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Boletín informativo junio 2014
ARTÍCULO TÉCNICO
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INSTRUMENTACIÓN DE BLOQUES DE CONCRETO MASIVO PARA VERIFICAR EL
SISTEMA DE ENFRIAMIENTO. CASO PRÁCTICO.
Marlon Valarezo A.
Resumen El control del agrietamiento debido a la generación
de calor y aumento de la temperatura en
estructuras masivas siempre ha requerido una
atención particular por los diseñadores y
especialmente por los constructores, debido a las
múltiples variables que intervienen en el proceso de
producción y construcción con concreto. Los
reportes de investigación y códigos presentan varias
acciones para disminuir y controlar la temperatura
en estructuras masivas, empleándose generalmente
en obra algunas combinaciones y variaciones de
estas. Este trabajo presenta un caso práctico del uso
de algunas de las recomendaciones establecidas
para el control de la temperatura en estructuras
masivas y el monitoreo respectivo de las mismas
con el fin de determinar su eficacia. Es así que este
documento intenta aclarar las dudas que podrían
existir sobre la aplicación en obra de estas buenas
prácticas de ingeniería.
El caso práctico que se presenta es durante la
construcción de la estructura del vertedero de la
obra de Captación del Proyecto Hidroeléctrico Coca
Codo Sinclair, en donde se requieren alrededor de
130.000 m3
de concreto. El procedimiento
constructivo requiere la construcción de bloques de
concreto con un volumen aproximado de 3.000 m3
cada uno y por ello las consideraciones especiales
de control de la temperatura. La eficiencia de las
acciones aplicadas se verifica comparando la
temperatura y el diferencial de temperatura
obtenido en el concreto de la estructura con los
valores asumidos como máximo dentro del diseño.
Introducción El Proyecto Hidroeléctrico Coca Codo Sinclair que se
construye en las Provincias de Napo y Sucumbíos en
el oriente ecuatoriano ha sido diseñado para
generar 1500 MW de energía limpia. Las obras
principales en construcción son: la captación, túnel
de conducción, embalse compensador, tuberías de
presión y casa de máquinas.
La Obra de Captación se encuentra ubicada en el rio
Coca a 1 km aguas abajo de la confluencia de los
ríos Salado y Quijos, en donde se construye una
presa de enrocado con cara de concreto (CFRD) con
una altura de 31,50 m sobre la cimentación. Se ha
proyectado un desarenador al exterior para un
caudal de 222 m3/s con la capacidad de sedimentar
partículas superiores a 0,25 mm. La estructura del
vertedero constituida por ocho vanos de 20 m de
longitud tiene su cresta a la elevación de 1.275,50 m
(NAMO) y ha sido diseñado para descargar caudales
de 6.020 m3/s en épocas de crecida con un periodo
de retorno de 200 años y 8.900 m3/s para un
periodo de retorno de 10.000 años con una
elevación en el embalse a 1.284,25 m. La
catastrófica es de 15.000 m3/s a la elevación de
1.288,30 msnm en el embalse.
El vertedero con perfil Creager tiene 174 m de
longitud, 52 m en su base y 25,5 m de altura; se
construye con un núcleo de concreto de 21 MPa
cubierto por una capa aproximada de 2 m de
concreto de 32 MPa reforzado con fibra (Figura 1),
siendo esta la superficie que estará en contacto con
el agua. En la construcción del núcleo del vertedero
se requieren alrededor de 130.000 m3 de concreto,
el procedimiento constructivo se realizó en nueve
secciones longitudinales y siete niveles en altura,
mediante bloques de concreto con dimensiones
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desde 50x20x3 metros en la base, hasta bloques
más pequeños que disminuyen gradualmente de
tamaño conforme se avanza con la construcción
hacia los niveles superiores. La fabricación de cada
uno de estos bloques requirió de un volumen
aproximado de 3.000 m3 de concreto y por ello con
precauciones especiales del concreto con el fin de
evitar daños por las altas temperaturas generadas
que pudieran resultar en agrietamiento (Gajda y
Vaneem, 2002).
Figura 1. Esquema de la estructura del vertedero.
