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Sesi Ce

Sony Gomez

28/3/2024

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ESTUDIO DE LAS PROPIEDADES
MECÁNICAS DE CONCRETOS TIPO
UHPC Y UHPFRC CON ALTO VOLUMEN
DE VIDRIO RECICLADO.

Jesús David Redondo Mosquera

Fundación Universidad del Norte
Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental
Barranquilla, Colombia
2022
Estudio de las propiedades mecánicas de concretos tipo UHPC y UHPFRC con alto volumen de vidrio reciclado.
2

Tesis de grado presentada como requisito parcial para optar al título de:
Magister en Ingeniería Civil

Jesús David Redondo Mosquera
Ingeniero civil

Director:
Joaquín Abellán García
Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos, Ph. D.

Fundación Universidad del Norte
Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental
Barranquilla, Colombia
2022
3

La tesis de maestría titulada “Estudio de las propiedades mecánicas de concretos tipo UHPC y
UHPFRC con alto volumen de vidrio reciclado” presentada por el ingeniero Jesús David Redondo
Mosquera, cumple con los requisitos establecidos para optar al título de Magister en Ingeniería Civil con
énfasis en Estructuras otorgado por la Universidad del Norte.

Director de la tesis
Joaquín Abellán García, I. C, Msc, PhD

Jurado

Barranquilla, Noviembre de 2022

Estudio de las propiedades mecánicas de concretos tipo UHPC y UHPFRC con alto volumen de vidrio reciclado.
4

Dedico este trabajo a mi familia, especialmente a
mis padres por la compañía y el apoyo que me
brindaron durante toda esta etapa. También a mi
hermano y sobrinos, que seguramente reciben
cada uno de mis logros como suyos.
5

Agradecimientos

Principalmente a Dios por brindarme cada oportunidad y poner en mi vida a las personas correctas para
avanzar en mi formación académica. A mi familia, amigos, docentes, compañeros y colegas por su apoyo y
cariño.

Especial gratitud se merece mi director el Dr. Joaquín Abellán García, por su excepcional asesoría y su gran
vocación de enseñanza.

Gracias al equipo de trabajo de laboratorio de materiales y suelos de la Universidad del Norte, así como a
los estudiantes Marcela Redondo, Juan Camilo Gómez y David Sánchez.

Finalmente, al rector de la Universidad de La Guajira, Dr. Carlos Arturo Robles por el apoyo y confianza
depositado en mí para realizar los estudios de maestría.

Estudio de las propiedades mecánicas de concretos tipo UHPC y UHPFRC con alto volumen de vidrio reciclado.
6

Resumen

El avance de las investigaciones desarrolladas con el objeto de crear nuevos materiales para la construcción
ha resultado en la aparición del concreto de ultra altas prestaciones (UHPC, por sus siglas en inglés). Aunque
la resistencia a la compresión de estos concretos es mayor o igual a 120 MPa según la ASTM, éstos tendrán
un comportamiento frágil si no son apropiadamente dosificadas con fibras, generando así los concretos de
ultra altas prestaciones reforzados con fibras (UHPFRC, por sus siglas en inglés). De esta manera, el
concreto tipo UHPC/UHPFRC es un material con excepcionales propiedades mecánicas y de durabilidad,
basando su desempeño en su matriz altamente densificada y su muy baja porosidad. Sin embargo, algunos
componentes típicos del UHPC/UHPFRC representan un alto costo en la fabricación de la mezcla, como es
el caso del humo de sílice y las fibras metálicas, y otros; como la arena fina de cuarzo y el polvo de cuarzo
cristalinos, suponen un riesgo cancerígeno. Todo esto conlleva a la búsqueda de otros materiales alternativos
que puedan representar una reducción tanto en el costo final del producto, como de los riesgos asociados a
la salud y hasta una disminución en el impacto ambiental, especialmente si se usan materiales reciclados.

Por otra parte, en países como Colombia es difícil disponer de un cemento con bajo contenido de aluminato
tricálcico (C3A), lo que dificulta alcanzar ultra alta resistencia. Adicionalmente a esto, explorar un nuevo
agregado basado en vidrio reciclado debe ser acompañado de ensayos que permitan evaluar una posible
reacción entre los álcalis presentes y la sílice inestable de los nuevos agregados usados (ASR). Por lo tanto,
la principal motivación de este trabajo de investigación fue la necesidad de generar una mezcla tipo UHPC
que cumpla con lo establecido en la norma ASTM C1856, a partir de una optimización que tiene como
criterios emplear la mayor cantidad de vidrio reciclado como agregado y cementante, la menor cantidad de
cemento y un óptimo contenido de humo de sílice para evitar la expansión de ASR. Finalmente se diseñaron
dosificaciones con 1%, 2% y 3% de fibras en volumen para reforzar la mezcla de UHPC optimizada. Las
fibras analizadas fueron: fibras comerciales de polipropileno/polietileno, y acero conformadas con extremos
en forma de gancho, así como fibras de polietileno reciclado. Para verificar y conseguir los objetivos
propuestos se realizaron ensayos de resistencia a la compresión, ensayos de cuantificación de la expansión
ASR mediante el método de la barra acelerada y ensayos de flexión de tres puntos.

Los resultados indican que el uso de un vidrio reciclado con tamaño de partículas inferior a 1 milímetro no
fue suficiente para evitar la expansión de la ASR, pues en este trabajo se necesitó de una dosificación de
155 kg/m3 de humo de sílice para evitar que esta reacción se presentara. El proceso de optimización permitió
obtener un UHPC con una dosis de vidrio reciclado que representó el 52% de su masa total y cumplió con
los requisitos de resistencia a la compresión de la ASTM. Por último, los resultados obtenidos de las probetas
de UHPFRC reforzadas con 1%, 2% y 3% de fibras metálicas acabadas con ganchos presentaron un
comportamiento a flexión sobresaliente, al igual que las probetas reforzadas con 2% y 3% de fibras
comerciales poliméricas de polipropileno/polietileno. Mientras que las probetas de UHPFRC reforzadas con
fibras recicladas no alcanzaron un comportamiento adecuado a flexión en ninguna de sus dosificaciones. En
cuanto a la capacidad de absorción de energía, las probetas reforzadas con 2% de fibras de
polipropileno/polietileno en volumen presentaron una energía absorbida 69% mayor a la presentada por las
probetas reforzadas con 2% de fibras metálicas y 43% mayor a la energía absorbida por las reforzadas con
3% de fibras metálicas en volumen.

Palabras clave: UHPC, UHPFRC, vidrio reciclado, diseño de experimentos, reacción ASR, fibras
recicladas, fibras poliméricas, fibras de acero, comportamiento a flexión, tenacidad.
7

Abstract

The advancement of research developed with the purpose of creating new materials for construction have
resulted in the appearance of ultra high performance concrete (UHPC). Although the compressive strength
of these concretes is greater than or equal to 120 MPa according to ASTM, it will have a brittle behavior if
they are not properly added with fibers, thus generating ultra high performance fiber reinforced concrete
(UHPFRC). Thus, UHPC/UHPFRC is a material with exceptional mechanical and durability properties,
basing its performance on its highly densified matrix and very low porosity. However, some typical
components of UHPC/UHPFRC represent a high cost in the manufacture of the mix, such as silica fume
and metallic fibers, and others, such as fine quartz sand and quartz dust, pose a carcinogenic risk. All this
leads to the search for alternative raw materials that can represent a reduction in both the final cost of the
product and the associated health risks, and even a reduction in the carbon footprint, especially if recycled
materials are used.

On the other hand, in countries like Colombia it is difficult to have a cement with low tricalcium aluminate
(C3A) content, thus making it difficult to obtain ultra-high
strength in concrete.In addition, exploring a new
recycled glass-based aggregate in the mix must be accompanied by tests to evaluate a possible reaction
between the alkalis of the cement and the unstable silica of the new aggregates used (ASR). Therefore, the
main motivation of this research work was the need to generate a UHPC-type mixture that complies with
the provisions of the ASTM C1856 standard, based on an optimization that has as criteria the use the highest
amount of recycled glass as aggregate and cementitious material, the lowest amount of cement and an
optimal content of silica fume to avoid the ASR expansion. Finally, dosages with 1%, 2% and 3% fibers by
volume were designed to reinforce the optimized UHPC mixture. The fibers analyzed were: commercial
polypropylene/polyethylene and steel fibers formed with hooked ends, as well as recycled polyethylene
fibers. To verify and achieve the proposed objectives, compressive strength tests, ASR quantification tests
using the accelerated bar method and three-point bending tests were performed.

