Dosificación de los áridos en la fabricación del hormigón

La dosificación de los áridos es un proceso más complejo que la dosificación del cemento, pues se debe considerar el agua contenida en estos componentes. Esta agua puede estar presente en la superficie de los áridos, entre sus partículas e incluso en su interior, como ocurre con los áridos ligeros. Para lograr dosificaciones precisas, es fundamental tener un conocimiento constante de las cantidades variables de agua. La dosificación de áridos puede realizarse de manera ponderal o volumétrica.

Dosificación por volumen

Un dosificador de áridos por volumen consta de una cinta transportadora, ubicada debajo de la tolva de almacenamiento, que se mueve a velocidad constante, y de un registro vertical que regula la altura del material extraído sobre la banda (Figuras 1 y 2). El volumen distribuido es proporcional al tiempo de descarga, el cual se controla mediante temporizadores.

Figura 1. Dosificador volumétrico de áridos

Este procedimiento no se ve afectado por la humedad de los materiales, lo que lo hace especialmente adecuado para áridos ligeros, cuya densidad puede variar significativamente según su contenido de agua. Sin embargo, el peso del material extraído puede verse influenciado por el grado de compactación del material sobre el dosificador, es decir, por la altura de carga en las tolvas de almacenamiento.

Figura 2. Detalle del dosificador volumétrico de áridos

La dosificación en volumen es más complicada que la dosificación en peso. En las instalaciones muy pequeñas, donde se realiza la dosificación directamente en el skip o en un dispositivo similar, los áridos deben verterse hasta alcanzar niveles de referencia preestablecidos. Este procedimiento repetitivo no solo consume mucho tiempo, sino que también genera una mayor probabilidad de errores.

Cuando la alimentación se efectúa a través de una cinta transportadora, el control de los volúmenes transportados se vuelve más sencillo. Conociendo el ancho de la cinta, solo es necesario instalar un gálibo sobre la cinta, que debe operar a una velocidad constante. Conociendo esta velocidad, se puede determinar el tiempo de funcionamiento necesario para alimentar una amasada. Los dosificadores volumétricos se instalan generalmente justo debajo del silo o la tolva. El material a dosificar se carga directamente en una pequeña cinta llamada extractora.

Este procedimiento presenta varias ventajas, como un bajo coste, una gran simplicidad, poco mantenimiento y un reducido espacio de ocupación. Sin embargo, también presenta inconvenientes, como la imprecisión causada por los esponjamientos variables de las arenas, la irregularidad en los caudales sobre la cinta y las posibles inconsistencias en la caída del material a través de las trampillas. Según los fabricantes, los errores de medida entre las cantidades programadas y las obtenidas son inferiores al ±2 %.

Dosificación por peso

La dosificación ponderal se ha convertido en el método preferido tanto para cementos como para áridos, gracias a su mayor precisión y facilidad de implementación en comparación con la dosificación volumétrica. Existen varias opciones para realizar este proceso cuando las tolvas se encuentran en línea. Se pueden utilizar básculas individuales que alimentan el material mediante una cinta transportadora (Figura 3) o una báscula móvil que se traslada entre diferentes tolvas (Figura 4). Otra alternativa es una báscula con cinta extractora que utiliza una única tolva pesadora larga y estrecha que se vacía al activar una cinta transportadora ubicada en el fondo (Figura 5). Para los compartimentos correspondientes, las compuertas de sector son las más comúnmente utilizadas y pueden accionarse de forma manual, eléctrica, neumática o hidráulica. En algunos casos, las compuertas se reemplazan por alimentadores electromagnéticos o alimentadores de cinta transportadora.

Básculas independientes: Se trata de un pesaje simultáneo, en el que cada componente o árido dispone de su propia báscula y todas ellas descargan el material en una cinta transportadora que lo lleva al skip de la mezcladora. Este método proporciona una alta precisión y productividad.

Figura 3. Básculas independientes bajo tolvas en línea

Báscula móvil: Se trata de un procedimiento más lento que el de las básculas independientes. La báscula se desplaza de una tolva a la siguiente. Se realiza un pesaje acumulativo o por adición, en el que los componentes se pesan secuencialmente en la misma báscula. Cuando la aguja del dial alcanza la cantidad requerida para el primer árido, se cierra su compuerta y se abre la del siguiente, lo que permite ahorrar espacio y reducir los costes de instalación e inversión. Estos sistemas suelen ser menos precisos que las básculas independientes, especialmente cuando se pesa el cemento al final del proceso.

Figura 4. Báscula móvil bajo tolvas en línea

Báscula con cinta pesadora: También existen sistemas de pesaje continuo para áridos, como las cintas pesadoras, que actúan como medidores de caudal. Una cinta pesadora consta de una báscula que mide el peso de un elemento de la cinta (por ejemplo, la reacción de un rodillo), un indicador de esfera y un totalizador, generalmente digital. Este totalizador se acciona mediante un motor cuya tensión de alimentación depende de la velocidad de la cinta y de la carga indicada por el dispositivo de pesaje. Estos sistemas, conocidos también como básculas o rodillos integradores, permiten reducir la altura de las plantas de producción, aunque su precisión varía entre el 0,5 % y el 1 %. Este tipo de báscula permite una dosificación más rápida y es especialmente útil en instalaciones de prefabricados, donde se manejan muchos tipos de áridos, así como en centrales de dosificación para hormigoneras sobre camión.

Figura 5. Báscula con cinta pesadora

Cuando las tolvas verticales descargan sobre una misma báscula, puede haber un sistema de pesaje aditivo, tal y como se ha descrito con la báscula móvil y sistemas de pesaje sustractivo. En este último caso, se llena la báscula y se determina el peso total; luego, se abre y se cierra la compuerta hasta que la aguja marque la diferencia deseada. Este método simplifica la instalación, ya que no requiere una tolva superior ni dosificación por compuertas.

La báscula más aceptada es la de sistema de suspensión en cuatro puntos, que evita errores de peso causados por el descentrado de la carga en el recipiente. Aunque la báscula romana de cursor es económica y precisa, la balanza de resorte con índice se ha vuelto más común para áridos y cemento, ya que permite realizar múltiples pesadas aditivas y llevar a cabo un control adecuado en vacío, lo cual es especialmente importante en el caso del cemento. Además, algunos fabricantes utilizan básculas medidoras de presión, que determinan el peso de manera eléctrica en lugar de recurrir a básculas mecánicas.

En las instalaciones con skip pesador, los áridos no se descargan en una tolva pesadora fija, sino directamente en la cubeta del skip de la mezcladora. Este sistema se emplea principalmente para reducir la altura del equipo de pesaje y para eliminar o minimizar la necesidad de una fosa en el muro de almacenamiento. El principal inconveniente es que no se puede comenzar a dosificar los áridos hasta que el skip esté apoyado en la báscula, lo que generalmente afecta al ciclo de la hormigonera y reduce el número de amasadas por hora, disminuyendo así la producción.

Figura 6. Skip pesador de áridos

Os dejo un vídeo ilustrativo sobre este tema.

Referencias:

ACI COMMITTEE 304. Guide for Measuring, Mixing, Transporting, and Placing Concrete. ACI 304R-00.

BUSTILLO, M. (2008). Hormigones y morteros. Fueyo Editores, Madrid, 721 pp.

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YEPES, V. (2020). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia, 2ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 480 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-903-1.

YEPES, V. (2023). Maquinaria y procedimientos de construcción. Problemas resueltos. Colección Académica. Editorial Universitat Politècnica de València, 562 pp. Ref. 376. ISBN 978-84-1396-174-3

YEPES, V. (2024). Estructuras auxiliares en la construcción: Andamios, apeos, entibaciones, encofrados y cimbras. Colección Manual de Referencia, serie Ingeniería Civil. Editorial Universitat Politècnica de València, 408 pp. Ref. 477. ISBN: 978-84-1396-238-2

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Dosificación de los aditivos en la fabricación del hormigón

Figura 1. Dosificador de aditivos. https://sotecma.es/dosificadores-aditivos-hormigon/

Los aditivos son sustancias o productos que, incorporados al hormigón antes del amasado (o durante el mismo o en un amasado suplementario), en una proporción no superior al 5 % del peso del cemento, generan la modificación deseada de alguna de sus características, propiedades habituales o comportamiento, ya sea en estado fresco o endurecido. De este modo, los aditivos actúan como componentes auxiliares del hormigón, aunque, en determinadas condiciones y para ciertas obras, pueden volverse indispensables para resolver problemas específicos.

Los dosificadores de aditivos para hormigón son fundamentales en el proceso, ya que permiten obtener una mezcla homogénea y con propiedades específicas. En muchas plantas de producción de hormigón, la dosificación de aditivos se realiza de manera volumétrica. En ocasiones, incluso se utiliza un pequeño bidón de recuperación como dosificador, independientemente del volumen de la amasadora.

