PROCEDIMIENTO Y DISPOSITIVO PARA LA DETERMINACION DE LA APTITUD PARA EL BOMBEO DE SUSPENSIONES CONCENTRADAS DE SOLIDOS DE GEOMETRIA VARIABLE TALES COMO EL HORMIGON FRESCO.

Procedimiento y dispositivo para la determinación de la aptitud para el bombeo de suspensiones concentradas de sólidos tales como el hormigón fresco.

El dispositivo comprende un codo, dos brazos (7), fijados a los extremos del codo y cargados con una suspensión, un sensor de posición (12) de la suspensión, un sensor de presión (15) en cada brazo (7), sendas tapas herméticas (8, 9) en los extremos libres de los brazos (7), un circuito de aire comprimido adaptado para producir el movimiento de la suspensión en el interior de los brazos (7), un dispositivo de registro de los datos de los sensores (12, 15), y unos medios de almacenamiento y procesamiento de datos. El procedimiento comprende la introducción del radio de los brazos (7) y la densidad de la solución y la captación por los sensores (12, 15) de los datos de presión y desplazamiento de la solución para la determinación de la viscosidad dinámica y la tensión tangencial de inicio de movimiento

Procedimiento y dispositivo para la determinación de la aptitud para el bombeo de suspensiones concentradas de sólidos de geometría variable tales como el hormigón fresco.

Sector de la técnica

• Suspensiones concentradas de sólidos tipo Bingham, tales como el hormigón y mortero en estado fresco.

• Valoración de la aptitud para el bombeo de este tipo de suspensiones.

• Caracterización de parámetros reológicos asociados con el bombeo de suspensiones tipo Bingham y en particular, de hormigón y mortero en estado fresco.

Introducción

Una de las características relevantes de hormigones y morteros es que presentan las características de un fluido viscoso, cuando se preparan, propiedad que se aprovecha para rellenar moldes y encofrados de forma variada. Una vez colocada, la mezcla debe presentar la máxima compacidad, condición que se alcanza con la provisión de energía de compactación. En el caso de los hormigones conocidos como "autocompactables", el propio peso del hormigón proporciona esa energía. La docilidad con que hormigones y morteros responden a los esfuerzos necesarios para su preparación, transporte, colocación, compactación y terminación se denomina trabajabilidad. Esta propiedad, que no depende solamente del hormigón sino también de las herramientas disponibles y del tipo de molde a llenar, es clave en el proceso productivo.

Aunque el hormigón de cemento Pórtland se emplea desde mediados del siglo XIX, no es hasta comienzos del siglo XX que aparece la primera normativa relativa a un método para medir la consistencia o fluidez del hormigón [ASTM D 138-22T, actualmente ASTM C 143 (1994c), Este ensayo, que se conoce en España como el Método del Cono de Abrams [UNE 83313:1990 - Ensayos de Hormigón. Medida de la consistencia del hormigón fresco. Método del Cono de Abrams], permanece en uso hasta nuestros días por su simplicidad pero por tratarse de un método estático, tiene algunas limitaciones, las que fueron reconocidas por Powers, quien desarrolló un nuevo ensayo, denominado: ensayo de remoldeo. Este método, a diferencia del cono de Abrams, es capaz de medir la componente dinámica que influye en la trabajabilidad, y los ensayos comparativos entre ambos métodos indican que el ensayo de remoldeo representa mejor el comportamiento en el estado fresco de algunos hormigones [Cordon, W. A. "Entrained air - a factor in the design of concrete mixes", Journal of ACI, Proceedings 51, 81, May, 1955].

A partir de mediados del siglo XX, es creciente la variedad de métodos de ensayo orientados a caracterizar al hormigón en su estado fresco. Algunos fueron derivaciones del ensayo de remoldeo de Powers [Consistómetro Vebe (Bahrner, V. "Report on consistency tests made by means of the Vebe consistometer", Report N° 1, Joint research group concrete, Svensaka cementforeningen, March, 1940], el consistómetro de Wigmore [Wigmore, V.S. "The consistometer - An apparatus for testing concrete workability on site", Civil Engineering, London, 1948] y el aparato de Thaulow [Thaulow, S. "Field testing of Concrete", Norsk Cementforeining, Oslo, 1952].

