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UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA FACULTD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA HIDRAULICA
CONSTRUCCIONES HIDRAULICAS II
HORMIGÓN DE PRESAS
Al hormigón de una presa se le exigen unas cualidades específicas, que lo distinguen de los hormigones de otros tipos de estructuras. A partir de aquí, analizaremos cuáles son dichos requisitos y en qué sentido afectan al diseño de mezclas para presas.
1.1.- Aspectos básicos a considerar en el hormigón de presas
De acuerdo con Gómez Laa y Diez-Cascón (1989), las tres premisas principales que determinan la caracterización de los hormigones en masa utilizados en la construcción de presas son: durabilidad, impermeabilidad y economía. Evidentemente, la resistencia es otro factor a considerar, si bien, el cumplimiento de los anteriores, lleva en general asociado unas resistencias mínimas iguales o superiores a las requeridas en hormigones de presas.
En los párrafos siguientes trataremos de forma breve aquellos aspectos que van a moldear un material base hasta convertirlo en un hormigón de presas.
1.1.1.- Efectos térmicos
Como sabemos, el fraguado del hormigón es un proceso químico que desprende calor. Dicho calor no suele constituir ningún problema en las estructuras construidas con este material, pues normalmente se disipa rápidamente, y el grado de hiperestatismo de las estructuras, mientras éstas se encuentran todavía en fase de construcción, suele ser bajo.
Sin embargo, el caso de las presas de fábrica es diferente. En primer lugar, se ejecutan grandes volúmenes de hormigón que convierten sus núcleos en recintos casi adiabáticos y, en segundo lugar, el cimiento rígido sobre el que se asienta la presa constituye una restricción importante que impide las deformaciones libres de ésta, de forma que las variaciones térmicas inducen tensiones que, en el caso de exceder a la resistencia a tracción del hormigón, van a provocar la indeseable fisuración del material.
Desde la puesta en obra del material hasta la etapa de explotación, la temperatura que alcanza el hormigón de la presa experimenta una evolución que en términos cualitativos puede esquematizarse por una curva. Podemos distinguir, como parámetros significativos de esta curva, la temperatura inicial o temperatura de puesta en obra de la masa fresca del hormigón, el incremento de temperatura por el marcado carácter exotérmico de las reacciones de hidratación de cemento hasta llegar a un valor máximo de la temperatura y una rama descendiente (influenciada por la secuencia constructiva), correspondiente al enfriamiento, hasta alcanzar la temperatura del régimen de explotación.
Es importante destacar que, si bien todas las presas de hormigón tienen el tipo de comportamiento mostrado en la figura, los valores de cada uno de ellos son función de las características climáticas del emplazamiento, dosificación utilizada, sistema constructivo (en bloques o mediante tongadas de hormigón compactado) y de la tipología adoptada.
1.1.2.- Economía
La construcción de una gran estructura como es el caso de las presas implica la movilización de enormes volúmenes de material (del orden de cientos de miles de metros cúbicos de hormigón), así como de mano de obra, maquinaria y, en general, de medios que contribuyan a la consecución de nuestro objetivo.
Es evidente, por lo tanto, que una de las prioridades a tener en cuenta en el diseño de todo aquello que comporta construir una presa (materiales, dosificación, procedimientos de construcción, etc.) será economizar en lo posible todo este proceso sin dejar de lado, por supuesto, la seguridad a lo largo de toda la vida de la presa. Esto puede comportar, como veremos, cambios en los materiales que forman el hormigón (sustitución parcial del cemento, elección de áridos...), en la puesta en obra (procedimientos tradicionales de puesta en obra versus aquéllos de compactado por rodillo), etc., según, claro está, las circunstancias particulares de cada caso.
