· , Concreto Estructura, propiedades y materiales P. Kumar Mehta Paulo J.M. Monteiro Indice Prólogo a la primera edición . Prefacio a la primera edición . Prefacio a la segunda edición Reconocimientos . . . . . . . Capítulo l. . XI XI II XVI I . XIX Introducción al concreto Presentación . . . . . . . . . . . . . 1 E l concreto como material estructural 3 Componentes del concreto moderno Tipos de concreto . . ; . . . . . . . . 5 Propiedades del concreto endurecido y su significado 6 U nidades de medida . . 1O 11 Pruebe su conocimiento 11 Sugerencias para estudio complementario Capítulo 2. La estructura ·del concreto Presentación Definiciones Significado . Complejidades . Estructura de la fase agregado Estructura de la pasta de cemento hid.ratado Zona de transición en el concreto Pruebe su conocimiento . . . . . Sugerencias para estudio complementario 13 13 13 13 15 16 26 30 31 Capítulo 3. Resistencia Presentación Definición . Significado . CONCRETO, estructura, propiedades y materiales 33 33 33 Relación resistencia-porosidad . . . . . . . . . . . Modos de falla del concreto . . . . . . . . . . . . Resistencia a la compresión y factores que _la afectan Parámetros de prueba . . . . . . . . . . . . . . Comportamiento del concreto en varios estádos de esfuerzo . . . . . . . . . . . . . . . . . Comportamiento del concreto bajo esfuerzos biaxiales y multiaxiales . . . . . . . . . . Pruebe su conocimiento . . . . . . . . . Sugerencias para estudio complementario . . . . . 33 35 35 44 . 45 . 53 . 56 . 56 Capítulo 4. Estabilidad dimensional . Presentación . . . . . . . . . . . . . . . Tipos de deformaciones y su significado Comportamiento elástico . . . . . ·� . . . Carácter no lineal de la relación esfuerzo-deformación . Retracción por secado y por fl ujo Factores que afectan la retracción por secado y el fl ujo . . . . . . . . Retracción térmica . . . . . . . . . Propiedades térmicas del concreto Extensibil idad y agrietamiento . . . Pruebe su conocimiento . . . . . . Sugerencias para estudio complementario . 57 57 58 58 66 68 73 77 80 81 82 Capítulo 5. Durabilidad Presentación Definición . Importancia . Observaciones generales El agua como agente de deterioro . Permeabi lidad . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 83 83 84 84 86 V Clasificación de las causas del deterioro del concreto Deterioro por desgaste de ia superficie . . . . . . . . Agrietamiento por la cristal ización de sales en los poros . . . . . . . . . . . Deterioro por acción del congelamiento . . . . . Deterioro por fuego . . . . . . . . . . . Deterioro por reacciones químicas . . . . . Reacciones que involucran la formación de productos expansivos . . . . . Ataque de sulfatos . . . Casos históricos seleccionados . . Reacción álcali-agregado . . . . . H idratación de MgO y CaO cristalinos . . Corrosión del acero embebido en el concreto a . Concreto en el agua de m r . . . . . Pruebe su conocimiento . . . . . . . . . Sugerencias para estudio complementario . . . . . . . 1• . . . . . . . . 89 90 Agregado de ceniza volante . . . . . . . . . . Agregados de concreto reciclado y desperdicios municipales . . . . . . . . . . . . . . . . Producción de agregados . . . . . . . . . . . . Características del agregado y su significado . Métodos para probar las características del agregado Pruebe su conocimiento . . . . . . . . . . Sugerencias para estudio complementario . . 92 95 1 01 1 03 1 06 1 06 1 07 1 12 1 16 117 1 21 1 27 1 28 . ------- - Presentación . . ; . . . . . . . . . . . Cementos hidráulicos y no hidrául icos . . Cemento portland . . . . . . . Hidratación del cemento portland . . . Calor de hidratación . . . . . . . . . . . Aspectos físicos del fraguado y del proceso de endurecimiento . . . . . . . . . . . . Efecto de las características del cé mento en la resistencia y en el calor de hidratación Tipos de cemento portland . . Cementos hidráulicos especiales . . . . Pruebe su conocimiento . . . . . . . . . Sugerencias para . estudio complementario Presentación . . . Significado . . . . . . . . . . Nomenclatura, especificaciones y clasificaciones . Sustancias químicas tensioactivas . . . . . . . . Sustancias químicas para control del fraguado Aditivos minerales . . Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . , Pruebe su conocimiento . . . . . . . . Sugerencias para estudio complementario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 31 1 31 1 31 1 38 1 44 . 1 45 . . . 1 45 1 46 1 50 1 62 1 63 . . . . . . . . 1 65 1 65 1 65 1 66 1 66 1 70 1 71 1 71 Capítulo 7. Agregados Presentación . . . . . . Significado . . . . . . . . . Clasificación y nomenclatura Agregados minerales naturales . Descripción de las rocas . . Agregados de peso l igero . - . . Agregados de peso pesado . . . Agregado de escoria de alto horno . . . . . VI Presentación . . . . . . . . Significado y objetivos . . Consideraciones generales Procedimientos . . . . . . Cálculos para un ejemplo . Apéndice: Métodos para determinar la resistencia promedio a la compresión a partir de la resistencia especificada . Pruebe su conocimiento . . . . . . . Sugerencias para estudio complementario 209 209 21 0 21 3 216 . . . . . . . 1 85 1 85 1 85 1 87 1 91 1 95 204 206 206 Capítulo 9. ·P roporcionamiento de las mezclas de concreto . . 1 72 1 72 1 74 1 82 1 82 1 83 Capítulo 8. Aditivos . Capítulo 6. Cementos hi�ráulicos 1 72 21 8 21 8 220 . . Capítulo 10. Concreto en edades tempranas Presentación . . Definiciones y significado Proporcionamiento, mezclado y transporte Colocación, compactaeión y acabado Curado del concreto y remoción del cimbrado Trabajabi lidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . • 221 221 222 225 227 229 CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Pérdida de revenimiento . . . . . Segregación y sangrado . . . . . . Cambios tempranos de vol umen . Tiempo de fraguado . . . . . . . . Temperatura del concreto . . . . . Pruebas y control de la calidad del concreto . Pruebas no destructivas in situ . . . . . . . . Agrietamiento en edad temprana del concreto . Concl usiones . . . . . Pruebe su conocimiento Sugerencias para estudio complementario . . 232 . 235 . 236 . 237 . . 239 . 244 . 246 . 250 . 252 . 252 . 253 Capítulo 11. Avances en la tecnología del concreto Presentación . . . . Concreto estructural de peso ligero Concreto de alta trabajabil idad . . . Concreto de retracción compensada . Concreto reforzado con fibra . . . . Concretos que contienen poi ímeros' · f; Concreto de peso pesado para escudos contra la radiación Concreto masivo . . . . . . . . CONCRETO, estructura, propiedades y materiales . . . . . . 255 256 272 279 286 297 . . 301 . 303 Pruebe su conocimiento . . . . . . . . . Sugerencias para estudio complementario 312 3 1 3. Capítulo 12. Progresos en la mecánica del concreto Presentación . . . . . . Comportamiento elástico Propiedades de transporte . Viscoelasticidad . . . . . . Distribución de la temperatura en el concreto masivo La mecánica de la fractura . . . . . . . . · Pruebe su conocimiento . . . . . . . . . Sugerencias para estudio complementario 31 5 315 320 321 338 344 365 366 Capítulo 13. El futuro del concreto Presentación . . . . . . . . . . . . . . . . Demanda futura de materiales estructurales . Abastecimiento futuro del concreto . . . . . Ventajas del concreto sobre las estructuras de acero Un mejor producto en el futuro . . Conclusiones . Indice analítico 367 367 368 368 3 72 3 74 3 75 VII Este libro se dedica humildemente a los pioneros del concreto que están tratando de extender el uso del material hacia nuevas fronteras, y de hacerlo más durable, energéticamente eficiente y ambientalmente amigable. Prólogo a la primera edición El profesor Mehta presenta el tema del concreto de una manera notablemente clara y lógica. Adopta un acerca­ miento más bien revol ucionario, rechazando las presenta­ ciones aburridas y pretenciosas de textos pasados, con el fin de tratar el concreto como un material viviente, tanto en sí mismo, como en su aplicación a estructuras y edificios construidos para servir a la sociedad. Mientras que este libro refleja con precisión los ú ltimos . avances en las estructuras de concreto y en la terminología, reconoce que trabajar con el concreto es un arte. Así, el autor ha estructurado la distribución del libro y su presen­ tación desde el punto de vista del ingeniero profesional, encargado del diseño y construcción de estructuras de CONCRETO, estructura, propiedades y materiales concreto. Él induce no solamente el entendimiento ú ltimo de este complejo material, sino las nuevas y sorprendentes técnicas que han hecho posible las grandes mejoras en las propiedades y el funcionamiento del concreto. Este libro ha sido escrito principalmente como un texto de introducción para estudiantes de I ngeniería Civi l, pero es­ tudiantes ya graduados y los mismos profesionales, lo en­ contrarán úti l en sus claras expl icaciones y tratamiento integral de los muchos aspectos que interactúan en el concreto� Ben C. Gerwick, Jr. Profesor de I ngeniería Civi l U niversidad de California, Berkeley. XI Prefacio a la primera edición El concreto de cemento portland es actualmente el material manufacturado más extensamente uti l izado. A juzgar por las tendencias mundiales, el futuro del concreto parece aún más bril lante porque para la mayoría de las aplicaciones ofrece propiedades de ingeniería adecuadas a bajo costo, combinadas con el ahorro de energía y beneficios ecológi­ cos. Por lo tanto, es conveniente que los ingenieros conoz­ can más sobre el concreto q ue sobre otros materiales dé construcción. Hay varias dificultades, en la preparación de un tratado científico sobre el concreto como material. Primero, a pesar de la aparente simplicidad del concreto; tiene una estructu­ ra altamente compleja; por lo tanto, las relaciones estructu­ ra-propiedades, que són general mente tan útiles · para entender y controlar las propiedades del material, no pue­ den ser aplicadas fáci l mente. El concreto contiene una distribución heterogénea de mu­ chos componentes sólidos así como poros de variadas formas y tamaños, que pueden ser completa o parcialmente l lenados con sol uciones alcalinas. Los métodos anal íticos de las ciencias de materiales y de la mecánica de sólidos, que funcionan bien con materiales manufacturados que son relativamente homogéneos y mucho menos complejos, tales como el acer�� los plásticos y la cerámica, no parecen ser muy efectivos con el concreto. · . . Segundo, en comparación con otros materiales , la estruc­ tura del concreto no es una propiedad estática del material. Esto es debido a q ue dos de los tres diferentes componentes de la estructura: la pasta de cemento y la zona de transición entre el agregado y dicha pasta, continúan cambiando con el tiempo. A este respecto el concreto se asemeja a la madera y a otros sistemas vivientes; de hecho, la palabra concreto viene del término latino concretus que significa crecer. La resistencia y otras propiedades del concreto dependen de los productos de hidratación del cemento, que continúen formándose durante varios años. Aunque los productos son relativamente insol ubles pueden disolverse lentamente y recristal izarse en ambientes húmedos, dando así al concreto la capacidad de curar las microgrietas. · CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Tercero, a diferencia de otros materiales que son entregados listos para usarse, . a menudo el concreto tiene que ser elaborado justamente antes de su uso, en la· obra o cerca de el la. Generalmente, un libro sobre concreto se inicia con una cuenta detallada de la composieión y las propiedades· de los materiales para hacer el concreto, por ejemplo, cenie_n tos, agregados y aditivos. A esto le siguen descripcio­ ñes de los métodos para propor c ionamiento de la mezcla; equipo para dosificación, mezclado y transporte; y la tec-· riología para compactar, terminar y curar el concreto. Las propiedades del concreto como material y los principios que las rigen aparecen más adelante en el libro y en general se pierden en un conjunto de información no científica tal como métodos de prueba, especificaciones y aplicaciones. Este libro no intenta ser un tratado exhaustivo sobre concre­ to. Escrito principalmente para el uso en ingeniería civil, se propone presentar el arte y la ciencia del . concreto de una manera simple, clara y cien tífica . El .término manera cien­ tífica no implica un énfasis en física, quími ca o matemáticas teóricas. Debido a · · 1a naturaleza altamente compleja y dinámica del material, los modelos teóricos sólo- han pro- ·. ducido "concretos teóricos" y han demostrado tener poco valor en la práctica. Hay un dicho popular en la industria del concreto: Lo que es abstracto no puede ser concreto. La mayor parte de nuestro conocimiento sobre las propiedades del concreto y los factores que lo afectan, todo lo cual forma la base para los reglamentos actuales en la práctica del concreto, no viene de estudios teóricos, sino de experien­ cias de laboratorio y de campo. Esta experien c ia proporcio­ na expl icac iones adecuadas sobre las propiedades del concreto y cómo y por qué son afectadas por varios factores. Por lo tanto, por tratamiento científico del tema, el autor quiere decir que hasta donde es posible se destacan las relaciones estructura - propiedades, es decir, además de una presentación del estado del conocimiento se proporcionan explicaciones racionales para el comportamiento observa­ do. En relación con la organizac1on del tema, el autor ha emprendido un camino diferente del tradicional. En mu­ chos países, como la mayor parte del . concreto es premezXIII ciado y la industria del concreto premezclado ha asumido la re?ponsabil idad de seleccionar los materiales para hacer el concreto y las proporciones de la mezcla, no es necesario dar énfasis a estos aspectos al comienzo de un libro. La mayoría de los ingenieros civiles que participan en el diseño, construcción y anál isis de estructuras de concreto, están interesados principalmente en las propiedades del concreto endurecido. La primera parte de este libro que consta de tres partes está dedicada por lo tanto a las propie­ dades del concreto endurecido, por ejemplo: resistencia, módulo de elasticidad, contracción por secado, contracción térmica, fluencia, capacidad de deformación a la tensión, permeabilidad y durabi lidad ante procesos físicos y quími- . cos d e degradación. La definición d e términos, e l significa­ do y origen de cada propiedad y los factores de control se han establecido de una manera clara y concisa. de ingeniería civil, dependiendo del nivel en que se presen­ te la instrucción, los instructores individuales pueden.optar por omitir alguna parte del material de ciertos capítulos (por ejemplo, los capítulos sobre cementos y aditivos pueden considerarse exhaustivos para un curso de estudiantes), o complementar los otros capítulos con lecturas adicionales (por ejemplo, los capítulos sobre la resistencia y los cambios de dimensión podrían considerarse muy elementales para un curso de graduados). concreto. Capítulos separados contienen . información ac­ tual sobre la composición y las propiedades de los cemen­ tos, agregados y aditivos comúnmente usados. Se dedica un capítulo a los principios que tratan el proporcionamiento 1 . de las mezclas de concr.eto; otro describe las propiedades del concreto en una edad temprana y cómo éstas influyen en las operaciones a las cuales está sujeto el concreto recientemente producido. Este ú ltimo capítulo también in­ cl uye un breve . análisis de los programas de control de calidad, tales como pruebas aceleradas, pruebas in situ y diagramas de control estadístico. El campo del concreto es vasto y el esfuerzo humano nunca es perfecto. Por lo tanto, los lectores pueden encontrar defectos en este libro. El autor está consciente de algunas de las omisiones. Por ejemplo, gran cantidad de excelente literatura sobre concreto que viene de fu era de los Estados Unidos no ha sido incluida en la l ista de referencias, en parte porque el autor no está muy familiarizado con esas publi­ caciones. Igualmente, las limitaciones de espacio fueron una i n:iportante restricción. Se espera q ue esta deficiencia pueda subsanarse acudiendo a la l ista' de libros e i nformes para estudios complementarios que se presentan al final de cada capítulo. Nuevamente, algunos temas importantes no fueron cubiertos. Es una buena idea para los ingenieros civiles saber acerca del concreto arquitectónico, la repara­ ción y el mantenimiento de estructuras de concreto, y los métodos para probar los materiales con que se hace el concreto (cemento, agregado y aditivos). D�safortunada­ mente, en un l ibro de este tamaño no fue posible incluir todo el material que se consideró de uti l idad. En la tercera parte del l ibro se describen los avances en la tecnología del concreto que son resultado de las innovacio­ nes para adaptar el material en apl icaciones especiales de 1 ingeniería. Se proporciona información actualizada sobre la composición, las propiedades y las aplicaciones de varios tipos de concreto especial, incluyendo concreto estructural de peso ligero, concreto pesado para escudos nucleares, concreto de alta resistencia, concreto de alta trabajabilidad, concreto de contracción compensada, concreto reforzado con fibra, concretos que contienen pol ímeros y concreto masivo. El capítulo final contiene algunas reflexiones sobre el futuro del concreto como material de construcción. Estas reflexiones se basan en las propiedades de ingeniería, eco­ nomía de los costos, ahorros de energía y consideraciones ecológicas. En la época de las computadoras, podría haber sido conve­ niente dedicar · más espacio a los conceptos matemáticos desarrol lados para predecir las propiedades del concreto, por ejemplo, contracción por secado, fl uencia, agrietamien­ to y durabilidad. Algunas de las obras mencionadas en la literatura publicada son intelectualmente estim u lantes y, por supuesto, deberían uti l izare para u n estudio más pro­ fundo y avanzado. Por otro lado, una parte del trabajo se basa en suposiciones cuestionables acerca de la microes­ tructura del material y, por lo tanto, es de un valor limitado. "La fal la del autor para distinguir entre lo sign ificativo y lo insignificante en esta área de experimentación, es altamente responsable de su exclusión en este libro. Se espera q ue los instructores individuales y los estudiantes puedan subsanar esta deficiencia. Se incluyen numerosas gráficas, fotografías y tablas resumen como ayudas de enseñanza. Los nuevos términos se escri­ ben con letras negrii' l as y se definen cuando aparecen por primera vez en el texto. Al principio de cada capítulo se ofrece una presentación y al final se proporciona una forma · de autoexamen y una guía para lectura complementaria. Cuando se use el libro como texto en un curso de materiales Sin embargo, el autor desearía agregar u na advertencia. Puesto· que el concreto tiende a comportarse como un sistema viviente, no puede dejarse únicamente a conside­ raciones mecánicas. La naturaleza del material es tal que, en conjunto, es diferente a la suma de sus partes. Por lo tanto, las ·propiedades del material se destruyen cuando se lo divide en elementos aislados, ya sea física o teóricamen- La segunda parte del libro se refiere a la producción del '. XIV CONCRETO, estructura, propiedades y materiales te. En su libro The Turning Point, F. Capra, al comentar el punto de vista de los sistemas sobre los sistemas vivientes, dice que la descripción reductiva de los organismos puede ser úti l y en algunos casos necesaria, pero es peligroso cuando se le considera la expl icación completa. Hace varios mi les de años, se externo la misma opinión en Srimad Bhagvad Gita: Ese conocimiento que se aferra a un solo efecto como si fuera el todo, sin razón, sin fundamentarse en la verdad, es estrecho y por lo tanto trivial. Mi consejo a los estudiantes que mañana serán ingenieros es:· con respecto a modelos, abstracciones matemáticas y CONCRETO, estructura, propiedades y materiales programas de computadora desarrollados para predecir las propiedades del concreto, conserven de cualquier .forma una mente abierta. Pero nunca olviden que, como el mundo humano, el mundo del concreto no es l ineal y tiene discon­ tinuidades dentro de lo lineal. Por lo tanto, las observacio­ nes empíricas de laboratorio y las experiencias de campo tendrán que continuar complementando la teoría. P. Kumar Mehta U niversidad de California, Berkeley 2 7 de agosto de 1 985. XV Prefacio a la segunda edición Debido a la respuesta favorable de los lectores, especial­ mente de la comunidad educativa, los aspectos clave de la primera edición han sido conservados en esta edición revi­ sada. En la primera de las tres partes, que forman el l ibro, se descri ben l a m icroestructura y las propiedades del con­ creto endurecido. Sólo se hicieron cambios menores a l os capítu los de m icroestructuras (capítul o 2), resistencia (capítu l o 3), y d urab i l idad del concreto (capítulo 5). Sin embargo, el cap ítulo sobre estabi l idad d i mensional (ca­ pítul o 4), ha sido reescrito para aclarar con mayor profu n­ didad el comportamiento viscoelástico del concreto y para i ncl u ir u n tratamiento más amplio sobre la contrac­ ción térm i ca y sus esfuerzos, l os cuales son general mente responsables del agrietamiento en las estructuras de más de un metro de espesor. La segunda parte de este l ibro, los capítulos 6 a 1 O, trata sobre la producción del concreto, en capítulos por separa­ do, se dan informes sobre el estado actual del conocimiento en cuanto a la composición y las propiedades de los mate­ riales para hacer concreto, es decir el cemento, los agrega­ dos y l os ad i tivos, segu idos de cap ítu l os sobre el proporcionamiento de mezclas y las propiedades del con­ creto en sus edades tem pranas. N uevamente, sólo se hicie­ ron cambios menores necesarios a los capítulos en esta sección, con _ excepción del capítulo 1 O, en el que se incluye una descripción de las grietas y el fisuramiento por asenta­ miento plástico del concreto, con una sección sobre la revisión general de las grietas en el concreto. La tercera parte del libro, q ue contiene una cantidad signi­ ficativa de i nformación sobre el nuevo material, debe ser de considerable i nterés para los estudiantes avanzados en la tecnología moderna del concreto y en el comportamiento del concreto. El capítulo 1 1 contiene información actual i­ zada sobre la tecnología del concreto estructural de peso ligero, del concreto pesado, del concreto de alta resiste n cia, del concreto fluido, del concreto de contracción compen­ sada, del concreto reforzado con fibra, del concreto masivo, y del concreto compactado con rod i l lo . . CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Se ha agregado un nuevo capítulo (capítulo 1 2), para des­ cribir los avances en la mecánica del concreto. En este capítulo, la teoría de los materiales compuestos se util iza para dar forma a las propiedades elásticas y viscoelásticas del concreto. La aproximación moderna al modelado com­ puesto se basa en el 'uso de la notación de tensores, que es un poco i ntimidatoria para estudiantes q ue pueden no haber sido inducidos al cálculo de tensores. Los autores decidie­ ron sacrificar la elegancia en favor de la simplicidad, evitan­ do el uso de la notación de tensores en este capítulo. Se hizo un esfuerzo para integrar los modelos reológicos y los principios viscoelásticos con el fin de desarrol lar méto­ dos para predecir la contracción por secado y la fl uencia. Un tratamiento avanzado de la contracción térmica y de los esfuerzos térmicos es también otro aspecto clave de este capítulo. Se describe un método fin ito para calcular la distribución de la temperatura en una estructura de concreto masivo. Para i l ustrar la aplicación del· método, se presenta un número de ejemplos simulando la construcción con concreto. Otro aspecto cubierto por este capítulo, es la mecánica de fracturas del concreto, que es un campo que no ha madurado completamente pero que ha sido suficien­ temente desarrol lado para proporcionar reflexiones signifi­ cativas en los probl emas d e efecto d i mensi onal y propagación de grietas. Se presenta un resumen de los modelos mecánicos elásticos l ineales, con sus limitaciones, y se describen algunos modelos de fracturas no l ineales en el concreto. El último capítulo (capítul o 1 3) sobre el futuro del concreto como material de construcción, presenta una evaluación de los materiales de construcción comúnmente usados, desde el punto de vista de sus propiedades de ingeniería, requerimientos de energía y consideraciones ecológicas. Paulo Monteiro desea agradecer ,a Rubens Bittencourt y a Jase Thomas, por los ejemplos de análisis térm ico del capítulo 1 2. Otras personas que revisaron ·partes del mate­ rial de este capítulo y aportaron útiles sugerencias incluyen a L. Biolzi, G. J. Creuss, M. Ferrari, P. Helene , J. Lubliner, R. Piltner, P. Papadopoulos, S. P. Shah, V. Souza Lima y R. Zimmerman. Se ofrece un reconocim iento especial a ChrisXVII � IMCYC tine H uman y a Anne Robertson por sus cuidadosos comen­ tarios. Se han actualizado los autoexámenes del final de cada capítulo. Se ha conservado el uso tanto de las medidas acostumbradas en Estados U nidos (medidas inglesas) como de las medidas del Sistema I nternacional. Sin embargo, en lo posible, se proporcionan en esta segunda edición con­ versiones de medidas acostumbradas en los E.U.A. a unida­ des del sistema internacional. XVIII Finalmente, como en la primera edición, los autores han hecho todo el esfuerzo en la segunda edición, para conti­ nuar con la meta de preservar el arte y la ciencia del concreto de una manera simple, clara y científica. P. Kumar Mehta Paulo J.M. Monteiro U niversidad de Cal ifornia en Berkeley __ CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Reconocimientos Los autores expresan su reconocimiento por la información presentada en este libro, a los investigadores de Vicat (principios del siglo XIX) y Powers (década de los cuarenta), así como a colegas y a estudiantes de la U niversidad de California en Berkeley, y a otras instituciones en todo el mundo. Puesto q ue la lista de nombres individuales sería demasiado larga para presentarla aquI í, sea suficiente el decir que el texto representa la contribución colectiva de numerosas mentes, estando la contribución del autor limi­ tada a seleccionar y a organizar el tema principal. Al tratar el aspecto de los reconocimientos individuales en esta forma no convencional, nos apoyamos en la idea de que la recompensa real para los que produjeron la información original contenida en este libro, quienes proporcionaron fotografías y otros materiales para su util ización, o quienes revisaron partes del manuscrito, está en hacer del estudio de la ciencia del concreto una experiencia significativa y educacional para el lector. Se ofrece también un reconocimiento especial a varias organizaciones que generosamente p�rmitieron a los auto­ res reproducir material de sus publicaciones. Puesto que estas organizaciones continúan rindiendo servicios invalua­ bles a la profesión del concreto, para beneficio del lector damos sus nombres y direcciones. Los autores se congratulan especialmente al reconocer el apoyo y la confianza que nos dieron Doug H umphrey, Editor ejecutivo de Prentice Hal l, Col lege Division. Final­ mente, el personal de Prentice Hall nos merece un amplio crédito por la excelente producción del libro. Las organizaciones relacionadas con el concreto son gene­ ralmente nombradas por sus iniciales. A continuación se presenta una lista con las designaciones iniciales, seguidas de los nombres completos y las direcciones de estas orga­ nizaciones. CONCRETO, estructura, propiedades y materiales ACI, American Concrete lnstitute 38800 Country Club Road . Farmington Hil ls, Michigan 48333, E.U.A. ASTM, American Society for Testing and Materials 1 00 Barr Harbar Orive West Conshohocken, Pensilvania 1 9428-2959, E.U.A. BRE, Bui lding Research Establishment Garston Watford WD2 UR U nited Kingdom CANMET, Canada Center for Mineral Energy and Technology 405 Rochester Street, Ottawa, Ontario, KIA OGI Canada BCA, British Cement Association Wexham Springs, Slough S L3 6PL, U nited Kingdom CEB, Comite Euro-lnternational du Beton EPFLCase Postale 88-CH. 1 01 5 Lausanne, Switzerland CE, Corps. _of Engineers, U .S. , Waterways Experiment Station Vicksburg, Missisippi 391 80 ', N RMCA, National Ready Mixed Concrete Association 900 Spring Street, Si lver Spring, Maryland 2091 O PCA, Portland Cement Association 5420 Old Orchard Road, Skokie, l l l i nois 60076 RI LEM, lnternational U nion of Testing and Research Laboratories for Materials and Structures 1 2 Rue Brancion, 7505 1 5, Paris, France USBR;" U .S. Bureau of Reclamation Box 25007 Denver Federal Center Denver, Colorado 80225 P¡;; Ó. XIX Capítulo 1 Introducción al concreto Presentación En este capítulo se describen importantes apl icaciones del concreto y se examinan las razones por las cuales es el material estructural más extensamente usado hoy en el mundo. Los componentes principales del concreto moder­ no son identificados y definidos. Se presenta una breve descripción de los principales tipos de concreto. Para el beneficio de los estudiantes que sé inician, también se incluye en este capítu lo una introducc ión a las importan­ tes propiedades de . los materiales de ingeniería, con refe­ rencia especial al concreto. Las propiedades que se anal izan son la resistencia, el módulo de elasticidad, la tenacidad, la estabi lidad d imensional y la durabilidad. Finalmente se da una introducción al sistema i nternacional de unidades (uni­ dadés SI) y los factores de multipl icación para convertir las unidades acostumbradas en los Estados U nidos, o unidades inglesas, a las unidades del sistema internacional. El concreto·como material estructural En un artículo publ icado por el Scientific American en abril de 1 964, S. Brunauer y L.E. Copeland, dos eminentes científicc;>s en el campo del cemento y el concreto, escribie­ ron lo siguiente: "El material de construcción más extensamente usado es el . concreto! que se h �ce general mente .mezclando cemento portland con arena, piedra triturada y agua. . El año pasado en los Estados .U nidos se convirtieron 63 mil lones de tone­ ladas de cemento portland en 500 millones.de toneladas qe concreto, · cinco veces el consumo por peso del acero. En muchos países la proporción del consu�o del concreto excede diez a uno el del acero. El consumo mundial · total de concreto se ha estimado el año pasado en. tres mil mil lones de toneladas, o sea una t_relada por cada ser humano viviente. El hombre no consume otro material, con la excepción del agua, en tan tremendas cantidades". CONCRETO, estructura, propiedades y materiales En la actual idad el ritmo al que se util iza el concreto no es muy diferente de como lo era hace 30 años. Se calcula que el consumo actual del concreto en el mundo es del orden de dnco mil_ quinientos mil lones de toneladas cada año. E l concreto no es tan resistente n i tan tenaz como el acero, ¿Por qué entonces es el material de ingeniería más extensamente usado? hay un buen n úmero de razones. Primero, el concreto 1 posee una excelente resistencia al agua. A diferencia de la madera y del acero común, la capacidad del concreto para soportar la acción del agua sin un serio deterioro, lo hace un material ideal para construir estructuras desti nadas a controlar, almacenar y transportar agua. De hecho, algunas de sus primeras apl icaciones conocidas consistieron en acueductos y mu­ ros de contención contra el agua construidos por los romanos. E l uso del concreto en presas, canales, tuberías de agua y tanques de al macenamiento es en la actual idad com únmente visto en casi todas partes del mundo (figuras 1 -1 a 1 -4). La d urabi l idad d e l con c reto frente a algunas aguas agresivas es la razón por lá: que: su uso se ha extendido a muchos ambientes hosti les ta'nto industriales como naturales (figUra 1 -5)� Los ele_mentos .estructurales expuestos . a la humedad, tales como los pilotes, las cime�taciones, las zapatas, los pi�os, las vigas, las columnas, los techos, los muros. exteriores y los pavimentos, se construyen frecuentemente con concre­ to, que es reforzado con acero. El concreto reforzado 2 es un concreto que generalmente contiene vari l las de acero y que es diseñado bajo la suposición de que los dos materiales actúan juntos para resistir lasJuerzas. El concreto presfor­ zado es un concreto en el cual, al te_ n sionar cables de acero, se introducen presfuerzos de una. magnitud y una distribu­ ción tales, que los esfuerzos de tensión que se desarrol lan por las cargas de servicio, son contrarrestados hasta el nivel deseado. Se considera que una gran cantidad de concreto 1 En este libro, el término concreto se íefier� al concreto de éemento portland a menos que se especifique de otro modo. · 2 Hay q ue hacer notar que el diseño y el comportamiento de estructuras tanto de concreto reforzado éomo de co ncreto presforzado están fuera del alcance de esta obra: Introducción al concreto Figura 1 -1 . Proyecto de tubería en Arizona central. (Fotografía por cortesía de Ameran Pipe Division) La estructura circular de concretó precoladó más grande hasta ahora construida para el transporte de agua, es parte del proyecto de Arizona central; un desarrollo de 1,200 millones de dólares del U.S. Bureau of Reclamatiori, que proporcionará agua del río Colorado para uso agrícola, industria/ y municipal en Arizona, incluyendo las áreas metropolitanas de Phoenix yTucson. El sistema contiene 1,560 secciones de tubo, cada una de 6.7 m de largo y 7.5 m de diámetro exterior (equivalente a la altura de un edificio de dos pisos), 6.4 m de diámetro interior y un peso de 225 toneladas métricas. se dedica a los elementos de concreto reforzado o a concre­ to presforzado. La segunda . razón para · el extenso uso del concreto, es la facilidad con la que _los elementos de concreto estructur¿\I pueden ser moldeados para dar una variedad de formas y tamaños (figuras 1 -6 a 1 -8). Esto se debe a que el concreto fresco tiene una consistencia plástica, lo que permite al material fluir dentro de la c imbra'.prefabricada. Después de cierto número de horas la cimbra puede ser removida para volverse a util izar, cuando el concreto se haya sólidificado · y endurecido hasta formar una masa resistente. La tercera razón para la popularidad del concreto entre los ingenieros es que generalmente constituye el material más económico· y más rápidamente disponible en las obras. Los principales ingredientes para producir el concreto -cemento portland y agregados- son relativamente económicosy más comunmente disponibles en la mayor parte del mundo. Aunque en ciertas regiones geográficas el costo del concreto puede ser tan alto como 80 dólares por tonelada, en otras es tan bajo coino 20 dólares por tonelada, lo que significa dos céntimos de dólar por ki logramo. · Comparada con la producción · de la mayoría de otros mate­ riales para uso en la ingeniería, la producción de concreto 2 requiere considerablemente menos insumo de energía. Además, las grandes cantidades de muchos desperdicios industriales pueden reciclarse como sustituto de los mate­ riales cementantes o de los agregados. Por lo tanto, en el futuro, las consideraciones sobre energía y conservación de recursos naturales serán probablemente la opción para hacer del concreto un material estructural aún más atractivo. En su discurso presidencial de 1 96 1 ante la convención del ACI, l lamando al concreto un material universal y haciendo énfasis en que todos los ingenieros necesitan saber más acerca del concreto, J. W. Kel ly d ijo: ·"No podría uno pensar en utilizar madera.para una presa, acero para un pavimento o asfalto para la estructura de un edificio, pero el concreto se utiliza para cada una de estas construcciones y para muchas otras, más que cualesquiera otros materiales de construcción. Aun cuando otro material es el componente principal de una estructura, el concreto es generalmente utilizado· con él para ciertas partes de · la obra. Se utiliza como apoyo, para confinar, para recubrir y para rellenar. Más gente nécesita saber más acerca del concreto que acerca de otros materiales especializados. " CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Introducción al concreto Figura 1-2 . Presa ltaipú, Brasil. (Fotografía cortesía de Promon Eng., Brasil) Este espectacular proyecto hidro�léctrico de 1 2, 600 MW en ltaipú, con un costo estimado de 1 8,500 millones de dólares, consta de una presa de gravedad de concreto hueca de 180 in de alto en el río Paraná, en la frontera Brasil�Paraguay.. En 1 982 doce tipos de concreto, con un total de 1 2.5 millones de metros cúbicos, se habían utilizado en la construcción de la presa, pilas de diversa estructura, vigas precoladas, Josas y otros elementos estructurales de concreto para la planta de energía. Las resistencias de diseño a la compresión del concreto variaron desde 1 4 M Pa a un año para el concreto masivo _de la presa, hasta 35 MPa a 28 días para elementos de concreto precolado. Todo el agregado grueso y aproximadamente 70 por ciento del agregado fino se obtuvieron triturando roca basáltica disponible en el lugar. Los agregados gruesos fueron apilados separadamente por graduaciones de 1 50 mm, 75 mm, 38 mm y 1 9 mm de tamaño máximo del agregado. Una combinación de varios agregados que contenía fra�ciones de diferente tamaño fue necesaria para reducir el contenido de huecos y por lo tanto el contenido de cemento de las mezclas de concreto masivo. Como resultado, el contenido de cemento del concreto 3 masivo se limitó hasta 1 08 Kglm y la temperatura adiabática se elevó 1 9 C a 28 días. Pero además, para evitar un agrietamiento térmico se especificó que la temperatura del concreto fresco enfriado debería limitarse a 7 C, preenfriando los materiales componentes. ° ° Componentes del concreto moderno Aunque la composición y las propiedades de los materiales util izados para hacer el concreto se analizan en la Parte 1 1,en esta fase es de uti lidad definir el concreto y los principales componentes para hacerlo. Las siguientes definiciones se basan en el ASTM C 1 25 3 (Standard Definition of Terms Relati ng to Concrete and Concrete Aggregates) y en el informe del Comité ACI 1 1 6 (A Glossary of Terms in the Field of Cement and Concr�te Technology): El concreto es un material compuesto que consiste esencialmente en un íTledio conglomerante dentro del cual se hal lan ahogadas partículas o fragmentos de agregados. En el concreto de cemento hidrául ico, el medio conglomerante está formado por una mezcla de concreto hidráulico y agua. El agregado es el material granular, tal como-la arena, · la grava, la piedra triturada o la escoria de acero de alto horno, 3 Los reportes del Comité ACI y las normas del ASTM (American Society ' for Testing and Materials) son actualizados de tiempo en tiempo. Las definiciones aquí presentadas son de la norma ASTM aprobada en 1 982 . CONCRETO, estructura, propiedades y materiales la cual además puede ser uti l izada con un medio cemen­ tante para formar concreto o mortero de cemento hidráuli­ co. El término agregado grueso, se refiere a las partículas de agregado mayores de 4.75 mm (Malla No.4) y el término agregado fino, se refiere a las partículas de agregado meno­ res _d e 4.75mm pero mayores de 75µm (Mal la No. 200). La grava es el agregado grueso que resulta de la desintegración natural y de la abrasión de la roca o del procesamiento de conglomerado de adherencia débil . El término arena es comúnmente util izado para e l agregado fino que resulta de la desintegración natural y de la abrasión de la roca o del procesado de piedra cal iza deleznable. La piedra triturada es el producto que resulta del triturado industrial de piedras bola, de rocas, 9 de grandes pedruscos. La escoria de alto horno,un subproducto de la industria del acero, es el material que se obtiene al tri turar escoria de alto horno solidificada bajo condiciones atmosfér_icás. El mortero es una mezcla de arena, cemento y agua. En esen c ia es concreto sin agregado grueso. El mortero fluido es un material cementante y agregado, generalmente agre3 Introducción al concreto Figura 1 -3. Acueducto de California. (Fotografía por cortesía del estado de California, Departamento de Recursos de Agua) . En California, aproximadamente tres cuartos del agua que cáe en forma de lluvia y de precipitación de nieve, se encuentra al norte en la tercera parte del estado; sin embargo, tres cuartos del agua total se necesitan en' dos tercios del sur del estado, en donde están ubicados algunos de los más grandes centros de población, industria y agricultura. Por lo tanto, en los años sesenta, a un costo estimado de 4,000 millones de dólares, California empezó a construir un· sistema de água capaz de manejar 51.6 hectárea-cm de agua anualmente. Extendiéndose finalmente más de 900 Km de norte a sur para propordonar agua suplementaria, control de.inundaciones, energía hidroeléctrica e instalaciones recreati�as, este proyecto necesitó la construcción de 23 presas y cisternas, 22 plantas de bombeo, 294 km de canales (Acueducto 'de California), 1 09. km de tubería y 1 2.4 km de ·túneles. · . · ' . ' . ' ' ' . . . ' ' . . Una tarea impresionante, antes de que el proyecto pudiera.transportar agua desde un nivel cercano al fondo del mar en el delta del río San Joaquín, a través de las montañas Tehachapi, hasta el área metropolitana de los Ángeles. Esto se lleva a cabo bombeando el gran volumen de agua en sólo un levantamiento de 587 metros. En su capacidad límite, �sta planta de b<?[l]�eo. C.<?TJS�mi�á cerca �e 6,000 millones de kilowatt�-hora· por año. . 3 Aproximadamente 3 millones de m d� concreto se utilizaron para la construcción de túneles, tuberías, plantas de bombeo y revestimiento de canales. Una de las primeras decisiones para el diseño del acueducto de California fue la de construir un canal de concreto en lugar de un canal de tierra compactada, debido a que los canales forrados con concreto tienen una pérdida de carga relativamente más baja, un bombeo y un costo de mant�nimiento más bajo y una menor pérdida pór filtración. Dependiendo de la inclinación de los lados de la sección del canal, se colocó un recubrimiento de concreto no reforzado · de 5 a 1 O cm de espesor. · · · · · . . 3 3 El concreto, con un contenido de 225 a 237 k !m de c�mento p rtland y de 42 kg!m de puzolana, mostró una resistencia a la compresión de 14 Mpa, 24 Mpa y 3 1 Mpa en cilindros de prueba curados a 7 , 28 y 9 1 días respectivamente. Una velocidad adecuada de construcción del recubrimiento de concreto se aseguró por medio de la operación de la cimbra deslizante que se muestra en la fotografía. � � gado fino al cual se le ha añadido suficiente agua para producir una consistencia fluida sin segregación de sus componentes. El concreto lanzado se refiere a un mor­ tero o concreto que se transporta neumáticamente a través de una manguera y que se proyecta sobre u na su perfi c ie a alta vel oeidad . · El cemento es un m átedal finamente pulverizado que no es en sí mi.s mo .conglomerante, sino qué . desarrol l a la propiedad conglomerante como resultado de la hidrata­ ción ( es decir, por las reacciones q u ímicas entre los minerales del cemento y el agua) . Un cemento es l lamado hidráulico cuando los productos de 1.a hidratación son 4 estables en' un medio acuoso. E l cemento hidráu l ico más · comúnmente usado para hacer concreto es. el cemento: portland, que cóns . i ste pri n c ipal mente de s i l icatos de" calcio hidrául ico. Los h id r atos · d e s i l i cato d e cal cio que se for man con la h i d rataci ó n del cem e n to port­ l and son l os responsab l es pri nci pales d e s u caracte­ r ísti cas ad h er e ntes y s o n esta b l es e n u n m ed i o acuoso. La definición anterior del concreto como una mezcla de cementff hidráu lico, agregados y agua, no i ncl uye un . cuarto componente: los ad itivos, q ue casi siempre se uti l izan en la práctica moderna. CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Introducción al concreto Figura 1 -4. Cisterna enterrada para el alamcenamiento de agua del Country Club.(Fotografía por cortesía del East Bay Municipal Utility District, Oakland, California) Esta cisterna enterrada de concreto presforzado para el almacenamiento de agua, ubicada en las colinas de Oakland-Berkeley, se construyó en 1 976- 1 977 3 y tiene una capacidad de 132 x 1 O m . Tiene 37 m de diámetro, 9 m de alto y un muro de 25 a 35 cm de espesor. Los aditivos se definen como materiales diferentes a los agregados, el cemento y el agua, que se agregan a las mezclas de concreto inmediatamente antes o durante el mezclado. E l uso de aditivos en el concreto es muy extenso en la actual idad debido a los muchos beneficios que se obtienen en su aplicación. Por ejemplo, los aditivos quími­ cos pueden modificar el fraguado y las características de endurecimiento de la pasta de cemento al influir en la. velocidad de hidratación de éste. to de :peso normal y es el concreto más comúnmente Los aditivos para la reducción de agua pueden hacer más plástica la mezcla de concreto fresco al reduci r la tensión superficial del agua;· los aditivos para incluir aire p ueden mejorar la durabi l idad del concreto expuesto a c limas fríos� los aditivos mineráles como las puzolanas (materiales que contienen síl i ce reactivo) pueden reducir el agrietamiento térmico en el concréto masivo. U na descripción detal lada de los tipos de aditivos, su composición y su mecanismo de acción en el concret<?, se presenta en el capítulo 8. Por otra parte, el ·concreto pesado, que se util iza por ejemplo para escudos contra radiación, es un concreto . producido con agregados de alta densidad y pesa en general más de 3 ,200 kg/m 3 • Tipos de concreto Con base en su peso unitario,- el concreto se puede clasificar en tres grandes categorías. E l concreto que contiene arena natural y grava o agregados de roca triturada, que pesa aproximadamente 2,400 kg/m 3 , es conocido como concreCONCRETO, estructura, propiedades y materiales utilizado para propósitos estructurales. Para apl icaciones en donde se desea una relación más alta de resistencia contra peso, es posible reducir el peso unita­ rio d e l concreto u sando ciertos agregados naturales o piro� procesados que tienen una densidad de masa más baja. El término concreto ligero se Uti l iza para un concreto que pesa menos de . 1 ,800 kg/m 3 . · La clasificación por resistencia del concreto, que prevalece e� Europa y en muchos otro s países, no se practica en los Estados U nidos. Sin embargo, desde el punto de vista de diferencias distintivas en las relaciones estructura-propieda­ des, que serán analizadas más adelante, es úti l dividir el concreto en tres categorías generales basadas en su resisten­ cia a la compresión: O O Cóncreto de baja resistencia: menos de 20 MPa (204 2 kgf/cm ) de resistencia a la compresión. . , . .· . ' Concreto de resistencia moderada: de 20 a 40 MPa (204 a 408 kgf/cm2 ) de resistencia a la compresión. 5 Introducción al concreto Figura 1-5. Plataforma marítima de concreto en Statfjord B, Noruega. (Fotografía por cortesía de Norwegian Contractors, /ne.). Desde 1 97 1, 15 plataformas.de concreto que requirieron aproximadamente 1 .3 millones de metros cúbicos de concreto, se han instalado en los sectores británico y noruego del Mar del Norte. 2 Statfjord B, la plataforma de concreto más grande contruida en 1 98 1, tiene una área en la base de 18,000 m , 24 celdas de almacenamiento de petróleo con capacidad de aproximadamente 2 millones de barriles, cuatro tiros cilíndricos de concreto presforzado entre las celdas de almacenamiento y la plataforma y 42 agujeros de perforación sobre la plataforma. La estructura fue construida y montada en un muelle seco en Stavanger; después el montaje completo, con un peso de 40,000 toneladas, fue remolcada al sitio del pozo de petróleo, en donde fue sumergida en el agua a una profundidad de aproximadamente 145 metros. . · . Los elementos de concreto pre�foriado y fuertemente reforzado de la estructura están expuestos a la acción corrosiva del agua de mar y fueron diseñados para resistir olas de 3 1 m de altura. Por lo tanto, la selección y el proporcionamiento de los materiales para la mezcla del concreto fueron regidos principalmente por /a consideración de la velocidad de la construcción empleando cimbras deslizantes y la durabilidad del concreto endurecido ante ese ambiente hostil. Una mezcla de concreto autonivelable de 22 cm de revenimiento, con un contenido de 380 kg de cemento portland finamente pulverizado, agregado grueso de tamaño máximo de 20 mm, una relación agua/cemento de 0.42 y un aditi�o superfluidificante, fueron hallados . satisfactorios para la obra. Los cilindros apuntalados durante la operación de la cimbra deslizante se muestran en esta figura. O Concreto de alta resistencia: más d e 40 MPa (408 kgf/cm 2) de resistencia a la compresión. El concreto de resistencia moderada es un concreto ordina­ rio o normal, que se uti liza en la mayor parte de los trabajos estructurales. El concreto de · alta resistencia se util iza para aplicaciones especiales, tal como se describe en el capítulo 11. Las proporciones típicas · de los materiales para produ c ir concreto de baja resistencia, resistencia moderada y alta resistencia con agregados de peso normal, se muestran en la tabla 1 -1. Las relaciones entre el contenido de la pasta de cemento y la resistencia por un lado y la relación agua/ce­ mento de la pasta de cemento y la resistencia por el otro, deben derivarse de los datos proporcionados. 6 No es posible en este espacio hacer una l ista de todos los tipos de concreto. Hay numerosos concretos modificados con nombres apropiados, por ejemplo: concreto reforzado con fibra, concreto de cemento expansivo y concreto mo­ dificado con latex. La composición y las propiedades de los concretos especiales se describen el capítulo 1 1 . Propiedades del concreto endurecido y su significado La selección de un material de ingeniería para una aplica­ ción en particular, tiene que tomar en cuenta su ca'pacidad para resistir la fuerza aplicada. Tradicionalmente, la deformación que ocurre como resultado de una carga aplicada CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Introducción al concreto Figura 1 -6. La Fuente del Tiempo: una escultura en concreto. (Fotografía por cortesía de R.W. Steiger, Concrete Construction,Vol. 29, págs. 797-802. Septiembre 1 984, Por permiso de Concrete Constru ction Publications, lnc., 426 South Westgate, Addison, lllinois 601 0 1 ). "¿Usted dice que el tiempo se va? ¡Ah /, no. Desgraciadamente el tiempo se queda; nosotros nos vamos. • El concreto es un material extraordinario no sólo porque puede colarse en una variedad de formas complejas, sino que también se le pueden dar efectos especiales en la superficie. Esculturas estéticamente agradables, f!lUrales y ornamentos arquitectónicos, pueden crearse por medio de una adecuada selección de los materiales del concreto, el cimbrado y las técnicas de textura. La Fuente del Tiempo es una obra de arte masiva de concreto, de 36 x 5 x 4 m realizada en la parte sur del campus de la Universidad de Chicago. La escultura es una representación a escala mayor que la natural, de 1 00 figuras humanas individuales, todas coladas en la obra con un acabado de agregádo expuesto. En palabras de Steiger, la figura central es el Tiempo Conquistador, sentado en un caballo armado y rodeado por jóvenes y viejos, soldados, amantes, practicantes religiosos y muchos otros participantes en la diversidad de la vida humana, que fina/menté abrazan a la muerte con los brazos extendidos. Lorado Taft hizo el modelo de esta escultura en 1 920, después de siete años de trabajo. Acerca de la selección del concreto como un medio de arte, el constructor de la estructura, John J. Earley, dijo lo siguiente: "El concreto como un medio artístico se vuelve doblemente interesante cuando nos damos cuenta de que además de su economía, cuenta con aquellas propiedades que son las más adecuadas tanto en el metal como en la piedra. El metal se puede colar, es una reproducción mecánica exacta del trabajo del artista, como lo es el concreto; la piedra (esculpida) es una interpretacion de un trabajo original y lo más común es que no sea realizada por otro artista. Pero algunas piedras tienen la ventaja del color y la textura, lo que las hace acomodarse a diversos entornos, una cualidad que le falta al metal. El concreto, como fue tratado en la Fuente del Tiempo, presentá una superficie casi completa de piedra; con todas sus ventajas visuales y al mismo tiempo ofrece la precisión del colado, que de otro inodo solamente podría ser logrado en el meta/"; se conoce como deformación unitaria, la cual es defin,i da como el cambió en la longitud por unidad de longitud; la carga se expresa como esfuerzo, que se define como la fuerza por unidad de área. Dependiendo de cómo el esfuer­ zo actúa sobre el material, los esfuerzos son también distin­ guidos uno de otro, por ejemplo, en compresión, tensión, flexión, cortante y torsión. Las relaciones esfuerzo-defor � a­ ción unitaria en los materiales se. expresan generalmente en términos de resistencia, módulo de elasticidad, ductil idad y tenacidad. La resistencia es una medida de la cantidad de esfuerzo requerido para hacer fallar un material. La teoría del esfuer­ zo de trabajo para el d iseño de concreto considera que éste es el más adecuado para soportar la carga de compresión; ésta es la razón por la cual la resistencia a . la compresión CONCRETO, estructura, propiedades y materiales del material es la que se especifica más generalmen �e. Puesto que la resistencia del concreto es una función del procesó de hidratación, que es relativamente lento, tradi. cionalme nte las es pecificaciones y las pruebas para la resis­ tencia del concreto sé basan · en muestras curadas · bajo condiciones estándar de temperatura y h umedad, : por un período de 28 d ías. Como s·e indicó anteriormente para la mayóría'de las aplicaciones estructurales, se util iza el con­ creto de resistencia moderada (20 a 40 MPa de resistencia a la compresión), aunque últimamente los concretos de alta resistencia de hasta 1 30 MPa de resistencia se han estado produciendo comercialmente. · Se puede mencionar aquí que general mente las resistencias a la tensión y a la flexión del concreto son del orden de 1 0 y 1 5 por ciento, respectivamente, d e l a resistencia a la 7 Introducción al concreto Figura 1 -7. Estadio del Parque del Candelero en San Francisco, California. (Fotografía por cortesía de lnteractive Resources, l nc; Structural Engineers, Point Richmond, California) Elementos colados en la obra y elementos de concreto precolado fueron ensamblados para producir grandes estructuras dé diferentes formas. La fotografía muestra el Estadio del Parque del Candelero de San Francisco, California ,que fue construido en 1 958 para una capacidad aproximada de 60,000 espectadores sentados. La cubierta del techo está apoyada en trabes de concreto precoladas en cantiliver de 7.3 m. Por medio de conexiones de trabes del techo, el elemento del concreto en cantiliver está soportado uniéndolo con las vigas de concreto coladas formando parte de las graderías. compres1on. La razón para tan gran diferencia entre la resistencia a la tensión y a la compresión se atribuye a la · compleja y heterogénea estructura del concreto. Para muchos materiales de ingeniería tales como el acero, el comportamiento observado de esfuerzo-deformación unitaria, cuando un especimen es sujeto a cargas incremen­ tadas, puede dividirse en dos partes (figura 1 -9). lnicial men­ te, cuando la deformación . unitaria es proporcional al esfuerzo apl icado y es reversible al descargar el especimen, se la llama deformación elástica. El módulo de elasticidad se define como la reladón entre.el esfuerzo y esta deforma. ción unitaria rever,s ible. En materiales homogéneos, el mó­ . dula de . elasticidad es una medida . de las fuerzas de adherencia in�eratómicas y no .es afectado por cambi.os micro�structurales. Esto no es verd �d para materiales hete­ rogéneos multifaces tale·s como el concreto. El módulo de , elasticidad del COn �reto a la compresión varía de 1 4 X 1 0 3 al 40 x 1 0 3 Mpa. E l si g nificado del l í111 ite elástico en el diseño estructural reside en el hecho de .que represef1ta el esfuerzo máxin:10 permisible antes de que el material sufra deformaciones permanentes. Por lo tanto, el ingeniero debe . conocer elmódulo de elasticid.ad del material porque influ­ ye en la rigidez de un d iseño. A un alto nivel de esfuerzo (figura 1 -9), la deformación unitaria permanece proporcional al esfuerzo aplicado y tambien se vuelve permanente (es decir, no será revertida 8 si la muestra es descargada). Esta deforma c ión es l lamada plástica o deformación inelástica. La cantidad de deforma­ ción inelástica que puede ocurrir antes de la fal la es uria medida de ductilidad del material. La energía requerida para que fal le el material, el producto de fuerza x distancia, es representado por el área bajo la curva de esfuerzo-defor­ mación unitaria. El término tenacidad se uti l iza como una medida de esta energía. La · diferencia entre tenaddad y resistencia debe entenderse: la primera es una medida de energía, mientras que la segunda es una medida del esfuerzo requerido para romper el material. De esta manera, dos materiales pueden tener idénti ca re sistencia pero d iferentes valores de tenaci­ dad. · Sin embargo, generalmente cuando la resistencia de un material aumenta, la d uctil idad y la tenacidad disminuyen; igualmente, materiales de muy alta resistencia fal lan en general de una manera frági l (es decir, sin sufrir una defor­ mación inelástica significativa). Aunque bajo compresión el concreto parece mostrar alguna deformadón inelástica antes de la falla, normalmente la deformación unitaria en la fractura es del orden de 2000 x 1 ff6 , lo que es considerablemente menor que la deforma­ ción unitaria a la fal la de los metales estructurales. Por lo tanto, para propósistos prácticos, los proyectistas no tratan al concreto como un material dúctil y no lo recomiendan CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Introducción al concreto ( Figura 1 -8; Templo Baha'i, Wilmette, l l linois. (Fotografía cortesía de R.W. Steiger, Trimedia Studios, Farniington Hills, Michigan. El Templo Baha'i es un ejemplo de la excesiva belleza, de la arquitectura ornamental que se puede crear con concreto. Describiendo los materiales de concreto y el templo, F. W. Cron (Concrete Construction, V. 28, No. 2, 1 983) escribió: "El arquitecto deseaba que la edificación y especialmente el gran domo de 2 7 m de diámetro, fuera tan blanco como fuera posible, pero sin apariencia de cal o po/vosa. Para asegurar el efecto deseado inicialmente propuesto por Earley, se utilizó un cuarzo blanco opaco que encontró en el sur de California para reflejar la luz de su cara cortada. Esto podría combinar co1 una pequeña cantidad de cuarzo translúcido para dar vida y brillantez. Se usaron arena de Puerto Rico y cemento portland blanco para crear una combinación que reflejara luz e impartiera destellos la superficie de concreto de agregado expuesto Una visita al Templo de la Luz puede ser maravillosa por su brillantez con la luz del sol. Si uno regresa en la noche y observa, la luz que se refleja en muchas direcciones en su superficie hace ver el edificio como una destellante joya. La creatividad de Louis Bourgeois y el concreto hábilmente ejecutado de los Estudios de Ear/ey han actuado concertadamente para producir esta obra de gran comportamiento". . . • para uti l izarse en condiciones en que esté sujeto a fuertes impactos, a menos que se le refuerce con acero. concreto mismo muestra un comportamiento inelástico an­ tes de la fractura. De acuerdo con la observación del comportamiento elásti-:­ co-plástico del concreto, éste parece ser un material com­ plejo. M uchas de las caracte r ísticas de este material compuesto no obedecen las leyes de la mezcla d e dos componentes. Por ejemplo, bajo carga compresión, tanto el agregado como la pasta de cemento hidratada fal larían elásticamente si se prueban por separado, m ientras que el Además, la resisten cia del concreto es menor que las resis­ tencias individuales de los dos componentes. Tales anoma� l ías en el comportamiento del concreto serán expl icadas con base en su estructura, en la que i a z� na de transidón entre e í agregado grueso y la pasta de cemento juega un papel i íll portante. · · · · El co m portamiento esfuerzo�eformación unit�ria de ' los materiales mostrados ·en la figura 1 -9, es típico de especí- Tabla 1-1 Proporciones usuales de materiales en concretos de diferente resistencia Baja resistencia kglm3 Resistencia moderada kg/m3 Alta resistencia kglm3 Cemento Agua Agregado.fino Agregado grueso 255 1 78 801 1 1 69 356 1 78 848 1 032· 510 1 78 . 890' · 872 % por masa º/� por volumen 18 26 22.1 29.3 28.1 34.3 o.so 0.35 306 30 612 60 por masa kgr I cm M 2 a Proporción de la pasta de cemento 0.70 1 84 18 Relación agua/cemento · · Resistencia* * En la práctica de los Estados U nidos, a menos que se especifique de otra manera, la resistencia del concreto se mide ensayando a la compresión muestras . cilíndricas de 1 5 x 30 cm desp ués de 28 días de curado estándar (23 ±..1 .7ºC, con 1 00% de humedad relativa). · CONCRETO; estructura, propiedades y materiales 9 Introducción al concreto ACERO ASTM A-36 Deformación unitaria elástica Deformación unitaria plástica 4200 C\I E � 2800 c5 � Punto de fluencia (l) ::J ¡¡; w Módulo de elasticidad = 1 400 o 0����5 2.0 x 105 kg/cm 2 .. �-"-���--i.����,,__���....� ._ .__....� � o 0. 1 5 0. 1 0 0.05 Deformación unitaria, cm/cm Figura 1 -9. Comportamiento esfuerzo­ deformación de un especimen de acero sujeto a cargas incrementadas. Finalmente, un juicio profesional en la selección de un material deberá tomar en cuenta no' sólo la resistencia, la esta b i lidad dimensional y las propiedades elásticas del ma­ terial, sino también la durabi lidad, q ue tiene serias implica-: dones económicas de los costos de mantenimiento y reparación de una estructura. La durabilidad es definida como la vida de servicio de un material bajo ciertas condi­ ciones ambientales. En general, los concretos densos o impermeables tienen una durabil idad de largo plazo. Los revestimientos de concreto de un tanque de almacena­ miento de agua de 2,700 años de edad en la isla de Rodas, en Grecia y numerosas estructuras de concreo h idraúl ico construidas por los romanos, son u n testimonio viviente de la excelente durabil idad del concreo en ambientes h úme­ dos. Los concretos permeables son, sin embargo, menos duraderos. La permeabi lidad del concreto depende no sól o de las proporciones de la mezcla, la compactación y el . curado, sino también de las microgrietas causadas por la temperatura normal y por los ciclos de humedeci miento. En general, hay una relación íntima entre la resistencia y la durabilidad del concreto. Las deformaciones pueden aparecer aun en concreto no cargado, como resultado de cambios en la humedad am­ biente y en la temperatura. El concreto fresco, húmedo sufre una retracción por secado cuando se lo expone a la hume­ dad del ambiente. De manera similar, las deformaciones por retracción resultan cuando el concreto caliente se enfría a la temperatura ambiente. Los elementos de concreto masivo pueden registrar un considerable aumento en la temperatura, debido a una pobre disipación del calor generado por la hidratación del cemento y podrá ocurrir una retracción térmi­ ca al enfriarse el concreto cal iente. Las deformaciones por retracción son críticas para el concreto porque cuando se le restringe, se manifiestan en forma de esfuerzos de tensión. Pues�o que la resistencia a la tensión del concreto es baja, las estructuras de concreto se agrietan a menudo como 0.20 resultado de la retracción restringida, causada ya sea por cambios en la humedad o en la temperatura. De hecho, la tendencia del material a agrietarse es una de las serias desventajas de la construcción con concreto. menes cargados en el laboratorio para fallar en un corto tiempo. Para algunos materiales, la relación entre el esfuer­ zo y la deformación unitaria es independiente del tiempo de carga; para otros no lo es. El concreto pertenece a la última categoría. Si un especimen de concreto es sometido por un largo período a esfuerzo constante - por ejemplo, 50 por ciento de la resistencia última del material-, mostrará una deformación plástica. El fenómeno del i. ncremento gradual de la deformación con el paso del tiempo bajo un esfüerzo sostenido se conoce como flujo plástico. Cuando el flujo plástico en el concreto es restringido, se manifiesta como un decremento progresivo del esfuerzo con el paso del tiempo� La relajación del esfuerzo asociada co n el flujo tiene implicaciones importantes en el cómportamiento tan­ . to en concretos simples como eri concretos presforzados. tO = Unidades de medida · El siste111 a métrico de medidas, que prevalece en la mayoría de los países del mundo, util iza m i l ímetros, centímetros y CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Introducción al concreto metros para longitud; gramos y kilogramos para masa; litros para vol umen, ki logramos-fuerza por unidad de área para esfuerzo y grados Celsius para la temperatura. Los Estados Unidos se encuentran casi solos en el mundo, al uti lizar las unidades inglesas de medida tales como pulgadas, pies y yardas para longitud, libras o toneladas para masa, galones para volumen, libras por pulgada cuadrada (psi) para esfuer­ zo y grados Fa.hrenheit para temperatura. La actividad mul­ tinacional en e l d iseño y la construcción de grandes proyectos de ingeniería es un lugar común en el mundo moderno. Por lo tanto, se está volviendo muy i mportante que los científicos y los ingenieros de todo el mundo hablen el mismo idioma de medición. El sistema métrico es más simple que el sistema inglés y se ha modernizado recientemente en un esfuerzo por hacerlo universal­ mente aceptable. La versión moderna del sistema métrico llamada Sistema Internacional de Unidades (Systéme lnternational d'Uni­ tés), abrev!ado SI, fue aprobado en 1 960 y 30 naciones participaron en la Conferencia General de Pesos y M�idas. En las medidas del SI, el metro y el kilogramo son las únicas unidades permitidas para la longitud y la masa respectiva­ mente. U na serie de prefijos aprobados que se muestran en la Tabla 1 -2, se util izan para la formación de múltiplos y submúlti plos de varias unidades. La fuerza requerida para acelerar una masa de 1 kilogramo durante un metro se expresa como 1 newton (N) y un esfuerzo de un newton por metro cuadrado se expresa como un pascal (Pa). El Estándar ASTM E 380-70, contiene una guía exhaustiva para el uso de unidades del SI. En 1 975, el congreso de los Estados U nidos aprobó el acto de Conversión Métrica, que declara que será una pol ítica de ese país el coordinar y planear el creciente uso del sistema métrico de medidas (unidades SI). Tabla 1-2. Múltiplos y submúltiplos de unidades del SI y sus símbolos Factor de multiplicación 1 ,000,000,000 1 o9 1 ,000,000 1 06 1 ,000 1 03 2 1 00 1 0 1 10 - 10 ·1 0.1 1 0 2 0.01 1 0· "3 0.001 1 0 0.0001 - 1 o·6 9 0.00001 - 1 0· = = = = = = = ª b Prefijo Símbolo SI giga mega kilo hectoª decaª deci ª centiª G M k h da d c m µ n mili micro b nano Pruebe su conocimiento 1. ¿Por qué es el concreto el material de ingeniería más extensamente empleado? 2. ¿Qué es el concreto reforzado y qué es el concreto presforzado? 3. Defina los siguientes términos: agregado fino, agregado grueso, grava, mortero, concreto lanzado, cemento hi­ dráulico. 4. ¿Cuáles son los pesos unitarios típicos para los concretos de peso normal, de peso ligero y de peso pesado? ¿Cómo define usted el concreto de alta resistencia? 5. ¿Cuál es el significado del límite elástico en el diseño estructural? 6. ¿Cuál es Ja diferencia entre resistencia y tenacidad? ¿Por qué se especifica generalmente Ja resistencia a Ja com­ presión del concreto a los 28 días? 7. Analice el significado de retracción por secado, retrac­ ción térmica y flujo plástico en el concreto. 8. ¿Cómo definiría usted Ja durabilidad? En general, ¿qué tipos de concreto se espera que presenten una mayor durabilidad a largo plazo? Sugerencias para estudio complementario American Concrete lnstitute, Informe del Comité 1 1 6, Cement and Con­ crete Terminology, SP-1 9, 1 990. American Society for Testing and Materials, Annual Book of ASTM Stan­ dars, Vol. 04.01 (Cement, Lime and Gypsum), 1 996. American Socl ety for Testing and Materials, Annual Book of ASTM Stan­ dars, Vol. 04.02 (Concrete and Mineral Aggregates), 1 996. VAN VLACK, L. H. , Elementes of Material Science and Engineering, 6ª. edición, Addison-Wesley, Publishing Company, lnc., Reading, Mass., 1 989. No recomendado pero utilizado ocasionalmente. 0.1 nanómetro (nm) comúnmente. .. 