The results indicate that using a recycled glass with a particle size of less than 1 millimeter is not sufficient
to prevent the ASR expansion of, since in this work a dosage of 155 kg/m3 of silica fume was needed to
avoid this reaction. In addition, the high content of C3A in the cements available in Colombia produces a
lower compressive strength in the UHPC at 28 days. The optimization process allowed obtaining a UHPC
with a dose of recycled glass that represents 52% of its total mass and meets ASTM compressive strength
requirements. Finally, the results obtained from the UHPFRC specimens reinforced with 1%, 2% and 3%
steel fibers showed outstanding flexural behavior, as did the specimens reinforced with 2% and 3%
polypropylene/polyethylene polymeric commercial fibers. While the UHPFRC specimens reinforced with
recycled fibers did not achieve adequate flexural behavior at any of their dosages. In terms of energy
absorption capacity, specimens reinforced with 2% polypropylene/polyethylene fibers by volume showed
an absorbed energy 69% higher than that of specimens reinforced with 2% steel fibers and 43% higher than
the energy absorbed by specimens reinforced with 3% metallic fibers by volume.

Keywords: UHPC, UHPFRC, recycled glass, recycled fibers, design of experiments, ASR reaction,
polymeric fibers, steel fibers, flexural behavior, toughness.

Estudio de las propiedades mecánicas de concretos tipo UHPC y UHPFRC con alto volumen de vidrio reciclado.
8

CONTENIDO
Resumen .................................................................................................................................................... 6
Abstract ..................................................................................................................................................... 7
INTRODUCCIÓN. ..................................................................................................................................... 18
1 MARCO TEÓRICO. ........................................................................................................................... 21
1.1 Conceptos básicos. .................................................................................................................. 21
Antecedentes y características del UHPC y del UHPFRC. ................................................. 21
Tipologías de concretos de altas prestaciones. .................................................................... 22
1.2 Componentes del UHPFRC. .................................................................................................... 23
Cemento............................................................................................................................... 24
Humo de sílice. .................................................................................................................... 24
Polvo de cuarzo. .................................................................................................................. 25
Carbonato de calcio. ............................................................................................................ 25
Polvo de vidrio. ................................................................................................................... 26
Arena silícea. ....................................................................................................................... 26
Arena de vidrio. ................................................................................................................... 27
Superplastificante a base de éter de policarboxilato. ........................................................... 27
Fibras. .................................................................................................................................. 28
1.3 Propiedades mecánicas del UHPFRC. .................................................................................... 30
Propiedades de los materiales dúctiles. ............................................................................... 30
Compresión. ........................................................................................................................ 31
Flexión. ................................................................................................................................ 32
1.4 Reacciones químicas del vidrio reciclado como componte del concreto. ............................... 33
Silicato de calcio hidratado. ................................................................................................ 35
Gel Álcali-sílice. .................................................................................................................. 35
Silicato de aluminato de calcio hidratado. ........................................................................... 36
2 ESTADO DEL ARTE. ........................................................................................................................ 38
2.1 Producción del residuo de vidrio. ............................................................................................ 41
2.2 Vidrio reciclado como componente del UHPC. ...................................................................... 41
2.3 Medidas para mitigar la reacción álcali-sílice. ........................................................................ 44
2.4 Antecedentes del comportamiento a flexión del UHPFRC. .................................................... 44
2.5 Antecedentes del UHPFRC con vidrio reciclado. ................................................................... 47
3 OBJETIVOS. ....................................................................................................................................... 50
3.1 General. ................................................................................................................................... 50
9

Específicos. .......................................................................................................................... 50
4 PROGRAMA EXPERIMENTAL. ...................................................................................................... 51
4.1 Teoría de empaquetamiento de partículas. .............................................................................. 51
4.2 Metodología. ............................................................................................................................ 52
4.3 Metodología analítica. ............................................................................................................. 54
4.4 Procedimiento de mezclado para los ensayos de la fase 1, 2 y 3............................................. 57
4.5 Procedimiento de mezclado para los ensayos de flexión. ....................................................... 58
4.6 Ensayos. ...................................................................................................................................
60
Absorción por capilaridad ................................................................................................... 60
Reactividad álcali-sílice....................................................................................................... 61
Medición de pH de los concretos. ....................................................................................... 62
Difracción de rayos X (DRX).............................................................................................. 64
Resistencia a la flexión. ....................................................................................................... 64
Resistencia a la compresión................................................................................................. 65
4.7 Materiales. ............................................................................................................................... 66
Cemento............................................................................................................................... 66
Arena de vidrio reciclado. ................................................................................................... 66
Polvo de vidrio reciclado. .................................................................................................... 68
Humo de sílice. .................................................................................................................... 68
Carbonato Cálcico Ultrafino (CB). ...................................................................................... 69
Difracción de rayos X (DRX) del RPG, SF y CEM. ........................................................... 70
Superplastificante. ............................................................................................................... 72
Fibras. .................................................................................................................................. 73
5 RESULTADOS Y ANÁLISIS. ........................................................................................................... 78
5.1 Resultados fase 1. .................................................................................................................... 78
Absorción por capilaridad ................................................................................................... 78
Medición de pH de las mezclas. .......................................................................................... 81
5.2 Resultados fase 2. .................................................................................................................... 82
Reactividad álcali-sílice de la arena de vidrio y mitigación. ............................................... 82
5.3 Diseño central compuesto y resultados experimentales de la fase 3. ...................................... 84
Ajuste y validación del modelo de regresión....................................................................... 85
Análisis RSM de las respuestas consideradas. .................................................................... 86
5.4 Resultados de la optimización multiobjetivo y validación experimental de la fase 3. ............ 89
DRX de la mezcla optimizada (OPT). ................................................................................. 90
5.5 Resultados de la fase 4. ........................................................................................................... 93
Estudio de las propiedades mecánicas de concretos tipo UHPC y UHPFRC con alto volumen de vidrio reciclado.
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Comportamiento en flexión. ................................................................................................ 93
Resistencia a la flexión. ....................................................................................................... 93
Tenacidad. ......................................................................................................................... 106
6 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. ............................................................................... 110
6.1 Conclusiones. ........................................................................................................................ 110
6.2 Recomendaciones. ................................................................................................................. 111
Bibliografía. ........................................................................................................................................... 113
Anexo: Resistencia a la compresión. ............................................................................................. 138
Anexo: Comportamiento a flexión. ............................................................................................... 140
Anexo: Informe de resultados del ensayo a tracción de las fibras de polietileno reciclado. ......... 144
Anexo: Fichas técnicas de los superplastificantes y fibras comerciales usadas. ........................... 148