Sólo algunos de estos métodos pasaron su etapa experimental, alcanzando el reconocimiento como método normalizado. Entre ellos, se destacan el consistómetro Vebe [ASTM C 1170; U.S. Army Corps of Engineers (USACE) (CRD C-53)] y el método del Factor de compactación [British Standard 1881 (BSA 1984, 1993)].

Objeto de la invención

La invención se refiere a la medida de los parámetros reológicos de un fluido tipo Bingham y más concretamente de suspensiones concentradas, tales como morteros y hormigones, con un tamaño máximo del sólido suspendido de hasta 20 mm. Se cubre así todo el rango de hormigones estructurales cuyo destino es ser transportados por bombeo.

La invención describe un dispositivo y un procedimiento para caracterizar la trabajabilidad de este tipo de fluidos y en especial de hormigones y morteros asociada con su transporte por bomba, ya que el movimiento de estos (y de un fluido Bingham, en general) se limita a la zona perimetral, prácticamente en contacto con la tubería, mientras que toda la porción de hormigón o mortero ubicada en el centro de la misma se mueve como un tapón, es decir, no hay cambio en la posición relativa entre partículas, como se ilustra en la Fig. 1.

Del diagrama de velocidades que se muestra en la Fig. 1, es sencillo deducir que el movimiento se produce por el deslizamiento del hormigón dentro de la tubería; buena parte del volumen del hormigón se mueve en forma solidaria y sólo la porción anular, en contacto con las paredes del tubo manifiesta deslizamientos relativos.

Si tenemos en cuenta que los reómetros para hormigón están provistos de paletas o aletas capaces de impedir el deslizamiento, está claro por qué la información que proveen sólo puede ser empleada en forma limitada para caracterizar la trabajabilidad del hormigón en situaciones de bombeo.

En la actualidad, como se verá al describir el estado de la técnica, no existe ningún equipo específicamente desarrollado para valorar la trabajabilidad de este tipo de fluidos y en particular de hormigones y morteros asociada con procesos de transporte por bomba, de allí la necesidad de la invención que se presenta. En el siguiente epígrafe (Estado de la técnica) se da un listado de documentos relacionadas con métodos y dispositivos para evaluar la trabajabilidad del hormigón.

Estado de la técnica

La conveniencia de medir la componente dinámica de la trabajabilidad resultó en el desarrollo de nuevos métodos. Algunos intentos se orientaron hacia el empleo de vibración como recurso para impartir a la mezcla la componente dinámica [Método del plano inclinado vibrante (Saucier, K. L. "Investigation of a vibrating slope method for measuring concrete workability", Miscellaneous Paper 6-849, U.S. Army Corp of Engineers, Waterways Experiment Station, Vicksburg, MS. 1966); Caja de escurrimiento de Angles (Angles, J. "Measuring Workability", Concrete 8(12), 26, 1974): Dispositivos de escurrimiento bajo vibración (Kurokawa et al., "Study on the slump test and slumpflow test of fresh concrete", Trans. Of the Japan Concrete Institute, 16, 25-32, 1994 y Kurokawa et al. "Evaluation method of passability of high-fluidity concrete". Transactions of the Japan Concrete Institute 17, 9-16. 1995); Mesa de escurrimiento (DIN - EN 12350-5)]. Otros, por el contrario, recurrieron a equipos capaces, al menos desde la teoría de su concepción, de caracterizar las componentes dinámicas y estáticas por movimientos rotacionales.

En esta línea, Powers and Wiler [Powers, T. C. and Wiler, E. M. "A device for studying the workability of concrete". Proceedings of the ASTM 41, American Society of Testing and Materials, Philadelphia, PA., 1941] publicaron una descripción de un viscosímetro rotacional de cilindros coaxiales y aunque este equipo nunca llegó a constituirse en un método estándar, corresponde asignarle el mérito de ser el primer intento de medición de parámetros fundamentales del fluido, considerando tanto la componentes estática como la dinámica.

Existen un elevado número de patentes describiendo diferentes dispositivos para la medición de los parámetros relacionados con la trabajabilidad de hormigones, aunque ninguna de ellas se aplica al bombeo específicamente. Entre las patentes americanas cabe destacar:

• US4510958 (16/4/1985) Apparatus and method for transferring a Bingham solid through a long conduit.