1 angstrom (Á) no es una unidad del SI, se usa CONCRETO, estructura, propiedades y materiales 11 Capítulo 2 La estructura del concreto Presentación Significado Las relaciones estructurales estructura-propiedades se en­ cuentran en el corazón de la ciencia moderna de los mate­ ria 1 es. E l concreto t i e n e u na estru ctura a l tamente heterogénea y compleja. Por lo tanto, es muy difícil cons­ truir modelos exactos de la misma que permitan predecir con seguridad el comportamiento del material. Sin embar­ go, un conocimiento de la estructura y las propiedades de los componentes individuales del concreto y de las relacio­ nes de unos con otros, es útil para ejercer algún tipo de control en las propiedades del material. El progreso en el campo de los materiales ha sido un resultado pri ncipalmente del reconoci miento del principio de que las propiedades de un material se originan en su estructura interna; en otras palabras, las propiedades se pueden modificar haciendo cambios adecuados en la es­ tructura de un material. Aunque el concreto es el material estructural más ampliamente uti lizado, su estructura es heterogénea y altamente compleja. Las relaciones estruc­ tura-propiedades en el conc_reto no se han d esarrol lado aún completamente; sin embargo, un entendimiento de algunos de los elementos de la estructura del concreto es esencial, antes de discutir los factores que influyen en las importantes propiedades ingenieriles del concreto, tales cmno . la resis­ tencia (capítulo 3), la elasticidad, la retracción, el flujo plástico, el agrietamiento, (capítulo 4) y la durabil idad (capítulo 5). En este capítulo se describen tres componentes de la estruc­ tura del concreto: la pasta de cemento hidratado, el agrega­ do y la zona de transición entre la pasta y el agregado. Las relaciones estructura- propiedades se analizan desde el pun­ to de vista de características seleccionadas del concreto tales como resistencia, estabi l idad dimensional y durabili� dad. Definiciones El tipo, cantidad, d imensión, forma y d istribución de las fases presentes en un sól ido constituyen su estructura. Los elementos gruesos de la estructura de un material pueden verse fáci l mente, mientras que los elementos más finos son en general detectados con la ayuda de un microscopio. El término macroestructura se uti l iza general mente para la estructura total, visible al ojo humano. El l ímite de detección del ojo humano sin ayuda es de aproximadamente un quinto de mil ímetro (200µm). El tér­ mino microestructura se uti liza para la parte amplificada microscópicamente de una macroestructura. - la capacidad de amplificación de los microscopios modernos ópticos electrónicos, es del orden de 1 0 5 veces así, la apl icación de las técnicas microscopia óptica de transmisión y rastreo electrónico, ha hecho posible detectar la estructura de los materiales hasta una fracción de un micrómetro. CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Complejida_des Al examinar una sección transversal de concreto (figura 2-1 ), las dos fases que pueden distingu irse fácilmente son las partículas del agrega_d o de variada dimensión y forma y el medio aglutinante, compuesto por una masa incoherente de la pasta de cemento hidratada (de aquí en adelante abreviada: pch). Por lo tanto, en el nivel macroscópico el concreto se puede considerar un material de dos fases, consistentes en partículas de agregado dispersas en una matriz de pasta de cemento. En el nivel microscópico comienzan a mostrarse las com­ plejidades de la estructura del concreto. Resulta o bvio que las dos fases de la estructura no son homogéneamente distribuidas una con respecto a la otra, ni son el las mismas homogéneas. Por ejemplo, en algunas áreas _ la masa de la pch aparece tan densa como el agregado, mientras que en otras es altamente porosa (figura 2-2). Igualmente, si varias muestras de concreto que contenienen la misma cantidad de cemento pero d iferentes cantidades 13 La estructura del concreto Figura 2-1 . Sección pulida de una muestra de concreto. . La macroestructura es la estructura total de un material que es visible al ojo humano sin ayuda. En la macroestructura del concreto se distinguen fácilmente dos componentes: agregados de variadas formas y dimensiones y medio aglutinante, que consiste en una masa incoherente de la pasta de cemento hidratado. de agua se examinan a var ios intervalos de tiempo, se verá que en genera l, el volumen de los huecos capilares en la pch d isminuye al incrementarse la relación agua/cemento, o al aumentar la edad de la hidratación. Para üna pasta de cemento bien hidratada, la sola distribución no homogénea de sólidos y huecos, puede quizás ser ignorada cuando se modela el comportamiento del material. Sin embargo, estu­ diOs microestructurales ha n mostrado que esto no se puede hacer para la pch presente en el concreto. En presen c ia del agregado, la estructura de la pch e ri la vecindad de grandes p artículas de agregado es en general muy diferente· de la estructura de la pasta masiva o del mortero en el conjunto. De hecho, muchos aspectos del comportamiento del concreto bajo esfuerzo pueden expli­ carse solamente cuando la interface (l ímite común entre los materiales) de la pasta de cemento-agregado, es tratada como un tercer componente de la estrúctura del concreto. Así, . los aspectos únicos de la estructura del concreto pu eden resumirse en Í a forma siguiente. · Primero hay un a tercera fase, la zona de transición, que representa la región l ímite común entre las partícul a s del agregado grueso y la pch. Existiendo como un cascarón · . delgado, ge neral m ente de 1 O a 50 µm de espes o r alrededor del agregado grueso, la zona de transición es en general más débil ,q ue cualquiera de los dos componentes principales del concreto y, por lo tanto, ejerce una influencia mayor en 14 el comportamiento mecánico del concreto que lo que su tamaño refleja. Segundo, cada una de las tres fases está, por su parte, compuesta de multifases en su naturaleza. Por ejemplo, cada partícula de agregado pue d e contener varios minerales, además de microgrietas y huecos. De manera similar, tanto la masa de pch como la zona de transición, contienen general mente una distribución hete­ rogénea de diferentes tipos y cantidades de fases sól idas, poros y microgrietas que serán descritos más adelante. Tercero, a diferencia de. otros materiales de i ngeniería, la estructura del concreto no permanece estable (es decir, no es una caraderística i ntrínseca del material). Esto es debido a que los dos componentes de la estructura: la pch y la zona de transición, están sujetos a cambios con el tiempo, hume­ dad del medio ambiente y temperatura. La naturaleza altamente heterogénea y d i námica de la estructura del concreto, es la razón pri ncipal para q ue los modelos teóricos de la relación estructura-propiedades, en general tan úti les para predecir e l comportamiento de los materiales de i ngeniería, sean de poco uso en e l caso del concreto. U n conoci miento amplio de l os aspectos importantes de la estructura de l os componentes i nd ivi­ duales del concreto, es por lo tanto esencial, como se expl ica más adelante, para entender y controlar las propiedades del material com ouesto. CONCRETO, estructura, propiedades y materiales La estructura del concreto 200 X 2 ,000 X 5 , 0 00 X Figura 2-2. Mi croestru ct u ra de una pasta de cemento hidratada. La microestructura es la estructura mas fina de un material que es detectada con la ayuda de un microscopio. Una amplificación baja (200 X) micrografía electrónica de una pasta de cemento hidratado, muestra que la estructura no es homogénea: mientras algunas áreas son densas, las otras son altamente porosas. En las áreas porosas es posible detectar los elementos individuales hidratados utilizando amplificaciones mayores. Por ejemplo, cristales masivos de hidróxido de calcio, agujas largas y delgadas de etringita y un agregado de pequeños cristales fibrosos de hidratos de silicato de calcio, pueden verse en amplificaciones de 2000 X y 5000 X. · Estructura de la fase agregado · La composición y las propiedades de los d iferentes tipos de agregados en el concreto se describen con \detal le en el capítulo 7. Por lo tanto, aqu í se dará solamente una breve desc�ipción de las partes generales de la estructura del agregado, que ejercen una mayor influencia en las propie­ dades del . co n creto. La fase agregado es predominantemente responsable del peso u nitario, del módulo de elasticidad y de la estabilidad dimensional del concreto. Estas propiedades dependen en CONCRETO, estructura, propiedades y materiales gran parte de la densidad masiva y la resistencia del agre­ gado,. los que por su parte son determ fnados por las carac­ terísticas físicas, más que por las características químicas de la estructura del agregado. En otras palabras, la composicion química o mineral de las fases sólidas del agregado es gene­ ralmente menos importante que las características físicas tales como el volumen, el tamaño y la distribución de los poros. Además de la porosidad, la forma y la textura del agregado grueso también afectan las propiedades del concreto. Algunas partículas típicas de agregado se muestran en la figura 2-3. En general, la grava natural tiene una forma 15 La estructura del concreto a e b d Figura 2-3, Forma y textura superficial de partículas de agregado grueso: a) Grava, redondeada y suave; b) Piedra triturada, equidimensional; c) Piedra . triturada, alargada; d) Pie�fra triturada plana; e) De peso ligero, angular y rugosa; f) De peso ligero redondeada y lisa. · redondeada y una textura superficial tersa. La roca triturada tiene una textura rugosa, dependiendo del tipo de roca y la elección de equipo de triturado; el agregado triturado puede contener una proporc ión considerable de partículas planas y alargadas, lo cual afecta adversamente muchas propieda­ des del concreto. Las partículas del agregado de peso ligero tales como la piedra pómez, que es altamente celular, son también angu­ lares y tienen una textur·a rugosa, pero las partículas de arci l la expandida o de pizarra son generalmente redondea­ das y tersas. Siendo en general más resistente que las otras dos fases del concreto, la fase agregado no tiene influencia directa en la resistencia del concreto excepto en el caso de . algunos agregados altamente porosos y débiles, tales como el agre­ .gado de piedra pómez descrita anteriormente. El tamaño y forma del agregado grueso puede sin embargo afectar la resistencia del concreto en una forma indirecta. Es obvio, por la figura 2-4, que cuanto más grande sea el agregado en el concreto y mayor la proporción 9e partículas alargadas y planas, . mayor será la tendencia de pel ículas de agua a acumularse cerca de la superficie del agregado, debilitando así la zona de transición de la pasta de cemen­ to-agregado. Este fenómeno, conocido como sangrado in­ terno, se discute en detalle en el capítulo 1 0. 16 Estructura de la pasta de cemento hidratado Debe entenderse que el término pasta de cemento hidrata­ do (pch) se uti l iza en este texto para referirse general mente a pastas hechas con cemento portland. Aunque la compo­ sición y las propiedades del cement� portland se discuten en detal le en el capítulo 6, aqu í se dará un resumen de la composición, antes dé discutir cómo la estructura de la pch se desarrol la como resultado de las reacciones q u ím icas de los minerales del cemento portland y el agua. El cemento portland anhidro es un polvo gris que consiste en partículas angulares, generalmente dentro del rango de 1 a 50 µm. Se produce pulverizando el clinker con una pequeña can­ tidad de sulfato de calcio; siendo el cl inker una mezcla . heterogénea de varios m inerales producidos por reacciones a alta temperatura entre óxido de calcio y síl ice, alúmina y óxido de fierro. La composición química de los principales a minerales del . clinker corresponde aproximadamente . C3 S, 1 C2 S, C3 A y C4AF; en un cemento portla nd ordinario sus cantidades respectivas son generalmente del rango de entre 45 y 60, 1 5 y 30, 6 y 1 2, y 6 y 8 por ciento. 1 Es conveniente seguir l �s abreviaturas utilizadas por los químicos del cemento: C- CaO; S - Si02 ; A -. Ah03; F - Fe203;5- S03; H - H20. CONCRETO, estructura, propiedades y materiales La estructura del concreto AGUA DE SANGRADO INTERNA (b) Figura 2-4. a) Diagrama que representa el sangrado en un concreto recientemente colocado; b) Falla por cortante-adherencia en una muestra de concreto probada en compresión uniaxial. El agua de sangrado interno tiende a acumularse en la vecindad de partes de agregado de forma alargada, plana y delgada. En estos lugares, la zona de transición del agregado-pasta de cemento tiende a ser débil y fácilmente propensa a microagrietarse. Este fenómeno es responsable de la falla por . cortante-adherencia en la superficie de la partícula de agrega do marcada en Ja fotografía. Cuando el cemento portland es dispersado en el agua, el sulfato de calcio y los componentes de calcio a alta tempera­ tura tienden a disolverse y la fase l íquida se satura rápidamente con varias especies de iones. Como resultado de las combina­ ciones entre iones de cal c io, de sulfatos, de aluminato y de iones hidróxilo, a los pocos minutos de la hidratación del cemento, primero hacen su aparición los cristales en forma de aguja de un hidrato de sµlfoaluminato de calcio llan]ado etringita ; unas pocas horas después, grandes cristales prismá­ ticos de hidróxido de calcio y cristales fibrosos muy pequeños de hidratos de silicato de calcio comienzan a l lenar: los espacios vacíos inicialmente ocupados por agua y · por las partículas de cemento en solución. Después de algunos días, dependiendo de la relación alúmina-sulfato del cemento port­ land, la etringita se vuelve inestable y se · descompone para formar el hidrato de monosulfato, que tiene una morfología de placa-hexagonal. La morfología de placa hexagonal es tam­ bién característica de los hidratos de aluminato de calcio, que se forman en las pastas hidratadas de cemento portland ya sea de bajos sulfatos, o de alto contenido de C3A. U n barrido con micrografía electrónica que muestra la morfología típica de las fases preparadas con una mezcla de solución de aluminato de calcio, con solución de sulfato de calcio, se muestra en la figura 2-5. Un modelo de las fases esenciales presentes en la microes­ tructura de una pasta de cemento portland bien hidratado se muestra en la figura 2-6. CONCRETO, estructura, propiedades y materiales En el modelo de la microestructura de pch que se muestra en la figura 2-6, se puede notar que las . distintas fases no están uniformemente distribuidas ni tjenen uniformidad en tamaño ni en morfología. En los sól i d os, la falta de horno� geneidad microestructural puede conducir a serios efectos en la resistencia y en otras propiedades mecánicas relacio­ nadas, ya . que estas propiedades son controladas por los extremos microestruc�urales y no por la microestructura promedio. Así, además de la evolución de la microestruc­ tura como resultado de los cambios químicos que ocurren después de que el cemento se pone en contacto con el agua, debe ponerse atención a ciertas propiedades reológicas de la pasta de cemento fresca, que también infl uyen en la determinación de la microestructura de la pasta endurecida. Por ejemplo, como se verá más· adelante (véase la figura 8-2c), las partículas anhi d ras del cemento tienen una ten­ dencia a atraerse unas con otras y a for m ar grupos, las cuales atrapan grandes cantidades del agua de la mezcla. Obvia­ mente, las variaciones locales en la relación agua-cemento serán la primera fuente de evolución de la estructura porosa heterogénea. En sistemas de pasta de . ce_mento altamente viscosa, no solamente la forma y el tamaño de los poros, sino también los productos cristal inos de hidratación, son conocidos por su diferencia al compararlos con conjuntos bien d ispersados. 17 La estructura del concreto Figura 2-5. Exploración m icrográfica electrónica de cristales típicos hexago­ nales de hidrato de monosulfato y cris­ tales en forma de aguja de etringita, formados al mezclar soluciones de alu­ minato de calcio y sulfato de calcio. (Cortesía de F.W. Locher, Research lns­ titute of Cement l ndustry, Dusseldorf, Federal Republic of <.Jermany) Sólidos en la pasta de cemento hidratado Los tipos, cantidades y· características de las cuatro fases sól idas principales, presentes generalmente en una pch, que se pueden detectar por medio de un microscopio electróni­ co, son los siguientes: Hidrato de silicato de calcio. La fase hidrato de sil i cato de calcio, abreviado H-S-C, representa de 50 a 60 por ciento del · vol umen de sól idos en yna pasta de cemento portland completamente hidratada y es, por lo tanto, el más impor­ tante para determinar las propiedades de la pasta. E l hecho de que el término H-S-C contenga guiones significa que el H-S-C no es un compuesto bien definido; la relación C/S varía entre 1 .5 a 2.0 y el contenido de agua estructural varía aún más. La morfología del H-S-C también varía desde fibras pobre­ mente cristalinas a una red reticular. Debido a sus dimensiones coloidales y a una tendencia a hacinarse, los cristales de H-S-C podrán detectarse solamen­ te con la ayuda de un microscopio óptico electrónico. El material es a menudo l lamado gel H-S-C, en la l iteratura antigua. La estructura interna de cristales de H-S-C también perma­ nece sin resolver. Antiguamente se suponía que se aseme­ jaba al mineral natural tobermorita; es por ello que el H-S-C fue l lamado algunas veces gel de tobermorita. Aunque la estructura exacta de H-S-C no es conocida, se han propuesto algunos modelos para explicar las propieda­ des de los materiales. De acuerdo con el modelo Power 18 Brunauer, 2 el material tiene una estructura de capas con un área superficial alta. Dependiendo de la técnica de medi­ ción, se han propuesto áreas superficiales del orden de 1 00 a 700 m 2/g para el H-S-C. La resistencia del material es atribuida principalmente a las fuerzas de Van der Waals, siendo el tamaño de los poros del gel o de la distancia sól ido-a-sól ido3 de aproximadamente 1 8 A. El modelo Feld­ man-Sereda, 4 considera a la estructura H-S-C compuesta por una disposición irregular o enredada de capas que son d istribuidas al azar para crear espacios entre capas de d iferentes formas y tamaños (5 a 25 Á). Hidróxido de calcio. Los cristales de hidróxido de calcif f (también . l lamados portlandita) constituyen de 20 a 25 por ciento del volumen de los sólidos en la pasta hidratada. En contraste con el H-S-C, el hidróxido de calcio es un com­ puesto con una estoiquiometría definida, Ca(OH) 2 . Tiende a formar grandes cristales con una morfología clara de prismas hexagonales. La morfología general mente varía de no descriptible a haces de grandes placas y es afectada . por el espacio disponib!e, la temperatura de hidratación y las impureza·s presentes en el sistema. Comparado con el H-s-c; el potencial de contribución a la resistencia del hidróxido de calcio, debido a las fuerzas de Van der Waals es limitado' . como resultado de un área superficial . considerablemente 2 T. C. Powers, J. Am. Ceram: Soc: ,Vol. 6 1 , No. 1 , págs 1 -5, 1 958; y S. Brunauer, American Scientist, Vol. 50, No. 1 , págs. 2 1 0-29, 1 962. 3 En la literatura antigua, las distancias de sólido-a-sólido entre capas de H-5-C se llamaron poros de gel. En la literatura moderna se acostumbra llamarlos espacios entre capas. 4 R. F. Feldman y P. J. Sereda, Engineering )ournal (Canadá), Vol. 5J , No. 8/9, págs. 53-59, 1 970. CONCRETO, estructura, propiedades y materiales La estructura del concreto l µ. m Figura 2-6. Modelo de una pasta de cemento portland bien h idratada. A representa la agregación de partículas pobremente cristalinas de H-S-C que tienen por lo menos una dimensión coloidal (1 a 1 00 nm). El espaciamiento interpartículas dentro de la aglomeración es de 0.5 a 3.0 nm (1 .5 nm como promedio). H representa los productos cristalinos hexagonales tales como CH, C4A5H 1 8 , C4AH 1 g, ellos forman grandes cristales, generalmente de 1 µm. C representa las cavidades c�pilares o vacíos que existen cuando los espacios originalmente ocupados por agua no se llenan completamente con los productos de hidratación del cemento. El tamaño de los huecos capilares varía de 1 O nm a 1 µm, pero en pastas bien hidratadas, de baja relación agua/cemento, son < 1 00 nm. menor. También la presencia de una cantidad considerable de hidróxido de calcio en el cemento portland hidratado tiene un efecto adverso en la durabi lidad química frente a soluciones ácidas, debido a que la mayor solubilidad del hidróxido de calcio es mayor que la del H-S-C. Sulfoaluminatos de calcio. Los compuestos de sulfoalumi­ nato de calcio ocupan de 1 5 a 20 por ciento del volumen de los sól idos en la pasta h idratada y juegan por lo tanto solamente un papel menor en las relaciones estructura-pro­ piedades. Se ha establecido ya que durante las edades tempranas de hidratación, la relación de iones su lfato/alú­ mina de la fase solución, favorece en general la formación de hidrato trisulfato, C6 A S3 H32, también l lamado etringita, con forma de cristales prismáticos en forma de aguja. En pastas de cemento portland ordinario, la etringita finalmen­ te se transforma en hidrato de monosulfato, C4 A S Hrn, con forma de cristales planos-hexagonales. La presencia del hidrato de monosulfato en el co n creto de cemento portland hace al concreto vulnerable al ataque de sulfatos. Debe notarse q ue tanto la etringita como el monosulfato contie­ nen pequeñas cantidades de óxido de fierro, el cual puede sustituir al óxido de aluminio en las estructuras cristalinas. Granos de clinker no hidratados. Dependiendo de la dis­ tribución de partículas del cemento anhidro y del grado de hidratación, algunos granos de cl inker no hidratados pueCONCRETO, estructura; propiedades y materiales den encontrarse en la microestructura de las pastas de cemento hidratadas, aún largo tiempo después de la hidra­ tación. Como se estableció anteriormente, las partículas de clinker en el cemento portland modern'o se hall.an en general en el rango de 1 a 50 µm. Con el avance del proceso de hidratación, primero las partículas más pequeñas se disuelven (es decir, desaparecen del sistema) y después las partículas mayores parecen hace�se más pequeñas. Debido al limitado espacio disponible entre las partículas, los productos de hidra­ tación tienden a cristalizar en proximidad de las partículas hidratantes de clinker, lo que da una apariencia de formación de recubrimiento alrededor de ellas. A edades posteriores, debido a . la falta de espacio disponible, la hidratación in situ de las partículas de clinker resulta en la formación de un producto de hidratación muy denso, que a veces se asemeja a la partícula original de clinker en su morfología. Huecos en la pasta. de cemento hidratado Ade m ás de los sól idos antes descritos, la pch contiene varios tipos de huecos que tienen una influencia importante en sus propiedades. Las d imensiones comunes de los elementos sól idos y de los huecos en la pch se muestran en la figura 2-7. Los diversos tipos de huecos y su cantidad y significado se analizan a continuación. 19 La estructura del concreto Espacio entre interpartículas laminares de C-S-4 1 nm µm ' 0 . 01 ,um 1 0 nm '. �oooo 1 ' • ·� 0 . 1 ,um 1 00 nm .'flfi!U Agregación de partículas . C-S-4 1 1 ,um 1 1 1 1 1 1 1 000 nm \ 1 1 ,__,, 1 1 1 1 1 1 X1 Espacio máximo del aire incluido para durabilidad a la acción de congelamiento u · 1 Burbujas de aire incluido 11 � 1 Vacíos de aire atrapado - hT Vacíos capilares .. . . . . 1 1 1 1 '---# � 0.001 1 1 1 111 11 11 11 Cristales hexagonales de Ca(OH)2 o de bajo sulfato de la pastas de cement� - • •' · 1 0,um •. 1 04 nm l OOµm 1 05 nm l mm 1 08 nm l O mm 1 07 nm Figura 2-7. Rango dimensional de sólidos y de poros en una pasta de cemento hidratada. Espacio entre capas en el H-S-C. P9wers supone que el ancho del espacio entrecapas dentro de la estructura del H-S-C es de 1 8 Á y considera que representa 28 por ciento de la porosidad en el H-S-C sól ido; sin e m bargo, Feldman y Sereda sugieren q ue el espac io puede variar de 5 a 25 Á. Este tamaño de huecos e s muy pequeño para tener un, efecto adverso en la resistencia y en la permeabil idad de la pch. Sin· embargo, como se discute· a continuación, el agua en estos pequ e ños huecos puede ser retenida por adhesión del hidrógeno y su remoción bajo ciertas condiciones puede contribuir a la retracción por secado y al flujo plástico. Huecos capilares. Los huecos capilares representan el es­ pad o no l lenado por los componentes sólidos de la pch. El volumen total de una mezcla agua-cemento permanece esencial mente sin cambio durante el proceso de hidrata­ ción. la densidad promedio de la masa de los productos de hidratacióri 5 , es considerablemente menor que la densidad del cemento portland anhidro; se estima que 1 cm 3 de cemento, en completa h idratación, requiere aproximada..; mente de 2 cm 3 de espacio para acomodar los productos de la hidratación. Así, la hidratación del cemento puede considerarse como un proceso durante el cual el espacio originalmente .ocupado por el cemento y el agua está siendo reemplazad o cada vez más por el espado l lenado con productos de la hidratación. El espacio no ocupado por el cemento o por los productos de la hidratación consiste en huecos capilares, cu yo volumen y tamaño son determina­ dos por la d istancia original entre las partículas de cemento anhidro en la pasta de cemento fresca (es decir, la relación agua/cemento) y el grado de hidratación del cemento. Más ade!ante se describirá un método para calcular el volumen 5 Debe notarse que el espacio entre-capas dentro del elemento H-5-C es considerado como una parte de los sólidos en la pch. 20 total de los huecos capilares, conocido popularmente como porosidad, en pastas de cemento portland que tienen ya sea diferente relación agua/cemento, o · diferentes grados de hidratación. • En pastas bien hidratadas, de baja relación agua/cemento, los huecos capilares pueden variar de 1 O a 50 nm; en pastas de alta relación agua/cemento, a edades tempranas de hidratación,. los hu.ecos capi lares pueden ser tan grandes como de 3 a 5 µm. En la figura 2-8 se muestran las d istribuciones típicas del tamaño de los· poros de varias �uestras de pch, por medio de la técnica de i ntrusión de mercUrio. Se ha sugerido q ue la distribución de tamaño de los poros, no la porosidad capilar total, es un criterio mas adecuado para eval uar las características de los huecos capilares de pch mayores de 50 nm, l lamados macroporos en la 1 iteratura móder·n a y considerados nocivos para la resistencia y a la impermeabi lidad, mientras que los huecos menores de 50 nm, l lamados microporos, son considerados más importantes en la retracción por secado y en el flujo plástico. Huecos de aire. Mientras que los huecos capilares son irregulares en su forma, los huecos de aire son en · general esféricos. Por varias razones, que se discuten en el capítulo 8, se pueden agregar aditivos al concreto con el objeto de i ntroducir huecos muy pequeños de aire en la pasta de cemento. El aire puede ser atrapado en la pasta · fresca de cemento durante la operación del mezclado. Los huecos de aire atrapado pueden ser tan grandes como 3 nm; los h uecos de aire introducido general mente varían de 50 a 200 µm. Por lo tanto, ambos, los huecos atrapados y los huecos de aire en la pch son mucho más grandes que los huecos capi lares y son capaces de afectar adversamente su resisten­ cia y su imper m eabi l idad. CONCRETO, estructura, propiedades y materiales La estructura del concreto 0.5 � � 0.4 e: -o ·¡:; � 0.3 -8 0.2 g 0. 1 e: Q) c. e: Q) E ::> o - NG \., o agua no es rígida. A pesar de esto, la clasificación es útil para entender las propiedades de la pch. Además de vapor en los huecos vacíos o l lenados parcialmente con agua, el agua existe en la pch en los siguientes estados: 28 días 0.3 A 0.4 o 0.5 • 0.6 • 0.7 Agua capilar. Es el agua presente en los huecos mayores • 0.8 o 0.9 o o o g g g g 8 ID on , oq- . C?. o Q CI) o o o Diámetro de poro A ,.., o o ,.., o o N o � o S? o ,.._ oqon 0.5 :g � e: -o ·¡:; e! Q) 0.4 0.3 0.7 NG o 20 días o 90 días Agua adsorbida. Es el agua que está cercana a la superficie A 1 año e: Q) c. Q) "O 0 . 2 e: Q) E ::1 o > 0.1 o o o o o Q CI) 8- o o o o o o o o o ID on «t de 50 A. Puede ser i maginada como el agua masiva que está libre de la i nfl uencia de las fuerzas de atracción ejercidas por la superficie sól ida.. En real idad, desde el punto de vista/del comportamien to del agua capi lar en la pch, es conveniente d ividir el agua capi lar en dos cate­ gorías: el agua en los grandes hue,cos del orden de > 50 nm (O.OS µm), que puede considerarse agua libre ya que su remoción no causa cambio de vol umen, y el agua retenida por la tensión capilar en las pequeñas capilari­ dades (5 a 50 nm), que al ser removida puede causar retracción del sistema. o o o o o ,.., o o N o !!? o Q o ,.._ oqIO ,.., Diámetro de poro A Figura 2-8. Distribución de tamaños de poros en pastas de cernento hidratadas (De P.K. Mehta y D. Manmohan, Proc. lth. lnt. Congr. on Chemistry of Cements, Paris, 1 980) No es la porosidad total sino la distribución de tamaño de los poros, lo que en realidad controla la resistencia, la permeabilidad y los cambios de . volumen en una pasta de cemento endurecida. Las distribuciones de tamaño de poros son afectadas por la relación agua/cemento y la edad (grado) de la hidratación del cemento. Los grandes poros influyen princi­ palmente en la resistencia a la compresión y en la permeabilidad; los poros pequeños influyen en la retracción por secado y en el flujo plástico. Agua en la pasta de cemento hidratada Bajo examen de microscopio electrónico, los huecos en la p�h aparecen vacíos. E�o es por que la técnica de prepara­ ción de la muestra requiere que ésta se seque al alto vacío. En realidad, dependiendo de la humedad del medio am­ biente y de la p Óro sidad de la pasta, la pasta de cemer:ito no trata_d a es capaz de retener una gran cantidad · de agua: Como las fases sól ida y de vacío discutidas con anterioridad, el agua puede existir en la pch en muchas formas. La clasificación del agua en varios tipos se basa en el grado de dificultad o faci l idad con la que puede ser removida de la pch. Puesto que hay una pérdida co ntinua de agua en una pasta de cemento saturada, en cuanto se reduce la humedad relativa, la l ínea . d ivisoria entre los diferentes estados del CONCRETO, estructura, propiedades y materiales sól ida; es decir, bajo la influencia de las fuerzas de atrac­ ción, las moléculas de agua son físicamente adsorbidas en la superficie de los sól idos en la pch. Se ha sugerido que hasta seis capas moleculares de agua (1 5 Á), pueden ser retenidas físicamente por la adhesión del hidrógeno. Puesto que la energía de adherencia de las moléculas individuales de agua disminuye con la distancia de la superficie sól ida, una mayor parte del agua adsorbida puede perderse por secado de la pch, con 30 por ciento de humedad relativa. la pérdida de agua adsorbida es principalmente responsa­ ble de la retracción de lapch por secado. Agua entre capas. Es el agua asociada con la estructura del H�S-C. Se ha sugerido que una capa de agua monomolecular entre las capas de H-S-C, es fuertemente retenida por la adhesión del hidrógeno. El agua entrecapas se pierde solamen­ te por un fuerte secado (por ejemplo bajo 1 1 por ciento de humedad relativa). la estructura del H-S-C se contrae consi­ derablement� cuando el agua entrecapas se pierde. Agua químicamente combinada. Es el agua que forma una parte integral de la estructura de varios productos de hidra­ tación del · cemento. Esta água no se pierde con el . secado; aparece cuando los hidratos se descomponen por calenta­ miento. Con base en el modelo Feldman-Sereda, en la figura 2-9 se i l ustran diferentes tipos de agua asociados con el H-S-C . Relaciones estructura - propiedades en la pasta de cemento hidratada las características deseables en la ingeniería para el concre­ to endurecido: resistencia, estabi lid ad dimensional y dura­ bi lidad, son afectadas no solamente por las proporciones 21 La estructura del concreto uno con otro, sino también a los sól idos de poca á rea superficial tales como el hidróxido de calcio, los granos de clinker anhidro y las partículas de agregados fino y grueso. Agua en intercapas Agua capilar Agua adsorbida físicamente Figura 2-9. Tipos de agua asociada con el hidrato de silicato de calcio. (Basada en R.F. Feldman y P.J. Sereda, Eng. J. Canadá, Vol. 53, No. 8/0, 1 970). En la pasta de cemento hidratada, el agua puede existir en muchas formas; éstas pueden clasificarse dependiendo del grado de facilidad con el que el agua pueda ser retirada. Esta clasificación es útil para · entender los cambios de volumen en la pasta de cemento que están asociados con el agua retenida por los poros pequeños. sino también por las propiedades de la pch, las que a su vez dependen de las características microestructurales (es decir el tipo, la cantidad y la distribución de huecos y sól idos). Las relaciones estructura-propiedade s de la pch se discuten brevemente a continuación. Resistencia. Hay que hacer notar que la fu e nte principal de resistencia en los productos sólidos de la pch es la existen­ cia de las fuerzas de atracción de Van der Waals. La adhesión entre dos superficies sólidas puede atribuirse a estas fuerzas físicas, siendo el grado de la acción adhesiva dependiente de la extensión y naturaleza de las superficies involucradas. Los pequeños cristales de H-S-C, los hidratos de sulfoaluminato de calcio y los hidratos hexagonales de aluminato de calcio, poseen grandes áreas superficiales y capacidad adhesiva. Estos productos de la hidratación del cemento portland tienden a adherirse fuertemente no sólo 22 Es un hecho bien conocido q ue en los sól idos hay una relación inversa entre la porosidad y la resistencia. La resistencia reside en la parte sól ida de un material; por lo tanto, los huecos son perjudiciales para la resistencia. E n la pch, el espacio entre capas dentro de la estructura del H-S-C y los pequeños h uecos que se hal lan dentro de la i nfl uencia de las fuerzas de atracción de Van der Waals, no pueden considerarse perj udiciales a la resistencia, porque la concentración del esfuerzo y la subsecuente ruptura al aplicar la carga, com ienza en l os grandes huecos capilares y en las microgrietas que i nvariablemen­ te están presentes. Como se ha indicado anteriormente, el vol umen de los huecos capilares en una pch depende de la cantidad de agua mezclada con el cemento al inicio de la hidratación y del grado de hidratación del cemento. Cuando la pasta fragua, adquiere un volumen estable que es igual aproximadamente al volumen del cemento más el volu­ men del agua. Suponiendo que 1 cm 3 de cemento produce 2 cm 3 del producto de hidratación. Powers realiza cálculos simples para demostrar los cambios en la porosidad capilar con d iversos grados de hidratación en pastas de cemento de d iferentes relaciones agua/cemen­ to. Con base en su trabajo, en la figura 2-1 O se muestran dos i l ustraciones del proceso de reducción . progresiva en la porosidad capi lar, ya sea con el incremento del grado de hidratación (caso A) o con una d isminución de las relacio­ nes agua/cemento (caso B). Puesto q ue la relación agua/ce­ mento se da general mente por masa, es necesario conocer la densidad específica del cemento portland (aproximada­ mente 3 . 1 4), con el fin de calcular .el vol umen del agua y el espacio total d isponible, · 1 0 que es igual a la suma de los vol úmenes d �· agua y de cemento. En el caso A, una pasta con relación agua/cemento de 0.63 que conteniene 1 00 cm 3 de cemento, requerirá 200 cm 3 de agua; esto produce 300 cm 3 de vo lumen de pasta o espacio total disponible. El grado de hidratación del cemento de­ penderá de las condiciones de curado (duración de la hidratación, temperatura y humedad). Suponiendo q ue bajo las condiciones de curado estándar 6 de ASTM, el vol umen del cemento hidratado a 7, 28 y 365 d ías es 50, 75 y 1 00 por ciento respectivamente, el vol umen calculado de sól i­ dos (cemento anhidro más el producto de hidratación) es de 1 50, 1 75 y 200 cm 3 • El vol umen de los huecos capilares puede encontrarse por la d iferencia entre el espacio total disponible y el vol umen total de sólidos. Esto es 50, 42 y 6 El ASTM C 3 1 requiere un curado húmedo a de prueba. 23 ± 0.2 ºC hasta la edad CONCRETO, estructura, propiedades y materiales La estructura del concreto 3 Caso A: 1 00 cm de cemento NC constante = 0.63, grado de hidratación como se muestra C'l - � E 300 § üi ro ro c. Q) "'O e: Q) ::::> E o > IO q­ C\I ..... o ..... o o lO IO 200 1 50 '#. M M � "'E U C\I � E u o 250 Cü o D 100 50 Poros capilares Cemento anhidro Productos de hidratación o Días de hidratación Grado de hidratación 7d 28 d 1 áño 50 % 75 % 1 00 % Ninguno 3 Caso B: 1 00 cm de cemento 1 00% de hidratación, variación en NC como se muestra C'l � E � .9 üi ro ro c. Q) "'O e: Q) ::::> 300 250 200 > fü 57 cm3 o 22 % u .... � ';;" o 1 50 100 o E o º E '#... fü 6 o NC 0.7 C') 'E u §o co co C\I 11 11 C\I M 11 11 iE "": ,9 ]i � IO ::J + + ,9 -o ffi � . X X e: qQ) ..... ::J + -o E "' E "' �� 0.6 '"5 �ª o X 'M q- . o � 26 cm3 o 11 % §IO C\I C\I 11 n �6 ....., X e: qQ) ..... ::J + E "' �ª 0.5 0.4 Figura 2-1 O. Cambios en la porosidad capilar con diversas re laciones agua/cemento y grados de hidratación. Al hacer ciertas suposiciones, se pueden hacer cálculos para demostrar cómo, con una proporción dada agua/cemento, la porosidad capilar de una pasta hidratada de cemento variaría con lo$ diversos grados de hidratación. Alternativamente, pueden ser determinadas las. variacion �s en la porosidad capilar, para un grado dado de hidratación pero con proporciones variables de agua/cemento. 33 por ciento respectivamente, a 7, 28 y 365 d ías de hidratación. En el caso B, se supone un grado de 1 00· por· ciento de hidratación para cuatro pastas de cemento hechas con agua que corresponden a relaciones agua/cemento de 0.7, 0.6, 0.5 o 0.4. Para un volumen dado de cemento, la pasta con mayor cantidad de agua tendrá el vol umen total mayor de espacio disponible. Sin embargo, después de completarse la hidratación, todas las pastas contendrán la misma canti­ dad de producto sól ido de hidratación. Por lo tanto, la pasta con el mayor espacio total terminará con un correspondien­ te vol umen mayor de huecos capilares. Así, 1 00 cm 3 de cemento a una hidratación total, produci­ rán 200 cm 3 de productos sól idos de hidratación en cada caso; sin embargo, puesto que el espacio total en las pastas con relaciones agua/cemento de 0.7, 0.6, 0.5, 0.4 fue 320, 288, 257 y 225 cm 3 , los huecos capilares calculados son 37, 30, 22 y 1 1 por ciento resp'ectivamente. Bajo las supoCONCRETO, estructura, propiedades y materiales s1c10nes que se hacen aqu í, con una pasta de relación agua/cemento de 0.3 2, no habrá porosidad capilar cuando el cemento se haya hidratado completamente. Para morteros de cemento portland normalmente hidrata­ dos, Powers demostró que hay una relación exponencial del tipo S = kx3 entre la resistencia a la compresión (S) y la relación sólidos"'."a-espacio (x), en donde k es una constante igual a 2,390 kgf/c m2 ; Suponiendo un cierto grado de hidratación tal como 25, 50, 75 y 1 00 por ciento, es posible calcular el efecto de incrementar la relación agúa/cemento, primero sobre la porosidad y subsecuentemente sobre la resistencia, util izando la fór m ula de Powers. Lo s resultados se muestran en la figura 2-1 1 a. La curva de permeabi lidad de esta figura será analizada más adelante. Estabilidad dimensfonal. La pch saturada no es estable dimensionalmente. Mientras sea mantenida a humedad relativa del 1 00 por ciento (HR), no ocurrirá prácticamente ningún cambio dimensional. Sin embargo, cuando se ex23 La estructura del concreto .... C\I 8!. 210 1 1 20 � e: •O � ·¡¡¡ � g- " � �u 80 -g � � Cl> 140 o u ro ro º )( (3 fü 70 Cií ·¡¡¡ 40 Cl> a: (a) � c. Cl> "O 2 e: Cl> 0.9 'E o Cl> 0.7 0.6 0.8 Relación sólido/espacio ( 1 -P) :º Qj o u . 0.5 0.4 E Cl> � 5i 0.5 ctl e: •O º (b) ü ctl -¡¡; a: 0.6 0. 1 0.2 0.3 0.4 0. 5 0. 6 Porosidad capilar, fracción de volumen P Figura 2-1 1 . Influencia de la relación agua/cemento y grado de hidratación, sobre la resistencia y la permeabilidad. Una combinación de la relación agua/cemento y el grado de hidratación determina la porosidad de la pasta de cemento hidratada. La porosidad y lo opuesto a la porosidad (relación sólidos/espacio) están relacionadas exponencialmente a ambas, la resistencia y la permeabilidad del material. El área sombreada muestra el rango típico de la porosidad capilar en pastas de cemento hidratadas. ponga a la humedad del medio ambiente, que normalmente es mucho más baja del 1 00 por ciento, el material · comen­ zará a perder · agua y a retraerse. Cómo se relaciona la pérdida de agua de la pch saturada con el H R por un lado y cómo se relaciona con la retracción por secado por otro lado, se explican por L'Hermite (figura 2-1 2). En � uanto é l H R cae por abajo del 1 00 por ciento, el agua l ibre retenida en las grandes cavidades (es decir > 50 nm) comienza a escapar hacia el medio ambiente. Puesto que el agua libre no está unida a la estru ctura de los productos de hidratación por adhesión alguna ni física ni química, su pérdida no será acompañada por una retracción. Esto se muestra en la curva 'A-B' de la figura 2-1 2. De este modo, una pch saturada expuesta a un H R l igeramente menor del 1 00 por ciento, puede perder una cantidad considerable de agu a tütal eva­ porable, antes de sufrir retracción alguna. Cuando la mayor parte del agua libre se ha perdido, al continuar el secado, se encuentra que una pérdida adicional de agua comienza a producir una retracción considerable. 24 Este fenómeno que se muestra por la curva 'B-C' en la figura 2-1 2, se atribuye principalmente a la pérdida de agua adsorbida y al agua retenida en pequeñas capilaridades (ver la figura 2-9). Se sugiere que cuando se le confina a espacios estrechos entre dos superficies sól idas, el agua adsorbida causa una presión de separaci ón. La remoción del a·gua adsorbida reduce la presión de separación y · produ ce una retracción del sistema. El agua entrecapas, presente como pel ícula de agua monomolecular dentro de la estructura de la capa de H-S-C, puede también ser removida por severas condiciones de secado. Esto es debido a que el contacto más cercano del agua entrecapas con la superficie sól ida y la tortuosidad de la senda de transporte a través de la red capilar, requiere una fuerza conductora más fuerte. Como el agua en las peque­ ñas capi laridades (de 5 a 50 nm) ejerce una tensión hidros­ tátka, su remoción tiende a i nd ucir u n esfuerzo de compresión en las paredes sólidas del poro capilar, causan­ do así también una retracción del sistema. CONCRETO, estructura, propiedades y materiales La estructura del concreto J D e <1' ::i Cl <1' Q) "O <1' "O 'E •Q) a. Agua combinada t-f Agua adsorbida o A Humedad relativa (a) 100 % <1' "O ,¡:g :¡; e: •O ·¡:; u � (¡) a: Qi "O <1' ::i Cl <( g¡Cl <( ..o � = A Pérdida de agua (b) Figura 2-1 2 . A) Pérdida de agua como una función dé la humedad relativa; b) Retracción de un mortero-de cemento como una función de la pérdida de agua. (Tomado de R.L'Hermite, Proc. Fourth lnt. Symp. on Chemistry of Cements. Washington, D.C.; 1 960). · En una pasta de cemento saturada, la pérdida del agua adsorbida es la responsable prin �ipa/ de la retracción por secado. Debe destacarse aqu í q ue . los mecanismos responsables de · la retracción por secado también son responsables del flujo plástico de la pch. En el caso del flujo, un esfuerzo externo · . s ostenido se convierte en la fu erza conductora para el movimiento del agua físicamente adsorbida y el agua rete- · nida en las pequeñas capilaridades. De este modo, la deformación por flujo puede ocurrir aún a un 1 00 por ciento . de H R. Durabilidad. El tér mino durab.ilidad de un material se refie­ re· a su vida de servicio bajo ciertas condiciones ambienta­ les. La pch es alcalina; por lo tanto su exposición a aguas ácidas es perjudicial para el material. Bajo estas condicio­ n� s, la impermeabilidad, también .llamada hermetismo al agua, se convierte en uri factor principal para la determina­ . ci ó n de la d u rabi lidad. La impermeabil idad de la pch es una característica altamente apr eciada, porque se supone que una pch impermeable producirá un con creto imper meable (el agregado en el concreto se supone que general m ente es impermeable). La permeabilidad .es defini d a como la faci l i­ dad con la que un fluido puede fluir a través de un sólido. Deberá parecer obvio que el tamaño y la· continuidad de los poros en la estructura del sól ido determinan sU permeabi l i­ dad. La resistencia y la permeabi lidad de la pch so·n dos lados de la misma moneda, en . el sentido de que ambas están íntimamente rel acion adas con la porosidad capilar o con la relación sólido/espacio. Esto es evidente en la curva de permeabilidad de la figura 2-1 1 , que se basa en los valores experimentales de lá permeabilidad determinados por Powers. La relación exponencial entre la permeabi lidad y lá porosi­ dad que se muestra en la figura 2-1 1 , puede entenderse por la influencia que varios tipos de poros ejercen en lél permeaCONCRETO, estructura, propiedades y materiales · bi lidad. Eh cua'rito fa hidratación avanza, ·el espado vacío entre las partículas de cemento originalmente d iscretas, comienzéln gradualmente a l lenarse con los productos de la hidratación. Se ha demostrado (figura 2-1 O) que la relación agua/cemento (es decir, el espa�io capilar original entre las partículas de cemento) y el grado de hid ratación determinan la- porosidad total capi lar, que disminuye al disminuir la relació.n agua/cemento y/o el incremento. del grado de hidratación. Estudios porosimétricos de intrusión. de mercu­ rio en las pastas de cemento de la figu �a 2-8, hid ratadas con diferentes rel aciones agua/cemento y de varias edades, han demostrado que la disminución de la porosidad total capilar estaba asociada con la reducción de los grandes poros en la pch (figura 2-1 3). Por los datos dé la figura 2-1 1 , es obvi o que el coeficiente de permeabi lidad registró una caída exponencial cuando el volumen fracciona! de poros capilares fue reducido de 0.4 a 0.3. Por lo tanto, este rango de porosidad capilar. parece corresponder al punto en el que ambos, el volumen y el tamaño de los poros capiiares en la pch, son tan reducidos que las interconexiones entre ellos se han vuelto difíciles. Como resultado, la permeabi lidad de una pasta de cemento totalmente hidratada, puede ser del orden de 1 06 veces n:ien.or que la de una pasta joven. Powers dem.ostró que aún una pasta con relación agua/cemento de 0.6, en completa hidratación, puede volverse tan impermeable como una piedra densa del tipo del basalto o el mármol . Hay que hacer notar que las porosidades representadas por el espacio entrecapas H-S-C y las pequeñas capilaridades no contribuyen a la permeabi lidad de la pch. Por el contra25 La estructura del concreto 0.5 28 dias 0.4 • o 6. o 0.6 0 .7 0 .8 0 .9 Distribución de tamaño de poro, de poros pequeños . menores de 1 320 A para especímenes con relación agua/cemento de 0.6, 0.7, 0.8 y 0.9 a los 28 dias 0. 1 º º º º '° º º o !!? � Q CD º º º º º º e.D IO V º o rt'> o o C\J o 1() o o o l'­ IO V Diámetro de poro A . Figura 2-1 3. Gráfica de distribución de poros pequeños en pastas de cemento de varias relaciones agua/cemento. (De P. K. M eh ta y D. Manmohan, Proc. 7th lnt. Congr. on Chemistry Of Cements, Par ís 1 980) Cuarydo lo; datos de la figura 2-8 se volvieron a trazar después de omitir los poros !11ayores (es decir de 1 320 A), se encontró que una curva individua/ podría representar las distribuciones de tamaño de poros en las pastas de 28 días, hechas con cuatro diferentes relaciones agua/cemento. Esto demuestra que en las pastas de cemento endurecido, el incremento de porosidad total que resulta al incrementar las relaciones agua/cemento, se manifiesta a sí mismo en la forma de grandes poros . Esta observación tiene gran significado desde el punto de vista del efecto de la relación agua/cemento sobre la resistencia y la permeabilidad, que son controladas por los grandes poros. rio, con un grado creciente de hidratación, aunque haya un incremento considerable en el vol umen de los poros debido al espacio entrecapas del H-S-C y las pequeñas capilarida- . des, la permeabi l idad es redu c ida grandemente. En la pch se detectó una relación directa entre la permeabi lidad y el vol umen de los poros mayores de aproximadamente 1 00 nm 7 •· Esto es probablemente porque el sistema de poros, compuesto principalmente por poros pequeños, tiende a volverse discontinuo. Zona de transición en el concreto Significado de la zona de transición ¿Se ha preguntad o usted por qu é : . O O ¿El concreto es frágil a la tensión pero relativai:nente tenaz a la compresión? ¿Cuando los componentes del concreto se prueban por separado en compresión uniaxial permanecen 7 P.K. Meh ta y D. Man mohan , Proceedings of the Seventh /nternationa/ Congress on the Chemistry of Cements, Editions Septima, Vol. 1 11, Par is, 1 980. 26 elásticos hasta la fractura, mientras que el concreto en sí mismo muestra un comportamiento i nelástico? O O O O ¿La resistencia a la compresión de un concreto es mayor que su resistencia a la tensión por un orden de magnitud? ¿ Dados un contenido dado' de cemento, una relación agua/cemento y edad de h idrataéión, el mortero de cemento siempre será más resistente q ue el concreto correspondiente? Además, la resistencia del concreto disminuye en cuanto se incrementa el tamaño del ag_regado grueso. ¿La permeabi lidad de un concreto - aunque contenga un agregado muy denso - será mayor por uh orden de magnitud .que la permeabi lidad de la pasta de cemento correspondiente? ¿Al exponerlo al fuego; el módulo de elasticidad de u� · concreto se abate más rápidamente que su resistencia a la compresión? Las respuestas a las preguntas anteriores y a muchas otras preguntas enigmáticas sobre el comportamiento del concre­ to están en la zona de transi d ón que existe entre las grandes partículas del agregado y- la pch. Aunque está compuesta por los mismos elementos de. la pch, la · estructura y las CONCRETO, estructura, propiedades y materiales La estructura del concreto propiedad es de ,la zona de transición son diferentes a las de la pch masiva. Es conveniente por lo tanto, tratar a la zona de transición como una fase a parte de la estructura de concreto. , Estructura de la zona de transición Debido a d ificultades experimentales, la información sobre la zona de transición en el concreto es escasa; sin embargo, con base en una descripción dada por Maso, 8 se puede lograr una comprensión de sus características estructurales, siguiendo la secuencia de su desarrollo desde el momento en que se coloca el concreto. Primero, en un concreto recientemente compactado, las partículas de agua se forman alrededor de las partículas d e l agregado grueso. Esto podría ser la causa de una relación agua/cemento más alta, más cercana al agregado grueso que alejada de él (es decir en la masa de� mortero). En seguida, en la masa de la pasta, iones de calcio, de sulfato, de hidróxi lo y de aluminato, producidos por la disolución de los compuestos del sulfato de calcio y del aluminato de calcio, se combinan para formar etringita e hidróxido de calcio. Debido a la alta relación agua/cemento, estos productos cristalinos en la vecindad del agregado grueso están forma­ dos por cristales relativamente más . grandes y por lo tanto forman un marco más poroso que en la masa de la pasta de cemento o en la matriz del mortero. Los cristales de hidró­ xido de calcio en forma de placas, tienden a formar capas orientadas, por ejemplo, con el eje c, perpendicular a la superficie del agregado. Finalmente al avanzar la hidratación, el H-5-C pobremente cristalino y una segunda generación de cristales más peque­ ños de etringita y de h idróxido de cal c io, comienzan a l lenar el espació vacío q ue existe entre el marcó creado por los grandes cristales de etringita y de hidróxido de calcio. Esto ayuda a mejorar la densidad y por lo tanto la resistencia de la zona de transición. Un diagrama representativo y una micrografía electrónica de barrido de la zona de transición en · el concreto se muestran en la figura 2-1 4. la fuerza de atracción de Van der Waals; por lo tanto, la resistencia de la zona de transición en cualquier punto, depende del volumen y del tamaño de los huecos p·resentes. Aun para un concreto con baja relación agua/cemento, a edades tempranas, el volumen y el tamaño de los huecos en la zona de transición será más grande que en la masa del mortero; consecuentemente, el primero es más débil en resistencia (figura 2-1 5). Sin embargo, con el incremento de la edad, la resistencia de la zona de transición puede igualarse o aun ser mayor que la resistencia de la masa del mortero. Esto podrá suceder como resultado de la cristali­ zación de nuevos productos en los huecos de la zona de transición, por reacciones químicas lentas entre los compo­ nentes de la pasta de cemento y el agregado, la formación de hidratos de sil icatos de calcio, en el caso de agregados sil íceos, o la formación de hidratos de carboaluminato en el caso de piedra cal iza. Tales interacciones contribuyen a la resistencia debido a que ellas también tienden a reducir la concentración del . hidróxido de calcio en la zona de transición. Los grandes cristales de h idróxido de calcio poseen menos capacidad de adhesión, ·na solamente debi­ do a un área superficial menor y la correspondiente debil i­ dad de las fuerzas de atracción de Van der Waals, sino también porque sirven como sitios de ruptura preferidos debido a su estructura orientada. Además del gran vol umen de los huecos capilares y de los cristales de hidróxido de calcio orientados, el . principal factor respons?ble de · la pobre resistenci a de la zona de transición en el concreto es la presencia de microgrietas. La cantidad de microgrietas depende de numerosos paráme­ tros, in c l uyendo eltama ii o del agregado y su granu lometría, el contenido de cemento, la relación agua/cemento, el grado de compactación del concreto fresco, las condiciones de curado, la humed ad del ambiente y la historia térmica del concreto. Por ejemplo: una mezcla de concreto que contenga un agregado pobremente graduado es más pro­ pensa a la segregación al compactarse; así, se pueden formar gruesas pel ículas de agua_ alrededor del agregado grueso, especialmente bajo la partícula. En condiciones idénticas, cuanto más grande sea el tamaño del agregado, más gruesa será la pel ícula de agua. La zona de transición formada en estas condiciones, será susceptible de agrietarse cuando se exponga a la influen c ia de esfuerzos de tensión inducidos por movimientos d iferenciales entre el agregado y la pch. · Resistencia de la zoná de transición Como el caso de la pch, la causa de la adhesión entre los productos de la hidratación y las partículas de agregado, es 8 J.C. Maso, Proceedings of the Seventh /nternational Congress on the Chemistry of Cements, Vol. 1 , Edit i ons Septima, París, 1 980 . CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Tales movimientos diferenciales se presentan comúnmente ya sea por secado o por enfriamiento del concreto. En otras palabras; el concreto tiene microgrietas en la zona de transición aun antes de que la estructura sea cargada. Ob­ viamente, el impacto de las cargas a corto plazo, la retraeción por secado y las cargas sostenidas a altos niveles de 27 · La estructura del concreto (a) H-S-C CH ! C-A·S-H Etri ngita l -� o • · (b) Zona de transición pasta de cemento masiva I . -· Figura 2-1 4. a) Micrografía electrónica de barrido de cristales de hidróxido de calcio en la zona de transición. b) Representación gráfica de la zona de transición y de la pasta de cemento masiva en el concreto. En edades tempranas, especialmente cuando ha ocurrido un considerable sangrado interno , el volumen y el tamaño de.. lps huecos en la zona de transición · son mayores que en la pasta d� cemento masiva o en el mortero. El tamaño y la concentración de los compuestos cristalinos tales como el hidróxido de calcio y la etringita también son mayores en la zona de transición. Las grietas se forman fácilmente en la dirección perpendicular al eje c. Tales efectos son los responsables de la resistenda menor en la zona de transición que en la pasta de cemento masiva en el concreto. esfuerzo, tendrán el efecto de incrementar el tamaño y el número de las microgrietas (figura 2-1 6). Influencia de la zona de transición en las propiedades del concreto La z.ona de transición, generalmente el eslabón más débil de . la cadena, es considerada como la fase de resistencia l ímite del concreto. Es debido a la presencia de la zona de transición, que el concreto fal la en un nivel de esfuerzo considerablemente más bajo que la resistencia de sus dos principales componentes. Puesto que no se necesitan nive­ les muy altos de energía para extender las grietas que existen en la zona de transición, aun de 40 a 70 por ciento de la resiste�cia última, se obtienen incrementos de deformacio­ nes más altos por unidad de esfuerzo aplicado: Esto explica el fenómeno de que los componentes del concreto (es decir 28 el agregado y la pch o el mortero) permanecen general men­ te elásticos hasta l legar a la fract\Jra. en una prueba de compresión uniaxial, mientras que el conC::r eto mismo muestra un comportamiento inelástico. A niveles de esfuerzo más altos, de aproximadamente 70 por ciento de la resistencia última, las concentraciones de esfuerzo en los.grandes huecos de la matriz del mortero se vuelven suficientemente grandes para iniciar a l l í un agrie­ . tamiento. Con el incre m en to del esfuerzo, las grietas de la matriz se extienden gradualmente hasta que se unen a las grietas originadas en la zona de transición. E l . sistema de grietas se vuelve entonces conti n uo y el material se fractura. Se necesita una cantidad considerable de energía para la formación y la extensión de grietas en la matriz bajo una carga de compresión. Por otra parte, bajo cargas de tensión, las grietas se propagan rápidam e nte y a un nivel de esfuerzo CONCRETO, estructura, propiedades y materiales La estructura del concreto 1 75 C\J .g _____________'"T""______...., E Cl ..:.::: � :J 1 05 i5.. 2 Q) "O o :5 "O •O :: Zona de transición 1 día 7 28 3 meses Edad (escala log) 1 año 4 años Figura 2-1 5. Efecto de la edad en la resistencia a la adherencia (zona de transicion) y en la resis­ tencia de la pasta de cemento ma­ siva . (Tomado de K.M. Alexander, J. Wardlaw y D.J. Gilbert, The structure of concrete, Cement and Concrete Association,. Londres, 1 968, pág. 65). Como un resultado de · la lenta interacción química en tre la pasta de cemento y ei agregado, a· edades tardías la resisténcia de la zona de transición se incrementa más que la ,resistencia de la pasta de cemento masiva. {a) {b) {e) Figura 2-1 6. Diagramas típicos de agrietamiento para concreto normal (resistencia media): a) Después de la retracción por secado; b) Después de la carga a corto plazo; c) Para una carga sostenida durante 60 días al 65 por ciento de la resistencia a la compresión a 28 días. (De A.J. Ngab, F.O.Slate y A.N. N ilson, J. ACI, Proc., Vol. 78, No 4, 1 98 1 ). · Como resultado de una carga a corto plazo, la retracción por secado y el flujo plástico, la zona de transición en el concreto contiene microgrietas. CONCRETO, estructura, propiedades y materiales 29 ' La estructura del concreto mucho menor. Esta es la razón de que el concreto falle en una forma frágil a la tensión, pero que sea relativamente tenaz a la compresión. Esta es también la razón por la que la resisten cia a la tensión es mucho m enor que la resistencia a la compresión de un concreto. Este tema se analiza con mayor detalle en los capítulos 3 y 4. La estructura de fa zona de transición, especial mente el vol umen de los huecos y microgrietas presentes, tiene una gran influencia en la rigidez o el módulo de elasticidad del concreto. · En el material compuesto, la zona de transición sirve como un puente entre los dos componentes: la matriz de mortero y las partículas del agregado grueso. Aún . cuando los componentes individuales son de alta rigidez, la rigidez del compuesto puede ser menor debido a los puentes rotos (es decir, los huecos y las microgrietas en la zona de transición), que no permiten la transferencia del e sfuerzo. Así, debido al microagrietamiento en la exposición al fuego, el módulo de elasticidad del concre­ to se abate más rápidamente que· la resistencia a la compresión. Las características de la zona de transición también influyen en la durabil idad del con creto. Los elementos de concreto presforzados y reforzados fal lan a menudo debido a la corrosión del acero embebido. La velocidad de corrosión del acero es infl uenciada enormemente por la permeabil i­ dad del concreto. . La existencia de microgrietas en la zona de transición en su interface con el acero y con el agregado grueso, es la razón principal de que el concreto sea más permeable que la pch o mortero correspondiente. Hay que hacer notar que la penetración . de airey de agua es un prerrequisito necesario para la corrosión del acero en el concreto. agu �cemento en la zoná d e transición y consecuentemen­ te, más débil y más permeable será el concreto. Pruebe su conocimiento 1. ¿Cuál es el significado de la estructura de un material? ¿Cómo define usted estructura? 2. Describa a_lgunas de las características untcas de la estructura del concreto que hacen difícil predecir el comportamiento del material por su estructura. 3. Analice las características físico-químicas del H-5-C, hidróxido de calcio y sulfoaluminatos de calcio presen­ tes en una pasta de cemento portland bien hidratada. 4. ¿Cuántos tipos de huecos están presentes en una pasta de cemento hidratada? ¿Cuáles son sus dimensiones típicas? Analice el significado del espacio entrecapas de H-5-C con respecto a las propiedades de la pasta de cemento hidratada. 5. ¿Cuántos tipos de agua están asociados con una pasta de cemento saturada? Analice los significados de cada uno. ¿Por qué es conveniente distinguir entre el agua libre en las grandes capilaridades y el agua retenida en las pequeñas capilaridades? 6. ¿Cuál sería el volumen de los huecos capilares en una pasta con relación agua/cemento de 0.2, que está hidra­ tada solamente al 50 por ciento? Calcule también la relación agua/cemento necesaria para obtener una po­ rosidad cero en una pasta de cemento totalmente hidra­ tada. , El efecto de la relación agua/cemento sobre la permeabi l i­ dad yresistencia de_I concreto se atribuye generalmente a la relación que existe entre la relación agua/cemento y la porosidad de la pch en el concreto. La ex p osición anterior sobre la influencia de la estructura y las propiedades de la zona de transición en el concreto muestra que, de hecho, es más apropiado pensar en términos del efecto de la relación agua/cemento en la mezcla de concreto como un todo. 7. Cuando una pasta de cemento saturada es secada, la pérdida de agua no es directamente proporcional a la retracción por secado. Explique por qué. 8. En una pasta de cemento que se hidrata, la relación entre la porosidad y la impermeabilidad es exponencial. Ex­ plique por qué. 9. Dibuje un croquis típico mostrando cómo la estructura de los productos de hidratación en la zona de transición de una pasta agregado-cemento, es diferente de la masa de la pasta de cemento del concreto. 1 O. Analice por qué la resistencia de la zona de transición es generalmente más baja que la resistencia de la masa de la pasta de cemento hidratada. Explique por qué el concreto falla de una manera frágil a la tensión y no a la compresión. 1 1. Si todos los demás elementos permanecen iguales, la resistencia y la impermeabilidad de un mortero dismi- Esto es debido a que, dependiendo de las características del agregado tales como el tamaño máximo y la granulometría, es posible tener grandes d iferencias en la relación agua/ce­ mento entre la matriz de mortero y la zona de transición. En general, si todo . lo demás permanece igual, cuanto más grande sea el agregado, más alta será la relación local 30 CONCRETO, estructura, propiedades y materiales La estructura del concreto MIN DESS, S., and J. F. YOU NG, Concrete, Prentice Hall, In �., Englewood Cliffs, N .J., 1 98 1 , cap. 4, Hydration of Portland Cerne n f.. : nuirá al introducir un agregado grueso de mayor tama­ ño. Explique por qué. POWERS, T.C:1-Properties of Fresh Concrete, Jonh Wiley a ri d Sons, lnc., . 1 968, caps 2, 9 y 1 1 . Sugerencias para estudio comple1nentario DIAMOND, S., Proceedings of the Conference on Hydraulic Cement Pastes, Cement and Concrete Association, Wexham Springs, Slough, U.K., págs. 2 -30, 1 976. · LEA, F.M., The Chemistry of Cement and Concrete, Chemical Publishing , Company, lnc., New York, 1 97 1 , chap. 1 O, The Setting and Hardening of Portland Cement. CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Proceeding, of the Seventh lnternational Congress on the Chemistry of Cement (Par is, 1 980), Octavo Congreso (Rio de Janeiro, 1 986) y Noveno Congreso (New Delhi, 1 992). RAMACHANDRAN, V.S., R.F. FELDMAN, and J.J. BEAU DOI N, Concrete Science, Heyden & Son Ltd., London, 1 98 1 , caps. 1- 3, Microstructure of Cement paste. SKALNY, J.P., ED., Material Science of Concrete, Vol. Ceramic Society l nc., 1 989. 1 , The American 31 Capítulo 3 Resistencia la resistencia se relaciona con el esfuerzo requerido para causar fractura y es sinónimo del grado de fal la en el que el esfuerzo aplicado alcanza su valor máximo. En las pruebas de tensión, la fractura de la pieza probada generalmente significa fal l_a; E7 n la compresión, la pieza probada se consi­ dera que ha fa l lado cuando, no habiendo señas de fractura externa visibles, el agrietamiento. interno es. .tan avanzado que el espécimen es incapaz de soportar una carga mayor sin fracturarse. Presentación La resistencia del concreto es la propiedad más apreciada por los diseñadores y por los ingenieros de control de _ cal idad. En los sól idos, existe una relación inversa funda­ mental entre la porosidad (la parte de huecos en el volumen) y la resistencia. Por consecuencia, en materiales de múlti­ ples fases como el · concreto, la poro� idad de la estructura de cada componente puede convertirse en un l ímite a la resistencia. Los ágregados naturales son generalmente den­ sos y resistentes; por lo tanto, la porosidad de la matriz de la pasta d e cemento así como la de la zona de transición entre la matriz ·y el agregado grueso� son las que general- · mente determinan las características de resistencia del con­ creto de peso normal. Aunque la relación agua/cemento es importante para deter­ minar la porosidad tanto de la matriz como de la zona de transición, y por lo tanto la resisten c ia del concreto, factores tales como la compactac ión y las condicion e s de curado (grado de hidratación del cemento), el tamaño del agregado y sus características minerales, los aditivos, la geometría de los especímenes, la . condición de humedad, el · tipo de esfuerzo y la velocidad de apl icación de la carga pueden tener también un efecto importante en la resistencia. En este capítulo, se examina en detal le la infl uencia de varios factores en la resisten c ia del concreto. Puesto que la res is­ tencia uniaxial a la comprensión es comúnmente aceptada como un índice general de la resistencia del concreto, se anal izan las relaciones entre la· resistencia a la compresión uniaxial y otros tipos de resistencias tales como las de tensión, la flexión, el cortante y la resistencia biaxiaJ. Definición La resistencia de un material se define como la habilidad para resistir esfuerzos sin fa llar. La falla se identifica algunas veces con la aparidón de grietas. Sin embargo, debe hacer­ se notar q ue a d iferencia de la mayoría de los materiales estructurales, el concreto contiene grietas finas aún antes de estar sujeto a esfuerzos externos. En el concreto por lo tanto, -� CONCRETO, estructura, propiedades y materiales . · Significado . . En el diseño del concreto y en el co n trol de la· cal idad, la resistencia es la propiedad que más gener�l mente se espe- . cifica. Esto es debido a que en comparación con la mayoría de las otras propiedades, la prueba de resistencia es relati­ vamente fáci l. Además, muchas propiedades del conm�to, tales como el módulo de elasticidad, el hermetismo al agua o impermeabi lidad, y la resistencia a los agentes ambienta­ les incl uyendo las aguas agresivas, están directamente rel a­ cionados éon la resistencia · y . pueden por lo tanto ser deducidos de los datos de resistencia. Anteriormente se hizo notar. (capítulo 1 ) que la resistencia a la compresión. del . . 1 concreto es muchas veces mayor que otros tipos de resistencia, y que una mayoría de los elementos de concreto están diseñados para aprovechar la mayor resistencia a la compresión del ·máterial. Aunque en la práctica la mayor parte del concreto es sometido simultáneamente a una combinación de esfuerzos de compresión, tensión y cortan­ te en dos o más direcciones, las pruebas a la compresión uniaxial son las más fáciles de real izar en el laboratorio y la resistencia del concreto a la compresión a los 28 días . determinada pór una prueba estándar uniaxial a la compre­ sión, se acepta universalmente como un ,índice general de la resistencia del concreto. Relación resistencia-porosidad relación inversa fundamental entre la porosidad y la resistencia de lo.s sólidos que para los En general, existe una 33 Resistencia 196 • • 1 6B o.. o ro � ¿ •O "iii o. � E o (.) � ro ro "üe: Ql iií "iii Ql a: o,8 1 40 Ql iií "iii Ql a: 56 o 1 00 ro • 96 A � g 84 Ql "O l/l 70 :::¡ o e: 56 l.() o .o • • «1 Mortero Mezcla A Mezcla B Mezcla C Ql ü " e: Ql iií "iii Ql o "'c1 0,2 28 o.. o o • 0,4 110 E •ª ro > 84 a .. ·� 0,6 � ro "ü e: 112 A Acero Acero inoxidable Yeso de Paris Alumina sinterizada Zircón 42 f A 28 a: . fe = 234 14 80 60 40 20 Capilaridad y Porosidad % o o o 20 40 Porosidad % (b) (a) 60 o o 0,2 0,4 0,6 . x3 0,8 . 