Así, para reducir el calor de hidratación se empleó
una mezcla con bajo contenido de cemento,
utilizando puzolana natural como adición mineral en
reemplazo de aquel. Para disminuir la temperatura
de la mezcla se utilizó árido grueso de gran tamaño
y un sistema de enfriamiento para el agua de
mezclado. Durante el colado se realizó el
enfriamiento del concreto dentro del bloque con la
inserción de tuberías de enfriamiento, encofrados
de acero para la disipación rápida del calor, curado
con agua y el uso de una manta protectora.
La eficiencia de las acciones aplicadas se verificó
comparando la temperatura y el diferencial de
temperatura obtenido en la obra con los valores
asumidos como máximo dentro del diseño. Fijada la
temperatura del concreto en 25 °C como máximo,
con la implementación del sistema de enfriamiento
y las acciones descritas se esperaba que la
temperatura en el concreto masivo colocado no sea
superior a 60 °C y diferenciales térmicos en el
núcleo del bloque inferiores a 20 °C, a fin de
disminuir así las posibilidades de agrietamiento. Un
bloque de prueba fue instrumentado para obtener
lecturas de temperatura del concreto dentro del
bloque y su variación en función del tiempo.
Materiales y Métodos. Mezcla de concreto: Dadas las condiciones de
trabajo y los equipos de colocación disponibles se
utilizan tres mezclas (Tabla 1), compuestas por árido
grueso, arena, cemento, puzolana natural, aditivo
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plastificante y agua fría. Estas mezclas tienen un
bajo contenido de cemento, inferior a 270 kg/m3
(Kosmatka, et al, 2004), un porcentaje de árido
grueso (G) del 66 % en función de la cantidad total
de áridos (G+A) y en una de ellas se empleó árido
con tamaño de hasta 75 mm.
Tabla 1. Mezclas empleadas en la fabricación del bloque de prueba.
Código Mezcla
f'c (MPa)
TMN (mm)
A/C
Ce
me
nto
Pu
zola
na
Are
na
Árido Grueso
Pla
stif
ican
te
19 mm 4,75 mm
37,5 mm 19 mm
75 mm 37, 5 mm
H20 21 37,5 0,60 210 40 810 475 713 2,0
H25 21 75 0,60 190 35 693 411 411 549 1,8
H33 21 37,5 0,55 243 48 823 556 556 2,3
Cantidades en peso expresadas en kg
Con estas consideraciones la temperatura esperada
de la mezcla se determina de acuerdo a la
recomendación del ACI 305R (Ecuación 1). En donde
T en °C hace referencia a la temperatura de los
componentes, siendo estos: Ta, árido; Tc, cemento y
Tw, agua de mezclado. De igual manera el peso (kg)
de cada uno de los materiales es representado por
W según sea: Wa, árido (estado seco); Wc, cemento;
Ww, agua de mezclado y Wwa, peso adicional de los
áridos debido a la humedad presente en ellos.
� =�,����������� �� �
�,������ � (Ec. 1)
La temperatura de los áridos determinada en el sitio
de almacenamiento fue de 24 °C. Para mantener
esta condición durante toda la construcción, los
áridos se mantienen bajo cubierta con la suficiente
ventilación; así se protegen del medio ambiente
para disminuir las variaciones de temperatura y
humedad. El cemento presenta una temperatura
promedio de 49 °C de acuerdo a las mediciones
realizadas en los silos de almacenamiento. El agua
de mezclado recibe un tratamiento de refrigeración
para mantenerla a una temperatura de 7 °C. Con
esto se espera que la temperatura del concreto
recién mezclado sea de 22 °C, lo mismo que se
verificó determinando las propiedades de las
mezclas en campo (Tabla 2).
Tabla 2. Propiedades de las mezclas de concreto en obra.
Código Mezcla
G / G+A Asentamiento Temperatura Contenido de Aire
% mm °C %
H20 59 160 22 1,2
H25 66 155 22 1,2
H33 57 180 21 1,4
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Sistema post-enfriamiento: El sistema post-
enfriamiento consistió en instalar tuberías
embebidas dentro de los bloques de concreto por
donde circulaba agua fría con el objeto de disminuir
la temperatura interna y mantener el diferencial de
temperatura dentro del bloque en rangos
aceptables. Se utilizó tubería de enfriamiento de
acero de 1,5 mm de espesor y 25 mm de diámetro;
el agua de enfriamiento proveniente del rio Coca y
presentaba una temperatura promedio de 18 °C.