Sin embargo, desde hace años, el uso de aditivos de calidad ha avanzado significativamente. En plantas de mediana capacidad se han implementado pequeñas bombas dosificadoras temporizadas, que permiten resolver la mayoría de los problemas asociados a la dosificación de estos productos. Por otro lado, en plantas de gran capacidad es necesario, y en muchos casos imprescindible, utilizar básculas para la dosificación de aditivos.

Los dosificadores de aditivos son equipos esenciales en la industria de la construcción, diseñados para añadir con precisión aditivos líquidos o sólidos al hormigón. Su función principal es asegurar la dosificación exacta y una distribución homogénea del aditivo en el hormigón, lo que mejora propiedades como la resistencia, la durabilidad y el tiempo de fraguado. Estos dispositivos permiten un control preciso de la cantidad de aditivo incorporado, lo cual es fundamental para cumplir con las especificaciones técnicas de cada proyecto y garantizar la calidad final del hormigón.

El uso de dosificadores de aditivos optimiza los procesos de construcción, reduce el desperdicio de material y contribuye a la sostenibilidad ambiental al minimizar el exceso de aditivos.

Los dosificadores de aditivos se clasifican principalmente en dos tipos, cada uno con características y aplicaciones específicas que los hacen adecuados para distintas necesidades en la industria del hormigón:

  • Dosificadores volumétricos: estos dispositivos miden el aditivo en función del volumen. Son especialmente útiles para líquidos y destacan por su simplicidad y eficiencia. Los dosificadores volumétricos son ideales en aplicaciones donde la precisión en la cantidad de aditivo no es crítica, pero se requiere una dosificación constante y controlada. La dosificación volumétrica se realiza, por lo general, mediante la medición del tiempo de funcionamiento de una bomba rotativa de pequeño caudal. También se utilizan dispositivos con bomba aspirante e impelente.
  • Dosificadores por peso: también conocidos como gravimétricos, estos dosificadores miden el aditivo según su peso. Ofrecen una precisión superior en comparación con los volumétricos, lo que los hace indispensables en aplicaciones donde las proporciones exactas de aditivo son cruciales para la calidad del hormigón. Aunque pueden ser más complejos y costosos, su precisión y fiabilidad justifican la inversión en muchos proyectos.

Antes de incorporarlos al hormigón en proceso de fabricación, los aditivos deben disolverse, mezclarse y homogeneizarse en una parte del agua de amasado mediante un sistema de premezcla eficaz. Esta mezcla debe cumplir los siguientes requisitos:

  • Corresponder a una cantidad suficiente para cubrir al menos un día de producción de hormigón.
  • Realizarse con una cantidad adecuada de agua, siendo como mínimo la décima parte y, preferiblemente, la quinta parte del agua total necesaria para la elaboración del hormigón.
  • Inyectarse en el resto del agua de amasado durante su introducción en la amasadora, asegurando que la inyección comience al menos un segundo después del inicio del flujo de agua y termine un segundo antes del cierre de este, manteniendo un caudal constante durante todo el proceso.

En el caso de los aditivos líquidos, si su cantidad total supera los 3 l/m³ de hormigón, su contenido de agua debe tenerse en cuenta al calcular la relación agua/cemento. Por otra parte, el agua utilizada para disolver el aditivo se considerará parte del agua total necesaria para la composición del hormigón.

Algunos aditivos, especialmente aquellos que se suministran en forma sólida (por ejemplo, en polvo o escamas), aunque pueden ser homogéneos en el saco que los contiene, no lo son en la dosis individual. Por ello, para estos productos, es recomendable realizar una preparación mediante dilución en agua y homogeneización de todo el contenido del saco, siguiendo el método anteriormente descrito. Si no es viable económicamente preparar una cantidad tan grande para un solo uso, es preferible optar por aditivos presentados en pequeños saquitos dosificados.

Algunos aditivos no son compatibles entre sí y, si se añaden juntos en la dosificadora o en la tubería de agua, pueden reaccionar entre ellos, anulando su efecto. En algunos casos, puede ser necesario añadir un aditivo en la dosificadora del agua, otro en la arena y uno o más directamente en la mezcladora.

En el caso de los hormigones ligeros, los aditivos, previamente diluidos de manera adecuada, deben mezclarse con la segunda parte del agua de amasado cuando se realice el prehumedecimiento en la mezcladora. No se deben introducir los aditivos junto con los áridos en la mezcladora, ya que parte de ellos podría ser absorbida de forma incontrolada por estos, lo que comprometería su eficacia.

Os dejo algunos vídeos relativos a los aditivos, por si os resultan de interés.

Referencias:

ACI COMMITTEE 304. Guide for Measuring, Mixing, Transporting, and Placing Concrete. ACI 304R-00.

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YEPES, V. (2023). Maquinaria y procedimientos de construcción. Problemas resueltos. Colección Académica. Editorial Universitat Politècnica de València, 562 pp. Ref. 376. ISBN 978-84-1396-174-3

YEPES, V. (2024). Estructuras auxiliares en la construcción: Andamios, apeos, entibaciones, encofrados y cimbras. Colección Manual de Referencia, serie Ingeniería Civil. Editorial Universitat Politècnica de València, 408 pp. Ref. 477. ISBN: 978-84-1396-238-2

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Transporte de hormigón mediante blondín

Figura 1. Uso del blondín en la presa Ibiur, Baliarrain, España. http://www.ulmaconstruction.es

Los blondines son instalaciones fijas que se utilizan en la construcción de presas y, en ocasiones, de puentes. Se extienden a lo largo de la cerrada y conectan una ladera con otra, con un alcance de hasta 1500 m. La velocidad de desplazamiento del carretón oscila entre 5 y 10 m/s, mientras que la elevación del cazo se realiza a una velocidad de entre 3 y 5 m/s. Para mover el carretón se emplea un cabrestante y, para elevar y descender el gancho, se utiliza otro. En presas de 100 m de altura, ubicadas en valles en forma de «V», se pueden lograr entre 12 y 20 ciclos por hora.

El cubilote o cazo para el hormigón se suspende de un carro que se desplaza a lo largo de un cable. Estas estructuras se ubican por encima de la cota máxima de la presa y pueden transportar cazos con capacidades de entre 3 y 9 m³ de hormigón. Cuando un solo blondín no es suficiente para cubrir todas las áreas o alcanzar las tasas de producción requeridas, se emplean varios, algunos de los cuales pueden ser fijos, es decir, con ambas torres en posiciones permanentes. En las zonas donde el blondín no tiene alcance, se pueden utilizar grúas como complemento. El control de los blondines se realiza mediante radio o circuito cerrado de televisión, nunca por control visual directo ni señales acústicas. El tipo de hormigón que suelen transportar es hormigón compactado con rodillo (HCR).

El blondín recoge el hormigón directamente de la planta o desde la descarga de camiones o silobuses, lo eleva y lo transporta hasta la vertical del bloque en proceso de hormigonado. Una vez en posición, desciende y descarga el hormigón a través de una apertura hidráulica en su parte inferior. En un artículo anterior se describió el funcionamiento del cable-grúa o blondín.

Figura 2. Estructura de blondín. Movimiento traslacional de la cuba

Es importante seguir las siguientes recomendaciones para operar el blondín de forma segura y eficiente: no llenar el cubilote en exceso para evitar derrames por balanceo; ajustar la carga al peso máximo que el blondín puede transportar; evitar mover cargas sobre los trabajadores; coordinar adecuadamente las operaciones de carga, transporte y descarga; ejecutar la descarga del cubilote con precisión; controlar el balanceo del cubilote con cuerdas de control. También se debe revisar el estado de los cables y poleas antes de iniciar el trabajo cada día, así como realizar un buen mantenimiento de los equipos. Al accionar la palanca de descarga, el cubilote subirá bruscamente debido a la pérdida de peso, por lo que se debe tener en cuenta que esto puede afectar a los raíles que sostienen los cables del blondín.

Os dejo un vídeo de cómo se utiliza el blondín en el transporte y colocación del hormigón.

Referencias:

ACI COMMITTEE 304. Guide for Measuring, Mixing, Transporting, and Placing Concrete. ACI 304R-00.

BUSTILLO, M. (2008). Hormigones y morteros. Fueyo Editores, Madrid, 721 pp.

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Dosificación del agua en la fabricación del hormigón

Figura 1. Controlador de agua de turbina de velocidad
Mantener la uniformidad en la medición del agua para el mezclado total requiere, además de garantizar el peso exacto del agua añadida, controlar las fuentes adicionales de agua, como el agua utilizada para el lavado de la mezcladora, el hielo y el agua libre presente en los áridos. Una de las tolerancias especificadas para la precisión en la medición del agua de mezclado es de ±3 %.