Lista de figuras

Fig. 1-1. Matriz cementante de un UHPC vs matriz de un concreto convencional.. ................................. 22
Fig. 1-2. Tipología de concretos de altas prestaciones.. ............................................................................. 23
Fig. 1-3. Esquema de la composición del UHPFRC.. ................................................................................ 23
Fig. 1-4. Gráfico de tensión-deformación para un material frágil y uno dúctil. ......................................... 30
Fig. 1-5. Curva de esfuerzo-deformación idealizada para materiales dúctiles. .......................................... 31
Fig. 1-6. Comportamiento a flexión de una viga. ....................................................................................... 32
Fig. 1-7. Ilustración del comportamiento en flexión del UHPFRC.. .......................................................... 33
Fig. 1-8. Reacción del vidrio.. .................................................................................................................... 34
Fig. 1-9. Reacción puzolánica.. ................................................................................................................... 34
Fig. 1-10. Gel C-S-H y gel C-A-S-H.. ....................................................................................................... 36
Fig. 2-1. Puente peatonal Sherbrooke en Canadá.. ..................................................................................... 38
Fig. 2-2. Pasarela Sakata Mirai en Japón.. ................................................................................................. 39
Fig. 2-3. Vista interior e interior del Museo MuCEM en Marsella.. .......................................................... 39
Fig. 2-4. Pasarela construida en UHPFRC en el Museo MuCEM en Marsella.. ....................................... 40
Fig. 2-5. Sistema estructural del tablero de la pasarela peatonal en la UNAL. .......................................... 40
Fig. 2-6. Resultados de flexión en UHPFRC reforzado con una combinación de fibras metálicas y fibras de
polietileno.. .................................................................................................................................................. 45
Fig. 2-7. Efecto del reemplazo de la arena ordinaria con dos diferentes tipos de agregado fino y vidrio
reciclado.. .................................................................................................................................................... 47
Fig. 2-8. Curvas del comportamiento a flexión de los ECC con diferentes niveles de reemplazo de vidrio
reciclado.. .................................................................................................................................................... 48
Fig. 2-9. Curvas del comportamiento
a flexión de los UHPFRC reforzados con fibras poliméricas y
metálicas. ..................................................................................................................................................... 49
Fig. 4-1. Curvas granulométricas de los materiales y curva ajustada del modelo...................................... 51
Fig. 4-2. Estructura de un CCD con k = 3. ................................................................................................. 55
Fig. 4-3. Proceso de elaboración de cubos de UHPC. ................................................................................ 57
Fig. 4-4. Proceso de elaboración de UHPFRC. .......................................................................................... 58
Fig. 4-5. Esquema de instrumentación para inmersión de muestras.. ........................................................ 60
Fig. 4-6. Pesaje e inmersión de las muestras.. ............................................................................................ 61
Fig. 4-7. Tanque de almacenamiento con control de temperatura.. ........................................................... 62
Fig. 4-8. (a) Lectura de la barra de referencia, (b) Lectura periódica de las barras. .................................. 62
Fig. 4-9. Medición de pH. .......................................................................................................................... 63
Fig. 4-10. Montaje del ensayo a flexión de tres puntos. ............................................................................. 64
Fig. 4-11. (a) Cubos de UHPC (b) Montaje del equipo de carga para ensayo a compresión ...................... 65
Fig. 4-12. Cemento – CEM. ....................................................................................................................... 66
Fig. 4-13. Arena de vidrio reciclado (RGS). .............................................................................................. 67
Fig. 4-14. Polvo de vidrio reciclado (RGP). .............................................................................................. 68
Fig. 4-15. Humo de sílice (SF). .................................................................................................................. 68
Fig. 4-16. Carbonato cálcico ultrafino (CB). ............................................................................................. 69
Fig. 4-17. Proceso de reciclaje y preparación del vidrio. ........................................................................... 69
Fig. 4-18. Curvas granulométricas de los materiales. ................................................................................ 70
Fig. 5-6. DRX del polvo de vidrio. ............................................................................................................ 71
Fig. 5-7. DRX del Humo de sílice. ............................................................................................................. 71
Fig. 5-8. DRX del CEM. ............................................................................................................................ 72
https://uninorte-my.sharepoint.com/personal/redondodj_uninorte_edu_co/Documents/JR/TESIS_UHPC/CAP/TESIS_JESUS_METO14_revJAG.docx#_Toc120554580
Estudio de las propiedades mecánicas de concretos tipo UHPC y UHPFRC con alto volumen de vidrio reciclado.
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Fig. 4-19. Superplastificante (HRWR). ...................................................................................................... 73
Fig. 4-20. Fibras de Polietileno reciclado (PE) en sus diferentes longitudes. ............................................ 75
Fig. 4-21. (a) Micrómetro de precisión (b) Vista de la sección transversal en los extremos de las fibras PE.
..................................................................................................................................................................... 75
Fig. 4-22. Fibra polimérica de polietileno y polipropileno (PPPE). ........................................................... 76
Fig. 4-23. Fibra de metálica de acero de alta calidad (HE). ....................................................................... 77
Fig. 5-1. 𝐴𝑇 promedio por tipología (28 d). ............................................................................................... 79
Fig. 5-2. 𝐴𝑆 promedio por tipología (28 d y 90 d). .................................................................................... 80
Fig. 5-3. 𝐴𝑇 promedio por tipología (90 d). ............................................................................................... 81
Fig. 5-4. Resultados de la medición de pH a las mezclas estudiadas en la fase 1. ..................................... 82
Fig. 5-5. Expansiones de las barras con diferentes cantidades de SF. ....................................................... 83
Fig. 5-9. Análisis de los residuos en gráfico normal para los modelos considerados: a) R1, b) R7, y c) R28.
..................................................................................................................................................................... 86
Fig. 5-10. Análisis RSM para la resistencia a la compresión de 1 d (R1). ................................................. 87
Fig. 5-11. Análisis RSM para la resistencia a la compresión de 7 d (R7). ................................................. 88
Fig. 5-12. Análisis RSM para la resistencia a la compresión de 28 d (R28). ............................................. 88
Fig. 5-13. DRX de OPT a 1 d, 7 d, 28 d y 90 d. ......................................................................................... 91
Fig. 5-14. . Principales componentes de la mezcla OPT a los 28 d. .......................................................... 91
Fig. 5-15. Consumo de portlandita en el tiempo identificado en OPT mediante DRX. ............................. 92
Fig. 5-16. Resultados del módulo de rotura de probetas de UHPFRC con 1% de fibras. .......................... 94
Fig. 5-17. Resultados del módulo de rotura de probetas de UHPFRC con 2% de fibras. .......................... 97
Fig. 5-18. Resultados del módulo de rotura de probetas de UHPFRC con 3% de fibras. ........................ 100
Fig. 5-19. Multifisuración y ruptura de fibras en probetas reforzadas con 3% de fibras PPPE. Probeta con
endurecimiento por deflexión. ................................................................................................................... 104
Fig. 5-20. Probeta UHPFRC reforzada con 2% de fibras metálicas. ....................................................... 105
Fig. 5-21. Probeta UHPFRC reforzada con 3% de fibras metálicas. ....................................................... 105
Fig. 5-22. Ruptura de fibras de polietileno reciclado en probetas de UHPRC. ........................................ 105
Fig. 5-23. Tenacidad presentada en las probetas de UHPFRC con endureciento por deflexión. ............. 107
Fig. 5-24. Resiliencia presentada en las probetas de UHPFRC con endureciento por deflexión. ............ 107
Fig. 5-25. Índices de ductilidad presentados en las probetas de UHPFRC con endureciento por deflexión
................................................................................................................................................................... 109

Lista de gráficas

Gráfica 5-1. Flexión en probetas PPPE-1%. .............................................................................................. 95
Gráfica 5-2. Flexión en probetas PEC-1%. ................................................................................................ 95
Gráfica 5-3. Flexión en probetas PEL-1%. ................................................................................................ 95
Gráfica 5-4. Flexión en probetas PEXL-1%. .............................................................................................
96
Gráfica 5-5. Flexión en probetas PEXXL-1%. ........................................................................................... 96
Gráfica 5-6. Flexión en probetas HE-1%. .................................................................................................. 96
Gráfica 5-7. Flexión en probetas PPPE-2%. .............................................................................................. 98
Gráfica 5-8. Flexión en probetas PEC-2%. ................................................................................................ 98
Gráfica 5-9. Flexión en probetas PEL-2%. ................................................................................................ 98
Gráfica 5-10. Flexión en probetas PEXL-2%. ........................................................................................... 99
Gráfica 5-11. Flexión en probetas PEXXL-2%. ......................................................................................... 99
Gráfica 5-12. Flexión en probetas HE-2%. ................................................................................................ 99
Gráfica 5-13. Flexión en probetas PPPE-3%. .......................................................................................... 101
Gráfica 5-14. Flexión en probetas PEC-3%. ............................................................................................ 101
Gráfica 5-15. Flexión en probetas PEL-3%. ............................................................................................ 101
Gráfica 5-16. Flexión en probetas PEXL-3%. ......................................................................................... 102
Gráfica 5-17. Flexión en probetas PEXXL-3%. ....................................................................................... 102
Gráfica 5-18. Flexión en probetas HE-3%. .............................................................................................. 102

Lista de ecuaciones

Eq. (1-1) ...................................................................................................................................................... 34
Eq. (1-2) ...................................................................................................................................................... 35
Eq. (1-3) ...................................................................................................................................................... 36
Eq. (1-4) ...................................................................................................................................................... 36
Eq. (1-5) ...................................................................................................................................................... 36
Eq. (1-6) ...................................................................................................................................................... 37
Eq. (4-1) ...................................................................................................................................................... 51
Eq. (4-2) ...................................................................................................................................................... 55
Eq. (4-3) ...................................................................................................................................................... 56
Eq. (4-4) ...................................................................................................................................................... 56
Eq. (4-5) ...................................................................................................................................................... 56
Eq. (4-6) ...................................................................................................................................................... 60
Eq. (4-7) ...................................................................................................................................................... 61
Eq. (4-8) ...................................................................................................................................................... 62
Eq. (4-9) ...................................................................................................................................................... 65
Eq. (4-10) .................................................................................................................................................... 65

Estudio de las propiedades mecánicas de concretos tipo UHPC y UHPFRC con alto volumen de vidrio reciclado.
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Lista de Tablas