1.2.- Actuaciones que se derivan de los requisitos del hormigón de presas
La mayor parte de las modificaciones respecto a lo que sería un hormigón convencional van a centrarse en uno de los problemas más importantes de las presas, además del que entraña principal dificultad, esto es, la tendencia a la fisuración. Vemos, así, que la reducción del calor de fraguado y de la retracción hidráulica va a estar, de forma casi exclusiva, en nuestro punto de mira.
En la siguiente tabla se recogen una serie de dosificaciones de presas que nos van a servir de base para el análisis de las diferentes pautas a seguir en el diseño de este tipo de mezclas.
En un primer momento, llama la atención la presencia de distintas dosificaciones en la mayoría de las presas citadas. Esto es debido a que en la ejecución de dichas presas se utilizaron distintos tipos de hormigón según las circunstancias particulares de cada una de las zonas, esto es, dependiendo de su ubicación y función: cuerpo de presa, paramentos, coronación, estribos, aliviaderos, galerías, desagües y tomas, etc.
Así, en la presa de Casasola, y a modo de ejemplo, se emplearon cuatro tipos de hormigones: H-150 en el cuerpo de la presa, subdividido en un hormigón general y otro destinado a los paramentos, H-175 en zonas ligeramente armadas (huecos, galerías, etc.) y H-200 para elementos resistentes (pilas, muros-cajeros, entre otros). De esta manera, el tamaño máximo del árido en el hormigón del cuerpo de presa fue de 120 mm en general, utilizándose un tamaño máximo inferior (70 mm) en aquellas zonas en las que era necesario aumentar la trabajabilidad de la mezcla. En los hormigones con armaduras el tamaño máximo utilizado fue, como es lógico, menor (40 mm).
En la presa de Pontón Alto se han llegado a utilizar hasta 17 tipos de hormigones.
Conglomerante
El incremento de temperatura que experimenta el hormigón una vez puesto en obra depende, fundamentalmente, del tipo y cantidad de conglomerante. Siendo uno de nuestros
Es importante destacar que sólo se han utilizado los valores correspondientes al hormigón del cuerpo de presa.
Por otra parte, en la mayor parte de las presas la resistencia necesaria es moderada, por lo que la dosificación de cemento puede ser baja.
En relación a la tipología de la presa, se han obtenido los siguientes resultados:
Tipología Cantidad de conglomerante (Kg/m^3 )
Bóveda 248
Gravedad 225
Arco-Gravedad 187
Tabla 1.- Contenido de conglomerante en función del tipo de presa
También aquí los cálculos se basan en los hormigones del cuerpo de presa, pues buscamos valores lo más homogéneos posibles para que puedan ser comparados.
Los resultados obtenidos muestran un contenido mayor de conglomerante en las presas bóveda, tal vez debido a que al tratarse de una tipología que, en general, precisa de un menor volumen de hormigón, los efectos térmicos no sean tan pronunciados, pudiendo ser mayor la cantidad de conglomerante, o quizás porque en ellas es más sensible la reducción de resistencia. De todas maneras, el número de dosificaciones de que disponemos es demasiado bajo como para extraer conclusiones.
Áridos
En un hormigón destinado a presas, resulta básico estudiar todos y cada uno de los métodos de que disponemos para reducir el contenido de agua de la mezcla, pues de esta manera nos podríamos permitir la correspondiente reducción en el contenido de cemento, manteniendo una relación agua/cemento constante.
En este sentido, y con respecto a los áridos, existen dos actuaciones que pueden ayudarnos en nuestra empresa, y son la elección del mayor tamaño posible de árido grueso y la selección de dos o más fracciones de árido grueso adecuadas para obtener una granulometría que se acerque en lo posible a la máxima densidad de compactación (contenido mínimo de huecos).
En el hormigón de presas se utiliza un tamaño máximo de árido superior al de otras estructuras, ya que su carácter masivo lo permite y su consecuencia en la reducción de cemento así lo aconseja.