El agua es el ingrediente más sencillo de dosificar, ya que su caudal es predecible y no presenta mayores dificultades en su manejo. La dosificación del agua necesaria para el amasado del hormigón puede llevarse a cabo por peso o por volumen. Ambos sistemas se pueden utilizar en las obras y en los talleres de fabricación; sin embargo, las técnicas ponderales son las que ofrecen mayor precisión. Por otro lado, la dosificación volumétrica puede presentar imprecisiones debido a las características inherentes de los dispositivos utilizados y a posibles desajustes en su calibración. Además, los caudales pueden verse afectados por el uso de aguas ricas en cal, que pueden provocar incrustaciones, o por la utilización de aguas muy calientes, que pueden generar vapor.

En la dosificación por peso, las básculas utilizadas para medir el agua consisten en un recipiente que se apoya sobre los brazos de una báscula similar a la empleada para el cemento. Estas básculas suelen estar equipadas con un cabezal de lectura y mecanismos de automatización que regulan tanto la alimentación, a través de una válvula, como la descarga, que se realiza mediante otra válvula o un grifo de esfera. Algunas básculas cuentan con cubas que incluyen un sistema de descarga por aire comprimido, lo que acelera la llegada del agua a la amasadora y reduce los ciclos de fabricación de hormigón. Otras, por su parte, integran dispositivos de llegada del agua con dos velocidades: una rápida, que permite obtener del 90 al 95 % de la cantidad deseada en el menor tiempo posible, y una lenta, que finaliza la dosificación con gran precisión. Cabe destacar que las básculas para agua se utilizan exclusivamente en centrales de hormigón que cuentan con sistemas de corrección de la humedad de la arena y automatismos que permiten gestionar diversas recetas.

Los contadores de agua, ya sean mecánicos o eléctricos, son los dispositivos de dosificación de agua más habituales en las obras, gracias a su bajo coste. Se usa una rejilla delante del medidor para evitar daños provocados por partículas sólidas. Algunos medidores se pueden instalar verticalmente; la instalación de la mayor parte debe ser horizontal. Los medidores deben estar protegidos contra las heladas y contra las ondas de presión (golpe de ariete) en las líneas de agua. Estos contadores deben ser capaces de funcionar con agua salada y permitir el uso de agua caliente. No obstante, los medidores de agua fría, por lo general, no se pueden usar con agua caliente, pero los de agua caliente se pueden usar con fría, a los caudales de esta última, con cierta pérdida de exactitud.

La técnica más sencilla consiste en instalar un contador de agua clásico junto con una válvula manual antes de la entrada del agua en la mezcladora. La lectura del contador debe realizarse desde el punto cero después de cada amasada. En el caso de utilizar contadores con preajuste, se puede suministrar automáticamente una cantidad de agua programada mediante una electroválvula, cuya apertura se activa mediante un botón pulsador o un impulso proveniente de un automatismo general. La lectura de los medidores es inferior a la real a flujos muy bajos, ligeramente mayor a flujos altos y un poco menor con caudales cercanos al máximo.

Los contadores de agua se clasifican en dos tipos:

  • Contadores de paletas: en este tipo, el chorro de agua hace girar una rueda de paletas (Figura 1), y el giro se transmite a través de engranajes desmultiplicadores a la aguja del contador.
  • Contadores de hélice: en este caso, el chorro de agua hace girar una hélice.

Estos contadores pueden operar con presiones que oscilan entre 20 y 60 kPa y la temperatura máxima a la que pueden funcionar alcanza los 85 °C. Además, presentan una precisión del 1 % respecto al peso requerido. Los contadores de agua se pueden clasificar en tres tipos:

  • Manuales: en estos contadores, al abrir una llave de 1/4 de vuelta, se permite el paso del agua hasta alcanzar la cantidad deseada, momento en el cual se cierra la llave. La aguja del contador regresa a cero mediante un botón o una pequeña palanca.
  • Semiautomáticos: en este tipo, se preselecciona la cantidad de agua a dosificar moviendo un botón moleteado. El agua fluye al abrir una electroválvula al presionar un botón o pulsador ubicado en el panel dentro de la cabina de amasado. La aguja móvil se desplaza hasta coincidir con el cero; en ese momento, se cierra un contacto y se desexcita la electroválvula, deteniendo el paso del agua. Para la siguiente dosificación, es necesario volver a seleccionar la cantidad de agua deseada.
  • Automáticos: este tipo de contador funciona de manera similar al semiautomático, con la diferencia de que la aguja parte de cero. Al alcanzar la cantidad previamente seleccionada mediante una aguja fija desplegable, se desexcita la electroválvula. La aguja móvil regresa automáticamente a cero, quedando preparada para un nuevo ciclo.

El mecanismo de funcionamiento de los dispositivos de medición de agua debe garantizar que no haya fugas, goteos ni rastros de agua cuando la válvula esté cerrada. Los tanques de agua de los camiones hormigonera u otras mezcladoras portátiles deben estar diseñados de manera que el dispositivo indicador registre con precisión la cantidad de agua descargada, independientemente de la inclinación de la mezcladora.

Os dejo un vídeo donde se explica la importancia de la dosificación del agua en la fabricación del hormigón.

Referencias:

ACI COMMITTEE 304. Guide for Measuring, Mixing, Transporting, and Placing Concrete. ACI 304R-00.

BUSTILLO, M. (2008). Hormigones y morteros. Fueyo Editores, Madrid, 721 pp.

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Precauciones que deben tomarse en las centrales de hormigonado

Figura 1. Central de fabricación de hormigón. https://www.anefhop.com/las-centrales-de-fabricacion-de-hormigon-ya-disponen-de-una-primera-acreditacion-para-la-inspeccion-del-control-de-produccion/

Los acopios de materiales deben realizarse sobre superficies que eviten su contaminación con el suelo. Especialmente si este contiene tierra vegetal o arcillas, es fundamental acondicionar la superficie mediante una solera compactada, una solera de hormigón o un revestimiento de aglomerado asfáltico. Este tratamiento no solo preserva la calidad de los áridos, sino que también genera un ahorro económico significativo, lo que justifica el coste de acondicionamiento y permite una gestión más eficiente del manejo de los materiales.

Es esencial almacenar cada tamaño de árido por separado y cerca de los otros. Esta disposición asegura que no se produzcan mezclas entre ellos, lo que es crucial para evitar la contaminación cruzada que podría alterar la curva granulométrica de los materiales. Mantener la integridad de la curva granulométrica es relevante para garantizar la calidad de la mezcla final del hormigón. Para evitar la mezcla de apilamientos de distintas fracciones granulométricas, se deben emplear tabiques separadores o dejar amplios espacios entre ellos. Asimismo, es esencial establecer acopios separados e identificados para los áridos reciclados y los áridos naturales. Además, se deben tomar las precauciones necesarias para prevenir la segregación, tanto durante el almacenamiento como en el transporte, desde el lugar de acopio hasta las tolvas de dosificación.

Los acopios de materias primas, ya sean silos, tolvas, depósitos o áreas abiertas, deberán estar claramente señalizados con el tipo de material que contienen. Además, deberán cumplir con las condiciones necesarias para prevenir cualquier tipo de contaminación ambiental.

Durante las operaciones de descarga de los camiones y de carga con palas, es importante extremar las precauciones para preservar la integridad de los áridos. Esto permite mantener las características iniciales de los materiales en las condiciones en que fueron recibidos, asegurando así que se cumplan los estándares de calidad en la producción de hormigón.

La relación agua/cemento es un factor determinante para la resistencia del hormigón. Para garantizar que esta relación se mantenga constante, es necesario que los áridos conserven un nivel de humedad uniforme. Proteger los áridos, en especial los de tamaño fino, de los agentes atmosféricos es fundamental para evitar variaciones en la mezcla.

Figura 2. Planta de hormigón. https://aimixgrupo.com/planta-de-hormigon-en-venta/

Queda prohibido almacenar y mezclar cementos de diferentes tipos, clases de resistencia o fabricantes en un mismo silo durante la elaboración del hormigón, ya que ello afectaría negativamente a la trazabilidad y las garantías del producto. Si es necesario cambiar el tipo de cemento en alguno de los silos, se deberá proceder a su limpieza exhaustiva para evitar cualquier riesgo de mezcla.

Al recibir un contenedor de cemento a granel en la planta, es crucial asegurarse de que los terminales de conexión rápida a los silos estén libres de materiales extraños y de humedad. Esto previene la incorporación de contaminantes al cemento almacenado, lo que podría comprometer su calidad y afectar directamente a la resistencia final del hormigón.

El proceso de trasvase de cemento normalmente utiliza un sistema neumático que expulsa el aire al exterior una vez que el cemento ha llegado al silo. Si no se instala un filtro adecuado, el aire liberará partículas de cemento al ambiente, lo que generará contaminación y pérdidas de material en suspensión, lo que subraya la importancia de un mantenimiento regular del sistema de filtrado.