Tabla 1-1. Composición química del polvo de vidrio. ............................................................................... 35
Tabla 2-1. Utilización de vidrio reciclado como componente del UHPC en la revisión literaria. ............. 43
Tabla 2-2. Resistencia a la flexión en UHPFRC con diferentes combinaciones de fibras. ........................ 46
Tabla 4-1. Tipos de mezclas para evaluar su porosidad. ............................................................................ 52
Tabla 4-2. Diseño de mezcla para evaluar la porosidad del concreto. ....................................................... 53
Tabla 4-3. Diseño de mezclas de concreto para evaluar la ASR versus contenido de humo de sílice. ...... 53
Tabla 4-4. Factores del CCD y sus rangos. ................................................................................................ 55
Tabla 4-5. Criterio de optimización para las respuestas individuales para un UHPC con alto volumen de
vidrio reciclado. ........................................................................................................................................... 56
Tabla 4-6. Análisis granulométrico de la arena de vidrio. .......................................................................... 67
Tabla 4-7. Propiedades físicas de la arena de vidrio respecto a los parámetros de control de las normas
correspondientes. ......................................................................................................................................... 67
Tabla 4-8. Propiedades físicas y químicas de los materiales granulares. ................................................... 70
Tabla 4-9. Información técnica del HRWR Viscocrete 2100. .................................................................... 73
Tabla 4-10. Información técnica de los superplastificantes usados en la fase 1. ........................................ 73
Tabla 4-11. Propiedades físicas de las fibras de Polietileno reciclado. ...................................................... 74
Tabla 4-12. Propiedades físicas de las fibras de Polietileno y polipropileno. ............................................ 75
Tabla 4-13. Propiedades físicas de las fibras de acero (HE). ..................................................................... 76
Tabla 5-1. Registro de los pesos [g] para cada tiempo T a los 28 d de curado........................................... 78
Tabla 5-2. 𝐴𝑇 promedio por tipología (28 d). ............................................................................................ 79
Tabla 5-3. 𝐴𝑇 promedio por tipología (90 d). ............................................................................................ 80
Tabla 5-4. Puntos de diseño CCD, proporciones de la mezcla expresadas en función del peso del cemento.
..................................................................................................................................................................... 84
Tabla 5-5. Factores y valores de los resultados experimentales para cada punto de diseño. ..................... 85
Tabla 5-6. Definición de los modelos de regresión y métrica R-cuadrado. ............................................... 86
Tabla 5-7. Resultados
de la optimización multiobjetivo. ........................................................................... 89
Tabla 5-8. Deseabilidades individuales y valores globales de deseabilidad. Fuete: Propia. ...................... 89
Tabla 5-9. Respuestas predichas por el modelo frente a la medición experimental. .................................. 90
Tabla 5-10. Resultados de la resistencia a flexión de probetas de UHPFRC con 1% de fibras. ................ 94
Tabla 5-11. Resultados de la resistencia a flexión de probetas de UHPFRC con 2% de fibras. ................ 97
Tabla 5-12. Resultados de la resistencia a flexión de probetas de UHPFRC con 3% de fibras. .............. 100
Tabla 5-13. Resultados de resiliencia y tenacidad en las probetas de UHFRC que desarrollaron
endurecimiento por deflexión. ................................................................................................................... 106
Tabla 5-14. Resultados de los índices de ductilidad en las probetas de UHFRC que desarrollaron
endurecimiento por deflexión. ................................................................................................................... 108

Lista de símbolos y abreviaturas

Símbolos con letras latinas

Símbolo Término Unidad SI
𝐴 Área mm2
𝐷 Tamaño de la partícula μm
𝐷𝑀𝑎𝑥 Tamaño máximo de la partícula μm
𝐷𝑀𝑖𝑛 Tamaño mínimo de la partícula μm
𝐼𝑀𝑂𝑅 Índice de tenacidad 1
𝐿 Distancia entre apoyos mm
𝑀𝑓 Masa de las fibras kg
𝑃𝐿𝑂𝑃 Carga asociada al límite de proporcionalidad N
𝑃 Carga asociada a la máxima resistencia a compresión MPa
𝑃𝑀𝑂𝑅 Carga asociada al módulo de rotura N
𝑃𝑡𝑎𝑟(𝐷) Fracción en peso de solidos totales con tamaño inferior a 𝐷 1
𝑆𝐷𝑀 Desviación estándar de la muestra %
𝑉𝑓 Volumen de las fibras %

Símbolo Término Unidad SI
𝑏 Ancho de la probeta mm
𝑑 Altura de la probeta mm
𝑑𝑓 Diámetro de la fibra mm
𝑑50 Diámetro medio de la partícula μm
𝑑𝑀𝑎𝑥 Diámetro máximo de la partícula μm
𝑓′𝑐 Resistencia a la compresión MPa
𝑓𝑀𝑂𝑅 Módulo de rotura MPa
𝑓𝐿𝑂𝑃 Límite de proporcionalidad MPa
𝑔 Tenacidad o energía absorbida J
𝑔𝐿𝑂𝑃 Resiliencia, hasta una deflexión igual a 𝛿𝐿𝑂𝑃 J
𝑔𝑀𝑂𝑅 Tenacidad, hasta una deflexión igual a 𝛿𝑀𝑂𝑅 J
𝑙𝑓 Longitud de la fibra mm
𝑞 Exponente de Fuller 1
𝑟𝑝𝑚 Revolución por minuto r/min
𝑤/𝑏 Relación de agua conglomerante o binder 1
𝑤/𝑐 Relación agua cemento 1

Símbolos con letras griegas

Símbolo Término Unidad
SI
𝛿𝐿𝑂𝑃 Deflexión asociada a la carga 𝑃𝐿𝑂𝑃 mm
𝛿𝑀𝑂𝑅 Deflexión asociada a la carga 𝑃𝑀𝑂𝑅 mm

Estudio de las propiedades mecánicas de concretos tipo UHPC y UHPFRC con alto volumen de vidrio reciclado.
16

Composición química de los materiales

Fórmula Término
Al2O3 Alúmina
C3A Aluminato Tricálcico
Ca(OH)2 Hidróxido de Calcio
CaO Cal
CH Portlandita
CSH Silicato de Calcio Hidratado
Fe2O3 Óxido de Hierro
K2O Óxido de Potasio
MgO Óxido de Magnesio
Mn3O4 Óxido de Manganeso
Na2O Óxido de Sodio
SiO2 Sílice
SO3 Óxido de Azufre
TiO2 Óxido de Titanio

Abreviaturas

Abreviatura Término
A&A Andreasen and Andersen
A&Amod Modelo de empaquetamiento de Andreasen and Andersen modificado
ACI American Concrete Institute – (Instituto Americano del Concreto)
ASR Alkali aggregate reaction – (Reacción álcali agregado)
ASTM American Society for Testing and Materials – (Sociedad Americana para Ensayos
y Materiales)
CH Portlandita
CCD Diseño Central Compuesto
DTP Distribución de Tamaño de Partículas
EHE Institución Española del Hormigón Estructural
EN Norma Europea
FA Fly Ash – Ceniza Volante
FRC Fiber Reinforced Concrete – (Concreto Reforzado con Fibras)
FRX Técnica espectroscópica de fluorescencia de rayos X
GGBSF Ground-Granulate Blast-Slag Furnace – (Escoria Granulada de Alto Horno)
GA Glass Aggregate – (Agregado de vidrio)
GP Glass Powder – (Polvo de Vidrio)
HE Fibras metálicas
H − FRC Hybrid Fiber Reinforced Concrete – (Concreto Reforzado con Fibras Hibridas)
HPC High-Performance Concrete – (Concreto de Altas Prestaciones)
HPFRCC High-Performance Fiber Reinforced Cement Composites – (Compuestos
Cementicios de Altas Prestaciones Reforzados con Fibras)
HRWR High Range Water Reducers – (Reductores de Agua de Alto Rango)
ID Identificación
ITZ Interfacial Transition Zone – (Zona de Transición Intersticial)
17

LOP Limit of Proportionality – (Límite de Proporcionalidad)
LVDT Linear Variable Differential Transformer – (Transformador Diferencial de
Variación Lineal)
MOR Modulus of Rupture – Módulo de Rotura
NTC Norma Técnica Colombiana
PCE Polycarboxylate ether – (Policarboxilato)
PP Polipropileno
PPPE Polipropileno y Polietileno
PVA Polivinilo de alcohol
RHA Rice Husk Ash – (Ceniza de Cascara de Arroz)
RSM Metodología de Superficie de Respuesta
SF Silica Fume – (Humo de Sílice)
SS Silicon Sand – (Arena Silícea)
UHPC Ultra-High-Performance Concrete – (Concreto de Ultra Altas Prestaciones)
UHPFRC Ultra-High-Performance Fiber Reinforced Concrete – (Concreto de Ultra Altas
Prestaciones Reforzado con Fibras)
V Volumen
VHPFRC Very-High-Performance Fiber Reinforced Concrete – (Concreto de Muy Altas
Prestaciones Reforzado con Fibras)
W Water – (Agua)

Estudio de las propiedades mecánicas de concretos tipo UHPC y UHPFRC con alto volumen de vidrio reciclado.
18

INTRODUCCIÓN.