1,0 Relación gel/espacio (x) (e) Figura 3-1 . Relación porosidad-resistencia en sólidos: a) Cementos curados normalmente, cementos curados en autoclave y agregados; b) H ierro, acero inoxidable, estuco, alúmina sinterizada y zircon; e) Morteros de cemento portland con diferentes proporciones de mezcla. ( (a), De G. J. Verbeck y R. A. Helmuth, Proc. Fifth lnt. Symp. on Chemistry of Cements, Tokyo, Vol. 3, págs. 1 -32, 1 968; b) De A. M. Neville, Properties of . Concrete, Pitman Publishi,ng, lnc., Marshfield, Mass., págs. 2 7 1 , 1 98 1 ; e) De T. C. Powers, J. AM. Ceram. Soc., Vol. 4 1 , No. 1 , pág. 1 -6, 1 958) La relación inversa entre porosidad y resistencia no está limitada a los productos cementantes; se aplica generalmente a una variedad muy amplia de m·ateriales. materiales homogéneos simples, puede expresarse por la fórmula: (3-1 ) en donde S es la resistencia . del material que tiene una porosidad dad.a p; So es la resistencia intrínseca a porosidad cero; y k es una constante. Para muchos materiales, la �elación S/So graficada contra la porosidad, s igue la misma curva. Por. ejemplo, los datos de la figura 3-1 a representan cementos curados normalmente, cementos curados en au­ toclave, y una variedad de agregados. En realidad, la rela­ ción resistencia-porosidad es aplicable a un rango muy amplio de materiales, tales como el fierro, el acero inoxida­ ble, el est�co, la alúmina sinterizada, y el zirconio (figura 3-1 b). P�wers 1 encontró que la resistencia a la compresión a los 28 días fe, de tres mezclas de morteros diferentes, estaba relacionada con la relación gel/espacio, o con la relación entre la hidratación de los productos sólidos en el sistema y el espacio total: · (3-2) 1 T. C. Powers, J. Am. Ceram. Soc;, Vol. 4 1 , No. · 1 , ·págs. 34 1 -6, 1 958. en donde (a) es la resistencia intrínseca del material a porosidad cero (p) y (x) la relación sól ido/espacio o : la cantidad de fracción de sól idos en el sistema, q ue es por lo tanto igual a (1 -p)� · Los datos de Powers se muestran en la figura 3-1 c; Powers encontró que el valor de (a) es 234 M Pa. La similitud de las tres curvas en la figura 3-1 , confirma la val idez general de la relación resistencia-porosidad en los sól idos. Mientras q ue en la pasta endurecida de cemento o mortero, la porosidad puede relacionarse con la resistencia, en el concreto la situación no es tan simple. La presencia de microgrietas en la zona de transición entre el agregado grueso y la matriz de la pasta de cemento hace al concreto un material demasiado complejo para predecir su resisten­ cia por medio de relaciones precisas resistencia-porosidad. La validez general de la relación resistencia-porosidad sin embargo, debe respetarse porque las porosidades de las fases componentes del concreto, incluyendo la zona de transición, se convierten sin d uda en una l imitación a la resistencia. �on un concreto que contenia agregados convencionales de baja porosidad o alta resistencia, la resistencia del mate­ rial será regida tanto por la resistencia de la matriz de la pasta de cemento como por la resistencia de la zona de CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Resistencia Figura 3-2 . Forma típica de falla del con­ creto a compresión. transición. General mente a edades tempranas, la zona de transición es más débil que la matriz, pero a edades poste­ riores, lo opuesto parece ser el caso. · Modos de falla del concreto Con un material como el concreto, que contiene espacios vacíos de varios tamaños y formas en la matriz, y microgrie­ tas ·en la zona de transición entre la matriz y los agregados gruesos, los modos de fal la bajo esfuerzo son muy comple­ jos y varían con el tipo de esfuerzo. Sin embargo, una breve revisión de los modos de fal la será útil para entender y controlar los factores que influyen en la resistencia del concreto. Bajo tensión uniaxial, se necesita relativamente menos energía para el i nicio y crecimiento de grietas en la matriz. Una propagaGión rápida y la i nterconexión del sistema de grietas, que consiste en las grietas preexistentes en la zona de transición y las grietas nuevas formadas en la matriz, son las responsables de la fal la frágil . En compresión, el modo de la fal la es menos frágil porque se necesita energía considerab. lemente mayor para formar y para expandir las grietas en la matriz. Se acepta en general que en una prueba de compresión uniaxial en el concreto de resistencia media o baja, no se inician grietas en la matriz hasta alcanzar aproximadamente 50 por ciento de la de falla; en esta fase, un sistema estable de grietas, l lamado grietas de cortante­ adherencia, ya existe en la vecindad del agregado grueso. A niveles más altos de esfuerzo, las grietas se inician dentro de la matriz; su número y tamaño aumentan progresivamenCONCRETO, estructura, propiedades y materiales te al incrementarse los niveles de esfuerzo. Las grietas en la matriz y en la zona de transición (grietas de cortante-adhe­ rencia) finalmente se _1..m e n, y por lo general se desarrolla una fal la en la superfi c ie a aproximadamente 20 a 30-0 de la dirección de la carga, como se muestra en la figura 3-2. Resistencia a la compresión y factores que la afectan · La respuesta del concreto al esfuerzo apl :cado depende no solamente del tipo de esfuerzo, sino también de cómo una combinación de varios factores afecta la porosidad de los distintos componentes estructurales del concreto. Los facto­ res incluyen las propiedades y las · proporciones de los materiales que constituyen la mezcla del concreto, el grado de compactación · y las condiciones del curado. Desde el punto de vista de la resistencia, la relación entre la relación agua/cemento y la porosidad es indudablemente el factor más importante, porque ·independienteme n te de otros fac­ tores afecta la porosidad de ambos, la matriz de la pasta de cemento y de la zona de transición entre la matriz y el agregado grueso. La determinación directa de la porosidad de los componen­ tes estructurales i ndividuales del concreto: la matriz y la zona de transición es impráctica, y por lo tanto, no se pueden desarrol lar modelos precisos para predecir la resis­ tencia del concreto. Sin embargo, en los últimos tiempos se han encontrado muchas relaciones empíricas útiles, que en forma práctica proporcionan información indirecta pero, suficiente acerca de la influencia de numerosos factores en 35 -Resistencia 49 Especfmenes de concreto sin aire incluido: cilindros de: 15 x 30 cm Cemento normal Tipo 1 42 35 ro o.. ::::::: ¿ 'º "(i) !!! a. E o <J ro ro ·o e Q) in "(i) Q) a: � C\j ro o "O Q) E •:::I .e o "O � :::i ü . la composidón y las propiedades de los materiales para elaborar el concreto se analizan en detal le en los capítulos 6 al 8, los aspectos de importancia desde el punto de vista de la resistencia del concreto serán considerados aqu í. Deberá notarse que, en la práctica, muchos parámetros del d iseño de la mezcla son interdependientes; por lo tanto, sus influencias no pueden ser separadas en la realidad. Relación agua/cemento. En 1 91 8, como resultado de prue­ bas exhaustivas en el Lewis l nstitute, U niversity of l l l i nois, Duff Abra_m s encontró que existía una relación entre la relación agua/cemento y la resistencia del concreto. Cond­ cida popularmente como la regla de la relación agua/ce­ mento de Abrams, esta relación inversa se representa por · la fórmula: 28 21 14 (3-3) 7 o 0�5 O A5 . 0,55 0,65 Relación agua/cemento en donde w/c representa la relación agua/cemento de la mezcla de concreto, y k 1 y k1 son constantes empíricas. En la figura 3-3 se presentan curvas típicas que i lustran · 1a relación entre la relación agua/cemento y la resistencia a una edad dada con un curado húmedo. Figura 3-3'. Influencia de la relación agua/cementa y de la edad de curado húmedo en la resistencia del concreto. (De: Design and Control of Concrete Mixtures, 1 3a. · Edición, Portland · Cement Association, Skokie, 11 1., 1 988, pág. 6). 40 " La resistencia a la compresión del concreto esta en función de la relación agua/cemento y del grado de hidratación del cemento. A una temperatura dada de hidratación, el grado de hidratación depende del tiempo y asf · también la resistencia. 30 (a) · la resistencia a la compresión (siendo la resistencia a la compresión ampliamente usada como un índice de todos los otros tipos de resistencia). Aunque la respuesta real del concreto al esfuerzo aplicado es un resultado de complejas interacciones entre varios factores, para simplificar y. enten­ der estos factores, se los anal iza separadamente bajo tres categorías: O O O Características y proporciones de los materiales, Condiciones de curado y Parámetros de prueba. Car�cterísticas y proporciones de los materiales Antes de hacer una mezcla de concreto, el primer paso para obtener un concreto que cumpla con la resistencia especi­ ficada, es la selección de los materiales constituyentes adecuados y la determinación de sus proporciones. Aunque 36 ro o.. '::? e 'º "(i) !!! a. E o <J ..!!! ro ro ·o e Q) in "(i) Q) a: 20 10 30 40 50 60 70 Relación é.!QUa/cemento, % 80 40 30 (b) 20 10 400 350 300 250 Contenido de cemento, kg/m3 200 Figura 3-4. Influencia de la relación agua/cemento, aire incluido, y contenido de cemento en la resistencia del concreto. (De: · eoncrete Manual, U.S. Bureau of Reclamation, 1 98 1 , y W.A. Cordon, Properties, Evaluation, and Control of Engineering Mate­ rials, McGraw-Hill Book Company, New York, 1 979). A una relación dada de agua/cemento o de contenido de cemento, el aire incluido generalmente reduce la resistencia del concreto. Para contenidos muy bajos de cemento, el aire incluido puede incrementar en realidad la resistencia. CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Resistencia Con la comprensión de los factores responsables de la resistencia de la pasta de cemento hidratáda, y del efecto de incrementar la relación agua/cemento en la porosidad a un .grado dado de hidratación del cemento (figura 2-1 O, caso B), la razón entre la relación agua/cemento y la resistencia . del concreto, pueden explicarse fácilmente como la consecuencia natural de un debilitamiento progresivo de la matriz, causado por el incremen­ to de la _" porosidad al incrementarse la relación agua/cemento. Esta explicación, sin embargo, no considera la influencia de la relación agua/cemento sobre la resistencia de la zona de transi­ ción. En el concreto de resistencia baja y media, hecho con agregado normal, tanto la porosidad de la zona de transición como la porosidad de la matriz, determinan la resistencia, y se mantiene una relación directa entre la relación agua/cemento y . la resistencia del concreto. Esto no parece ser más el caso con respecto a los concretos de alta resistencia (es decir, con una relación muy baja de agua/cemento). Para relaciones de agua/cemento abajo de 0.3, pueden lograrse altos y despropor­ cionados aumentos en la resistencia a la compresión con muy pequeñas reducciones de la relación agúa/cemento. El fenóme­ no se atribuye principalmente a una mejora significativa en la resistencia de la zona de transición a relaciones muy bajas de agua/cemento. U na de las explicaciones es que el tamaño de los cristales de hidróxido de calcio se vuelven menores con la disminución de las relaciones de agua/cemento. Inclusión de aire. En la mayoría de los casos, es la relación agua/cemento la que determina i a porosidad de la matriz de la pasta de cemento a un cierto grado de hidratación; sin embargo, cua� do los huecos de aire se incorporan al sistema, ya sea como resultado de compactación inadecuada o por el uso de un aditivo inclusor de aire, también tienen el efecto de incrementar · la porosidad y de disminuir la resistencia del sistema. A una relación dada de agua/cemento, el efecto en la resistencia a la compresión d,el concreto, por incrementar el volumen de aire incluido, se muestra en las curvas de la figura 3-4a. Se ha observado que la cantidad de pérdida de resistencia como resultado del aire incluido, depende no s¿ lamente de la relación agua/cemento de la mezcla de concreto (figura 3-4a), sino también del contenido de cemento. En resumen I como una primera aproximación, la pérdida de resistencia debida a la incl usión de aire puede relacionarse con el nivel . general de la resistencia del concreto. Los datos de la figura 3-4b muestran qué- a una relación dada de agua/cemento, los concretos de alta resistencia (con un alto contenido de cemento), sufren una considerable pérdida de resistencia al . incrementarse las ca ntidades de aire incluido, mientras que los concretos de baja resisten c ia (con un contenido bajo de cemento), tienden a sufrir sólo una pequeña pérdida de resistencia o aun a ganar alguna resistencia como resultado del aire incl uido. Este punto es de gran significado en el diseño de las mezclas de concreto masivo (capítulo 1 1 ). CONCRETO, estructura, propiedades y materiales CONCRETO fu' C\i <tt o "O Q) E •::J .s::: o "O � ::J u 35 14 7 o e: •o ·¡¡:¡ � 35 E 28 � <tt <tt 21 ·u e: 14 c. Q) iií ·¡¡:¡ Q) a: .. __ Cemento de alta resistencia inicial Tipo 111 .--.---.--� <tt o "O Q) •::J .s:: o E "O � ::J u ¿ a.. � e: •O ·¡¡:¡ � c. o u E <tt <tt º(3 � e: Q) iií ·¡¡:¡ Q) a: -n--.--.-. 7 o CONCRETO � C\i _ ,__ 21 ¿ o u 1 día 28 a.. ::::: .__ CON AIRE INCLUIDO Cemento normal Tipo 1 SIN AIRE INCLUIDO Cemento normal Tipo 1 56 49 42 35 28 21 14 7 o 56 Cemento de alta resistencia inicial Tipo 111 ....,---.-....--� ....__,... ... � � 49 42 35 28 21 14 7 o o,4 o,:s 0.6 c+1 014 o_;, o,6 011 Relación agua/cemento o,4 o,:s 0,6 011 Figura 3-5. Influencia de la relación agua/cemento, edad de cura­ do húmedo, tipo de cemento y aire incluido en la resistencia del concreto. (De: Design and Control of Concrete Mixtures, 1 l a. edición, Portland Cement Association, Skokie, 1 1 1, 1 968, pág. 44). La influencia de la relación agua/cemento y del contenido de cemento en la respuesta qel concreto al esfuerzo aplica­ do, puede expl icarse por los dos efectos opuestos causados por la inclusión de aire en el concreto. Al incrementar la porosidad de la matriz, el aire incl uido tendrá un efecto adverso en la resistencia del material compuesto. Por otra parte, al mejorar la trabajabil idad y la compactabi lidad de la mezcla, el aire incl uido tiende a mejorar la resistencia · de la zona de transición (especial mente en mezclas con bajo contenido de agua y de cemento) y así mejorar la resistencia del concreto. Parece que en un concreto con bajo contenido de cemento, cuando el aire que se i ncl uye es acompañado por una reducción importante del contenido de agua, el efecto adverso de la inclusión de aire en la resistencia de la 37 Resistencia Tabla 3-1 . Resistencia relativa aproximada del concreto aféctada·por el tipo de cemento Resistencia a la compresión del concreto de cemento portland Tipo _ 1 · ó normal) 28 días Descripción ASTM 1 día 7 días 90 días Normal o para construcción en general 1 00 1 00 1 00 1 00 11 75 . Calor de hidratación moderado y resistencia moderada a los sulfatos 90 85 1 00 1 00 1 10 Alta resistencia inicial · 111 1 20 1 90 55 Bajo calor de hidratación 75 IV 1 00 65 V 85 Resistente a los sulfatos 75 65 1 00 Fuente: Adaptado de Design and Control of Concrete Mixtures, 1 1 a. edición, Portland Cement Association, Skokie 1 1 1, 1 968. Tipo de cemento portland matriz es más que compensado por el efecto benéfico en la zona de transición. Tipo de cemento. Se debe recordar por la figura 2-1 O, que tanto la. relación agua/cemento como el grado de hidrata­ ción del cemento determinan la porosidad de la pasta de cemento hidratada. En condiciones estándar de curado, el cemento portland ASTM Tipo l l J. se hidrata más rápidamente que el cemento portland Tipo 1; por lo tanto, a edades tempranas de hidratación y a una relación dada de agua/ce­ mento, un concn�to que contenga cemento portland Tipo 1 1 1, tendrá una porosidad más baja y una resistencia más alta de la matriz, que un concreto que contenga cemento port­ land Tipo l. Las franjas de resistencia que se muestran en la figura 3:..5 fueron desarrol ladas por la Portland Cement Association�-que toma en cuenta el efecto de la reladón agua/cemento y el tipo de ce m ento en ambos concretos, los de mezclas con aire incl uido y sin aire incluido. Se establece que una mayoría de los datos de resistencia de los labora­ torios, que usan una varied ad d � materiales, cae dentro de las franjas de resistencia. Para materiales en la obra, si los datos de prueba de laboratorio o de experiencias de �egistros de campo relati­ vas a la relación entre la relación agua/cemento y la resis­ tencia no están disponibles, se recomienda que la relación agua/cemento sea estimada a partir de estas curvas, uti lizan­ do el borde inferior de la franja de resistencia aplicable. Debe hacerse notar que, a temperatura normal, las veloci­ dades de hidratación y de desarrollo de resistencia de los cementos portlánd ASTM Tipos 1 1, IV, y V, Tipo IS (ce m ento por �la n d de escoria de .a lto horno), y Tipo IP (cemento portland puzolánico), son en alguna forma menores que los del cemento portland ASTM Tipo l . A temperaturas ordina­ r ias, para diferentes tipos de cementos portland y cementos mezclados, el grado de hidratación a los 90 d ías y posterior­ mente, es generalmente similar; por lo tanto, la i,nfl uencia de la éomposidón del cemento en la porosidad de la matriz y en la resistencia del concreto está l imitada a las edades tempranás. El efecto del tipo de cemento portland en la resistencia rel�tiva del concreto a 1 , 7, 28 y 90 d ías, se 'muestra en los dato s de la tabla 3-1 . 38 (% Agregado. En la tecnología del concreto, ha . causado algu­ nos problemas el fuerte énfasis que se ha dado a la relación entre la relación agua/cemento y la resistencia. Por ejemplo, la influencia del agregado en la resistencia del concreto no es apreciada generalmente. Es verdad que la resistencia del agregado no es en general un factor en la resistencia normal del concreto, porque con la excepción de los agregados de peso l igero, la partícula del agregado es varias veces más resistente que la matriz y que la zona de tran s ición en el \ concreto. En otras palabras, con la mayoría de los agregados naturales, la resistencia del agregado es difícil mente util iza­ da porque la fal la es determinada por las otros dos fases. Sin embargo, hay caractérísticas del agregado distintas a la resistencia, como son el tamaño, la forma, _ la textura de la superficie, · la granulometría (distribución del tamaño de partículas), y tipo de mineral, que se sabe q ue afectan la resistencia del concreto en varios grados. Frecuentemente, el efecto de las características del agregado en la resistencia del concreto puede ubicarse en un cambio de la relación agua/cemento. Pero existe evidencia suficiente en la l itera� tura publ icada, de que éste no es siempre el caso. Además, por consideraciones teóricas puede anticiparse q ue, inde­ pendienterl}ente de la relación agua/cemento, el tamaño, la forma, la textura de la �uperficie y el tipo de mineral de las partículas del agregado infl uirán en las características de la zona de transición y, por lo tanto, afectarán la resistencia del co ncreto . . U n cambio e n e l tamaño máximo del agregado grueso bien graduado de un tipo de mineral dado, puede tener dos efectos opuestos en la resistencia del concreto. Con el mismo contenido de cemento y la misma consistencia, mezclas de concreto que contienen partículas más grandes de agregado requieren menos agua de mezclado que aqué­ l las que contienen agregados de menor tamaño. Por el contrario, los agregados más grandes tienden a formar zonas de transición más débiles, conteniendo más microgrietas. El efecto neto variará con la relación agua/cemento del con­ creto y con el esfuer� o aplicado. Cardan y G i l l ispie2 (figura 2W.A; Cardan y H. A. GiÜ ispie, J. ACI, Proc., Vol . 60, No. 8, págs; 1 029�50, 1 963. CONCRETO, estructura, propiedades y materiales stencia 56 49 ro o.. � ¿ • •O 'iii !E a. E o (.) ro ro 'ü e: Q) iií 'iij Q) a: NC = 0.40 42 35 28 0.70 21 o º-- 14 '--��L--�---''--'��-No. 4 9 mm 1 9 mm 38 mm 76 mm 1 52 mm agregado de tamaño máximo · ( ESC. LOG) Figura 3-6. I nfluencia del tamaño del agregado y de la relación agua/cemento en la resistencia del concreto. (De W.A. Cordon y H.A. Gillespie, J. ACI, Proc. , Vol. 60, No. 8, 1 963); · · ;eneralmente, el concreto de alta resistencia, es decir con una relación aja de agua/cemento, es afectado adversamente por el incremento del amaño del agregado. Para una relación dada de agua/cemento, el tamaño Je/ agregado no parece tener mucho efecto en Ja resistencia en el caso de :oncretos de baja resistencia, es decir con relación alta de agua/cemento. 3-6), demostraron que de la malla No. 4 a 76 mm de rango, el efecto del i ncremento del tamaño máximo del ágregado en las resistencias a la compresión del concreto a los 28 d ías fue más pronurtciada con un concreto de alta resistencia (relación agua/cemento de 0.4), y de resistencia moderada (relación agua/cemento de 0.55), que con un. concreto de baja resistencia (relación agua/cemento . de 0.7). Esto . es debido a que con bajas relaciones de agua/cemento, la porosidad red ucida,de la zon� de transición también co­ mienza a jugar . un papel importante en la resistencia del concreto. Además, puesto que las características de la zona d e transi­ ción parecen afectar la resistencia a la tensión del concreto más que a la resistencia a la compresión, es d e esperarse que en una mezcla dada de concreto, con relación ?gua/ce­ mento constante, la rela ción de resistencias tensió n/Com­ presión se i ncrementará al d isminuir el tamaño del "agregado grueso. ·.•.,. Un cambio en la granulometría del agregado, sin cambio alguno en el tamaño máximo del agregado grueso, y con una relación agua/cemento conservada constante, p uede influir en la resistencia del concreto cuando causa un CONCRETO, estructura, propiedades y materiales cambio correspondiente en la consisteñciay en las caracte­ rísticas de sangrado de la mezcla de concreto. En un .expe­ rimento de laboratorio, con una relación constante de agua/cemento de 0.6, cuando la relación de agregado gr_ue­ so/agregado fino y el contenido de cemento de una mezcla de concreto fueron elevados progresivamente para incre­ mentar la consistencia de 5 a 1 5 cm de revenimiento, hubo aproximadamente un 1 2 por ciento de d isminución en la resistencia promedio a la compresión a los 7 d ías de 23.1 a 20.3 MPa (236 a 207 kgf/cm 2 ). Los efectos de incrementar la consistencia en la resistencia y en los costos de las . mezclas de concreto se muestran en la figura 3-7. Los datos demuestra·n el significado económico de hacer mezclas de concreto de consistencia lo más rígidas posible y que sean trabajables desde el punto de vista de una compactación adecuada. Se ha observado que una mezcla de concreto que contiene una textura áspera, o agregado triturado, muestra una resistencia algo más alta (especial mente en cuanto a la resistencia a la tensión) a edades tempranas, que un concre­ to que contiene agregado suave o naturalmente desgastado de composición mineral similar. Se supone que es una adherencia física más fuerte entre el agregado y la pasta de cemento hidratada la responsable de esto. En edades tar­ d ías, cuando la interacci ó n química entre el agregado · y la pasta de cemento comienza a tener efecto� la influencia de la textura de la superficie . del agregado en la resistencia puede reducirse. Desde el punto de vista de la adherencia física con la pasta de cemento, .cuando se observa bajo un microscopio puede notarse que Lfh a partícula de apariencia suave, de grava desgastada por el tiempo, se encontrará con una aspereza y un área superfi c ial adecuadas . Adem ás, con _ un contenido dado de cemento, se necesita generalmente un poco más de agua de mezclado para obtener la trabaja­ bilidad deseada en una mezcla de concreto que contiene agregados de textura áspera; así, la poca ventaja debida a una mejor adherencia física, puede perderse en lo que resp�cta a l a resistencia total. También se sabe que las diferencias en la composición mineralógica afectan la resistencia del. �oncreto. Hay nu­ merosos informes en la l iteratura publicada que muestran que, . en condicione� idénticas, la sustitución de agregado calcáreo por agregado silicoso . dio como resultado una mejora. susta n cial e':l la resistencia del concreto. Esto tam­ bién se confirmó por los resultados de un estudio reciente en la U niver � idad de California en Berkeley. 'No sólo la disminución en el tamaño máximo del agregado grues_o (figura 3-8a), sino también una sustitución de piedra ca i iza por piedra arenisca (figura 3".'8b), mejoraron significativa­ mente la resistencia última (a los 56 d ías) del concreto. Las mezclas de concreto que se muestran en la figura 3-8, 39 Resistencia 77 Suponiendo el costo del agregado $1 O.O/ton y el éosto del cemento $60.0/ton, el costo 1 calculado para un m3 son: , f Mezcla 1 US$ 39,69 Mezcla 2 US$ 40,94 1 Mezcla 3 US$ 41.12 Prome:idio de - 5 2.5 10 7.5 municipal para beber contiene raramente sólidos en solu­ ción por encima de 1 000 ppm. 1 2.5 15 NOTA: todos los concreto tienen una relación agua/cemento: 0.60 28 (Ó a.. � ¿ •O ·¡¡; � a. E o u � (Ó (Ó 'ü e: Q) iñ ·¡¡; Q) o: 1 Mezcla 1 1 1 1 1 1 .1 21 1 - 1 l 1 1 ¡ 7 1 Mezcla 3 . - 1 1 1 Proporcionamiento de mezcla kg/m3 1 14 o Mezcla 2 Mezcla 1 Mezcla 2 Mezcla 3 Cemento 271 295 354 Agua 163 1 77 188 Arena 802 773 737 Grava 1 1 50 1 1 50 1 1 50 1 1 1 1 1 1 .I 1 1 15 10 1 2.5 7.5 . 5 Revenimiento del concreto, cm Figura 3-7; Influencia del revenimiento del concreto en la resisten­ cia a la compresión y en los costos. (Datos de experimentos de �studiantes, Universidad de Ca lifornia en B erkeley). 2.5 Para una relación dada de agua/cemento, las mezclas de concreto con revenimientos mayores tienden a sangrar y por lo tanto a dar una resisten­ cia más baja. No es efectivo económicamente el producir mezclas de concreto con revenimientos mayores que los necesarios. contenían 475 kg/m 3 de cemento portland Tipo 1, 1 1 9 kg/m 3 de ceniza volante Clase F, 1 96 kg/m 3 de agua, 1 038 kg/m 3 de agregado grueso triturado, 500 kg/m 3 d e arena natural de sílice, y 1 l itro de aditivo reductor de agua. _ Agua de mezclado. Las impurezas en el "agua util izada para mezclar el concreto, cuando son excesivas, pueden afectar no sólo a la resistencia del concreto sino también al tiempo de fraguado, la eflorescencia (depósito de sales blancas en la superficie del concreto), y la corrosión del · acero de refuerzo o del acero de presfuerzo.· En general, el agua d e mezclado raramente es un factor en la resistencia del conc��to, - porque en muchas especifica­ ciones para elaborar mezclas de: concreto, la calidad del agua está protegida por una cláusula que establece que el agua deberá ser adecuada para el consumo humano. El ·a.gua 40 Como regla, el agua no adecuada para el consumo humano no es necesariamente inadecüada para la mezcla del con­ creto. Desde el . punto de vista d e la resistencia, el agua ácida, alcalina, salada, turbia o maloliente no debería ser rechazada automáticamente. Esto es importante, porque las aguas recicladas de la minería y de m uchas otras operacio­ nes industriales pueden usarse sin peligro como aguas de mezclado para el concreto. La mejor forma de determinar lo adecuado . de un agua de comportamiento desconocido para hacer concreto, es comparar el tiempo de fraguado del cemento y la resistencia de cubos de mortero hechos con el agua desconocida, y con una agua limpia de referencia. Los cubos hechos con el agua cuestionable deberán tener a los 7 y a los 28 d ías, resistencias a la compresión iguales a o por lo menos 90 por ciento de la resistencia de los especím enes hechos con un agua l impia; además, la cal idad del agua de mezclado no deberá afectar el tiempo _ de fraguado del cemento en un grado i naceptable. El agua de mar, que contiene aproximadamente 3 5,000 ppm de sales disueltas, no es dañina para la resistencia del concreto simpl_e. Sin embargo , para concrefo reforzado o presforzado incrementa el riesgo de corrosión del acero; por lo tanto, el uso de agua de mar como agua de mezclado deberá evitarse · en estas circunstancias. Como una guía general;- desde el punto de vista de la resistencia del con­ creto, la presencia de cantidade? excesivas de algas, aceite, . sal o azúcar en el agua de mezclado deberá considerarse una señal de alarma. Aditivos. La influencia adversa de los aditivos i nclUsores de aire· en la resistencia ·del concreto ya se ha analizado. A una relación dada de agua/cemento, la presencia de aditivos reductores de agua en el concreto tiene general mente una influenda positiva en la velocidad de hidratación del ce­ mento y en el desar rollo de la resistencia inicial. Los aditivos capaces de acelerar o de retardar la hid ratación del cemen­ to, obviamente tendrán una gran infl uencia en la velocidad de adquisición de resistencia; las resistencias últimas no son afectadas significativamente. Sin embargo, m uchos investi­ gadores han señalado la tendencia hacia una resistencia última mayor del concreto, cuando la velocidad de adqui­ sición de resistencia a edades tempranas fue retardada. · Por razones ecológicas y económicas, el uso de subproduc­ tos puzolánicos y cementantes como aditivos m inerales en · el concreto se está incrementando gradualmente. Cuando son uti lizados como sustitución parcial de cemento pórt­ land, la presencia de adi tivos minerales general mente retar­ da la velocidad de adquisición de resistencia. La habil idad de un- aditivo mineral para reaccionar a temperaturas norCONCRETO, estructura, propiedades y materiales Resistencia males con el hidróxido de calcio presente en la pasta de· cemento portland hidratada, y para formar sil icatos hidrata­ dos de calcio adicionales, puede conducir a una reducción significativa én la porosidad tanto de la matriz como de la zona de transición. Consecuentemente, se pueden lograr mejoras considerables en la resistencia última y en la im­ permeabi l ida9, incorporando aditivos minerales en el con­ creto. Deberá notarse que los aditivos m i nerales son especialmente efectivos para incrementar la resistencia· ·a lá tensión del concreto. (pág. 5 1 ). · C ondiciones de curado 63 A una relación dada de agua/cemento, . la porosidad de una pasta de cemento hidratada se determina por el grado de hidratación del cemento (figura 2-1 O, caso A). En condic:io­ nes normales de temperatura, algunos de los componentes constitutivos del cemento portland comienzan a hidratarse en cuanto se agrega el agua, pero las reacciones de la hidratación se desaceleran considerablemente cuando los productos de la hidratación cubren los granos del cemento anhidro. Esto se debe a que la hidratación puede proceder satisfactoriamente sólo bajo condiciones de saturación; casi se d etiene cuando la presión del vapor de agua · en las capilaridades·cae abajo del 80 por ciento de la humedad de saturación. El tiempo y la humedad son por lo tanto factores importantes en el proceso de hidratación controlada por la difusión del agua. Además, como todas las reacciones químicas, el aumento de la temperatura tiene un efecto acelerador en las reacciones de hidrátación. . Arenisca 25 mm max 49 a. ca 42 . � .§ 35 ·e: :::> e¡¡ e -o ·a. � 70 (.) o � ca ca .ü 63 ·¡¡; 56 e (/) 2 10 La evaluación de la resistencia a la compresión con el tiempo, es de gran preocupación para los ingenieros estruc­ turistas. El I nforme del Comité ACI 209 recomienda la CONCRETO, estructura, propiedades y materiales 30 20 40 50 60 ( b) Arenisca 25 mm max Q) a: 49 42 35 o 10 20 40 . �eriodos de curado húmedo, días 50 60 Figura 3-8. Influencia del tamaño del agregado y tipo de mineral en la resistencia a la compresión del concreto. (Datos de experi­ mentos de estudiantes, Universidad de California en Berkeley). Para una relación dada de agua/cemento y un contenido de cemento dado, la resistencia de/concreto puede ser afectada significativamente por la selección de tamaño y tipo de agregado. . siguiente fórmula para · concreto hecho con cemento port­ land normal (ASTM Tipo 1) c urado con humedad a 23 ºC : f cm ( t ) Tiempo. Debe hacerse notar que en las relaciones tiempo­ resistencia en la tecnología del concreto, generalmente se asumen condiciones de curado húmedo y temperaturas normales. A una. relación agua/cemento dada, cuanto más grande sea el período d e curado húmedo, mayor será la resistencia (figura 3-3), suponiendo que la hidratación de las partículas de cemento anhidro se está aún l levando a cabo. En elementos delgados de concreto, si se pierde el agua por la evaporación de las capilaridades y prevalecen las condiciones de curado en aire, la resistencia no se incrementará con el tiempo, (figura 3-9). Arenisca 1 O mm max 56 E o El término curado del concreto se refiere a los procedimien- · tos dedicados a promover la hidratación del cemento, que consisten en el control del tiempo, la temperatura y las condiciones de humedad, inmediatamente después de la colocación de una mezcla de concreto en la cimbra. (a ) � f '" ( 4+ o'.as t ) . (3-4) Para especímenes de concreto curados a 20 ºC, los Modelos del Regl a mento CEB-F I P (1 990), sugieren la siguiente fór­ mula: . f c m ( t ) = ex · tr ( -( . �]112 s 1 . tlt� ).] fcm ' (3-5) en donde f�m (t) = resistencia promedio a la compresión a t d ías fcm = resistencia promedio a la compresión· a 28 d ías s = coeficiente dependiendo del tipo de cemento; tal como s = 0.20 para cementos de alta resistencia inicial; 41 Resistencia 150 --------. / � -- - - - - - - - - - - al aire todo el tiempo 25 I o u..L..-L----"---' 37 28 90 Edad, días 180 Figura 3-9. Influencia de las condiciones de curado en la resistencia. (De: Concre­ te Manual, Ba. edició�, U. S. Bureau of Reclamation, 1 98 1 ) La edad del curado no tendría efecto be­ néfico alguno en la resistencia del concre­ to, a menos que el curado se lleve a cabo en presencia de humedad. s = 0.25 para cementos de endurecimiento normal; s 0.38 para cementos de endurecimiento lento tl = = 1 día. Humedad. La influencia del curado húmedo en la resisten­ cia del concreto es obvia según los datos de la figura 3-9, que muestran que después de 1 80 días a una relación dada de agua-cemento, la resistencia del concreto continuamente curado por humedad fue tres veces mayor que la resistencia del concreto continuamente curado en el aire; Además, y probablemente como resultado del microagrietamiento en la zona de transi c ión causado por la retracción de secado, ocurre un l igero retroceso de la resistencia en elementos delgados de concreto curado con humedad, cu ando son sujetos al secado en aire. La velocidad de pérdida de agua del concreto inmediatamente después de su colocación, depende no solamente de la relación superficie/volumen del elemento de concreto, sino también de la temperatura, la humedad relativa y la velocidad del aire circundante. Un período mínimo de 7 días de cúrado húmedo se reco­ mienda general mente para concreto que contiene cemento portland normal; obviamente, para concretos que contie­ nen ya sea cemento portland mezclado o un aditivo mine­ ral, sería deseable un período de curado más largo para asegurar la contribución a la resistencia por la reacción puzólánica. El curado húmedo se provee por rociado o por encharcamiento, o cubriendo la superficie del concreto co n arena mojada, aserrín mojado o capas de algodón mojadas. Puesto _que la cantidad de agua de mezclado utilizada en una mezcla de concreto es generalmente mayor a la nece­ saria para la hidratación del cemento portland (estimada en 30 por ciento por peso del cemento), la ap ficación de una membrana impermeable inmediatamente después de la colocación del concreto, proporcio n a una forma aceptable de mantener el proceso de la hidratación del cemento y de 42 asegurar un ritmo satisfactorio de desarrol lo de la resistencia del concreto. Temperatura. Para concreto curado con humedad, la i n­ fluencia de la temperatura en la resistencia depende de la historia de tiempo-temperatura del colado y del curado. Esto puede i lustrarse con ayuda de tres casos: concreto colado y curado a la misma temperatura, concreto colado a diferentes temperaturas pero curado a temperatura nor­ mal, y concreto colado a temperatura normal pero curado a diferentes temperaturas. En el rango de temperaturas de 4 a 46 ºC, cuando el concreto es colado y curado a una temperatura específica constante, se observa generalmente que hasta los 28 d ías, a mayor. temperatura es más rápida la hidratación del ce­ mento y la adquisición de resistencia que resulta de el lo. De los datos de la figura 3-1 Oa, es evidente q ue la resistencia a los 28 d ías de especímenes colados y curados a 40ºC, fue aproximadamente 80 por ciento de la de aquéllos colados y curados de 21 a 46°C. A edades posteriores, cuando las diferencias en el grado de hidratación del cemento fueron reducidas, tales diferencias en la resistencia del conereto no fueron sostenidas. Por otra parte, como se exp lica más adelante, se ha observado que a mayor temperatura de colado y curado, menor será la resistencia últi ma. Los datos de la figura 3-1 Ob representan una historia dife­ rente de tiempo-temperatura para colado y curado. La tem­ peratura de colado (por ejemplo, la temperatura d urante las dos primeras horas después de hacer el concreto) fue . varia­ da entre 4 y 46°C; de al 1 í en adelante, todos los . concretos fueron curados con humedad a una temperatura constante de 2 1 °C. Los datos muestran que las resistencias ú ltimas (a 1 80 días) del concreto colado a 4 o 1 3ºC fueron más altas que las de los colados a 2 1 , 29, 38 o 46°C. De estudios micróscopicos, muchos investigadores han concl uido que, CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Resistencia 100 90 � (/) "O (/) co o C\J "O (.) ro � º :::i .,.... ro o C\J ro - g <11 Q) Q) Q) e: ro ·- - •*� ·ü� · :B � � � a.. 80 � ¿ •O 70 "O 60 NC = 0.50 . Datos de la mezcla 50 � 3 357 (b) Contenido de cemento .. kg/m Porcentaje de arena Contenido de aire: sin aire incluido Cemento Tipo 11 40 sellaron y mantuvieron a la 3 5 7 42 o 35 · � ro ro "ü 21 y se mantuvieron a las temperaturas indicadas Nota: Los especímenes se colaron, sellaron 28 por 2 horas, después fueron almacenadas a 21 ºC hasta que se probaron 21 temperatura indicada 14 Edad, días 3 E o e: Nota: Los especímenes se colaron, . 1 a. Q) ¡¡¡ "iñ Q) a: Agregado River Platte 10 o 49 . "iñ = 357 de cemento kg/m Contenido de aire: sin aire incluido Porcentaje de arena 40 Cemento Tipo 11 ro 2 Q) (/) - 30 a> E o Q) o � o 20 -o _� 0.53 Ñg Contenido Datos de la mezcla 56 14 28 o 7 28 90 Edad, dlas 1 80 Nota: Los especímenes se colaron a 21 • e y 120 se mantuvierion a 21 •e por 6 horas, después 100 indicadas, NC = 0.53 se almacenaron en sus moldes a las temperaturas 21 ºC 20 -9ºC o 1 3 7 14 21 Edad, días 28 Figura 3-1 o . Influencia de las temperaturas de colado y de curado en la resistencia del concreto. (De: Concrete Manual, U. S� Bureau of Reclamation, 1 975) El colado del concreto (colocación) y las temperaturas de curado controlan el grado de hidratación del cemento y a�f tienen una importante influencia ery la velocidad de desarrollo de la resistencia así como en la resistencia última. con curados a baja temperatura, una microestructura relati­ vamente más uniforme de la pasta de cemento hidratada · (especialmente la distribución del tama�o de los poros), es responsable para una resistencia más alta. Para concretos colados a 21 ºC, y subsecuentemente cura­ dos a d iferentes temperaturas por abajo del congelamiento y hasta 2 1 ºC, el efecto de la temperatura de curado en la resistencia · se muestra en la figura (3-1 0c). En general; a menor temperatura de curado, menores las resistencias de hasta 28 d ías. A una temperatura de curado cercana al congelamiento (0.6ºC), la resistencia a los 28 d ías fue aproximadamente la mitad de la resistencia del concreto curado a 2 1 ºC; difícilmente se desarrolló alguna resistencia a temperatura de curado por abajo del congelamiento (-9ºC). Puesto que las reacciones de la hidratación de los compuestos del cemento portland son bajas, parece que los niveles adecuados de las temperaturas deben mantenerse durante un tiempo su ficiente para proporcionar la necesaria energía de activación para las reacdones. CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Esto permite el proceso de desarrol lo de la resistencia, que está asociado con el l lenado progresivo de los huecos con productos de la hidratación para proceder sin obstáculos. · La influencia de la historia del tiempo-temperatura en la resistencia del concreto tiene varias aplicaciones importan­ tes en la práctica de la construc.ción con concreto. Puesto que la temperatura de curado es mucho más importante para la resistencia que la temperautra de colocación, el concreto ordinario colocado en cl ima frío debe mantenerse por encima de cierta temperatura m ínima durante un tiempo suficiente. · El concreto curado en el verano o en un clima tropical puede esperarse que tenga una resistencia temprana mayor, pero una resistencia última menor, que el mismo concreto curado en invierno o en un clima más frío. En la industria de los productos de concreto precolado, el curado con vapor se util iza para acelerar el desarrol lo de la resistencia y lograr una liberación más rápida de los moldes. 43 Resistencia Altura del cilindro = 2 diámetros � 1 05 cii > Figura 3-1 1 . Influencia del diámetro del espécimen en la resistencia del concreto cuando la relación longitud/diámetro es igual a 2. (De: · Concrete Manual, U. S. Bureau ofReclamation, 1 975 págs. 574-75. :; � 95 ca ·e:; e G.> - .¡ G.> a: 85 o 10 20 30 50 Diámetro del cilindro ; cm 40 En elementos masivos, cuando no se toman medidas para el control de la temperatura, durante largo tiempo la tem­ peratura del concreto permanecerá a i;iivel mucho más alto que la temperatura del ambiente. Por lo tanto, en comparación con la resistencia de especí­ menes curados a la temperatura normal del laboratorio, la resistencia del concreto i n situ será más alta en las edades tempranas y menor a edades posteriores. Parámetros de prueba No siempre se aprecia que los resultados de las pruebas de la resistencia del concreto sean afectados significativamente por los parámetros que invol ucran a los especímenes de prueba y a las condiciones de carga. Los parámetros de los especímenes i ncluyen la i nfluencia del tamaño, la geome­ tría y el estado de humedad del concreto; los parámetros de carga incluyen el nivel y la duración del esfuerzo y la velocidad a la cual se aplica el esfuerzo. Parámetros de los especímenes� En los Estados U nidos, el 1 espécimen estandár para probar la resistencia a la compre­ sión del concreto, es un ci l indro de 1 5x30 cm. Mientras se ma n tenga la relación altura/diámetro igual a 2, si una mezcla de concreto es probada a compresión con especímenes cil índricos de variados diámetros, se observará que a mayor diámetro, menor será la resistencia. Los datos de la figura 3-1 1 , muestran que en comparación con los especí­ menes estándares, la resistencia promedio de ci l indros de 5x1 O cm, y de 7 .5x1 5 cm, fue de 1 06 y 1 08 · por ciento respectivamente. Cuando el d iámetro es incrementado más allá de los 45 cm, se observa una reducción mucho menor en la resistencia. Tales variaciones en la resistencia co n la variación del tamaño del espécimen son esperadas, debido 44 60 70 80 90 La geometría del espécimen puede afectar los datos de prueba del. laboratorio en Ja resistencia del concreto. Las resistencias de especímenes cilíndridos con una rela­ ción de esbeltez (UD) por encima de 2, o con un diámetro mayor de 30 cm, no . tienen mucha influencia por los efectos del tamaño. al creciente grado de homogeneidad estadística en especí. menes grandes. El efecto del cambio en la geometría del espécimen (rela­ ción altura/diámetro) en la resistencia a la compresión del concreto se muestra en la figura 3-1 2. En general, a mayor relación de la altura del espécimen con su d iámetro, menor será la resistencia. Por ejemplo, en comparación con la resistencia de especí­ menes estándar (relación altura/diámetro igual a 2), los especímenes con la relación altura/diámetro igual a 1 , mostraron aproximadamente u n 1 5 por ciento d e resistencia mayor. Puede ser de interés el señalar que se ha evaluado la resistencia d e l concreto basada en el cubo de prueba están­ dar de 1 5 cm, que prevalece en Europa, como 1 O a 1 5 por ciento más alta que 1.a résistencia del mismo concreto probado de acu_erdo con la práctica estándar de los Estados U nidos (cil indros de 1 5x30 cm). Debido a la i nfluencia del estado de humedad en la resis­ tencia del concreto, el procedimiento estándar requ iere que los especímenes estén en una condición h úmeda en el momento de la prueba. E n pruebas de compresión se ha observado que los esp ecímenes secados al aire muestran de 20 a 25 por ciento más alta resistencia que los especímenes correspondientes probados en condiciones de saturación. La menor resistencia del concreto saturado se debe prob­ ablemente a la existencia de la presión separadora dentro de la pasta de cemento. Condiciones de carga. La resistencia a la compresión del concreto es medida en el laboratorio por una prueba ·de compresión uniaxial (ASTM C 469), en la que la carga es incrementada progresivamente hasta la fal la del espécimen dentro de los 2 o 3 minutos. En la práctica, la mayoría de · CONCRETO, estructura, propiedades y mate�iales Resistencia C\I 11 o :::i Promedio de las pruebas de G.W. Hutchinson y otros, editado en el Boletín 1 6, Instituto Lewis, Chicago 1 80 e: o � e "'O � ·u Q) "'O C1:I ·u e: Q) 1ií "iii Q) a: Edad de los especímenes, 28 días 1 60 1 40 1 20 100 Figura 3-1 2. Influencia de variar la relación longitud-diámetro en la re­ sistencia del concreto. (De: Con­ crete Manual, U . S. Bureau of Reclamation, 1 975, págs. 574-75). 8 0 '--�...l.-..�-'-�---'��-'-�--L-�__._��-----' o 0.5 1 .0 1 .5 2 .0 2.5 3.0 3.5 4.0 UD. Relación de longitud / diámetro del cilindro los elementos estructurales están sujetos a una carga muerta por un período indefinido, y a veces, a cargas repetidas o a cargas de impacto. Es deseable por lo tanto, saber la relación entre la resistencia del concreto en éondiciones de prueba de laboratorio y en condiciones reales de carga. · El compor­ tamiento del concreto en varios estados de esfuerzo, se describe en la siguiente sección. De esta descripción se puede concl uir que la condición de carga tiene una influen­ cia importante en la resistencia. Para apreciar de un vistazo la compleja red de los numerosos factores capaces de influir 1 PARÁMETROS DEL ESPECIMEN Dimensiones Geometría Estado de h umedad en 'ª resistencia del concreto, se ' presenta un resumén en la · 3-1 3 . figura Comportamiento del concreto en varios estados de esfuerzo En el capítulo 2 se estableció que aún antes de que cualquier carga sea aplicada, existe un gran número de microgrietas en la zona de transición (es decir, la región entre la matriz 1 RESISTENCIA DEL CONCRETO · 1 RESISTENCIA DE LAS FASES COMPON ENTES 1 L-. AL �����-A� �����-A�L--' POROSI DAD DE LA MATRIZ Relación agua /cemento Aditivos mi nerales Grado de hidratación Tiempo d e curado, temperatura y humedad Conte nido d e aire A i re atrapado Aire incluido 1 POROS IDAD DEL AGREGADO 1 PARÁMETROS DE CARGA Tipo de esfuerzo Velocidad de apl icación del esfuerzo POROSI DAD DE LA ZONA DE TRANSICIÓN Rela c ión agua /cemento Aditivos minerales Características del sangrado: Granulometría del 'agregado, Tamaño máximo y geometría Grado de compactación Grado de hidratación Tiempo de curado, temperatura y humedad I nteracción química e ntre el agregado y la pasta de cemento Figura 3-1 3 . I nterrelaciones de los factores que influyen en la resistencia del concreto. CONCRETO, estructura, propiedades y materiales 45 Resistencia crl f� ul f� 1 ,0 Esfuerzo crítico Deformación Lateral -... Límite de proporcionalidad · Deformación axial (a) Deformación volumétrica (b) Figura 3- 1 4. Curvas típicas de esfuerzo a la compresión comparados con a) Deformación axial y lateral, y b) Deformación volumétrica. (De: W.F. Chen, Plasticity in Reinforced Concrete, McGraw-Hill Book Company, 1 982, pág. 20) de la pasta de cemento y el agregadó grueso). Esta caracte­ rística de la estructura del concreto juega un papel decisivo para la determinación del comportamiento del material bajo varios estados de esfuerzo que se analizan a continuación. Comportamiento del concreto bajo compresión uniaxial El comportamiento de esfuerzo-deformación del concreto sujeto a compresión uniaxial se analizará en detalle en el capítulo 4; aqu í solamente se presenta un resumeri. La curva esfuerzo-deformación (figura 3-1 4a), muestra un comporta­ miento l ineal-elástico de hasta 30 por c iento de la resisten­ cia última (f 'e), porque bajo carga a corto plazo, las microgrietas en la zona de transición permanecen inafecta­ das. Para esfuerzos por arriba de este punto, la curva muestra un incremento gradual en su cürvatura desde apro­ ximadamente 0.75 f 'c a 0.9 f 'c, después se dobla fuerte­ mente (volviéndose casi p lana en la parte superior), y finalmente desciende hasta que el espécimen se fractura. Por la forma de la curva esfuerzo-deformación, parece que para un esfuerzo de entre 30 a 50 por ciento de f 'c, las microgrietas en la zona de transición muestran algún au­ mento debido a las concentraciones de esfuerzo en las puntas de las grietas; sin embargo, no ocurre ningún agrie­ tamiento en la matriz del mortero. Hasta este punto, la propagación de la grieta se supone ser estable, en el sentido de q ue las longitudes de las grietas alcanzan rápidamente sus valores finales si el esfuerzo apl i cado se mantiene constante. Para un esfuerzo de entre 50 a 75 por ciento de f'c, el incre m ento en el sistema de grietas tiende a ser 46 inestable en cuanto las grietas de la zon a de transición comienzan a crecer de nuevo. Cuando la energía i nterna disponible excede a la energía requerida de l iberación-grie­ ta, la velocidad de la propagación de la grieta aumentará y el sistema se vuelve inestable. Esto sucede a esfuerzos de compresión por encima de 75 por ciento de f 'c; la fractura completa del espécimen de prueba puede ocurrir cuando se puentean las grietas del mortero y de la zona de transición. El nivel de esfuerzo de aproximadamente 75 por ciento de f 'c, que representa el primer impu lso de la propagación inestable de las grietas, es l lamado esfuerzo crítico; 3 el esfuerzo crítico también corresponde al valor máximo de la deformación vol umétrica (figura 3-1 4b). En esta figura se puede notar que cuando la deformación vol umétrica ev = el + ei + e3 se grafica contra el esfuerzo, el cambio i nicial en vol umen es casi l ineal hasta aproximadamente 0.75 f 'c; en este punto, la dirección del cambio de vol umen es revertida, resultando en una expansión vol umétrica cercana o igual a f 'c . Por encima del n ivel de esfuerzo crítico, el concreto muestra una fractura dependiente del tiempo; es decir, en condicio­ nes sostenidas de esfuerzo, el puenteo de las grietas entre la zona de transición y la matriz conducirá a la fal la a un nivel de esfuerzo que es menor que la resistencia f 'c a la carga de corto plazo. En una investigación registrada por Price,4 cuando el esfuerzo sostenido fue de 90 por ciento del esfuerzo último de corto plazo, la fal la ocurrió en una hora; sin embargo, cuando el esfuerzo sostenido fue de 3W.F. Chen, P/asticity in Reinforced Concrete, McGraw-Hill �ook Co., págs. 20-2 1 , 1 982. 4 W.H. Price, J. ACI, Proc., Vol. 47, págs. 41 7-32, 1 95 1 . CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Resistencia � o o e: o o Q) "'O e hO 0 18 "'O � ·u Qi "'O <ti ·u e: o,s Q) ¡¡; ·¡¡¡ !!? � o 0,4 Q) ::J 'iñ Q) Q) "'O e: -o ·u 0J 2 <ti Qi a: o �� - . ri;" �Ítl}.· I I O rnj_ '�'&::;:ª!!...'�''q.....__ _ o -I \== - -- � � -- --·--=-.. 9.. 7> . Ec I - - -- . 1 _,_ o\-a� - ' I ___ _ __...,.. I // '-/�....... ' ......- -) � �� I / / " �.,..... ....... ; >.. 1 1' ; , 11 / • ,,,,,. ,,,,,. /¡ V ....1. I I 't ' JI/ / / / / / 1// // / /'Y __ Límite de flujo t = tiempo bajo carga / 20 40 .60 80 1 00 Deformación unitaria del concreto F ig u ra 3-1 5. Relación entre las resistencias a la carga en corto plazo y largo plazo. (De: H. Rusch. J. ACI, Proc. Vol. 57 No. 1 , 1 960) La resistencia última del concreto también es afectada por Ja velocidad de carga. Debido al microagrietamiento progresivo con cargas sostenidas, un concreto fallará a menor esfuerzo que el esfuerzo inducido por una carga instantánea o de corto plazo normalmente utilizada en el laboratorio. aproximadamente 75 por ciento del esfuerzo último a corto plazo, tomó 30 años en fallar. Cuando el valor del esfuerzo sostenido se aproxima al del esfuerzó último de corto plazo, el tiempo para la fal la disminuye. Rusch 5 confirmó esto en sus pruebas de resistencia en especímenes de concreto a la compresión a 56 d ías de edad, y 34 MPa. Se encontró el l ímite de la fal l a a largo plazo de 80 por ciento aproxima­ damente del esfuerzo último a corto plazo (figura 3-1 5). En relación con el efecto de la velocidad de aplicación de la carga en la resistencia del concreto, se informa general­ mente que a velocidad más rápida de aplicación de la carga, más alto es el valor de la resistencia observada. Sin embar­ go, Janes y Richart6 encontraron que dentro del rango de las pruebas de costumbre, el efecto de la velocidad de aplicación de la carga en la resistencia no es grande. Por ejemplo, en comparación con los datos de la prueba están­ dar de compresión (ASTM .C 469), que requiere que la velocidad de aplicación de la carga de compresión uniaxial sea de 0.24 MPa/seg (2.46 kgf/seg), una velocidad de apl i­ cación de la carga de 0.007 MPa (0.07 kgf/cm 2 ) redujo la resistencia indicada de los cil indros de concreto de 1 5x30 cm en aproximadamente 1 2 por ciento; por otra parte, una velocidad de apl icación de la carga de 6.9 MPa (70.3 5 6 H. Rusch, J. ACI, Proc., Vol. 57, págs. 1 -28, 1 960. P.G. Jones y F.E. Richart, ASTM Proc., Vol. 36, págs. 380-91, 1 936. CONCRETO, estructura, propiedades y materiales kgf/cm 2 ) incrementó la resistencia indicada en una cantidad igual. Es interesante resaltar aqu í que la resistencia al impacto del concreto se incrementa grandemente. con la velocidad a la cual se apl ica el esfuerzo de impaéto. Generalmente se supone que la resistencia al impacto está directamente relacionada con la resistencia a la compresión, puesto que ambas son afectadas adversamente por la presencia de microgrietas y huecos. Esta suposición no es completamen­ te correcta; para la misma resistencia a la compresión, Green 7 e n contró que la resistencia al impacto se incremen­ tó sustancialmente con la angularidad y aspereza de la superficie del agregado grueso, y dismin u yó con el incre­ mento del tamaño del agregado. Parece que la resistencia al impacto es más influida por las característi cas de la zona de transición que la resistencia a la compresión, y por lo tanto, está más íntimamente relacionada con la resistencia a la tensión. El Reglamento Modelo CEB-F I P (1 990) recomienda que el incremento en la resistencia a la compresión debida al impatto, con velocidades de aplicación de la carga menores de 1 0 6 MPa/seg., se calcule util izando la fórmula: f c,imp / fcm = ( ala o ) a 5 (3-6) 7H.Green, Proceedings /nst. Os. Civil Engineers (London) Vol. 28, No. 3 págs 383-96, 1 964. 47 Resistencia Compresión � o Q) :J 1ii w Figura 3 - 1 6. Respuesta del con­ creto a carga uniaxial repetida. (Adaptado de: P. Karson y J. O. Jirsa, ASCEJour. Str. Div., Vol. 95, · No. ST1 2, Paper 6935, 1 969). Deformación en donde fc,imp es la resistencia a la compresión por impac-:­ to, fcm la resistencia a la compresión del concreto, cro = -1 .0 MPa/seg., cr es la velocidad del esfuerzo de impacto, y as = 1 /(5 + 9 fcmlfcmo) , y fcní o = 1 O MPa. Ople y Hulsbos8 i nformaron que la carga repetid� o la carga cíclica tiene un efecto adverso en la resistencia del concreto a niveles de esfuerzo mayor del 50 .por ciento de f'c. Por ejemplo, en 5000 ciclos de carga repetida, el conc�eto falló al 70 por ciento de la última resistencia 'a carga monotónica. El agrietamiento progresivo en la � ona de transición y en la matriz es el responsable de este fenómeno. El comportamiento típico del concreto simple sujeto a carga cíclica de compresión se muestra en la figura 3-1 6. Para niveles de esfuerzo entre 50 y 75 por ciento de f'c, ocurre una degradación gradual tanto en el módulo de elasticidad como en la resistencia a la compresión. Al aumentar el número de ciclos de carga, las curvas de descarga muestran trazos no l ineales, y se forma un lazo caracterí�tico de histeresis al re-cargar. Para niveles de esfuerzo de aproximadamente 75 por ciento de f'c, las curvas de descarga-re-carga muestran fuertes trazos no l i­ neales (es decir, la propiedad el ástica del material se ha deteriorado. grandemente). Comportamiento del concreto bajo tensión uniaxial La forma de la curva de esfuerzo-deformación, el módulo de elasticidad y la relación de Poisson del concreto bajo tensión uniaxial son similares a aquéllos bajo compresión uniaxial. Sin embargo, hay algunas d iferencias importantes en el comportamiento. Cuando el estado de esfuerzos de la tensión uniaxial tiende a detener las grietas con mucho menor frecuencia que los estados de esfuerzos a la compre­ sión, el i ntervalo de propagación estable de grietas se espera que sea corto. Explicando el comportamiento a la fractura relativamente frágil de las pruebas de concreto a tensión, Chen explica: la dirección de la propagación de la grieta en tensión uniaxial es transversal a la dirección del esfuerzo. la iniciación y el crecimiento de cada nueva grieta redu cirá el área disponible soportante de la carga, y esta reducción causa un incremento en los esfuerzos en las puntas críticas de las grietas. la frecuencia disminuid� de las interrupciones de la grieta, significa que la falla en tensión. es causada por unas pocas grietas puente y no por numerosas grietas, como lo es para estados de esfuerzo a la compresión. Como una consecuencia de la rápida propagación de la grieta, es difícil seguir la parte descendente de la curva de esfuerzo-deformación en una prueba experimenta 1 . 1 0 • Al inicio, el área del lazó de histeresis disminuye con cada ciclo sucesivo, pero finalmente se incrementa antes de la falla por fatiga. 9 La figura 3-1 6 muestra que la curva esfuer­ zo-deformación para cargas monotónicas sirve como una envoltura razonable para los valores pico de esfuerzo para el concreto bajo carga cíclica. 8 F.S. Ople y C.L. Hulsbos, J. ACI, Proc., Vol. 63, págs. 59-81, 1 966. W.F. Chen, Plasticity in Reinforced Concrete, McGraw-Hill Bo�k Co., pág. 23, 1 982. 9 48 La relación entre la resistencia a l a tensión u niaxial y la resistencia a la compresión es general mente del . rango de 0.07 a 0.1 1 , debido a la facil idad con la q ue las grietas se püeden propagar bajo un esfuerzo a tensión, esto no es sorprendente. Por lo tanto, la mayoría de los elementos pe concreto son diseñados bajo la suposición de que el con­ creto deberá resistir los esfuerzos a compresión pero no a 10 1bid., pág. . CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Resistencia Carga Barra de acero suplementaria . Triplay 3 x 25 mm 1------i� ,....,...,..,.-r"r'"r-r-T""+o. . ¡·• Cilindro de concreto de 1 5 x 30 cm Plano de 1ª.!La_d.e .tensión '. Estructura rígida para carga Placa base di? la · máquina de prueba � Base de la · máquina de prueba . 1 Tr.nsión Compresión o o ·� c. ::::J U) CI> t:: n:s c. ..!!! CI> 'O � 0/3 e: "* .§ n:s t:. � 0/6 u Qj CI 'O 20/3 2 - Compresión _,,,, __ de esfuerzó 1, ;· Eje neutro �� ·" ' '" o Longitud del claro Distribución real de esfuerzo � �� � � 0/2 o Supuesta distribución "'" ,, - � ·n:sg CI>� 50/6 .11 � 1--- 2 4 ,, 6 8 10 1 2 14 Esfuerzo x n LD/2P 16 1 8 20 Tensión (a) (bl Figura 3-1 7. a) Prueba de tensión por compresión diametral (ASTM C 496): Arriba, arreglo gráfico de la prueba; abajo, distribución del esfuerzo a través del diámetro de un cilindro cargado y comprimido entre dos placas. b) Prueba de flexión con carga en los tercios del claro (ASTM C 78): arriba, arreglo gráfico de la prueba; abajo, d istribución del esfu.erzo a través del peralte de una viga de concreto bajo flexión. ., los de tensión. Sin embargo, los esfuerzos a la tensión no pueden ser ignorados completamente, porque el agrieta­ miento del concreto es con frecuencia el resultad o de una fal la por tensión causada por una retracción restringida; la retracción general mente se debe ya sea a la disminución de la temperatura del concreto o al secado del concreto húme­ do.· Igualmente, una combinación de esfuerzos de tensión, : compresi ó n y cortante, generalmente d etermina la resisten� cia . cuando el concreto está sujeto a cargas de fi 'exión, tales ' . co m o en los pavimento s de lás carretera{ . . En el análisis que antecede sobre los factores que afectan la resistencia a la compresión del concreto, se supone que la resistencia a la compresión es un índice adecuado para Tabla 3-2. Relación entre las resistencias por compresión, flexión y a la tensión del concreto Resistencia del concreto kgf/cm2 Compresión 70 ' 1 40 210 . 280 350 420 490 560 630 Módulo de ruptura Tensión 8 14 -19 25 28 32 . 37 41 44 Fuente: W. H. Price, /. ACI, Proc., Vol. 47, pág. 429, 1 951 . 16 27 34 41 47 54 . 60 65 · 71 CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Módulo de ruptura a la resistencia a la compresión 23 19 16 15 13 13 12 12 11 Relación (%) · Resistencia a la tensión a la . iésistencia a la compresión Resistencia' a la· tensión al módulo de ruptura 11 10 9 9 8 8 :7 7 7 50 52 55 61 60 61 61 · 63 62 · · 49 Resistencia 42 CONCRETO C 35 28 cu a. :? c5 Q) .a (1) w · t:! 21 Proporcionamiento de la mezcla y propiedades de concretos sin aire incluido B e Mezcla No. A Relación agua/cemento 0.68 0.57 0.48 Revenimiento, cm 1 7.5 17 16 40 30 23 (e, MPa· 2.6 3.0 f st, MPa 3.5 t'st dc, MPa 0.1 1 0.1 0 0.09 * Información no publicada, datos experimentales de estudiantes de la Universidad de California en Berkeley 14 Deformación , x. 1O 25.00 -6 Figura 3 - 1 8. Influencia de la relación agua/cemento en los esfuerzos de tensión y de compresión. todos los tipos de resistencia, y que por lo tanto, una relación directa debe existi� entre la resistencia a la compre­ sión y la resistencia a la tensión o flexión de un concreto dado. Mientras que como una · primera aproximación la suposi­ ción es valedera, este no puede ser siempre el caso. Se ha observado que las relaciones entre varios tipos de resisten­ cias, . �stán . infl uidas por factores tales como los métodos por los que se mide la resisten�ia a la t�nsión (como la prueba directa de tensión, la prueba de tensión por compresión diametral o la prueba de flexión), la calidad del concreto (cómo de resistencia baja, media ·o alta), las características del agregado (como la textura de la superficie y el tipo de mineral del que proviene) y los aditivos en ·el concreto (como los inclusores de aire y los aditivos minerales). Métodos de prueba· para la resistencia a la· tensión. Las pruebas directas de tensión del concreto raramente se real i­ zan, princi_ palmente porque los dispositivos para sujetar los especímenes introducen esfuerzos secundarios que no pueden ser ignorados. Las pruebas más comúnmente usadas para estimar la resistencia a la tensión . del concreto son la prueba de tensión por compresión diametral ASTM C 496, y la prueba de flexión con carga en los tercios del claro ASTM C 78 (figura 3-1 7). . . , ' En la prueba a la tensión por compresión diametral, un cilindro de concreto de 1 5x30 cm es sujeto a cargas de compresión a lo largo de dos l íneas axiales que son diame­ tralmente opuestas. La carga es aplicada continuamente a 50 una velocidad constante dentro del rango del esfuerzo de tensión por compresión diametral de 0.69 a 1 .28 MPa (70 a 1 3.0 kgf/cm 2) hasta que el espécimen fal le. E l esfuerzo a la compresión produce un esfuerzo transversal de tensión por compresión diametral que es u niforme a lo largo del diámetro vertical . La resistencia a la tensión por compresión diametral se calcula con· la fórmula: T = 2.f_ 1t Id (3-7) en donde T es la resistencia a la tensión por compresión diametral, P es la carga en la fal la, l la longitud y d el diámetro del espécimen. En comparación con la prueba de tensión directa, la prueba de tensión por compresión dia­ metral se sabe que sobreestima la resistencia a . la tensión del concreto en 1 O a 1 5 por ciento. En la prueba de flexión con carga en los tercios del claro, una viga de concreto de 1 5 por 1 5 por 50 cm es cargada a u na ve l ocidad de 0 . 9 a 1 .2 M Pa/m i n ( 1 . 2 a 1 2 .3 kgf/cm 2/min). La resistencia a la flexión se expresa en términos del módulo de ruptura, que es el esfuerzo máximo a la ruptura calculado con la fórmula de flexión: R = .!:!:._ b d2 (3-8) . en donde R es el módulo de ruptura, P es la carga máxima indicada, L es la longitud del claro, b es el ancho, y d es el peralte del espécimen. La fórmula es vál ida solamente si la fractura en la superficie de tensión está dentro del tercio CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Resistencia medio de la longitud del claro. Si la fractura está fuera pero no más de 5 por dento de la longitud del claro, se usa una fórmula mod ificada: R = 3 Pa (3-9) b d2 en donde a es igual a la distancia promedio entre la l ínea de la fractura y e ( apoyo más cercano medido en la super­ ficie a tensión de la viga. Cuando la fractura está fuera por más de 5 por ciento de la longitud del claro, los resultados de la prueba son descartados. Los resultados de la prueba del módulo de ruptura tienden a sobreestimar la resisten c ia a la tensión del concreto de un . 50 a un 1 00 por ciento, principalmente porque la fórmula de flexión supon e una relación l ineal esfuerzo-deformación en el concreto a través de la sección transversal de la viga. Adicionalmente, en las pruebas de tensión directa, el vol u­ men entero del espécimen está bajo un esfuerzo aplicado, mientras que en la prueba a la flexión, solamente un peque­ ño volumen de concreto cerca de la base del espécimen está sujeto a esfuerzos altos. Los datos de la tabla · 3-2 muestran que en el concreto de baja resistencia, el mód ul o d e ruptura puede ser tan alto como el doble d e la resistencia a tensión directa; para concretos de resistencia media y alta, es aproximadamente 70 por ·ciento, y de 50 a 60 por ciento más alta, respectivamente. Sin embargo, la prueba de fle­ xión es preferida general mente para el control de la calidad del concreto en pavimentos de carreteras y de aeropuertos, en donde el concreto es cargado a la flexión y no a la.tensión axial. El reglamento Modelo CEB-FIP (1 990) sugiere la relación , siguiente entre la resistencia a la tensión directa (fcm) y la resistencia a la flexión (fct,f/): · f. f ctm = et// .1 2 . 3 0 ( hlho ) º·7 + 2.0 ( hlho ) 0.7 : (3-1 O) en donde h es el peralte de layiga en mm, ho = 1 00 mm., y las resistencias son expresadas en unidades MPa. Relación entre las resistencias a la compresión y a la tensión Se ha señalado antes q ue las resistencias a la compresión y a la tensión están íntimamente relacionadas; sin embargo, no hay una propor c ional idad directa. Cuando la resistencia a la compresión del ·concreto se incrementa, la resistencia a la tensión también se incrementa pero a una velocidad decreciente (figura 3-1 8). En otras palabras, la relación de . \ la resistencia tensión/compresión depende del nivel general de la resistencia a la compresión; a resistencia a la compreCONCRETO, estructura, propiedades y materiales si6n más alta, la relación será más baja. Las r�laciones entre las resistencias a la compresión y a la tensión en el rango f'e de 7.0 a 63.0 MPa, se muestran en la tabla 3-2. Se aprecia que la· relación de resistencia tensión directa/compresión es del 1 O al 1 1 por ciento para concretos de baja resistencia, de 8 a 9 por ciento para concretos de media resistencia, y de 7 por ciento para concretos de alta resistencia. El reglamento Modelo CEP-FI P (1 9.90), recomienda que los valores l ímite inferior y superior de la resistencia caracterís­ tica a la tensión, fctk, max y fctk, mi n , pueden ser calculados a partir de la resistencia característica fck (en unidades MPa): f ctk,min fck = 0.95 (.lfcko en donde fcko = ]21) Y f ctk,max 1 O MPa ( fck = 1 .85 Ícko J 2¡J . (3-1 1 ) . El valor medio de la resistencia a la tensión se encuentra por la fórmu la: f ctm = 1 .40 ( .21) J Íck Ícko' (3-1 2) La relación entre la resistencia a la compresión y la relación de las resistencias tensión/compresión parece estar determi­ nada por el efecto de varios factores sobre las propiedades tanto de la matriz como de la zona de transición del concreto. Se observa que no sólo la edad de curado sino también las características de la mezcla del concreto, como la relación agua/cemento, el tipo de agregado y los aditivos, afectan la relación de la resistencia t�nsión/compresión en varios grados. Por ejemplo, después de aproximadamente 1 mes de curado, la resistencia a la tensión del concreto es sabido que se i ncrementa más lentamente que la resistencia a la compresión; es decir, la relación resistencia ten­ sión/compresión disminuye con la edad del curado. A una edad dada de curado, la relación tensión/compresión tam� bién disminuye al disminuir la relac ión agua/cemento. En un concreto que contiene agregado calcáreo o aditivos minerales, es posible obtener después de uh curado ade­ cuado, una relación de las resistencias tensión/compresión r�lativamente alta. En la tabla 3-2 se puede observar que en un concreto ordinario, en el rango de resistencia a la compresión de 55 a 62 MPa, la relación tensión direc­ ta/compresión es aproximadamente 7 por ciento (la relac ión de resistencias tensión por compresión diametral/compre­ sión, será ligeramente más alta). Los datos de la tensión por compresión diametral para las mezclas de concreto de alta resistencia de la figura 3-8, se muestran en la tabla 3-3. De estos datos es evidente que, en comparación con una relación típica de 7 a 8 por ciento de resistencia tensión por compresión diametral/compresión (fstlfd para un concreto de alta resistencia sin ceniza volante, 51 Resistencia la relación fue considerablemente más alta cuando la ceniza . vola nte estaba , presente en las mezclas de concreto. Igual­ mente, los efectos benéficos en la relación fst/fc ai' reducir el tamaño máximo del agregado grueso, o de cambiar el tipo de agregado,· son evidentes en esos mismos datos. Tabla 3�3 Efecto del tipo de mineral del agregado y su tamaño en las relaciones de resistencia :tensión/compresión en concretos de alta resistencia (curados con humedad durante2 60 días) 2 2 . · Piedra arenisca, 2.5 cm max. Piedra caliza, 2.5 cm max. Piedra arenisca, 1 0.0 cm max. . , fe (kgf/cm ) fst (kgf/cm ) fst / fe (kgflcm ) 5 70 53 0.09 652 71 0. 1 1 600 60 0. 1 0 e ·¡¡; · . Resistenda a la tensión del concreto masivo Los ingenieros que trabajan con concreto reforzado ignoran el bajo val,ór de la resistencia a la tensión del concreto, y util izan el · acero para soportar cargas a la ten?ión . . En estructuras de concreto masivo, tales como presas, no es práctico util izar el acero de refu erzo. Por lo tanto, un cálculo confiable de la resistencia,a la tensión del concreto es necesario, especial mente para juzgar la seguridad de la presa bajo carga sí�mica. Raphael 1 1 recomienda los valores · obtenidos en la prueba de tensión por compresión diame- 52 J. Raphael, J. AC/, Proc:, Vol: No. 2, págs. 1 58-64, i 984. ;g � E -o Mientras que los factores que causan una disminución en la porosidad de la matriz y en la zona de transición, conducen a una mejoría general de las resistencias a la compresión y a la tensión del conc;:reto, parece que la magnitud del incremento en la resistenda a la tensión del concreto permanece relativamente pequeña a menos que se mejore al m'ismo . tiempo la resistencia intríseca de los productos de hidrataci�n comprendidos . en la zona de tran.sición. Es decir, la resisten c ia a la tensión del concreto con una zon � de transición de baja porosidad continuará siendo débil mientras que un gran número de cristales de hidróxido de calcio orientados estén all í presentes (ver la figura 2-1 4f.'