Es necesario realizar un mantenimiento del filtro para que funcione correctamente. Debe seguirse las instrucciones del fabricante, ya que, de lo contrario, el filtro puede volverse ineficaz e incluso perjudicial para el proceso. Este aspecto es fundamental para garantizar que el cemento llegue a los silos en condiciones óptimas.

Si no se puede garantizar que la temperatura del cemento recibido sea inferior a 35 °C, es necesario contar con dos silos de capacidad para la mitad del volumen requerido. De esta manera, se permite que el cemento se enfríe adecuadamente antes de su uso, lo que garantiza el cumplimiento de los requisitos de calidad para el hormigón.

Cuando los silos metálicos tienen una gran capacidad de almacenamiento y el cemento permanece en ellos durante varios días, es esencial instalar equipos de fluidificación. Estos equipos airean el material, lo que permite que el cemento fluya libremente y se comporte prácticamente como un líquido en los equipos de extracción, con lo que se facilita su manejo posterior.

A pesar de contar con sistemas de transporte de cemento bien dimensionados, es habitual no alcanzar los rendimientos programados si no se toman las precauciones adecuadas. Por lo tanto, es crucial implementar medidas preventivas que garanticen la eficacia del sistema en su totalidad.

Además, es fundamental instalar protecciones en las compuertas de guillotina ubicadas cerca de la descarga hacia los tornillos sinfín. Estas protecciones evitan la entrada de agua de lluvia, que puede causar fraguados parciales del cemento y obstrucciones en el paso hacia el sinfín, lo que a su vez puede afectar a la eficiencia del sistema de transporte.

El cemento suele recibirse a granel y ser bombeado directamente a los silos de la planta por parte de los equipos del proveedor. Sin embargo, en ocasiones, debido a dificultades o inseguridades en el suministro, es necesario contar con almacenamiento adicional, lo que conlleva la implementación de un sistema eficiente para gestionar estos volúmenes.

En situaciones que requieran un transporte intermedio, este debe realizarse mediante impulsión neumática. Las distancias y la disposición en planta pueden ser considerables y requerir cambios de alineación, por lo que un sistema eficiente es indispensable para evitar problemas operativos en el proceso de almacenamiento.

El uso de tornillos sinfín en este transporte podría complicar el sistema, ya que el fallo de un único elemento en la cadena podría dar lugar a la paralización total del equipo. Por ello, es fundamental diseñar un sistema que minimice el riesgo de fallos y asegure un flujo continuo del cemento a lo largo del proceso.

Referencias:

ACI COMMITTEE 304. Guide for Measuring, Mixing, Transporting, and Placing Concrete. ACI 304R-00.

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YEPES, V. (2023). Maquinaria y procedimientos de construcción. Problemas resueltos. Colección Académica. Editorial Universitat Politècnica de València, 562 pp. Ref. 376. ISBN 978-84-1396-174-3

YEPES, V. (2024). Estructuras auxiliares en la construcción: Andamios, apeos, entibaciones, encofrados y cimbras. Colección Manual de Referencia, serie Ingeniería Civil. Editorial Universitat Politècnica de València, 408 pp. Ref. 477. ISBN: 978-84-1396-238-2

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Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional.

Fabricación y puesta en obra de hormigones pesados

Figura 1. Colocación de hormigón de alta densidad. https://www.lkabminerals.com/product-application/high-density-concrete/

El hormigón pesado se elabora con áridos que tienen una densidad superior a 3,0 kg/dm³, lo que permite que su peso específico supere los 2,8 kg/dm³. Esta elevada densidad proporciona un peso considerable en un volumen reducido, convirtiéndolo en un material altamente eficaz para la protección contra radiaciones. Su principal característica es ofrecer un mayor peso en el mismo volumen, lo que lo hace adecuado para diversas aplicaciones, como contrapesos en estructuras y en áreas que requieren protección frente a radiaciones.

El uso principal del hormigón pesado ha sido como escudo protector contra las radiaciones generadas por la energía nuclear. La capacidad de este material para bloquear radiaciones depende del tipo de emisión. En el caso de las ondas de corta longitud, como los rayos X y los rayos gamma, es necesario interponer un elemento de la mayor densidad posible. En este contexto, los hormigones pesados, independientemente de su tipo, ofrecen una solución económica, ya que permiten reducir el espesor de la pantalla de protección.

Por otro lado, para protegerse de partículas atómicas, como los neutrones, es fundamental que la pantalla contenga una gran cantidad de átomos de hidrógeno. Esta condición se cumple adecuadamente en los hormigones pesados elaborados con áridos de minerales de hierro hidratado, que poseen un elevado nivel de agua de cristalización, así como en aquellos preparados con la mayor cantidad posible de agua. Además, estos hormigones se utilizan en los cimientos de estructuras con gran esbeltez para evitar el pandeo y como base de almacenamiento para materiales de gran peso.

Figura 2. Uso de hormigones de alta densidad en planta nuclear. https://theconstructor.org/concrete/high-density-concrete-radiation-shielding-applications/16720/#google_vignette

Composición del hormigón de alta densidad

El hormigón de alta densidad se elabora utilizando áridos pesados que incluyen minerales de hierro, como la magnetita y la limonita, así como rocas de cantera, como la barita, virutas de acero y materiales sintéticos como los ferrofosforosos. También se pueden obtener a partir de fragmentos de barras de acero redondo, recortes de planchas de acero o granalla. Su peso específico es similar al del hierro, oscilando entre 7,5 y 7,8 kg/dm³. Estos materiales deben cumplir, en términos generales, con las mismas condiciones establecidas para los áridos convencionales. Sin embargo, es importante tener en cuenta que los áridos provenientes de minerales de hierro son altamente fracturables debido a su estructura interna, lo que los hace susceptibles a cambios en sus características durante su uso en obra, especialmente en cuanto a granulometría y contenido de finos. Por otro lado, los áridos obtenidos a partir de desechos metálicos presentan características de heterogeneidad, principalmente relacionadas con el estado de su superficie, la cual debe mostrar cierto grado de oxidación incipiente para mejorar la adherencia.

Dosificación y proceso de fabricación

Estos áridos suelen ser más costosos y requieren tratamientos específicos tanto en su dosificación como en su aplicación en obra. Además, tienden a segregarse en la pasta de cemento, lo que hace necesario emplear un tamaño de grano más fino que el habitual. No obstante, las granulometrías de los áridos pueden mantenerse dentro de los estándares convencionales. La arena no necesita ser especial, siempre que cumpla con los requisitos de peso unitario; debe ser limpia, angular, bien graduada y estar libre de limo, arcilla o materiales orgánicos. Para mezclas especiales, como los hormigones de agregado grueso reducido, es posible especificar la gravedad específica o el módulo de finura.

A diferencia de los hormigones convencionales, los hormigones de alta densidad se distinguen principalmente por la densidad de los áridos utilizados y por la precisión requerida en su dosificación, fabricación, transporte y colocación en obra. Su bombeo en zonas de difícil acceso y su proceso de aplicación son similares a los del hormigón convencional y requieren vibrado, tratamiento y curado de manera equivalente.

Consideraciones en la colocación y vertido

Una mejor composición del hormigón se traduce en una mayor homogeneidad, compacidad y densidad, así como en una menor probabilidad de formación de poros. Esto permite alcanzar espesores y pesos reducidos. Generalmente, se emplean dosificaciones de cemento de aproximadamente 350 kg/m³. Para evitar segregaciones, se recomienda utilizar relaciones agua/cemento de entre 0,35 y 0,40, así como incorporar superplastificantes que faciliten la obtención de hormigones más dóciles.

Es importante tener en cuenta que los áridos pesados no siempre presentan una granulometría adecuada. En tales casos, se pueden añadir correctores con diferentes densidades. Al mezclar áridos de distintas características, es conveniente expresar la granulometría y el módulo de finura en porcentajes del volumen absoluto.

La forma de los granos de ciertos áridos puede comprometer la trabajabilidad del hormigón, especialmente cuando se utilizan discos y perdigones de acero. En estas situaciones, incrementar la dosificación de cemento, añadir minerales o incorporar aire ocluido puede mejorar la trabajabilidad del hormigón, aunque esto podría conllevar una reducción de su densidad. No obstante, esta disminución en la densidad tiene la ventaja de que los hormigones más dóciles tienden a ser más compactos, lo que les proporciona una mayor capacidad de protección.

El equipo utilizado para mezclar hormigones convencionales también se empleará para fabricar hormigón pesado, por lo que se debe tener especial cuidado para evitar sobrecargar los equipos. Al verter el hormigón y realizar su colocación, se debe prestar atención a la disposición adecuada de los travesaños y apuntalamientos necesarios para garantizar que los encofrados resistan los empujes del hormigón fresco. En el caso del hormigón de alta densidad, estos empujes serán mayores.