Durante los últimos años, los tremendos avances en la investigación del concreto han creado nuevos tipos
de concretos. Entre ellos, destaca el concreto de ultra altas prestaciones (UHPC por sus siglas en inglés) por
sus excepcionales características mecánicas y de durabilidad. Según las normas ASTM, el UHPC se
caracteriza por una resistencia a la compresión de más de 120 MPa [1]. Además, la dosificación adecuada
de las fibras apropiadas produce un compuesto cementoso extraordinario que proporciona altas resistencias
a la flexión y a la tracción uniaxial y muestra un comportamiento de endurecimiento por deformación de
pseudo ductilidad acompañado de formación de grietas múltiples antes de la falla [2]–[5]. Si se compara el
UHPC con los concretos normales o de alta resistencia, éste muestra un comportamiento superior, atribuible
principalmente a su matriz cementante endurecida sustancialmente más densa y casi sin poros capilares [5],
[6]. Otra característica habitual de este concreto de alta tecnología es que está compuesto por una mezcla de
grano fino con un tamaño máximo de partícula inferior a 1 mm. Por lo tanto, en comparación con el concreto
convencional de grano grueso, su microestructura interior es significativamente más homogénea y más
densa, lo que da lugar a un material con mayor durabilidad en el que las fuerzas externas ejercen los
esfuerzos sobre él de manera más uniforme [7], [8].

Sin embargo, la ausencia de normas y códigos de diseño, sumado a la falta de conocimientos sobre el
material y tecnología de fabricación, la elevada huella de carbono y los altos precios de producción
restringen el uso de este notable material más allá de las primeras iniciativas de desarrollo [9], [10]. Otra
preocupación es que, debido a su relación agua/cementante extremadamente baja y a la elevada dosis de
cementante, este compuesto cementicio es susceptible de sufrir una importante contracción autógena y un
rápido secado superficial, lo que requiere una evaluación exhaustiva y medidas correctivas para aplicaciones
prácticas de ingeniería [11], [12]. Por ello, los esfuerzos más recientes se han centrado en abordar estos
inconvenientes y barreras que aún limitan las aplicaciones de este concreto avanzado. Una importante línea
de investigación ha sido la de reducir los costos y la huella de carbono de este material sustituyendo
parcialmente el cemento, el humo de sílice, el polvo de cuarzo, la arena de cuarzo manufacturada y otros
componentes exclusivos por otros materiales de menor costo y más respetuosos con el medio
ambiente [13]–
[15]. De este modo, numerosos trabajos de investigación publicados en los últimos años han demostrado la
posibilidad de conseguir mezclas de UHPC con menor costo y huella de carbono utilizando componentes
como escorias, ceniza de cascarilla de arroz, residuos de craqueo catalítico o vidrio reciclado, entre otros,
como sustitución total o parcial de algunos de los ingredientes típicos [16]–[18]. Otro reto es la calidad del
cemento empleado para fabricar el UHPC, ya que, en la mayoría de los países en vías de desarrollo, que son
los que más necesidades tienen para el avance de la infraestructura, no es fácil encontrar el cemento de bajo
contenido en aluminato tricálcico C3A recomendable para este concreto especial (inferior al 5%) [9], [19].
Además, dentro de los componentes típicos de estos concretos avanzados, especial atención merecen los
casos del polvo de cuarzo y la arena fina de cuarzo cristalinos, que han sido cancerígenos para los seres
humanos, según la Agencia Internacional para la Investigación del Cáncer [20]. Por todo lo anterior, es
necesario evaluar una alternativa más segura a estos componentes para minimizar los riesgos para la salud
durante la producción.

Por tanto, aunque la investigación sobre los UHPC ha avanzado rápidamente en los últimos años, persisten
los problemas de salud, coste y sostenibilidad. Dado que componentes como el polvo de cuarzo y la arena
19

fina de cuarzo suponen un riesgo cancerígeno, su sustitución total por vidrio reciclado supondría un
importante avance en la seguridad y salud del proceso de producción. Por su parte, la sustitución total de
estos dos productos derivados del cuarzo conlleva a una reducción del costo del UHPC por partida doble;
en primer lugar, por el costo de estos componentes, que es superior al del vidrio reciclado, que es un residuo.
En segundo lugar, por la reducción de los costos de transporte al utilizar vidrio de desecho disponible
localmente para producir UHPC [20], [21].

Por otra parte, al material resultante de reforzar con fibras a un UHPC se conoce con el nombre de concreto
de ultra altas prestaciones reforzado con fibras (UHPFRC, por sus siglas en inglés). Las fibras son
adicionadas a la matriz cementante con el objeto de ofrecer un comportamiento a la flexión adecuado a la
mezcla, debido a que, a pesar del alto desempeño a la compresión, el UHPC sin el refuerzo de las fibras
sigue comportándose de manera frágil en flexión. A partir de allí, se debe considerar que los costos de las
fibras típicas usadas en el UHPFRC hacen que estas representen el rubro más alto en los componentes de la
mezcla [22]. Las investigaciones hechas por [23], advierten que la fibra metálica en el mercado
latinoamericano es el elemento con mayor costo en este tipo de concretos, representando una dosificación
en volumen de un 2% hasta el 37% del costo total de la mezcla . Por tanto, este panorama indica que la hoja
de ruta a seguir es probar nuevos tipos de fibras que permitan reducir el costo de la mezcla, pero logrando
un comportamiento estructural equiparable. Ensayar unas fibras alternativas a las fibras metálicas permite
seguir explorando la posibilidad de reducir considerablemente el costo del UHPFRC.

Por otro lado, la reutilización de materiales de desecho, como el vidrio reciclado (como agregado y
cementante) y el polietileno reciclado (para fibras), contribuye a reducir la necesidad de recursos naturales.
Por lo tanto, cuanto mayor sea la cantidad de vidrio reciclado y polietileno reciclado que se utilice en la
producción de UHPFRC, menor será la cantidad de material que deba almacenarse o eliminarse en los
vertederos. Sin embargo, el efecto de estos componentes en los concretos tipo UHPC/UHPFRC debe
estudiarse muy bien, pues se trata de concretos muy sensibles a las variaciones de sus insumos y procesos
debido a su alta complejidad y el elevado número de componentes y sus interrelaciones [9], [24], [25]. Por
ejemplo, en la búsqueda del máximo uso del vidrio reciclado en la dosificación del concreto, se debe tener
mucho cuidado con la posible reacción álcali-sílice, que tiene consecuencias negativas para el concreto [26],
[27]. Otro desafío en países en desarrollo como Colombia es la calidad del cemento, siendo comercialmente
imposible o difícil obtener cemento con bajo contenido de C3A. Una de las razones de elegir un cemento
con bajo contenido de C3A se debe a que una baja cantidad de aluminatos de calcio reduce
considerablemente la demanda de agua del cemento durante el mezclado [28], [29]. Debido a que el C3A
reacciona rápidamente con el yeso del cemento y el agua para formar etringita, y, teniendo en cuenta que la
relación agua cementantes (w/b) en los concretos tipo UHPC/UHPFRC es extremadamente baja, la cantidad
de agua disponible se reduce y afecta la hidratación de las fases alita (C3S) y belita (C2S) que son las que
producen el gel CSH, fundamental en la consecución de altas resistencias en el concreto [30], [31]. De esta
manera, las investigaciones publicadas con cemento ideal con bajo contenido de C3A no pueden ser
replicadas en estos países, por lo que es imprescindible considerar el cemento local [32]. En cuanto a la
utilización de fibras hechas con material reciclado o poliméricas de bajo costo, el reto gira alrededor de
alcanzar el comportamiento de endurecimiento por deflexión cuando se aplica flexión en el UHPFRC.