. El tamaño y la concentración de los cristales de hidróxido de calcio en la zona de· transi ción pueden ser reducidos como resultado de reacciones químicas, cuando están presentes aditivos puzolánicos (ver la figura 6.;1 4) o un agregado reacti-. vo. Por ejemplo, una interacción entre el hidróxido de calcio y el agregado ·que resulte en la formación de carbonato de calcio recristalizado en la zona de transición, fue probablemente la razón del relativamente gran ineremento · en la resistencia a la tensión del concreto con agregado calcáreo, como se muestra en los datos de la tabla 3-3 . 11 C\J e •. · 1 20 s !U 13 e s .� f/) Q) a: 3.4 f� 1 00 2.6 2. 3 80 1.7 60 40 20 1 00 200 300 400 . 500 600 2 Resistenca a compresión kgf/cm Figura 3-1 9. �ráfica d e diseño para la resistencia a l a tensión (ref. 1 1 ) tral, aumentados por e l multiplicador q u e s e encuentre apropiado para pruebas d inámicas de tensión; o aproxima­ damente 1 . 5 . Alternativamente, dependiendo de las condi­ ciones de carga, las gráficas' de la resistencia a la tensión como una función de la resistencia a la compresión (figura 3-1 9 ) , pueden uti l izarse para este propósito. La gráfica 1 inferior, ft = 1 .7fc2 3 · representa la resistencia ·real a la tensión bajo carga a largo plazo o estática. La segunda gráfica, fr = 2 . 3 fc213 es también para carga estática pero toma en cuenta la forma no l ineal del concreto y es para usarse con análisis de elementos finitos. La tercer gráfica, ft 213 = 2.6 fc , es la resistencia real a l a tensión del concreto 1 . b aJo carga s1sm1ca, y 1 a gra'f'1ca superior, fr = 3 .4 �• c2 3 , es 1 a resistencia aparente a la tensión bajo carga sísmica y que deberá usarse con análisis l ineales de elementos finitos. • , • Comportamiento del concreto bajo esfuerzo cortante Aunque el cortante puro no se encuentra en las estructuras . de concreto, u n elemento puede estar sujeto a la acción simultánea de esfuerzos de compresión,· de tensión y de co.rtante. Por lo tanto, el análisis de fal l a bajo esfuerzos multiaxiales se l leva a cabo desde u n punto de vista feno­ menológico . más bien q ue desde un punto de vista del material. Aunque la . teoría Cou lomb-Mohr no se aplica exactamente al concreto, el diagrama de ruptura de Mohr (figura 3 -2 0) presenta un modo de representar la fal la bajo CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Resistencia Envolvente de ruptura Cortante de Mohr /· - - Compresión-ténsión Compresión uniaxial simple b e e d Compresión a Tensión Figura 3-20. Gráfica A la ruptura típica de Mohr en el concreto. (De: S. Mindess y J. F. Young, Concrete. 1 98 1 , pág. 401 . (Reimpreso con autorización de Prentice Hal l, lnc., Englewood Cliffs, N.J.) . De acuerdo con Mindess y Young: nAunque la teoría de Coulomb-Mohr no se aplica exactamente al concreto, constituye Ja forma más adecuada para representar Ja falla bajo esfuerzos multiaxiales. En esta figura, to representa Ja resistencia del concreto al cortante puro, que fue establecido como aproximadamente 20% de Ja resistencia a Ja compresión. La distancia c-f representa Ja resistencia uniaxial a Ja compresión (como podría encontrarse en una prueba estándar en un cilindro). Puede apreciarse pues, que un esfuerzo de "compresión aplicado transversa/mente (c-d) incrementa la resistencia a la compresión (c-g). Por otra parte, un esfuerzo transversa/ a Ja tef!sión (c-b) disminuirá la resistencia aparente a compresión a (c-er. estado de esfuerzos combinados de donde se puede obtener .una estimación de la resistencia al cortante. En la figura 3-20, la resistencia del concreto en cortante puro es representada por el punto en el cual la envolvente de la fal la i ntersecta al eje vertical, 'to . Por medio de este método, se ha encontrado que la resistencia al cortante es aproxima­ damente 20 por ciento de la resisten cia uniaxial a la com­ presión. Comport.amiento del concreto bajo esfuerzos biaxiales y multiaxiales Los esfuerzos biaxiales a la compresión cr 1 = cr2 pueden ser generados sometiendo un espécimen cil índrico a presión hidrostática en direcciones radiales. Para desarrol lar un estado de esfuerzo verdadero biaxial, debe evitarse la fric­ ción entre el ci lindro de concreto y las placas de acero. También debe evitarse la penetración d e l fluido de presión, que transmite la presión en las microgrietas y en los poros de la superficie del concreto, colocando el espécimen dentro de una membrana adecuada. · Kupfer, H i lsdorf, y Rusch, 1 2 investigaron la resiste.n cia bi a­ xial de tres tipos de concreto (de resistencias a la compreCONCRETO, estructura, propiedades y materiales -. sión uniaxial no confinada de 1 9, 3 1 y 58 MPa), cuando los especímenes fueron cargados sin restricción longitudinal sustituyendo las placas sólidas de carga de una máquina convencional de prueba por placas de carga de cepillo. Estas placas consistieron en una serie de pequeñas varil las cercanamente espaciadas y lo suficientemente flexibles para seguir las deformaciones del concreto sin generar una restricción apreciabl e de la pieza de prueba. La figura 3-2 1 muestra las curvas típicas de esfuerzo.;.deformación para concreto bajo:· a) compresión biaxial, b) combinación de tensión-compresión, y c) tensión biaxial. Las curvas de interacción del esfuerzo biaxial se muestran en la figura 3-22. Los datos de la prueba muestran que la resistencia del concreto sujeto a compresión biaxial (figura 3"'.'2 1 a) puede ser de hasta 27 por ciento mayor que la resistencia uniaxial. Para esfuerzos iguales de compresión ·en dos direcciones principales, la resisten c ia aumenta aproximadamente 1 6 por ciento. Bajo compresión-tensión biaxial (figura 3-2 1 b), la resistencia a la compresión disminuyó casi l inealmente conforme se incrementaba la resistencia a la tensión aplica­ da. De la envolvente de la resistencia biaxial del concreto H. Kupfer, H. K. Hi lsdorf, y H. Rusch, . J.AC/, Proc., Vol. 66, págs. 656-66, 1 969. 12 . . • . . 53 Resistencia o¡ '02 -1/0 -1/ 1 - 1 /-0,52 0 � � � � �,__ �� � ---- ----_ ----- ---1---- o ___ 3 -------1 000 ooo 00o 200o -20 00 - 00 o ._______ 3 . Deformación en tensión _ Deformación, cm/cm x 1 O 3 Deformación en compresión 1,2 f� = 32.7 MPa 1.0 e 0,8 0,6 . o¡ / cr2 -1 / 0 - - - - 1 / 0,052 -- -1/ 0, 10 3 - - - -1 / 0, 20 4'.l -- . 0,4 0,2 1 500 0, 1 2 f� = 29.5 MPa 1 000 500 o -500 Deformación cm/cm X -1 000 10-:3 -1 500 -2000 0,10 §: 0,08 o¡ 0,06 / cr2 1/ 0 1/1 1 / 0,55 0,04 0,02 o -60 -40 -20 Resistencia en compresión o 20 40 Deformación cm/cm x 60 10"3 80 1 00 1 20 Deformación en tensión Figura 3-2 1 . Curvas experimentales de esfuerzo-deformación para concreto bajo: a) Compresión biaxial, b) Compresión y tensión combinadas, y c) Tensión biaxial. (De: H. Kupfel, H. K. Hilsdorf, y H. Rusch, J. ACI, Proc., Vol. 66, No; 8, 1 969, págs 622-63) 54 CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Resistencia 1,4 .--..:.::: ;::=-;..: 1,2 1,0 - u - 0,8 ...... 0,6 bN 0,4 0,2 o ;_0,2 0,05 , , j! /� ,..____ . - --.:.. �...... .... \�, ---- 1I li \ 1· f�(MPa) 19 31 59 -·- l . 11 1 1 1 l/l �· j ,; ! J- - o · , -· - - 0,2 o,4 ·- ---- � a¡ o,6 / f� 0,0 '!i 1,0 q 1 ,2 1,4 (a) .----.--.r--r---T---.-- o · - -· - -· - ·� � �'/ ---.-+.�-+==F:=:.--+---+---=� .:::=--j..L ... --J---l ' � - 0'05 l--cl---l--l_ _.... "::;. . V .-l-· ---;-i.� ·---- -- - - - - -- --· ---�--- ==_ �_ =t= ,__=_==_::: ,_i:;;;_����==::i=.:__+--+----l---1-_j�_¡-� - 0,10 J.:_ f� (MPa) 19 -0,15 t--1--i--1--t---+--+-31 59 - 0 20 l ,...-'..____.___.L_ ..__ . _.__ _ __ _ , - 0,1 o 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 ....__ ._ .__,...-' .____._ _._ _...__ _ _. o-2/ f� (b) Figura 3-22. Curvas de i�teracción de esfuerzo biaxia l: a) Envolvente de resistencia; b) Resistencia bajo tensión y compresión combinadas, y bajo tensión biaxial . (De: H . Kupfel, H. K. Hilsdorf, y H. Rusch, J. ACI., Proc., Vol. 66, No. 8, 1 969, págs. 662-63). (figura 3�22a), puede apreciarse que la resistencia del con­ creto bajo tensión biaxial es aproximadamente igual a la resistencia uniaxial a tensión. biaxial (figura 3-2 1 c), . el valor promedio de la microdefor­ mación 'máxima principal a la tensión es solamente de aproximadamente 80. Chen 1 3 señala que la ductilidad del concreto bajo esfuerzos biaxiales tiene valores diferentes dependiendo de si . los estados de esfuerzo son de compresión o de tensión. Por ejemplo, en compresión biaxial (figura 3-21 a), la microde­ formación máxima promedio a la compresión es aproxima­ damente 3000 y la microdeformación máxima promedio a la tensión varía de 2000 a 4000. Los dato �. de la figura 3�22a muestr.a n que el nivel de la resistencia uniaxial ·a la compresión del concreto no afecta virtualmente la for.m a de las curvas de interacción de esfuer­ zo biaxial o la magnitud de los valores (la resistencia a la compresión uniaxial del concreto probado estuvo en el rango de 1 9 a 5 7 MPa). Sin embargo, a compresión-tensión, y en tensión biaxial (figura 3-22b) se observa que la resis­ tencia relativa · en cualquier combinación de 'esfuerzo bia­ xial disminuye eri cuanto el nivel de la resistencia uniaxial a la compresión se iné:rementa. La d uctil idad a la tensión es mayor en compresión biaxial que en compresión uniaxial . En tensión-compresión biaxial (figura 3-2 1 b), la magnitud a la fal la de ambas deformacio­ nes principales, a la compresión y a la tension, disminuye cuando el esfuerzo . a la tensión se incrementa. En t�nsión 13W.F. Chen, Plasticityin Reinforced Concrete, McGraw-Hill Book Co., pág. 27, 1 982. CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Nevil le 1 4 sugiere que �sto sucede en concordancia con la observación general de que la relación de la resistencia de la HA. Neville, Hardened Concrete: Physical and Mechanical Aspects, ACI �onograph No. 6, págs. 48-53, 1 971 . 55 Resistencia tensión uniaxial a lá re-sistencia a la compresión, disminuye <:uando el nivel de la resistencia a la compresión se incre­ menta (ver la tabla 3-2). El comportamiento del concreto bajo esfuerzos multiaxiales es muy complejo, y como se expl icó en la figura 3-20, se describe generalmente desde un punto de vista fenomeno­ lógico. A diferencia de las pruebas de laboratorio para determinar el comportamiento del concreto en compresión uniaxial, tensión por compresión diametral, flexión y carga biaxial, no hay pruebas estándar para un concreto sometido a esfuerzos multiaxiales. Además, no hay un consenso general en cuanto a cuál debería ser el criterio para la fal la. · . pasa acerca del uso del agua de mar para este mismo propósito? 1 O. ¿Qué entiende usted por el término curado del concre­ to,? ¿Cuál es el significado del curado? 1 1 . Desde el punto de vista de la resistencia del concreto, ¿Cuál de las dos opciones es inconveniente y por qué? a) Concreto colado a 4°C y curado a 2 1 ºC. b) Conc�eto colado a 2 1 ºC y curado a 4 °C. 1 2. Muchos factores influyen en la resistencia a la compre­ . sión del concreto. Explique brevemente cuál de las <JPCf�:me�_que.se dan en la lista que sigue a continuación resultará en uné!J resistencia mayor a los 28 días: a) Relación aguakemento de 0.5 contra 0.4. b) Temperatura de curado húmedo de 25 ºC contra 1 0 ºC. c) Utilización de c;ilindros de prueba de tamaño de 1 5 por 3 0 cm contra 7.5 por 1 5 cm. d) Usar para la prueba de compresión una velocidad de carga de 1 . 7 M Palseg. contra 0.35 M Palseg. e) Probar un espéeimen én condición de saturación contra condición de secado al aire. · __ Pruebe su conocimiento 1 . ¿Por qué es la resistencia la propiedad más apreciada en el concreto por los diseñadores y por Jos ingenieros de control de calidad? 2. En general, analice cómo la resistencia y_ la porosidad están relacionadas una con la otra. 3. Abrams estableció una regla que vincula la relación agua/cemento con la resistencia del concreto. Nombre dos factores adicionales que tienen una influencia significativa sobre la resistencia del concreto. -·· 4. Explique cómo la relación agua/cemento influye en la . resistencia de la matriz de la pasta de cemento y en la zona de transición del concreto. . 5. ¿Por qué el a'ire incluido puede reducir la resistencia de mezclas de concreto de media y de alta resistencia, pero incrementa la resistencia de las mezclas de concreto de bajá resistencia? · 1 3. Se sabe que la temperatura durante la colocación del concreto tiene un efecto en la resistencia de las edades posteriores. ¿Cuál sería el efecto en la resistencia a los 6 meses cuando una mezcla de concreto es colocada a: a) 1 OºC y b) 35°C? 1 4. En general, ¿Cómo están relacionadas las resistencias a la compresióp y a la tensión del concreto? ¿Esta relación es independiente de la resistencia del concreto? Si no lo es, ¿por qué? Analice cómo los aditivos y el tipo _de mineral ·del agregado pueden afectar esta relación. ¿Para los cinco tipos de cemento portlalid del ASTM, a una rel�ción dada de agua/cemento serían diferentes las resistencias últimas? ¿Serían diferentes las resistencias a · edad temprana? Explique sus r��puestas. · Sugerencias para estudio complementario Analice Jos dos efectos opuestos que son causados en la resistencia por un incremento en el tamaño máximo del . agregado en una mezcla de concreto. BROOKS, A.E., and K. NEWMAN, eds., The Structure of Concrete, Proc. l nt. Conf., Londres, Cement and Concrete Association, Wexham . S prings, Slough, U. K., págs. 49-3 1 8, 1 968 . 8. A una relación dada de agua/cemento, Ún cambio en el contenido del cemento o .de la granulomeÚía del agre­ gado puede hacerse para incrementar la . consistencia del concreto. ¿Por qué no es deseable produdimezclas de concreto con una consistencia mayor que la necesa­ ria? MIN DESS, S., and J . F. YOU NG, Concrete, Prentice Hall, l nc., Englewood Cliffs, N. J., 1 981 , chap. 1 5, págs . 3 8 1 -406. 6. 7. 9. 56 ¿Puede usted utilizar agua reciclada de operaciones industriales como agua de mezcla en el concreto? ¿Qué . . . • , r ' . - . NEVILLE, A. M., Piop-erties of Concrete, Pitman Publishing, lnc., Mars-:hfield, Mass., . 1 98 � , chap. 5, págs. 268-358. ,, . , SWAMY, R. N., "On the Nature of Stre.ngth in Concrete," in Progress in Concrete Technology, ed. V. M. Malhotra, CANMET, Ottawa, págs. 1 89-228, 1 980. CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Capítulo 4 Estabilidad dimensional Presentación El concreto muestra al cargarse deformación tanto elástica como inelástica, y deformaciones por retracción al secarse o al enfriarse. Cuando se �estringe, �la deformación por retracción produce patrones complejos de esfuerzo que a menudo conducen al agrietamiento. En este capítulo se anal izan las causas no l ineales en la relación esfuerzo-deformación del concreto, así como los diferentes tipos de módulos de elasticidad y los métodos para determinarlos. Se proporcionan explicaciones en cuan­ to a por qué y cómo el agregado, la pasta de cemento, la zona de transi c ión y los parámetros de las pruebas, afectan el módulo de elasticidad. Los efectos del esfuerzo que resultan de la retracc i ón por secado y las deformaciones viscoelásticas en el con'creto, no son las mismas, sin embargo, en ambos fenómenos las · causas principales y los factores que las controlan tienen mucho en común. Se analizan los importantes parámetros que influyen en la retracción por secado y en el flujo plástico, tales com o el contenido de agregado, la rigidez del agregado, el contenido de agua, el contenido de cemento, el tiempo de exposición, la humedad relativa y 'e l tamaño y forma del elemenfo de concreto. · La retracción térmica es de gran importancia en los elemen­ tos grandes de concreto� Su magnitud puede ser controlada por el coeficiente de expansión · térmica del agregado, el contenido y tipo de cemento y la. temperatura de los mate"'." riales para elaborar el concreto. Finalmente, se introducen los conceptos de extensibil idad y de capacidad de deforma­ ción por tensión, y su significado en el agrietamien �o del concreto. Tipos de deformaciones y su significado Las deformaciones en el concreto, que a menudo conducen al agrietamiento, ocurren como resultado de la respuesta de CONCRETO, estructura, propiedades y materiales los materiales a la carga externa y al medio ambiente. Cuando' el concreto recientemente endurecido (con carga o sin carga) es expuesto a la temperatura ambiente y a la . humedad, generalmente sufre una refracción térmica (de­ formación por retracción asociáda con el enfriamiento), 1 y un?. retracción por secado (deformación por retracción asociada con la pérdida de humedad). Cuál de las dos deformaciones ponetracción será dominante en condicio­ nes dadas, depende entre otros factores, del tamaño del elemento, de las características de los materiales para la elaboración del concreto y de las proporciones de la mez­ cla. · En elemenfos de gran espesor (es decir, mayores de varios metros) la retracción por secado es generalmente un factor menos importante que la retracción térm.ica. Debe hacerse notar que� lós elementos estructurales· de concreto endurecido están siempre' bajo' restricción; gene­ ral mente a causa de la fricción de la subrasante, de elemen­ tos en ' los extremos, de acero de refuerzo,· o aun por deformac iones diferenciales entre el"exterior y él interior del concreto. Cuando la d eformación p'Or ·retracc ión en un material elástico es total mente restringida, resulta en un esfuerzo elástico a la tensión; la magnitud del esfuerzo inducido cr se determina por el producto de la deformación E y el modulo de . elasticid �d E del material (� � Ee). El módulo de' elasticidad del concreto ta�bién depende de las características de los materiales para elaborar el concretó y de la r�la'.ción de la mezcla, pero no necesariamente en el mismo grado ni en la misma forma que las deformaciones por retracc ión .. Se espera que el . material se agriete cuando una. .cor:nbinación del módulo de elasticidad y la deforma­ ció'ri p'or retracc ión induz.ca un niyel de esfuerzo que alcan­ ce la resistencia a la tensión (figura 4-1 , curva a). Dada la baja resistencia a la tensión del concreto, esto sucede en la práctica, pe�o por fortuna, no exactamente como se predice por los valores teóricamente calculados del esfuerzo elásti:­ co inducido a tensión. Las reacciones exotérmicas entre los componentes del cemento y el agua tienden a incrementar la temperat Ura del concreto (ver capítulo 6). 1 .· • 57 Estabilidad Dimensional Esfuerzo de tensión elástico predecible cuando !as deformaciones por retracción están restringidas (a) Agrietamiento predecible sin relajación de esfuerzo (b) o' !:::! Q) :::> 1ii w del esfuerzo I ·=·· Retraso en el agrietamiento Tiempo Figura 4-1 . Influencia de la retracción y del flujo plástico en el agrietamiento del concreto. (Adaptado de una presentación hecha por J. W Kelly en la asamblea de la Associated General Contractors en San Francisco, 20 de junio de 1 963.) .. Bajo condiciones de restricción en el concreto, la interacción entre los esfuerzos elásticos a la tensión inducidos por las deformaciones de retracción liberación del esfuerzo debida al comportamiento viscoelástico está en el centro de las deformaciones y agrietamiento en la mayoría de las estructuras. Para entender la razón por la que un elemento de concreto no puede agrietarse del todo, o puede agrietarse pero no inmediatamente después de exponerlo al m�dio ambiente, · tenemos que considerar cómo respondería el concreto a un esfuerzo sostenido o a una deformación sostenida. El fenó­ meno de un incremento gradual en la deformación �q n el tiempo, en un nivel dado de esfuerzo sostenido es l lamado flujo. El fenómeno de la dismin�ción gradual del esfuerzo con el tiempo, en un nivel dado de deformación sostenida es l lamado relajación del esfuerzo. Ambas manifestaciones son típicas de los materiales viscoelásticos. Cuando un elemento de concreto e·s empotrado, la viscoe­ lasticidad del concreto se manifestará en una disminuc ión progresiva de esfuerzo con el . tiempo (figura 4-1· , curva b). Así, · en condiciones de empotramiento presentes en el concreto, la interacción entre los esfuerzos elásticos de tensión indu cidos por deformaciones de retracción y la liberación de esfuerzo debida al comportamiento viscoelás­ tico, es la causa de las deformaciones y los agrietamientos en la mayoría de las estructuras. En la práctica, las reladones esfuerzo-deformación en el concreto son mucho más complejas de como se indican e·n la figura 4-1 . En primer l ugar·, el concreto no es un material verdaderamente elástico; en segundo l ugar, ni las deforma­ dones ni los empotramientos son uniformes en todo el �lemento de concreto; por lo tanto, la distribución de los 58 y esfuerzos resultantes tienden a variar de punto a punto. Sin embargo, es impqrtante conocer las propiedades elásticas, de retracción por secado, de retracción térmica y viscoelás­ ticas del concreto y los factores que las afectan . . Comport.amiento elástico Las características elásticas de. un material son una medida de su rigidez. A pesar del comportamiento no l ineal del concreto, una estimación del módulo e!ástico (la relación entre el esfuerzo aplicado y la deformación unitaria instan­ tánea dentro de un l ímite proporcional considerado), es necesaria para determin_ar los esfuerzos inducidos por las deformaciones asociadas con los efectos ambientales. Tam­ bién es necesaria para calcular los esfuerzos de diseño bajo carga en · elementos simples y los momentos y las deflexio­ nes en estructuras complejas. Carácter no lineal de la relación es­ fuerzo-deformación De las curvas típicas · a-e para el agregado, la pasta de cemento hidratado y el concreto cargado �n compresión uniaxial (figura 4-2), resulta inmediatamente aparente que, en relación con el agregado y la pasta de cemento, el concreto no es realmente un material elástico. N i la deforCONCRETO, estructura, propiedades y materiales Estabilidad Dimensional C'll o.. � o t:! Q) ::::J 'iii w o 1 000 2000 Deformación, 1 o.s 3000 Figura 4-2. Comportamientos típicos es­ fuerzo-deformación de la pasta de ce­ mento; el agregado y el concreto. (Basado en T. C. Hsu, ACI Monograph 6, 1 971 , pág. 1 00) Las propiedades de materiales compuestos complejos no necesitan ser iguales a la suma de las propiedades de sus componentes. Tanto, la pasta de cemento hidrátado como los agregados muestran propiedades elásticas lineales y no asf el concreto. · mación bajo carga instantánea de un . espécimen de concre­ to se encuentra que sea verdadera y d irectamente propor­ cional al esfuerzo aplicado, ni es totalmente recuperada a la descarga. La causa para el carácter no lineal de la relación esfuerzo-deformación unitaria ha sido explicada por los investigadores, i ncluidos los de la U niversidad de Cornel a partir de estudios sobre el proceso del microagrietamiento progresivo en concreto bajo cargas. 2 La figura 4-3 está basada en su trabajo y en una revista sobre el tema por Gluckl ich. 3 Desde el punto de vista de la relación entre el nivel de esfuerzo (expresado como porcentaje de la carga ú ltima) y el microagrietamiento en.el concreto, la figura 4:3 muestra cuatro etapas del comportamiento del concreto. Actual­ mente es bien sabido que �un antes de la aplicación de carga externa, existen ya miCrogrietas en la zona de transi­ ción entre la matriz del mortero y el agregado grueso en el concreto. El número y el ancho de estas grietas en un espécimen de concreto dependerán, entre otros factores, de las características de sangrado, resistencia de la zona de transición y de la historia de curado del concreto. En condiciones ordinarias de curado (cuando un elemento de concreto está sujeto a efectos de retracción por secado o a retracción térmica), debido a las diferencias en sus módulos de elásticidad, se establecerán deformaciones diferenciales . 2 T. C. Hsu, F. O. Slate, G. M. .Sturman y G. Winter, /. ACI, Proc.,. Vol. 60, No. 2, págs. 209-23, 1 963; S. P. Shah y F. O. Slate, Proceedings of a Conference on Structure of Concrete, Cement and Concrete Association, . Wexham Springs,_Slough, U .' K.; editores: A. E. Brooks y K. Newman, págs. 82-92, 1968 . . 3 J. Glucklich, Proceedings of a Conference on the Structure of Concrete, Cement and Concrete Association, Wexham Springs, Slough, U . K., págs. 1 76-89, 1 968 . . . CONCRETO, estructura, propiedades y materiales entre la matriz y el agregado grueso, causando grietas en la zona de transición. Por abajo de aproximadamente 30 por ciento de la carga última, las grietas en la zona de transición permanecen estables; por lo tanto, la curva cr-e permanece l ineal (etapa 1 , figura 4-3). · Por encima de 30 por ciento de la carga última (etapa 2), en cuanto se incrementa ·el esfuerzo,. �las microgrietas de la zona de transición comienzan a crecer en longitud, ancho y número. Por lo tanto, con el incremento del esfuerzo, la relación ficr se incrementay la curva comienza a des�iarse apreciablemente de la l ínea recta. Sih embargo, hasta apro­ ximadamente 50 por ciento del esfuerzo último, puede suponerse que existe un sistema estable de microgrietas en la zona de transición; igualmente en esta etapa, el agrieta­ miento de la matriz es despreciable. De 50 a 60 por ciento de la carga última, las grietas comienzan a formarse en la matriz. Con un incremento mayor en el esfuerzo de aproxi­ madamente 75 por ciento de la carga última (etapa 3), no sólo se volverá inestable el · sistema de grietas en la zona de transición, sino que también se incrementará la proliferación . y la propagación de grietas en la matriz, causando que la curva cr-E se incline considerablemente hacia la horizontal. De 75 a 80 por ciento de la carga últi ma, la velocidad de deformación por l iberación de energía pare ce l legar al n ivel crítico necesario para el crecimiento espontáneo de grietas bajo esfuerzo sostenido y el m_aterial se d�formará hasta la fal la. Muy cerca del 75 por ciento de la carga última (etapa 4); con el incremento del esfuerzo se desarrol lan muy altas deformaciones, indicando que el sistema de grietas se está volviendo continuo debido a la rápida propagación de las grietas en la matriz y en la zona de transición. 59 Estabilidad Dimensional 100 o t:! <I> :J 'iii <I> o .§ :s � 50 <I> ·¡¡¡ E <I> � 30 o a.. Deformación · Microgrietas en la zona de transidón · ' ' Figura 4-3 . Representación gráfica del comportamiento esfuerzo-deformación del concreto bajo compresión uniaxial. (Basada en J. Glucklich, Proc. lnt. Conf. on the Structure of Concrete, Cement and Concrete Association, Wexham Springs,· Slough, U. K.; 1 968, págs. 1 9 76-85) . El progreso del microagrieta � iento intern � ·en el concreto sigue varias etapas, que dependen del '!ivel del esfuerzo aplicado. curva para el concreto no es l ineal, se util izan tres métodos ·para calcular el módulo. Esto ha · dado lugar a los tres módulos i lustrados en la figura 4-4: Tipos de módulos Q.e elasticidad El módulo de elasticidad estático de un material. bajo tensión o compresión, esta dado por la pendiente de la curva cr-E del concreto bajo carga uniaxial . Puesto que la 280 Calculando los módulos elásticos cr 2 ULT = 253 kgf/cm 2 40% ªULT = 1 01 kgf/cm = SO Módulo Secante: Pendiente de la línea correspondiente a esfuerzo SO = 1 01/40 x 10 -5 C\J -5 2 ::::: 2.5 x 1 0· kgf/cm :;::: Cl � Módulo Cuerda: Pendiente de la línea correspondiente ' 2 -5 -5 a esfuerzo SC = (101 -1 4)/(40-5) X 1 0 = 2.4 X 1 0 kgf/cm _ 1 Módulo Tangente: Pendiente de la línea TT trazada -5 2 . tangente a cualquier punto en la curva cr-i: = 1 .7 x 1 O kgfIcm Módulo Dinámico 210 E u ó t:! <I> ::J 'iii w 140 Relación a/c = 0.68, Resistencia diseñada de cilindro 2 de concreto de 1 5 x 30 cm (21 O kgf/cm ) s Curado estándar de 28 días 70 (Módulo Tangente Inicial): Pendiente de OD desde el -5 2 -6 origen = 70/20 x 1 O 3.5 x 1 O kgf/cm = Esfuerzo, kgf/cm 2 280 21 0 1 40 70 e o 50 \ Figura 4-4. Diferentes tipos de módulos de elasticidad y el método por el cual éstos son determinados. 60 1 00 1 50 Deformación x 1 0· 200 25 5 CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Estabilidad Dimensional O El módulo tangente es dado por la pendiente de una l ínea tangente trazada en la curva esfuerzo-deforma­ ción en cualquier punto de la curva. O El módulo secante es dado por la pendiente de una l ínea trazada desde el origen a un punto en la curva, correspondiendo a un esfuerzo de 40 por ciento de la carga de fal la. O viga simplemente apoyada en · sus extremos y . cargada en medio del claro, ignorando la· deflexión pOr ·cortante, el valor aproximado del módulo se calcula por medio de: E Determinación del módulo de elasticidad. estático· ASTM C 46� describe un método de prueba estáridár para la medición del módulo de elasticidad éstático {el módulo cuerda) y.fa razón de Poisson de ci lindros¡ de concreto de 1 5x30 c � cargad¿s a compresión longitudinal · a una velo­ cida� de . carga_ ccmstante dentro del rango 241 ±34 KPa/s. Normalment�, las deformaciones se miden por un transfor­ mador .d iferencial variable lineal . Las curvas típicas cr-E, con cálculos de muestras para módulos de elasticidad de tres· mézclas de concreto. d� la figura 3-1 8, se presentan en la figura 4-5. . El .módulo de elasticidad dinámico, correspondiente a una deformación unitaria instantánea muy pequeña, es indicado aproximadamente por el módulo tangente i.n icial, que es el módulo tangente para una l ínea trazada en el origen. En general es 20, 30 y 40 por ciento mayor que el módulo de elasticidad estático para concretos de resistencia alta, media y · baja, respectivamente. Para el análisis de esfuerzos de estructuras sujetas a temblor o a carga de impacto, es más apropi�do utilizar el módulo de elasticidad dinámico; que puede ser déterminado más precisamente por una prueba sónica. . t:! o Q) ::::1 w 'iii / / / / / / / / · Los valores del ·módulo de elasticidad util izados en los cálculos para el diseño de concreto, se toman generalmente de fórmulas em.píricas que supOnen una dependencia direc­ ta del módulo de elasticidad de: la resistencia y de la El rilódulo de elasticidad a la flexión puede ser determi � ado po� la prueba de deflexión en una viga cargada. Para una I I I / P L3 48 / y en donde y es la deflexión en medio del clar"o debida a la carga P, L es la longitud del claro, e I es el momento de inercia. El módulo a la flexión es usado generalmente para el diseño y análisis de pavimentos. El módulo cuerda es dado por la pendiente de una l ínea trazada entre dos puntos en la curva esfuerzo-de­ formación. En comparación con el módulo secante, en l ugar del origen, la l ínea se traza desde un punto que representa una deformación unitaria longitudinal de 1 9.7x1 ff6 µcm/cm, al punto que corresponde a 40 por ciento de la carga ú ltima. Cambiar la l ínea base por la microdeformación 50, se recomienda· para .corregir la l igera concavidad que a menudo se observa al comien;. zo de la curva · de esfuerzo-deformación. I = Valores de la secante calculados ( basados en la curva No. 3) :> Concreto A - 2 .3 x 1 0 MPa 5 Concreto B - 2.5 x 1 0 MPa 5 Concreto - 2 .6 X 1 0 MPa c Concreto A "" o � (.) CT-€ Curvas al 40% de f'c -6 1 cm =. 40 x 1 0 Deformación Figura 4-5. Determinación del módulo secante en e l laboratorio (ASTM C 469). Ver e n la figura 3-1 8 las características d e la composición y l a resistencia d e las mezclas d e concreto. (Datos no.publicados d e experimentos d e estudiantes, .U niversidad d e California e n Berkeley) CONCRETO, estructura, propiedades y materiales 61 Estabilidad Dimensional . 48 3 • Mezclas con agregado de grava A e 20 MPa B 30 MPa e o 50 MPa D A 55 MPa • 41 , 4 "<:!" � A • 34,5 I , I ' 20,7 1 3,8 14 o 28 42 56 70 Resistencia a compresión, MPa 84 ' · , Figura 4-6. Relación entre la resistencia módulo de elastici­ dad. (Basada en J. J. Shideler, J. ACI, Proc., Vol. 54, No. 4, 1 957). a la compresión y el 'La tendencia ascendente de las curvas E - f ' e de mezclas de concreto de diferentes resistencias probadas a intervalos regulares de hasta 1 . año, demuestran que a edades más avanzadas, el módulo de elasticidad. se incremen_ta a una velocidad más rápido que la resisteh cia a la compresión. _ densidad del concreto. Como una primera aproximación, esto tiene sentido, porque el comportamiento esfuerzo-de­ formación . de los tres componentes del concreto (el agrega­ do, la matr iz de la pasta_ de cemento y la zona.de transición), será indudablemente determinado por sus resistencias indi­ viduales, que a su vez están relacior:1adas con, la resistencia última del concreto. Además, puede notarse que el módulo de elasticidad del agregado (que controla la capacidad· del agregado para restringir cambios de volumen en la matriz) está directamente relacionado con su porosidad, y la medi­ ción del peso unitari() qel concreto re�ulta ser la forma más fáci l de estimar . la porosidad delagregado en el concreto. Según el Reglamento de Construcciones ACl 3 1 8, con un peso unitario del concreto entre 1 440 y 2480 kg/m 3 , el módulo de elasticidad p�ede ser determinado así: Ec = Wc 1 · 5 X 0.1 4 f 'c 1 12 en donde Ec es el módulo de elasticidad estático (kg/cm2), wc es el peso unitario (kg/m 3 ) y f 'c 1a resistencia a la compresión a 28 d ías dé cil indros estándar. En el Reglamen­ to Modelo CEB-F I P (1 990), el módulo d e elasticidad de concreto de peso normal puede calcularse con la siguiente fórmu la: · Ec = 2.1 5 X 1 04 (fcm/1 O) 1 13 en donde Ec es el módulo de elasticidad del concreto a los 28 d ías (MPa) y fcm la resistencia a la compresión promedio a los 28 d ías. Si la resistencia real a la compresión no es conocida, fcm deberá ser sustituida por fck + 8, en donde fck es la resistencia característica a la compresión. La rela­ ción módulo de elasticidad-resistencia fue desarrol lada para concretos con agregado de cuarcita. Para otros tipos de agregados, el módulo de elasticidad puede obtenerse mul62 tiplicando Ec por los factores ae de la tabla 4-1 . · Debe mencionarse que la fórmula de CEB-FI P es· vál ida para resistencias característi cas de hasta 80 MPa mientras que la ecuación del ACI es válida hasta 41 MPa. Las extensiones a la fórmula del ACI se presentan en el capítulo 1 1 (ver concreto de alta resistencia). Considerando una densidad del concreto de 2320 kg/m 3 , los valores calculados del módulo de elasticidad para concreto de peso normal según el Reglamento de· Construcciones del ACI y el Reglamento Modelo CEB-FI P (1 990), se muestran en la · tabla 4-2. · · ·. · ·· · , . . . A partir de la discusión de los factores q ue afectan el módulo de elasticidad del concreto, será evidente que los valores calculados de la tabla 4-2, los cuales están basados en la resistencia y la densidad del concreto, se deberán tratar como aproximados solamente. Esto es porque las caracte­ rísticas de la zona de transición y el estado de h umedad del espécimen al tiempo de la prueba no tienen efectos simila­ res sobre la resistencia y el módulo de elasticidad. 1 Tabla 4-1 . Efecto del tipo de agregado en el módulo de elasticidad Tipo de agregado Basalto, piedra caliza densa Cuarcita Piedra caliza Piedra árenisc·a O.e 1 .2 1 .0 0.9 0.7 Razón de Poisson Para un material sujeto a carga axial simple, la relación de la deformación lateral a la · deformación axial dentro del rango elástico' se l lama razón de Poisson� La razón de CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Estabilidad Dimensional Poisson np es necesaria en general , para la mayoría de los cálculos de d iseño en el concreto; sin embargo, es necesaria para el anál isis estructural de túneles, arcos de presas y otras estructuras estáticamente indeterminadas . . Tabla 4-2. Módulos de elasticidad para concretos de peso normal (agregado de cuarcita) Reglamento de ConstrucciÓnes ACI f 'cm Ec GPa · MPa 21 ' · 21 25 27 28 34 41 30 Reglamento Modelo CEB-FI P f 'cm Ec MPa GPa 21 28 27 30 32 34 41 34 · · En el concreto, los valores de la razón de Poisson varían general mente entre 0.1 5 y 0.20. Parece no haber una relación consistente entre la razón de Poisson y las qiracte­ rísticas del concreto tales como la relación aguá/cemento,. la edad de curado y la granulometría del agregado. Sin embargo, la razón de Poisson es en· general más baja en el concreto de alta resistencia y más alta para concreto satura. do y para concreto �argado dinámicamente. Factores que afectan el módulo de elasticidad En materiales homogéneos existe una relación directa entre la densidad y el módulo de elasticidad. En materiales hete. rogéneos con multifases tales como el concreto, la fracción del volumen, la densidad, el módulo de elasticidad de los principales constituyentes y las características de la zona de · transición, determinan el comportamiento elástico del com.: puesto. Como la densidad está opuestamente relacionada con la porosidad, obviam�nte los factores que afectan la porosidad del agregado, la matriz de la pasta de cemento y la zona de transición serán importantes. Para el concreto, la relación directa entre la resistencia y el . módulo de elasticidad se presenta en ' 'el hecho de que ambos son afectados por la porosidad de las partes consti­ tuyentes, aunque no en el mismo grado. Agregado. E ntre las características del agregado grueso que afectan el módulo de elasticidad del concreto, la porosidad parece ser la más importante. Esto � debido a que la porosidad del agregado determina su rigidez, la que a su vez controla la capacidad del agregado para restringir las deformaciones de la matriz. Los · agregados densos tienen un módulo de elasticidad alto. En general, cuanto mayor sea la cantidad de agregado grueso con un módulo de elasti c idad alto en una mezcla de concreto, · mayor será el módulo de elasticidad del concreto. Puesto que en concre- CO�CRETO, estructura, propiedades y materiales ' tos de baja o media resistencia, la resistencia no es afectada por la porosidad del agregado, esto demuestra que todas las variables no pueden controlar la resistencia y el módulo de elasticidad en la misma forma. Las pruebas en núcleos de roca· ha n demostrado que el módulo de elasticidad de agregados naturales de baja poro­ sidad tales como el granito, la roca. ígnea y el basalto es del rango de 70 a 1 40x1 0 3 MPa, mientras que con piedras areniscas, piedras cal izas y gravas de variedad porosa, varía de 2 1 a· 48x1 0 3 MPa; Los agregados .de peso ligero son altamente porosos; dependiendo de la porosidad, el módu­ lo de elasticidad de un agregado de peso l igero puede ser . tan bajo como 7x1 0 3 o tan alto como 28x1 0 3 MPa. En general, el módulo de elasti c idad del concreto de agregado de pesó ligerd v�ría de 1 4 a 2 1 x1 0 3 MPa, 19 que es entre so y' 75 por ci e nto del módulo de concreto de peso normal . de ia misma resistencia. Otras propiedades del agregado · también · influyen en el módulo de elasticidad del concreto. Por ejemplo, el tamaño máximo, la forma, la textura de la superficie, la granulome­ tría y la composición mineralógica, pueden influir en el microagrietamiento de la zona de transi c ión y, por lo tanto� afectar la forma de la curva esfuerzo-deformación. , Matriz de la pasta de cemento. El módulo de elasticidad de la matriz de la pasta de cemento es determinado por su porosidad. Los factores que controlan la. porosidad de la matriz de la pasta de cemento, tales como la relación . de agua/cemento, el contenido de aire; los aditivos minerales y el grado. de hidratación del cemento, se presentan en la I · lista de la figura 3-1 3. Se han observado valores en el rango de 7 a 28x1 0 3 MPa, como los mód ulos de elasticidad de las pastas de cemento portland hidratado de porosidad variada. Hay que hacer notar que estos valores son similares a los módulos de elasticidad de agregados de peso ligero. Zona de transición. En general; los espacios vacíos, las microgrietas y los cristales orientados de hidróxido de cal­ cio, son relativamente ' más comunes en la zona de transi­ ción que en la pasta de cemento masiva; por lo tanto, juegan un papel muy importante en la determinación de las rela­ ciones esfuerzo-deformación del concreto. Los factores que controlan la porosidad de la zona de transición se presentan en la lista de la figura 3-1 3 . S e h a observádo q u e fa resistencia y el módulo d e elastici­ dad del concreto no son influidos en el mismo grado por la edad de cu �ado. Con mezclas diferentes de concreto de resistencia variada, ?e encontró que a edades tardías (como de 3 meses a 1 año), el módulo de la elasticidad se incre­ mentó a una velocidad mayor que la resistencia a la com­ presión (figura 4-6). Es posible q�e el efecto benéfico de la 63 Estabilidad Dimensional mejoría en lc:i densidad de· la zona de transición, corría un resúltado de la baja interacción química entre la pasta alcal ina de cemento y el agregado; sea más pronunciado en la relación esfuerzo-deformación que en la resistencia a i 'a compresión del concreto. Hay aún Otra expl icación para el fenómeno. E n una pa�ta de cemento saturada, él :agua adsorbida · en . �I H-5-C ' es soportante' de carga, por lo tanto, su presencia · contribuye' al módulo de elastiddad; por otra parte, la: presión ; de separación (ver capítulo 2) en el H-5-C, tiende a reducir la fuerza de atracción de Van der Waals; disminuyendo así la resistencia. Parámetros de prueba. Se ha o bservado q u e i nde­ pendientemente de las proporciones de· la mezcla o de la edad del curado, los especímenes de concreto que son probados en condiciones húmedas, muestran aproximada­ mente 1 5 por ciento de módulo de elasticidad más alto que los correspondientes especímenes probados en condicio­ nes secas. . ·a: la compre­ Resulta de interés 'observar que la resistencia . sión del espécimen se compo�ta d e niá:��ra · op � �sta; es decir, la resistencia es �ás alta en aproximadamente 1 5 por ciento, cuando los especímenes son probados �n condi c io­ nes secas. Parece que el secado del concreto produce un efect� difer.ente en la matriz de la pasta de cemento que en la zona de transición; mientras que la primera gana en resistencia debido a un incremento en la fuerza de atracción de Van der Waals en los productos de la hidratación; la segunda pierde resisten�ia debido al microagrietamiento. La resistencia a la compresión del C?ncreto se incrementa cuando la matriz determina la resistencia; sin embargo, el . módulo de elasticidad es reducido porque el incremento en el microagrietamiento de la zona de transición afecta gran­ demente el comportamie.nto de la' relación esfuerzo-defor­ mación. · La llegada y . el grado de la no l inealidad en la curva esfuerzo-deformación, obviamente dependerá de la veloci­ dad de · la apl icación de la carga. A un n ivel dad_o _d e. esfuerzo, la velocidad de la propagac ión de la grieta y por lo tanto del módulo de elasticidad, depende de la velocidad a la que se aplica la ca·rga. Bajo una carga instantánea, solamente puede ocurrir una pequeña deformación antes de la fal la y el módulo de elasticidad es muy alto. . Dentro def rango de tiempo normalmente requerido para . probar 'los es pe c ímenes (2 a 5 minut�s), la deformación se incrementa de un 1 5 a 2 Ó por de.ntÓ, por lo'. que el módulo . de · elasticidad di�minuye en forma correspondiente. Para . velocidades de carga mUy lentas, las deformacio.nes elástica y por fluencia se · sobrepondrán', disminuyendo así más el módulo de elasticidad. La figura 4-7 presenta . un d iagrama · resumen, mostrando todos los factores analizados anteriormente que afectan el módulo de elasticidad del conC:reto. FACTORES QUE AFECTAN EL MÓD U LO DE ELASTICIDAD DEL CONCRETO · a ... : ESTADO DE H U ME DAD DEL ESPÉCIMEN Y CON DICIONES DE · CARGA MÓD U LO DE ELASTICIDAD DE LA MATRIZ DE LA PASTA DE CEMENTO · 1 PARÁMETROS DE PRU EBA ü POROSIDAD POROSIDAD Y COMPOSICIÓN DE LA . ZONA DE TRANSICIÓN :1 MATRIZ DE LA PASTA DE CEMENTO MÓD U LO DE ELASTICIDAD DEL AGREGADO 1 . ZONA DE TRANSICIÓN ·� . ·� FRACCIÓN DE VOLUM E N 1 POROSIDAD ' ' · . ; AGREGADO · Figura 4-7. Varios parámetros que influyen en el módulo de elasticidad del concreto. 64 CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Estabilidad Dimensional Tab�a 4-3� Coinbinadones de carga, restriccic:>n, y condiciones de humedad FLUJO BASICO cr CONFIGURACION INICIAL ,- - -, AELAJACION DE ESFUERZO 0}o .... _ ..... AETRACCION POR SECADO (SIN RESTRICCION) AETRACCION POR SECADO (EMPOTRADO) D HA < 100% DEFOAMACION UNITARIA ELASTICIDAD o DEFORMACION UNITARIA .(o (BAJO DEFOAMACION CONSTANTE) FLUJO PLASTICO RETRACCION POR SECADO rFTii WJ1 0 TIEMPO DEFORMACION UNITARIA O TIEMPO DEFORMACION UNITARIA ·t=_ O TIEMPO DEFORMACION UNITARIA FLUJO PLASTICO POR HR < 100% o O TIEMPO NO HAY MOVIMIENTO DE HUMEDAD ENTRE EL CONCRETO Y MEDIO AMBIENTE (NO HAY RETRACCION POR S CADO) . . � EL · ESFUERZO CONSTANTE CON EL PASO DEL TIEMPO ESFUERZO o TIEMPO RETRACCION POR SECADO ESFUERZO O AETRACCION POR SECADO RELAJACION DE ESFUERZO (BAJO DEFORMACION CONSTANTE) CONCRETO, estructura, propiedades y materiales ·t=0 TIEMPO • NO SE GENERAN ESFUERZOS . ESFUERZO • DESARROLLO DE ES· �UEAZO A LA TENSION ESFUERZO ELASTICIDAD • EL EJEMPLO ANTERI· OR ES UN CASO PAATI· CULAR CON E • O o TIEMPO ESFUERZO o TIEMPO • LA DEFORMACION TO· · TAL NO ES LA SUMA DE ., LA ELASTICIDAD, FLUJO PLASTICO BASICO Y LA DEFORMACION POR RE· TRACCION POR SECA· DO. LA DEFORMACION DEBIDA AL FLUJO PLAS • TICO POR SECADO DE· BERA.iN-Ci.U IRSE. ESFUERZO O RELAJACION DEFORMACION UNITARIA • EL ELEMENTO ESTA . LIBRE DE MOVIMIENTO TIEMPO HA < 1 00% CONFIGUAACION INICIAL • DEFORMACION CONSTANTE CON EL PASO DEL TIEMPO TIEMPO filf�;¿t" º•b DEFORMACION UNITARIA RELAJACION DE ESFUERZO (EMPOTRADO) º•b_ t==�· L '�o ºFro HR < 100% rr w ESFUERZO ELASTICIDAD . CONFIGURACION INICIAL AETRACCION POR SECADO TIEMPO NOTAS TIEMPO CONTRA TIEMPO DEFORMACION UNITARIA T 1 ESFUERZO CONTRA DEFORMACION UNIT�RIA DIAGRAMA MECANISMO """ • EL ESFUERZO DE RELAJACION SE OPONE AL ESFUERZO DEBIDO A LA RETRACCION POR SECADO RETRACCION ESFUERZO ELASTICIDAD o • LA RETRACCION Y EL ESFUERZO DE RELAJA· CION ACTUAN EN LA MISMA DIRECCION. ESFUERZO RESULTANTE TIEMPO 65 Estabilidad Dimensional Retracción por secado y por flujo Por una variedad de razones, es conveniente analizar tanto la retracción por secado como los fenómenos viscoelásticos en forma conjunta. Primero, tanto la retracción por secado como el flujo, se originan en la misma fuente: la pasta de cemento hidratada; segundo, las curvas de deformación­ tiempo son muy simi lares; tercero, los factores que influyen en la retracción por secado también influyen en el flujo plástico y general mente en la misma forma; cuarto, en . el concreto la m icrodeformación de cada una es de 400 a 1 000 x 1 ff6 , es grande y no puede ser ignorada en el diseño estructural; y quinto, ambas son parcialmente reversibles. Causas E l incremento en la deformación por flujo, que i nvariable­ mente ocurre cuando el concreto es expuesto simu ltánea­ mente a cond i c iones de secado, es cau sada por el microagrietamiento adicional en la zona · de transición de­ bido a la retracción por secado. La ocurrencia de la respuesta elástica retrasada en el agre­ gado es aún otra ciu sa del flujo en el concreto. Puesto que la pasta de cemento y el agregado están estrechamente l igados, el esfuerzo en la primera decli na gradualmente en cuanto la carga es transferida al segundo, ·e l que con el incremento de la transferencia de carga, se deforma elásti­ camente. En esta forma, la deformación elástica retrasada del agregado contribuye al fl ujo total . ·· . Como se describió en el capítulo 2, una pasta de cemento saturada no permanecerá dimensionalmente estable cuan­ do se expone a humedad ambiental por abajo de la satura­ ción, principalmente porque la pérdida del agua físicamente adsorbida del H-5-:C, resulta en deformación por retracción. Igualmente, cuando una pasta de cemento hidratada está sujeta a esfuerzos sostenidos, dependiendo de la magnitud y duración del esfuerzo aplicado, el H-S-C perderá una gran cantidad del agua físicamente adsorbida y ' la pasta mostrará una deformación por el flujo. Esto no sugiere que no haya otras causas que contribuyan al flujo en el concreto: sin embargo, la pérdida de agua adsorbida bajo presión soste­ nida parece ser la causa más importante. En pocas palabras, tanto la deformación de retracción por secado como por. el flujo en el concreto, se suponen estar relacionadas prin cipal­ mente con la remoción de agua adsorbida de la pasta de cemento hidratada. La difer�ncia es que en un caso la humedad relativa dife­ rencial entre la del concreto y la del medio ambiente es la fuerza conductora, mientras que en el otro caso es un esfuerzo sostenido aplicqdo. Efecto de las condiciones de carga y de humedad en la retracción por secado y en el comportamiento viscoelástico En la práctica, la retracción por secado y el comportamiento viscoelástico generalmente se l levan a cabo simultánea­ . mente. Hay que considerar las distintas combinaciones de carga, restricción y condiciones de humedad q ue se presen­ tan en la tabla 4-3 : La apl icación de un esfuerzo constante: en un espécimen de concreto en condiciones de 1 00 por ciento de humedad relativa lle.va a u n i ncremento de la deformación con el tiempo, lo que es l lamado flujo básico. Esta condición se presenta a menudo en estructuras masivas de concreto, en donde la retracción por secado puede ser despreciada. Ahora, en l ugar de aplicar un esfuerzo cons­ tante, analicemos el caso en que una deformación constante es impuesta en u n espécimen de concreto. Cuando la deformación es aplicada, el espécimen de conc�eto tendrá un esfuerzo elástico instantáneo; sin embargo, el esfuerzo disminuirá con el tiempo por el fenómeno de relajamiento del esfuerzo. Como se estableció nuevamente en el capítulo 2, un caso menor de la retracción del sistema ya sea por resultado del secado o por un esfuerzo aplicado, es la remoción de agua retenida por tensión hidrostática en pequeñas capilaridades ( < 50 nm) de la pasta de cemento hidratada. Tanto el flujo como el relajamiento del esfuerzo pueden ser visualizados como resultado de la aplicación de esfuerzo a un resorte clásico y · a un modelo de amortiguador (la conexión en serie.o en forma paralela de resortes y amorti­ guadores se analizan en el capítulo 1 2). Las causas del flujo en el concreto son más complejas: Se acepta en general que además . de los movimientos de humedad, hay otras-causªs que contribuyen al fenómeno del flujo. La no linealidad .Qe la relación esfuerzo-deforma­ ción en el concreto, especialmente en cuanto a los niveles de esfuerzo mayores de 30 a 40 por ciento del esfuerzo ú ltimo, muestra claramente la contribución de las micro­ grietas de la zona de transición al flujo. Al exponer un espécimen de concreto no restringido a condiciones de baja humedad relativa, se causa una retrac­ ción por secado que se i ncrementa con el tiempo. Sin embargo, si el espécimen es restringido, es decir, si no tiene movimiento libre, la deformación será cero, pero los esfuer­ zos de tensión se desarrollarán con . el paso del tiempo. Esta condición es la razón de la· mayoría de las grietas debidas a la retracción por secado. 66 CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Estabilidad Dimensional � � Cl � .§ ·g § (a) .E o Q) ¡ ·1000 .-----:--, - Rehumedecido · Secado ----..¡..,,_ 800 1 600 400 200 30 40 Tiempo (días) 50 80 70 80 1 000 e: -o "ü § ro .E (b) Q) "O e u � 800 600 por nujo 400 -�r 200 . o . J . Flujo Irreversible __ . Deformación elástica . · � 40 � 80 Tiempo después de la carga(días) 1 00 1 20 Figura 4-8. Reversibilidad de la retrac­ ción por secado y el flujo. (De: S. Min­ dess y J. F. Young, Concrete, 1 98 1 , págs. 486-501 . Reimpreso con autorización de Prentice- H a l l , l n c., E n glewood Cliffs,N. J.) Existe una similitud re�arcada del comportamTento del .concreto sobre: a) Secado y remojado y b) Cargado (a compresión uniaxia/) Y desc�rgado. Se h:a observado q ue cuando el concreto está bajo carga y simultáneamente expuesto a ambientes de humedad relati­ va baja, la deformación total es más alta que la de la suma de la deformación elástica, la deformación por libre retrac­ ción (la deformación por retracción por secado del concreto no cargado) y la deformac ión básica por fl ujo (sin secado). ·El fl ujo adicional q ue ocurre cuando el espécimen bajo carga está también secándose, se l lama flujo por secado. E l flujo total e s la suma del fl ujo básico y el flujo por secado sin embargo, es una práctica comú n ignorar la distribución . entre el fl ujo básico y el flujo por secado, por lo que el flujo es simplemente considerado como la deformación bajo una carga en exceso de la suma de la deformación elástica y la deformación por retracción por secado libre. La interacc ión entre. la deformación restringida por retrac­ ción por secado y el esfuerzo de relajación debido al comportamiento viscoelástico del concreto, se i lustró en la figura 4-1 y se muestra también en la tabla 4-3. Debido a las condiciones de borde, la. deformación es cero y la magnitud de los esfuerzos de tensión causados por la retrac­ ción por secado, son reducidos por la relajación del esfuer­ zo. Nótese que la presentación de los datos de flujo pueden hacerse en diferentes formas, lo que da l ugar a una termi­ nología especial. Por ejemplo, el flujo específico es la deformación por flujo por unidad del esfuerzo apl icado y el coeficiente de fl ujo es la relación entre . la deformación por flujo y la deformación elástica. CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Reversibilidad El comportamiento típico del concreto en el secado y en el remojado, o en el cargado y descargado, se muestra en la figura 4-8. Los fenómenos tanto de la retracción por secado como del flujo en el concreto, exhiben un grado de ir,re­ versibiltdad que tiene un signifiéado práctico. La figura 4-8 muestra que después del primer secádo, el concreto no regresó a su dimensión original al remojarlo. Por lo tanto, la . retracción por secado ha sido clasificada como retracción reversible, que es una parte de la retrac­ ción total que es reproducible en ciclos mojado-seco; y la retracción irreversible que es la parte de la retracción total en el primer secado que no puede ser reproqucida en ciclos subsecuentes de mojado-seco. La retracción irreversible de secado probablemente se debe al desarrol lo de l igamentos químicos, dentro de la estructura del H-5-C como una consecuencia del secado. La mejora en la estabi lidad di­ mensional del concreto como resultado del primer secado, ha sido util izada como ventaja para la elaboración de productos de concreto precolados. La curva de flujo del concreto simple sujeto a una compre­ sión uniaxial sostenida durante 90 d ías y después descarga­ do, se muestra en la figura 4-8b. Cuando el espécimen es descargado, la recuperación instantánea ·º recuperación elástica es aproximadamente del mismo orden que la defor­ mación elástica en la primera aplicación de la carga. La 67 Estabilidad Dimensional .. . recuperación instantánea es seguida de una disminución . gradual de la deformación l lamada recu peración del flujo. Aunque la recuperación de flujo ocurre más rápidamente que el flujo, la reversión de la deformación por flujo no es totaL ·En forma similar a la retracción por secado (figura 4-8a), este fenómeno es definido por los términos _corres­ pondientes: flujo reversible y flujo irreversible. Una parte del flujo reversible puede ser atribuida a la deformación elástica retardada en el agregado, que es totalmente recu­ perable. Factores que afectan la retracción por secado y el flujo En la práctica, los movimientos de la humedad en la pasta de. cemento hidratada, que esencialmente controlan la re­ tracción por secado y las deformaciones del flujo en el concreto, son influidos por numerosos factores que interac­ túan simultáneamente. Las interrelaeiones entre estos factores . son realmente com­ plejas y no son fáci lmente entendidas. Los factores se clasifican y analiÚn más adelante en forma individual, únicamente con el propósito de entender su significado relativo. Materiales y proporciones de la mezcla. La fuente principal de las deformaciones relac ionadas con la humedad _ �n el . conc�eto, es la pasta de cemento hidratada. Por lo tan�(), se · han hecho muchos_ intentos . para _ obtener . fórmu l.as que relacioner:i la retracción por secado o las deformaciom�s debidas al fl ujo, con la fracción del va .l umen de la pasta de cemento hidratada en el concreto (que es determinada por el contenido de cemento y el grado de hidratación). Aunque tanto la deformación por retracción por secado como la deformación por flujo son una función del · contenido de pasta de cemento hidratada, una proporcionalidad directa no existe, porque la restricción contra la deformación tiene una níayor. i nfluencia en la magnitud de la deformación. La mayoría de las fórmulas teóricas para predecir la retrac­ ci,ón· por secado o el flujo del concreto, suponen que el módulo de elasticidad de éste puede proporcionar una medida adecuada del grado de restricción contra la defor­ mación y que como una primera aproximación, el módulo de elastiddad del agregado determina el módulo de elasti­ cidad del concreto. Cuando el módulo de elasticidad del agregado se vuelve parte de una fórmula · mate mática, es conveniente relacionar la retracc ión por secado, o la defor­ mación por flujo, con la fracción de agregado y no con la fracción de pasta ·de cemento en el concreto. Esto se hace fáci lmente porque la s'u ma de las dos es constante. 68 Powers4 in �estigó la r�tracción por secado de concretos que contenían dos. agregados diferentes y relaciones agua/ce­ mento de 0.35 ó 0.50. Por los datos que se muestran en la figura 4-9a, la relación de la retracción del concreto (Se) y la retracción de la pasta de cemento (Sp) se pueden r�la cio­ nar exponencial mente con la fracción de vol umen del agregado (g) en el concreto. Se n = ( 1 -g) Sp (4-1 ) - L' Hermite5 encontró que los valores de (n) · varia ban entre 1 .2 y 1 .7 dependiendo del módulo de elasticidad del agre­ gado. Desde el punto de vista de las causas de la retracción y de los constituyentes de restricc ión a la retracción en el concreto, Powers sugirió que cualquier cemento no hidra­ tado presente puede ser considerado una parte del agregado (figura 4-9)� · La figura 4-9b muestra que una relación simi lar existe entre la concentración del vol umen de agregado y el flujo del concreto. Nevi l le6 sugirió que el flujo del concreto (Ce) y de la pasta ·d e cementó (Cp), pueden relacionarse con la suma del . agregado (g) y el contenido de cemento no hidratado (µ): . log � = C e a. log 1 - 1 g -, µ En el concreto bien curado, despreciando la pequeña frac­ dón de cemento no hidratado (µ), la fórmula puede ser modificada así: Ce Cp - . ( 1 -g) = a (4-3) Por lo que la fórmula para el flujo y la retracc ión por secado son similares. · La granulometría, el tamaño máximo, la forma y la textura del agregado también se han sugerido como factores que influyen en la retracción por secado y en el flujo. Se acepta en general que e! módulo dé elasticidad del agregado es lo más importante; la influencia de otras caracterí�ticas del agregado puede ser indirecta, es decir a través de su efecto en el contenido de agregado del concreto, o sobre la compactibilidad de la mezcla de concreto. La influencia de las características del agregado, principal­ mente el módulo de elasticidad, fue confirmada por el estudio de Troxel l y otros 7 (figura 4-1 O), sobre el fl ujo y la 4 5 T. C. Powers, Rev. Mater. Construct. (París), No . 545, págs. . . . . 79-85, 1 96 1 . . R. L' Hermite, Proc. Fourth lnt. Symp. Chemistry of Cements, National Bureau of Standards, Washington, D.C., 1 9 62, págs. 659-94. 6 A. M. Nev1lle, Mag. Concr. Res. (Londres), Vol. 1 6, No. 4 6, págs. 2 1 -30, • . . 1 964. CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Estabilidad Dimensional 1.0 -------------Pasta de cemento o Relación A/C = 0.35 t:::. Relacion A/C = 0.50 0.8 .. ..... 450 400 350 e: -o "ü coo 300 . � . 0.6 � Q) 'O e: ' C\I Rango para · concreto normal :g 0.4 X E ·E. 250 z 200 o ü: ro ·:; -¡¡; a: 1 50 100 0.2 50 · o .___ o _______ _____._____.__....___._ _ 20 40 · � 80 60 1 00 o o 20 . (a) Figura A-9. I nfluencia del contenido de agregado sobre: a) Retracción por secado y b) Flujo. ((a), Concrete Soeiety (london), Technical Paper 1 01 , 1 973) · ' 60 40 100 80 Volumenes de concentración de agregado; % . c��tenido de agregado cemento no. hidratado % · ·· 1 (b) D e: ACI Mo nograph 6, 1 97 1 , pág. 1 26; (b),. De: · El contenido del agregado en e/ concreto es el factor más importante que afecta la retracción por secado y el flujo. El cemento no hidratado no se contrae y por lo tanto puede ser incluido en el agregado. retracc ión del concreto en un período de 23 años. Puesto · que el módulo de elasticidad del agregado afecta la defor­ mación elástica del concreto, se encontró una buena corre­ lac ión entre la deformac;!ón elástica del concret<? y los valores de la retracción por secado o el · flujo. Util izando proporciones fijas en la mezcla, se encontró que los valores de la retracción por secado en 23 años de concretos que contenían · agregados de cuarzo y piedra cal iza, mostraron una retracción por secado de 550 y 650x1 0-6 respectiva­ mente, y concretos que contenían grava y piedra arenisca fueron de 1 1 40 y 1 260x1 ff6 respectivamente. La deforma­ ción elástica de concretos que contenían ya sea agregados de cuarzo o de piedra cal iza, fue de aproximadamente 220 x 1 0-6 , y la deformación elástica del concreto que contenían ya sea grava o piedra arenisca, fue de aproximadamente 280 x 1 o-6 • Los valores correspondientes del flujo fueron 600, 800, 1 070 y 1 500 x 1 0-6 para concretos que . contenían piedra cal iza, cuarzo, grava y piedra ar,e nis ca respectiva­ mente. La importancia del mód u lo de elasticidad del agre­ gado en el control de las deformaciones del concreto es obvia de acuerdo con los datos de Troxel l y otros, que muestran que tanto la retracción por secado como el flujo del concreto, se incrementaron 2.5 veces cuando un agre. gado con un módulo de elasticidad alto fue sustituido por un agregado con bajo módulo de elasticidad. . Aunque la influencia del tipo de agregado sobre el flujo y la retracción por secado es similar, un examen cercano de las curvas de la figura 4-1 O muestra diferencias sutiles. Por 7 G. E. Tro xell , 1 1 01-20, 1 958. J. M. Raphael y . R. E. Davis, Proc. ASTM, Vol. 58, págs; CONCRETO, estructura, propiedades y materiales ejemplo, en comparación con la deformación por retrac­ ción de secado, el· flujo de los concretos que contenían agregados de basalto y de cuarzo, fue relativamente más alta. Unaexplicación posible es el más alto grado de microagrie­ tamiento en la zona de trar:'si c ión, cuando un agregado . relativamente no reactivo está presente en el sistema. Esto . subraya la afirmación de que el . flujo en el concreto es controlado por más de un mecanis.mo: Dentro de ciertos l ímites,· las variaciones en la finura y composición del cemento portland afectan la velocidad de la hidratación, pero no el volumen y las características de los prodÜctos de· la hidratación. Por lo tanto, muchos inves­ tigadores han observado que los cambios normales en la finura del cemento o en su composición, que tienden a influir en el comportamiento de la retracción por secado de especímenes pequeños de pasta de cemento o de mortero, tienen un efecto despreciable en el concreto. Obviamente, con un agregado dad.o y con proporciones de . mezcla dadas, si el tipo de cemento influye en la resistencia del concreto en el momento de la aplicación d� la carga, el fl ujo del concreto será afectado. Cuando se carga a edades tempranas, el concreto que contienen cemento portland ordinario generalmente muestra un mayor flujo, que el concreto correspondiente que contiene cemento de alta resistencia inicial (figura 4-1 1 b). Lo.s concretos de cemento portland con escoria de alto horno · y de cemento portland con puzolana, también muestran un flujo más alto a la edad temprana que el correspondiente al concreto de cemento . Tipo l . ' 69 Estabilidad Dimensional 1600 � o .,... c5 1200 o 800 a} u Q) (/) c.. e: ó Arenisca ll. • • • e - 1 600 Grava Basalto Granito Caliza Cuarzo 1 200 � o .,... ·s- -o u ·o !!! (j) ex: 800 o u: 400 o 1 0d 400 28d 90d 5 2 10 90d 28 d 20 Tiempo después de expuesto ( ese. lag) 2 5 10 20 Tiempo después de cargado (ese. lag) Figura 4-1 0. Influencia del tipo de agregado sobre la retracción por secado y el flujo. (De: G. E. Trnxell y otros, Proc. ASTM, Vol. 58, 1 958; y ACI Monograph 6, 1 97 1 , págs. 1 28-1 5 1 . Reimpreso por autorización del ASTM Copyright, ASTM, 1 91 6 Race Street, Phi ladelphia, PA 1 9 1 03. El módulo de elasticidad del agregado puede afectar la magnitud de la retracción por secado última y el flujo hasta en 2.5 veces. ca/iz.'is densas y el cuarzo tienen módulos de elasticidad más altos que la arenisca y la grava. · En general, las piedras e: :Q .o () .X () ro o .!::; 'U ID ro '- () Q) Q) 'U en O> E o E a. -� .Q. ¡¡:: � Q) Q) 'U 1 Q) ' - o •O o Q) o 1 _ 1 ____.1____. _.... _ .___..._ _0.2 0 .4 0.6 1.0 0.8 Relación agua/cemento ·u � 0 o resistencia inicial Id 3 7 __.____, . ....___. .._ ___. . .___.___,_____._ (a) 14 28 56 9 0 180 360 Edad de _carga, días (b) Retracción o g 1 .0 LL --.... , 120 240 360 '- ....._ Flujo ....... ....... __ 480 Contenido de cemento, kg/m3 600 (e) Figura 4-1 1 . a) Efecto del contenido de agua en la retracción o en el flujo; b) Efecto del Íipo-de cemento en el flujo; c) Infl uencia dél contenido de ·cemento en la retracción por secado y en el flujo. ((a) - (b), De: lnternational Recomendations for the Design and Construction of Concrete Structures, CEBIFIP, 1 970; e) De: T. R. Janes, T. J. H irsch y H. K. Stephenson, Texas Transportation lnstitute Report E52, 1 959; y ACI Monograph 6, 1 971 , pág. 1 78). Probablemente debido a una disminución en la resistencia y a un aumento en la permeabilidad del concreto, tanto la retrac,9ón por secado como el flujo plástico son incrementados con el aumento de las proporciones de agua/cemento. En comparación con cemento portland normal u ordinario, el flujo plástico es ligeraménte reducido al utilizar un cemento de alta resistencia temprana. No todos los parámetros afectan la retracción por secado y el flujo plástico en la misnia forma; con una relación dada de agua/cemento, un contenido de cemento más alto tenderá a incrementar la retracción por secado pero reducirá el flujo. 70 CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Estabilidad Dimensional ¡g •C: ro o C\I en .Q ro e: 'º º(3 u g � 11> "O rP- 100 , (a ) Promedio de 5 6 cilindros en o •C: ro o C\I en 80 .Q 60 ro o ª' 40 20 o 11> "O rP- ..._�--''--��..__��---'�--'��-'--�.....___, 1 0 días 28 días 90 días 1 año 2 años 5 años 1 O años 20 años · Tiempo después de expuesto (ese. log) 100 (b) Promedio de 75 cilindros 80 60 40 20 o --�__..��--'--��_._�_._��--�---- 1 O días 28 días 90 días 1 año 2 años 5 años 1 0 años 20 años Tiempo después de cargado (ese. log) Figura 4-1 2. La d epe nd en cia del tiempo de: a) Retracc ión por secado y b) Flujo. (De: F. E. Troxe ll y otros, Proc. ASTM;Vo l. 58, 1 958. Re impreso con autorización de ASTM. Copyright, ASTM, 1 91 6 race Street, Philadelphia Pa 1 91 03) · Para un amplio rango de mezclas de concreto, la retracción por secado y el flujo muestran una dependencia similar respecto al tiempo. En general, la influen c ia del contenido de cemento y de agua del concreto sobre la retracción por secado y el flujo, · no es directa, porque un incremento en el volumen de la pasta de cemento significa una disminución en la fracción de agregado (g) y consecuentemente, un incremento corres­ pondiente en la deformación dependiente de la hum.edad en el concreto. Para u n contenido dado de cemento, con una relación agua/cemento creciente, tanto la retracción por secado como el flujo, se sabe qúe se incrementan. U na disminución en la resistencia (por lo tanto, el módulo de elasticidad) y un au�ento en la permeabi lidad del sistema · son probablemente responsables de esto. Los datos de la figura 4-1 1 a, muestran que, para una relación dada de agua/cemento, tanto la retracción por secado como el flujo se incrementaron al incrementarse el contenido de cemen­ to. Esto es de esperarse debido a un aumento en el volumen de la pasta de cemento; sin embargo, en la práctica real, no sucede siempre así. Los resultados de una gran cantindad de investigaciones experimentales han demostrado q ue el anál isis teórico an­ terior . es positivo . para la retracción por secado, pero no siempre para el fl ujo. Los datos experimentales muestran que dentro de un amplio rango de resistencias del concreto, el flujo es inversamente proporcional a la resistencia del concreto en el momento de la aplicación de la carga. Parece, por lo tanto, que el efecto de disminuir el contenido de agregado con un posible aumento del flujo, es más que compensado por una reducción en el flujo que está asocia­ do con el incremento en la resistencia del concreto. En la figura 4-1 1 c se muestran curvas que il ustran el efecto del contenido de cemento tanto en la retracción por secado como en el flujo, a �na relación constante de agua/cemento. CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Los aditivos del concreto tales como el cloruro de calcio, la escoria granulada y las puzolanas, tienden a incrementar el volumen de los poros finos en el producto de hidratación del cemento. Puesto que la retracción por secado y el flujo en el concreto están asociados directamente · con el agua retenida por los pequeños poros en el rango de 3 a 20 nm,. los concretos que contienen aditivos capaces de reafinar los poros, generalmente muestran una retracción por secado y un flujo más· altos. Los aditivos reductores de agua y los retardantes de fragua­ do, que son capaces de efectuar una mejor dispersión de las partículas del cemento anhidro en el agua, también condüceri al · refinamiento de poros en el producto de hidratación. En general, es de esperar que los aditivos que incrementan la retracción por secado incrementarán el flujo. Tiempo . y humedad. La difusión del agua . adsorbida y el agua retenida por la tensión capilar en pequeños poros (por abajo de 50nm) de la pasta de cemento hidratada, hacia los grandes vacíos capilares dentro del sist�ma o . hacia la atmósfera, es un proceso dependiente del tiempo que tiene l ugar en períodos largos. En pruebas a largo plazo de flujo y de retracción por secado, que dur.aron más de 20 años, Trox�l l y otros encontraron que para un amplio rango de prop<?rciones de la mezcla de concreto, tipos de agregado y condiciones ambientales y de carga, solamente de 20 a 25 por ciento de la retracción por secado de 20 años, se l levó a cabo en 2 semanas, 50 a 60 por ciento en 3 meses y 75 a 80 por ciento en un año (figura 4-1 2a). Sorprendentemente, se encontraron resultados simi­ lares para las deformaciones por flujo, como se muestra en la figura 4-1 2b. 71 Estabilidad Dimensional o o Q) . VJ >. ::J E 50 u;> � "O Ctl o Q) VJ (; a. e: •O "(3 o � (ij a: 3.5 . 