Efectivamente, cuanto mayor sea el tamaño máximo de árido, menor será la dosificación de cemento necesaria para obtener la resistencia exigida, menor, por lo tanto, el calor de hidratación por m^3 de hormigón, y menor el costo de producción de los áridos.
El tamaño máximo del árido en los hormigones del cuerpo de presa viene limitado por las condiciones de correcto amasado, colocación y vibración del hormigón. Los medios técnicos disponibles en la actualidad (vibración mecanizada, etc.) establecen un límite máximo de 150 mm, que en el caso de presas delgadas, o cuando los áridos tienen un bajo coeficiente de forma, puede bajar incluso a 80 mm. Con todo, no olvidemos que en determinadas ocasiones puede que sea la gravera quien limite el tamaño máximo del árido.
El uso del hormigón ‘ciclópeo’, esto es, con grandes piedras, fue abandonado hace ya varias décadas por la dificultad de moverlas, la lentitud que daba la obra y la baja calidad del hormigón, a causa de la dificultad de rellenar los huecos entre las grandes piedras.
Las granulometrías empleadas en las presas son generalmente de tipo continuo, pues recordemos que estas gradaciones producen hormigones trabajables y uniformes, y que ambas propiedades resultan imprescindibles en el estado fresco del hormigón de presas.
La granulometría discontinua no se suele emplear en la construcción de presas ya que, aunque teóricamente proporciona una mayor densidad, suelen resultar hormigones poco trabajables y con mayor tendencia a la segregación. Además, este tipo de granulometrías son muy sensibles a cualquier variación de la dosificación y a la granulometría individual de cada tamaño o clase de árido. En principio, una gradación discontinua sólo puede ser admisible por razones económicas, es decir, cuando los materiales disponibles tienen esa granulometría de forma natural.
En general, en grandes presas se usan dos tamaños de arena y tres o cuatro de grava. En las de menor importancia puede bajarse a dos de grava, si la disponible da un resultado aceptable.
A título de ejemplo, se da la siguiente clasificación (CEGP, 1992):
Árido N° Fracción (mm) 1 0.08 / 1. 2 1.25 / 5 ó 7 3 5 - 7 / 15- 20 4 15 - 20 / 35- 40 5 35 - 40 / 70- 80 6 70 - 80 / 110-120 ó 150 Tabla 2.- Clases o tamaños de árido aconsejables en grandes presas
Otro aspecto muy importante en relación a los áridos, y especialmente a los áridos gruesos, es la notable influencia que su propia naturaleza (mineralogía, textura, etc.) y sus
Ciertamente, con contenidos de cemento tan bajos como los considerados para hormigones de presa, resulta esencial utilizar también contenidos de agua bajos con el fin de alcanzar la mínima resistencia a compresión deseada. En consecuencia, y con el propósito de reducir el contenido de agua sin perjudicar por ello la trabajabilidad requerida en el hormigón, pueden emplearse aditivos aireantes, plastificantes (reductores de agua) o aireantes plastificantes.
1.3.- Hormigón compactado con rodillo
El hormigón compactado con rodillo (HCR, o RCC en inglés) es un hormigón de consistencia seca -asiento cero- que permite ser colocado y compactado con la maquinaria usada en el movimiento de tierras.
La técnica de construcción de presas por extendido y compactación de sucesivas capas de hormigón se inicia a principios de la década de los setenta como respuesta al problema de una más rápida y económica construcción de presas de fábrica que las hiciera más competitivas en coste con las presas de materiales sueltos.
Se muestra, a continuación, las dosificaciones del HCR usadas en distintas presas españolas.
PRESA (^) (mm)Dmáx
Materiales (kg/m^3 ) Relaciones
Agua Cemento Cenizas c+cv Ärido g. Arena a/ (c+cv)
Erizama 100 115 90 90 180 1.668 532 0.
Castiblanco 40 102 86 102 188 1.452 628 0.