La combinación de áridos de acero y magnetita puede dar lugar a fenómenos magnéticos que afectan negativamente a la adherencia de los áridos a la pasta de cemento. Para mitigar este inconveniente, se recomienda amasar primero el árido grueso de acero con una porción de cemento y agua. Una vez realizada esta mezcla, se debe añadir la magnetita junto con el resto del cemento y el agua.

El amasado de hormigones con áridos pesados no siempre es la mejor opción; el método más eficaz consiste en colocar los áridos directamente en los moldes y luego inyectar la pasta o el mortero de cemento. Este enfoque previene la segregación, un fenómeno que es especialmente problemático cuando se utilizan áridos de acero.

Para la fabricación de hormigones pesados, se recomienda utilizar hormigoneras de eje vertical, ya que garantizan una mezcla más eficiente. Por el contrario, las hormigoneras basculantes generan grandes esfuerzos sobre el eje. El tiempo de amasado es similar al de los hormigones convencionales, y es fundamental llevar a cabo la descarga del hormigón con sumo cuidado para evitar la segregación.

El hormigón de alta densidad es muy propenso a segregarse durante su colocación, lo que no solo disminuye su resistencia, sino que también provoca variaciones en su densidad que pueden afectar gravemente su manipulación. El procedimiento habitual para los hormigones convencionales es aplicable a los hormigones de alta densidad, siempre que no incluyan piezas de acero como árido grueso. Este método, conocido coloquialmente como «vertido con cubilote», consiste en mezclar áridos, cemento y agua antes de verter la mezcla en los moldes.

Figura 3. Tuberías submarinas recubiertas de hormigón de alta densidad. https://theconstructor.org/concrete/high-density-concrete-radiation-shielding-applications/16720/

Es importante considerar que el hormigón de alta densidad presenta un peso específico superior, lo que implica que, para un mismo volumen, su peso es mayor. Por esta razón, es fundamental tomar precauciones para evitar sobrecargar grúas, camiones grúa u otros equipos utilizados en el vertido del cubilote. Asimismo, es necesario prevenir sobrecargas en las hormigoneras para evitar la segregación de los áridos durante el amasado. Además, el hormigón fresco genera cargas y empujes significativos sobre los encofrados, por lo que estos deben ser diseñados adecuadamente para soportar dichas fuerzas.

El espesor de las capas no debe exceder los 25 cm. Otro aspecto importante a tener en cuenta es el vibrado, que debe ser enérgico y de corta duración, utilizando frecuencias cercanas a los 20 000 ciclos por minuto, ya que el tamaño máximo del árido generalmente no supera los 25 mm. En este método, la vibración durante la colocación resulta beneficiosa, pero debe aplicarse con moderación para no comprometer la integridad del hormigón.

El método de hormigonado con áridos precolocados es especialmente adecuado cuando los áridos son de acero o hierro. Este procedimiento consiste en colocar primero el árido grueso en el encofrado y luego rellenar los espacios intersticiales con una mezcla de mortero de cemento, arena y agua. Este método presenta varias ventajas en comparación con los métodos convencionales. En primer lugar, minimiza la segregación del árido grueso, especialmente cuando se utilizan trozos de acero. En segundo lugar, facilita la colocación de hormigón con densidad y composición uniformes en formas confinadas y alrededor de elementos embebidos. En tercer lugar, permite lograr una mayor densidad y homogeneidad con materiales similares. Además, posibilita el uso de combinaciones de diferentes materiales como árido grueso. Finalmente, asegura una distribución uniforme del árido pesado en el escudo protector, evitando la formación de grandes huecos de aire. Sin embargo, también existen desventajas: hay pocas empresas especializadas en este procedimiento, terminar la superficie superior de grandes áreas de hormigón es más complicado y costoso y, en general, el hormigón obtenido mediante este método tiende a ser más caro que el producido con técnicas convencionales.

El hormigón pesado se puede bombear, aunque las distancias alcanzadas suelen ser menores que las de los hormigones tradicionales, siempre que se utilice el mismo equipo. Sin embargo, a pesar de que los áridos gruesos suelen provenir de mineral triturado, que presenta formas irregulares y angulosas que dificultan el bombeo, cada vez son más los profesionales que afirman que es posible bombear hormigón de alta densidad en casi cualquier circunstancia. Durante el proceso de hormigonado, se recomienda supervisar la homogeneidad del hormigón aplicado para identificar posibles huecos. Esta verificación puede llevarse a cabo utilizando una fuente de radiación gamma de potencia adecuada.

Las resistencias mecánicas de estos hormigones no son un motivo de preocupación, dado el considerable espesor de sus paredes, que se impone por razones de protección. Sin embargo, un aspecto preocupante es la fisuración, que debe evitarse incluso a temperaturas de 300 °C, ya que muchas de las protecciones están expuestas a altas temperaturas. Es importante destacar que, cuando un hormigón se somete a temperaturas de 300 a 400 °C durante períodos prolongados, su resistencia a la compresión puede reducirse entre un 20 % y un 50 %. Además, a 400 °C, el hormigón se deshidrata, lo que reduce su capacidad de protección.

En ocasiones, se puede colocar una capa de varios centímetros de mortero entre los encofrados y, posteriormente, cubrirla con una capa de árido pesado, el cual se introduce mediante vibrado o apisonado. Este método exige una ejecución cuidadosa y controlada, pero resulta ideal para hormigones de muy alta densidad, especialmente aquellos elaborados con áridos de acero, ya que evita la necesidad de pasar todo el árido por la amasadora.

Os dejo algunos vídeos al respecto de este tipo de hormigón.

Os dejo también este texto relacionado, que espero, os sea de interés.

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Referencias:

ACI COMMITTEE 304. Guide for Measuring, Mixing, Transporting, and Placing Concrete. ACI 304R-00.

BUSTILLO, M. (2008). Hormigones y morteros. Fueyo Editores, Madrid, 721 pp.

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YEPES, V. (2020). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia, 2ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 480 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-903-1.

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YEPES, V. (2024). Estructuras auxiliares en la construcción: Andamios, apeos, entibaciones, encofrados y cimbras. Colección Manual de Referencia, serie Ingeniería Civil. Editorial Universitat Politècnica de València, 408 pp. Ref. 477. ISBN: 978-84-1396-238-2

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Hormigones sin finos

Figura 1. Hormigón sin finos. https://allanblock.com/

Una forma de obtener hormigón ligero, independientemente del tipo de árido utilizado, ya sea grueso o mediano, es reemplazar los áridos finos por aire, lo que da lugar al llamado hormigón sin finos. Para lograrlo, es fundamental que los áridos tengan un tamaño uniforme y estén recubiertos por una capa delgada de pasta de cemento. Esta pasta tiene la función exclusiva de envolver los granos de árido y unirlos entre sí, generando una conexión puntual.

El hormigón fino se utiliza principalmente para el drenaje y como material de relleno estructural, ya que favorece el flujo de agua y proporciona la resistencia necesaria. Esta tecnología, que se remonta a tiempos antiguos en la construcción, es especialmente eficaz para construir muros de contención, por el hecho de que evita la acumulación de presión de agua detrás de ellos. Además, su ligereza y estabilidad lo convierten en una opción atractiva para diversas aplicaciones. En comparación con otros métodos de drenaje, como las tuberías perforadas, el hormigón fino demuestra ser significativamente más eficaz.

Se recomienda que los áridos utilizados en este tipo de hormigón tengan un tamaño entre 10 y 20 mm, priorizando que la diferencia entre el tamaño máximo y mínimo sea mínima. Además, se ha demostrado que combinaciones de tamaños, como 10 y 7 mm o 20 y 14 mm, ofrecen un buen rendimiento. La cantidad de cemento debe ser suficiente para cubrir y adherir las partículas, formando capas de aproximadamente 1,4 mm. Aunque esta proporción puede variar, suele mantenerse alrededor de 1 parte de cemento por cada 6 a 8 partes de árido, medidas en volumen. Un exceso de cemento genera finos y reduce la porosidad, lo que perjudica el resultado final.

Figura 2. Pavimento drenante. https://ehormigonimpreso.com/hormigon-drenante/

La resistencia a compresión de estos hormigones depende tanto del tipo de cemento como de la relación agua/cemento. Los estudios de laboratorio indican que las mejores resistencias se obtienen con una relación agua/cemento entre 0,40 y 0,45. Con relaciones más bajas, la pasta se vuelve demasiado rígida, lo que puede impedir que envuelva correctamente las partículas y provoque su deslizamiento. Si los áridos son porosos, que es bastante común, es recomendable saturarlos antes de la mezcla. En cuanto a datos específicos, una relación árido/cemento de 1:8, una relación agua/cemento de 0,4 y una densidad de 1,85 g/cm³ generan un hormigón con una resistencia a compresión aproximada de 7,5 MPa.