• US5437181 (1/8/1995) Concrete slump testing.

• US5357785 (25/10/1994) Method and device for determining properties rheological.

• US5240225 (31/8/1993) Plastic slump cone.

• US5203203 (20/4/1993) Viscometer for in situ monitoring.

• US4879897 (14/11/1989) Method and apparatus for the determination of viscosity.

• US4578989 (1/4/1986) Concrete slump measuring device.

• US4535621 (20/8/85) Process and apparatus for measuring rheological properties of semi-solid bodies by harmonic shear in rotation.

• US4388823 (21/6/83) Apparatus for automatically measuring the viscosity of liquids.

• US4356723 (2/11/1982) Process and apparatus for continuously measuring slump.

•...

1. Dispositivo para la determinación de la aptitud para el bombeo de suspensiones concentradas de sólidos tales como el hormigón fresco caracterizado porque comprende:

• una unidad de control,

• un codo en U,

• dos brazos (7) cilíndricos rectos, adaptados para ser fijados herméticamente a los extremos del codo en U y adaptados para ser cargados con la suspensión,

• unos sensores de presión (15) adaptados para detectar la presión en cada uno de los brazos (7),

• un sensor de posición (12) adaptado para detectar la posición de la suspensión dentro del brazo recto (7) correspondiente

• sendas tapas (8, 9) herméticas, dispuestas en los extremos libres de los brazos (7) cargados con la suspensión,

• un circuito de aire comprimido adaptado para producir el movimiento de la suspensión en el interior de los brazos (7),

• un registrador, dotado de al menos tres canales, y

• un ordenador adaptado para el almacenamiento y el procesamiento de los datos captados por los sensores de presión (15) y el sensor de posición (12).

2. Dispositivo para la determinación de la aptitud para el bombeo de suspensiones concentradas de sólidos de geometría variable tales como el hormigón fresco según la reivindicación 1 caracterizado porque en el codo en U los dos brazos cilíndricos (7) rectos están constituidos, en parte, por material transparente.

3. Dispositivo para la determinación de la aptitud para el bombeo de una suspensión concentrada de sólidos tal como el hormigón fresco, de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el sensor de posición (12) está dispuesto en una de las tapas (8, 9).

4. Dispositivo para la determinación de la aptitud para el bombeo de suspensiones concentradas de sólidos de geometría variable tales como el hormigón fresco según la reivindicación 1 caracterizado porque comprende:

• una segunda válvula (13) de tres vías, con regulación manual de presión y en paralelo con ella una válvula antirretorno (14), estando dicha segunda válvula (13) adaptada para derivar por su tercera vía en caso de sobrepasarse una presión previamente regulada,

• al menos una tercera válvula (18) de regulación manual fina. de descarga del gas que se ha inyectado en los brazos, y

• al menos una primera válvula (16), accionada por un pulsador eléctrico, adaptada para mandar aire comprimido, a una presión preestablecida, hacia el correspondiente brazo (7) cargado de suspensión.

5. Dispositivo para la determinación de la aptitud para el bombeo de suspensiones concentradas de sólidos de geometría variable tales como el hormigón fresco según la reivindicación 1 caracterizado porque el registrador posee una frecuencia de muestreo superior a 10 Hz.

6. Procedimiento para la determinación de la aptitud para el bombeo de suspensiones concentradas de sólidos, tal como hormigón fresco, por medio del empleo del dispositivo descrito en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque comprende las etapas de:

- introducción por medio del registrador y almacenamiento en el ordenador del valor del radio de los brazos (7) y de la densidad de la solución;

- inyección de aire a cada uno de los brazos (7) mediante el circuito de aire comprimido para producir el movimiento del hormigón dentro de dichos brazos (7);

- regulación de la presión ejercida por el hormigón dentro de los brazos (7) mediante las válvulas (13, 14, 16); y

- captación por medio del registrador, para un conjunto finito de instantes, de los datos de presión y desplazamiento recogidos por los sensores (12, 15) para la determinación, mediante el ordenador, de la viscosidad dinámica y la tensión tangencial de inicio de movimiento asociados a la solución.