La presente tesis de maestría se encuentra dividida en dos partes fundamentales (subdivididas en 4 fases).
La primera parte de este trabajo de investigación tiene como objetivo la optimización de un UHPC que
Estudio de las propiedades mecánicas de concretos tipo UHPC y UHPFRC con alto volumen de vidrio reciclado.
20

cumpla con los criterios de la norma ASTM C1856: Los criterios de optimización incluyen el empleo de la
mayor cantidad posible de vidrio reciclado en su composición, la menor cantidad de cemento y un óptimo
contenido de humo de sílice para evitar la expansión de ASR. Cabría destacar además el empleo de un
cemento comercialmente disponible en Colombia, con alrededor del 10% de C3A, lo que supone un desafío
adicional a la hora del desarrollo de este tipo de concretos.

Finalmente, en la segunda parte de esta investigación, se analizará el empleo de diferentes tipos de fibras
disponibles en el mercado colombiano, como sistema de refuerzo a flexión de la matriz UHPC optimizada
en la etapa anterior. Las fibras analizadas incluyeron tanto fibras comerciales de polipropileno/polietileno,
y acero conformadas con extremos en forma de gancho, como fibras de polietileno reciclado. Las series de
UHPFRC analizadas incluyeron dosificaciones volumétricas de fibras del 1%, 2% y 3%.

1 MARCO TEÓRICO.

En este capítulo se establecen los conceptos teóricos necesarios para la contextualización de los concretos
UHPC y UHPFRC. Para esto se llevó a cabo una revisión bibliográfica con el fin de describir los materiales
utilizados en estos concretos, así como sus comportamientos a la compresión y flexión.

1.1 Conceptos básicos.

Antecedentes y características del UHPC y del UHPFRC.

El primer material elaborado a base de pastas de cemento con ultra alta resistencia y baja porosidad proviene
de los trabajos realizados por Yudenfreund [33] y Roy [34] en la década de 1970. Por un lado, Yudenfreud
[33] obtuvo resistencias a la compresión de alrededor de 240 MPa después de tratar en forma especial el
clínker y empleando una relación agua-cemento de 0.20. Por su parte, Roy [34] desarrolló un material con
resistencia a la compresión de hasta 510 MPa con ayuda de curado térmico de 250 ºC a la vez que se aplicaba
una presión de 50 MPa sobre los especímenes. Posteriormente, con el uso de aditivos minerales de alta
actividad puzolánica y superplastificantes, Bache [35] y Birchall et. al [36] desarrollaron dos nuevos tipos
de concretos, caracterizados por su baja porosidad y alta resistencia a
la compresión, respectivamente. En
el año 1984 fue desarrollado por Lankard [28] un concreto, denominado SIFCON, por sus siglas en inglés,
a base de lechada infiltrada en fibras previamente distribuidas en la formaleta. La resistencia a la compresión
alcanzada por estos concretos fue hasta de 200 MPa, y la resistencia a la flexión llegó a un máximo de 75
MPa. Una propiedad destacable del SIFCON fue su resistencia a la tracción (35 MPa), así como su elevado
valor de deformación unitaria, reportado en 1.2% bajo carga máxima a tracción indirecta. Estos buenos
rendimientos en términos de resistencia a la tracción uniaxial y ductilidad fueron posibles gracias a la alta
adición de fibras (15% a 20%), y al particular proceso de fabricación del SIFCON, que consistía en
empaquetar previamente fibras de acero en una formaleta y posteriormente inyectar una lechada de cemento
y arena fina. Sin embargo, estos procedimientos particulares, junto con la elevada cantidad de fibras
empleadas, tuvieron como consecuencia unos elevados costos de producción, lo que evitó aplicaciones
masivas de este material, pese a sus excelentes propiedades [28]. Otro estudio sobresaliente y que daría paso
al desarrollo de los UHPFRC modernos, fue la realizada por Richard y Cheyrezy en 1995 [29]. En sus
investigaciones diseñaron concretos que alcanzaron incluso los 800 MPa al emplear técnicas de curado
térmico especiales (250-400°C) y presiones de compactación de hasta 50 MPa. Usando los principios de
empaquetamiento de partículas con la adición de humo de sílice y polvo de cuarzo molido, y utilizando
fibras metálicas para mejorar la ductilidad, estos concretos alcanzaron resistencias a la compresión de entre
170 a 230 MPa y lograron llegar a 60 MPa de resistencia a la flexión, sin usar presurización y limitando la
cura térmica a 90°C [29]. A partir de estas experiencias y siguiendo diferentes líneas de investigación de
concretos especiales se han estudiado una gran cantidad de UHPC y UHPFRC alrededor del mundo [2], [8],
[10], [37]–[45].

El UHPFRC es un material avanzado que requiere de un proceso de fabricación controlado y de insumos
que pueden ser exclusivos o de difícil acceso [46]. Este concreto debe tener una resistencia a compresión
superior a 150 MPa, según los requisitos de [47], o de 120 MPa, según los requerimientos de [1], un
comportamiento dúctil y unas elevadas prestaciones a la flexión y tracción [46]. Para lograr estas
Estudio de las propiedades mecánicas de concretos tipo UHPC y UHPFRC con alto volumen de vidrio reciclado.
22

características es necesario mantener bajas relaciones agua/cementante, alto contenido de cemento y finos,
y adicionar fibras para asegurar ductilidad. La matriz del UHPFRC y del UHPC es mucho más densa que la
de un concreto convencional, y por lo general está compuesta por cemento, humo de sílice, otros materiales
cementantes suplementarios, harina de cuarzo, arena fina silícea, superplastificante de alto rango, fibras y
agua. Estos componentes deben ser mezclados de tal forma que se pueda alcanzar la máxima densidad
posible, es decir, un óptimo empaquetamiento de las partículas [23]. En la Fig. 1-1, se muestra una
comparación de la matriz de un UHPC y un concreto convencional. En ella se observa una mayor finura en
la microestructura del UHPC, logrado gracias a la elevada concentración de material cementante y menor
contenido de agregado fino con respecto a un concreto típico.

Fig. 1-1. Matriz cementante de un UHPC vs matriz de un concreto convencional. Fuente: Propia.

El elevado desempeño mecánico de los UHPFRC, permite realizar diseños de estructuras más esbeltas
debido a la reducción significativa del peso de los elementos construidos con este material, que, dependiendo
de la aplicación, puede representar entre un tercio o la mitad del peso de los elementos fabricados con
concretos convencionales ante las mismas solicitaciones de carga [48]. Por otra parte, al eliminar las barras
de refuerzo se reducen los costos asociados a la mano de obra y permite posibilidades casi ilimitadas de
formas estructurales debido a una mayor libertad arquitectónica [48], e incluso, en aplicaciones en las que
se logre un adecuado diseño, se logra eliminar completamente la armadura secundaria y el acero transversal
[46]. Finalmente, la baja porosidad del UHPFRC, debido a su elevada densidad de empaquetamiento y baja
relación agua-cementantes, representa una durabilidad superior del producto, pues disminuye de manera
efectiva la carbonatación y la penetración de cloruros, lo que conlleva a una mayor vida útil de la estructura.
Además, esta mayor microestructura mejorada hace que los acabados superficiales sean más estéticos [46],
[48].

Tipologías de concretos de altas prestaciones.

Como se ha mencionado, un UHPFRC ofrece un alto rendimiento en las propiedades más importantes de
un concreto, pero esto puede conllevar a un elevado costo debido a los materiales exclusivos y técnicas
usadas en su producción. Por lo tanto, dependiendo de la aplicación requerida se han adaptado un amplio
número de dosificaciones que permiten aprovechar una propiedad en particular. En este mismo sentido, las
fibras se han adaptado según las necesidades comerciales. En algunas aplicaciones es conveniente usar una
combinación de fibras de diferentes tipos y/o dimensiones. Los concretos hechos bajo estos criterios son
conocidos como H-FRC (concretos reforzados con mezclas híbridas de fibras). Si lo que se requiere es
UHPC
Concreto
convencional
23

alcanzar endurecimiento por deformación, no solo en flexión, sino en tracción directa se pueden elaborar
concretos denominados HPFRCC (compuestos cementantes de altas prestaciones reforzados con fibras)
[49]. En la Fig. 1-2 se ilustra un resumen de las diferentes tipologías de concretos que presentan altas
prestaciones en sus propiedades.

Fig. 1-2. Tipología de concretos de altas prestaciones. Fuente: Tomado de [50].

A partir de este abanico de oportunidades y con base en los diferentes estudios realizados, diversos
investigadores en colaboración con las empresas del sector han desarrollado sus propios UHPFRC haciendo
uso de materiales locales y variando las dosificaciones según sea la necesidad [2], [8], [10], [37]–[45].