Su fabricación es similar a la del hormigón tradicional, pero contiene entre un 20 y un 25 % de huecos en su estructura. Esto se debe a que sus áridos tienen un tamaño de entre 4 y 12 mm, lo que le confiere una alta permeabilidad. Gracias a la presencia de poros abiertos, el agua puede fluir a través de él, lo que le otorga excelentes propiedades drenantes. Dependiendo de su aplicación, será necesario ajustar su porosidad o espesor.

Para la elaboración, protección y curado del hormigón sin finos, se recomienda utilizar una mezcladora en lugar de mezclar a mano. Lo más adecuado es mezclar primero el agua con el cemento para formar una pasta homogénea y, luego, agregar el árido. Una vez colocado, el hormigón debe compactarse de inmediato, ya que se seca rápidamente debido a su estructura porosa. Además, es crucial protegerlo del secado excesivo y asegurar un curado adecuado durante al menos siete días.

Su estructura de hormigón sin finos lo convierte en un material ideal para capas y pisos que necesitan drenaje. En particular, es adecuado para pavimentar estacionamientos de vehículos, donde permite un drenaje libre en zonas de tráfico ligero, carreteras con baja circulación, pistas de tenis y capas de drenaje en proyectos de ingeniería civil.

El hormigón sin finos presenta varias ventajas y desventajas que deben considerarse. Entre sus ventajas, destaca su eficacia como método de drenaje, especialmente en estructuras hidráulicas y drenaje subterráneo, sin afectar a las funciones superficiales. Su baja densidad y bajo coste, debido a su reducido contenido de cemento y a la ausencia de áridos preparados, lo hacen atractivo para la construcción. Además, su estructura porosa proporciona una baja conductividad térmica y un efecto aislante, cualidades útiles en la construcción de muros exteriores. Su menor peso en comparación con el hormigón tradicional contribuye a reducir los costes de construcción, mientras que la segregación es mínima y la contracción por secado es menor. También se puede compactar sin necesidad de vibración mecánica, utilizando simplemente el método de varillaje. Sin embargo, entre sus desventajas se encuentra su menor resistencia debido a la gran cantidad de huecos, lo que limita su uso como hormigón armado, especialmente por la corrosión de las armaduras expuestas al ambiente. Además, la consistencia del hormigón es difícil de medir y producir pequeñas cantidades puede ser complicado. Finalmente, verter hormigón sin finos junto a un muro de hormigón tradicional es más difícil, ya que la tierra puede penetrar en los huecos del hormigón.

Os dejo algunos vídeos que, espero, os sean de interés.

Referencias:

ACI COMMITTEE 304. Guide for Measuring, Mixing, Transporting, and Placing Concrete. ACI 304R-00.

BUSTILLO, M. (2008). Hormigones y morteros. Fueyo Editores, Madrid, 721 pp.

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CORMON, P. (1979). Fabricación del hormigón. Editores Técnicos Asociados, Barcelona, 232 pp.

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YEPES, V. (2023). Maquinaria y procedimientos de construcción. Problemas resueltos. Colección Académica. Editorial Universitat Politècnica de València, 562 pp. Ref. 376. ISBN 978-84-1396-174-3

YEPES, V. (2024). Estructuras auxiliares en la construcción: Andamios, apeos, entibaciones, encofrados y cimbras. Colección Manual de Referencia, serie Ingeniería Civil. Editorial Universitat Politècnica de València, 408 pp. Ref. 477. ISBN: 978-84-1396-238-2

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Redes neuronales y metamodelos Kriging para la optimización de la energía en puentes losa pretensados

Acaban de publicarnos un artículo en la revista Sustainability, revista indexada en el JCR. El artículo evalúa la eficacia de las redes neuronales artificiales y los modelos sustitutos de Kriging para optimizar la energía incorporada de los puentes de losas pretensadas, y proporciona recomendaciones prácticas para mejorar el diseño y la sostenibilidad.

El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación RESILIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.

A continuación se recoge un resumen sintético del trabajo.

 

 

Introducción

  • La industria de la construcción contribuye significativamente al consumo mundial de energía y a las emisiones de gases de efecto invernadero, lo que suscita un interés creciente en mejorar las prácticas de sostenibilidad.
  • El hormigón pretensado destaca por sus ventajas, que incluyen la durabilidad, la reducción del mantenimiento y la rapidez de construcción, a pesar de los costes iniciales más altos en comparación con los métodos tradicionales.
  • Las investigaciones indican que existe una brecha en la optimización de la energía incorporada en los puentes de losas de hormigón, lo que exige una mayor exploración y metodologías innovadoras, como el Kriging y las redes neuronales artificiales, para optimizar su diseño de manera efectiva.

Descripción de la cubierta del puente de losa aligerada

  • Los diseñadores suelen utilizar una relación canto/luz de 1/25 para las losas de carreteras con el fin de garantizar su integridad estructural. Los diseños de losas aligeradas ofrecen ventajas en cuanto a rigidez a la flexión y adaptabilidad.
  • El estudio se centra en una configuración de losas aligeradas pretensadas adecuada para los pasos superiores, con el objetivo de mejorar la eficiencia del diseño y el rendimiento estructural.
  • La teoría del estado límite se emplea para verificar la resistencia estructural mediante el uso de software avanzado para el modelado tridimensional y el análisis de cargas.
Figura 2. Imagen aérea de la estructura, situada en Cocentaina (Alicante). Imagen: Google Maps.

Metodología

  • El estudio analiza varios materiales, incluidos tipos específicos de acero y calidades de hormigón, para optimizar el diseño del puente de losa aligerada.
  • Se utilizan dos metamodelos predictivos, Kriging y las redes neuronales, con el fin de optimizar el diseño propuesto del puente de losas.
  • La metodología incluye una fase de diversificación para la optimización inicial y una fase de intensificación para refinar los resultados, midiendo los errores de predicción mediante el error cuadrático medio (RMSE).

Metamodelo Kriging

  • Kriging se emplea para estimar las necesidades de energía del puente de losas, utilizando un enfoque determinista que proporciona respuestas consistentes basadas en los datos de entrada.
  • La «caja de herramientas Kriging de MATLAB» se utiliza para crear un modelo sustituto, y el LHS (LHS) mejora el proceso de muestreo para representar mejor el espacio de diseño.
  • Este método permite realizar pruebas computacionales eficientes y, al mismo tiempo, minimizar los errores sistemáticos, lo que lo hace adecuado para tareas complejas de optimización estructural.

Red neuronal artificial

  • Las ANN están estructuradas con capas de neuronas, donde las capas ocultas utilizan funciones sigmoideas para procesar las entradas y la capa de salida emplea funciones lineales para las predicciones.
  • El modelo de perceptrón multicapa (MLP) destaca por su capacidad para aproximar funciones de manera eficaz, basándose en el algoritmo de retropropagación para el entrenamiento.
  • El estudio hace hincapié en la importancia de la validación cruzada para evitar el sobreaprendizaje y garantizar que el rendimiento de la red neuronal sea sólido en los diferentes conjuntos de datos.

Visualización de los datos observados

  • La gráfica de contorno de los datos observados revela múltiples valores óptimos locales, lo que indica la complejidad del problema de optimización y las limitaciones de los modelos de regresión tradicionales.
  • Esta complejidad requiere el uso de modelos predictivos avanzados para identificar con precisión las soluciones óptimas dentro del espacio de diseño.

Comparación de modelos predictivos

  • Los modelos de Kriging son deterministas, mientras que las redes neuronales introducen variabilidad debido a que se basan en la selección aleatoria de datos para su entrenamiento y validación.
  • El rendimiento de la red neuronal se estabiliza mediante múltiples ejecuciones, lo que permite una comparación más fiable de los valores medios con las predicciones de Kriging.

Análisis de errores

  • El promedio de las predicciones de la red neuronal coincide estrechamente con los resultados del modelo de Kriging, aunque la red neuronal presenta un error cuadrático medio (MSE) y un error cuadrático medio (RMSE) más bajos.
  • El análisis destaca la necesidad de una evaluación exhaustiva de la capacidad de la red neuronal para identificar los valores óptimos, comparando las predicciones entre todos los puntos de datos.

Recomendaciones prácticas

  • El estudio proporciona recomendaciones prácticas para reducir las emisiones en los puentes de losas pretensadas, incluidas directrices específicas sobre el contenido de hormigón y refuerzo.
  • Los hallazgos sugieren que tanto las redes neuronales como las de Kriging pueden identificar eficazmente los valores óptimos locales, lo que ayuda a los ingenieros estructurales a optimizar los diseños para obtener beneficios económicos y ambientales.
  • Haciendo hincapié en la importancia de los modelos sustitutivos, la investigación aboga por su uso para perfeccionar los procesos de diseño y mejorar los resultados en materia de sostenibilidad.