Durante el diseño e instalación de este sistema se
siguieron las recomendaciones del ACI 207.4R. La
tubería de enfriamiento se colocó en forma de
serpentín en dos niveles, el primer nivel
directamente sobre la superficie previa de concreto
endurecido y el segundo nivel a una separación
vertical de 1,5 m con respecto al primero. La
distribución en horizontal se realizó manteniendo
una separación de 1,5 m entre la tubería,
desarrollando una longitud no mayor de 300 m por
serpentín (Figura 2) para asegurar un enfriamiento
uniforme de toda la estructura. Para mantener la
tubería en su posición durante el hormigonado se
empleó una armadura de soporte, la figura 3
muestra la disposición de la tubería en un bloque
sin acero de refuerzo principal. Después de instalada
la tubería, se realizan pruebas de presión para
verificar la hermeticidad del sistema.
Instrumentación del bloque de prueba: Como
instrumentación del bloque se colocaron tres
puntos de medición en planta, dos de ellos con
sensores de medición (s) a alturas de 0,75 m y 2,25
m. En el punto central se colocaron dos sensores
adicionales ubicados a 5 cm de los extremos
superior e inferior del bloque, obteniéndose en total
ocho puntos de lectura (Figura 2). Las lecturas en
cada uno de los puntos de medición se efectuaron
cada 2 horas hasta completar un periodo de 334
horas (14 días). Los medidores de temperatura
compuestos por cables y sensor tienen una
precisión de 0,1 °C en un rango de medición de -30
°C a 130 °C con un error menor a 0,5 °C.
.
Figura 2. Esquema de distribución de la tubería de post-enfriamiento del concreto.
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Transporte y colocación del concreto: Las
operaciones de colado para cada bloque iniciaron
con el transporte del concreto en camiones
mezcladores de 6 m3 desde la planta de producción,
ubicada a menos de 1 km del sitio de disposición
final. Para evitar paralizaciones durante la
colocación, debido a la pluviosidad de la zona del
proyecto, se colocaron cubiertas sobre todos los
bloques de trabajo. En la colocación del concreto se
utilizaron dos bandas transportadoras y una bomba
con una rata de colocación de 1,6 m3/min y 0,88
m3/min, respectivamente. El tiempo aproximado de
hormigonado fue de 48 horas. En sitio se
dispusieron grupos encargados de la compactación
con vibradores de inmersión y el concreto se colocó
desde una altura máxima de 1,50 m como disponen
las especificaciones del proyecto para evitar la
segregación. Luego del periodo de fraguado, el
bloque fue cubierto con una manta de protección
para prevenir la rápida evaporación y conservar las
condiciones de humedad y temperatura en su
interior. Luego de 3 horas de haber terminado la colocación
del concreto, se inició la circulación del agua fría por
la tubería de enfriamiento, con un caudal entre 15 y
17 l/min. Durante el enfriamiento se cambió la
dirección de la corriente de agua cada 12 horas para
evitar zonas de temperatura muy baja, logrando así
una distribución uniforme del calor dentro del
elemento.
a. Disposición de la tuberia post-enfriamiento. b. Monitoreo de la temperatura.
Figura 3. Tubería de post-enfriamiento y sensores de temperatura ubicados en obra.
El registro de temperatura del agua de entrada y
salida se realizó cada 24 horas hasta completar un
periodo de 14 días. Esta medición fue directa, para
ello se colocaron 5 l de agua en una cubeta y se
introdujo un termómetro, el mismo que permaneció
de 3 a 5 minutos dentro del agua para proceder a la
lectura. Para tomar la muestra de agua en la salida,
se esperó por lo menos un minuto después del
caudal inicial.
Resultados y Discusión Las mediciones realizadas en el bloque de prueba
(Figura 4) permitieron observar que la
temperatura del concreto generada en el interior
del bloque fue inferior a 49 °C, alcanzando
temperaturas máximas a las 48 horas de colado. La
figura 5 en cambio muestra que el diferencial de
temperatura (dt) en el núcleo del bloque de
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concreto se mantiene inferior a 7 °C durante todo
el periodo de observación, registrándose un pico
inicial de 15 °C.