1.2 Componentes del UHPFRC.

Los componentes típicos de los concretos de ultra altas prestaciones reforzados con fibras son el cemento,
humo de sílice, polvo de cuarzo, arena silícea, superplastificantes, fibras y agua. Un esquema granular de la
composición del UHPFRC se puede apreciar en la Fig. 1-3.

Fig. 1-3. Esquema de la composición del UHPFRC. Fuente: Tomado de [51].
Estudio de las propiedades mecánicas de concretos tipo UHPC y UHPFRC con alto volumen de vidrio reciclado.
24

Sin embargo, con la finalidad de reducir tanto el costo como la huella de carbono del material, en los últimos
años los investigadores se han centrado en el análisis de otros componentes alternativos como sustitución
parcial y/o total de estos componentes típicos. Entre las líneas más relevantes cabe destacar: (i) el uso de
materiales cementantes suplementarios como la ceniza volante, las escorias siderúrgicas, el residuo de
craqueo catalítico, el polvo de vidrio reciclado o el metacaolín [52]–[55]; (ii) el uso de adiciones minerales,
sin actividad puzolánica o hidráulica, diferentes a la harina de cuarzo, como el polvo de carbonato cálcico
[56], [57]; y (iii) el empleo de agregados alternativos a la arena silícea, como serían la arena de duna o la
arena de vidrio reciclado [57], [58].

Cemento.

El cemento es un material industrial de carácter inorgánico y finura característica, denominado como
conglomerante por su composición diversa en materias primas y procesos reactivos con otras sustancias,
que le otorgan las propiedades de endurecimiento en un periodo de tiempo reducido. El cemento portland
se encuentra esencialmente conformado por materiales
calcáreos como el óxido de calcio (CaO) y yeso
(SO3), junto con un material arcilloso resultado de la unión de sílice (SiO2) y aluminio (Al2O3) [59].
Muchos de estos compuestos son los principales actores a la hora de brindar las propiedades de fraguado y
cohesión entre las partículas para un concreto estándar. De esta forma, la reacción con el agua por medio
del proceso de formación del concreto le otorga el nombre de conglomerante hidráulico, permitiendo la
estabilidad de la mezcla tanto en el aire como en el agua [59]. El principal compuesto formado durante la
fabricación del cemento es el clinker, el cual está constituido por cuatro fases principales: alita (C3S), belita
(C2S), celita (C3A) y ferrita (C4AF) [60]. Las fases de silicato de calcio, la alita y la belita, son las máximas
responsables de las propiedades mecánicas del concreto, y las fases de aluminato, la celita y la ferrita,
contribuyen en el tiempo de fraguado y la durabilidad del concreto [60]. Por otro lado, en el ámbito
específico de las mezclas UHPC, en la mayoría de los casos se utiliza cemento Portland modificado para las
propiedades puntuales que se busquen mejorar en los concretos de ultra altas prestaciones. Uno de estos son
los tipos de cementos de alta resistencia inicial, debido a su acelerado proceso de obtención de esta
propiedad mecánica en menor tiempo [61]. Sin embargo, existen otros investigadores que emplean el
cemento Portland ordinario como material principal para mezclas de ultra altas prestaciones [37]. Por otra
parte, es importante destacar que los cementos reportados para uso en UHPC/UHPFRC tienen un contenido
limitado de C3A, usualmente en el rango del 1.2 y 5% en su composición [62]–[65]. Esto se debe a que,
como se comentó anteriormente, la reacción del C3A con el agua y el yeso del cemento puede provocar un
fraguado demasiado rápido del concreto, reduciendo la trabajabilidad de la mezcla y el agua disponible para
hidratar las fases alita y belita, afectando la resistencia final del UHPC/UHPFRC [30], [66]. Adicionalmente
a eso, las dosificaciones para la cantidad de cemento en una mezcla de concreto UHPC varían entre 800 y
1000 kg/m3 [24]. En referencia al tamaño medio de las partículas, para el cemento de uso general tiene un
valor de diámetro promedio de 15 µm. De esta forma, la finura del cemento va relacionado con el efecto de
llenado entre las partículas de los materiales empleados para la mezcla de un concreto estándar. Por tal
razón, se implementan materiales cementantes suplementarios que ocupen los vacíos que se presenten entre
las partículas de cemento, y así aportar una mejor cohesión entre los componentes del concreto [67].

Humo de sílice.

El humo de sílice (SF por su calificativo en inglés), o también denominado microsílice, es un subproducto
inorgánico proveniente de la reducción del cuarzo con carbón, por medio de los procedimientos de obtención
25

del silicio metal y ferrosilicios en hornos eléctricos de arco. En referencia a su composición de sílice 𝑆𝑖𝑂2
como partículas esféricas amorfas se encuentra en un rango de 85% - 98% [68]. Adicional a esto, el humo
de sílice es empleado habitualmente como material cementante suplementario en los concretos
UHPC/UHPFRC debido a su tamaño medio de las partículas (d50 = 0.15 µm), que le incrementan
sustancialmente la densidad de empaquetamiento de partículas a estos materiales [69], [70]. Por otra parte,
a medida que el cemento se encuentra en su proceso de hidratación, libera hidróxido cálcico, también
conocido como portlandita o CH, que al reaccionar con un producto amorfo rico en sílice dan como resultado
compuestos secundarios como silicato cálcico hidratado (CSH), que aporta a las propiedades mecánicas del
concreto [71]. Debido a estas propiedades, un gran número de investigadores han reportado el empleo de
este insumo cuando se busca densificar el empaquetamiento de las partículas en la mezcla, obteniendo una
mejor distribución del tamaño de éstas, y alcanzando una microestructura mejorada de los compuestos [69].
En concretos UHPC, la dosificación de humo de sílice habitual varía entre rangos del 10 – 30 % sobre el
peso del cemento [72]. Sin embargo, un alto volumen de humo de sílice dentro del concreto afecta
negativamente tanto a las propiedades reológicas del mismo, como a la contracción del material. Además,
es importante mencionar que el humo de sílice al ser un producto considerablemente costoso no se aplica
con frecuencia en el mercado cotidiano de la construcción [69].

Polvo de cuarzo.

El polvo de cuarzo tiene una distribución de tamaño de partícula que oscila entre 0.1 y 100 µm y
generalmente se considera como un relleno inerte, salvo en los casos donde se aplique cura térmica [8]. Si
bien el empleo de este insumo ha permitido alcanzar resistencias mecánicas extraordinarias en el entorno
de los 200 MPa de resistencia a la compresión sin cura térmica [8], debido a su proceso de producción, se
trata de un componente de elevado costo. Además, es importante recalcar que tanto el polvo de cuarzo como
la arena fina de cuarzo, han sido catalogados como cancerígenos para los humanos, según la Agencia
Internacional para la Investigación del Cáncer [58], [73]. Por lo tanto, es necesario evaluar una alternativa
más segura a estos componentes para minimizar los riesgos para la salud durante la producción de estos
concretos especiales.

Carbonato de calcio.

El carbonato de calcio (CaCO3) es empleado como adición mineral en variedad de estudios investigativos,
con la finalidad de densificar el empaquetamiento de partículas en el concreto, y mejorar diversas
propiedades del mismo [74]. El óxido de calcio es uno de los compuestos principales de toda su estructura,
pudiendo encontrarse en el mercado gran variedad de finuras en función del tiempo y método de molienda
aplicado, con tamaños promedio de partícula (d50) en el rango desde los 0.6 hasta los 300 µm. Por esta
razón, se ha reportado su empleo en la sustitución parcial de los componentes típicos del UHPC/UHPFRC
afectando mínimamente al empaquetamiento de partículas. Otras características de esta adición mineral son
su composición microcristalina blanca y su baja solubilidad en agua [75]. Las cantidades de reemplazo del
cemento para mezclas en las que se busca optimizar ciertas propiedades del concreto presenta valores
cercanos al 10%, mejorando la trabajabilidad y fluidez de la mezcla [76]. Además, las afectaciones del
carbonato de calcio en concretos convencionales se ve reflejado en la relación de absorción de agua donde
se presentan valores menores a los ordinarios, debido a los tamaños medios de las partículas, que al ser
menores que el cemento, reducen los vacíos de aire en la mezcla y aportan al proceso de hidratación del
Estudio de las propiedades mecánicas de concretos tipo UHPC y UHPFRC con alto volumen de vidrio reciclado.
26

concreto [74]. Además, cabría destacar que, aunque el carbonato cálcico per se no tiene propiedades
puzolánicas ni hidráulicas, se ha demostrado que su presencia en los concretos tipo UHPC/UHPFRC
favorece la hidratación del cemento, especialmente en las edades tempranas del proceso de hidratación [8],
[77]. Por último, investigaciones recientes han demostrado que la adición de carbonato de calcio a las
mezclas de concretos tipo UHPC/UHPFRC ayuda a disminuir la posible incompatibilidad química entre el
superplastificante y los cementantes, lo que es un problema crucial en este tipo de concretos que tienen
elevadas dosificaciones tanto de superplastificante como de cementantes [78] [79].