Conclusiones

  • Se subraya la complejidad de la superficie de respuesta al consumo de energía, ya que tanto Kriging como las redes neuronales predicen valores superiores a los observados.
  • El modelo de Kriging muestra un error relativo menor en las predicciones óptimas locales en comparación con la red neuronal, que, sin embargo, muestra un rendimiento de RMSE superior.
  • El estudio concluye que, si bien Kriging proporciona resultados deterministas, las redes neuronales requieren múltiples iteraciones para estabilizar los resultados, lo que aporta información valiosa para optimizar los diseños estructurales.

ABSTRACT:

The main objective of this study is to assess and contrast the efficacy of distinct spatial prediction methods in a simulation aimed at optimizing the embodied energy during the construction of prestressed slab bridge decks. A literature review and cross-sectional analysis have identified crucial design parameters that directly affect the design and construction of bridge decks. This analysis determines the critical design variables to improve the deck’s energy efficiency, providing practical guidance for engineers and professionals in the field. The methods analyzed in this study are ordinary Kriging and a multilayer Perceptron neural network. The methodology involves analyzing the predictive performance of both models through error analysis and assessing their ability to identify local optima on the response surface. Results show that both models generally overestimate observed values. The Kriging model with second-order polynomials yields a 4% relative error at the local optimum, while the neural network achieves lower root-mean-square errors (RMSE). Neither the Kriging model nor the neural network provide precise predictions, but point to promising solution regions. Optimizing the response surface to find a local minimum is crucial. High slenderness ratios (around 1/28) and 40 MPa concrete grade are recommended to improve energy efficiency.

KEYWORDS:

bridges; embodied energy; optimization; prestressed concrete; artificial neural network; surrogate model; Kriging; sustainability

REFERENCE:

YEPES-BELLVER, L.; BRUN-IZQUIERDO, A.; ALCALÁ, J.; YEPES, V. (2024). Artificial neural network and Kriging surrogate model for embodied energy optimization of prestressed slab bridges. Sustainability, 16(19), 8450; DOI:10.3390/su16198450

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Bombas de hormigón

Figura 1. Bomba de hormigón de tubo oscilante. Putzmeister

Las primeras bombas de hormigón eran de accionamiento mecánico y consistían en un cilindro con un émbolo interno, una válvula de cierre y una tolva de descarga. El transporte del hormigón se realizaba mediante el movimiento alternativo del émbolo, sincronizado con la apertura y el cierre de la válvula. No obstante, presentaban dos problemas principales: funcionamiento discontinuo y baja potencia. También existen sistemas neumáticos con características específicas cuyo uso hoy en día se limita a situaciones muy particulares.

Actualmente, las bombas son de accionamiento hidráulico, lo que les proporciona mayor potencia y soluciona el problema del funcionamiento discontinuo. Estas bombas modernas se dividen en dos tipos: de pistón y de rotor.

Bombas hidráulicas de pistón

Las bombas hidráulicas de pistón funcionan como bombas alternativas con dos cilindros dispuestos en tándem, cada uno conectado de forma distinta a la tubería de impulsión según el tipo de bomba, lo que define su modo de operación. Al retroceder el pistón, el cilindro se llena con hormigón succionado. Al avanzar, el émbolo lo impulsa con una presión prácticamente constante en toda la cámara. Para evitar el funcionamiento discontinuo de un solo pistón, se utilizan dos pistones que se alternan en la impulsión, manteniendo un flujo continuo de hormigón. Los sistemas más avanzados son los siguientes:

  • De válvula corredera: en este sistema, los dos cilindros se conectan a la tubería de impulsión formando una estructura en «Y». El hormigón se impulsa alternativamente a través de cada cilindro, manteniendo un flujo continuo de alimentación. Esto se logra gracias a dos válvulas correderas ubicadas bajo la tolva y al inicio de la tubería de impulsión. Mientras un cilindro aspira el hormigón, el otro lo impulsa. El principal inconveniente de este sistema es el desgaste de las válvulas correderas. Estas bombas de pistones con sistema de correderas permiten desde presiones bajas a muy altas, dando muy buenos resultados en aplicaciones pesadas con alta o muy alta presión.
Figura 2. Válvula de corredera plana. https://www.fabricadoprojeto.com.br/es/tag/bomba-de-concreto/
  • De tubo o trompa oscilante (también conocida como trompa de elefante): En este sistema, ambos cilindros están sumergidos en el hormigón. La conexión entre los cilindros se realiza a través de un tubo o trompa que oscila alternativamente, conectándose sucesivamente a cada cilindro por un extremo, mientras que el otro extremo permanece acoplado a la conducción. Este diseño es más eficiente para bombear hormigones difíciles de manejar. Existen varios tipos de este sistema:
    • Trompa rápida (CS y C): comúnmente utilizada en autobombas. Altas presiones de hormigón (hasta 57 bar) y elevados caudales (hasta 56 m3/h). Permite utilizar sin problemas mangueras largas.
    • Tubo oscilante (S): más frecuente en equipos estacionarios y para bombas de hormigón sobre remolque. Este sistema incorpora cilindros unidos a cilindros hidráulicos que van girando alternadamente. Con hormigón en la tolva, y la bomba funcionando, el hormigón del cilindro se retrae, amoldándose dentro del cilindro. Altos caudales (67 – 80 m3/h) y elevadas presiones (75 – 50 bar). Presenta un rendimiento alto con pocas carreras.
Figura 3. Tubo de transferencia en S y en C. Putzmeister

El principal inconveniente de las bombas de pistón es el desgaste, especialmente debido a los grandes esfuerzos que se aplican sobre el hormigón. Este desgaste se puede reducir disminuyendo el número de emboladas por minuto, lo que no afecta a la producción si se aumenta el tamaño de los cilindros. Por esta razón, existe una tendencia a aumentar el diámetro y la carrera de los cilindros de impulsión.

Sin embargo, cuando el diámetro del cilindro supera el de la tubería, es necesario incorporar estrechamientos, lo que provoca pérdidas de carga y aumenta el riesgo de atascos en esos tramos. Para contrarrestar estos problemas, se busca facilitar el acceso para el mantenimiento.

Bomba peristáltica o de rotor para hormigón

Las bombas peristálticas o de rotor para hormigón están compuestas por dos rodillos de presión giratorios, instalados en una carcasa, cuyo interior se encuentra a una presión inferior a la del exterior. Al girar, los rodillos comprimen el vacío en una manguera flexible fabricada con malla de acero de larga duración, a través de la cual se impulsa el hormigón. La operación se realiza en un vacío de 0,8-0,9 bar y, de esta forma, el tubo recupera su forma produciendo el efecto de succión.

Figura 4. Bomba peristáltica. https://www.putzmeister.com/es/web/european-union/pumps-for-concrete

Así, debido a la diferencia de presiones entre la carcasa y el agitador, el hormigón sufre un efecto de succión que hace que fluya de forma constante hacia la manguera. El caudal depende del diámetro de la tubería y de la velocidad de rotación del rotor. A diferencia de las bombas de pistón, la unión entre la manguera y la conducción es directa, sin desvíos ni cambios de sección.

La presión de bombeo es media o baja, con una muy buena estanqueidad, un mantenimiento sencillo y donde la pieza que más se desgasta es el propio rotor y la manguera flexible. Sin embargo, solo se pueden bombear hormigones muy trabajables.

El equipo puede montarse en un camión y la bomba hidráulica que mueve el rotor puede estar acoplada al motor diésel del camión. En caso de ir la bomba remolcada, dispone de un motor propio de accionamiento.

Figura 5. Llenado del rotor de la bomba

Principales ventajas:

  • Economía
  • Simplicidad de funcionamiento.
  • Sencillez en el acoplamiento y la regulación.
  • Las piezas que más se desgastan son la válvula y, en menor medida, la manguera, que debe reemplazarse relativamente a menudo debido al desgaste que sufre, al cabo de unos 2000-2500 m3. Además, estos primeros fallos pueden apreciarse por las manchas que las salpicaduras de hormigón producen en las ventanas de la carcasa.

Aplicaciones:

  • Para obras pequeñas o medianas con alcances no excesivos (20-25 m).
  • Posibilidad de instalación en equipos móviles o estacionarios.
  • Posibilidad de uso para gunitado por vía húmeda.