Santa Eugenia 70 100
100 90
152 143
88 72
240 215
552 430
Maroño 70 100
100 98
160 170
80 65
240 235
670 670
Puebla de Cazalla 40 80
127 113
137 130
85 80
222 210
720 688
Urdalur 80 90 108 72 180 1.524 691 0.
Arriarán 80 100 135 85 220 1.730 550 0.
Cenza 60 95 130 70 200 1.518 733 0.
Sierra Brava 80 95 140 80 220 1.590 610 0.
Rialb 70 100
95 90
70 65
130 130
200 195
625 554
Tabla 3.- Dosificaciones de hormigón compactado de diversas presas españolas
Como podemos observar en la tabla, esta particular puesta en obra introduce algunos cambios respecto al hormigón convencional de presas, es decir, aquél cuya puesta en obra
se lleva a cabo por bloques. En las siguientes líneas comentaremos brevemente alguna de estas diferencias.
Fijándonos en las dos tablas, una de las diferencias que salta a la vista entre el hormigón compactado con rodillo y el convencional es en relación al tamaño máximo de árido. En efecto, mientras que en el hormigón convencional podían usarse con normalidad tamaños máximos de 120 o 150 mm, observamos aquí que el más comúnmente adoptado es el de 80 mm, si bien existen aplicaciones en las que éste se ha limitado a 40 o 50 mm.
Un criterio para su elección es limitarlo a la cuarta parte del espesor de la tongada y, por tanto, para las tongadas (aquí habituales) de 30 cm resultan tamaños entre 75 y 80 mm.
El hecho de limitar el tamaño máximo del árido responde al temor que pueda producirse una segregación al verter y extender el material, que es más seco que el hormigón convencional. Es indudable que limitando el espesor o altura de reparto del material se reduce o anula la posibilidad de disgregación, pero también es cierto que adoptando precauciones adecuadas en cuanto al vertido del tajo se puede conseguir que no se produzca disgregación con tamaños de árido hasta de 150 mm (tongadas de 0,5 m).
El contenido de agua es otra de las diferencias fundamentales entre los dos hormigones.
Como vemos, los hormigones compactados con rodillo contienen una reducida cantidad de agua de amasado, compatible con el tránsito de maquinaria de movimiento de tierras de gran tonelaje por su superficie en estado fresco.
Respecto al conglomerante utilizado, existen dos aspectos básicos a comentar. En primer lugar observamos, en términos generales, una mayor sustitución de cemento portland por material puzolánico (cenizas volantes, sobretodo) en los hormigones compactados; aunque sólo sirva de orientación, en las tablas de hormigón convencional calculamos un 30-40% de adiciones en término medio, mientras que en los HCR mostrados encontramos desde el 35 al 70% en cenizas volantes. Así, no es de extrañar el uso de cementos de bajo calor de hidratación (hasta el 75% en cenizas) y del tipo V (cementos compuestos).
En cuanto a la cantidad de conglomerante, la diferencia entre un hormigón y otro no es muy significativa, como vemos en la figura 4.10, aunque es habitual que la tendencia en el HCR sea la de tener un porcentaje de conglomerante lo más bajo posible.
Estas diferencias en el tipo y cantidad de conglomerante, respecto a un hormigón convencional, conducen a un menor calor total de hidratación, y además desarrollado lentamente, consiguiendo así la casi total ausencia de fisuras, problema que condicionaba la rapidez de la puesta en obra del hormigón.
Se consigue también una mayor economía, al ser menor el porcentaje total de conglomerante y ser parte importante del mismo de precio más bajo que el cemento; con todo, lo que se intenta conseguir al proyectar presas de HCR es un ahorro económico importante, no por el coste unitario de los materiales empleados, sino por el alto ritmo que se puede alcanzar (aumentar separación de juntas de retracción, etc.).
En esta línea, la tendencia en los primeros momentos a la utilización de hormigones muy pobres con juntas funcionales muy separadas (o inexistentes) para potenciar las ventajas