Polvo de vidrio.

Es vidrio (generalmente reciclado) que se lleva a tamaños suficientemente pequeños para aportar actividad
puzolánica al concreto, apaciguar la reacción álcali-sílice que pueda provocar el propio vidrio y contribuir
al empaquetamiento de partículas. El d50 necesario para obtener estos efectos debe estar por debajo de los
75 μm [80], [81]. Usualmente
se usa como material para reemplazo del cemento o el humo de sílice, esto
por su influencia a micro escala en el UHPC, en donde pueden reaccionar en el proceso de hidratación
creando gel C-S-H de baja alcalinidad, aumentar la densidad en el empaquetamiento de partículas por su
distribución de tamaños y con lo anterior, acelerar el proceso de hidratación del cemento por el aumento en
la disolución de este. Es importante destacar que, aunque posee contenidos en sílice reactiva elevados (en
torno al 70%) [72], [78], como puzolana la mayoría de los vidrios reciclados se quedan atrás comparados
con el humo de sílice, que cuenta con mayor contenido en sílice reactiva y un tamaño de partícula de sólo
0.15 micrones, tamaños que difícilmente pueden lograrse en el proceso de molienda del vidrio, aspecto que
afecta considerablemente su velocidad de reacción [82]. Ahora, sus desventajas han sido confrontadas en
anteriores investigaciones, analizando las implicaciones del origen del vidrio o, también, cómo potencializar
su actividad puzolánica. Para estas se han propuesto soluciones como la clasificación de vidrios según
colores para conocer mejor sus compuestos, pero más importante, el curado a temperatura controlada para
acelerar la reacción puzolánica de las sílices del vidrio en el concreto, y con esto competir con las
características del humo de sílice [83].

Arena silícea.

El agregado habitual en los concretos tipo UHPC/UHPFRC es la arena de cuarzo manufacturada [9], [84].
Se trata de arena obtenida a través de la molienda de cuarzo hasta alcanzar un tamaño y distribución
adecuados para los requerimientos de empaquetamiento de estos concretos especiales [8], [9]. Otra
posibilidad bastante extendida es la arena silícea lavada y clasificada, propia de la industria de fabricación
del vidrio [9]. Con relación al tamaño máximo de este agregado, los tamaños máximos habituales son
inferiores a un milímetro, tratándose por tanto de arena silícea fina o ultra fina. Los fundamentos para este
reducido tamaño se sustentan en dos razonamientos diferenciados. En primer lugar, reduciendo el tamaño
máximo del agregado se mejora la homogeneidad de la mezcla y reduce el espesor de la zona de transición
intersticial, procediendo una matriz con microestructura mejorada con mayor desempeño mecánico [29]. En
segundo lugar, a mayor tamaño de agregado menor desempeño de la fibra dentro de la matriz. Aquí es
importante recalcar que la fibra es el componente de mayor costo en estos concretos especiales [85], [86],
por lo que maximizar su desempeño es de crucial importancia en los desarrollos de estos materiales. En este
sentido, investigaciones realizadas por Abellán-García y asociados [11], [85], [87] demuestran que el mejor
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desempeño de la fibra en el comportamiento post-fisuración de esos materiales compuestos se alcanza con
tamaños máximo de entre 0 (pastas) y 0.6 milímetros.

Sin embargo, estos requerimientos especiales para la arena tienen una elevada repercusión en el costo del
insumo, lo que lógicamente se traslada al concreto. Además, hay que tener en cuenta que, al igual que se
vio con el caso del polvo de cuarzo, diferentes organizaciones del área de la salud han catalogado a estos
componentes silíceos de reducido tamaño de partícula como cancerígenos [13], [45]. Por lo tanto, la
sustitución de este insumo por otro de menor costo y mayor seguridad es de considerable importancia dentro
del sector de los concretos de ultra alto desempeño.

Arena de vidrio.

La arena de vidrio viene dada por un tamaño igual que el material que frecuentemente puede remplazar en
el UHPC, la arena de cuarzo, con un diámetro de partícula de entre 150 y 600 μm [20]. Esta se diferencia
mucho del polvo de vidrio, ya que, por su tamaño, no tendría una función predominantemente puzolánica y
se tiende a clasificar como agregado. Su principal influencia está en el empaquetamiento de partículas según
su tamaño. Incluir proporcionadamente este material en el UHPC, junto a otros con diferentes tamaños,
contribuye a disminuir la porosidad de la mezcla y aporta un impacto positivo en el comportamiento
mecánico del UHPC. Además, teniendo en cuenta la sostenibilidad que representa la arena de vidrio
reciclada, la inclusión de este coproducto contribuye a la reducción de la huella de carbono del material
[13], [20]. Su principal inconveniente se centra en su alta concentración en óxidos de sodio y sílice, lo que
puede desencadenar en el concreto la peligrosa reacción álcali-sílice, por lo que deben tomarse las
precauciones adecuadas en su dosificación [72], [88].

Superplastificante a base de éter de policarboxilato.

La tecnología actual del concreto incluye una amplia gama de aditivos de varias tipologías que son
empleados con el objetivo de mejorar tanto propiedades del concreto en estado fresco como en estado
endurecido [89], [90]. Los aditivos superplastificantes a base de policarboxilatos permiten una alta
reducción de agua en los concretos, siendo ampliamente utilizados para concretos UHPC. De hecho,
solamente este tipo de superplastificantes permiten una reducción suficiente de agua para que el concreto
pueda alcanzar la consistencia necesaria en estado fresco, a la vez que en su estado endurecido pueda obtener
la resistencia deseada [91]. El uso de los superplastificantes reduce la macro porosidad que caracteriza a los
concretos estándar, permitiendo obtener una relación w/b baja, aumenta la vez que mejoran la manejabilidad
y la compactación de la mezcla [10]. Por otro lado, una excesiva dosificación de este aditivo produce una
mezcla demasiado viscosa que no permite la expulsión del aire ocluido, lo que aumenta la cantidad de vacíos
en la mezcla, incrementando por tanto la porosidad y reduciendo la resistencia mecánica del concreto [92].
Por tal razón, se estima una cantidad de este aditivo para mezclas de concreto convencionales entre 0.15%
– 0.8% con referencia al peso de los cementantes [93], que lo relaciona de forma directa al coeficiente de
permeabilidad de los concretos estándar, ubicados en medidas cercanas a 0.0015 mm2/s para un periodo de
98 días. De esta forma, las mezclas compuestas de aditivos superplastificantes reducen el valor de este
coeficiente a 0.0005 mm2/s a edades de 98 días, debido a la baja porosidad que presenta su estructura y lo
poco permeables que son estos tipos de concretos [10]. Sin embargo, para producir UHPC se suministran
Estudio de las propiedades mecánicas de concretos tipo UHPC y UHPFRC con alto volumen de vidrio reciclado.
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cantidades de superplastificante entre 1.7% y 2.7% del volumen de la mezcla debido a los altos contenidos
de cemento de estos concretos [91].

El superplastificante es el componente más complejo del UHPC. La longitud de su cadena y la posición de
los radicales afectan mucho a la interacción del superplastificante con los cementantes [90]. De hecho, la
incompatibilidad del superplastificante con el cemento y/o cementantes es un factor clave en el desarrollo
de los concretos UHPC/UHPFRC. Por lo tanto, la selección del superplastificante es crucial [9], [79], [90].

Fibras.

El comportamiento de la matriz UHPC es eminentemente frágil. Para evitar esto es necesario añadir fibras
al UHPC, constituyendo UHPFRC [94], [95]. Existen en el mercado un amplio abanico disponible de fibras,
que se distinguen por diferentes tamaños, materiales, formas, entre otros. Se caracterizan por su variedad,
pero su meta siempre es la misma, mejorar la ductilidad del material incrementando su comportamiento
post-fisuración ante una solicitación determinada (compresión, flexión, tracción, etc.) [42], [96].
Inicialmente, se esperaba que las fibras aportaran directamente a una mejora en el comportamiento al evitar
las microfisuras en el concreto. Sin embargo, estudios posteriores demostraron que la adición de fibras no
puede evitar la formación de las fisuras. Aunque, la inclusión de fibras en el

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