A modo de resumen tenemos el siguiente cuadro comparativo entre los distintos sistemas de bombeo:

Tabla 1. Comparación entre las principales bombas de hormigón (Tiktin, 1998)

Características Sistema de bombeo
Pistón de válvula corredera Pistón de trompa/ oscilante Rotor
Presión bombeo Baja – Muy alta Baja – Alta Baja – Media
Estanqueidad Buena Buena Muy buena
Pérdidas salida En estrechamientos y tubo pantalón En estrechamientos Solo con manguera desgastada
Piezas de mayor desgaste Pistones

Válvulas

 Pistones

Tubo oscilante

 Manguera flexible

Rotor
Condiciones de mantenimiento Recambio dificultoso al ser piezas poco accesibles Recambio sencillo

Piezas pesadas

 Mantenimiento sencillo

Vigilar la manguera
Aplicaciones Bombeos de alta y muy alta presión Bombeos de media presión

Hormigones difíciles

 Bombeo medio-ligero

Gunitado

Bombeo de agua

Os dejo a continuación unos vídeos donde podemos ver el funcionamiento de este tipo de bombas. El primero de ellos muestra el funcionamiento de un modelo de tubo oscilante S.

Referencias:

ACI COMMITTEE 304. Guide for Measuring, Mixing, Transporting, and Placing Concrete. ACI 304R-00.

BUSTILLO, M. (2008). Hormigones y morteros. Fueyo Editores, Madrid, 721 pp.

CALAVERA, J.et al. (2004). Ejecución y control de estructuras de hormigón. Intemac, Madrid, 937 pp.

CORMON, P. (1979). Fabricación del hormigón. Editores Técnicos Asociados, Barcelona, 232 pp.

FERNÁNDEZ CÁNOVAS, M. (2004). Hormigón. 7ª edición, Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos. Servicio de Publicaciones, Madrid, 663 pp.

GALABRU, P. (1964). Tratado de procedimientos generales de construcción. Obras de fábrica y metálicas. Editorial Reverté, Barcelona, 610 pp.

MARTÍ, J.V.; YEPES, V.; GONZÁLEZ, F. (2014). Fabricación, transporte y colocación del hormigón. Apuntes de la Universitat Politècnica de València.

MONTERO, E. (2006). Puesta en obra del hormigón. Exigencias básicas. Consejo General de la Arquitectura Técnica de España, Madrid, 750 pp.

MORILLA, I. (1992). Plantas de fabricación de hormigón y grava-cemento. Monografías de maquinaria. Asociación Española de la Carretera, Madrid.

YEPES, V. (2020). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia, 2ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 480 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-903-1.

YEPES, V. (2023). Maquinaria y procedimientos de construcción. Problemas resueltos. Colección Académica. Editorial Universitat Politècnica de València, 562 pp. Ref. 376. ISBN 978-84-1396-174-3

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Maquinaria de bombeo de hormigón

Figura 1. Bomba sobre camión hormigonera Putzmeister.

En artículos anteriores ya comentamos aspectos sobre la colocación del hormigón mediante bombeo, así como del cálculo de la presión y potencia de bombeo. Ahora se trata de describir, muy brevemente, las máquinas de bombeo, impulsión y protección, que permiten colocar el hormigón en cualquier punto de la estructura, incluso en áreas difíciles o casi inaccesibles. Según su movilidad, se clasifican en estacionarias y móviles, y dentro de estas categorías, existen variantes según su uso.

  • Equipos estacionarios: Estas bombas se colocan al pie de obra y distribuyen el hormigón a través de tuberías presurizadas con aire comprimido y equipadas con cuatro gatos hidráulicos de estabilización que se fijan en el terreno. Su pluma de distribución es análoga a los móviles. Están montadas sobre un chasis de dos ruedas para facilitar su instalación y funcionamiento, y se fijan en su eje o sobre una bancada durante la operación. Además de bombear hormigón estructural, pueden utilizarse para proyectar enfoscados y hormigón de segunda capa, entre otros. Para usos temporales y cortos, suelen ser remolcadas. En este caso, se montan sobre un chasis de uno o dos ejes e incluyen pies estabilizadores.
Figura 2. Bomba estacionaria, con estabilizadores. https://www.maquinariacarran.cl/bomba-de-hormigon-cifa-pc307d/
Figura 3. Bomba estacionaria remolcada. https://www.sanyglobal.com/es_ar/bomba-estacionaria/HBT6006A-5.html
  • Equipos móviles o autobombas: Son bombas instaladas sobre el chasis de un camión, ya sea directamente mediante un bastidor que soporta todos los componentes necesarios para el bombeo, o a través de un semirremolque donde se monta dicho bastidor. Este bastidor incluye los elementos principales, como el grupo de bombeo, la pluma de distribución y los componentes auxiliares para su manejo: válvulas de seguridad, cuadro de control, palancas de accionamiento, telemando para controlar la pluma y zapatas estabilizadoras hidráulicas (4 o 6 unidades, en 2 o 3 ejes). También cuenta con un castillete giratorio que permite soportar y mover la pluma. Además, incorpora una tolva de recepción para recibir el hormigón que se va a bombear. Existen dos opciones para montar la autobomba: sobre un camión convencional o sobre un camión hormigonera. En este último caso, los componentes de la autobomba se adaptan al chasis del camión hormigonera y la tolva de recepción desaparece, ya que el grupo de bombeo toma el hormigón directamente de la cuba. Además, pueden bombear volúmenes de hasta 200 m³/h, aunque la capacidad promedio suele estar entre 40 y 60 m³/h. En el extremo del brazo se conecta una manguera flexible o con secciones troncocónicas conocidas como «trompa de elefante» que ayudan a mezclar nuevamente el hormigón fresco al pasar y evitan su segregación. Estas mangueras, fabricadas en PVC, permiten un vertido preciso, ya que son manejadas manualmente por el operario.

Los equipos de bombeo estacionarios, donde la mayoría son remolcados, poseen mayor potencia y presión máxima que las autobombas. A continuación, se puede ver un cuadro comparativo orientativo.

Tabla 1. Cuadro comparativo de distintos equipos de bombeo

Equipo de bombeo Capacidad máxima (m3/h) Presión de funcionamiento (kPa)
Móvil sobre hormigonera 60 6900
Móvil sobre camión 200 19500
Estacionario 200 24500

Tanto en los equipos móviles como en los estacionarios, la estructura presenta características similares, diferenciándose únicamente en su sistema de soporte. En los equipos móviles, esta estructura está montada sobre un camión, mientras que en los equipos estacionarios se utiliza principalmente una grúa torre o una columna tubular.

La estructura de los equipos, tanto móviles como estacionarios, se compone de tres o más brazos plegables hidráulicamente en el plano vertical, apoyados sobre un castillete cuya base incluye una corona de rodamientos de gran diámetro que permite el giro de la pluma en cualquier dirección mediante un motor hidráulico compensado. La altura de la pluma puede alcanzar hasta 60 m, siendo comúnmente de entre 20 y 35 m. En los equipos móviles, el castillete se ancla al bastidor auxiliar del chasis del camión, mientras que en los equipos estacionarios se emplean principalmente una torre o una columna tubular, esta última equipada con un sistema hidráulico que facilita el ascenso y el movimiento vertical de la pluma. En un artículo anterior se describió con mayor detalle las torres distribuidoras de hormigón (placing boom).

Figura 4. Características de una autobomba.

Os dejo a continuación una explicación al respecto de la UPV que espero que os sea de interés.

Os dejo algunos otros vídeos al respecto.

Referencias:

ACI COMMITTEE 304. Guide for Measuring, Mixing, Transporting, and Placing Concrete. ACI 304R-00.

BUSTILLO, M. (2008). Hormigones y morteros. Fueyo Editores, Madrid, 721 pp.

CALAVERA, J.et al. (2004). Ejecución y control de estructuras de hormigón. Intemac, Madrid, 937 pp.

CORMON, P. (1979). Fabricación del hormigón. Editores Técnicos Asociados, Barcelona, 232 pp.

FERNÁNDEZ CÁNOVAS, M. (2004). Hormigón. 7ª edición, Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos. Servicio de Publicaciones, Madrid, 663 pp.

GALABRU, P. (1964). Tratado de procedimientos generales de construcción. Obras de fábrica y metálicas. Editorial Reverté, Barcelona, 610 pp.

MARTÍ, J.V.; YEPES, V.; GONZÁLEZ, F. (2014). Fabricación, transporte y colocación del hormigón. Apuntes de la Universitat Politècnica de València.

MONTERO, E. (2006). Puesta en obra del hormigón. Exigencias básicas. Consejo General de la Arquitectura Técnica de España, Madrid, 750 pp.

MORILLA, I. (1992). Plantas de fabricación de hormigón y grava-cemento. Monografías de maquinaria. Asociación Española de la Carretera, Madrid.

YEPES, V. (2020). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia, 2ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 480 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-903-1.

YEPES, V. (2023). Maquinaria y procedimientos de construcción. Problemas resueltos. Colección Académica. Editorial Universitat Politècnica de València, 562 pp. Ref. 376. ISBN 978-84-1396-174-3

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