3.0 40 X o \11 o o o Q) VJ >. ::J E � � 30 cu ::J g e: 20 o o o 10 o "O Q) E •::J .e: >. ::J E o � Q) "O Q) E Q) '.Q a; o ·u �::J 2.5 ::i· cu ::J Cl cu e: 2.0 1 .5 o "O Q) E •::J .e: >. . E � � o o o �::J u u 1 .0 o 0.5 1 00 90 80 . 50 60 70 40 o 1 00 90 80 . 70 60 50 40 30 H_umeda relativa del aire, % . Humeda relativa del aire, % Figura 4-1 3. Influencia de la húmedad relativa sobre: a) Contracción por secado y b) Flujo. (De: lnternational Recommendations for the Design and Construction of Concrete. Structures, CEB/FIP, 1 970) · Los efectos de la humedad relativa del aire en la retracción por. secado y el flujo también son similares. . Un incremento en la humedad atmosférica se e�pe �a que di�minuya la velocida.d. relat¡va del flujo de humedad, desde el interior hacia las superficies exteriores def concreto. Para una condición de exposición dada, los efectos de la hume­ dad relativa del aire en la deformación por retracción por secad o (figura 4-1 3a) y el coeficiente' de flujo (figura 4-1 3b), se ' ilustran en los diagramas publicados por el Comité Euro-lnternational du Beton (CE B) 8 � A un H R del · 1 00 por ciento, la retracc ión por secado (Ec) se supone· que es cero, aumentando a aproximadamente 200 microdeformaciones a 80 por ciento de H R y a 400 microdeformaciones a 45 por . ciento de H R. Igualmente, el coeficiente de flujo, que es uno de ·l os c inco coeficientes parciales que· contribÚyen al fl ujo total, se supone que es de . 1 al 1 00 por ciento de H R, aumentando aprOximadamente de 2 a 80 por ciento d e H R y 3 a 4 5 por ciento d e H R: datos recientes del Comité, que muestran el · efecto de · las condiciones de humedad y el espesor de la estructura del concreto en la retracción última por secado y flujo, se presentan en la figura 4-1 4. Geometría del elemento de concreto. Debido a la resisten­ cia del agua a transportarse del interior del concreto a la atmósfera, la velocidad de la pérdida de agua será · obvia­ mente· controlado por la longitud de la sendá recorrida por el agua que está siendo expelida durante la. retracción por ' 8 secado y/o flujo. A un H R constante, tanto el tamaño como la forma de un elemento de concreto determinan la magni­ tud de la retracción por �ecado y el flujo: Es conveniente expresar los parámetros del tamaño y la forma por una simple cantidad de términos de espesor efectivo o espesor teórico, que es igual al área de la sección dividida entre el semiperírnetro en contacto �on la atmósfera. Las relaciones entre . el espesor teórico y la retracción por secado y el coeficiente del flujo, como se presentan en los diagramas del CEB, se i lustran en la figura 4-1 4 a y b. Factores adicionales que afectan el flujo. La historia del curado del concreto, la temperatura de la exposidón y la magnitud del esfuerzo apl icado, se sabe que afectan al flujo por secado más que a la retracción por secado, probable­ . mente debido a la mayor influencia de estos factores en las características de la zona de transición (es decir, la porosi­ dad, el microagrietamiento y la resistencia). Dependiendo de la historia del curado de u n �lemento de concreto, las deformaciones por fl ujo en la práctica pueden ser significativamente diferentes de aquél las de una prueba de laboratorio real izada a humedad constante. Por ejemplo, los ciclos de secado pueden realzar el microagrietamiento en la zona de transición y por lo tanto incrementar el flujo plástico. Por la misma razón, a menudo se ha observado que alternar la humedad ambiental entre dos l ímites resul- lnternational Recommendations for the Design and Construction of Concrete Structures. CEB/FIP. 1 976. 72 · · CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Estabilidad Dimensional iriterés para estrüciuras nucleares PCRV (rúíves reá.ctoras de concreto presforzado) porque la atenuación de néutrones y la absorción de rayos gama causa un incremento en la temperatura del concreto (ver capítulo 1 1 ). · 2.2 50 %HR 2 o � 1 .8 Q) "O Q) 70 %HR E :§ Qj Q) (.) 1 .6 o 1 .4 90 %HR 1 .2 o 1 00 . 300 200 Espesor teórico (mm) 400 500 La proporcionalidad es válida en cuanto el esfuerzo apl ica­ do está dentro del dominio lineal de la relación esfuerzo-a­ deformación (es decir, una relación esfuerzo resistencia de 0.4 para un esfuerzo de compresión)� A proporciones altas de esfuerzo-resistencia se debe usar un factor de corrección, · según los datos de . la figura 4-1 7; ¿g_ 0.75 ¿ -o � Q) "O � En relación con la intensidad del esfuerzo aplicado. Troxel l y otros, encontraron una proporcionalidad directa entre la magnitud de esfuerzo sostenido y el flujo del concreto con . una relación agua/cemento de 0.69 (20 MPa de resistencia . a la compresión nominal). Por ejemplo, especímenes cura­ dos durante 90 días y después cargados durante 21- años, mostraron deformaciones de flujo de 680, 1 000 y 1 450 x 1 0-6, correspondiendo a niveles de esfuerzo de 600 (4MPa), 900 (6 MPa) · y 1 200 p·s i (8 M_Pa), respectivamente (figura 4-1 6). 0.5 e Q) 2 Retracción térmica (.) En general, los sólidos se expanden con el calor y se contraen con el frío. La deformación asociada con el cambio de temperatura dependerá del coeficiente. de expansión térmica del material y de la magnitud del descenso o ascenso de la temperatura. Excepto en . condiciones extre­ mas de dfma, . las.estructuras de concreto ordinario reciben poco o ningún daño por los cambios en ·1a . temperatura ambiente. Sin embargo, en estructuras masivas, la combi­ nación del calor producido por la hidratación del cemento y las condiciones relativamente pobres de disipación de calor, resultan en un gran incremento en la temperatura del concreto dentro de los pocos días que siguen a su coloca­ ción. Subsecuentemente, el enfriamiento a la temperatura ambiente a menudo causa que se agriete el concreto. Puesto que la preocupación principal en el diseño y construcción de estructuras · de concreto masivo es que la estructura terminada permanezca como un monolito libre de grietas, todo esfuerzo para controlar el incremento de la tempera­ tura se hace a base de la selección de los materiales adecua­ dos, las proporciones de la mezcla, las condiciones de curado y las prácticas de construcción (ver capítulo 1 1 ). "ü � 0.25 o o 10 1 00 Tiempo de secado (días) 1 000 1 0000 Figura 4-1 4. a) I nfluencia del tamaño del espécimen y la humedad relativa sobre el coeficiente de flujo. b) Influencia del tiempo de exposición y tamaño del espécimen en el coeficiente de la retrae. ción por secado · (Datos de ecuaeiones propo'rcionados· por el Reglamento Modelo CEB-FIP, 1 990) tará en un flujo mayor que el obtenido con un� humedad constante (dentro de esos l ímites). La temperatura a la que-se expone el concreto puede tener dos efectos contrarios en el flujo. Si un elemento de concre­ to es expuesto a una temperatura más alta de la normal, como parte del proceso de curado antes de ser cargado, la resistencia se incrementará y la deformación por flujo será menor que la de un concreto correspondiente almacenaqo a una temperatura más baja. Por otra parte, la exposición a alta temperatura durante el período bajo carga, puede in­ crementar el flujo. Nasser y Neville9 encontraron que en un rango de 2 1 ° a 71 ºC, el flujo de 350 días se incrementó aproximadamente 3.5 veces con la temperatura (figura 4.1 5). La influencia de la temperatura en el flujo, es de considerable 9 K. W. Nasser y A. M. Nevil le, J. ACI, Proc., Vol. 64, No. 2, págs. 97-1 03, 1 967. CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Con materiales de baja· resistencia a la tensión, tales como el concreto, la deformación por retracción de enfriado es más importante que la. expansión por el calor generado por la hidratación del cemento .. Esto es porque, dependiendo del módu'lo de elasticidad, el grado de restricción y el esfuer-?'.o de relajamient9 debido al flujo, los _esfuerzos 73 Estabilidad Dimensional 71 ºC 3000 � o .... .5" ¡¡: o 2000 46ºC 21ºC 1000 o o 50 1 00 1 50 · 200 250 350 300 400 450 Tiempo bajo carga, días Figura 4- 1 5. Efecto de la temperatura del concreto en el flujo. ( De: K. W. Nasser y A. M. Neville, J. ACI, Proc., Vol. 64, No. 2 , 1 9 67; y ACI Monograph 6, 1 971 , pág. 1 62) A una relación esfuerzo-resistencia del 70 por ciento, el flujo a los 350 días puede incrementarse 3-5 veces, si Ja temperatura circundante se eleva de 21ºC a 71ºC resultantes a la tensión pueden ser suficientemente grandes para causar el agrietamiento. Por ejemplo, suponiendo que el coeficiente de la expansión térmica (a) del concreto sea 1 0 x 1 ff6 por ºC y que la temperatura se incremente sobre la temperatura ambiente (L\T) por el calOr de hidratación en 1 5 ºC, entonces la retracción térmica (e) causada por la caída de 1 5 ºC en la temperat� ra, s�rá aL\T ó 1 50 x 1 ff6 • El módulo . de elasticidad (E) del concreto ordinario puede suponerse que sea 2 . 1 x 1 0 5 kgt/cm2 . Si el elemento de concreto está totalmente restringido (Kr = 1 ) , el enfriamien­ to produciría esfuerzos a la tensión de e E = 3 1 kgtlcm 2 • Puesto que la resistencia a la tensión elástica del concreto ordinario es generalmente menor que 3 1 kgt/cm 2 ,· es prob- able que se agriete si no hay l i beración debida a la relajación del esfuerzo (figura 4-1 ). Sin embargo, hay siempre algún relajamiento del esfuerzo debido al flujo: Cuando el coeficiente de fl ujo es conocido, . el esfuerzo resultante a la tensión (st) puede calcularse por la fórmula: cr r en donde crt = K, -- a. � E 1 + q> = Kr =� Grado T (4-4) Esfuerzo a la tensión de restricción . E = Módulo de elasticidad "O ctS "O '§ o a (/) ctS E 'Cñ • Q) e: -- Cargado a 3 meses - - Cargado a 28 días 1,200 1 ,000 800 600 g .E 400 - - -- - - - - 2.1 MPa o ':J 200 [[ o IOd 20 30 50 70 100 200 1 año Tiempo bajo carga ( ese. log) 2 al'ios 5 ai'los · 1 0 al'ios Figura 4-1 6 . Efecto de la magnitud del esfuerzo sostenido en el flujo plástico. (De: G. E. Troxell y otro s, Proc. ASTM, Vol. 58, 1 958. Reimpreso con autoriza­ ción de ASTM, 1 91 6 Race Street, Phila­ delphia PA 1 91 0 3 ) El flujo es directamente proporcional a la magnitud del esfuerzo sostenido. Con especímenes de concreto de 90 días de edad, la cantidad de flujo último 2 se duplicó cuando el esfuerzo por Ja carga fue incrementado de 42 a 84 kgf/cm • Debido al efecto de la resistencia en el flujo, la figura muestra que a un nivel dado de esfuerzo, se obtuvieron valores más bajos de flujo plástico para el período más largo de curado, antes de la aplicación de la carga. · 74 CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Estabilidad Dimensional 1 .3 � o C5 a. e: •O ·13 � o 1 .2 o Q) "'O � ro .... 1 .1 u. 1 0.45 0.4 0.5 Relación resistencia esfuerzo 0.55 0.6 Figura 4- 1 7. Factor de corrección para calcular el coeficiente de flujo a altos niveles de esfuerzo. (Datos de ecuaciones dadas por el Reglamento Modelo CEB-FIP, 1 990) a. � ílT = Cambio de temperatura Coeficiente de expansión térmica <¡> Los factores que influyen en el módulo de elasticidad y el flujo del concreto se . describieron en las secciones anterio­ res. A continuadón se presenta un análisis de otros factores en la ecuación (4-4) que afectan los esfuerzos térmicos. 1 L e ! 1 1-11� "=' = ' = ' = ' � '= ¡ = ' = '-= h Factores que afectan los esfuerzos térmicos . Restricción continua en la base 1 .00H Grado de restricción (Kr). U n el eme rito de concreto, si tiene 90 Q) l/l ro .o � Q) "'O ro E ro ·13 e: Q) C5 80 70 60 c. (ij 50 e: o 40 -� o c. e c. 30 � .a <( 20 10 o 1 .0 . 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 Restricción, KR (1 .0 = 1 00%) 0.2 0.1 Figura 4- 1 8. Grado de la restricción por tensión en el centro de la sección. (Fuente: ACI Committee· 207, Cooling Mass Concrete, 1 986) CONCRETO, estructura, propiedades y materiales = Coeficiente de flujo o libertaá de movimiento, no tendr� desarrollo de esfuerzo asociado con la deformación térmi ca o de enfriado. Sin embargo, en la práctica, la masa de concreto será restringida ya sea externamente por la piedra de la cimentación, o · internamente por deformaciones diferenciales dentro de diferentes áreas del concreto, debido a la presencia . de gradientes de temperatura. Por ejemplo suponiendo una cimentación rígida, habrá restricción total en la entrecara concreto-piedra (Kr = 1 .0), sin embargo, en cuanto se incrementa la distancia a la entrecara, la restri<:ción dismi­ nuirá, como se muestra en la figura 4-1 8. El mismo razona­ miento puede aplicarse para determinar la restricción entre distintos colados de concreto. Si la cimentación no es rígida, 'el grado de restricción disminuirá. Cuando .se ·trata de una cimentación no-rígida, el ACl-207. 2 R recomienda los si­ guientes multiplicadores para Kr: multiplicador = --­ 8 1+ A E A rE r (4.:.5) en donde Ag =· Área total de la sección transversal del concreto 75 Estabilidad Dimensional T. max T. de servicio T. de colocación Tiempo (días) Figura 4-1 9. Cambio de temperatura con el paso del tiempo · Af = · Área de la cimentación o de otro elemento restric..: tivo. (Para concreto masivo sobre piedra, Af puede con­ siderarse como 2.5 Ag) está l im itada a 1 0 ºC o menos. Durante la operación del mezclado, el calor latente necesario parafa fusión del hielo, es sacado de los otros componentes de la mezcla del concreto, proporcionando una forma muy efectiva de dis­ minuir la temperatura. E l ACI 207 . 4R sugiere una tempera­ tura de colocación tal, q ue la deformación por tensión causada por el abatimiento de la temperatura nO exceda la capacidad de deformación por tensión del concreto. Esto se expresa por la rela c ión: Et = Módulo de elasticidad de la cimentación o del elemento restrictivo · E = Módulo de elasticidad del concret9. Cambio de temperatura (�T). La hidratación ·d e . los com. ' puestos del cemento incluye reacciones exotérmicas que generan calor y un incremento de la temperatura de la masa de concreto. El calentamiento causa expansión y la expan­ sión restringida resulta en esfuerzo de compresión. Sin embargo, en las edades tempranas, el módulo de elasticidad del concreto es bajo y el relajamientq del esfuerzo es alto, · por lo tanto, el esfuerzo de compresión será muy pequeño . aun en áreas de restricción total . En el diseño, para ser conservador, se supone que existe una condición de no compresión inicial. E l cambio de temperatura (�T) en la ecuación (4-4), es la diferencia entre la temperatura pico del concreto y la temperatura de servicio de la estructura, como se muestra en la figura 4-1 9. El cambio de temperatura también _puede expresarse como: �T � Temperatura de colocación del concreto. fresco + incremento adiabático de la temperatura - te mperatura ambiente O de serv.icio - abatimiento de la temperatura debido a. pérdidas de calor. · Controlar la temperatura de colocación es una de las mejores formas para evitar las grietas térm�cas en el concre­ to. El preenfriamiento del concreto fresco es un método comúnmente usado para controlar la subsecuente caída de la temperatura. A menudo, agregados enfriados y/o escar­ cha de hielo se especifican para elaborar mezclas de con­ creto masivo en las que la temperatura del concreto fresco · 76 T; = T¡ + a. e - T; · Kr . . -- (4-6) en donde T¡ =·Temperatura de colocación del concretó Tt = Temperatura final estable del concreto C = Capacidad de deformación por tensión del concreto Kr = Grado de restricción a = Coeficiente de expansión térmica . Tr = I ncremento de la temperatura inicial del concreto La velocidad y magnitud de la elevación de la temperatura adiabática, es una función de la · cantidad, la composición y la finura del cemento y de su temperatura · durante la hidratación. Los cementos portland finamente molidos, o los cementos con u n . contenido relativamente alto de C3 A y C 3 S, muestran calores de hidratación más altos que los cementos más gruesos, o los cementos con bajo contenido de C3 A y C3 S (ver el capítulo 6). Las curvas de elevación de la temperatura adiabática para un concreto que · contenía · 2_23 kg/m 3 .de cemento y cualquiera de los cinco tipos de cementos portlánd, .se muestran en la figura 4-20. Puede verse que entre un cemento normal (Tipo 1) y u n cemento de bajo calor (Tipo IV) la . diferencia en la elevación de · CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Estabilidad Dimensional f;' 25 ::J 20 E 10 Q) "O . e: •O 4 � � Q) o_ 2 � cu > Q) 15 ·1 ·u -6 iii ·12 -1 7 Elevación de la temper¡;itura adiabática para concreto masivo conteniendo · 3 223 kg/m de cemento 3 7 , ·14 28 Tiempo, días 90 1 80 365 ' 3 Figura 4-20. Incremento de la temperatur� adiabática en concretos masivos que contiene � 223 kglm de cemento de diferentes tipos. De : W. H. Price. Concr. lnt., Vol. 4, No. 1 O, 1 982) t�mperatura es de 1 3 . ºC en 7 d ías y de 9 ºC en 90 días. Nótese q ue con este contenido de cemento, la elevación total adiabática de la temperatura estuvo por encima de los 30 ºC, aún con el cemento ASTM Tipo IV, de bajo calor . . lgualmen.te, como s� muestra en las figuras 4-20 y 4-2.1 . La composición del cemento y la temperatura de colocación parecen afectar principalmente a la velocidad de genera­ ción de calor y no al calor total producido. La figura 4-22 muestra el efecto de la relación volumen-a-superficie del concreto en la elevación adiabática · de la temperatura a diferentes temperaturas de colocación. La tabla 4-4 muestra los coeficientes de transmisión super­ fi�ial para diferentes ambientes de aislamiento. Los métodos numéricos para calcular la distribución de la temperatura en el concreto masivo se presentarán en el capítulo 1 2. Tabla 4-4.'Coeficiente de transmisión de calor de diferentes ambientes de aislamiento Tipo de aislamiento Concreto-aire Concreto�agua de curado Concreto-madera-aire Concreto:metal-aire Concreto-aislante-aire Otro. medio efectivo de reducir . la magnitud de l_a el.evación adiabática de la temperatura es la inclusión de u .na puzolana como una sustitu ción parcial del cemento; Los datos típicos propor�ionados por Carlson y otros, 1 0 sobre._ la elevación adiabática de la temperatura en el concreto masivo contenía diferentes tipos y cantidades de materiales cementantes, se _ muestran en la figura 4-23. En un concreto que contenía 223 kg/m 3 de cemento, · la sustitu c ión de cemento Tipo 1 ASTM, por cemento Tipo 11, redujo la elevación adiabática de la temperatura a 28 días, de 3 7°C a 32°C; una sustitución parcial del cemento Tipo 1 1 por 30 por ciento en vol umen de puzolana (25 porciento en peso), redujo aún más la elevación de la temperatura a 28°C. Las pérdidas de calor dependen de las propiedades térmicas del concreto y de la tecnología de construcción adoptada. U na estructura de concreto puede perder calor a través de . su superficie y la magnitud de la pérdida de calor es una función del tipo de medio ambiente en contacto inmediato con la superficie del concreto. . R. W. Carlson, D. L. Houghton y M. Polivka, J. ACI, Proc., Vol. 76, No. 7, págs 821-3 7, 1 979. 10 . CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Coeficiente de transmisión superficial (Kcal/m2 .h.C.) 1 1 .6 . 300.0 ' 2.6 1 1 .6 2.0 Propiedades térmicas ;del concreto . El coeficiente de expansión térmica (a) es definido como el cambio en unidad de longitud por un grado de cambio de te-mperatura. El · seleccionar un agregado con un bajo coeficiente de expansión térmica, cuando es económica­ mente factible y tecnológicamente aceptable, puede en . ciertas condiciones ·ser un factor crítico para la prevención de grietas en el concreto masivo.� Esto es debido a que la deformación por retracción térmica es determinada tanto por la magnitud del abatimiento de la temperatura como po(el coeficiente lineal de la expansión térmica del concre­ to; este último a su vez, es control .ado principalmente por el coeficiente lineal de la expansión térmica del agregado que es el constituyente principal del concreto . '·. . Los valores ·registrados de coeficiente lineal de expansión térmica para pastas de cemento portland saturadas de varias relaciones de agua/cemento, para· morteros que contienen una relación 1 :6 de cemento/arena natural de sílice y para ... 77 Estabilidad Dimensional � -� :¡¡; .g 'g ::J � "§ (!) c. § w � 40 rt::r-��;:::±:::;���� .. ...,........_ 30 .__.,....... �� 20 �-1-1�,...t-'M��-=-��---���.,..,. .., �+-------t ... Temperatura de colocación 1 1 Cemento Tipo 1 :3 C'CI Figura 4-21 . Efecto de la temperatura de colocación sobre el incremento de la temperatura de c� ncreto masivo que contiene 223 kg/m de cemento Tipo 1 . (ACI Com mittee 207. Efecto de l a restric­ ción, cambios de volumen y refuerzo en el agrietamiento del concreto masivo, � · I O t--'f#-.,_,.-1---+-�+-����--��.J-�----1 Ü] o ....__ .,. ....___ ... ..___..__....________ .. ..______ 2 4 7 14 21 __ 1 986) Tiempo en días ciente para varios tipos de roca (para ambos agregados grueso y fino de la misma roca), se muestran en la figura 4-24. Los datos en la figura son muy cercanos a los valores medidos experimentalmente de coeficientes térmicos registrados en la literatura publ icada, para concreto probado en condiciones húmedas, q ue es representativo de la condi­ ción del concreto masivo típico. mezclas de concreto de diferentes tipos de agregado, son aproximadamente, 1 8, 1 2 y 6 - 1 2 x 1 0-6 por ºC, respecti­ vamente. El coeficiente de expansión térmica de la roca y minerales comúnmente usados, varía de aproximadamente 5 x 1 ff6 por ºC para las piedras calizas y los gabros 1 1 o 1 2 x 1 ff6 por ºC para piedras areniscas, gravas naturales y cuarcita. Puesto que el coeficiente de expansión . térmica puede calcularse a partir del promedio pesado de los com­ ponentes, suponiendo un 70 a 80 por ciento de agregado en la mezcla de concreto, los valores calculados del coefi- El calor específico es defin ido como la cantidad de calor necesaria para incrementar la temperatura de una unidad de masa de un material en un grado. E l calor espe c ífico del ' Relación volumen a superficie en metros 0.5 1 .0 1 .5 .z.o Z.5 ' 3.0 30 � e: (!) ::J � "§ (!) 25 20 c. E 2 (!) "O 1 5 e: •O ·u C'CI > (!) Ü] 1 0 5 o 78 Cemento Tipo 1 a ( Y/5 l · Figura 4-22. Incremento de la tempera­ tura de elementos ,:f e concreto que con­ tienen 223 kg/m de cemento. (ACI Com mittee 207. Efecto de la restricción, cambios de volumen y refuerzo en el agrieta m iento del concreto masivo, 1 986) CONCRETO, estructura, propiedades y materiales · Estabilidad Dimensional T1po 3 1 - 223 kg/m 30 30 � e: Q) e :J � 3 Tipo 11 164 kg/m más 3 puzolana - 54 kg/m 30% en substitución por volumen absoluto 20 Q) a. E � Q) "C e: -o ·c; <U > Q) ¡¡¡ 10 Tipo 11 - 1 1 2 kgtm 3 3 Tipo 11 - 164 kg/m más 3 puzolana 54 kg/m 30% en substitución por volumen absoluto - 3 20 10 á' e: Q) e :J � Q) a. E � Q) "C e: -o ·c; <U > Q) ¡¡¡ _.__,_...._,_.,_.__.__,_...._,_.,_.__._-L-.L-L..-l-L--L...-L-...l.1-..J-L ....J O 14 7 21 28\ ...._._ ... ....... Tiempo - Olas Figura 4-23. Efecto del contenido de cemento y de puzolana en el incremento de la temperatura en el concreto. (De: R. W. Carlson y otros. , J. ACI, / Proc., Vol. 76, No. 7, 1 979) concreto de peso normal no es afectado grandemente por el tipo de agregado, por la temperatura y otros parámetros. . Típicamente, los valores del calor espedfico están en el rango de 0.22 a 0.25 Btu/1 b.F .- La conductividad térmica da el flujo de calor transmitido a través de la unidad de área de un material, bajo una unidad de gradiente de temperatura. La conductividad térmica del concreto es afectada por las características minerales del agregado y por el contenido de humedad, la densidad y la temperatura del concreto. La tabla 4-Sa muestra los valores Coeficiente de expansión términca del agregado (microdeformación por ºC) Figura 4-24. Influencia del tipo de agre­ gado en el coeficiente de expansión térmica del concreto. · Puesto que el coeficiente de expansión térmica del concreto está directamente relacionado con el coeficiente de expansión del agregado presente, en el concreto masiVo la selección de un agregado con un bajo coeficiente proporciona otra. forma de disminuir la_ deformación térmica. CONCRETO, estructura, propiedades y materiales 79 . Estabilidad Dimensional típicos de la conductividad térmica para concretos que contienen diferentes tipos de agregado. · CJ La difusividad térmica es defin ida como: k _!5_ cp (4-7) = en donde = K = k c = p = Conductividad, J/m.h. K Densidad del concreto, kg/m 3 Tab�a 4-5a.. Valores de,conductividad térmica para el · · ' concreto con diferentes tipos de agregado Tipo de agregado Cuarcita Dolomita Piedra caliza Granito Riol ita Basalto · Conductividad térmica W/m.k 3.5 3.2 2.6-3.3 2.6-2.7 2.2 1 .9-2.2 Tabla 4-5b. Valores de difusividad térmica para concreto con diferentes tipos de agregado grueso 2 Agregado grueso Cuarcita Piedra caliza Dolomita Granito Riolita Basalto mh 0.0054 0.0047 0.0046 0.0040 0.0033 0.0030 Fuente: ACI Committee 207-Cooling and lnsulating Systems far Mass Concrete, 1 986. Extensibilidad y agrietamiento Como se estableció previamente, la cuestión principal de las deformaciones causadas por esfuerzos aplicados y por efectos térmicos y efectos relacionados con la humedad en el concreto, es si su interacción conducirá o no al agrieta­ miento. Por lo tanto, la magnitud de la deformación por retracción es solamente' uno de los factores que rigen el 80 El flujo plástieo. A más alto flujo, más alta será la cantidad de relajamiento de esfuerzo y más bajo el esfuerzo neto de tensión. CJ Calor específico, J/kg.K El calor se moverá más fáci lmente a través de un concreto con una difusividad térmica más alta. Para concreto de peso normal, la conductividad general mente controla la difusivi­ dad térmica, porque la densidad y el calor específico no varían mucho. La tabla 4-Sb muestra valores típicos de difusividad térmica para concretos hechos con diferentes tipos �e agregado grueso. · El módulo de elasticidad. A más bajo módulo de · · elasticidad, más baja será la cantidad del esfuerzo elástico de tensió.n i nd ucido para una magnitud dada de retracción. CJ Difusividad, m 2/h · · agrietamiento del concreto. En la figura 4-1 , queda claro que los otros factores son: La resistencia a la tensión. Cuanto más alta es la resistencia·a la tensi'ón, más bajo será el riesgo de que el esfuerzo por tensión exceda la resistencia y agriete . el material. La combinación de los factores convenientes para reducir el riesgo del agrietamiento en el concreto, pueden descri­ birse por un solo término llamado extensibilidad. Se dice que el concreto tiene un alto grado de extensibilidad cuan­ do puede someterse a grandes deformaciones sin agrietarse. Obviamen�e, para u n riesgo m ínimo de agrietamiento, el concreto deberá sufrir no solamente una menor retracción sino también deberá tener un alto grado de extensibil idad (es decir, bajo niódulo de elasticidad, alto flujo y alta resistencia a la tensión). E n general, los concretos de alta resistencia pueden ser más propensos a agrietarse debido a la mayor retracción térmica y menor r�lajamie.nto de esfuer­ zo; por otra parte, los concretos de'baja resistencia tienden a agrietarse menos, debido a una menor retracción térmica y un mayor relajamiento de esfuerzo. N ótese q ue la afirma­ ción anterior es aplicable a los elementos de concreto ·m asivo; con secciones delgadas, el efecto de la deformación por retracción por secado será más importante. Puede ser de interés el se ñalar que muchos factores que reducen la retracción por secado del .concreto también tenderán a reducir la extensibil idad. Por ejemplo, un incr� · mento en el contenido del agregado o rigidez, reducirá la retracción por secado pero al mismo tiempo reducirá el relajamiento de esfuerzo y la extensibilidad. Este ejemplo demuestra la· dificultad de tratar la tecnología del concreto a partir de consideraciones puramente teóricas. El comportamiento · d�I agrietamiento del concreto en el campo puede ser más complejo que lo i ndicado en la figura 4-1 , es decir, las velocidades a las que se desarrol lan la . retracción y el relajamiento de esfuerzo no pueden ser . similares a aquéllas que se muestran en la figura. Por ejemplo, en el concreto masivo los esfuerzos a la compre­ sión se desarrol lan durante el período más temprano, cuan­ do se están elevando las temperaturas y los esfuerzos a la tensión no se desarrol lan hasta una edad posterior, cuando la temperatura comienza a d eclinar. Sin embargo, debido a la baja resistencia del concreto en las edades tempranas, la CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Estabilidad Dimensional mayoría del relajamiento del esfuerzo tiene lugar durante la primera semana después de la colocación. En esta forma, el concreto pierde la mayor parte de su capacidad de rel�jamiento de esfuerzo, antes de que se le necesite para evitar el a grietamiento ind ucido por los esfuer�os de _ten­ , sión. Para el agrietamiento por retracción térmica, ya sea que esté relacionado con los efectos de la temperatura interna en el concreto masivo o con efectos de temperatura ·externa en climas extremosos, el significado de la capacidad de defor­ mación por tensión, es de notarse que es definida como la falla por deformación del concreto bajo tensión. Se ha aceptado eeneral mente que la falla del concreto cargado en com presión uniaxial es prindpalmente una fal la por ten­ sión. Igualmente, hay indicaciones de que· no es una resis­ tencia limitante a la tensión sino una deformación limitante a la tensión, la que determina la resistencia a la fractura del concreto bajo carga estática. En tal forma, Houghton 1 1 ha descrito un método simple para determinar la deformación última por tensión por carga rápida, tomando la relación del módulo de ruptura al módulo de elasticidad en compresión. Puesto que el módulo de ruptura es 20 a 40 por ciento más alto que la verdadera resistencia a la tensión y el módulo de elasticidad a compresión es más alto que la relación esfuerzo-deformación por un orden de magnitud simil a r, se asegura que el método proporciona un valor verdadero de la deformación elástica ú ltima para una carga rápida. Agre­ gando a esta deformación la deformación por flujo debido a una carga lenta, se puede obtener una estimación de la capacidad de deformación por tensión. Con el propósito de anal izar el riesgo de agrietamiento térmico, se considera que la determi nación de la capacidad . de deformación por tensión es un criterio mejor que la práctica de convertir la deformación térmica a esfuerzo elástico inducido. Un mé­ todo general para calcular el esfuerzo en materiales viscoe­ lásticos se presenta en el capítulo 1 2, que contiene también un método de elemento finito para calcular las distribucio­ nes de la temperatura en el concreto masivo. Pruebe su conocimiento 1. 2. 11 ¿Qué es un material verdaderamente elástico? ¿El ·con­ creto es verdaderamente elástico? Si no lo es, ¿por qué? Describa las diferentes etapas del microagrietamiento cuando un espécimen de concreto es cargado a la falla. Trace una curva típica esfuerzo-deformación para el concreto. ¿Cómo determinaría el módulo de elasticidad dinámico y los diferentes tipos de módulos elásticos D . L. Houghton, J . AC/, Proc., Vol. 73, No. 1 2, págs 691 -700, 1 976. CONCRETO, estructura, propiedades y materiales estáticos? ¿Típicamente, cuáles son sus magnitudes para un concreto de resistencia media? 3. ¿Cuáles son las suposiciones principales de las fórmulas usadas por el Reglamento de Construcciones ACI ye/ Reglamento Modelo CEB-FIP para predecir el módulo estático elástico del concreto? ¿Puede usted señalar �lgunas limitaciones d� estas fórmulas? : ' �: 4. ¿Cómo afecta el estado húmedo de un espécimen · de concreto, los valores del módulo de elasticidad y de la resistencia? Explique por qué ambas propiedades no son afectadas en la misma forma. 5. ¿Cuál es el significado de la temperatura adiabática en el concreto? ¿Qué aumento de la temperatura adiabáti­ ca puede ocurrir en un concreto típico de baja resisten­ cia que contiene cemento ASTM Tipo 11? ¿Cómo puede reducirse ésta? 6. ¿Podemos controlar el coeficiente de la expansión térmi­ ca del concreto? Si es así, ¿ Cómo? 7. ¿Cuáles son los rangos típicos de la retracción por secado y la deformación por flujo en el concreto y cuál es su significado? ¿En qué sentido son los dos fenómenos similares uno al otro? 8. ¿Qué entiende usted por °Jos términos flujo básico, flujo específico y coeficiente de flujo? 9. Haga una lista de los factores más importantes que afee-tan la retracción por secado . y el flujo, y analice si los efectos son similares u opuestos. 1 o. ¿Qué factores afectan solamente el. flujo y por qué? 1 1. ¿Cuál es el significado del término espesor teórico? 1 2. Además de la magnitud de la deformación por retrac­ ción, ¿Qué otros factores determinan el riesgo del agrie­ tamiento en un elemento de concreto? 1 3. ¿Cuál es la utilidad del concepto de extensibilidad? ¿Por qué el concreto de alta resistencia debe ser más propenso al agrietamiento que el concreto de baja resistencia ? 1 4. Idealmente, desde el punto de vista de la resistencia al agrietamiento, un concreto · deberá tener baja re­ tracción y alta extensibilidad. Proponga ejemplos que muestren por qué esto no se puede logra.(en la prác­ tica. 1 5. ¿Cuál es el significado de la capaCidad de deformación por tensión? ¿Cómo puede usted determinar/ar 81 Estabilidad Dimensio{lal Sugerencias para estudio coinpleinentario ACI; Designing for Creep and Shrinkage in Concrete Structures. SP-76, :1 983 . BROOKS, Á. E., and K. NEWMA N , eds., The Structure of Concrete, Proc. lnt. Conf., london, Cement and Concrete Asso� iation, Wexham Springs, Slough, U. K., págs. 82-92, 1 76-89, 3 1 9-447, 1 968. CARLSON, R. W., D. L. HOUGHTON, and M. POLIVKA, "Causes and Control of Cracking in Unreinforced Mass Concrete," J. ACI, Proc., Vol. 76, No. 7. págs. 82 1 -3 7, 1 979. �EVI LLE, A. M., arid B ROOKS, J. J., Concrete Techno/ogy. Longman � Scientific and Technical Publ., capítulos 1 2 y 1 3, ' 1 987. · . í• 82 CONCRETO, estructura, propiedades y 'materiales Capítulo 5 Durabilidad la complejidad de los problemas de durabil idad de las estructu_ras de concreto en la práctica de campo. Presentación Los diseñadores de estructuras de concreto han estado interesados principalmente en las características .de la resis­ tencia del material; por una · variedad de razones, ahora . tienen q ue estar conscientes de la durabilidad. Mientras que el concreto correctamente constituido, colocado y curado, ofrece una larga vida de servicio ante la mayoría de los ambientes naturales e industriales, ocurren fallas prematu­ ras en las estructuras del concreto que representan val iosas lecciones para controlar los factores responsables de la falta de d urabil idad. El agua está generalmente i nvol ucrada en cada forma de deterioro y en los sól idos porosos, la permeabilidad del material al agua, general mente determina la veloc idad del deterioro. Por lo tanto, al comienzo de este · capítulo se describen. la estructura y las propiedades del agua_ con referencia especial a su efecto destructivo en los materiales porosos; después se presentan . los factores que controlan la permeabii"i dad de la pasta de cemento; de los agregados y del concreto. · Los efectos físicos que inflUyen adversamente en la durabi­ lidad del concreto in c l uyen el desgasté de la superficie, el agrietamiento debido a la presión de la cristalización de las sales en los poros y la exposición a temperaturas extremas como son las heladas o el fuego. Los · efectos nocivos químicos incluyen la l ixiviación de la pasta de cemento por _las sol uciones ácidas y las reacciones expansivas que inclu­ yen el ataque de sulfatos, el ataque por la reacción álcali­ agregado y la corrosión del acero embebido en el concreto. La importancia, las manifestaciones físicas, los mecanismos y el control de las diversas causas del deterioro del concreto se anal izan en detal le en este capítulo. Al final, se dedica atención especial al comportamiento del concreto en el agua de mar. Puesto que numerosas causas físicas y químicas de deterioro trabajan simultáneamente, un estudio del comportamiento del concreto en el agua de mar proporciona u na oportunidad excelente para apreciar CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Definición U na larga vida de servicio es considerada sinónimo de durabil idad. Puesto que la durabil idad en un grupo de condiciones dadas no necesariamente significa d urabilidad en otras condiciones, se acostumbra incluir una referencia general al medio ambiente cuando se define la durabilidad; Según el comité ACI 201 , la durabilidad . del concreto de · cemento portland se defi�e como su capacidad para resistir a la acción del tiempo, los ataques químicos, la abrasión o cualquier otro proceso de deterioro; es decir, el concreto durable retendrá su forma original, su cal idad y. su servicio, cuando se exponga a su medio .ambiente. N ingún- material es intrínsecament� durable; como resulta­ do de interacciones ambientales, lá microestructura y con­ secuentemente las propiedades· de los materiales, cambian con el tiempo. Se supone que u n · material alcanza el final de su vida de servicio, cuando sus propiedades bajo dertas condiciones · de uso se han deteriorado a tal punto qu e continuar uti l izando tal material se considera ya sea insegu­ ro, o antieconómico. Importancia Se acepta generalmente ahora que al diseñar estructuras, las característi cas de durabilidad de los materiales considera­ dos deberán evaluarse tan cuidadosamente como otros aspectos tales como las propiedades mecánicas y el costo inicial. Primeramente, hay una apre c iación mejor de las implicaciones socio-económicas de durabi lidad. Cada vez más, los costos de reparación y de sustitución de las estruc­ turas que se requieren por fallas del material, se han con­ vertido en una parte importante del presupuesto total de la construcción. Por" ejemplo, se calcula que en los países industrialmente desarrol lados, más de 40 ciento de los recursos totales de la industria de la construcción se apl ican 83 Durabilidad a la reparación y al mantenimiento de las estructuras exis­ tentes, y menos de 60 por ciento a las nuevas instalaciones. La escalada de los costos de sustitución de las estructuras y el creciente énfasis en el costo del ciclo de vida y no del costo inicial, están obl igando a los ingenieros a estar cons­ cientes de la durabil idad. En segundo lugar, se entiende que existe una íntima relación entre la durabilidad de los mate­ riales y la ecología. La conservación de los recursos natura­ les haciendo durar más los materiales es, después de todo, una acción ecológica. Igualmente, los usos del concreto se han extendido a ambientes crecientemente hosti les, tales como las plataformas marinas. en el Mar del . Norte, los contenedores para almacenar gases l íquidos a temperaturas criogénicas y recipientes de reacción de alta presión en la industria nuclear. Las fallas recientes de estruct.uras marinas de acero en Noruega y en Newfoundland, demóstraron que tanto los costos humanos como los económicos, asociados con fal las prematuras y repenti nas del material de construc'ción; · püeden ser muy altos. 1' La mayor parte de nuestro conocimiento de los procesos físico-químicos responsables del deterioro del concreto, proviene de casos históricos de estructuras en el campo ya que es difícil simular en el laboratorio la combinación de las condiciones a largo plazo q ue se hal lan . normalmente presentes en la vida real. Sin embargo, en la práctica, el deterioro del concreto raramente se debe a una sola causa; en general, a edades avanzadas de lá degradación del material, más de un fenómeno nocivo se encuentra traba­ jando. Por lo general, las causas físicas y químicas del deterioro están tan íntimamente entremezcladas y se refuer­ zan mutuamente, que aun la separación de la causa del efecto, resulta a menudo imposible. Por lo tanto, deberá tratarse �on cuidado una clasificación de los procesos de deterioro del concreto en . categorías bien defin idas. Puesto que el propósito ae tales cl�sificaciones es el de expl icar sistemática .e individualmente los distintos . fenómenos invo­ l u trados, existeJa tef)denda a sosiayar las i nteracci�nes cuándo varios feriómen�� están simultáneamente presentes. Observ� ciones generales El agua como agente de deterioro Antes de anal izar los importantes aspectos de la durabilidad del concreto, serán de ayuda algunas indicacion.es genera­ . les s'o bre el tema. Primeramente, el agua, que es el agente principal tanto de la creación como de la destrucción de muchos materiales' naturales, sucede que es el centro de la mayoría . de los P.r?blemas de la durabi lidad del concreto. En los sólidos porosos, se sabe que el agua es _la causa de muchos tipos de.procesos de degradación física. Como un veh ículo de transporte de iones agresivos, el agua puede también ser Una fuente de procesos de degradación quími­ ca. En segundo l ugar, los fenómenos físi �o-qu ímicos asocia­ dos con los movimientos del · agua en los sólidos porosos, son contr'o lados por la pérmeabilidad d�I sól ido. Por ejem­ plo, la velocidad de deterioro químico dependerá de si el ataque químico está confinado a la superficie del concreto, o si está trabajando también en el interior _del materia!. Tercero, la velocidad de deterioro es afectada por el tipo de concentración de iones en el agua y por _ la . composición químka del sólido. A diferencia de las · rocas y de los minerales, el concreto es un material básico (ya que los compuestos alcalinos de calcio constituyen los productos de hidratación de la pasta de cemento portland); por lo tanto, se es p era q�e las aguas ácidas sean particularmente dañinas para el concreto. El concreto no es un material vul nerable solamente ' a los procesos de deterioro físico y químico asociados con el agua. Por lo tanto, es conveniente revisar en general las .características del agua que la hacen el principal agente de destrucción de los materiales. · En fornia de agua de mar, agua subterránea, ríos, lagos, l luvia, ilieve y vapor, el agua es indudablemente el fluido más abundante en la· naturaleza. Siendo pequeñas, las moléculas del agua son capaces de penetrar poros o cavi­ dades extremadamente finos. Como solvente, el agua es notoria por su capacidad para disolver más sustancias que ningún otro l íquido conocido. Esta propiedad cuenta para la presencia de muchos iones y gases en algunas aguas, que ·a su vez, se vuelven el instrumento para causar la desconi­ posición química de los ;materiales sól idos. Puede notarse también que el agua tiene el calor más alto de vaporización entre los l íquidos comunes; por lo tanto, a temperaturas ordinarias tiene la tenden c ia a permanecer en un material en estado l íquido y no a evaporarse y dejar seco el material . 1 El En los sól idos porosos, los movimientos internos y los cambios de la estructura del agua se sabe que causan cambios volumétricos '. de ruptura de muchos tipos. Por ejemplo, el congelamiento del agua en hielo, la formación de una estructura ordenada de agua dentro de los poros finos, el desarrollo de la presión osmótica debida a diferen­ tes coricenfraciones iónicas y la creciente presión hidrostá­ tica debida a presiones diferenciales d e · vapor, pueden éonducir a altos esfuerzos internos dentro de un sól ido 84 CONCRETO, estructura, propiedades y materiales 27 de marzo de 1 980, Alexander Kjeland, una estructura de acero de una plataforma de perforación en los mares costeros de Stavanger (Mar del Norte) falló repentinamente, ocasionando la muerte de 1 23 personas. Poco tiempo después de este incidente, una estructura de acero de perforación petrolera también se derrumbó en mares costeros cerca de Newfoundland, causando la muerte a 64 personas. Durabilidad Molécula de agua . AgÚa orientada ' ·� · Agua pura ! 1 Figura 5-1 . a) Estructura del hielo; b) EstrÚcti.Jra de moléculas de agua orientadas en un microporo. [(a), �eimpreso_ de Linus Pauling, The Nature of . the Chemical Bond, Third Edition. Copyright 1 960 by Cornell U niversity. Utilizada con autorización del editor, Cornel l University Press, 1 960; (b), · de E. M. Windler, Stone: Prope�ties, Durability in Mans Environment, Springer-Verlag, New York, 1 973] · un sólido. La estructura y las propiedades del agua son afectadas por la temperatura y por el tamaño de los poros en ; · • < " · • · · . · • i : · Lneversibilidad húmedo. U na. breve revisión de la estructur:.? del agua será úti 1 para entender estos fenómenos. del proceso es la causa del fenómeno de que el agua l íquida; al solidificarse, se exp�íñda en l ugar de contraerse. Estru�tura del agua En comparación con la estructura del hielo, el agua a la temperatura ambiente tiene rotas aproximadamente 50 por ciento de las uniones de hidrógeno. Los · materiales en estado de. adherencia rota tienen cargas superficiales insa­ tisfechas, lo que da l ugar a la energía de la superficie. La mólecula de H-0:-H está unida en forma covalente. Debido a diferen c ias en los centros de carga del hidrógeno y del oxígeno, el ·protón cargado positivamente del ión de hidrógeno correspondiente a una molécula de agua, atrae a los electrones cargados negativamente de las moléculas vecinas de agUa. Esta relativamente débil fuerza de atrac­ ción, l lamada la adherencia del hidrógeno, es la responsa­ ble de la estructura ordenada del agua. °La manifestación más alta del orden del arreglo en la estructura del agua debido a la adherencia del hidrógeno, se ve en el hielo (figura 5-1 a). Cada molécula de agua en el hielo es rodeada por cuatro moléculas, de tal modo que el grupo tiene una molécula en el ce ntro y .las otras cuatro en las esquinas de un tetraedro. En cada una de las tres direcciones las moléculas y los grupos de moléculas se mantienen juntos por la adherencia del hidrógeno. El hielo se funde a OºC cuando aproximadamente 1 5 por ciehto de las uniones de hidrógeno se rompen. Como un resultado de la ruptura parcial en -la dirección de la unión del tetraedro, cada molécula de agua puede adquirir . más de cuatro veci­ nos cercanos, incrementándose así la densidad de 0.91 7 a CONCRETO, estructura, propiedades y materiales La energía de la s � perficie en los l. íquidos causa. . la tensión . superficial, lo_ que origina la tendencia de. un gran número de moléculas a adherirse unas con otras. La alta tensión del ag�a superficial (definida como la fuerza requerida para separar las moléculas unas de las otras), es la que impide que actúe como un agente eficiente plastificador en las mezclas de concreto, hasta que se le agregan . los aditivos adecuados (pág 1 85). Se sabe que la formación de la estructura orientada del agua por la adherencia del hidrógeno en los microporos, causa la expansión en muchos . sistemas. En los sól idos; la energía superficial debida a las cargas no satisfechas depen­ de del área superficial; por lo tanto,. la energía superficial es alta 'c uando están presentes nume�osos poros finos. Si el agua es capaz de permear tales .microporos y si las fuerzas · de atracción en la � uperfide d e los poros son lo suficientemente fuertes para romper la tensión superficial en la masa del agua y orientar las moléculas a una estructura ordenada (análoga a la estructura del hielo), esta agua orientada u 85 � Durabilidad Ordenada, al ser menos densa que el agua · masiva, requerirá más espacio y por lo tanto tenderá a causar expansión (figura 5-1 b). Permeabilidad En el concreto, el papel del ag�a tiene que verse desde una perspectiva adecuada porque, como un ingrediente nece­ sario para las reacciones de hidratación del cemento y como un agente plastificador para los componentes de las mezdas de concreto, el agua está presente desde el principio. Gra­_ dualmente y dependiendo de las condiciones ambientales y del espesor de un elemento · de concreto, la mayor parte del agua evaporable en el concreto (toda el agua capilar y una parte del agua absorbida, pág 24 ) se perderá, dejando los poros vacíos o insaturados. Puesto que es el agua evapo�able la . que es congelable y la que también está libre para movimiento interno, un concreto no será vulnerable a los fenómenos destructivos relacionados con el agua siem­ pre que haya quedad.o poca o ninguna agua evaporable después del secado y siempre que la siguiente exposición del concreto al ambiente no conduzca a la resaturación de · los poros. Esto ú lti � o, 'en gran medida, depende de la c'onductividad hidráulica, que también es conocida como el coeficiente de permeabilidad . (�). Nótese que en la tec � ología del concreto es práctica común olvidar el adje­ tivo y referirse simplemente a K como la permeabilidad. _ 2 · Garboczi ha revisado varias teorías que tratan de relacionar los parámetros microestructurales de los productos del ce­ mento ya sea con la difusividad (la velo.cidad de difusión de los iones a través de los poros l lenos de agua) o la permea­ bil idad (la velocidad defl ujo viscoso de los fluidos a través d e la estructura del poro). Para materiales como el concreto, con numerosa·s microgrietas, es difícil determinar un factor de la propiedad de lá . estru�tura del transporte del poro, debido a los cambios impredec ibles en la estructura del poro al penetrar de un fluido externo. . Hay que hacer notar que la propiedad de lél estructura del transporte del poro del material cambia continuamente, por los cidos qu.e avanzan en el estrechamiento y ampliación de los poros y microgrietas de las interacciones físico-quí­ micas, entre el_ fl uido penetrante y los minerales de la pasta de cemento. S egún Garboczi, por una serie· de razones, las predicciones de la difusividad necesitan más desarrol lo y validación antes de que su uso práctico sea aprobado. Para fines prácticos, por lo tanto, en este texto se analiza sola­ mente la permeabil idad. Sin embargo, se entiende que �I 2 E. J. Garbocz i , Cement and Concrete Research, VoL 20, No. _4, págs. 591-60 1 , 1 990. 86 término, en un sentido amplio, cubre la propiedad tota l de transporte de fluidos del material. La permeabilidad se define como la propiedad que rige la. velocidad de flujo de un fluido en u n sólido poroso. Para un flujo de estado continuo, el coeficiente de permeabili­ dad (K) es determinado por la fórmu l a de Darcy: dq K � H A dt = Lµ en donde dq/dt es la veloddad de flujo del fluido, µ la viscosidad del fluido, !l. H el gradiente de presión, A el área de la superficie y L el espesor del sól ido. E l coeficiente de · permeabi lidad de un concreto a los gases o al vapor de agua es mucho menor que el coeficiente para el agua l íq uida; por lo tanto, las pruebas para la medición de la permeabi lidad general mente se l leyan a cabo uti l izando agua que no tiene aire · disuelto. A menos que se indique de otro modo, los . datos de este capítulo pertenecen a la permeabi lidad del concreto al agua pura. Puede también hacerse notar que, debido a sus interacciones con la pasta de cemento, las permeabilidades de soluciones que contienen iones debe­ rán ser diferentes de las de la permeabi lidad al agua. Permeabilidad de la pasta de cemento En una pasta de cemento hidratada, el tamaño y la continui­ dad de los poros en cualquier punto, durante el proceso de hidratac ión · controlarán el coeficiente de permeabi lidad. Como se anal izó anteriormente (página 33), el agua de mezdado es indirectamente responsable de la permeabili­ dad de la pasta de cemento hidratada, porque su contenido determina primeramente el espacio total y posteriormente el espacio no llenado después de q ue el agua es consumida - ya sea por las reacciones de hidratación del cemento o por la evaporación en el medio ambiente -. El �oeficiente de permeabil idad de la pasta de cemento fresca es del orden de 1 04 a 1 ff5 Cm/seg: con el avance de la hidratación, en cuanto fa porosidad capi lar disminuye, también disminuye el coeficiente de permeabilidad (tabla 5-1 ), pero no hay proporcional idad · directa entre estos dos., Por ejemplo, cuando. la porosidad capilar d isminuye de 40 por ciento a 30 por ciento (figura 2-1 1 ), el coeficiente de permeabi lidad se abate en una cantidad mucho mayor (aproximadamente 12 1 1 O, a 20 x 1 0- cm/seg). Sin embargo, una disminución mayor en la porosidad, de 30 por ciento a 20 por ciento, sólo ocasionaría una pequeña caída en la permeabi l idad. Esto es porque al principio, en cuanto el proceso de hidra­ tación del cemento avanza, aun una dismi nución pequeña de la porosidad total capilar está asociada con una segmen­ tación considerable de los poros grandes, reduciendo así grandemente el tamaño y número de canales de flujo en la CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Durabilidad pasta de cemento. Generalmente, cerca de 30 por ciento de la porosidad capilar representa el punto en que las interco­ nexiones entre los poros se han vuelto ya tan tortuosas, que una mayor disminución en la porosidad de la pasta, no viene acompañada por una . disminución sustancial en el coeficiente de permeabil idad. En general, cuando la relación agua/cemento es alta y el grado de hidratación es bajo, la pasta de cemento tendrá una alta porosidad capilar; contendrá un número relativa­ mente grande de poros grandes y bien conectados y por lo tanto, su coeficiente de permeabil idad será alto. En cuanto avanza la hidratación, la mayoría de los poros serán redu­ cidos a un tamaño pequeño como de 1 00 nm o menos) y también perderán sus i nterco·nexiones; de manera que la permeabil idad se abate. El coeficiente de permeabilidad de la pasta de cemento, cuando la mayoría de los huecos capilares son pequeños y no interconectados, es del orden de 1 0- 1 2 cm/seg. Se observa que en las pastas de cemento normal, la discontinuidad en la red capi lar generalmente se alcanza cuando la porosidad capilar es de aproximadamen­ te 30 por ciento. En pastas con relaciones de agua/cemento de 0.4, 0.5, 0.6 y 0.7, esto pasa general mente en 3, 1 4, 1 80 y 365 días de curado húmedo respectivamente. Puesto que la· relación agua/cemento en la mayoría de las mezclas de concreto raramente excede 0.7, resultará obvio que en un concreto bien curado, la pasta de cemento no es el factor principal que contribuye al coefi c iente de permeabil idad. Tabla 5-1 . Reducción en la permeabilidad de la pasta de­ cemento (relación agua/cemento 0.7) con el avance de la hidratación = Días de edad Coeficiente de permeabilidad (cm/s x 1 0-1 1 ) · Fresco 5 6 8 13 24 Ú ltima 20,000,000 . 4,000 1 ,000 400 50 10 6 Fuente: T.C. Powers, LE. Copeland, J.C. Hayes y H. M. Mann, J. ACI, Proc. Vol. 5, pp. 285-98, 1 954. Permeabilidad de los agregados En comparación con porosidades de 30 a 40 por ciento de pastas de cemento típicas en concreto endurecido, el vol u­ men de los poros en la mayoría de los agregados naturales es general mente por abajo de 3 por ciento y raramente excede de1 O por ciento. CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Se espera, por lo tanto, que la permeabilidad del agregado sea mucho más baja que la de la pasta de cemento típica. Esto puede no ser n_ecesariamente el caso. De los datos de permeabilidad de algunas rocas naturales y pastas de cemento (tabla 5-2), se entiende que los coeficien­ tes de permeabilidad de los agregados son tan variables, como los de las pastas de cemento hidratadas de relaciones agua/cemento en el rango de 0.38 a 0.71 . Tabla 5-2. Comparación entre permeabilidades de rocas v. de pastas de cemento Tipo de roca Trapeana densa Diorita de cuarzo Mármol Mármol Granito Piedra arenisca Granito Relación agua/cemento de Coeficiente de pasta madura con el permeabilidad (cm/s) mismo coeficiente de permeabilidad 12 2 .47 X 1 0" 8.24 X 1 0-1 2 ll 2.39 X 1 0lO 5.77 X 1 09 5.35 X 1 0" 8 1 .23 X 1 07 1 .26 X 1 0" 0.38 0.42 0.48 0.66 0.70 0.71 0.71 Fuente: T.C. Powers, J. Am. Ceram. Soc., Vol. 4, No. 1 , pp. 1 -5, 1 958. Mientras que el coeficiente de permeabi lidad de la mayoría de los mármoles, roca trapeana, dforita, basalto y granito denso, puede ser del orden de 1 a 1 O x 1 O- 1 2 cm/seg, algunas variedades · de granito, piedra caliza, piedras areniscas y horstenos, muestran valores que son . más . altos en dos órdenes de magnitud. La razón de que algunos agregados con una porosidad tan baja como 1 O por ciento, puedan tener mucho más alta permeabil idad que las · pastas de cemento, es que el tamaño de los poros capi�ares en los agregados es general mente mucho mayor. La mayor p�rte de la porosidad capilar en una pasta madura de cemento' y� ce en el rango de 1 0 a 1 00 nm, mientras que los poros , é'n los agregados son en promedio mayores de 1 O µm. Con 1 algunos horstenos y piedras calizas, la distribu ción de los tamaños de poros involucra un contenido considerable de poros más finos; por lo tanto, la permeabilidad es baja pero los agregados están sujetos a expansión y a agrietamiento asociado con movimientos lentos de humedad y con la presión hidrostática resultante. Pei-meabilidad del concreto Teóricamente, se espera que la introducción de partículas . de agregado de baja permeabil idad en una pasta de cemen­ to reduzca la permeabil idad del sistema (especialmente con pastas de alta relación agua/cemento a edades tempranas, 87 Durabilidad e;; d�ax = 75mm ro � u) 1 40 �o ..... . X 33 � 1 00 16 � � 80 Q) E Q) c. Q) "O Q) 30 27 24 21 ··so 18 is E :§ � g¡ cñ -o => 40 f/) ...... E o = 'Q · x � o 12 (¡) o u 9 20 6 --='-==-�....-::;��� 0.5 0.6 0.7 0.8 3 o 0.9 Relación agua/cemento (•) 20 000 16 e 1 0 000 � � .. f:! 1 20 � e ;g .9 .e::0:i1l �g �C'I § 8� 8. w 'o .g � X Ql -� .... .9 � �°: e: � � 8 .g 1 1 00 5 000 50 30 20 2 000 1 ooo 10 500 5 c. 3 200 1 00 f/) ...... E o TO X cemento 50 20 10 o 0.4 0. 5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 .0 Relación agua/cemento (b) Figura 5-2. Influencia de la re l adón agua/cemento y del tamaño máximo del agregado en la permeabilidad del concreto: a) Kq ·es una medida relativa del flujo del agua a través del concreto, en metros cúbicos por año por metro cuadrado de área para una unidad de gradiente h idráulico. [(a), De �oncrete Manual, 8th Edition, U. s. · Bureau of Reclamation, 1 975, ' pág. 37, (b) Adaptado de Beton-Bogen, Aalborg Cement Co., Aalborg, Denmark, 1 979ij La permeabilidad del concreto al agua depende principalmente de la relación agua/cemento (que determina el tamaño, el volumen y/a continuidad de los huecos capilares) y del tamaño máximo del agregado (que influye en las microgrietas de la zona de transición entre el agregado y la pasta de cemento). cuando la porosidad capi lar es alta), porqué las partículas . de agregado deben interceptar los canales de flujo. dentro de la matriz de . la pasta de cemento. Por. lo . tanto, en, comparación con la pasta de cemento pura, el mortero o el concreto con . la misma relación agua/cem.ento y grado de ma.durez; deberá dar,un c9eficiente más bajo de permeabi­ lidad. Los datos de pruebas indiCan. que en la práctica, éste no es el caso. Los dos grupos· de datos� en la figura 5�2, claramente · muestran que la . .adición de un agregado a una pasta de cemento o a un mortero incrementa la per�eabi­ lidad . considerablemente; . de hecho, cuanto mayor sea el tamaño del agregado, mé;lyor será el coeficiente de permea. bil idad. . . · · · . . Generalme nte, los coeficientes de la permeabi lidad para concreto de resistencia moderada (con contenido de agre-. gado de 38 mm y 356 kg/m 3 de cemento y una · relac ión de agua/cemento igual a 0.5) y concreto de baja resistencia usado en presas (75 a 1 50 mm de agregado; 1 48 kg/m 3 de cemento y una relación de agua/cemento igual a 0.75), son del orden de 1 x 1 O- 1 0 y 30 x 1 O-1 0 cm/seg. , respectivamente. ' 3 El coeficiente de permeabilidad en unidades del SI se expresa como el coeficiente kg/Pamseg que es aproximadamente 1 0-3 veces menor que . . expresado en c m/seg. ' 88 La explicación de por qué la permeabilidad del mortero o del concreto es más alta que la permeabilidad de la pasta' de cemento correspondiente, se hal la en las microgrietas que están presentes en la zona de tran�ición entre _el agre­ gado y I� pasta de cemento. Como se indicó anteriormente (pág. 1 5 ), el tamaño del agregado y la gránulom.etrfa afectan las características del sa.ngradó de una me�cla de concreto que, a su vez, influye en la resistencia de la zona de transición. Duran.te los períodos inciales de hidratación, la zona de transición es débil y vulnerable al agrietamiento debido a deformaciones diferenciales entre la pasta de cemento y el agregado, inducido general mente por la re­ tracción por secado, la retracc ión térm ica y la carga apl icada externamente. Las grietas en la zona de transi c ión son demasiado pequeñas para poder' verse a simple vista, pero son más grandes y anchas que la mayoría de las cavidades capilares presentes en la matriz de la pasta de cemento y, por lo tanto, son instrumentos para el establecimiento de las intercqnexio­ nes, que incrementan la permeabil idad del sistema. . Debido a la importancia de la permeabi lidad ante procesos físicos. y químicos de deterioro del concreto, que se descri­ ben más adelante, será.de uti lidad una breve revisión de los factores que controlan la permeabilidad del concreto. CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Durabilidad . CAUSAS FÍSICAS DEL DETERIORO DEL CONCRETO . DESGASTE DE LA SUPERFICIE ABRASIÓN EROSIÓN AGRIETAMIENTO CAVITACIÓN CAMBIOS DE VOLUMEN DEBIDOS A 1 .Temperatura normal y gradientes de ' humedad 2.Presión por la cristalización de sales en los poros CARGA ESTRUCTURAL 1. Sobrecarga e impacto 2. Carga cíclica EXPOSICION A TEMPERATURAS EXTREMAS 1 . Acción de congelamiento descongelamiento 2.Fuego Figura 5�3. Causas físicas del deterioro del concreto. (De: P. K. Mehta y B. C. Gerwick, Jr., Concr. lnt., Vol. 4 , págs. 45-5 1 , 1 982) Puesto que la resistencia y la permeabilidad están relacio­ nadas una con la otra a través de la porosidad capilar (figura 2-1 1 ), como una primera aproximación, los factores que influyen en la resistencia del concreto (figura 3-1 4), también influyen en la permeabi lidad. U na reducción en el vol umen . de huecos capilares grandes ( > 1 00 nm) en la matriz de la pasta de cemento, reducirá la permeabil idad. Esto deberá ser posible uti l izando una relación agua/cemento baja, un contenido adecuado de cemento y una adecuada compac­ tación y condiciones de curado. Igualmente, son medidas necesarias una atención adecuada al tamaño del agregado y· a la granu lometría, a las deformaciones térmicas y por retracción por secado y evitar una carga prematura o exce­ siva, para redu c ir la incidencia del microagrietamiento en la zona de transición, que parece ser la causa principal de la alta permeabi lidad del c oncreto en la práctica. Finalmen­ te, deberá notarse que la tortuosidad de la trayectoria del flujo del fluido que determina la permeabilidad, también es afecta­ da por el espesor del elemento de concreto. Clasificación·- de las causas del deterioro del concreto :Mehta y Gerwick4 agrúparon la s causas físicas d el deterioro del concreto (figurá 5-3) en dos categorías:· desgaste de la superficie o pérdida de masa debida a l_a abrasión; erosión y cavitación y agrieta miento debido a la temperatura normal y a los gradientes de humedad, las presiones· de cristalizá;. ción de sales en los poros, la carga estructural y la exposi- 4 P. K. Mehta y B. C. Gerwick, Jr., Concr. lnt., Vol. 4, No. 1 0, págs. 45-5 1 , 1 982. CONCRETO, estructura, propiedades y materiales ción a temperaturas extremas como el congelamiento (pág. 98) o el fUego. Igualmente, los autores agruparon las causas químicas del deterioro en tres categorías: O Hidrólisis de los componentes de la pasta de cemento por agua suave; O Reacciones por cambio de cationes entre los fluidos agresivos y la pasta de cemento; y . O Reacciones que conducen a la formación de productos expansivos, tales como el ataque por sulfatos, la ex­ pansión álcali�agregado y la corrosión del acero en el concreto. Es necesario nuevamente enfatizar que la distinción entre causas físi cas y químicas es puramente arbitraria; en la prácti­ ca, las dos se sobreponen frecuentementé úna a la otra . . · · Por ejemplo, la pérdida de masa por desgaste de la superfi­ de y el agrietamiento incrementan la permeabi lidad del concreto, · la que así se convierte en . la causa principal de uno o más procesos de deterioro químico; Igualmente, los efectos nocivos de los fenómenos químicos son físicos; por ejemplo, la lixiviación de los componentes de la pasta de cemento endurecida por agua suave o con fluidos ácidos incrementará la porosidad del con creto,. haciendo así el material más vulnerable a la abrasión y a la erosión . . U na excelente revisión de las causas, los mecanismos y el control de todos los tipos de agrietamientos en el concreto está publicado por el Comité ACI 224. 5 El agrietamiento del concreto debido a la temperatura normal y a los gradientes de humedad se explica en el capítulo 4; el deterioro por 5 ACI Report 224R-90., Manual of Con crete Practice, Part 3, 1 991 . 89 Durabilidad n:s n:s (/) � o c. � o e: •O '(ij e w C: 10 8 6 10 Concreto convencional Agregado Piedra caliza 8 0. 5 4 6 '(ij 4 4 Q) 'O 2 2 •O .o <( � n:s 'O � •Q) a.. 12 24 36 48 60 Tiempo de prueba, Horas 72 84 (a) o 0.3 Piedra caliza agua/cemento __. � �• · • --/� . -- -- �, _. _. ' Cuarcita Roca pardusca - Horsteno �,, 0 .4 0.5 0 .6 0 .7 0 .8 0.9 1.0 Relación agua/cemento (b) Figura 5-4. a) Influencia de la relación de agua/cemento y del tipo de agregado en el daño por abrasión-erosión en el concreto; b) Daño por cavitación al revestimiento de concreto en un túnel de 1 2.5 m de diámetro en la Presa de Glen Canyon. [(a) De: T.C. Liu, J. AC/, Proc., Vol. 78 No. 5, pág. 346, 1 98 1 ; b) Fotografía p or cortesíá del U. S. Bureau of Reclamatio ri y de William Scharf of Guy F. Atkinson Construction Co]. desgaste de la superficie, por presurización originada por la cristalización de sales en los poros, por ciclos de congelamiento y descongelamiento, fuego y varios procesos químicos, se discu­ tirán en este capítulo., cribir el desgaste por la acción abrasiva de fluidos que contienen partículas sól idas en suspensión. La erosión se l leva a cabo en estructuras hidráulicas, por ejemplo, en las cubiertas de canales, en vertedores y en tubos de · agua o para la conducción de aguas negras. Deterioro por desgaste de la superficie Otra posibilidad de daño a las estructura� hidrául icas es por la cavitación que se relaciona con la pérdida de masa por la formación de burbujas de vapor y su colapso posterior, debido a un cambio repentino de la dirección en el agua que fluye rápidamente. La pérdida progresiva de la masa de una superficie de concreto puede ocurrir debido a la abrasión, la erosión y la cavitación. El término abrasión se refiere generalmente a un desgaste en seco tal como en el caso del desgaste de pavimentos y de pisos industriales a causa del tráfico vehi­ cular. El término erosión se utiliza normalmente para des90 1 La pasta de cemento endurecida no posee una alta resisten­ cia �I desgaste. La vida de servicio del concreto puede ser acortada seriamente en condiciones de ciclos de desgaste repetidos, especialmente cuando la pasta de cemento en el CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Durabilidad concreto es de alta porosidad o baja resistencia y es prote­ gida inadecuadamente por un agregado que, a su vez ado­ lece de resistencia al desgaste. Utilizando un método especial de prueba, Liu 6 encoptró una buena correlación entre la relación agua/cemento y la resistencia a la abrasión del concreto (figura 5-4a). A ese respecto, para-obtener la resistencia a .la abrasión de las superficies de concreto, el Comité ACI 201 recomienda que de ninguna manera la resistencia a la compresión del concreto debe ser menor de 28 MPa. Se pueden alcanzar resistencias adecuadas por medio de una relación agua/cemento baja, una granulome­ tría adecuada de los agregados fino y grueso (con un l ímite máximo de tamaño de 25 mm), una consistencia lo más baja posible para una colocación y compactación adecuadas (con revenimiento máximo de 75 mm; y de 25 mm para las partes superiores) y un conte�ido mínimo de aire de acuer­ do con las. condiciones de exposición. Cuando un fluido que contiene partículas sól idas suspendi­ das está en contacto . con el concreto, las acciones de tropiezo, deslizamiento o rodado de las partículas causarán desgaste de la . superficie. La velocidad de la erosión de la superficie dependerá de la porosidad o de la resistencia del concreto y de.la cantidad, tamaño, forma, densidad, dureza y velocidad de las partícu. las en movimiento. Se ha <?bser­ vado que, si la cantidad y el tamaño de los sólidos son pequeños - por ejemplo, el l imo en un canal d� irrigación­ la erosión será despreciable a veloc!dades en el fondo de hasta 1 .8 m/seg. (velocidad a la que, o por encima de la que, una partícula dada puede ser transportada). Cuando existen condiciones de abrasión o erosión severas, se recomienda que además del uso de agregados duros, el concreto debe ser proporcionado para desarrol lar una resistencia a la compresión de por lo menos 41 Mpa a los 28 d ías y un curado adecuado antes de exponerlo al ambiente agresivo. El Comité ACI 201 recomienda por lo menos 7 d ías de curado húmedo continuo después de que el concreto haya sido acabado. En cuanto a las medidas adicionales para mejorar la dura­ bilidad del concreto ante la abrasión o la erosión, debe entenderse que el proceso del desgaste físico del concreto ocurre en la superficie; por lo que debe ponerse especial atención para asegurar que al menos el concreto de ésta sea de alta cal idad. Para reducir la formación de una superficie débil l lamada nata (este térmi no se usa para capas de finos de ·agregado y cementos ), se recomienda retrasar el nivela­ do y el flotado hasta q ue el concreto haya perdido su agua de sangrado en la superficie. Los pisos para industrias de trabajo pesado o los pavimentos pueden diseñarse con una capa superior de 25 a 75 mm de espesor, consiste en un 6 T.C. liu, J. AC/, Proc., Vol. 78, No. 5, pág. 3 4 6, 1 981 . CONCRETO, estructura, propiedades y materiales concreto de relación agua/cemento baja que contiene agre­ gado duro de 1 2.5 mm de tamaño máximo. Debido a una muy baja relación de agua/cemento, las capas superiores del concreto que contienen aditivos de látex o fl uidificantes se están volviendo más populares para resistir la abrasión o la erosión. Igualmente, el uso de aditivos minerales tales � como el condensado de humo de sílice, presentan posibi li­ dades interesantes. Además de causar una reducción sus­ tancial eri la porosidad del concreto después del curado húmedo, el coricr�to fresco que contiene aditivos minerales es menos propenso al sangrado. La resistencia al deterioro .por fluidos penetrantes y la reducción del polvo debido al desgaste también se pueden lograr; aplicando solu�iones endurecedoras de la superficie, en pisos nuevos bien cura­ dos o a pisos antiguos desgastados. Las sol ucio�es más comúnmente utilizadas para este propósito son el fluosili­ cato de zinc o de magnesio, o el sil icato de sodio, que reaccionan con el hidróxido de calcio presente en la pasta de cemento portland para formar productos de reacción insoluble� sel lando así los poros capilares en la superficie o cerca de el la. Mientras que un concreto de buena calidad muestra una resistencia excelente al flujo continuo con alta velocidad de agua clara, el flujo no lineal con velocidades que exceden los 1 2 m/seg (7 m/seg en conductos cerrados) puede causar severa erosión del concreto por medio de la cavilación. En el agua que fluye, se forman burbujas de vapor cuando la presión absoluta local a un punto dado en el agua se reduce a la presión de vapor ambiental del.agua correspondiente a la temperatura ambiente. Como_ las burbujas de vapor que fl uyen con el agua, aguas abajo de la corriente, entran a una región de presión más alta; explotan con gran impacto debido a la entrada de agua de alta velocidad en el espacio previamente ocupado por el vapor, causando así una pica­ dura local severa. Por lo tanto, la superficie del concreto afectada por la cavilación es · irregular o picoteada, en contraste con la superficie suavemente desgastada por la erosión de sól idos suspendidos. Igualmente, en contraste con la erosión · o la abrasión, un .concreto resistente puede no ser necesariamente efectivo en la prevención del daño debido a la cavitación; la mejor sol ución se hal la en la remo ción de las causas de la cavitación, tales como · los desalineamientos de la superficie o los cambios abruptos de pendiente. En 1 984, se necesitaron grandes reparaciones para la cubierta de concreto de un · túnel en la Presa Glen Canyon (figura 5-4b); el daño fue causado por la cavitación atribuible a las irregularidades de la cubierta de la superficie. Los métodos de prueba para la evalua�ión de la resistencia al desgaste no son siempre satisfactorios, porque la simula­ ción del desgaste de las condiciones de campo no es fácil en el laboratorio. Por lo tanto, los métodos de laboratorio 91 Durabilidad . Sal Anhídrido Biscofita Dodecahidrato Epsomita Yeso Halita Heptahi,drita Hexahidr ita Kieserita · Mirabilita Natrón Taquidrita . Tenardita Ter m onatrita ' . . Tabla 5-3. Presiones de cristalización por las sales Fórmula química ' ' Densidad (g/cm\ CaS04 MgCl2 · 6H20 MgS04 · 1 2H20 MgS04 · 7H20 . . CaS04 · 2H20 NaCI Na2C03 · 7H20 MgS04 · 6H20 MgS04 · HiO Na2S04 · l OH20 Na2C03 · 1 0H20 ·: 2MgC !2 · Caq 2'1 2 H20 , . Na2S04 Na2é03 · HiO Peso molecular (g/mol) 2.96 1 .57 1 .45. 