Por otro lado, la figura 5 también permite observar
el calor ganado por el agua dentro de la tubería de
enfriamiento, expresado en función del aumento
de temperatura (dT agua) con respecto a su
condición de temperatura inicial. Así se registra un
rango de incremento entre 7 °C y 21 °C, siendo el
máximo a las 24 horas después de terminada la
colocación del concreto.
Figura 4. Temperaturas registradas en el interior del bloque de prueba.
El análisis de los registros de los cuatro sensores
ubicados en el punto 2 del bloque permite
determinar los diferenciales de temperatura en la
parte inferior (dti: entre 2-3 y 2-1), media (dtm:
entre 2-2 y 2-1) y superior (dts: entre 2-2 y 2-4) del
bloque. En la figura 6 se observan diferenciales por
debajo de los 7 °C, excepto en la franja superior del
bloque (75 cm) en donde dentro de las primeras 12
a 48 horas se alcanzaron diferenciales de
temperatura de hasta 24 °C, registrando una
tendencia a decrecer luego de este periodo de
tiempo. Además, con los registros del sensor 2-4 se
determinó el diferencial de temperatura entre la
superficie de concreto y el medio ambiente (dt sc-
ma) durante las primeras 80 horas después del
colado, obteniendo un diferencial de temperatura
bajo.
25
30
35
40
45
50
55
0 50 100 150 200 250 300 350
Te
mp
erat
ura
°C
Tiempo (h)
s11
s12
s21
s22
s31
s32
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Figura 5. Diferencial de temperatura en el núcleo del bloque de concreto e incremento en la temperatura del
agua de enfriamiento.
Figura 6. Diferenciales de temperatura por capas de concreto.
0
5
10
15
20
25
0 50 100 150 200 250 300 350
ΔT
°C
Tiempo (h)
dt1
dt2
dt3
dT agua
0
5
10
15
20
25
0 50 100 150 200 250 300 350
ΔT
°C
Tiempo (h)
dts
dtm
dti
dt sc-ma
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De lo anterior se determina que se cumplió con la
premisa de mantener las temperaturas máximas del
concreto en el interior del bloque menores a 50 °C y
los diferenciales de temperatura menores a los 20
°C, asumidos como premisas de diseño.
Conclusiones El bajo diferencial de temperatura, inferior a 5 °C,
obtenido entre la superficie del bloque (sc) y el
medio ambiente (ma) se interpreta como un buen
trabajo de la manta de protección colocada en la
parte superior del bloque para mantener las
condiciones de humedad y temperatura del
concreto.
Los diferenciales de temperatura obtenidos en el
núcleo del bloque, inferiores a 15 °C y el incremento
de temperatura entre 7 °C y 21 °C registrado en el
agua de enfriamiento, demuestran el
funcionamiento eficiente del sistema post-
enfriamiento.
Los valores de hasta 24 °C registrados como
diferencial térmico en la capa superior del bloque
de concreto (dts) durante las primeras 80 horas,
exceden los 20 °C adoptados como diferencial
máximo; sin embargo se aprecia que esto ocurrió
entre las primeras 10 y 50 horas, tiempo luego del
cual su tendencia es decreciente. Además no se
observó agrietamiento en el bloque dentro de este
periodo de tiempo.
Agradecimiento A las empresas COCASINCLAIR EP y SINOHYDRO
CORPORATION encargadas de la ejecución y
construcción respectivamente del Proyecto
Hidroeléctrico Coca Codo Sinclair.
Referencias ACI 305R-99 Hot Weather Concreting, American
Concrete Institute, Estados Unidos.
ACI 207.4R-05 Cooling and Insulating Systems for
Mass Concrete, American Concrete Institute,
Estados Unidos.
Gajda, Jhon, Van Geem, Martha, “Controlling
Temperatures in Mass Concrete”, Concrete
International, Vol.24, No.1, Enero 2002.
Kosmatka, “Diseño y Control de Mezclas”, Portland
Cement Association, 2004.
