celdas calientes generalmente son construidas con ladrillos de plomo de 5 cm.Además del bunker y celdas calientes, también deben ser previstos algunos recipientes blindados para almacenar las piezas activadas, debido a su irradiación por el haz primario y por los neutrones producidos en el acelerador, así como blindajes móviles para la manipulación de estas piezas asociadas a tareas de mantenimiento.
El uso de un ciclotrón autoblindado no exime la presentación de la memoria de cálculo, ya que pueden ser necesarios blindajes adicionales. En este caso se deberá presentar la documentación soporte, en donde consten las dosis alrededor del ciclotrón (ya que las mismas no pueden ser reproducidas por cálculos independientes en caso de carecerse de datos técnicos de los blindajes intrínsecos del ciclotrón).
6- BIBLIOGRAFÍA
1. Álvarez Paz, M. (2007). Consideraciones de diseño en relación al hormigón pesado.
2. Mancisidor Uranga, M. (2014). Cálculo de blindaje para una puerta de acceso a un bunker de irradiación con neutrones de 800 MeV y espectro cósmico.
3. NC- 120: 2014. Hormigón hidráulico. Especificaciones.
5. Revuelta, D. (2009). Medida de las principales propiedades en el estado fresco, y de la resistencia a la segregación, en un hormigón autocompactante de alta densidad fabricado con barita.
Autora:
Dra. Lesday Martínez Fernández
Institución: Universidad Central ¨Marta Abreu¨ de Las Villas. Cuba.