1 .68 2.32 2.1 7 1 .51 1 .75 2.45 1 :46 . 1 :44 1 .66 2.68 2.25 1 36 203 336 246 1 27 59 232 228 1 38 322 286 514 1 42 1 24 Volúmen molar . (cm3/mol) Presión (atm) C/Cs · e; �6 , . , . 1 29 232 ' 1 47 55 . 28 1 54 1 30 57 220 1 99 310 53 55 ' . º o c 335 1 19 67 1 05 • . 282 554 1 00 1 18 272 72 . 78 50 292 280 2 º so c = 398 1 42 80 1 25 334 654 1 19 1 41 324 83 92 59 345 . 333 Fuente: E. � . Winkler, Stone: Properties, Durability in Man's Environment, springer-Verlag, Nueva York, ·1 975, p. 1 20. no tienen como objetivo el proporcionar una medición cuantitativa de la vida de servicio que pueda esperarse de la superficie de un concreto dado; pueden utilizarse para eval uar los efectos de los materiales del concreto y del curado,· o de los procedimientos de acabado en la resisten­ cia a la abrasión del conéreto. • La norma · ASTM C 779 describe tres métodos opcionales para probar la resistencia relativa a la abrasión de superficies horizontales de concreto. En la prueba de abrasión con bolas de acero, se aplica la carga a una cabeza giratoria que contiene bolas de acero, mientras que el material desgasta­ do es separado por circulación de agua; en la prueba de la rueda revestida, la carga se aplica a través de ruedas girato­ rias revestidas de acero; y en la prueba del disco revolvente, discos revolventes de acero se uti l izan en conjunto con un abrasivo de carburo de si licio. En cada una de las pruebas, el grado de desgaste puede medirse en términos de pérdida de peso después de un tiempo especificado. ' La norma ASTM C 4 1 8 describe la prueba_ del chorro de arena, que cubre las características · de la determinación de la resisten­ cia a la abrasión del concreto, sometiéndolo a un choque de arena sílica. No existen pruebas satisfactorias para la resistencia a la erosión. Debido a la relación directa .que existe entre la resistencia a la abrasión y a la erosión, los datos de la resistencia a la abrasión pueden util_izarse como una guía para la resistencia a la erosión. Agrietamiento por la cristalización c:Ie sales en los poro_s El I nforme del Comité ACI 201 cita evidencias de que una acción puramente física (no incluyendo el ataque químico 92 en el cemento) de la cristalización de las sales de sulfatos en los poros del concreto puede causar u n da_ño conside-ra. ble. Por ejemplo, cuando u n lado de u n muro de retención o. losa de un concreto perme a ble está en contacto con Una solución salina y los otros lados está �ometidos á evapora­ ción, el material se puede deteriorar por esfuerzos que resultan de la presión de la_ cristal izac ión de sal es en los poros. En muchos materiales porosos, la cristalización de las sales de sol uciones sobresaturadas se sabe que produce presiones suficientemente grandes para causar un agrieta­ miento. De hecho, los efectos de la humedad y la cristali­ zación de sales son los dos factores más dañinos en el deteriora de monumentos históricos de piedra. La cristalización de una solución de sal puede ocurrir solamente cuando la concentración de solvente (C) excede la concentració� de saturación (Cs) a una ter:nperatura dada. Como norma, en cuanto más alta es la relación C/C5 (o grado de sobresaturación), mayor .será la presión de cristal ización. Winkler 7 determinó que las presiones de cristal ización de las sales se encuentran comúnmente en los poros de las ro.cas, las piedras y el concreto; estas presiones, calculadas a partir de la densidad, el peso molecular y el volumen molecular para una relación C/Cs de 2, se muestran en la tabla 5-3. A este grado de sobresaturación, el NaCI (Halita), cristalizándose a O, 25 y 50 .ºC; produce 554, 605 y 654 (atm) (de pres,ión atmosférica), respectivamente. E l esfuerzo es suficientemente fuerte para romper . la mayoría de las rocas. Cuando el grado de sobresaturación es 1 O, la presión calculada de cristal ización_ es 1 ,835 atm a O ºC y 2, 1 90 atm a 50 ºC. 7 E. M. Winkler, St.one: Properties, Durabi/ity in Mans Environment, Sprin­ ger- Verlag, Nueva York, 1 975, pág. 1 20. CONCRETO, estructura, propiedades y materiales · Durabilidad (a) : (b) � (e) ;_, . Figura 5-5. Tipos de daño por acción de congelamiento en el concreto: [a) Deterioro de un muro de retención de concreto sin aire incluido, a lo largo de la línea de saturación (Compuerta y Presa No� 3, Monongahela River, Pittsburgh, Pa.); b) Severo agrjetamiento en D a lo largo de juntas longitudinales y transversales de un pavimento de 9 años de edad; c) Descascaramiento de una superfi ci e de concreto. (a); Fotografía por cortesía de J. M. Scanlon, U . S. Army Corps of Engineers, Vicksburg, Miss.); b), Fotografía por cortesía de D. Stark, del Informe RD 0,23. 0 1 P, Portland Cement Association, Skokie, 1 11., 1 974; c) Fotografía por cortesía de R. C. Meininger, de Concrete in Practice, Publ. 2, Nati o n a l Ready M i xed Con crete Association, Silver Springs, Md]. . . • ' · a) Expansión progresiva de pasta de cemento d�sprotegida (sin aire incluido) por ciclos repetidos de conge/amiento-descongelamiento, que conduce al deterioro del concreto por agrietamiento y descascaramiento. Muchos muros de compuerta del Corps of Engineers que se construyeron anteriormente al uso de concreto con aire incluido, sufren del deterioro por conge/amiento-descongelamiento en un ambiente saturado. Los procedimientos estándar de operación, requieren normalmente que el agua en las compuertas permanezca al nivel superior de la presa durante el invierno, de manera que el concreto esté protegido contra los daños del ambiente. Todos los proyectos hidráulicos del Corps, construidos desde los años cuarenta, han sido construidos con concreto con aire incluido. b) Agrietamiento en una carretera y en pavimentos de aeropuertos forman una trama en forma de D, de grietas cercanamente espaciadas que ocurren paralelamente a las juntas longitudinales y transversa/es. Este tipo ,de agrietamiento es asociado con los agregados gruesos que contienen un volumen proporcionalmente mayor de poros confinados en un rango de poros pequeños entre 0. 1 a 1 µm: c) Descascaramiento de concreto o desprendimiento en hojuelas de la superficie terminada, por causa de congelamiento y descongelamiento; comienza generalmente como pequeños parches localizables, que más tarde se unen y extienden para formar grandes áreas. El descascaramiento ligero no expone el agregado grueso. El descascaramiento moderado expone el agregado grueso y puede incluir una pérdida de hasta 3 a 9 mm del mortero de la superficie. En el descascaramiento severo ya se ha perdido más superficie y el agregado es claramente expuesto y se desprende. La mayor parte del descascaramiento es causado por (1) aire incluído inadecuadamente, (11) aplicación de sales deshielantes con cloruros de calcio y cloruros de sodio, (111) realización de operaciones de terminado mientras el agua de sangrado está aún en la superficie y (IV) curado insuficiente antes de exponer el concreto a la acción de congelamiento en la presencia de safes deshielantes y humedad. CONCRETO, estructura, propiedades y materiales 93 Durabilidad 1600 1 400 e.o 1 o . X _J _J <::] 1 200 1000 1 000 600 600 800 800 400 400 200 200 o o -200 -200 - 24 -20 -16 -12 -8 - 4 ( a) o 4 8 Temperatura, ºC 12 1 6 2 0 24 (b) - 24 -20 - 1 6 - 1 2 -8 -4 o 4 Temperatura, ºC 8 12 16 20 1 000 800 � o X _J _J <::] 600 4 00 200 o � - 200 -400 -600 (e) _L _ _j__j___�l�..__- L ---''---J.--'-�....__.___.� - 24 �20 - 1 6 - 1 2 - 8 - 4 o 4 8 12 16 20 24 {d) '-· Temperatura, ºC · 1-1 2.5 mm Figura 5-6. Respuesta de la pasta de cemento saturada al congelamiento y descongelamiento en ambos casos con y sin aire incluido. [(a) (c), De: T. C. Powers, The Physical Structure and Engineering Properties of Concrete, Bulletin 90, Portland Cement Association, Skokie, 1 1 1 ., 1 958; (d) De: W. A. Cordon, Freezing and Thawing of Concrete - Mechanism and Control, ACI Monograph 3, 1 967; (e) De: PCA, Design and Control of Concrete Mixtures, 1 979). - �I Según Powers, ·una pasta saturada de cemento sin contener aire incluido, se expande congelarse debido a la generación de presión hidráulica (a). Con el incremento de aire incluido, la tendencia a expandirse disminuye porque los huecos de aire incluido proporcionan fronteras de escape a la presión hidráulica [(b), (c) y (d)], (e) Sección pulida de concreto con aire incluido como se ve a través de un microscopio. 94 CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Durabilidad Deterioro por acción del congelamiento En los cl imas fríos, el daño a los pavimentos de concreto, muros de retE:nción, plataformas de puentes y barandales, atribuibles a la acción del congelamiento (ciclos de conge­ lamiento-descongelamiento), es uno de los mayores proble­ mas que requieren cuantiosos gastos para reparación y sustitución. Las causas del deterioro del concreto endureci­ do por la acción del congelamiento pueden . relacionarse con la compleja microestructura del material; sin embargo, los efectos nocivos dependen no solamente de las caracte­ rísticas del concreto sino también de las condiciones espe. cíficas del ambiente. Así, un concreto que es resistente a la acción del congelamiento en ciertas condiciones de conge­ lamiento-descongelamiento, puede ser destruido en cond_i­ ciones diferentes. El daño por congelamiento en el concreto puede tomar formas variadas. La más común es el agrietamiento y el descascaramiento del concreto, causado por la expansión progresiva de la matriz. de la pasta de cemenfo a causa de ciclos repetidos de congelam iento-descongelamiento. Las losas de concreto expuestas a congelamiento y a desconge­ lamiento én presencia de humedad y de sustancias químicas deshielantes, son susceptibles al descascaramiento (es de­ cir, la superficie terminada se descascara o se convierte en hojuelas). Ciertos agregados gruesos en las losas de concre­ to se sabe que causan agrietamiento, en general paralela­ mente a las j untas y a los bordes, que finalmente adquieren una trama parecida a una gran letra mayúscula D (l_a� grietas se curvean alrededor de dos de las cuatro esquinas de la losa). Este tipo de agrietamiento se describe por el término agrietamiento en D. Los diferentes tipos de deterioro del concreto debidos a la acción del congelamiento se muestran en las fotografías de la figura 5-5. La inclusión de aire ha qemostraqo ser un medio efectivo para reducir el riesgo del daño al concreto por la acción del congelamiento. El mecanismo por el cual ocurre el daño por congelamiento en la pasta de cemento y la fqrma en que el aire i ncluido es capaz de evitar el daño� se describe a continuación. Acción del congelamiento en la pasta endurecida del cemento Powérs describe atinadamente el mecanismo de la acción del congelamiento en la pasta de cemento y expl ica por qué el aire i ncluido fue efectivo en la reducción de las expan".' sienes asociadas con el fenómeno: cuando el agua comienCONCRETO, estructura, propiedades y materiales za· a congelarse en una cavidad capilar, el incremento de volumen que acompaña al congelamiento requiere una dilatación de la cavidad igual a 9% del volumen del agua congelada, o la expulsión de la cantidad de agua excesiva fuera :del : espécimen y a través de sus fronteras, o parte de ambos efectos. Durante este proceso, se genera la presión hidráulica, y la magnitud d� esa presión depende de · la distancia a una "frontera de escape", de la permeabil idad del material de que se trate y de la velocidad a la cual el hielo se forma. La experiencia.muestra que las presiones de ruptura se desarrol larán en un espécimen de pasta saturada, . a menos que cada cavidad capi lar en la pasta no esté más lejos de 75 a 1 00 µm de la frontera de escape más cercana. . Tal espaciamiento cercano a las fronteras, es pronunciado por el uso correcto de un agente in c l usor de aire adecuado. 8 Los datos de Powers y una representación gráfica de esta hipótesis se muestran en la figura 5-6. Durante el congela­ miento hasta -24 ºC, el espécimen de pasta de cemento saturada sin contener aire incluido, se alargó aproximada­ mente 1 ,600 millonésimas y al descongelarse a la tempera­ tura origi n a l , se observaron aproxi madamente 500 millonésimas de alargamiento permanente (figura 5-6a). El espécimen que contenía 2 por ciento de aire incluido mostró aproximadamente 800 millonésimas de alargamien­ to al congelarse y un alargamiento residual de menos de 50 millonésimas al descongelarse (figura 5-6b); El espécimen que contenía 1 O:; por ciento de aire incluido no mostró dilatación apreciable durante el congelamiento y tampoco dilatación residual al fin del ciclo ,de descongelamiento. Igualmente, puede notarse que la pasta con aire incluido mostró una retracción durante el congelamiento (figura 5-6c). U na ilustración gráfica de la hipótesis de Powers se muestra en la figura 5-6d. Powers también propuso que, además de. la presión hidráu­ l ica causada po r el agua al congelarse en grandes cavidades, la presión osmótica resultante del congelamiento pardal de soluciones en los capilares puede ser otra fuente de expan­ siones destructivas en la pasta de cemento. El agua en los capilares no es pura; contiene varias sustancias sol ubles como álcal is, ciar .uros, e hidróxidos de calcio. Las sol ucio­ nes se congelan a una temperatura-menor que el agua pura; generalmente, a más alta concentración de sal en una _ solución, más bajo es el punto de congelación. La existencia de gradi � ntes locales de concentración de sales entre capi­ l ares, se considera como la fuente de la presión osmótica. La presión hidráulica debida á ú h incremento en el volumen específico del agua al congelarse en grandes cavidades y la presión osmótica debida a las diferencias de concentración 8 T. C. Powers, The Physical Structure and Engineering Properties of Concrete, Bul letin 90, Portland Cement Association, Skokie, ll L, 1 958. 95 Durabilidad de sales en el fluido del poro, no parecen ser las únicas · causas de la expansión · de las pasta de cemento expuestas a la acción del congelamiento. La expansión de espécime� nes de pasta de cemento se observó9 aun cuando el bence­ no, que se contrae al congelarse, fue util izado como fluido de porq en - 1 ugar de agua. · Análogamente a la formación de lentes de hielo e � el suelo, · un efecto capilar 1 0 involucrando la migración a gran escala del agua de poros pequeftos a grandes cavidades, se piensa que é·� · 1a causa principaÍ de la expansión en los cuerpos porosos. Según \la . avan�ada teoría de Litvan, 1 1 el agua rígidamente retenida por el H-S'."C (tanto entre capas como . absorbida en poros del gel) en la pasta' de cemento, no p ued.e re�structur�rse ella misma para formar hielo al punto normal de congelamiento del agua, porque la movilidad del agua que existe en un estado ordenado es más bien limitada. En general, cuanto más" rígidamente retenida el agua sea más bajo será el . punto de congelación. Puede recordarse (pág. 2 1 ) que los tres tipos de agua son retenidos físicamente en la pasta de cemento; en orden de rigidez creciente, éstos son el agua capilar en las pequeñas capilaridades (1 O a ·. so µm), el agua adsorbida en los poros del gel y el agua eritre capas en la estructura del H-C-S. · .. Se calcula que el agua en los poros del gel no se congela por arriba de -78 ºC. Por lo tanto, cuando una pasta de cemento saturada es sometida a condiciones de congela­ miento, mientras que el agua de las grandes cavidades se convierte en hielo, el agua de los poros del gel continúa existiendo como un agua l íquida en un estado superenfria­ do. Esto crea un desequil ibrio termodinámico entre el agua congelada en las capi laridades, que adquiere un estado de baja energía, y el agua superenfriada en · los poros del gel, que se encuentra en un estado de alta energía. La diferencia en entropía del hielo y el agua superenfriada, forza a la segunda a migrar á" los siti_os de menor "energía (grandes cavidades), · en · donde puede co�:gelarse. Esta provisión fresca de agua de los poros del gel a los poros capi lares, incrementa el volÜmen de . hielo . en los "poros capilares continuamente· hasta que no hay más. espacio para acomo­ dar más hielo. Cualquier tendencia posterior para que el agua superenfrfad a fl uy� ha�ia las regiones que soportan el hjelo, causa�ía obviamente presiones internas y expansión del sistema': Además, . según Litvan, el transporte de hume� . dad _ asociado con el erifriám iento de los cuerpos porosos saturados puede no condudr necesariamente a uh daño mecánico. El daño mecánico ocurre cuando la velocidad de transporte,de humedad es considerablem�nte menor que la · 9 J . J . Beaudoiri y e. Mclnnis, Cem. Concr. Res., Vol. 4, págs. 1 39-48, 1 974. 10 11 96 . . ·• . · Cem. Concr. Res., Vol. 8, pags. 545-5 1 , 1 978. U . Me1er y A. B. harn1d, . • ' . ' . ' • G. G. L1tvan, Cem. Concr. Res., Vol. 6, págs. 351-56, 1 976. . demandada por las condiciones_(como un alto gradiente de temperatura, baja permeabi lida� y u n alto wado de satura­ ción). Se puede notar que durante la acción de congelamiento en la pa·s_ta de cemento, la tendencia de ciertas regiones a expandirse es equilibrada por otras regiones que sufren retracción (como la . pérdida de agua adsorbida del H-S-C). El efecto neto, en un espécimen, obviamente es el resultado de las dos tendencias opuestas. Esto explica satisfactoria­ mente por qué l a . pasta de cemento que no contiene aire incluido muestra un gran alargamiento (figura 5-6A) mien­ tras que la pasta de cemento que contiene 1 O por ciento de aire incluido> mostró retracc ión d urante el congelamiento (Figura S-6c). Acción de congelamiento en el agregado Depe�diendo de cómo responda . el agregado a la acción de congelamiento, un concreto que contiene aire i ncl uido en la matriz de la past� de cemento puede aun ser dañado. El mecanismo para el desarrol lo de presión interna al conge­ larse una pasta de cemento también es aplicable a otros cuerpos porosos; esto incluye a los agregados producidos con rocas porosas, tales como ciertos horstenos, las piedras areniscas, las piedras cal izas y las pizarras. N o todos los agregados porosos son susceptibles de daño por congela­ miento; el comportamiento de una partícula de agregado cuando se expone a. los ciclos de congelamient9-desconge­ lamiento, depende pd � c ipalmente del taniano, número y continuidad de los poros (es decir, de la distribución de los t,a ma � os de los poros y de la permeabil idad). Desde e l punto de vista de la falta de . d urabil idad del concreto ante la acción de congelámiento, que puede atri­ buirse al agregado, Verbeck y Landgren 1 2 propusieron tres clases de agregado. En la primera categoría están los agre­ gados de baja permeabilidad y alta resiste�Cia,_ de manera que al congelarse el agua, la deformación elástica en la partícula es acomodada sin causar fractura. E n la segunda categoría están los agregados de permeabilidad intermedia, es decir, aquél los que tienen una relación significc1tiva de la porosidad total representada por poros pequeños del orden de 500 nm y más pequeños. Las fuerzas capilares en tales poros pequeños causan. que el . agregado se sature fáci l m e nte y que retenga el agua. Al congelarse, la magnitud de la presión desarrollada depende principalmente de la velocidad del abatimiento de temperatura y de la distancia que el agua bajo presión tiene q ue viajar para encontraruna frontera de escape para al iviar la presión. La liberación de 1 2 G. J. Verbeck y R. Landgren, Proc. ASTM, No. 60, págs. 1 063-79, 1 960. CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Durabilidad la presión puede estar · disponible ya sea en la forma de cualquier poro vacío dentro del agregaqo (análogamente al aire inclu ido en la pasta de cemento) o en la superficie del · agregado. La distancia crítica para la liberación de la presió':1 en una pasta de cementa endurecida es del orden de 0.2 mm; para la mayoría de las . rocas es mucho mayor, debido a su permeabil idad más alta que la de la · pasta de cemento. Estas consideraciones han dado l ugar al concepto dél tama­ ño crítico del agregado con respecto al daño por congela­ miento. Con una distribución dada del tamaño d.e poro, la permeabil idad, el grado de saturación y la velocidád de congelamiento, un agregado grande puede causar daño, pero las partículas pequeñas del mismo agregado no lo harán. Por ejemplo, cuando especímenes de concreto de 14 d ías de edad que conteníar:1 una mezcla SO:SO de varios tamaños de cuarzo y horsteno uti lizados como . agregado grueso, fueron expuestos a ciclos de congelamiento-descongela­ miento; los q ue contenían con tamaños entre 2S a 1 2 mm de horsteno requirieron 1 83 ciclos para mostrar una reduc­ ción de so 'por c iento en el módulo de elasticidad, compa­ rados con 448 ciclos para concretos curados de manera similar, con un contenido de horsteno con tamaños entre 1 2 a S mm. 1 3 . No hay tamaño crítico individual para un tipo de agregado, porque esto dependerá de la velocidad de congelamiento, del grado de saturación Y.de fa permeabil idad del agregado. La permeabilidad j uega un doble papel: primero determina el grado de sa.turación o la velocidad a la que el agua será · absorbida en un período dado de tiempo; y segundo, deter­ mina la velocidad a la cual el agua será expelida del agregado al congelarse ( y así desarrol lar la presión hidráu­ lica). Generalmente, cuando agregados mayores que el tamaño crítico están presentes en· un concreto, el congelamiento es acompañado por. botad�ras, es decir, una falla del agregado en la que · u na parte de la pieza de agregado permanece en el concreto y . la otra sale con la hojuela de mortero. Los agregados de alta permeabilidad, que generalmente contienen un gran número de poros grandes, corresponden a la tercera categoría. Aunque permiten una entrada y salida fácil del agua, son capaces de causar problemas de durabi­ lidad. Esto es porque la zona de transición entre la superficie del �gregado y la matriz de la pasta de cemento puede ser dañada cuando · el agua bajo presión es expelida de una partícula del agregado. En tales casos, las partículas del agregado mismas no son dañadas como resultado de la acción del c;ongelamiento� I n c identalmente, esto muestra 1 3 D. L. B loem, Highway Res. Rec., No. 1 8, págs. 48-60, 1 963. CONCRETO, estructura, propiedades y materiales por qué los resultados de las pruebas del congelamiento­ descongelamiento y de sanidad en el agregado solo, no son siempre confiables para predecir su comportamiento en el concreto. Se cree que en los pavimentos de concreto expuestos a la acción del congelamiento, algunos agregados de piedras areniscas o piedras cal izas son los causantes del fenómeno del agrietamiento en D. Los agregados que probablemente son la causa del agrietamiento en D parecen tener una distribución de tamaño de poros específica, que se carac­ teriza por un gran volumen de poros muy finos ( < 1 µm de diámetro). Factores que controlan la resistencia del concreta al congelamiento · Hasta este momento d e berá ser obvio que la capacidad de un concreto para resistir el daño debido a la acción del co ngelamiento� depende de las características tanto de la pasta de cemento como del agregado. Sin embargo, en cada caso el resultado es controlado realmente por la interacción de varios factores, tales como la ubicación de las fronteras de escape (la distancia que el agua tiene que viajar para liberar I� presión), la estructura de los poros del sistema (tamaño, número y continuidad de los poros), el grado de saturación (cantidad de agua congelable presente), la velo­ cidad de enfriamiento y la resistencia a la tensión del material que deber ser rebasada pa'ra causar ruptura. Como se anal iza más adelante, la provisión de fronteras de escape en. la matriz de la pasta de cemento y la modificación de su estructura . de poros son los dos parámetros relativamente fádles de controlar; la primera puede ser controlada por medio de la inclusión de aire e� el_ �oricreto y la segunda, por el uso de las relaciones adeéuadas de la mezcla y de un curado adecuado. Inclusión d.e aire. No es el aire total, sino el espaciamiento de huecos del orden de 0.1 a 0.2 mm dentro de cada punto en el cemento endurecido, lo que . es necesario para la protección del concreto contra el daño por congelamiento. Agregando canti�ades pequeñas de ciertos agentes incluso­ res de aire a la pasta de cemento (un O.OS por ciento por peso del ceme.nto), es posible inco_r porar burbujas de O.OS a 1 mm. De este . modo, par� un vol umen dado d� aire, dependiendo del tamaño de las burbujas de aire, el número de huecos, el espaciamiento de los huecos y el grado de protección contra la acción del congelamiento pueden variar grandemente. En un experimento, 14 se incorporó de . S a 6 por ciento de aire en concreto util izando uno de cinco 14 H. Woods, Durability of Concrete, AÓ Monograph 4, 1 968, pág. 20 97 Durabilidad e: Q) E "ü Q) c. !/) Q) 16 Concretos curados con humedad durante 7 días antes del congelamiento 1 60 Concreto con agregado máximo de 20 mm 12 agua/cemento=O. 72 10 "O l1l ;g 8. !/) :e � ::> "O Q) "O o E � Cl ni' "O l1l Q) Cl e: o (..) l1l ::> Cl � o t5 l1l u. 8 4% de aire incluido 6 4 2 -23 -17 -1 2 -6 o 0 .3 -1 Temperatura del concreto ºC 0.7 0. 5 0 .9 Relación agua/cemento (a) (b) Figura 5-7. Influencia de la relación de agua/cémento en el contenido de aire para durabilidad del concreto ante la acción de congelamiento. [(a) De: G. Verveck y P. Klieger, Highway Research Board Bulletin 1 76, Transportation Research Board, National Research Co Uncil, Washington, D. C., 1 958, págs. 9-22; (b) De: Concrete Manual, Bth Edition, U. S. Bureau of Reclamation, 1 975, pág. 35.)] Lá figura de la izquierda muestra que la cantidad de agua que puede ser congelada en el concreto con una relación dada de agualcemento, se incrementa al disminuir la temperatura. También muestra· que la cantidad de agua que se congelará a una temperatura dada, se incrementa con la relación de água/cemento. El efecto observado de la relación agua/cemento es simplemente que relaciones mayores resultan mayores y más grandes números de capilaridades en las que más agua congelada puede estar presente. La Figura de la derecha muestra que una combinación de relación baja de agua/cemento y de aire incluido, asegura un factor de alta durabilidad contra la acción del congelamiento. Con el ASTM Method 666-80, se requiere continuar congelando y descongelando durante 300 ciclos, o hasta que el módulo de elasticidad dinámico sea reducido a 60 por ciento de su valor original (/o que ocurra primero). La durabilidad es entonces evaluada por la fórmula: factor de durabilidad ... porcentaje del módulo original por el número de ciclos al final de la prueba entre 300. diferentes agentes inclusores de aire. Los agentes A, B, D, E F, produjeron 24,000, 49,000, 55,000, 1 70,000 y 800,000 huecos de aire por centímetro cúbico de pasta dé cemento endurecida y los especímenes 'correspondientes de concreto requirieron 29, 39, 82, 1 00 y 500 ciclos de congelamiento-descongelamiento para mostrar u'na expan­ sión del 0. 1 por ciento, respectivamente. y Aunque el vol umen del aire in c luido no es una medida suficiente para la protección del concreto contra la acción del -congelamiento, suponer que comúnmente burbujas pequeñas de aire están presentes, es el criterio más fáci l para el propósito del control de calidad de las mezclas de concreto. Puesto que el contenido de la pasta de cemento se relaciona general mente con el tamaño máximo del agre­ gado, los concretos pobres con agregados grandes tienen menos pasta de cemento que los concretos ricos con agre­ gados pequeños; por lo tanto, los últimos necesitarán más aire incluido para un grado equivalente de resistencia al congelamiento. El contenido total de aire especificado para la resistencia al congelamiento, según el Reglamento de Construcciones del ACI 3 1 8, se muestra en la tabla 5-4. 98 Tabla 5-4. Contenido total de aire para un concreto resistente al congelamiento Tamaño del agregado máximo nominal, mmª Contenido de aire (%) Exposición Exposición severa moderada . 7.5 6 9 7 13 5.5 5 6 19 4.5 6 25 4.5 5.5 40 b 4 5 50 b 3.5 75 4.5 ª Ver ASTM C33 para tolerancias con agregados · de ·tamaño nominal máximo mayor. b Estos contenidos de aire se aplican a la m ezcla total, lo mismo que para los tamaños de los agregados precedentes. Sin embargo, cuando se prue­ ban estos concretos, los agregados mayores de 40 mm son retirados ya sea manualmente o por medio de cribado, y el contendido de aire es determi­ nado sobre la fracción menor 40 mm de la mezcla. (Lá tolerancia del contenido de aire tal como se entrega se aplica a este valor.) El contenido de aire de la mezcla total se calcu la a partir del valor determinado en la fracción de menos de 40 mm. Fuente: Reglamento de Co nstrucciones ACI 3 1 8. . CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Durabilidad 1 00 � o w ...... ID w o 80 Scapilar o 60 20 o = 0 .9 Scrítico = o.e Tipo 1 Scrítico t::i. Tipo 11 40 0.8 0.2 0.4 o.e o.6 Grado de satura ción Scapilar 0.4 o Tipo l t::i. Tipo ll o ,__. .__.__._�_,_�_._�._...___._._._,_.._._.._. 5 I O hr I d 2 . 3 4 5 6 7 8 10 14d 1.0 (b) (a) Tiempo de absorción, horas 500 1 000 (e) Figura 5-8. Método para predecir la resistencia al congelamiento del concreto. (De Betong Handboken, Svensk Byggjanst, Etocolmo, 1 980, págs. 430-33) G. Fagerlund del Swedish Cement and Concrete Research lnstitute, propuso un método para predecir la resistencia al congelamiento del concreto en el que se subraya la importancia del grado crítico de saturación. La resistencia al congelamiento (F), se evalúa como una diferencia entre el grado crítico de saturación (Scrítico) y el grado real de saturación (Srea/). El grado de saturación de agua .es definido como una relación entre el volumen total de agua evaporable a 1 05 ºC y el volumen total de poro abierto de espacio disponible antes del congelamiento. El micropunto en un trazo de saturación de agua, S contra E61Eo (es decir, el módulo de elasticidad dinámico residual después de seis ciclos de congelamiento-descongelamiento) nos da el Scrítico. Los ejemplos para determinar el Scrftico para un con Úeto sin aire incluido (Tipo 1) y un concreto con aire incluido que contiene 7. 1 pbr ciento de aire, se muestran . en la parte (a)'. Se puede obtener una estimación del Sreal por medio de una absorción de humedad o por una prueba simple de succión capilar. Como se . muestra en la parte (b), el punto crítico en un trazo del grado de saturación contra la raíz cuadrada del tiempo de ascensión de agua, corresponde al grado capilar de saturación, Scapilar. En el punto crítico todos los poros de gel y capilares son llenados 7 y a una velocidad muy lenta. La resistencia al congelamiento, expresada como una diferencia entre Scrítico y Sreal para concreto expuesto al ingreso de agua durante largos períodos, puede determinarse gráficamente. Por ejemplo, como se muestra en la parte (c), el concreto sin aire incluido (Tipo /) será dañado por el congelamiento (F � O) después de aproximadamente 200 horas de absorción continua de agua, mientras que el concreto con aire incluido (Tipo 11) no será dañado aun después de una larga exposición a la absorción de agua. La granu lometría del agregado también afecta el vol umen del aire i ncluido que es disminuido por el exceso de partí­ culas de arena muy finas. La adición de aditivos minerales tales como la ceniza volante, o el uso de cementos muy finamente mol idos, tienen un efecto simi lar. En general, una mezcla de concreto más cohesiva es capaz de ret�ner más aire q ue un concreto muy humedecido o muy rígido. Igualmente, un mezclado insuficiente o un · sobremezclado, un tiempo excesivo de manejo o de trans­ porte del concreto fresco, así como la sobrevibración, tien1 Con agua; los poros grandes de aire son los últimos en l lenarse. CONCRETO, estructura, propiedades y materiales den a reducir el contenido de aire. Por estas razones, se recomienda que el con.tenido de aire sea determinado en el concreto en cuanto esté l isto para colocarse y lo adecuado del espaciamiento de huecos debe ser determinado micros­ copicamente como se describe en el ASTM Standard Met­ hod e 457. Relación agua/cemento y curado. Anteriormente se expl icó cómo determinan la estructura del poro de una pasta de cemento endurecida, se determina por la relación agua/ce­ mento y el grado de hidratación. En general, a más alta relación agua/cemento para un grado dado de hidratación, o a menor grado de hidratación para una relación agua/ce99 ' Durabilidad mento dada, niayoLserá el volum é n de poros grandes en la pasta d e cemento hidratada (figura 2-8). Puesto que el agua fáci lmente congelable reside en los poros grandes, se puede por lo ta n to h ipotetizar que a una temperatura dada de congelamiento, la cantidad de agua congelable será mayor con mayores relaciones agua/cemento y a edades tempra­ ' nas de curado. Los datos experimentales de Verbeck y Klieger confirmaron esta hipótesis (fi�ura 5-7a). La influen­ cia de la relación agua/cemento en la resistencia al conge­ lamiento del concreto se muestra en la figura 5-7d. . . - ' .. . ' de daño por congelamiento. Por ejemplo, cuando se com­ para un concreto sin aire i ncluido con otro que tiene aire incluido, el pri m ero puede ser de más alta resistencia, pero el segundo tendrá una mejor durabil idad a la acción del congelamiento debido a la protección contra el desarrol lo . de altas presiones hi d ráu licas. . La importancia de la relación agua/cemento en la resistenci á al congelamiento del concreto es reconocida por los regla­ mentos de construcción. Por ejemplo, el ACI 3 1 8.:.95 requie- . re q u e e l c o n creto d e peso n o r m a. l s o m e t i d o a congelamiento y a descongelamiento en condiciones hú­ medas, tenga una relación máxim·a de agua/cemento de 0.45, en el caso de guarniciones, canalones, barandales de seguridad, o sus secciones y de O.SO para otros ele m entos. Obviamente, estos l ímites de relación agua/cemento supo­ nen una hidratación adecuada del cemento; por lo menos, un curado húmedo de 7 d ías a temperatura normal se recomienda antes de la exposición al congelamiento. Grado de saturación. Es . bien sabido que sustancias secas o parcialmente secas no sufren daños por . el congelamiento (ver recuadro); hay un grado crítico de saturación por arriba del cual el concreto é s probable que se agriete y descascare cuando se le expone a temperaturas muy bajas. En realidad, es la diferencia entre el grado crítico y el real de saturación, lo que determina la resisten c ia del co n creto al congelamie n­ to, como se explica en la figura 5-8. U n concreto puede caer por abajo del grado crítico de saturación después de un curado adecuado, per o dependiendo de la permeabi lidad, puede nuevamente alcanzar o exceder el grado crítico de saturación cuando se le somete a un ambiente húmedo. El papel de la permeabi lidad del concreto, es por lo tanto de importancia en la acción del congelamiento, porqµe con­ trola no solamente la presión hidráulica asociada con el movimiento interno del agua al congelamiento sino tam­ bién, el grado crítico de saturación antes del congelamiento. Desde el punto de vista de daños por congelamiento, el efecto del incremento en la permeabi l idad como resultado del agrietamiento debido a cualquier causa física o química, debe ser claro. · Como regla popular, en concretos de resistencia media y alta, cada 1 por ciento de i ncremento en el contenido de aire reduce la resiste ncia del concreto en aproximadamente 5 por ciento. Sin ningún cambio en la relación agua/cemen­ to, 5 por ciento de aire incl u ido dism.i nuiría por l o tanto la resistencia del concreto e·n 25 . por ciento. Debido a la mejoría en la trabajabi l i d ad como resultado del aire inclui- do, es . posible !recuperar una parte de la pérdida de la resistencia reduoiendo un poco la relación agua/cemento mie�tras se mantiene el nivel deseado de trabajabi l idad. Sin . embargó, el concreto con aire incluido es general mente inferior en resistencia q u e el cor�espondiente concreto sin aire incluido. Escamado del concreto Se sabe que la resistencia del concreto contra la acción combinada del congelamiento y las sales deshielantes, 1 5 que se usan comúnmente para derretir el h ielo y la nieve · en los pav imentos, es menor general mente q ue su resisten­ cia al congelamiento solo. Muchos i nvestigadores han ob­ servado que el da n o máximo a la superficie del concreto por escam ado ocurre con una concentración de sales de aproximadamente A a 5 por ciento. Según t-i arni k y otros, 16 el Uso de sales deshielantes tiene efectos tanto negativos como positivos en el daño por congelamiento, y el deterioro m ás pel igroso por las sales es una consecuencia de ambos efectos. El efecto del superen­ . friamiento de la sal en el agua (es decir, la disminución de la temperatura por la formación de hielo) puede verse como efecto positivo. Por otra parte, los efectos negativos son: O O Las chinches no se congelan hasta morir en invierno. Algu.nas chinches son capaces de reducir el contenido de agu.a en sus cuerpos de manera que pueden invernar sin congelarse; otras contienen una sustancia natural an�icongelante en su sangre. Resistencia. Aunque general mente hay una relación directa entre resistencia y durabilidad, esto no se apl ica en el caso 1 00 · O un in�remento en el grado de saturación del concreto debid ? al · carácter higróscopico de las sales; un incremento en el efecto de ruptura, cuando el agua superenfriada en los poros flnal mente se congela; el d esarrol lo de esfuerzos d iferenciales causado por el congelamiento capa por capa del concreto, debido a los gradientes de. concentración de sal; 1 5 Usualmente se emplean cloruros de amoniaco, de calcio o de sodio. 16 A. B. Harnik, U. Meier y Alfred Rosli, ASTM STP 691 , 1 980, págs. 474-84. CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Durabilidad ·o O embargo, con el fin de entender su importancia, algun o s de los factores se analizan a continuación. · un choque de temperatura como resultado de la apli­ cación seca de sales deshielantes en el concreto cu­ bierto con n ieve y hielo; y · crecimiento de cristales en las soluciones sobrésaturad as en lo s poros. · Por encima de todo, los efectos negativos asociados con la aplicación de sales deshielantes sobrepasan en gran medida al efecto positivo; por lo tanto, la resistencia al congelamien­ to del concreto bajo la i nfl uencia combinada de congela­ miento y sales de deshielo es disminuida significativamente. Deterioro por fuego La seguridad humana en· el caso de incendio es una de- 1as consideraciones en el d iseño de edificios residenciales, públicos e industriales. El concreto tiene un buen récord de servicio en este respecto. A d iferencia de la madera y los plásticos, el concreto no es combustible y no emite humos tóxicos al expo n erlo a altas temperaturas. A diferencia del . acero, cuando se le somete a temperaturas del orden de 700 a 800 ºC el concreto es capaz de retenersuficiente resisten­ cia durante períodos razonablemente largos, permitiendo así las operaciones de · rescate de reducir el riesgo de un derrumbe estructural. Por ejemplo, en 1 972, cuando un edificio de concreto reforzado de 3 1 pisos en Sao Paulo (Brasil), fue expuesto a un fuego de alta intensidad durante más de 4 horas, más de 500 personas fueron rescatadas porque el edificio mantuvo su integridad estructural durante el fuego. Hay que hacer notar que desde el punto de vista de la seg�ridad contra incendios de estructuras de acero, en los reglamentos de construcción se especifica rutinariamen­ te un recubrimiento de _ SO a 1 00 mm de concreto, o· de cualquier otro material resistente al fuego. Como en el caso de otros fenómenos, muchos factores controlan la respuesta del concreto al fuego. La composi­ ción del concreto es in:iportante porque tanto la pasta de cemento como el agregado constan de componentes que se descomponen con el calor. La permeabi lidad del concre;. to, el tamaño del elemento y la velocidad del incremento de temperatura son importantes porque rigen el desarrol lo de presiones i nternas de los productos gaseosos de descom­ posición. Las pruebas - de fuego han demostrado .que el grado de microagrietamiento y, por lo tanto� la resistencia del concreto, son también afectados por las con 9Jciones de prueba (es decir, si los especímenes son probados cal ientes y bajo carga, o · después . de enfriarse a la humedad y a temperatura ambiente). N uevamente, el comportamiento real de un concreto expuesto a una alta temperatura es el resultado de muchos factores que interactúan simultánea­ mente son muy · complejos para u n análisis p reciso. Sin CONCRETO, estructura, propiedades y materiales • Efecto de la alta temperatura en la pasta de cemento El efecto del incremento de la temperatura en la pasta de cemento hidratada depend � del gradó de hidratación y del estado de humedad. U na pasta de cemento portland bien hidratada, como se describió anteriormente, consiste prin­ cipé}'tmente en hidratos de silicato de calcio, hidróxido de . calci Ó e hidratos de sulfoá luminató de calcio. U na pasta saturada contiene grandes cantidades de agua libre y agua capilar, además� ael agua adsorbida. Los diversos tipos de ag u a se pierden fácilmente al aumentar _ la temperatura del concreto.- Sin embargo, desde el punto de vista de protec­ ción contra el fu ego, puede decirse que debido al conside­ rable calor de vaporización necesario para la conversión de agua en vapor, la temperatura del concreto no se incremen­ tará hasta que toda el agua evaporable haya sido removida . La presencia de grandes cantidades de agua evaporable pueden causar un problema. Si la velocidad de calenta­ miento es alta y la permeabi lidad de la pasta de cemento es baja, el daño al concreto puede l levarse a cabo en forma de descascaramiento de la superficie. El descascara in iento ocu­ rre cuando la presión del vapor dentro del material se incrementa a una velocidad más rápida que la presión de l iberación del vapor hacia la atm c? sfera. Para e í momento en que _l a temperatura alcanza aproxima­ damente 300 ºC, el agua de entrecapas de H-S-C y algo del agua químicamen te combin'ada del H-S-C y de los hidratos de sulfoaluminato, también se perderán. U na mayordeshi­ dratación de la pasta de cemento debida a la descomposi­ ción del hidróxido de calcio comienza a aproximadamente SOOºC, pero se requieren temperaturas del orden de 900ºC para una descomposición completa del H-S-C. · Efecto de la alta temperatura en.el agregado La porosidad y la mineralogía del agregado parecen ejercer una influencia importante en el comportamiento del con­ creto expuesto al fuego. Los agregados porosos, dependien.; do de la velocidad de calentamiento, del tamaño del agregado, de la per'meabil idad y del estado de humedad, pueden ser · susceptibles de expansiones de ruptura que conducen a botaduras del tipo descrito en el caso del ataque . por congelamiento. Sin embargo, los agregados de baja porosidad deberán estar l ibres de problemas relacionados con los movimientos de la humedad: 101 Durabilidad ro e :gi o ..!ll 1 25 (a) _No esforzado ro e ·ei e 'iñ � c. -o u E o ..!ll ro ro 'ü e Q) iií 'iñ Q) a: <J. .� 75 'iñ � c. E u -· -·-· Arenoso peso ligero ' ' '' --. Carbonato , \ '' .....--. 2 Resistencia promedio original (275 kgf/cm )_ ---- Silíceo 25 o 21 204 426 Temperatura ºC ·-·-· -· -·-··-·'" ,,,. ""· �· '' ' ,,... ... '"' Q) -o ' ... '\' ....... ' ' 75 50 (b) Esforzado a 0.4 f'c "§ 1 00 ..!ll 1 00 Q) -o <J. 1 25 . 648 o 50 ..!ll ro ro 'ü 25 e Q) iií 'iñ Q) a: 871 o 21 204 (a) 1 25 426 Temperatura ºC (b) 648 871 (e) Residual no esforzado (calentado, después almacenado 7 días a 21 2C) ro e ·ei '§ 1 00 ..!ll Q) -o <J. e 'iñ � c. 75 o 50 •O u E . ..!ll ro ro 'ü e Q) iií 'iñ Q) a: Figura 5.9. Efecto del tipo de agregado ACl-SP-25, 1 973, pp. 33-58) y 25 o 21 204 42 6 Temperatura ºC 648 871 condiciones de pru eba en la resistencia al fuego. (Fuente: M.S. Abrams, Temperature and Concrete, Los especímenes de concreto no cargados, calentados a 650ºC y probados en caliente [parte (a)], mostraron que los co_n cretos que contenían piedra caliza o agregado de peso ligero retuvieron 75 por ciento de la resistencia original, mientras que el concreto que contenía un agregado de sílice retuvo solamente 25 por ciento de la resistencia original. Cuando fueron cargados a 40 por ciento de la resistencia original [parte (b)], se·observó una tendencia similar, aunque todas las resistencias fueron mayores en aproximadamente 25 por ciento. Sin embargo, independientemente del tipo de agregado, todos los concretos mostraron una considerable pérdida de resistencia al enfriarse [(c)]. Los agregados de sílice que contienen cuarzo, tales como el granito y la piedra arenisca, pueden causar relajamiento en el esfuerzo del concreto a aproximadamente 573 ºC porque la transformación del cuarzo de la forma a a la forma �' está asociada con u na expansión repentina del orden de 0.85 por ciento. En el caso de las rocas de carbonato, un relajamiento simi lar comienza arriba de los 700 ºC, �orno resultado de la reacción de descarbonata­ ción. Además de _ las posibles transformaciones de la fase y de la descomposición térmica del agregado, la respues­ ta del concreto al fuego es afectada de otras maneras por la mi neralogía del agregado. Por ejemplo, la mineralogía del agregado determina las expan�iones térmicas d iferen­ ciales entre el -agregado y la pasta de cemento y la resisten c ia ú ltima de .la zona de transición. 1 02 Efecto de la alta temperatura en el concreto Los datos de Ab�ams 1 7 que se muestran en la figura 5-9, i lustran el efecto de una exposición de corta duración de hasta 870 ºC en la resistencia a la compresión de especíme­ nes de concreto, con un promedio de 2 7 MPa f 'c antes de la exposición. Las variables i ncluyeron . el tipo de agregado (carbonatos, si licosos o pizarra expandida de peso l igero) y las condiciones de prueba (calentados · sin esfuerzo, es decir, sin carga y probados en cal iente; calentados con carga a un nivel de esfuerzo de 40 por ciento de la resistencia original y probados en cal iente; y probados sin carga des­ pués de ser enfriados a la temperatura ambiente). 1 7 M. S. Abrams, Temperature and Concrete, ACI SP-25, 1 973, págs. 33-50. CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Durabilidad Cuando fueron calentados sin carga y probados en cal iente (figura 5-9a), los especímenes hechos con el agregado de carbonato o con el agregado arenoso de peso ligero (60 por ciento del agregado fino sustituido por arena natural), retu­ vieron más de 75 por ciento de sus resistencias originales a temperaturas de hasta 650°C. A esta temperatura, los espe­ címenes de concreto que contenían los agregados silicosos retuvieron sólo 25 por ciento de la resistencia original; habían retenido 75 por ciento de la resistencia origi nalcon aproximadamente 427°C. El comportamiento superior de los concretos con agregados de carbonato o de peso l igero, a la temperatura más alta de exposición, puede deberse a una zona de transición fuerte y a una menor diferencia en los coeficientes de expansión térmica entre la matriz y el agregado. Las resistencias de especímenes probados en cal iente pero cargados a la compresión (figura 5-9b) fueron hasta 25 por ciento más altas que aquél las de especímenes compañeros no cargados, pero el comportamiento s u perior de los con­ cretos de carbonato y de agregado de peso l igero se confir­ mó. Sin embargo, el efecto de la mineralogía del agregado en la resistencia del concreto fue red ucido significativamen­ te cuando los especímenes fueron probados después de un enfriamiento a 2 1 ºC (Figura 5-9 d . El microagrietamiento en la zona de transi c ión asoc iado con la retracción térmica fué probablemente responsable de esto. Abrams encontró q ue la resistencia origi nal del con C:reto en el rango de 23 a 45 MPa de -f'e, tuvo poco efecto en el porcentaje de la resistencia a la compresión retenida des­ . pués de una exposición a alta tem peratura. En un estudio posterior 1 8 se observó q ue, en comparación con la resisten­ cia a la compresión_ de. los especímenes calentados, los módulos de elasticidad de concretos hechos con · los tres tipos de agregado se abatieron más rápidamente en cuanto la temperatura fué incrementada. Por ejemplo, a 204 y 427ºC, los módulos fueron de 70 a 80 por ciento y de 40 a 50 por ciento del valor original respectivamente. Esto puede atribuirse al microagrietamiento en la zona de transición, que tiene un efecto más dañino en la resistencia a la flexión y en el módulo de elasticidad · que en la resistencia a la compresión del concreto. Deterioro por reacciones químicas La resistencia del concreto a los procesos de deterioro desatados por las reacciones químicas, incl uye general men­ te pero no necesariamente, interacciones químicas entre C . R. Cruz, J. Res. & Dev., Portland Ceme � t Association, Skokie,111., No. 1, págs. 3 7-45, 1 966. 18 CONCRETO, estructura, propiedades y materiales agentes agresivos presentes en el ambi�nte externo y los constit.uyentes de la pasta de cemento. Entre las excepciones se encuentran las _reacciones álcal i­ agregados, que ocurren entre los álcalis en la pasta de cemento y ciertos materiales reactivos cuando están presen­ tes en el agregado; hidratación retrasada del CaO y MgO cristalinos si están presentes en cantidades excesivas en el cemento portland y corrosión electroqu ímica del acero embebido en el concreto. En una pasta de ce_m ento portland bien hidratada, la fase sól ida, que está compuesta principalmente por hidratos de calcio relativamente insolubles (tales como el H-S-C, el CH y el C-A-5-H), existen en un estado de equilibrio estable con un fluido de poro' alto en pH. Grandes concentraciones de iones de Na + , K + y OH -, son la causa del alto valor del pH, de 1 2.5 a l 3 .5, del fluido del poro en las pastas de cemento portland. Es obvio que el concreto de cemento portland estará en un estado d.e desequilibrio químico cuando se ponga en contacto con un ambiente ácido. Teóricamente, .c ualquier ambiente con menos de 12.5 pH puede ser considerado agresivo, porque una reducción de la alcalinidad del fluido de _ poro, finalmente conducirá a la desestabi lización de los productos cementantes de la hidra­ tación. De esta manera, desde el punto de vista del concreto de cemento portland, la mayoría de las aguas i ndustriales y naturales pueden clasificarse como agresivas. Sin embargo, la velocidad de ataque químico en el concreto será una función del pH del fluido agresivo' y de la permeabi lidad del cont:reto. Cuando la permeabi lidad del concreto es baja y el pH del agua agresiva está por .arriba de 6, la velocidad del ataque químico es considerada muy lenta para tomarla en cuenta seriamente. El C02 libre en agua suave y en aguas estancadas, los iones ácidos tales como sol- y cr en el agua subterránea y en el agua de mar y el H + en algunas aguas industriales, son con frecuencia responsables de la disminu­ ción del pH abajo de 6, lo que es considerado dañino para el concreto de cemento portland. Nuevamente es necesario subrayar que las reacciones quí­ micas se manifiestan en efectos físicos da�inos tales como un incremento en la porosidad y en la permeabi lidad, en la disminución de la resistencia y en el agrietamiento y des­ cascaramiento. E n la práctica, algunos procesos químicos y físicos de deterioro actúan al mismo tiempo y pueden aun reforzarse uno al otro. Con el propósito de desarrol lar . un entendimiento claro, los procesos químicos pueden subdi­ vidirse en tres subgrupos, como se muestra en la figura 5-1 O y analizarse uno por uno. Se dará atención especial al ataque de los sulfatos, al ataque del álcal i-agregado y a la corrosión del acero embebido, ya que estos fenómenos son responsables del deterioro de un gran número de estructuras 103 ' Durabilidad DETERIORO DEL CONCRETO POR REACCIONES QUÍMICAS Reacciones de intercambio entre fluidos agresivos y componentes de la pasta endurecida del cemento iones Ca+ + como productos solubles Remoción de iones Ca+ + como productos insolubles no ex ansivos Reacciones incluyendo h idrólisis y deslave de los componentes de la pasta de cemento endurecida Reacciones incluyendo la formación de · . productos expansivos Incremento en la porosidad y en la permeabilidad Incremento del esfuerzo interno Rea�ciones de reemplazo de Ca+ + en H-S-C L _ _ Pérdida de alcalinidad · _ _ _ Pérdida de masa _ _ _ _ Incremento en los procesos de deterioro _ _ l Pérdida de resistencia y de rigidez Agrietamiento, descascaramiento, botaduras Deformación Figura 5-1 O. Tipos de reacciones químicas que son responsables del deterioro·del concreto: A. Ataque del agua blanda sobre el hidróxido de calcio y el H-S-C presentes en cementos portland hidratados; B. (1), Solución ácida formando compuestos de calcio solubles tales como cloruro de calcio, sulfato de calcio, acetato de calcio, o bicarbonato de calcio; B. (1 1) Soluci2 nes de ácp o oxálico y sus sale.s, formando oxalato de calcio;, B. (111) Ataque + de largo plazo del agua de mar debilitando el H-S-C al substituir Mg por Ca + ; C. (1 ) Ataque de.sulfato formando etringita y yeso, (2) Ataque · álcali-agregado, (3) Corrosión del acero en el concreto; (4) Hidra'tación de MgO y CaO cristalinos. (De: P; K. Mehta y B. C. Gerwick, Jr., Concr. lnt., Vol. 4, págs. 45-5 1 , 1 982). · · de concreto. Finalmente, la última � ección de este capítulo está dedicada a la durabilidad· del concreto en el agua de mar, porqUe las estructuras costeras y en mar abierto están expuestas a un conjunto. de procesos químicos y físicos int�rrelacionados de dete rioro, que demuestran c laramente las complejidades de • los problemas de durabil idad del concreto en la práctica. Hidrólisis de los componentes de la pasta de cemento El agua subterránea, el agua de lagos y de ríos contiene cloruros; sulfatos y bicarbonatos de calcio y de magnesio; en general es água dura y no ataca a los constituyentes de la pasta dé cemento portland.EI agua pura de la condensa­ ción de la niebla o del vapor de agua y el agua suave de la l l uvia o del deshielo y la nieve, pueden contener pocos o ningún ión de cal d o . . Cuando estas aguas se ponen en contacto con la pasta de cemento portland, tienden a hidro­ l izar o disolver los productos que contienen calcio. U na vez que la sol ución de contacto alcanza un equilibrio químico, se detendrá una hidról isis posterior de la pasta de cemento. Sin embargo, en el caso del agua qúe fluye o del agua filtrada bajo presión, se l levará a cabo una dilución al ponerse en contacto 'con la sol ució_n, proporcionando así la 1 04 condición para una hidról isis contin ua. En las pastas de cemento portland hidratadas, el hidróxido de calcio es el constituyente que� dada su relativamente alta solubi l idad en agua pura (1 ,230 mg/litro), es más susceptible a la hidrólisis. ' · Teóricamente, la hidrólisis de la pasta de cemento continúa . hasta que la mayor parte . d e l h idr óxido de calcio ha sido l ix iviado; esto expone a los otro s constituyentes cementan­ tes a una descomposición q u ímica. Finalmente, el proceso deja detrás de sí gel.es de síliee y de a l ú m i n a con poca o ninguna resistencia. Los resultados de dos investigáciones que muestran pérdida de resistencia de las p·astas de cemen­ to portland por l ixiviación de la cal, son citados pOr B ic­ zok 1 9 (figura 5-1 8c). . . 20 En otro caso, un concreto que había perdido cer�a: de un cuarto de su contenido original de cal, vio reducida a 50 por ciento su resistencia original. Además de la pérdida de resistencia, el l ixiviado del h idró. xido de calcio del concreto puede considerarse inconve­ niente por razones estéticas. Con frecuencia, el l iquido l ixiviado interactúa con el C0 2 presente en el aire y resulta en la precipitación de costras blancas de carbonato de 1 9i. Biczok, Concrete Corrosion and Concrete Protection, Chemical Publis­ hing Company, lnc., Nueva York, 1 967, pág. 291 . 20 R. D. Terzaghi, lnc., J. ACI, Proc., Vol. 44, pág. 977, 1 948. CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Durabilidad calcio en la superficie. E l fenómeno es conocido como eflorescencia. Reacciones del intercambio de cationes· Con base en el intercambio de cationes, los tres tipos de reacciones dañinas que pueden ocurrir entre las sol uciones químicas y los componentes de la pasta de cemento por­ tland son los siguientes: Formación de sales solubles de calcio. Las solu ciones áci­ das que contienen aniones que forman sales solubles de calcio se encuentran frecuentemente en la práctica indus­ trial . Por ejemplo, los ácidos: hidroclorídrico, sulfúrico o nítrico pueden estar presentes en los efluentes de la indus­ tria química. Los ácidos acético, fórmico o láctico se en­ cuentran en muchos productos alimenticios. El ácido carbónico, H 2 C0 3 , está presente en las bebidas embotelladas; altas concentraciones de C02 también se encuentran en las aguas naturales. La reacción de intercam­ bio de cationes entre las soluciones ácidas y los constitu­ yentes de la pasta de cemento portland, dan 1 ugar a sales sol ubles de calcio tales como el cloruro de calcio, el acetato de calcio y el bicarbonato de calcio, que son removidas por medio de l ixiviación. A través de la reacción de intercambio de cationes, las sol uciones de cloruro de amonio y sulfato de amonio que se encuentran comúnmente en las industrias de fertilizantes y agrícolas, son capaces de transformar los componentes de la pasta de cemento en productos altamente solubles, por ejemplo: + 2 N H4CI Ca(OH) 2 � CaCl 2 + 2 N H4QH (5-1 ) Debe entenderse que como ambos productos de reacción son sol ubles, los efectos del ataque son más severos que, por ejemplo, la solución MgC' 2 , que formará CaC' 2 y Mg(OH) 2 . Puesto que este último es insoluble, su formación no incrementa la porosidad y la permeabil idad . del sistema. ' ' ' Debido a ciertos aspectos del ataque del ácido carbónico en la pasta de cemento, es conveniente analizar esto un poco más. Las reacciones típicas de intercam�io de cationes entre el ácido carbónico y el hidróxido de calcio presentes en la pasta de cemento portla.nd hidrat�da, pueden mostrar­ se como sigue: Ca(OHb CaC0 3 + + C0 2 + + 2H 2 0 (5-2) H 2 0� <-- Ca(HC0 3 )2 (5-3) H 2 C0 3 � CaC0 3 Después de la precipitación del carbonato de calcio que es insoluble, la primera reacción se detendrá a menos que algo de C02 libre esté presente en _e l agua. Al transformar el carbonato de calcio en bicarbonato soluble, de acuerdo con CONCRETO, estructura, propiedades y materiales la segunda reacción,· la presencia de C0 2 libre ayuda a la hidrólisis del hidróxido de calcio. Puesto que la segunda reacción es reversible, una cierta cantidad de C0 2 libre conocida como el C02 de balance es necesaria para man­ tener el equilibrio de la reacción. Cualquier C02 libre y por encima del C02 de balance, será agresivo a· la pasta de cemento porque al l levar la segunda reacción a la derecha acelerará el proceso de transformación del hidróxido de calcio presente en la pasta hidratada· en bicarbonato de calcio soluble. El contenido de C02 de balance del agua depende de su dureza (es decir, la cantidad de calcio y magnesio presentes en solución). Hay que hacer notar que la acidez · del agua que ocurre en la naturaleza, se debe en general al C02 d isuelto que se encuentra en concentraciones significativas en aguas mine­ rales, en el agua de mar y en el agua subterránea cuando los vegetales o animales en descomposi c ión entran en contacto con el agua. Las aguas subterráneas normales contienen 1 5 a 40 mg/litro de C02 ; sin embargo, no son raras las concentraciones del orden de 1 50 mg/l itro; el agua de mar coritie�e de 35 a 60 mg/l itro de C0 2 . Como reglá, cuando el pH del agua subterránea o de agua de· mar es 8 o más, la concentra:c_i ón de _C02 libre es generalmente despreciable; cuando el pH es · menor de 7, pu_e den estar presentes concentraciones dafünas de C02 libre. formación de sales de calcio i_nsolubles y no expansivas. Ciertos aniones, cuando están presentes en agua agresiva, pueden reaccionar con la pasta d.e cemento para formar sales insol ubles de calcio; su formación puede no causar daño al concreto, a menos que el producto de la reacción sea expansivo . (ver má_s adelante) o retirado por erosión debida a una sol ución fluida, filtración, o tránsito vehicular. Los produ�tos de la reacción entre el hidróxido de calcio y los ácidos·oxálico, tartárico, tánico, húmicó, hidrofluórico o fosfórico, corresponden a la categoría de sales de calcio insolubl e s no expansivas. Cuando el concreto está expuesto a desperdi� ios descompuestos de animales o de materiales vegetales, 'es la presencia del ácido húmico la que causa deterioro químico. Ataque químico por soluciones que contienen sales de magnesio. El c loruro, el sulfato o el bicarbonato de magne­ sio se encuentran frecuentemente en aguas subterráneas, en el agua de mar y en algunos efl uentes industriales. Las soluciones de magnesio reacdonan fáci lmente con el hidró­ xido de calcio presente en · las pastas de cemento portland, para formar sales solubles de calcio. Como se analiza en la sección siguiente, la sol ución de MgS04 es la m�s agresiva, porque el ion de sulfato pued� ser dañino a los hidratos que contienen alúmina están presentes en la pasta de cemento portland. 105 Durabilidad U n hecho característico del ataque del ion de magnesio en la pasta de cemento portland, es que se extiende filialmente al hidrato de sil icato de calcio; que es el principal constitu. yente cementante. Parece que en un contacto prolongado con las sol uciones de magnesio, el H-S-C en la pasta de cemento portland hidratada pierde gradualmente iones de calcio, que son sustituidos por iones de magnesio. El pro­ ducto último de la reacción de sustitución es un hidrato de . silicato de magnesio, cuya formación está asociada con la pérdida de las características cementantes� Reacciones que involucran la formació rl de productos expansivos Las reacci()nes químicas que involucran la formación de productos expansivos en el concreto endurecido, pueden conducir a ciertos efectos dañinos. La · expansión puede tener l ugar al. principio sin daño alguno al concreto, pero el aumento del esfuerzo interno finalmente se manifiesta por el cierre de las juntas de expansión, deformación y despla­ zámientos en diferentes partes de la estructura, agrietamien­ to, descascaramiento y botaduras. Los cuatro fenómenos asociados con las reacciones químicas expansivas , son: ataque de los sulfatos, ataque álcali-agregado, hidratación retardada del CaO y el MgO l ibres y corrosión del acero en el concreto. Ataque de sulfatos Una revisión reciente 21 de 42 estructuras de concreto ubi­ cadas· a lo largo de la costa :d el Golfo al Oriente de Arabia Saudita, mostró que la mayoría de las estructuras sufrieron un alto grado de deterioro en un período corto de 1 O a 1 5 años; el deterioro fue atribuido principalmente a dos causas: corrosión del refuerzo y ataque de los sulfatos. El ataque de los sulfatos en el concreto ha sido registrado en muchas otras partes del mundo, incluyendo las provincias de la pradera canadiense y el oeste de los Estados U nidos. En realidad, tan temprano como el año 1 936, un manual de construcción de concreto publicado por el U. S. Bureau of Reclamation, advertía que las concentraciones de sulfatos solubles mayores del 0.1 por ciento en el suelo (1 50 mgllitro de 504 en el agua), po,nían el concreto en peligro y que más de 0.5 por dento de sulfato soluble en el suelo (más de 2,000 mgllitro de 504 en el agua) podían tener un efecto serio. · La mayoría de los suelos contienen algún sulfato en la forma · de yeso (típicamente 0.01 a O.OS por ciento expresado como 504); esta cantidad es inOfensiva para el concreto. La 21 Rasheeduzzafar 106 y otros, J. ACI, Proc., Vol . 81 , No. 1 , págs. 1 3-20, 1 984. sol ubil idad del yeso en el agua a temperaturas normales es más bien limitada (aproximadamente 1 400 mg 504/litro). Concentraciones más altas de sulfato en aguas subterráneas son en general debidas a la presencia de sulfatos de magne­ sio y de álcali. E l sulfato de amonio está presente frecuen­ temente en suelos agrícolas y en las aguas. Los efluentes de hornos que usan combustibles con alto sulfuro y de la industria química pueden contener ácido sulfúrico. El dete­ rioro de la materia orgánica en pantanos, lagos superficiales, pozo� de minas y tubos de drenaje, conducen a menudo a la formación de H 2 S, lo q ue puede ser transformado en ácido sulfúrico por medio de la acción bacteriana. De acuerdo con el Comité ACI 201 , el agua util izada en las torres de enfriamiento de agua puede también ser una fuente potencial del ataque de sulfatos por el incremento gradual de sulfatos al evaporarse el agua. Así, no es raro encontrar concentraciones dañinas de sulfatos en ambientes naturales e industriales. La degradación del concreto como u n resultado de las reacciones químicas entre el cemento portland hidratado y iones de sulfato de una fuente externa, se sabe q ue toma dos formas� que son muy diferentes una de otra. Cuál de los procesos de �eterioro es el predominante en un caso dado, depende de la concentración y fuente de los iones de sulfato (es decir el catión asociado) en el agua de contacto y de la composición de la pasta de cemento en el concreto. · E l ataque de sulfatos puede manifestarse en forma de expan­ sión del concreto. Cuando un concreto se agrieta, su permeabil idad se incre­ menta y el agua agresiva penetra más fáci lmente a su interior, acelerando así el proceso de deterioro. Algunas veces, la expansión del concreto causa serios problemas estructurales tales como el desplazamiento de los muros de un edificio, debido a un empuje horizontal de una losa en expansión. El ataque de sulfatos también puede tomar la forma de una pérdida progresiva de resistencia y pérdida de la masa debidas al deterioro en la cohesividad de los productos de hidratación del ce.mento: A contin uación se presenta una revisión breve de algunos aspectos teóricos de las fal las generadas por los sulfatos, seleccionadas comq casos histó­ ricos, y los controles contra el ataque de los sulfatos. Reacciones químicas involucradas en el ataque de los sulfatos El hidróxido de calcio y las fases que contienen alúmina del cemento portland hidratado, son más vul nerables al ataque de los iones de sulfatos. En la hidratación, los cementos CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Durabilidad portland con más de 5 por cie n to de C3A 22 potencial, contendrán la mayor parte de la alúmina en la forma de hidratos de monosulfato, C3A · CS · H 1 8 . Si el contenido de C3A del cemento es más de 8 por ciento, los productos de la hidratación también contendrán C3A·CH · H 1 8 . Ante la presencia de hidróxido de calcio en las pastas de cemento portland, cuando la pasta de cemento entra en contacto con los iones de sulfato, ambos h idratos que contienen al úmina son convertidos a la forma de alto sulfato (etringita, C3 A3CSH3 2 ): que es esencial para la estabi lidad de la fase cementante principal (H-S-C). Por otra parte, en el segundo caso (ataque de sulfato de magnesio), la conversión de hidróxido de calcio a yeso es acompañada por la formación de hidróxido de magnesio alcalino relativamente insoluble y pobre; en esta forma, la estabilidad del H-S-C en el sistema se reduce y también es atacada por la solución del sulfato. El ataque del sulfato de magnesio es púr lo tanto, más severo en el concreto. C3A . es . H 1 8 + 2CH + 25 + 1 2H � C3A ·. 3CS . HJ2 (5-4) Casos históricos seleccionados C3A · CH · H18 + 2CH + 35 + 1 ·1 H � C3A · 3CS · HJ2 (5-5) . Un interesante caso histórico del ataque del sulfato por un agua de manantial . en los estribos del puente del río Elba en Magdeburg, Alemania del Este, fue registrado por Biczok. 25 La operación del sumergido de estribos en una camisa cerrada abrió un manantial. El agua del manantial contenía 2040 mg/litro de S04 . La expansión del concreto levantó los estribos 8 cm durante 4 años y causó un agrietamiento extenso, lo que hizo necesario demoler y reconstruir los estribos. Obviamente, tales ocurrencias de expansión de sulfato pueden evitarse con una revisión amplia de las condiciones ambientales y proporcionando protección ade­ cuada contra el ataque de los sulfatos cuando sea necesario. Hay u na aceptación general en cuanto a que las expansio­ nes relacionadas con los sulfatos en el concreto están asociadas con la etringita; sin embargo, el mecanismo por el cual la formación de etringita causa la expansión aún está sujeto a c� ntroversia. 23 La presión ejercida por los crecien­ tes cristales de etringita y el hinchamiento debido a la absorción de agua en un ambiente alcalino por la etringita pobremente cristalina, son dos de las varias .h ipótesis que son apoyadas por la mayoría de los investigadores. La formación de yeso como resultado de reacciones de i ntercambio de cationes también es capaz de causar expan­ sión. Sin embargo, se ha observado24 que el deterioro de la pasta de cemento portland endurecida por la formación de yeso, sigue un proceso q ue conduce a la reducción de la rigidez y de la resistencia; esto es seguido por la expansión y el agrietamiento y una transformación eventual del mate­ rial en una masa esponjosa y no cohesiva. Dependiendo del tipo de catión presente en la sol ución de sulfato (ya sea Na + ó Mg2 + ), tanto el hidróxido de cal c io como el H-S-C de la pasta de cemento portland pueden ser convertidos en yeso por el ataque de sulfatos: { } Na2S04+Ca(OH)2+iH20 � CaS04 · 2H20+2NaOH (5-6) MgS04+Ca(OH)2+2H20 � CaS04 · 2H20+Mg(OH)2 3Mg504+3Ca0·2Si02·3H20+8H20 � . 3(Ca504·2H20)+3Mg(OH)2+2Si02·H20 (5-7) . En el primer ca so (ataque de sulfato de sodio), la formación de hidróxido de sodio como un subproducto de la reacción asegura la continuación de alta alcalinidad en el si�tema, lo 22 Para las abreviaturas de la quím ica del cemento ver-la pág. 1 8. 23 M. D. Cohen y B. Mather, ACI Materials Jour., Vol. 88, No. 1 , págs". 62-69, 1 99 1 . 24 P . D . Mehta, Cem. Concr. Res., Vol . 1 3 , No. 3, págs. 401 -6, 1 98 3 . CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Bel lport26 describió la experiencia del U. S. Bureau of Reclamation, en relación con el ataque de sulfato en estruc­ turas hidráulicas ubicadas en Wyoming, Montana, South Dakota, Colorado y California. En alguños casos, el contenido de sulfato soluble en el suelo era tan alto como 4;55 por ciento y la concentración de sulfato en el agua era de 9,900 mg/litro. Se registraron muchos casos de serio deterioro de estructuras de concreto de 5 a 30 años de edad. Los estudios de investigación mostraron que los cementos resistentes a los sulfatos que contenían de 1 a 3 por ciento de C3A potencial, se compor­ taron mejor que los cementos con O por ciento de C3A, que contenía grandes e inusuales cantidades de si l i cato de tricálcico (58 a 76 por ciento). Como un resultado de exposición a los sulfatos durante 20 años, se registró una pérdida de resistencia en estructuras de concreto de la Presa Fort Peck en Montana (figura S -1 1 ). El contenido de sulfato de las aguas subterráneas, debido . solo a sulfatos alcalinos, era de hasta 1 0,000 mg/litro. U na investigación de los especímenes deteriorados del concreto (figura 5-1 2), mostró grandes cantidades de yeso formadas a expensas de los constituyentes cementantes presentes 25 Biczok, Concrete Corrosion and Concrete Protection. 26 B. P. Bel lport, en Performance of Concrete, ed. E. G. Swenson, Univer­ sity of Toronto Press, Toronto, 1 968, págs. 77-92. 1 07 Durabilidad Figura 5� 1 1 . Ataque de sulfatos en el concreto de la Presa Fort Peck, 1 971 . (Fotografía por cortesía de T. J. Reading, antiguo jefe i ngeniero de materiales del Missouri River Division, U. S. Corps of Engineers) En las grandes planicies de los estados del norte (/os Dakotas y Montana), un agua subterránea extendiéndose hasta las praderas de las provincias de Canadá, puede contener de 1,000 a 1 0,000 mg/litro de 504 en áreas de drenado pobre. Durante los años 1 935- 1 966, el U. S. Corps of Engineers construyó seis presas a base de tierra a través del alto Missouri River; sin embargo, hay grandes estructuras auxiliares de concreto tales como túneles, una bahía de apoyo, una . planta de energía y un vertedero. Cuatro de los seis proyectos, incluyendo la Presa de Fort Peck (Montana), contenían más de 765,000 metros cúbicos de concreto cada una. A juzgar por la resistencia a la compresión (48 a 60 MPa) de los núcleos de especímenes de 20 j ños de edad, el concieto de Fort Peck hecho con cemento portland Tipo I (7 a 9 por ciento de C3A), una relación de agua/cemento de 0.49 y 335 kg/m de contenido de cemento, resultó de buena calidad (baja permeabilidad). Las inspecciones de las estructuras de concreto en 1 957- 1 958, después de 20 años de uso, mostraron que la condición total del concreto en Fort Peck era muy buena; sin embargo, se encontró un considerable ataque de sulfatos en dos áreas: en las losas del piso de la esclusa en el extremo aguas abajo del túnel 1 y en un muro del canal de evacuación (mostrado en la fotografía). El concreto deteriorado estaba blando y se desintegraba fácilmente. La concentración de sulfato del agua subterránea, debida casi enteramente a sulfato de sodio, se encontró ser de aproximadamente 1 0,000 mg/litro. Entre 1 958 y 1 97 1, el área deteriorada en el muro del canal de evacuación se agrandó y alcanzó una profundidad de 200 mm. Un análisis mineralógico de la pasta de cemento en especímenes de concreto mostró que se habían formado grandes cantidades de yeso a costa del H-5-C y del hidróxido de calcio. 1 08 CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Durabilidad Simbología O-Cuarzo E-Etringita G-Yeso Muestra del muro G E 1 23 Muestra 21 19 E E 17 15 13 Grados 28, C u Ka 11 9 Figura 5-1 2. Análisis de difracción con rayos X del concreto deteriorado de la Presa de Fort Peck . La técnica de difracción de rayos X (XRD) ofrece una forma conveniente para determinar el análisis mineralógico de los sólidos cristalinos. Si un mineral crista/in ¿ es expuesto a los rayos X de una longitud de onda especial, las capas de átomos difractan los rayos y producen un patrón de picos característicos del mineral. La escala horizontal (ángulo de difracción) de un patrón típico de XRD da el espaciamiento del enrejado de los cristales y la escala vertical (altura del pico), da la intensidad del rayo difractado. Cuando los especímenes sometidos a rayos X contienen más de un mineral, la intensidad de los piCos característicos de los minerales individuales son proporcionales a su cantidad. Utilizando una radiación de cobre Ka, este patrón de XRD se obtuvo de especímenes de una pasta de cemento tomada del concreto deteriorado de la presa de Fort Peck. Se encontraron grandes cantidades de etringita y de yeso en los especímenes en lugar de H-S-C, Ca(OH)2, e hidrato de monosulfato, que están normalmente presentes en concretos de cemento portland maduro. Esta es una evidencia inequívoca del . fuerte .ataque de sulfatos al concreto. La contaminación de la pasta de cemento por agregado es la responsable de la presencia del pico de cuarzo en el patrón XRD. normalmente en las pastas de cemento portland hidrata­ do. 27 Casos similares de deterioro por sulfatos se . . han · registrado en los suelos de las praderas en el occidente del Canadá, que contienen .tanto como 1 1/2 por ciento de sulfa­ tos alcalinos (las aguas subterráneas contienen frecuente­ m e n te d e 4 , 0 0 0 a 9 , 00 0 m g/l itro d e s u l fatos) . Generalmente, como una consecuencia del ataque de tos sulfatos, el concreto se volvió relativamente poroso, débi l y, finalmente, se redujo a una masa arenosa (no cohesiva). . Verbeck28 registró los resultados de una i nvestigación a largo plazo sobre el comportamiento del concreto en suelos sulfatados ubicados en Sacramento, Cal ifornia. Se uti l izaron especímenes de concreto hechos con diferentes tipos · de cemento portland con tres conteni.d os. El suelo en la cuenca contenía aproximadamente 1 0 por ciento de sulfato de sodio. El deterioro de los especímenes de concreto fue eval uado po·r medio de inspección visual y por la medición de la resistenci a y del módulo de elasticidad dinámico 27 T. E. Reading, ACI SP47, 1 975; págs. 343-366; y P. K. Mehta, J. ACI, Proc., Vol. 73 , No. 4, págs. 2 3 7-2 3 8, 1 976. 28 G. J . Verbeck, en Performance of Concrete, ed. E. G. Sweson, University of Toronto Press, Toronto, 1 968. CONCRETO, estructura, propiedades y materiales después de varios períodos · de exposkión. Los datos de \Íerbeck 'relacionados con el efectó del contenido de C�A en . el cemento portland y el contenido de cemento del concreto en la velocidad promedio de deterioro se muestra� en la figura 5�1 3 . Los resµltados demuestran claramente que el contenido de cementó (en Otras palabras, la permeabili­ dad del concreto) tenían más infl uencia en la resistencia a los sulfatos que la composición del cemento. Por ejemplo, · el comportamiento del concreto que contenía 390 kg/m 3 de cemento con . 1 O por ciento de C3 A fue dos a tres veces mejor que el concreto que contenía 3 1 o kg/m 3 de cemento con 4 por ciento de C3 A (figura, 5-1 3a). Con un cemento de alto C3 A (1 1 por dento de C3 A), el contenido efectivo de C3 A en la mezcla cementante puede reducirse con la adición de un adicionante puzolánico tal como la ceniza volante (figura 5-1 3b), causando así un efecto benéfico en la resistencia a los sulfatos. Un caso interesante de ataque de sulfatos que atr_ajo la atención d�I autor; fue el que mostró que el suelo, las aguas subterráneas, el agua de mar y las agu as industriales no son las únicas fuentes de sulfatos; Recientemente, el deterioro de un mortero mezclado en seco para unir las trabes de concreto precoladas en voladizo y las trabes de concreto 1 09 Durabilidad Contenido de cemento 160 ó •C: Ceniza volante 225 kg/m3 -- 310 kg/m3 ----- 390 kg/m3 - 1 40 12 '#. 1 20 e .fü o �Cl> 'O . :§Cl> E K -g "O ·g � ( 2 ) 20 % (a ) ( b) (e) 10 "' •C: o "' 1 00 � o - . e: 80 . o o o \ a \ \ \ \ \ \ \ \ 8 -o ·¡¡¡ "' c. e: 60 ;/ /• 4o y ....... �/ -, 20 o -- o 2 - -- -, 1l n 1 4 1 m 1 6 8 X w 1 l. 4 �.... ____.I _ ,._ 1 0 1 2 14 o 16 1 8 \ \ ..... ::::: � ' 2 Tipo de cemento 1 r 6 C3 A 7% 9% 11 % 5.1 % 2.2 % ( 1 ) 40 % 91 136 ....� . --.:r-- 1 82 2 27 27 2 3 3 1 8 Kglm Contenido de cemento Contenido promedio d e C3A, % (b) (a) Figura 5 -1 3. Efectos del tipo, del contenido y de la adición de ceniza volante en el ataque de sulfatos al concreto. [(a) De: G. J. Verbeck, en Performance of Concrete, ed. E. G. Swenson, U niversity of Toronto Press, Toronto, 1 968, pág. 1 1 3 - 1 24; (b) De: G. E. Brown y D. B. Cates, Concr. lnt., Vol. 5, págs. 3 6-39, 1 983.) · El deterioro del concreto debido a un ataque de sulfatos puede ser afectado por el contenido de cemento, el tipo de cemento y los aditivos minerales. Los resultados de un estudio a largo plazo de especímenes de concreto expuestos a un suelo sulfatado (que contiene 1 0 % de Na2S04) en Sacramento, California, mostraron (figura de Ja izquierda) que Ja baja permeabilidad del concreto (alto contenido de cemento) fue más importante para reducir la velocidad de deterioro que el contenido de C3A en el cemento; ia adición de aditivos minerales (ceniza volante), ofrece otra forma de controlar el ataque de los sulfatos, al reducir el contenido efectivo de C3A en el material total cementante. coladas en la obra de las graderías, fue registrado en el Estadio Candlestick Park (figura 1 -7) en San Francisco, California. 29 Aparentemente, e.I mortero no fue compactado , adecuadamente durante la construcción; por lo tanto, la l ixiviación del material cementante resultó en una alta perdida de la resistencia3 0 y causó la formad ón de estalac­ titas de carbonato de calcio en la zona vecina. U n anál isis de difracción de rayos X del material deteriorado mostró la presencia de cantidades considerables de etringita y de yeso . formados como resultado del ataque de los sulfatos. Puede tomarse en cuenta que la junta que contienne el mortero está ubicada entre 1 8 y 30 metros arriba del nivel del suelo. Debido á un drenado inadecuado, se encontró que el agua de l l uvia se había acumulado en la vecindad del mortero. Parece que debido a la contaminación del aire, los sulfatos presentes en el agua de l l uvia (ver �I recuadro siguiente) pueden causar deterioro dél mortero o del concreto sobre el suelo. Esto es probable que suceda cuando el material es permeable y cuando durante el diseño y la construcción no se tomaron las precauciones debidas para el drenado del agua de lluvia. , 29 Engineering News Récord, pág. 32, de �nero de, 1 984. 30 N úcleos de mortero mostraron aproximadamente de 42 a 70 kgr/cm 2 2 contra los 280 kgr/cm normales de resistencia a la compresión. 1 10 · Control del ataque de los sulfatos Según un informe del B RE digest, 3 1 los factores que afectan el ataque de los sulfatos son: O O la cantidad y la naturaleza del sulfato presente, el nivel del agua freática y su variación con las esta­ ciones, O el flujo del agua\s ubterránea y la porosidad del suelo, O la forma de la construcción y O la cal idad del concreto. Si no puede evitarse que el agua sulfatada l legue al concre­ to, la única defensa contra su ataque . yace en el control del factor 5, como se anal i za a t� nti � u aci Ó n . S e o b serva q u e la· velocidad del ataque en una estructura de concreto con todas sus caras expuestas el agua sulfatada, es menor si la . humedad puede pe rderse por evaporación de una o más superficies. 31 Building Research Establishment Digest 250, Her Majesty's Stationery Office, Londres, 1 981 . Hereafter, BRE Digest 250. CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Durabilidad Por lo tanto, los sótanos, las alcantaril las, los muros de contención y las losas sobre el suelo son más vulnerables que las cimentaciones y los pilotes. Lluvia ácida y durabilidad del concreto Las muestras recolectadas por el Air Resources Board, han demostrado que el valor promedio pHde lluvia en el norte de California varió de pH 4.4 en San José a pH 5.2 en Davis. La incidencia de la lluvia ácida no está confinada a los centros urbanos del estado ... En el Sequoia National Park y en la región de los Mammoth Lakes, el valor promedio pH de precipitación pluvial durante 1980 y 1981 fue 4.9 y en una semana promedió 3.5. Pero aun esos datospalidecen en comparación con los niveles preocupantes de acidez encontrados en la niebla. En diciem.:. bre de 1982 el mantenimiento de niebla en Orange County alcanzó una baja lectura en mucho tiempo ... de pH 1. 7 en Corona del Mar. (Aun la niebla costera que recorre el Golden Gate de San Francisco ha registrado un pH tan bajo como 3.5). Según el Dr. Michael Hoffman del California Institute of Technology en Pasadena, la niebla cerca de las áreas urbanas registra rutinariamente entre 2.5 y 3 de la escala pH y está cargada con contaminantes tales como sulfatos, nitra­ tos, iones de amonio, plomo, cobre, níquel, .vanadio y aldehí­ dos. Fuente: Infonne de K. Patrick Conner, publicado en el San FranciscÓ . Chronicle, el 3 de junio de 1 984. La lluvia ácida es unfenómeno .causado por el hombre, no es un fenómeno natural; con 90 por ciento de tal contaminación (en la parte noreste de los Estados Unidos), próveniente de las combustión industria/ y de automóviles de combustibles fósiles. Estos contaminantes (cuyo principal componente es dióxido de sulfuro, con el óxido de nitrógeno que juega un papel importante), son transportados a través de la atmósfera a largas distancias de sus orígenes... Varios miles de lagos y de arroyos han sido contaminados con los ácidos, matando y reduciendo en ellos la vida existente. La lluvia ácida (entre otros factores) puede ser un contribuyente de .la declinación de los bosques. Los edificios, los monumentos y otras estruc­ sulfatos. U n espesor adecuado del concreto, un alto conte­ nido de cemento, una relaeión agua/cemento baja y una éompactación y curado adecuados del concreto fresco, son entre otros, los factores importantes que contribuyen a la baja permeabil idad. En �I caso de agrietamiento debido a la retracción . por secado, lá acdón del congelamiento, la corrosión del refuerzo u otras causas, se puede proporcionar seguridad adicional por medio del uso de cementos resis­ tentes a los sulfatos� Los cementos portland que contienen menos de 5 por ciento de C3 A (ASTM Tipo V), son suficientemente resistentes a los sulfatos en condiciones moderadas de ataque por sulfatos, (es decir, cuando las reacciones que forman etringita son la consideración única). Sin embargo, cuando están involucra­ das · concentraciones altas de sulfatos del orden de 1 ,500 mg/litro o más (que están normalmente asociadas con la presencia de cationes de magnesio y de álcalis), el cemento portland Tipo V puede no ser efectivo contra las reacciones de intercambio de cationes, que incluyen la formación de yeso, especialmente si el contenido de C3 S del cemento es alto. 3 2 En estas condiciones, la experiencia muestra que los cementos que contienen potencialmente po�o o ningún hidróxido de calcio, al hidratarse se comportan mucho mejor, por ejemplo, los cementos con alta alúmina, los cementos portland con escoria de alto horno con más 70 por ciento de escoria y los cementos portland puzolánicos con por lo menos 25 por ciento de puzolana (puzolana natural, arcilla calcinada o ceniza volante de bajo calcio). Con base en estándares originalmente desarrol lados por el U . S. B �reau of Reclamation, la exposición a los sulfatos es clasificada en cuatro grados de severidad en el Reglamento de Construcciones ACI 3 1 8-95, que contiene los siguientes requisitos: O O contaminación del aireypodrían ser el resultado delproble­ Fuente: Infonne de Philip Shabt;coff, publicado en el San Francisco Chroni­ cle, 24 de febrero de 1 985. Copyright 1 985 por el New York Times Company. Reimpreso con autorización. La calidad del concreto, específicamente una baja permea­ bilidad, es la mejor protección contra el ataque de los CONCRETO, estructura, propiedades y materiales menor de 0.1 por . ciento en el suelo, o menor de 1 50 ppm (mg/litro) en el agua, no habrá . restricción para el tipo de cemento ni para la relaci ? n agua/cemento. · turas hechas por el hombre están siendo erosionados por la ma de la lluvia áciaii, declaró el Dr. J. Chistopher Bernabo, director ejecutivo del National Assessment Program. Ataque despreciable: Cuando el contenido de sulfato es O Ataque moderado: Cuando el contenido de sulfatas es de 0. 1 a 0�2 por ciento en el suelo, o de 1 50 a 1 ,500 ppm en el agua, el cemento portland ASTM Tipo 1 1 o portland puzolana, o el cemento portland con _escoria, deberán usarse con una relación agua/cemento de menos de 0.5 para un concreto de peso normal. . Ataque severo: Cuando el contenido de sulfatos es de 0.2 a 2.00 por ciento en el suelo, o de 1. 1500 a 1 0,000 ppm en el agua, deberá usarse; rcemento portland ASTM Tipo V, con una rela7ión agua/cemento . de menos de 0.45. · / 3 2 Bel l port en Performance of Concrete, pág. 33. , 111 Durabilidad O Ataque muy severo: Cuando el contenido de sulfatos . es _de más de 2 por ciento en el suelo, o de más de 1 0,000 ppm en el agua, deberá usarse el cemento ASTM Tipo V más un adicionante puzolánico, con u na relación agua/cemento menor de 0.4_5. Para el concre­ to de agregado de peso ligero, el · Reglamento de Construcciones ACI especifica una resistencia míni m a a la compresión a los 28 d ías de 3 1 MPa (3 1 6 kgf/cm 2 ), para condiciones severas o muy severas de ataque por sulfatos. Se sugiere que con un . c_o ncreto de peso normal, . u'n a relación menor de agua/cemento (o resistencia más alta en el caso del concreto de peso lige ro) puede requerirse para impermeabi lidad al agua, o para protección contra la .corro­ sión de los elementos embebidos y contra el congela m iento y descongelamiento. Para condi c iones de ataque s muy severos, el informe No. 250 BRE requiere el uso de cemento portland resistente a los sulfatos, una relación agua/cemento máxima de 0.45, un contenido de cemento mínimo de 3 70 kg/m 3 y · una capa protectora del concreto. Puede notarse que las capas protectoras del · concreto no son un sustituto para un concreto de alta cal idad o de baja permeabi lidad, . puesto que es .d ifícil asegurar que Úna capa delgada pe rma­ necerá sin perforaciones y que capas gruesas no se · agrieta­ rán. Las recomendaciones del Comité ACI 5 1 5 deberán tomarse en cuenta para aplicar capas-barrera para proteger el concreto contra varias s u stancias químicas. Reacción álcali-agregado La expansión y el agrietamiento, que conducen a una pérdida de la resistencia, elasticidad y la durabilidad del concreto, también pueden ser el resultado de reacciones químicas que incluyen iones alcalinos del cemento portland (o de otras fuentes), iones de hidróxi lo y ciertos constituyen­ tes de sílice que pueden estar presentes en el agregado. En publicaciones recientes; este fenómeno es l lamado reac­ ción álcali-sílica. Botaduras y exudado de un fluido viscoso . de sil icato de álcali, son otras manifestaciones del fenóme­ n fue primeramente publicada en 1 940 . o, cuya descripción por Stanton 33 en sus investigaciones de estructuras de con­ creto agrietado en Cal ifornia. Desde. entonces, numerosos ejemplos del deterioro del concreto en otras partes del mundo se han registrado para demostrar que la reacción del álcali-sílica es por lo menos una de las causas del deterioro en las estructuras ubicadas en ambientes húmedos, tales como presas, pi las de puentes y muros marinos. Las carac­ terísticas de los cementos y de los agregados que contribu­ yen a la reacción,· Í os mecanismos asociados con la 33T. E. Stanton, Proc. ASCE, Vol. 1 12 66, págs. 1 781 - 1 782, 1 940. expansión, historias selectas de casos y métodos para con­ trolar el fenómeno se analizan a continuación. Cementos y tipos de agregado que contribuyen a la reacción Las mate·rias primas uti l izadas e.n la manufactura del cemen­ to portland son responsables de la presencia de los álcal is en el cemento, general mente en el rango de 0.2 a 1 .5 por ci.ento equivalente 34 de Na2 0. Dependiendo del contenido de álcalis de un cemento, el pH del fluido del poro en concreto,; normales es general mente de 1 2.5 a 1 3.5. Este pH representa un l íquido cáustico o fuertemente alcalino en el que algunas rocas ácidas (como los agregados com­ puestos de sílice y los minerales de sílice) no permanecen estables ante una larga exposición . . Tanto los datos de laboratorio _c omo los de campo de varios estudios en los Estados U nidos, mostraron que los cementos portland que contenían más de 0.6 por ciento de Na20 equivalente, cuando se les util izó en combinación con un agregado reactivo con los álcalis, tuvieron grandes expan-. siones debidas a la reacción del álcal i-agregado (figura 5-1 4a). Por lo tanto, el ASTM C 1 50 d iseñó los cementos con menos de 0.6 por ciento de Na2 0 equivalente como de bajo álcali y con más del 0.6 por ciento de Na.2.0 eqljivalente como de alto álcali. En la práctica, contenidos de álcali en el cemento, de 0.6 por c iento o menos, han sido hal lados suficientemente adecuados para evitar el daño debido a la reacción álcal i-agregado, independientemente del tipo de agregado reactivo. Los concretos con muy alto contenido de cemento, aun menos de 0.6 por ciento de álcalis en el cemento, pueden resultar dañinos. I nvestiga­ ciones en Alemania e I nglaterra han demostrado q ue si el contenido total de álcalis en el concreto proveniente de . todas las fuentes es menor de 3· kg/m 3 , el daño probable­ mente no ocurrirá. Como se analiza más adelante, la presencia de iones de hidróxi lo .como iones metálicos de álcali parece ser necesa­ ria para el fenómeno expansivo. Debido a la gran cantidad de hidróxido de calcio en los cementos portland hidratados, las concentraciones de iones de hidróxi lo en el fluido del poro permanecen altas, aun en cementos bajos en álcali; en este caso, el fenómeno expansivo será por lo tanto l imitado por la corta provisión de iones metálicos de ák:ali a menos que estos iones sean proporcionados por cualquier otra fuente, tal como los aditivos que contienen álcalis, agrega� . . . Tanto los compuestos de sodio como los de potasio están generalmente presentes en los cementos portland. Sin embargo, se acostumbra expresar el contenido de álcali del cemento como un equivalente de óxido de sodio soluble a los ácidos, que es igual a Na2 0 + 0.658 K2 0. CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Durabilidad Rocas nocivamente reactivas, minerales y sustancias sintéticas Sustancia reactiva Ópalo Calcedonia Ciertas formas de cuarzo · Cristobalita Tridimita Vidrio riolítico, dacítico, latítico o andesítico de · productos de desvitrificación criptocristalina Vidrios sintéticos de síl ice Composición química Carácter físico Amorfa Microcristalina a criptocristalina; comúnmente fibrosa .. (a) Microcristal ina a criptocristalina; (b) Cristalina, pero intensamente fracturada, deformada y/o l lenada con inclusión de gas o l íquido. Cristalina Cristal ina .· Vidrio.o material criptocristalino Silíceos con menores . proporciones de Al203, Fe203 , como la matriz de rocas volcánicas o fragmentos de toba tierras alcalinas y álcalis · . Silíceos con menores . Vidrio proporciones de álcalis, alúmina y/u otras sustancias Las rocas nocivas más importantes reactivas con ál calis (es decir, rocas que contienen cantidades excesivas de una o más de las sustancias de la l ista anterior) son las siguientes: Andesitas y tobas Horstenos opalinos Arcil l as sil íceas Horstenos calcedónicos Fil itas Horstenos cuarzosos Concreciones opalinas Piedras calizas con sílice Cuarzos y cuarcitas fracturados, Dolomitas sil íceas deformados y reilenos con incluRiolitas y tobas sión de gases o l íquidos. Dacitas y tobas Nota: U na roca puede ser clasificada como ''una piedra caliza sil ícea", por ejemplo, y ser inocua si sus constituyentes sil íceos son diferentes a los indicados anteriormente. (b) 0.4 � o ¿ •O º¡¡j · e ca c. X w 0.3 Cemento con alto álcali a 0.2 0. 1 a, b, c, d , e f - - - - - - - -- o o 4 8 12 Cemento con bajo álcali 1 5 20 24 28 3 2 Edad, Meses ( a} Figura 5-1 4. Rocas reactivas con los álcalis en concreto de cemento portland. [(a) Basado en R. F. B lanks y H. L Kennedy, The Techno/ogy of Cement and Concrete, Vol. 1 , John Wi.ley & Sons, l nc., Nueva York, 1 955; (b) Del Comité ACI 201 , AC/ Mater, J., Vol . 88, No. 5, págs. 565, 1 991 .) Las combinaciones dei cemento portland alto en álcali (> 0.6 por ciento equivalente de Na20) y ciertos agregados silicosos utilizados para elaborar concreto en varias presas de los Estados Unidos, mostraron grandes y desagradables expansiones en los prismas de mortero (a). Los mismos agregados mostraron solamente pequeñas expansiones cuando un cemento bajo en álcali fue utilizado en la prueba. Una amplia lista de los agregados reactivos con los álcalis se presenta en la parte (b). ' CONCRETO, estructura, propiedades y materiales . ' 1 13 ' Durabilidad dos contaminados con sales y por penetración en el concre­ to de agua ae mar o de solucion e s deshielantes que contengan cloruro de sodio. · Con relación a los agregados reactivos con los álcalis, dependiendo del tiempo, la temperatura y el tamaño de la partícula, todos los si licatos o minerales de sílice, así como la síl ica en forma hidratada (ópalo) o amorfa (obsidiana, vidrio de sílica), pueden reaccionar con las soluciones alcalinas, aunque un gran número de minerales reaccionan solamente en un grado insignificante. Los feldespatos, los piroxenos, las amfíbolas, las micas y el �uarzo, que son los constituyentes minerales de los granitos, los gneis, los es­ quistos, las piedras areniscas y los basaltos, están clasifica­ dos como minerales inocuos o inofensivos. El ópalo, la obsidiana, la cristobalita, la tridimita, la calcedonia, los horstenos, las rocas volcánicas criptocristalinas (andesitas y riolitas) y el cuarzo deformado o metamórfico, han sido encontrados como reactivos a los álcalis, generalmente en el orden decreciente de reactividad. U na ampl ia lista de sustancias responsables del deterioro del concreto por la reacción álcal i-agregado se presenta en la figura 5-1 4b. Algunos casos de reacciones entre álcalis y rocas de carbo­ nato también se han mencionado en algunos l ibros, pero no serán analizados aquí. Mecanismos de expansión Dependiendo del grado de desorden en la estructura del agregado y de su porosidad y tamaño de la partícula, los geles de . álcali�si licató de composición química variable, son formados en la presencia de iones de hidróxilo y de metal alcalino. La forma de ataque en el concreto incl uye la despol imerización o rompimiento de la estructura del síli.ce35 del agregado, por los iones de hidróxilo, seguida de la adsorción de los: iones de metal alcalino en la superficie recientemente creada de los productos de la reacción. Como los suelos marinos que contienen sodio absorbido en la superficie, o potasio, cuando los geles de sil icato alcalino se ponen en contacto con el agua, se hinchan absorbiendo una gran cantidad de agua por medio de ósmosis. La presión hidráulica así desarrol lada puede conducir a la expansión y al agrietamiento de las partículas del agregado afectado, la matriz de la pasta de cemento que rodea a los agregados y el concreto. 3 5 En el caso de las rocas sedimentarias compuestas de minerales de barro, tales como las filitas, las piedras grises y las argilitas, la principal causa de expansión es la exfoliación de la estructura de la hoja del mineral debida , al ataque de iones de hidróxi lo y a la absorción de agua que son las causas principales de la expansión. En el caso de partículas densas de vidrio y de pedernal, se forman bordes de la reacción alrededor de las partículas con tipo de rodaja de cebolla de agrietamiento progresivo y descascaramien­ to. 1 14 La solubilidad de los geles de sil icato alcalino en el agua, es la responsable de su movi l idad desde el i nterior del agregado h acia las regiones microagrietadas, tanto dentro del agregado como en el concreto. La continua d isponibi l i­ dad de, agua en el concreto causa u n agrandamiento y extensión de las microgrietas, las que finalmente alcanzan la superficie exterior del concreto. El patrón de grietas es irregular y por lo tanto se le conoce como un agrietamiento de mapeo. Debe hacerse notar que la evidencia de la reacción del álcali-agregado en un concreto agrietado no prueba nece­ sariamente que la reacción es la causa pri ncipal del agrie­ tamiento. Entre otros factores, el desarrol lo de un esfuerzo interno depende de la cantidad, el tamaño y el tipo del agregado reactivo presente y de la composición q u ímica del gel de álcal i-si licato formado. Se ha observado que cuando . una gran cantidad de material reactivo está presente en forma finamente d ividida (es decir por abajo de 75 µm), puede haber considerable evidencia de la reacción, pero las expansiones a un grado significativo no ocurren. Por otra parte, muchas historias de casos de expansión y de agrieta­ miento de concreto atribuibles a la reacción álcal i-agrega­ do, están asociadas con la presencia en el agregado de partículas reactivas alcalinas del tamaño de la arena, espe­ cialmente en el rango de tamaños de 1 a 5 mm. No se tienen explicaciones satisfactorias sobre estas observaciones debido a.la interacc ión simultánea de muchos factores complejos; sin embargo, una · tendencia a menor adsorción de agua de los · geles de álcali-sílica con una relación mayor de sílica/álcali y liberación de la presión hidráulica en la superficie de la partícula reactiva cuando su tamaño es muy pequeño, pueden expl icar parcialmente estas observaciones. Casos históricos seleccionados · Por los informes publicados sobre el deterioro del concreto debido a la reacción álcali-agregado, parece que los depó­ sitos de agregados reactivos con los álcalis se encuentran extensamente en los Estados U nidos, en el oriente del Canadá, en Austral ia, en N ueva Zelandia, en Sudáfrica, en Dinamarca, en Alemania, en I nglaterra y en Islandia. B lanks y Kennedy36 describieron algunos de los primeros casos en los Estados U nidos. Según los autores, el deterioro se obser­ vó por primera vez en 1 922 en la planta hidroeléctrica Buck en el New River (Virginia), 1 O años después de su construc­ ción. Tan temprano como 1 9 3 5, R. J . Holden había llegado a la con c l usión por estudios petrográficos del concreto, de que la expansión y el agrietamiento fueron causados por la 36 R. F. Blanks y H. L. Kennedy, The Technology o f Cement and Concrete, Vol. 1 , John Wi ley & Sons, lnc., New York, 1 955, págs. 3 1 4-341 . CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Durabilidad Figura . 5-1 5. Expansión álcali-agregado en el concreto. (Fotografía por cortesía de J. Figg, Ove Arup Partnership, U. K.) El parapeto de la presa Val-de-la-Mare (Jersey lsland, U. K.), muestra desalineamiento causado por movimientos diferenciales de los bloques resultantes de la expansión debida a la reacción álcali-agregado. reacción química entre el cemento y la roca de fil ita util iza­ da como agregado. La expansión l ineal en exceso de 0.5 por ciento, causada por la reacción álcali-agregado, había sido detectada en el concreto. La corona de una presa en arco en Cal ifornia se flexionó aguas arriba, en aproximadamente 1 27 mm en 9 años, después de su construcción en 1 941 . Las mediciones en la Presa _Parker (California-Arizona), mostraron que la expansión del concreto se incrementó desde la superficie, a una profundidad de 3 m y se detecta­ ron expansiones l ineales en exceso del 0. 1 por dento. Puesto que las reacciones químicas son una función de la temperatura, en países más fríos como Dinamarca, Alema­ nia e I nglaterra, se pensó primeramente que la reacción álcal i-síl ica podría no ser un problema. La experiencia posterior con ciertas rocas reactivas con los álcalis, ha mostrado q ue la suposición era incorrecta. Por ejemplo, en 1 971 37 se descubrió q ue el concreto de la presa Val-de-la­ Mare en el Reino U nido (figura 5-1 5), estaba sufriendo de reacciones álcali-síl ica, posiblemente como el resultado del uso de una roca triturada de diorita conteniendo venas de síl ica amorfa. Se requirieron medidas extraordinarias de remedio para garantizar la seguridad de la presa. Para 1 98 1 , 38 se encontraron evidencias de deterioro del concre­ to atribuibles a la reacción álcali-sílica en 23 estructuras, de . 6 a 1 7 años de construidas, ubicadas en Escocia, las Mid3 7 J. W. Figg, Concrete, Cement and Concrete Association, Grosvenor Crescent, Londres, Vol. 1 5, No. 7, págs. -1 8-22. 380. Palmer, Concrete, Cement and Concrete Association, Vol . 1 5, No. 3, 1 98 1 , págs. 24-27. CONCRETO, estructura, propiedades y materiales lands, Wales y otras partes del suroeste de l nglater_ra. Mu­ chas de las estructuras contenían concreto hecho con agre­ gados inadecuadamente lavados de dragados marinos. Control de la expansión Por la descripción anterior de casos· históricos y de meca­ nismos�asociados con la expansión de la re acción álcali­ agregado, p uede con e l u i rse q u e 1 os factores más importantes que afectan el fenómeno son: O O O O O el contenido de álcalis del cemento y el contenido de cemento en el concreto; la contribución de iones de álcal i · de otras fuentes di ferentes al cemento portland, tales como aditivos, agregados contaminados con sales y la penetración del agua de mar o de soluciones de sales deshielantes en el concreto; la cantidad, el tamaño y la reactividad de los constitu­ yentes álcal i-reactivos presentes en el agregado; la disponibilidad de humedad de la estructura de concreto; y · la temperatura ambiente. Cuando el cemento es la única fuente de los iones de álcali en el concreto y se sospecha que los constituyentes álcal i­ reactivos están · presentes en el agregado, la experiencia muestra que el uso de cemento portland bajo en álcalis 1 15 Durabilidad (menos de 0.6 por ciento de Na2 0 equivalente), ofrece la mejor protección contra el ataque de los álcalis. Si se uti liza arena de playa o arena de dragado de mar y grava, deberán ser lavadas con agua dulce para asegurar que el contenido total de álcalis39 del cemento y del agregado en el concreto no exceda 3 kg/m 3 . Si no se tiene disponible un cemento portland bajo en álcal is, el contenido total de álcalis en el concreto puede reducirse sustituyendo una parte del ce­ mento alto en álcalis con adicionantes cementantes o pu­ zolánicos tales como la escoria granulada de alto horno, el vidrio volcánico (pumicita granulada), la arci l la calcinada, la ceniza volante o el humo condensado de sílice. 40 Hay que notar que igualmente que los álcalis bien confinados en la mayoría de los mineral�s de feldespato, los álcalis presentes en escorias y puzolanas son insolubles al ácido y probablemente no están disponibles para reaccionar con el agregado. Además de la reducción en el contenido efectivo de álcal is, el uso de adicionantes puzolánicos resulta en la formación de productos menos expansivos de álcali-sil icato, con una alta proporción de sílica/álcali. En países tales como Islan­ dia, en donde solamente se encuentran disponibles rocas volcánicas álcal i-reactivas y · las materias primas del cemen­ to son tales que sólo se produce cemento portland alto en álcalis, todo el cemento portland se mezcla actualmente con humo de sílice condensado. Con agregados moderadamente reactivos, otro procedi­ miento para reducir la expansión del concreto es el de "endulzar" el agregado reactivó, con 25 a 30 por ciento de piedra cal iza o cualqui er otro agregado no reactivo, si es económicamente factible. Finalmente, deberá recordarse que posteriormente o simultáneamente al avance de la reacción, la disponibilidad de humedad en la estructura es esencial para que ocurra la expansión. Por lo tanto, el control del acceso de agua al concreto por medio de una reparación rápida de cualesquiera juntas filtrantes, es muy conveniente para evitar las expansiones excesivas del concreto. Hidratación de MgO y CaO cristalinos Numerosos informes, _i ncluyendo una revisión de Mehta, 41 indican que la hidratación de MgO o CaO cristalinos, cuando están presentes en cantidades importantes en el 39 EI contenido total de álcali es el álcali ácido-soluble determinado por un método de prueba química. 40 Los vapores condensados de sílice son un subproducto industrial que consiste en partícu las de sílice altamente reactivas del orden de 0.1 µm de · tamaño. 41 P. K. Mehta, ASTM STP 663, 1 978, págs. 35-60. · 1 16 cemento, pueden causar la expansión y el agrietamiento del concreto. El efecto expansivo del alto MgO en el cemento fue prim�ramente reconocido en 1 884, cuando un número de puentes de concreto y viaductos en Francia fallaron dos años después de su construcción. Aproximadamente al mismo tiempo, la alcaldía de Kassel en Alemania, tuvo que ser reconstruida como resultado de la expansión y el agrie­ . tamiento atribuidos al MgO en el cemento. Los cementos franceses y alemanes contenían de 1 6 a 30 por ciento y 27 por ciento de MgO respectivamente. Esto originó que se pusieran restricciones a la cantidad máxima permisible de MgO. Por ejemplo, la ASTM Standard Specification for Portland Cement (ASTM C 1 50-89) requiere q ue el conteni­ do de MgO en el cemento no debe exceder a 6 por ciento. · Aunque la expa � sión debida a la hidratación del CaO cristalino ha sido conocida durante largo tiempo, en los Estados U nidos el efecto nocivo asociado con el fenómeno fue reconocido en los años treinta, cuando algún pavimento de 2 a 5 años de edad se agrietó. Al principio se sospechó que se debía al MgO, más tarde la expansión y el agrieta­ miento se atribuyeron a la presencia de CaO fuertemente calcinado en los cementos usados para la construcción de pavimentos. 4 2 Pruebas de laboraforio demostraron que las pastas de cemento hechas con un cemento portland de bajo MgO, que contenían 2.8 por ciento de CaO fuertemente calcinado, mostraron una expansión significativa. El fenó­ meno es virtualmente desconocido en los concretos moder­ nos,· debido a que mejores contróles de fabricación aseguran que el contenido de CaO no combinado o cristalino en los cement� s portland ex.ceda raramente el 1 por ciento. U n MgO cristalino (periclasa) en u n cl inker de cemento portland que ha sido expuesto de 1 ,400 a 1 ,500°C, es es e ncial mente inerte a la humedad a temperatura ambiente, porque la reactividad de la p·ericlasa se abate fuertemente cuando se la cal ienta por encima de los 900 ºC. No se han comentado casos de daño estructural debido a la presencia de periclasa en el cemento en países como Brasil, en donde las · l imitaciones de materias primas obl igan a algunos pro­ ductores de cemento a producir cementos portland conte­ niendo más de 6 por cientá de MgO. Recientemente algunos casos de ·expansión y agrietamiento de estructuras de concreto fueron registradas en Oakland, California, cuando se encontró que el agregado usado para elaborar concreta había sido contaminado accidentalmente con la42 La conversión de CaC03 a CaO puede ocurrir entre 900 y 1 OOOºC. El CaO así formado puede hidratarse rápidamente y es l lamado cal suave­ menté quemada. Puesto que el clinker de cemento portland es tratado con calor de 1 400 a 1 500 ºC, cualquier CaO no combinado présente es l lamado fuertemente quemado y sé hidrata lentamente. La hidratación lenta del CaO fuertemente quemado en una pasta de cemento es la que causa la expansión. CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Durabilidad dril los triturados de dolomita, que contenía grandes canti­ dades de MgO y CaO calcinadas a temperaturas muy por abajo de 1 400ºC. Mecanismos involucrados en el deterioro del concreto debido a la corrosión del acero embebido Corrosión del acero embebido en el concreto La corrosión del acero en el concreto es un proceso elec-· troquímico. Los potenciales electroquímicos para formar celdñs de corrosión pueden ser generadas en dos formas: El deterioro del concreto que contiene metales embebidos tales como duetos, tubos y acero de refuerzo y presfuerzo, es atribuible al efecto combinado de más de una causa; sin embargo, la corrosión del metal embebido es in variable­ mente una de las causas princi pales. U na revisión43 de edificios que se derrumbaron en I nglaterra mostró que de 1 974 a 1 978, la causa inmediata de la falla de al menos ocho . estructuras de concreto fue la corrosión del acero de refuerzo · o de presfuerzo. Estas estructuras tenían de 1 2 a 40 años de antigüedad al tiempo del derrumbe, con excepción de una que tenía solamente dos años de edad. Se espera que cuando el acero embebido es protegido del aire, con un recubrimiento de concreto adecuadamente grueso de baja permeabilidad, la corrosión del acero y otros problemas asociados C:on el i o no se presentarán. Que esta expectativa no se cumple completamente en la práctica, es evidente por la inusual alta frecuencia de que aun estructuras de concreto adecuadamente reforzado y presforzado continúan sufriendo daños debidos a la corrosión del acero. La magnitud del daño es de especial importancia en estructuras expuestas a ambien­ tes marinos y a sustancias químicas deshielantes. Por ejemplo en 1 9 75 se reportó44 que solamente el U. S. lnterstate High­ way System, necesitó 6,000 millones efe dólar�s para reparar y sustituir puentes de concreto reforzado y plataformas de puentes. Aproximadamente4,800 de los 25,000 puentes en el estado de Pennsylvania fueron hallados con necesidades de reparación. El daño en el concreto resultante de la corrosión del acero embebido se manifiesta en la forma de expansión, agrietamiento y event_u almente el desc_ascaramiento del recubrimiento (figura 5-1 6a). Además de la pérdida del recubrimiento, un elemento de concreto reforzado puede sufrir daño estructural debido a la pérdida de adherencia entre el acero y el concreto y a la pérdida de área de la sección transversal de la varilla de refuerzo, algunas veces al extremo de q ue la fal la estrnctural se vuelve inevitable. 45 A continuación se presentan una revisión de los mecanis- · mas involucrados en el deterioro del concreto debid o a la corrosión · del acero embebido, algunos casos históricos seleccionados y las medidas para controlar el fe nómeno. 43 Building Research Establishment News, Her Majestys Stationery Office, Londres, _ Invierno de . 1 979. 44 R. E. Carrier. y P. D. Cady, ACI SP-47, 1 975, págs. 1 2 1 -1 6_8 45 P. D. Cady, ASTM STP 1 69B, 1 978, págs. 275-299. CONCRETO, estructura, propiedades y materiales O O La composición de las celdas puede formarse cuando en el concreto se embeben dos metales diferentes, tales como las vari l las de refuerzo de acero y tubos de aluminio para la conducción de l íneas eléctricas, o cuando existen variaciones significativas en las carac­ terísticas de la superficie del acero. Se pueden for � ar en los a lrededores del a�ero con­ centraciones de celdas tales como los álcalis, los clo­ ruros y el oxígeno debido a d iferencias en las concentraciones de iones disueltos. Como resultado, uno de los dos metales ( o algunas partes del metal cuand_o sólo hay un metal presente), se vuelve anódico y el otro catódico. Los cambios químicos funda­ mentales que ocurren en las áreas anódica y catódica46 son como sigue (ver también la figura 5-1 6b): Fe . Ánodo: Feo · 2 2e + Fe + -> ( H20 ) ; Catado : . 21 O 2 - x (5-8) + H20 + 2e - -> 2 . (OH) - donde� Fe = fierro metálico Feo · . ( H20 ) = fierro corroído x 2 O 2 = oxígeno del a i_re 1 _ H20 = agua La transformación del fierro metál ico corroído es acompa­ �ada de un incremento en el volumen que, dependiendo del . estado de oxidác ión, puede sér tan grande como 600 por ciento del metal original (figura 5-1 6 cL Se cree que este incremento de volumen es la causa principal de la expan­ sión y del agrietamiento del concreto. o·ebe notarse que la reacción anódica que incli.Jye la ionización del fierr o n:ietá­ l ico no avanzará muy lejos a menos que el fl ujo de ele"ctro­ nes a los cátodos se· mantenga por el consumo de electrones; por esto, : la presencia tanto de aire como de agua en la superficie del cátodo es absolutamente necesaria. Igual­ . o e rdinario nte, un fierro y los productos de ·acero se m u cubren co � na pel ícula delgada de óxido de fierro que se 46 B. Erl in y G. J. Verbeck, ACI SP-49, 1 978, págs. 39-46. 1 17 Durabilidad ProcGSO cátodico 0 2 + 2 H 20 + 4 e- -.. 4.0W Proceso ánodico Fe � Fe+++ 2e- ( 8) Fe Fe o Fe304 Fe20 3 Fe (OH )2 Fe ( O H ) 3 Fe (OH ) 3 3 H20 1 o (b) 1 2 1 3 1 4 1 5 Volumen, cm3 1 6 1 7 (e) Figura 5-1 6. Expansión y agrietamien to de concreto debido a la corrosión del acero embebido. [(b), (c), Beton Bógen, Aalborg Cement Company, Aal borg, Dinamarca, 1 98 1 ]. La parte (a) muestra que el deterioro del concreto debido a la corrosión del acero embebido se manifiesta en la forma de expansión, agrietamiento y pérdida del recubrimiento. La pérdida de la adherencia acero-concreto y la reducción de la sección transversal de varillas de refuerzo puede conducir a una falla estructural. La parte (b) ilustra el proceso electroquímico de la corrosión del acero en concreto húmedo y permeable. La celda galvánica constituye un proceso de ánodo y un proceso de cátodo. El proceso anódico no puede ocurrir hasta que la película prOtectora o pasiva de óxido de fierro sea removida en un medio ambiente ácido (por ejemplo: carbonatación del concreto) o hecha permeable por la acción ·de iones de C(. El proceso catódico no puede ocurrir hasta que una provisión suficiente de oxígeno y de agua esté disponible en la superficie del acero. La resistividad eléctrica del concreto también es reducida en presencia de humedad y de sales. La parte (c) muestra que, dependiendo del estado de oxidación, el hierro metálico puede incrementarse más de seis veces en volumen. vuelve impermeable y fuertemente adherente a la superficie del acero en los ambientes al c::a linos, haciendo asíal acero pasivo a la corrosión; es . decir, el · fierro metálico no será factible de reacción anódica hasta que la pasividad del acero sea destruida. En ausencia de los iones de cloro en la solución, la pel ícula protectora en el acero se ha encontrado estable en cuanto el pH de la solución permanezca por encima de 1 1 .5. Puesto que los cementós portland h idratados contienen álcalis en el fluido del poro y aproximadamente 20 por ciento en peso de hidróxido de cal c io sólido, hay normal­ mente suficiente alcalinidad en el sistema para mantener el pH por encima de 1 2. En condi ciones excepcionales (como cuando el con creto tiene alta permeabil idad y los álcalis y la mayor parte del hidróxido de calcio son ya sea carbona1 18 tados o neutralizados por una solución ácida), el pH del concret� en las cercanías del acero puede ser reducido a menos de 1 1 .5, destruyendo así la pasividad del acero y estableciendo las condiciones para el proceso de corrosión. En presencia de los iones de cloro, dependiendo de la relación de cr/oH -, se informa que la pel ícula protectora puede ser destruida aún a valores de pH considerablemente arriba de 1 1 .5. Cuando las relaciones molares de cr/oH­ son más altas que 0.6, el acero parece no estar ya más protegido contra la corrosión, probablemente porque la pel ícula de óxido de hierro se vuelve ya sea permeable o inestable bajo estas condiciones. Para las mezclas típicas de concreto normalmente usadas en la práctica, se ha encon­ trado que el umbral del contenido de cloro para iniciar la corrosión está en . el rango de 0.6 a 0.9 kg de cr por metro CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Durabilidad Figura 5-1 7. Daños a estructuras de concreto reforzado debidos a la corrosión del acero. [(a) Fotografía por cortesía de P. D. Cady, The Pennsylvania State University, U niversity Park, Pennsylvania; (b) Fotografía de P. K. Mehta y B. C. Gerwick, Jr., <:;oncr. lnt., Vol . 4, págs. 45-5 1 , 1 982]. Cuando la relación C(/(OH) del medio ambiente húmedo en contacto con el acero de refuerzo en el concreto excede un cierto valor. umbral , Ja pasividad del acero se rompe. Este es el primer paso necesario para el despegue de las reacciones anódita y catódica en una celda de corrosión. En climas fríos, las plataformas de puentes de concreto reforzado son expuestas frecuentemente a Ja aplicación de sustancias químicas deshie/antes que contienen cloruros. La progresiva penetración de cloruros en el concreto permeable conduce al descascaramiento, perforación y laminaciones de la superficie del concreto, volviéndola finalmente inadecuada para su uso. La parte (a) muestra una falla típ ica del concreto (descascaramiento y agujeros en Ja superficie de un pavimento de concreto en Pennsylvania) debidos a la combinación de Ja acción del congelamiento, Ja corrosión del refuerzo embebido y otras causas. La parte (b) muestra el deterioro de un concreto debido a la corrosión del acero de refuerzo en las vigas del Puente San Mateo-Hayward, después de 1 7 años de servicio. En este caso, el agua de mar fue Ja fuente de Jos iones de cloruro. cúbico d e concreto. Además, cuando grandes cantidades de cloro están presentes, . el concreto tiende a retener más humedad, lo que ta mbié n incrementa el riesgo de la corro­ sión del acero al disminuir la resistividad eléctrica del concreto. U na vez que la pasividad del acero embebido ha sido destruida, son la resistividad eléctrica y la disponibi l i­ dad de oxígeno las que controlan la velocidad de la corro­ sión; en realidad, una corrosión significativa no se observa en cuanto la resistividad eléctrica está por encima de 50x70x1 o 3 n·cm. Debe hacerse notar que las fuentes comu­ nes de cloro en el concreto son los aditivos, los agregados contaminados con sales y la penetración de sol uciones de sales deshielantes o de agua de mar. Casos históricos seleccionados U na revisión de los edificios recientemente colapsados y de sus causas inmediatas, hecha por el British Building Re­ search Establishment,4 7 mostró que en 1 974, un colapso repentino de una viga principal de un techo de 1 2 años de edad con concreto presforzado postensado se debió a · la corrosión de los cables. E l mortero pobre de los duetos y el uso de 2 a 4 por ciento de cloruro de calcio por peso del cemento como un aditivo acelerante en el concreto, fue ron diagnosticados como los factores responsables de la corro­ sión del acero. U n n úmero de incidentes similares en la 47Building Research Establishment News, ver la referencia 43. CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Gran Bretaña dieron apoyo a la enmienda de 1 979 del British Code of Practice 1 1 O en cuanto a que el cloruro de cal cio no debería ser nunca agregado al concreto presfor­ z�do, al concreto reforzado ni a concreto que contenga metal embebido. U na revisión realizada por el Kansas State Transportation Department mostró que en plataformas de puentes expues­ tas a- tratamiento con sales deshielantes, había una estrecha relación entre el espesor del recubrimiento y el deterioro del concreto en forma de laminacion es o de agrietamiento horizontal. Generalmente, una buena protección para el acero se proporcionó cuando el espesor del recubrimiento fue de 50 mm o más (por lo menos tres veces el d iámetro nominal de las varil las de refuerzo, que eran de 1 5 mm); sin embargo, la distribución normal de la variación en el espe­ sor del recubrimiento fue tal, que cerca de 8 por ciento del acero estaba a una profundidad de 3 7.5 mm o menos. La corrosión de este acero superficial fue, la responsable de las grietas horizontales o laminaciones. En una plataforma de puente, _ una combinación de agrietamiento por congela­ miento-descongelamiento y la corrosión del acero del con­ creto extendió el área de laminación aproximadamente 8 veces en · 5 años, de manera que 45 por ciento de la superficie del . puente se . había descascarado cuando el puente tenía sólo 1 6 años de construido. Se han relatado historias de casos similares por daños en plataformas de puentes en numerosas carreteras, incluyendo las de Penn­ sylvania (figura 5-1 7a). 1 19 Durabilidad Además, la revisión de Kar1sas mostró que la corrosión del acero de refuerzo también produjo grietas verticales en la plataforma, que contribuyeron a la corrosión de las trabes de acero que soportan las plataformas. É n relación con los problemas de corrosión de la plataforma de los puentes debida a las aplica c iones de sales deshielan­ tes, Carl Crumpton del Kansas State Transportation Depart­ ment dijo: O El matrimonio del concreto y del acero era una unión ideal y por ello, util izamos gran cantidad de concreto reforzado para plataformas de puentes. Desafortuna­ damente, comenzamos a arrojar sal para derretir la nieve y el hielo en l ugar de arrojar arroz para una buena fertil idad. E l lo trajo irritación, tensiones y ero­ sión de las : rela c iones maritales inicialmente buenas. Ya no pudieron existir más los dos en bienaventurada · u � ión; las semil las de la destrucción habían sido sem.;. bradas y el escenario había sido montado para los problemas actuales del agrietamiento y la corrosión de la plataforma de los puentes.48 - · . Recientemente se informó49 que muchas vigas de alma abierta fuertemente reforzadas, de 8 por 3.7 por J .8 · m, del puente de San Mateo-Hayward en la Bahía de San Francisco . (Cal ifornia),_ habían ten ido costosas reparacion_es debido a severos agrietamientos del concreto asociados ccm la corro­ sión del acero embebido (figura 5-1 7b). Las vigas fueron hechas en 1 963 con .un concreto de alta cal idad (370 kg/m 3 de cemento y 0.45 de relación agua/cemento). El daño fue confinado a la parte inferior y a las fachadas del lado del viento, que estaban expuestas al rociado del agua de mar y ocurrieron solamente en las vigas precoladas curadas con vapor. No se comprobó agrietamiento ni corrosión en las vigas curadas normalmente y coladas en la obra, hechas al mismo tiempo con mezclas de concreto similar. Se sugirió que una combinación de refuerzo congestionado y las diferencias en la velocidad de enfriamiento en las vigas masivas curadas con vapor, podría haber originado la formación de micro­ grietas en el concreto, que fueron más tard e agrandadas debido a las severas condiciones del clima del lado del viento de las vigas. De al l í en adelante, la penetración del agua salada incrementó el agrietamiento y la corrosión con reacción en cadena, lo que l levó a severos daños; U n análisis más ampl io d e l a interacción entre e l agrietamiento y la corrosión, y casos históricos de ataque del agua de mar en el concreto, se presentarán más adelante. 48 49 C. F. Crumpton, ACI Convention Paper, Dalla, 1 981 . P. K. Mehta y B. C. Gerwick, Jr., Concr. lnt., Vol. 4, No. 1 982. 120 1 O, págs. 45-51 , Control -de la corrosión Puesto que el agua, el oxígeno y los iones de cloro juegan papeles importantes en la corrosión del acero embebido y en el agrietamiento del concreto, es obvio q ue la permea­ bilidad del concreto es la clave para controlar los variados procesos invol ucrados en el fenómeno. Los parámetros de la mez c la de concreto para asegurar una baja permeabil i­ dad, tales como una relatión agua/cemento baja, un conte­ nido adecuado de cemento, el control del tamaño del agregado y la granulometría y el uso de aditivos minerales, ya se han analizado con anterioridad. A ese respecto, el Reglamento de Construcciones ACI 3 1 8 especifica una relación agua/cemento máxima de 0.4 para concreto refor­ zado de peso normal expuesto· a sustancias q u ímicas de s' , hielantes y al agua de mar. U na compactación adecuada y un curado adecuado del concreto son igualmente esencia.:. les. El diseño de mezclas de concreto deberá también tomar en cuenta la posibil idad de un incremento de la permeabi­ l idad en el servicio, debido a varias causas físico-químicas tales como la acción del _ congelamiento, el ataque de los sulfatos y la expansión álcali-agregado. Para la protecci � n contra la corrosión, el contenido máximo permisible de cloruros de las mezclas de concreto tamb i én se especifica e n el Reglamento de Construcción ACI 3 1 8. Por ejemplo, la concentración máxima de ion de cr sol ubl e al agua en el concreto endurecido, a una edad de 28 d ías, de todos los ingredien tes (incl uyendo los agregados, los materiales cementantes y los aditivos) no deberá exceder del 0.06· y 0. 1 5 y 0.30 por ciento por peso del cemento, para concreto presforzado, concreto reforzado en servicio expuesto a cloruros y otros concretos reforzados, respecti­ vamente. Se permi_tirá que los concretos reforzados en " servicio que permanecerán secos o protegidos contra la hum edad contengan hasta 1 .00 por ciento de cr por peso de cemento. Ciertos parámetros de diseño también afectan la permeabi� l idad. Es por eso que para el concreto expuesto al ambiente corrosivo, la Sección 7.7 del Reglamento de Construcción ACI 3 1 8-95 especifica requ_ isitos para un recubrimiento mínimo de con�reto. Se recomienda un_ recubrimiento mínimo de concreto de 50 mm para muros y losas y de 63 mm para_ otros elementos. La práctica actual para las estruc­ turas costeras del Mar del . Norte, · es la de proveer un recubrimiento mínimo de 50 mm sobre el refuerzo conven­ cional y 70 mm para el acero presforzado. Igualmente, el ACI 224R-80 especific� 0. 1 5 mm como el ancho máximo de grieta permisible, en la cara bajo tensión de estructuras de concreto reforzado sometidas a rociado de agua de mar o a ciclos de mojado-secado. El Reglamento Modelo CEB recomienda limitar las grietas a u n ancho de 0. 1 mm en la CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Durabilidad superficie del acero para elementos de concreto expuestos a cargas flexionantes frecuentes y de 0 � 2 mm para otras. Las recomendaciones del F I P (Federac ión I nternacional de Pres­ forzado), especifican que los anchos de las grietas en puntos cercanos al refuerzo principal, no deberán exceder 0.004 veces el recubrimiento nominal (es dec ir, el ancho máximo de grieta permisible para un recubrimiento de 50 mm es 0.2 mm y para un recubrimiento de 75 mm es 0.3 mm). Muchos investigadores no encuentran relación directa entre el an­ cho de la grieta y la corrosión; sin embargo, parece que incrementando la permeabi lidad del concreto y exponién­ dolo a numerosos procesos físico-qu ímicos de deterioro, la presencia de grietas tendrá finalmente un efecto dañino. Los costos de la reparación y la sustitución de plataformas de puentes de concreto dañados por la corrosión del acero de refuerzo, se han convertido en un importante gasto de mantenimiento. Muchas agencias de carreteras prefieren ahora el costo extra inicial de proporcionar una membrana impermeabi l izante, o una gruesa sobrecapa de una mezcla de concreto impermeable en las:superficies nuevas o total­ mente reparadas de elementos de concreto reforzado y presforzado, de gran . tamaño y configuración plana. Las membranas a prueba de agua, generalmente prefabricadas y del tipo de lámina, se util izan cuando están protegidas . contra · daño físico por superficies de desgaste de concreto asfáltico; por lo" tanto, su vida de superficie está l imitada a la vida del concreto asfáltico, que es de aproximadamente 1 5 años. Una sobrecapa de concreto a prueba de agua de 37.5 a 63 mm de espesor, proporciona una pro�ección m.ás durable a la penetración de fl uidos agresivos eri ·el e mentos de concreto reforzado o presforzado. Generalmente, las mezclas de concreto uti ! izadas para sobrecapas son de bajo revenimiento, m uy baja relación agua/cemento (lo cual es posible agrega rido un aditivo superfl uidifi�ante) y un alto contenido de cemento. Los morte r os de cemento portland . \ . que contienen emulsiones de pol ímero (látex), también presentan una impermeabi l id ad excelente y han sido uti l i­ zados para sobrecapas; sin embargo, los látex de vinilideno de tipo cloruro son sospechosos de causar problemas de corrosión en algunos casos, y ahora se prefie�e usar produc­ tos de tipo estíreno-butadieno. Los recubrimientos varil las de refuerzo y la protección catódica constituyen otros procedimientos para evitar la c�rrosión y son más costosos que el producir un · concreto de · baja permeabi lidad por medio de calidad, dise�o y . controles de construcción. Los recubrimientos protectores para el acero de refuerzo son de dos tipos: recubrimientos anódicos (como el acero recubierto con zinc) y recubri­ miento-barrera (como el acero recubierto con epóxicos). Debido a la preocupación relacionada con la durabil idad a largo plazo de las vari l las de esfuerzo recubiertas con zinc CONCRETO, estructura, propiedades y materiales en el concreto, la U . S. Federal H ighway Administration estableció en 1 976 una moratoria temporal para su uti liza­ ción eri plataformas de puentes. El comportamiento a largo plazo de las varil las de esfuerzo . recubiertas con zinc está baj o severa investigación en muchos países. Las técnicas de protección catódica incl uyen la supresión del fl ujo de corriente en la celda de .corrosión ya sea proporcionando externamente un flujo de corriente en la dirección opuesta, o util izando ánodos de sacrificio. Según Carriery Cady, 50 ambos sistemas han sido extensamente uti l izados con resul­ tados mixtos. C()DCreto en el agua de mar Por varias . razone9, el efecto del agua de mar en el concreto merece atenció� especial. Primeramente,' las estructuras costeras y m �r adentro están expuestas a la acción simultá­ nea de un número de procesos de deterioro físico y químico, que �epresentan una oportunidad excelente para entender la complejidad de los problemas de la durabil idad del concreto en ' la práctica. En segundo l ugar, los océanos representa n hasta 80 por ciento de la superficie de la tierra; por lo tanto, un gran número de estructuras est?n expuestas al agua de mar ya sea directa o i ndirecta.mente (es decir, los vientos pued en acarrear brisas del agua de mar hasta un cierto número de kilómetros en el interior .de las costas). Los muel les de concreto, las plataformas, los . rompeolas y los muros de contención se emplean ampl iamente en la cons­ trucción de puertos y embarcadero's. Con el firi de aliviar a la tierra, contra las presiones de la congestión urbana y la contaminación, se están considerando plataformas flotantes mar adentro hechas de concreto, para la ubicación de nuevos aeropuertos, plantas de e ne rgía e instala ciones péira la disposición de desechos. Ya se encuentra en crecimiento el uso de plataformas para perforación en. mar ab i erto y tanques de almacenamiento de petróleo. La mayoría de las aguas marinas son generalmente unifor­ mes en su composició n q u ímica, que se caracteriza por la presencia de aproximadamente 3 .5 por ciento de sales solubles por peso. Las concentraciones iónicas de Na + y cr son las más altas, generalmente de 1 1 ,000 y 20, Ó OO mg/li­ tro, respectivamente. Sin embargo, desde el punto de vista de la acción agresiva de la hidratación de los productos del cemento, cantidades suficientes de · Mg2 + y S042- están presentes, generalmente de 1 ,400 y 2,790 mg/litro respec­ tivamente. El pH del agua de mar varía entre 7.5 y 8.4 , siendo el valor pr o medi o en equi librio con el C02 atn:i osfé­ ' rico de 8.2. En condiciones excepcionales (es decir, en ba h ías protegidas y en estuarios), pueden encontrarse valoso R. E. Carrier y P. D. Cady, en ACI SP-47. 121 Durabilidad ., res de pH menores de 7.5; esto se debe generalmente a una co_rn;entración_más alta de C02 disuelto, lo que podría hacer el agua de mar más agre siva para el concreto de cemento p_ortland. · · · · El concreto expuesto a ambiente marino, puede deteriorarse como resultado de los efectos combinados de la · acción química de los constituyentes del agua de mar en los . productos de hidratación del cemento, de la expansión álcal i-agregado (cuand ó se encuentran presentes agregados reactivos), de la presión de cristalización de sales dentro del concreto si una cara de la estructura está sometida a condi­ ciones de humedecimiento y las otras a condiciones de secado, de la acción de cong�lamiento en climas fríos, de la corrosión del acero embebido en elementos reforzados o presforzados y la erosión física debida a la acción de las olas y de los objetos flotantes. El ataque a l concreto debido a cualquiera de estas causas, tiende a incrementar la per­ meabi lidad; esto no solamente hará al material progresiva. merite más susceptible de mayor acción por el mismo agente destructivo, sino que también otros tipos de ataque. En esta forma, un conjunto de causas de deterioro entrela­ zadas tanto químicas como físicas, se hallan trabajando cuando una estructura dé concreto expuesta al agua de mar está en una fase avanzada de degradación. A cóntinuación se analizan los aspectos teóricos, los casos históri cos selec­ c ionados del concreto deteriorado por el. agua de mar y se dan recomendaciones · para la construcc i ón de estructuras de concreto en ambientes marinos. Aspectos teóricos Desde el punto de vista del ataque quími_c� al cemento _ portland hidratado en concreto no reforzado, cuando los ' agregados reactivos con los álcalis no está n presentes podría uno anticipar que el sulfato y el m á gnesio son los constitu­ yentes dañinos en el agua de mar. Puede recordarse que en aguas subterráneas, el ataque de sulfatos está clasificado como severo, cuando la concentración de iones de sulfat� es mayor de 1 ,500 mg/litro; igualmente, la pasta de cemento portland puede deteriorarse por reacciones de intercambio de cati o nes 'c uando las concentraciones de iones de mag­ nesio exceden por ejemplo a 500 mg/litro. U na observación común e interesante es que, . a pesar del i ndeseable y alto conteni_do de sulfatos en el agua de mar, aun cuand ó un cemento portland con al�o C3 A ha sido uti lizado y gr�ndes cantidades de etringita están presentes como resultado de un ataque de · sulfatos eri l a pasta de cemento, el deterioro del concr eto no se caracteriza por la expansión; en ca m bio, toma principalmente la forma de erosión o de pérdida de los constituyentes sólidos de la 122 masa. Se supone que la_ expansión de la etringita es ·supri­ mida en. ambientes en que los iones de (OHf han sido esencialmente sustituidos por iones de cr. A propósito, este punto de vista es consistente con la hipótesis de que el ambiente alcalino es necesario para el hinchamiento de la etringita por la absorción de agua. I ndependientemente del mecanismo por el cual la expansión de los sulfatos asociada con la etringita es suprimida en un concreto de cemento portland de alto C 3 A expuesto al agua de mar, la i nfluencia de. los cloruros en el sistema demuestra el error común de modelar el comportamiento de los materiales cuando, sólo por simplicidad, el efecto de un factor individual en un fenómeno es predicho sin poner atenci.ón - suficiente a los . otros factores presentes, que pueden modificar significati­ vamente el efecto. Podrá notarse que, según el Reglamento de Construcciones ACI 3 1 8-95, la exposición a los sulfatos del agua de mar está clasificada como moderada, para lo cual se permite el . uso del cemento . portland ASTM Tipo 1 1 (con 8 por : ciento máxi m o de C3 A), con una relación agua/cemento máxima de O.SO en �oncreto d e peso normal . · El hecho de · q u e la presencia d e hidróxido d e calcio no combinado en el concreto pueda causar deterioro por una reacción de intercambio en la que i ntervienen iones de magnesio, fue conocido en una época tan antigua como es el año 1 81 8, en investigac iones de desintegración de con­ cretos con cal-puzolánica por Vicat, q uien i ndudablemente es conoc id'O com o uno de los fundadores de la tecnología del cemento y concreta moderna. Vicat hizo la siguiente profunda observación: Al ser examinadas, las partes deterioradas exhiben mucha menos cal que las otras; entonces lo deficiente ha sido disuelté:> y sacado; estaban en exceso en el comp�esto. La naturaleza, como vemos, trabaja para l legar a relaciones exactas y para alé:anzarlas, corrige los errores de la mano q u e ha ajustado las dosis. En esta forma, los efectos que acabamos de describir en el caso aludido, son los más marcados; en cuanto más nos desviamos de estas relaciones . 51 exactas. Algunas revisiones 52 sobre el estado del conocimiento en el comportamiento de las estructuras en ambie'ntes marinos, confkman que la observación de Vicat es igualmente vál ida para el concreto de cemento portland. De estudios a largo 5 1 L. J. Vicat, A Practicaland Scientlfic Treatise on Calcareous Mortars and Cements, � 1 837 (Traducido por J. T. Smith, Londres) . . . W. G. Atwood y A. A. Johnson, Trans. ASCE, Vol . 87, Paper 1 533, págs. 204-275, 1 924; F. M. lea, The Chemistry of Cement and Concrete, Chemical Publishing Company, l nc., Nueva York, 1 971 , págs. 623-638; P . . K. Mehta, Performance of Concrete in Marine Enviroments, ACI SP-65, 1 980, págs. 1 -20. CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Durabilidad (a ) (b) 1 00 � o t> ro ·c:; iií "iii Q) e: Q) a: 75 50 25 ºo 10 20 30 Hidróxido de calcio disuelto expresado como % CaO (e) . Figura 5- 1 8. Pérdida de resistencia en concreto permeable debido al lavado o l ixiviación de la cal. [(a), (b), Fotografías de P. K. Mehta y H. Haynes, J. ASCE, Struct Div., Vol. 1 0 1 , No. ST-8. Págs. 1 679-86, 1 675; (c) Adaptado de l. Biczok, Concrete Corrosion and Concrete Protection, Chemical Publishing Company, Nueva York, 1 967, pág. 291]. Bloques de prueba de concreto no reforzado (de 1 .75 por 1 . 75 por 1.07 m) parcialmente sumergidos en el agua de mar en San Pédro Harbor en Los Ángeles, California, fueron examinados después de 67 años de exposición continua. Los concretos de baja permeabilidad, independientemente de la composición del cemento portland, se encontraron en condiciones excelentes. Los concretos que tenían un bajo contenido de cemento (alta permeabilidad), mostraron tanta reducción en la dureza de la superficie que se hicieron surcos profundos con una cuerda de alambre en los bloques de prueba, cuando fueron levantados con la ayuda de una grúa anfibia [parte (a)]. . Los núcleos de prueba mostraron que el concreto era muy poroso y débil. Los poros que contenían grandes depósitos de un precipitado blanco parte [(b)], que fue identificado como Mg(OH)2 por un análisis de difracción de rayos X; los productos de la hidratación de cemento portland, H-5-C y Ca(OH)2 no estaban presentes. Numerosos investigadores han encontrado que las pastas de cemento portland, morteros y concretos, sufren una pérdida de resistencia cuando los productos cementantes son descompuestos y lixiviados como resultado de un ataque de soluciones ácidas, o de su contenido de magnesio. La severidad del lixiviado puede evaluarse por el contenido del CaO disuelto. Como promedio, la resistencia a la compresión se abate en aproximadamente dos por ciento cuando uno por ciento de CaO es retirado de la pasta de cemento portland parte [(c)]. plazo de morteros y concretos de cemento portland expues­ tos al agua de mar, la evidencia del ataque de iones de magnesio está bien establecida por la presencia de depósi­ tos blancos de Mg(OH)i, igualmente l lamados brucita (fi­ gura 5-1 8b) y de hidrato de sil icato de magnesio. En el agua de mar, los concretos bien curados que contiene gr_a ndes cantidades de escoria o de puzolana en el cemento, usual­ mente sobrepasan el comportamiento del concreto de ref­ erencia que contiene solamente cemento portland, 53 en parte porque el primero contiene menos hidróxido de calcio no combinado después del curado. La implicación de la pérdida de cal por la pasta de cemento, sea por ataque de iones de magnesio o por ataq ue de C02 es obvia en la figura 5-1 8c. 53 O. E. Gjorv, J. AC/, Proc., Vol. 68, págs. 67-70, 1 971 . 1 968, págs. 251 -255. CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Puesto que los análisis del agua de mar raramente in c l uyen el contenido de COi d isuelto, el potencial de pérdida de la masa de concreto por l ixiviación del cal c io de la pasta de cemento hidratada, debido · al ataque del ácido carbónico, es soslayado con frecuencia. Según Feld 54 en 1 955, después de 2 1 años de uso, los pilotes y los cabezales de las pi las del Puente James River de Newport News, Virginia, requi- 54 J. Feld, Construction Failures, John Wiley & Sons, l nc., Nueva York, 123 Durabilidad rieron una rép-aración de 1 .4 mil lones de dólares en trabajos de sustitución que incluyeron 70 por ciento de los 2,500 pilotes. Igualmente, 750 pilotes de conereto precolado hincados en 1 932 cerca de Ocean City, New Jersey, tuvie­ ron que ser reparados en 1 957 después de 25 años de servicio; algunos de los pilotes habían sido reducidos de su diámetro original de 550 mm a 300 mm. En ambos casos, la pérdida de material estuvo asociada con concentraciones de C0 2 disuelto más altas que las normales, presentes en el agua de mar. Hay que hacer notar que en el concreto permeable, la cantidad normal de C0 2 presente en el agua de mar es suficiente para descomponer finalmente los productos ce­ mentantes. La presencia de taumasita (si licocarbonato de calcio), hidrocalumita (hidrato de carboaluminato de calcio) y aragonita (carbonato de calcio), ha sido encontrada en pastas de cemento obtenidas de concretos deteriorados expuestos al agua de mar por largos períodos. Casos históricos de concreto deteriorado En comparación con otr�s materiales estructurales, general­ mente el concreto tiene un récord satisfactorio de compor­ tamiento en el agua de mar. Sin embargo, existe bibliografía publicada que contiene descripciones en gran número, tanto de concretos simples como reforzados, que mostraron serio deterioro en un ambiente marino. Con el propósito de obtener lecciones úti les para la construcción de estructuras de concreto en el mar, se resumen seis casos históri cos de deterioro del concreto por una larga . exposición al agua de mar en la tabla 5-5 y se . anali zan a continuación. En los cl imas moderados del sur de Francia y del sur de California, especímenes de mortero y de concreto no re­ forzado permanecieron en condiciones excelentes después de más de 60 años de exposición al agua de mar, excepto cuando su permeabi lidad era alta. Los especímenes permea­ bles mostraron una considerable pérdida de masa asociada con el ataque de iones de magnesio, ataque de C02 y l ixiviación de calcio. A pesar del us o d e cementos de alto C3 A, no se observó expansión ni agrietamienfo del concreto debidos a la etringita en los concretos de baja permeabil i­ dad. Por lo tanto, el efecto de la composición del cemento en _ la durabil idad ante e l agua de mar, parece ser menos significativo que la permeabil idad del_ concreto. . . . . Elementos de concreto reforzado en un clima moderado Los muel les 26 y 28 del San Francisco Ferry B ui lding en Cal ifornia, a pesar de una mezcla de concreto de baja permeabi lidad de 390 kg/m 3 de contenido �de cemento, mostraron agrietamiento debido a corrosión del acero de refuerzo después de 4 6 años de servicio. Puesto que la 124 corrosión requi ere el permeado del agua de mar y del · aire al acero embebido, se diagnosticaron una compactación pobre del concreto y microagrietamiento estructural como las causas del incremento de la permeabil idad (que hizo posible la corrosión del acero). En los climas fríos de Din�marca y Noruega, el concreto que no estaba protegido por aire incluido estuvo sometido a la expansión y al agrietamiento por la acción del conge­ lamiento. (Puede notarse que la i n c l usión de aire no preva­ lecía antes de los años ci ncuenta.) P�x l o tanto, el agrietamiento debido a los ciclos de congelamiento-descon­ · gelamiento fue probablemente el responsable del incremento de la permeabi l idad, q ue promovió otros procesos destructivos tales como el ataque álcali-agregado y la corro­ sión del acero de refuerzo. Las investigaciones de las estructuras de concreto reforzado han demostrado que generalmente, el concreto completa­ mente sumergido en al agua de mar sufrió solamente algún deterioro o ninguno; el concreto expuesto a sales en el aire o ro dado por el agua sufrió deterioro, especialmente cuan­ do era permea ble; y el concreto sometido a la acción de la marea fue el que sufrió más. Lecciones de casos históricos Para la construcción de estructuras de concreto en el mar, se pueden resumir importantes lecciones de casos históricos de concreto deteriorado por el agua de mar en la forma siguiente: O i.a permeabilidad es la clave de la durabilidad. Las interacciones dañinas de consecuencias serias entre los constituyentes del cemento portland hidratado y el agua de mar, se l levan a cabo cuando no se evita que el agua de mar penetre en e l interior del concreto.- Las causas típicas de i nsuficiente i mpermeabi l idad son: _mezclas de concreto pobremente propórcicmadas, la ausencia de aire incluido adecuadamente si la estruc­ tura se . ubica en un clima frío, u na compactación y un curado inadecuados, un recubrimiento insuficiente de concreto sobre el acero embebido, juntas mal diseña­ das o construidas y microagrietamiento en el concreto endurecido atribuible a la falta de control. en las con­ dicion e s de carga y otros factores tales como la retrac­ c ión térmica, la retracción por secado y la expansión de la reacción álcali-agregado. __ · Es interesante señalar que los ingenieros al frente de la tecnología del concreto están cada vez más conscientes de la importancia de la permeabilidad en la durabilidad del concreto expuesto a aguas · agresivas. Por ejemplo, las especificaciones para las estructuras costeras en Noruega CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Durabilidad · Tabla 5-5. Comportamiento del concreto expuesto al agua de mar Historia de las estructuras Resultado de las inspecciones Clima moderado Cubos de mortero de cuarenta centímetros hechos con diferentes cementos y tres contenidos diferentes de cemento, 300, 450 y 600 kg/m3, fueron expuestos al agua de mar en La Rochelle, en el sur de Francia, en 1 904-1 908. ª Después de 66 años de exposición al agua de mar, los cubos hechos con cemento de 600 kg/m 3 estaban en buenas condiciones aun �ue contenían un cemento portland de alto C3A (1 4.9%). los que contenían 300 kg/m fueron destruidos; por lo tanto, la resistencia química del cemento fue de mayor importancia para los cubos de: concreto de bajo contenido de cemento; En general, los cementos de puzolana y de · escoria mostraron mejor resistencia al agua de mar que los cementos portland. Estudios de micrografía electrónica de los especímenes deteriorados mostraron la presencia de aragonita, brucita, etringita, hidrato de silicato de magnesio �taumasita. Dieciocho bloques de concreto no reforzado de 1 .75 x 1 .75 x 1 .07 m hechos con seis cementos portland diferentes y tres mezclas diferentes de concreto, fueron parcialmente sumergidos en el agua de mar en Los Ángeles en 1 905. b Estructuras de concreto del San Francisco Ferry Building, construido en 1 9 1 2. Cemento portland Tipo 1 con 1 4-1 7% C3A fue uti lizada una 3 mezcla de concreto 1 :5 que contenía 390 kg/m de cemento. (a) Camisas de cil indros de concreto precolado para el muelle 1 7. (b) Cilindros de concreto colado en la obra para los muel les 30 y 39. (c) Ci lindros de concreto colados en la obra y vigas transversales para los muelles 26 y 28.c . Después de 67 años de exposición, los bloques de concreto denso (1 :2 /4), algunos de el los hechos con 1 4% de C3A en el cemento portland, estaban aún eh excelentes condiciones. Los bloques de concreto pobre (1 :3:6) perdieron algú � material y estaban mucho más suaves (figura 5-1 8a). El análisis de difracción por rayos X del concreto debil itado mostró la presencia de brucita yeso, etringi t ' hidrocalumita. Los constituyentes cementantes, gel de' HSC y Ca(HOb, no fueron detectados. t Después de 46 años de servició (a) fue encontrado en condicio es excelentes y el 90% de los pilotes en (b) estaban en buenas condiciones. En (�, 20 a 30% de los pi lotes fueron atacados en la zona de la marea y aproximadamel)fo 3 5 % de las gruesas vigas transversales tenían su parte inferior y parte de la cara' vertical agrietadas o descascaradas debido a la corrosión del resfuerzo. La pre§encia de microgrietas debidas a la deflexión bajo carga podrían haber expuestcz- � 1 acero de refuerzo a la corrosión por el agua de mar. La mano de obra injléiecuada fue considerada responsable de las diferenci as en el comportamient7 o del concreto, que era de la misma calidad en todas las estructuras. . Clima frío Muchas estructuras costeras de 20 a 50 años fueron incluidas en una De las estruduras costeras, cerca de 40% m'ostraron un deterioro ·total y revisión 1 9 S 3-1 955, de 43 1 estructuras de concreto en Dinamarca.d · aproximadamente 3 5 % mostraron de daño sey,1=/o superficial a deterioro ligero. Entre las estructuras más severamente deterioradas estaban las siguientes en Jutlandia. Oddesund Bridge, Muelle 7. La historia de la estructura mostró un agrietamiento inicial en las pilas de cimentación, debido a esfuerzos térmicos. Esto permitió una considerable filtración de agua a través de los muros de las pilas y del relleno de la masa de concreto interior . . Las reparaciones generales comenzaron después de 8 años de serví. cio. Puente Carretero, Norte de Jutlandia. Un agrietamiento severo y descáscaramiento del concreto en el nivel medio del agua crearon una forma típica de reloj de arena en los muelles. El concreto en esta área era m uy débil. La corrosión del refuerzo se hal laba por todas partes y era más pronunciada en las vigas longitudinales. La inspecc1on del concreto deteriora�fo en el Oddesund Bridge ind icó la descomposición de cemento y la pérdida de la resistencia debida al ataque de los sulfatos por abajo del nivel de la marea baja y agrietamientddebido al congelamiento · y descongelamiento, así como reacción álcali-agregado arriba del nivel de marea alta. Los productos de reacción de la descomposición del cemento fueron aragonita, etringita yeso, bru cita y gel d � álcali-sílica. La inspección de las pi las de concreto del puente carretero mostraron evidencias de pobre cal idad d e l con creto (alta re l ación agua/cemento) . S íntomas de · descomposición general del cemento y u n a severa . corrosión del refuerzo se superpusieron en las evidencias de los principales agentes nocivos, tales como el congelamiento-descongelamiento y la reacción álcali-agregado. · Groin 7 1 , barrera norte, Lim Fiord. Bloques de concreto pobre (220 La inspección d� l �s bloques de con �reto severamente deteriorado � del Groin 71 kg/m 3 de cemento) expuestos a tiempo con fuerte viento, mojado mostró una matri.z muy débil, jabonosa, con guijarros sueltos de agregadó. Además repetido y secado, alta salinidad, congelamiento y descongelamien­ del gel de álcali-sílica, se confirmó la presencia de yeso y de brucita. to, e impact� severo de grává y arena por la marejada. Algunos bloques desaparecieron en el mar en el transcurso de 20 años. A lo largo de 1a 'costa del · mar de Noruega, 71 6 estructuras de concreto· fueron . revisadas de 1 962-1 964. Cerca de 60% de las estructuras eran embarcaderos de concreto reforzado del tipo de pi lar esbelto, construidos con concreto bajo el agua colocado con tremie. La mayoría de los embarcaderos tenían plataformas del tipo viga y losa. Al tiempo de la revisión, cerca dé dos tercios de las estructuras tenían 20 a 50 años de antigüedad.e Por abajo del nivel de marea baja y por encima del nivel de marea alta, las pi las de concreto estaban generalmente en buenas condiciones. En la zona de golpeo, aproxi madamente 50% de los p i lares i nspeccionados . estaban en buenas condiciones; 1 4% tenían su área de la sección transversal reducida en 30% o más, y_24% ten ía una reducción ·efe. 1 0 a 30% del área de la sección transversal. Lás losas de plataforma estaban genera lmente en buenas cÓndi ciories, pero 20% de vigas de la plataforma necesitaron trabajos ae reparación debido a daños mayores causados por corrosión del refuerzo. El deterioro de las pilas en la zona de mareas se consideró debida principalmente a la acción del congelamiento en el concreto de baja calidad. ª M. Regourd, Annales de L'lnstitute Technique du Betiment et des Travaux Publics, No. 329, junio de 1 975 y No. 358, febrero de 1 978. . b P. K. Mehta y H. Haynes, J. Structs. D1v. ASCE, Vol. 1 01 , No. ST-8, agosto de 1 975. . e P. J. Fluss y S. S. Gorman, J. ACI; Proc., Vol. 54, 1 958. · d G. M. ldorn, ''Durability_ of Concr�te Structures in Denmark", D. Se. Dissertation, Teach. Univ., Copenhague; D Ínamarca, 1 967. e O. E. Gyorv, Durability of Reinforced Concrete Wharves in Norwegian Harbors, The Norwegian Committee on Concrete in Sea Water, 1 968. · . ' . · , , . . , ª · CONCRETO, estructura, propiedades y materiales 1 25 Durabilidad {t= CONCRETO ------+-� ACERO DE REFUERZO . AGRIETAMIENTO DEBIDO A LA CORROSION DEL ACERO --. AGRIETAMIENTO DEBIDO A . CONGELAMIENTO-DESCONGELAMIENTO Y A GRADIENTES TERMICO Y DE - ZONA ATMOSFERICA /, · ,,. '\ �\ \. -- HUMEDAD ABRASION FISICA DEBIDA / \. ¡: j' A LA ACCION DE LAS OLAS, ARENA, GRAVA Y HIELO FLOTANTE l t A..--- MAREA ALTA . , i ¡ REACCION ALCALI AGREGADO Y DESCOMPOSICION QUIMICA DEL CEMENTO HIDRATADO ZONA SUMERGIDA PATRON DE DESCOMPOSICION QUIMICA ATAQUE DE C02 - ----- 1 1 -- ATAQUE DE ION DE Mg ATAQUE DE SULFATO ----.ii•1 Figura 5-1 9. Representación gráfica del deterioro de un cilindro de concreto expuesto al agua de mar. (De: P. K. M ehta, Performance of Concrete in Marine Environment, ACI SP-65, 1 980, págs: 1 -20) El tipo y la severidad del ataque en una estructura de concreto en el mar depende de las condiciones de exposición. La sección de la estructura que permanece totalmente sumergida, raramente es sometida a la acción del congelamiento o a la corrosión del acero de refuerzo. El concreto en esta condición de exposición será susceptible de ataques químicos. Se muestra el patrón general del ataque químico de la superficie del concreto en el interior del mismo. La sección por encima de la marea alta será vulnerable tanto a la a.cción del congelamiento como a la corrosión del acero embebido. El deterioro más severo es probable que tenga lugar en la zona de la marejada porque aquí la estructura está expuesta a todos los tipos de ataques físicos y químicos. especifican ahora la máxima permeabil idad directa permi:. . si ble (k ::;; 1 O- 1 3 Kg/Pa·m·s). O El tipo y la severidad del deterioro no pueden ser uniformes en toda la estructura (figura 5-1 9). Por ejemplo, en un cil i ndro de concreto, la sección que siempre permanece por encima de fa l ínea de la marea alta será más susceptible a la acción del congelamiento · y a la corrosión del acero embebido. La sección que . está entre la marea alta y lá baja será vulnerable al agrietamiento y al descascaramiento, no solamente por la acción del congelamiento y la corrosión del acero sino también por los ciclos de h umedecimien­ to-secado. Los ataques químicos debidos a la reacción del álcali-agregado y a la interacción pasta de cemen­ to-agua de mar también estarán aquí tra bajando. El cor¡creto debil itado por el microagrietamiento y los ataques químicos se desintegrará finalmente por la acción de las olas y por el impacto de la arena, la grava . · y el hielo; por l o tanto, el deterioro máximo ocurre en la zona de las mareas. Por otro lado, la parte totalmente sumergida de la estructura estará sujeta solamei:ite al ataque químico por el agua de mar; puesto que no está expuesta a temperaturas por abajo del congelamiento, no habrá riesgo de daño por congelamiento y debido a la falta de oxígeno, habrá sólo una pequeña corro­ sión. · 1 26 Parece que el deterioro quími co progresivo de la pasta de cemento por el agua de mar, de la superficie al interior del concreto, sigue un patrón general. 55 La formación de ara­ gonita y bi carbonato por el ataque de C02 está general men­ te confinada a la superficie del concreto; la formación de brucita por el ataque de los iones de m�gnesio, se encuentra por abajo de la superficie del concreto, y la evidencia de la formación de etringita en el i nterior muestra que los iones de sulfato son capaces de penetrar aún más profundamente . . A menos que el concreto sea muy permeable, no . habrá d a ños por la acción química del agua de mar en la pasta de cemento porque los productos de la reacción (aragonita, brucita y etringita), al ser i nsol ubles, tienden a reducir la · permeabi liqad y a detener un mayor i ngreso del agua de mar al i nterior del concreto. Esta clase de acción protectora no sería posible bajo condi­ ciones de carga dinámica y en la zona de mareas, en donde los productos de reacción son lavados por la acción de las olas tan pront� como se forman. O La corrosión del acero de refuerzo, general mente es la causa princ ipal del deterioro del concreto en estruc- 55 Biczok, Concrete Corrosion and Concrete Protection, págs. 3 57-358. CONCRETO, estructura, propiedades y materiales · Durabilidad CONCRETO QUE CONTIENE MICROGRIETAS --------i CONCRETO ALTAMENTE PERMEABLE CRECIMIENTO DE LA GRIETA l .- GRADIENTES DE H UMEDAD Y TEMPERATURA 2.- IMPACTO DE OBJETOS FLOTANTES 3.- ATAQUES QUÍMICOS, LIXIVIADO DE LA PASTA DE CEMENTO . 4 .- ATAQUE DE CONGELAMIENTO-DESCONGELAMIENTO, SOBRECARGAS Y OTROS FACTORES QUE INCREMENTAN LA . PERMEABILIDAD DEL CONCRETO -----� AGUA DE MAR Y AIRE CORROSIÓN DEL ACERO EMPOTRADO turas de concreto reforzado y presforzado expuestas al agua de mar, pero en un concreto de baja permea­ bilidad, esto no parece ser la primera causa del agrie­ tamiento. Con base en numerosos casos históricos, parece . que las i nteracciones agrietamient_o-corrosión siguen probablemente el camino i lustrado gráficamen­ te en la figura 5-20. Puesto que la velocidad de corro­ sión depende del área cátodo/ánodo, una corrosión significativa y la expansión que acompaña a la corro­ sión, no deberá ocurrir hasta que haya suficiente dis­ posición de oxígeno en la superficie del acero de refuerzo (es decir, un incremento en el área del cáto­ do). Esto no sucede en cuanto la · permeabi lidad de la zona interfacial de la pasta de cemento-acero perma­ nece baja. Los poros y las microgrietas ya existen en la zona interfacial, pero su crecimiento a través de una variedad de fenómenos distintos a la corrosión parece ser necesario antes de que existan condiciones para una corrosión significativa del acero embebido en el concreto. U na vez q ue las condiciones para un_a corrosión significati­ va sean establecidas, un ciclo progresivamente escalatorio de agrietamiento-corrosión-más agrietamiento se inicia, l le­ vando finalmente a un completo deterioro del concreto. Pruebe su conocimiento 1. ¿Qué entiende usted por el término ·durabilidad? ¿Com­ parada con otras · consideraciones, cuá.nta importancia debería darse a la durabilidad en el diseño y construc­ ción de estructuras de concreto? CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Figura 5-20. Representación gráfica de los ciclos de · agrietamiento-corrosión­ agrietamiento en el concreto. (De: P� K. Mehta y B. C. Gerwick, Jr., Concr. lnt., Vol.4, págs. 45-5 1 , 1 982) 2. Escriba una nota breve sobre la estructura y las propie­ dades del agua con referencia especial a su efecto destructivo en los materiales. 3. ¿Cómo definiría usted al coeficiente de permeabilidad? Dé los valores. típicos del coeficiente para: (a) Pastas de cemento fresco; (b) Pastas de cemento endurecido; (c) Agregados comúnmente usados; (d) Concretos de alta resistencia; y (e) Concreto masivp para presas. 4. ¿Cómo influye el tamaño del agregado en el coeficiente de permeabilidad del concreto? Haga �na lista con otros factores que determinan la permeabilidad del concreto en una estructura. 5. ¿Cuál es la diferencia entre la erosión y la cavitación? Desde el punto de vista de la durabilidad a la abrasión severa, ¿qué recomendaciones haría usted para el dise­ ño y la construcción de un piso industrial de concreto ? 6. ¿En qué condiciones pueden las . soluciones de sales dañar al cc:ncreto sin que se involucre el ataque químico en lá pasta de cemento portland? ¿Qué soluciones de sales ocurren comúnmente en los ambientes naturales?° 7. Explique brevemente las causas y el control del descas­ caramiento y del agrietamiento en D en el concreto. ¿Cuál es el origen de la nata de cemento? ¿Cuál es su importancia? 8. · Analice la hipótesis de Powers de · la expans10n por congelamiento de una pasta de . cemento saturada que no contiene aire. ¿Qué modificaciones se han hecho a 127 Durabilidad esta hipótesis? ¿Por qué es efectiva Ja inclusión de aire para reducir la expansión debida al congelamiento? 9. Con respecto al daño por congelamiento, ¿Qué entiende usted por el término tamaño crítico del agregado? ¿Qué . factores lo rigen? 7 O. Analice la importancia del grado crítico de saturación desde el punto de vista de prevenir Ja resistencia del concreto al congelamiento. 7 7 . Analice los factores que influyen en la resistencia a la compresión del concreto expuesto a un incendio de intensidad media (650°C, exposición de corta dura­ ción). ¿ Comparado con la resistencia a la compresión, cómo sería afectado el módulo de elasticidad y por qué? 7 2. ¿Cuál es el efecto del.agua pura en la pasta de cemento port/and hidratada? · Con respecto al ataque por ácido carbónico en el concreto, ¿cuál es la importancia del C02 de balan­ ce? 73. Haga una lista de algunas de las fuentes comunes de iones de sulfato en ambientes naturales e industriales. Para una concentración dada de sulfatos, expliq ue cuál de las siguientes soluciones serían las más dañinas y cuál sería la menos dañina para un concreto permeable que contenga un cemento portland de alto C3A: Na2S04, MgS04, CaS04. 7 4. ¿Qué reacciones químicas están involucradas general­ . mente en un ataque de sulfatos al concreto? ¿Cuáles son las manifestaciones físicas de estas reacciones? 7 5. Revise críticamente los requisitos del BRE Informe 250 y del Reglamento de Construcciones ACI 3 7 8 para el control de un ataque de sulfatos al concreto. 7 6. ¿Qué es la reacción álcali-agregado? Haga una lista de algunos de los tipos de roca que son vulnerables al ataque de soluciones alcalinas. Analice el efecto del tamaño del agregado en el fenómeno. 7 l. Con respecto a la corrosión del acero en el concreto, explique la importancia de los siguientes términos: car­ bonación del concreto, . pasividad del acero, relación Cr!OH- de Ja solución de contacto, resistividad eléctrica del concreto, estado de oxidación del hierro. 7 B. Describa brevemente las medidas que deberían consi� derarse para el control de la corrosión del acero embe­ bido en el concreto. 1 9. 128 En estructuras de concreto costeras y mar adentro expuestas al agua de mar, ¿por qué la mayor parte del deterioro qcurre en la zona de mareas? · De la superficie al interior del concreto, ¿cuál es el patrón típico del ataque químico en las estructuras marinas? 20. Una estructura de concreto fuertemente reforzada y masiva ha de ser diseñada para una ubicación costera en Alaska. Como consultor del principal contratista, . escriba un informe explicando el estado del conocimien­ to para la selección del tipo de cemento, el tamaño del agregado, los aditivos, las relaciones de la mezcla, la colocación del concreto y los procedimientos del cura­ do del concreto: Sugerencias para estudio coIDpleIDentario Generalidades ACI Commi Úee 201 , "Guide to Durable Concrete", ACI Mat. Jour., Vol. 88, No. 5, págs. 544-582, 1 99 1 . MALHOTRA, ·v. M., �d., Durability of Concrete, ACI S P .1 26, Vol 1 &2, 1 991 . SCANLON, J. M .. , ed., Concrete Durability. ACI SP 1 00, Vol. 1 &2, 1 987. MEHTA, P. K., SCH IESSL P., y RAUPACH, M., "Performance and Durabi­ l ity of Concrete Systems," Proc. 9th lnternational Congress on the Chemistry of Cements, Vol. 1 , Nueva Delhi, 1 992. Aspectos químicos de durabilidad BICZOK, l., Concrete Corrosion and Concreté Protectián, Chemical Pu­ blishing Company, lnc., Nueva York, 1 967. LEA, F. M., The Chemistry of Cement and Concrete, Chemical Publishing Company lnc., NuevaYork, 1 971 , págs. 338-3 59, 623-676. Expansión álcali-agregado · BLANK, R.F., and H. L. KENNEDY, The Techno/ogy of Cement and Concrete, Vol.1 , Joh n . Wiley & Sons, lnc., Nueva York, 1 955, págs. 3 1 8-342. DIAMOND, S., Cem. Concr. Res., Vol. 5, págs. 329-346, 1 975; Vol. 6, págs. 549-560, 1 976. GRATIEN-BELLEUE, P.E., ed. ( Proc, 7th l ntl. Conf. on Alkal i-Aggregate Reactions, National .Research Council, Ottawa, Canadá, 1 987. HOBBS, D. W., Alkali-Silica Reaction in Concrete, Thomas Telford, Lon­ dres, 1 988. CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Durabilidad Corrosión del acero embebido Un reglamento simple para constructores CRANE, A. P., ed., Corrosion of Reinforcement in Concrete Construction, Ellis Horwood Ltd., Chichester, West Sussex, U. K., 1 983. Hammurabi, un rey de Babilonia que vivió hace cuatro mil años, impuso la siguiente regla acerca de la responsabilidad de los constructores:· "Si un edificio se derrumba causando la muerte del propieta­ rio o de su hijo, cualquiera que sea el caso, el constructor o su hijo serán condenados a muerte. Si el esclavo del propie­ tario muere, se dará al propietario un esclavo del mismo valor. Si otras propiedades son destruidas, deberán ser res­ tauradas y las partes dañadas de la casa serán reconstruidas a cargo del constructor". A aquéllos involucrados en la industria de la construcción del concreto, el reglamento de Hammurabi debería ser un recor­ datorio de la re�ponsabilidad del individuo hacia la durabi­ lidad de las estructuras. TON INI, D. E., y S. W. DEAN, JR., Chloride Corrosion of Steel in Concrete, ASTM STP 629, 1 977. Ataque del agua de mar MALHOTRA, V. M., ed., Performance of Concrete in Marine Environment, ACI SP-65, 1 980. MALHOTRA, V. M., ED., Performance of Concrete in Marine Environment, ACI SP-1 09, 1 988. MEHTA, P.. KUMAR, Concrete in the Marine Environment, Elsevier Publis­ hing, 1 99 1 . Acción del congelamiento y del fuego ACI, Behavior of Concrete under Temperature Extremes, SP-39, 1 973. Betonghandboken (in Swedish), Svensk Byggtjanst, Stockholm, 1 980; y Report of RI LEM Com mittee 4 CDC, Materials and Structures, Vol. 1 0, No. 58, 1 977. L!TVAN, G. G., and P. J. SEREDA, eds., Durability of Building Materials and Components, ASTM STP 691 , 1 980. CONCRETO, estructura, propiedades y materiales 129 Capítulo 6 Cementos hidráulicos Presentación Los cementos hidrául icos o resistentes al agua, consisten esencialmente· en cemento portland y sus diversas modifi­ caciones. Para entender las propiedades del cemento por­ tland, es útil fami l iarizarse con algún conocimiento de su proceso de elaboración, su composición mi neral, su estruc­ tura cristalina y la reactividad de sus compuestos constitu­ yentes tales como los sil icatos de calcio y los aluminatos de calcio. · Además, las propiedades del concreto que contiene cemen­ to portland se desarrol lan como un resultado de las reaccio­ nes químicas entre los compuestos del cemento portland y el agua, puesto que estas reacciones de hidratación son acompañadas con cambios de materia y energía. En este capítulo se describen la composición y las caract� rísticas de los compuestos principales del cemento portland. Se analizan ampl iamente las reacciones de hidratación de los aluminatos, con su influencia en los d iversos tipos de comportamiento de fraguado, y los sil icatos con su infl uen­ cia en el desarrol l o de la resistencia. Se cubren con detalle las relaciones entre la química de las reacciones y los aspectos físicos del fraguado y el endureci­ miento de los cementos portland. También se revisa la clasificación de los cementos portland y las especificacio­ nes ·d e acuerdo con ASTM C 1 50. Los cementos portland no satisfacen todas las necesidades de la industria de la construcción; para c� mplir con ciertas necesidades i nsatisfechas se han desarrol lado cementos especiales. También son descritas en este capítulo las composiciones, las características de hidratación y las propiedades impor­ tantes de los cementos puzolánicos, los cementas de escoria de alto horno, los cementos expansivos, los cementos de fraguado rápido y endurecimiento rápido,· los cementos blancos o coloreados, los cementos para pozos de petróleo y los cementos con aluminato de calcio. CONCRETO, estructura� propiedades y materiales Cementos hidráulicos y no hidráulicos Definiciones y química de los cementos de yeso y de cal Los cementos hidrául icos han sido definidos como cemen­ tos que no sólo se endurecen al reaccionar con el agua, sino que también forman un producto resistente al agua. Los cementos derivados de la calcinación del yeso o los carbo­ natos tales como la piedra cal iza, no son hidráulicos porque sus productos de hidratación no son resistentes al agua. Los morteros de cal que uti l izaron en estructuras antiguas los griegos y los romanos, fueron hechos hidrául icos con la adición de materiales puzolánicos que reaccionaron con la · cal para dar l ugar a un producto cementante resistente al agua. La química que caracteriza a los cementos de yeso y de cal se i 1 ustra en la figura 6-1 . · En comparación con los cementos de yeso y de cal, el cemento portland y sus diversas modificaciones son los principa1es cementos usados hoy día para elaborar el concreto estructural. Esto se debe a que el cemento portland es verdaderamente hidráulico; no requiere la adición de un material puzolánico para desarrollar propiedades resistentes al agua. Cemento portland Definición En la norma ASTM 1 50 se define al cemento portland como un cemento hidrául ico producido al pulverizar cl inker_s que consisten esencialmente en sil icatos de calcio hidrául ico, generalmente que contienen una o más de las formas de sulfato de calcio como una adición en la intermol ienda. Los cl inkers son nódulos de 5 a 25 mm de diámetro de un material sinterizado producido cuando una . mezcla de ma­ teriales de una composición predeterminada es calcinada a altas temperaturas. 131 Cementos hidráulicos Tratamiento con calor CaS04 • 1 30 - l SOºC Yeso natural Hemihidrato 1/2 Hp + CaS04 Anhidrita sol uble (Cemento de yeso) (a) Tratamiento cori calor : 900 - l OOOºC Cal viva Piedra caliza' · (b) CaO Cal hidratada Ca (0H)2 H idrato de silicato de calcio Ca O - Si0 2 - Hp Figura 6-1 . Quím ica de los ce­ mentos de yeso y de cal: (a) Pro­ ducción del cemento de yeso y la reacción de hidratación; (b) Producción de los cementos de cal y las reacciones de hidrata­ ción con y sin puzolanas. La cristalización de las agujas de yeso de un cemento de yeso hidratado es la causa del fraguado y del endurecimiento. Sin embargo, el yeso no es estable en el agua; por lo tanto, el cemento de yeso no es hidráulico. La cal hidratada, Ca(OHJ2, tampoco es estable en el agua. Sin embargo, puede carbonatarse lentamente en el aire para formar un producto estable (CaC03). Cuan do una puzolana (sílice reactivo) está presente en el sistemá, los hidratos de silicato de calcio formados como resultado de la reacción entre la cal y la puzolana, son estables en el água. Proceso de fabricación Puesto que los silicatos de calcio son los constituyentes principales del cemento portland, las materias primas para la producción del cemento deben proporcionar calcio y sílice en formas y relaciones adecuadas. Los materiales naturales existentes de carbonato de calcio tales como la piedra cal iza, la greda, la marga y las conchas marinas son las fuentes industriales comunes del calcio, pero la arcilla y la dolomita (CaC0 3 . MgC0 3 ) se encuentran presentes como impurezas principales. Las arcillas y las pizarras, más que el cuarzo o la piedra arenisca, son las fuentes preferidas del sílice adicional en la mezcla prima para elaborar silicatos de calcio, porque el sílice de la cuarcita no reacciona fácilmente. Las arcil las también contienen alúmina (A' 2 03 ) y frecuen­ temente óxido de fierro W e2 0 3 ) y álcalis. La presencia del A' 2 0 3 , Fe2 0 3 , MgO y los álcalis en la mezcla prima, tienen un efecto mineralizante en la formación de sil icatos de calcio; es decir, ayudan a la formación de sil icatos de calcio 132 a temperaturas considerablemente más bajas que de otra manera no sería posible. Por lo tanto, cuando no están presentes cantidades suficientes de Ali0 3 y de Fe2 0 3 en las materias primas principales, se incorporan a propósito en la mezcla prima por medio de la adición de materiales secun­ darios como la bauxita y el mineral de fierro. Como resul­ tado, además de los sil icatos de calcio, el producto final también contiene aluminatos y alumino-ferritos de calcio. Para faeilitar la formación de los compuestos deseados en el d inker de cemento portland, es necesario que la mezcla prima sea bien homogeneizada antes del tratamiento con calor. Esto explica por qué los materiales de cantera tienen que someterse a una serie de operaciones de triturado, molido y mezclado. Por medio de análisis químicos de los materiales almacenados en pilas, . se determinan sus relaciones individuales para la ' adecuada composición dei compuesto en el producto final; las materias primas proporcionadas son intermolidas general­ mente en molinos de bolas o de rod i l lo hasta obtener partículas menores de 75 µm. CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Cementos hidráulicos Bomba � � Almacenamiento de carbón " ' .. • • ' .... de clin1<.er Cargado de clinker rus.; ���/\l F Descarga de cli • • " •• � ' '\ � Almacenamiento • " f • • • .. . • ·¡¡, i"�� � � ------------ .. �- " ' •h Silos de cemento Silos de clinker ... .tfl� •'L"'fi • 1• Camión rieles de erroarque y carros de F.C. a granel Bomba • � •• mbarcadode sacos •• • Figura 6-2. Diagrama de flujo del proceso en seco para la elaboración del cemento portland. (Cortesía de la Southwestern Portland Cement Company, Fairborn, Ohio). Se muestra aquí un diagrama de flujo simplificado del proceso en seco de la elaboración del cemento portland. Una fase principal del proceso es la c/inkerización que se realiza en un horno rotatorio, que consiste en un cilindro de acero inclinado forrado con ladrillos refractarios. La materia prima, mezclada, precalentada y parcialmente calcinada, entra al extremo superior del horno girando continuamente y es transportada al extremo inferior a una velocidad controlada por la pendiente y por la velocidad de la rotación del horno, Carbón pulverizado, petróleo, o un gas combustible, se inyectan en el extremo inferior de la zona de quemado, en donde pueden alcanzarse temperaturas de 1,450 a 1,550 ºC, y se completan así las reacciones químicas correspondientes a la formación de los compuestos del cemento portland. E n el proceso húmedo para la elaboración del .cemento, el mol ido y la homogeneización de la mezcla prima se reali­ zan en la forma de un lodo que contiene de 30 a '40 por ciento de agua. Las plantas modernas de cemento prefieren · el _proceso en seco, que es más eficiente en cuanto energía que el proceso húmedo, porque en este último el agua uti lizada para formar el lodo debe ser posteriormente eva­ porada, antes de la operación de cl inkerización. Para esta operación, molinos de procesado en seco equipados con precalentadores d e suspensión, que permiten el cambio de calor eficiente entre los gases calientes y la mezcla prima, requieren un insumo de energía de combustible fósil del orden de 800 kcal por kilogramo de clinker, en comparación con aproximadamente 1 ,400 kcal/kg para los hornos de proceso húmedo. U n diagrama de flujo simplificado del proceso en seco para la elaboración del cemento portland se muestra en la figura 6-2, y una fotografía aérea de una planta moderna de cemento se muestra en la figura 6-3. CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Las reacciones químicas que se llevan a cabo en el sistema de horno para cemento pueden representarse aproximada­ mente como sigue: (6-1 ) La operación final en el proceso de elaboración del cemento portland consiste en pulverizar el cl inker en partículas menores de 75 µm de diámetro. La operación es realizada en molinos de bolas, también llamados molinos de terminado. Aproximadamente 5 por ciento de yeso o de sulfato de calcio es generalmente intermolido con el clinker, con el fin de controlar las reacciones de fraguado tempra no y endureci­ , miento del cemento, como se analizará más adelante. 1 33 Cementos hidráulicos Composición química Aunque el cemento portland consta esencialmente de va­ rios compuestos de calcio, los resultados de los anál isis químicos de rutina han sido presentados en términos de óxidos de los elementos presentes. Esto es porque la deter­ minación directa de la composición de los compuestos requiere equipo y técnicas especiales. Además, se acostum­ bra expresar los óxidos individuales y los compuestos de cli nker util izando las siguientes abreviaturas: Comguesto · Óxido Abreviatura 3Ca0 · SiO 2 e Ca O 5i02 Al 2 03 Fe203 MgO 503 H 20 5 A F M 5 H 2Ca0 · SiO 2 3Ca0 · Al 20 3 4Ca0 · Al 20 3 4Ca0 · 3AI 20 3 Fe 20 3 • SO 3 3Ca0 · 2Si0 2 · 3H 20 CaS04 · 2H 20 • Abreviatura (3 5 C25 C3A (4AF (4A35 C3 52 H 3 C5H 2 Puesto que las propiedades del cemento portland están relacionadas con la composición de sus integrantes, es difícil sacar concl usiones del anál isis de los óxidos del cemento, como las que se muestran en la tabla 6-1 . Es una práctica común en la industria del cemento, calcular la composición de los compuestos del cemento portland a partir del anál isis de los óxidos, uti l izando una serie de ecuaciones que fueron desarrol ladas originalmente por R.H . Bogue. U na determinación d irecta de la composición de tales integrantes del cemento, que requiere equipo especial y capacitación (figura 6-4) no es necesaria para un control de cal idad de rutina. El segundo método, que también es aplicable a los cemen­ tos pulverizados, incluye la difracción por rayos X de espe­ címenes de polvo. Se requieren curvas de cal ibración basadas en mezclas conocidas de com puestos puros y un estándar interno; una estimación del compuesto se real iza util izando estas curvas y las relaciones de intensidad entre un pico seleccionado de difracción del compuesto y el estándar interno. Figura 6-3. Vista aérea de la planta de cemento portland Ash Grave Cement (West) en Durkee, Oregon: 1 . Molido de la materia prima; 2. Mezc lado y almacenado; 3. Precalentador de suspensión; 4. Horno rotatorio; 5.- Almacen de clinker; 6.- Molido del cemento. (Fotografía por cortesía de Vagn Johansen, F. L. 5midth, Copenhague, Dinamarca). Se muestra una fotografía aérea de la planta procesadora en seco Ash Grave Cement (West) ubicada cerca de Durkee, Oregon. Esta planta de 500,000 toneladas al año, que en 1 979 sustituyó a una planta procesadora en seco de 200,000 toneladas al año, contiene un horno rotatorio de 4.35 por 66 mm de largo, equipado con un precalentador de suspensión de cuatro fases. Los gases del emisor del precalentador se canalizan a un precipitador electrostático diseñado para una eficiencia de emisión de 99.93 por ciento. Todos los compartimentos del proceso son monitoreados y controlados por un sistema de control distribuido con base en un microprocesador que utiliza un procedimiento lógico complicado. 1 34 CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Cementos hidráulicos Clinker de cemento portland C3 S , C 2 S c 3s , c2 s C 3 S , C 2S C 3A C3S C 2S 1 29 1 30 1 31 1 32 1 33 1 34 Grados 20, Cu ka (a) (b) (a) Fotomicrografía de un espécimen de clinker pulido por medio de microscópica de luz reflejada; (b) Patrón de difracción de rayos X Figura 6-4 . de un espécimen de clinker pulverizado. · Se utilizan comúnmente dos métodos para los análisis cuantitativos directos del clinker de cemento port/and. El primer método incluye la microscopia óptica de luz reflejada de secciones pulidas y teñidas, seguida de una cuenta de punto de áreas ocupadas por los varios compuestos. Generalmente el C3S aparece como placas de cristales hexagonales, el C2S como gránulos redondeados con bandas gemelas y el C3A así como el C4f, como fases intersticia/es. Tabla 6-1 . Análisis de los óxidos de los cementos �ortland (%} Cemento Cemento Cemento Cemento Óxido Cemento No. 4 No. 3 No. 5 No. 1 No. 2 2 1 .1 6.2 2.9 65.0 2.0 2.8 s A F e 5 Resto 21.1 5.2 3.9 65.0 2.0 2.8 20.1 7.2 2.9 65.0 2.0 2.8 21.1 4 .2 4.9 65.0 2.0 2.8 . 21 .1 7.2 2.9 64.0 2.0 2.8 Determi11ación de la composición de los compuestos por medio del análisis químico Las ecuaciones de Bogue para calcular la composición teórica o potencial de los compuestos del cemento portland son como sigue: %C3 5 4.071 C - 7.6005 - 6.71 8A - 1 .430F - 2.8505 (6-2a) (6-2b) %C2 5 2.8675 - 0.7544C3 5 (6-2c) %C3 A 2.650A - 1 .692F (6-2d) %C4AF 3 .043F = · = = = Las ecuaciones so n aplicadas a los cementos portland con una re lación NF de 0.64 o mayor; si · la relación es menor de 0.6 se aplica otro grupo de ecuaciones, que están incluidas en A5TM C 1 50. Igualmente, debe hacerse notar CONCRETO, estructura, propiedades y materiales que las ecuaciones de Bogue suponen que las reacciones quími cas de la formac ión de los compuestos del clinker, han avanzado hasta su terminación, y que la presencia de imp u rezas tales como el MgO y los álcalis puede ser ignorad á . Ambas suposi c iones no son válidas; por lo tanto en algunos casos la composición calculada del compuesto, especialmente las cantidades de C3 A y C4AF en los cemen­ tos, se sabe que se desvían considerablemente de la composi­ ción real del compuesto determinada directamente. Esta es la razón de que la composición calculada del compuesto sea también llamada la composición po�encial del compuesto. .i Las composiciones potenciales de los compuestos de los cementos de la tabla 6-1 se muestran en la tabla 6-2. Puede verse por los datos de las dos tablas, que aun pequeños cambios en los análisis de los óxidos de los cementos pueden resultar en grandes cambios en la composició n del compuesto. La comparación entre los · cementos 1 y 2 muestra una disminución del 1 por ciento en A' 2 03 , con un aumento correspondiente en Fe2 0 3 y una disminución en el contenido de C3 A y C2 5 en . 4.3 _Y 3.7 por ciento respec­ tivamente; este cambio también causó un incremento en el contenido de C4AF y C3 5 del 3 y 4.3 por ciento respectiva­ mente. En forma similar, la comparación entre los cementos 4 y 5 muestra una dismi n ución de 1 por ciento en CaO, con un increme n to corres p ondiente en 5i02 , causando la caída 135 Cementos hidráulicos de 1 1 .6 por ciento en C 3 S y el incremento del C2 S en la misma cantidad. Puesto que las propiedades de los cemen­ tos portland son afectadas por la relación y el tipo de los compuestos presentes, las ecuaciones de Bogue siguen un propósito útil, al ofrecer una forma simple para determinar la composición de los compuestos de un cemento portland a partir de un anál isis quím ico. Silicatos de calcio. E l si l icato tricálcico (C 3 S} y el sil icato de beta dicalcio (f3C2 S) son dos si l icatos h idrául icos enéontra­ dos comúnmente en los cli nkers del cemento portland industrial. Los dos contienen invariablemente cantidades de iones de magnesio, aluminio, fierro, potasio, sodio y de azufre; las formas impuras de C 3 S y de f3C2 S son conocidas como alita y belita respectivamente. - Tabla 6-2. Composición de los compuestos de los cementos �ortland {%} Aunque tres formas cristalinas principales de al ita: tricl ínica, monocl ínica y trigonal, han sido detectadas en los cementos industriales, estas formas son una l igera distorsión de una seudoestructura ideal de C3 S construida a partlr de Si04 tetraedro, iones de calcio y iones de oxígeno (figura 6-Sa). De acuerdo con Lea, 1 un hecho notable dél empacado iónico es que la coordinación de iones de oxígeno alrede­ dor del calci o es irregular, de manera q ue los oxígenos son concentrados a un lado de cada ion de calcio. Este arreglo deja grandes agujeros estructurales que causan la alta ener­ gía de celosía y la reactividad. Composición Cemento Cemento Cemento Cemento Cemento No. 3 No. 5 No. 2 No. 4 de 1 compuesto No.1 (35 62.3 53.7 . 53.6 5 8 .0 42.0 1 6.2 1 2.5 28.8 1 9.9 C2 S 1 7.2 1 1 .4 1 4.0 2.8 1 4.0 C3A 7.1 (4Af 8.8 1 4.9 8.8 8.8 1 1 .9 Estructuras de los ·&ristales y reactividad de los compuestos La composición química de los compuestos presentes en los cementos portland industriales no es exactamente como se expresa en las fórmula? comúnmente usadas: C3 S, C2 S, C3 A y C4AF. Esto es debido a que las altas temperaturas que prevalecen durante la formación del cl inker, los elementos presentes en el sistema - incluyendo las impurezas tales como el magnesio, el sodio, el potasio_ y el azufre - poseen la capacidad de entrar en soluciones sólidas con cada uno d� los principales compuestos _del cl inker. Las ' pequeñas cantidades de impurezas en sol ución sól ida pueden . no alterar significativamente la naturaleza . cristalográfica y la r_eactividad de un compuesto con agua, pero . cantidades . mayores sí lo pueden hacer. Además de factores tales como el tamaño de la partícula y la temperatura de hidratación, la reacti.v idad de los com­ puestos. del cemento portland con el agua está influida por su estructura cristalina. Baj o la alta temperatura y las condi­ ciones de no-equil ibdo del horno de cemento y con una variedad de iones metálicos presentes, las estructuras de cristales formados están muy lejos de ser perfectas. Las imperfecciones estructurales son las responsables de la inestabi l idad de los compuestos del cemento en los ambien­ tes acuosos. En rea i idad, las diferencias entre la reactividad de los com­ puestos que tienen una composición química similar, se pueden expl icar solamente por el grado de su inestabi lidad estructural. El análisis e n detalle de las estructuras cristali n as altamente complejas de los compuestos· de cemento está más allá del alcance de este libro; sin embár'go, se describen a continuación los aspectos esenciales responsables de las diferencias en la reactividad de los compuestos. 1 36 Igualmente, la estructura de la bel ita en los cementos indus­ triales es irregular., pero los agujeros intersticiales así forma­ dos son mucho � enores que en el C3 S y esto hace a la belita rT1Ucho menos reactiva que la al ita. Como forma de contras­ te, otra forma cristalográfica de sil icatO de dicalcio, conoci­ d a co m o yC2 51 tiene u na estr u ctura regu l armente coordinada (figura 6-Sb), haciendo así no reactivo al com­ puesto. Aluminato de calcio y ferroaluminato. Varios aluminatos de calcio hidráulico pueden ocurrir en el sistema CaO­ Ali0 3 ; sin embargo el aluminato tricálcico (C 3 A) es el principal compuesto de aluminato en el clinker de cemento portland. Las ferritas de calcio (Fss)no se encuentran en el clinker de cemento portland normal; en su lugar se forman series de ferroaluminatos de calcio que corresponden a la solución sólida de ferrita C2 A-C2 F, y el compuesto más común corresponde aproximadamente a la composición equimolecular C4AF. Igual que los silicatos de calcio, tanto el C 3 A como el C4AF en los c l inkers industriales contienen en sus estructuras cristali nas cantidades sign ificativas de impwezas tales como magnesio, sodio, potasio y sílice. La estructura crista­ lina del C 3 A puro es cúbica; sin embargo, el C4 AF y el C3 A que contienen grandes cantidades de álcalis son ambos ortorrómbiCos. Las estructuras cristalinas son muy comple­ jas pero se caracterizan por grandes agujeros estructurales que causan una alta reactividad. Óxido de magnesio y óxido de calcio. La fuente de óxido de magnesio en el cemento es general mente la dolomita, 1 F.M. Lea The Chemeistry of Cement and Concrete, Chemical Publishing Company, lnc., Nueva York, 1 971 , págs. 3 1 7-33 7. CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Cementos hidráulicos r 1 l/3C (a) Q C a l cio (b) Q . Oxígeno Figura 6-5. Estructuras de cristales de (a) 3Ca0.Si02 ; sección vertical de la capa inferior de la pséudoestructura de 3Ca0.Si02 a través de la diagonal larga de la célula. Solamente los átomos de oxígeno en el plano de simetría se mues­ tran como círculos simples. 1 , 2 y 3, son secciones d e Si04 tetraedro. Los átomos de ca l ci o s o n e t i q u etados; (b) 2Ca0.Si02: átomos de silicón no se muestran; ellos ocurren en el centro del tetraedro. (De: F. M. Lea, The Chemestry. of Cement and Concrete, Chemicál Pu­ blishing Company, lnc., Nueva York, 1 971 , con autorización de Ed.war.d Ar-1 nold (Publishers)Ltd). · La coordinación irregular de los iones de oxfgeno alrededor del calcio deja grandes huecos, que causan la alta reactividad del C3S. Por otra parte, el. C2S tiene una estructura coordinada regularmente y por lo tanto es no reactivo. 1 que está presente como i mpureza en la mayoría de las piedras cal izas. U na parte del óxido de magnesio total en el cli nker de cemento portland (hasta 2 por ciento) puede entrar en sol ución sól ida con los d iversos compuestos descritos ante­ riormente; sin embargo, el resto ocurre como MgO cristali­ no, también l lamado periclasa. La h idratación de la periclasa · para formar hidróxido de magnesio es una reacción lenta y expansiva que, bajo ciertas condiciones, puede causar falta de sanidad (es decir, agrietamiento y botaduras en el concreto endurecido). CONCRETO, estructura, propiedades y materiales El óxido no combinado o libre de calcio está raramente presente en cantidades s ignificativas en los ce � ent6s por­ tland modernos. El inadecuado proporcionamiento de las materias primas, el inadecuado molido y ho m ogeneización y la insuficiencia de temperatura o de tiempo en I� zona de quemado del horno, se encuentran entre los factores prin­ cipales responsables d� la presencia de óxido libr� o crista­ l i no de calcio en el cli nker del cemento portland. Como el MgO, el CaO cristalino expuesto a altas te�peraturas en el horno de cemento se h idrata lentamente y la reacción de hidratación es capaz de causar falta de sanidad en los concretos endurecidos. 137 Cementos hidráulicos Tanto el MgO como el CaO forman una estructura cúbica, con cada ion de magnesio o de calcio rodeado por seis oxígenos en un octaedro regular. El tamaño del ion de Mg2+ es tal que en la estructura del MgO, los iones de oxígeno están en contacto cercano con el Mg2 + bien empacado en los intersticios. Sin embargo, en el caso de la estructura de CaO debido al tamaño mucho mayor del ion de Ca2 + , los iones de oxígeno son apartados con fuerza, de manera que los iones de Ca2 + no están bien empacados. En consecuen­ cia, el MgO cristalino formado de una mezcla a alta tempe­ ratura ( > 1 400ºC) fundido en un horno de cemento portland, es mucho menos reactivo con el agua que el CaO cristalino, que ha sido expuesto a las mismas condiciones de temperatura. Esta es la razón por la cual bajo temperaturas ordinarias de curado, la presencia de cantidades importantes de CaO cristal ino en el cemento portland pue­ de · causar baja sanidad en el concreto, mientras que una cantidad similar de MgO cristalino generalmente resulta inofensiva. Compuestos de álcali y de sulfato. Los álcalis, el sodio y el potasio, en el clinker del cemento portland se derivan principalmente de los co n:i puestos de arci l la presentes en la mezcla prima y en el carbón; su cantidad total expresada como Na2 0 equivalente de (Na 2 0 + 0.64 kiO) puede variar de 03 a 1 .5 por ciento. Los sulfatos en el horno del cemento generalmente provienen del combustible. Depen­ diendo de la cantidad del sulfato disponible, los doble-sul­ fatos sol ubles de álcalis ta les como la langbeinita (2CS.N5) y la aftital ita (3 N5.K5), se sabe que están presentes en el clinker de cemento portland. Se sabe también que su pre­ sencia tiene un á infl uencia importante en las reacciones tempranas de hidratación del cemento. Cuando no está presente sulfato suficiente en el sistema del horno, los álcalis son tomados preferencial mente por el C3 A y el C2 S, que pueden así ser modificados a composiciones del tipo NCaA 3 y KC23 S 1 2 , respectivamente. Algunas veces, grandes cantidades de sulfato en forma de yeso son agregadas a propósito a la mezcla prima, ya sea para disminuir la temperatura de. quemado o para modificar la fase C 3A a C 4A 3S, el cual es u n constituyente importante de ciertos tipos de cementos expansivos, así como de endurecimiento rápido komo se describirá m �s adelante). En el cemento portland ordinario, la fuente de la mayoría de los sulfatos (expresados como S03 ) es el yeso, o el sulfato de calcio en una de sus varias y posibles formas agregado al cli nker. El principal propósito de este aditivo es el de retardar la tenden cia al fraguado rápido del clinker molido de cemento pórtland, debido a la muy alta reactividad del C3 A presente. 138 - E l sulfato de calcio pued e ocurrir como yeso (CaS04 .2H 2 0) hemihidratado o plástico de París (CaS04 . 112H 2 0) y anhi­ drita (CaS04). Comparado con los compuestos del cl inker, eryeso se disuelve rápidamente en el agua; sin embargo, el semihidrato es mucho más soluble y está presente invariable­ mente en los cementos, debido a la descompensación del yeso durante la operación del molido final. Finura · Además de la composición del compuesto, la finura de un cemento afecta su reactividad con el agua. General mente, cuanto más fino es el cemento, más rápidamente reaccio­ nara. Para una composición dada de compuesto, la veloci­ dad de la reactividad, y por lo tanto el desarrollo de la resistencia, puede promoverse mol iendo más finamente los cementos; sin embargo, el costo del mol ido y el calor des arrol lado en la hidratación establecen algunos l ímites en la finura. Para propósito de control de calidad en la industria del cemento, la finura se determina fáci l mente como residuo en las mal las estándar tales como la No. 200 (75 µm) y la No. 235 (45 . µm). Se ha convenido en general que las , partículas de cemento mayores de 45 µm son d ifíciles de hidratar, y aquel las mayores de 75 µm n unca se hidratan completamente. Sin embargo, una estimación de la veloci­ dad relativa de la reactividad de los cementos con una composición similar del compuesto, no puede hacerse sin conocer la distribución completa del tamaño de las' partícu­ las por métodos de sedimentación. Puesto que la determi­ nación de la distribución del tamaño de las partículas por sedimentación es tediosa o requiere de equipo costoso, se acostumbra comúnmente en la industria obtener una medi­ da relativa de la distribución del tamaño de las partículas por un anál isis del área superficial del cemento, por el Método B laine de Permeabi l idad al Aire (ASTM C 204). Se presentan en la figura 6-6 datos típicos sobre la distribución del tamaño de las partículas y de área de superficie Blaine para dos muestras de cementos portland producidos indus­ trialmente. Hidratación del cemento portland Importancia El cemento portland anhidro no se une a la arena y a la grava; adquiere la propiedad adhesiva solamente cuando se lo mezcla con el agua. Esto es porque la reacción química del cemento con el agua, l lamada comúnmente hidratación CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Cementos hidráulicos .g ro :; § u ro g t;: 90 Cemento portland de alta resistencia inicial 80 % que pasa en peso 70 � 60 -¡:¡; ºfü � E � Q) ·� 50 7.5 µ.m = 42 1 5 µ. m = 66 e: 30 o c.. 45 µ. m = 97 % que pasa en peso 40 Q) u 30 µ. m = 88 Cemento portland normal 7. 5 µ.m = 22 1 5 µ.m = 4 6 30 µ. m • 74 45 µ. m • 88 20 10 o 1 00 60 40 20 10 6 4 Diámetro esférico equivalente, micrones 2 1 . 0.6 Figura 6-6. Gráfica de análisis de distribución de tamaño de partícula de muestras de cemento portland ASTM Tipos 1 y 1 1 1 . (Datos por cortesía de la Southwestern Portland Cement Company, Victorvi lle, California) del cemento, rinde productos que poseen características de fraguado y de endurecimiento. Brunauer y Copeland des­ cribieron acertadamente la importancia de la hidratación del cemento portland en la tecnología del concreto: La química del concreto es esencialmente la química de la reacción entre el cemento portland y el agua. En cualquier reacción química los aspectos principales de interés son los cambios en la materia. los cambios de energía y la rapidez de la reacción. Estos tres aspectos de una reacción tienen una gran importancia práctica para el usuario del cemento portland. El conocimiento de las sustancias que se forman cuando el cemento portland reacciona es importante porque el cemento mismo no es un material \ cementante; sus productos de hidratación tienen la acción cementante. El conocimiento de la cantidad de calor liberado es importante porque el calor es algunas veces de ayuda · y otras veces · es un obstáculo. El conocimiento de la rapidez de la reacción es importante porque deter­ mina el tiempo de fraguado y el endurecimiento. La reacción inicial debe ser suficientemente lenta para permitir que el concreto sea colado en su lugar. Por otra parte, después de que el concreto ha sido colocado es . te un en d urec1m1ento rap1" do. 2 convemen • • ' Mecanismo de hidratación Se han propuesto dos mecanismos de hidratación. U no es la hidratación de la solu c ión total que comprende la d iso­ l ución de los compuestos anhidros a sus constituyentes iónicos, . la formación de h idratos en la sol ución y, debido 2 S. Brunauer y L. E. Copeland. "The Chemestry of Concrete", Sci. Am., Abril de 1 964. · CONCRETO, estructura, propiedades y materiales a su baja solubilidad, la precipitación final de los hidratos de la solución sobresaturada. Así, el mecanismo de la solución total contempla la reorganización completa de los constituyentes de los compuestos originales durante la hi­ d ratad ó n del cemento. De acuerdo con el otro mecanism �; l lamado topoquímica o hidratación del estado sólido del cemento, las reacciones se l levan acabo' '(füectamente en la superficie de los com­ puestos anhidros sin qué hayan sido disueltos. En estudios de microscopia electrónica de pastas de cemento hidratado (figura 6.:.7), aparece que el mecanismo de solución total es dominante � n· las etapas tempranas de la hidratación del cemento. A edades posteriores, cuando la movilidad iónica en sol u­ ción se ve restringida, la hidratación de las partículas de cemento residual puede ocurrir por reacciones del estado sólido. Puesto que el cemento portland está formado de una mezcla heterogénea de varios compu estos; el proceso de hidrata­ ción consiste en reacciones simultáneas que ocurren de i os compuestos anhidros con agua. Sin embargo, todos los compuestos no se hidratan a la misma velocidad .. Se sabe que los aluminatos se hidratan más rápidamente· que los sil icatos. En realidad, las características de la rigidización (pérdida de consistencia) y del fraguado (solidificación) de una pasta de cemento portland, son determinadas en gran parte por las reacciones de hidratación que involucran a los aluminatos. 139 Cementos hidráulicos Figura 6-7. Micrografía electrónica de barrido de un espécimen fracturado de pasta de cemento portlan·d a tres días de edad. _ Los cristales masivos son hidróxido de calcio, mientras que los cristales de H-5-C son pobremente cristalinos y muestran una morfología fibrosa. Los sil icatos, que representan aproximadamente 75 por ciento del cemento portla ri d ordinario, juegan un papel predominante para determinar las características del endu­ recimiento (velocidad de desarrol lo de resistencia). Con el propósito de obtener un entendimiento claro de los cambios físicos y químicos durante la hidratación del cemento port­ land, es conveniente analizar separadamente las reacciones de hidratación de los aluminatos y de los si licatos. Hidratación de los aluminatos La reacción del C3 A con el agua es inmediata. Los hidratos cristalinos, tales como el C3AH 6, C4AH 1 g y C2AHa, se forman rápidamente, con la liberación de una gran cantidad de calor de hidratación. A menos que la rápida reacción de la hidrata­ ción del C3A no fuera disminuida por algunos medios, el cemento portland sería inútil para la mayoría de los objetivos de la construcción. Esto se logra generalmente agregando yeso. Por lo tanto, para propósitos prácticos no son sólo las reacciones de hidratación de C3A sino la hidratación de C3A en presencia del yeso lo que es importante. 140 Desde el punto de vista de las reacciones de hidratación del cemento portland, es conveniente analizar al C 3 A y al ferroal uminato conjuntamente, porque los productos for­ mados cuando este último reacciona con el agua en la presencia del sulfato, son estructuralmente simi lares a los formados por el C 3 A. Por ejemplo, dependiendo de la concentración del sulfato, la hidratación del C4AF puede producir ya sea C 6A(F)53 H 32 o C4A(F):SH 1 a, 3 los cuales tienen composiciones químicas variables pero estructuras similares a la etringita y al monosulfato respectivamente. Sin embargo, la parte q ue juega el ferroaluminato en el cemento portland en el fraguado temprano y en las reacciones de endurecimiento de la pasta del cemento depende principal­ mente de su composición química y de la temperatura de formación. Generalmente, la reactividad de la fase de ferrita es en alguna forma más lenta que la del C 3 A, pero se incrementa con el aumento del contenido de alúmina y con la disminución de la temperatura de formación d urante el 3 En libros reciente, los términos AFt y AFm se emplean para designar los productos que pueden tener composiciones químicas variables, pero son estructuralmente similares a la etringita y al h idrato monosulfato respecti­ vamente. CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Cementos hidráulicos también es l lamado alto sulfato o por el nombre mineraló­ gico etringita. El monosulfato también es l lamado bajo sulfato y se cristal iza como placas delgadas hexagonales. Las reacciones q u ím icas relevantes pueden expresarse como: proceso de la fabricación del cemento. En cualquier caso, puede notarse que la reacción de h idratación de los alumi­ natos descritos a continuación es apl icable tanto al C3 A como á l F ss en el cemento portland, aunque por motivos de simplificación solamente se analizará 'e l C3 A. - [A 1,04r + 3 [S 04] 2(etringita) Se han postulado varias teáríás para expl icar el mecanismo de retardo del C3A por el yeso.· De acuerdo con una de ellas, puesto que el yeso y los álcalis entran rápidamente en solución, la sol ubilidad del C3 A se deprime en presencia de iones de hi d róxido, de álcalis y de sulfato. Dependiendo de la concentración de iones de aluminato y de sulfato en solución, el producto cristalino precipitado es hidrato trisul­ fato de aluminato de calcio, o hidrato monosulfato de aluminato de calcio. (A 1 04f + (504) 2(monosulféito) Disponibilidad de sulfatos en solución + 6[Ca] 2 + 4(Ca) 2 + + + aq. � C6A53 H 32 (6-3a) aq. � C4A5H 1 3 (6-3b) La etringita es generalmente el primer hidrato que se. crista­ l iza debido a la alta relación de sulfato/aluminato en la fase . en sol ución durante la primera h ora de hidratación. Eri cementos portlanc;J normalmente retardados que contienen de 5 al 6 por ciento de yeso, la precipitación de la etringita contribuye a la rigidiza ción (pérdida de consistencia), al En soluciones saturadas con iones de calcio y de hidróxido, el primero se cristal iza como agujas cortas prismáticas y Reactividad del C3A en el clinker + Edad de Hidratación < 10 min. 10 -45 min. 1 -2 horas 2 -4 horas Fraguado normal Caso 1 Baja Baja Caso 1 1 Etringita en los poros Alta Alta Trabajable Caso 1 1 1 Baja Alta Caso IV 80 Fraguado rápido ·?-/' . Ninguna o muy baja Alta Fraguado falso Caso V ' Baja Alta ..-,------ , Cristalización de agujas de yeso en los poros .__.____ , ------ Figu ra 6-8. Influencia de la relación aluminato-sulfato en la fase en solución de las características de las pastas de cemento portland. (De: F. W. Locher. W. Richartz y S. Sprung, Zement-Kalk Gips, No. 6, págs. 271 -277, 1 980) · CONCRETO, estructura, propiedades y materiales 1 41 Cementos hidráulicos neo. Este fenómeno, conocido como"fraguado relám­ pago, es asociado con la gran evolución de calor y las fraguado (solidificación . de la pasta) y al desarrollo de resistencia inicial. Más tarde, después de la disminución del sulfato en la sol ución, cuando la concentración de alumi­ nato asciende de n uevo debido a la hidratación renovada de C3 A y C4AF, la etringita se vuelve inestable y se convier­ te gradualmente en monosulfato, que es el produ.cto final de hidratación de los cementos portland que contienen más de 5 por ciento de C 3 A: pobres resistencias últimas. O Puesto que el equilibrio aluminato-sulfato en la fase de sol ución de una pasta de cemento portland hidratada deter­ mina pr i ncipalmente si el comportamiento del fraguado es normal o no, varios fenómen os del fraguado afectados por u n desequi l ibrio en la relación A!S, que tienen un significa­ do práctico en la tecnología del concreto, se i lustran en la figura 6-8 y se analizan a continuación: Aunque el yeso es agregado al cemento para servir como un retardante, lo que es conocido como el contenido óptimo de yeso del cemento se determina general mente por pruebas estándar que · muestran la resistencia máxima del cemento y la retracción m ínima a ciertas edades de hidra­ tación. Los iones de sulfato contribuyeron a la solución por la disol ución del yeso y tienen un efecto retardante en los aluminatos pero un efecto acelera n te en la h idratación de los sil icatos (ver capítulo 8) que son los compuestos princi-:­ pales del cemento portland. Por lo tanto, dependiendo de la composición de un cemento, un contenido específico de yeso es el indicado para u n comportamiento óptimo del cemento. O Caso 1 : Cuando las relaciones de disponibil idad de iones de aluminato y iones de sulfato en la fase en sol ución son bajas, la .pasta de cemento permanecerá trabajable por aproximadamente 45 minutos; de al l í . e n adelante · comenzará a rigidizarse e n cuanto los espacios l lenados corí agua comiencen a l lenarse con cristales de etringita. La mayoría de los cementos portland l lamados de fraguado normal, corresponden a esta categoría. La . pasta se vuelve menos trabajable entre 1 y 2 horas después de la adición del agua y puede comenzar a solidificarse dentro de 2 o 3 horas. O O O 142 Caso 1 1 : Cuando las relaciones de disponibi lidad de iones de aluminato y de sulfato en la fase de sol ución son altas, grandes cantidades de etringita se forman rápidamente y causan una pérdida considerable de consistencia de 1 O a 45 minutos, .con sol idificación de la pasta entre . 1 y 2 horas. Los cementos frescos con alto C3 A, que contienen más de las cantidades norma­ les de sulfatos alcalinos o sulfatos de calcio hemihidra­ to, son generalmente caracterizados por este tipo de comportamiento. Caso 1 1 1 : Cuando la cantidad de C3 A reactivo es alta pero el sulfato soluble presente es menos que el requerido para un retardo normal, los cristales de placa hexagonal del monosulfato y de los hidratos de alumi­ nato de calcio se forman rápidamente y en grandes canti dades con la pasta . de cemento fraguando, en menos de 45 minutos después de la adición del agua. Este fenómeno es 1 lamado fraguado rápido. Caso IV: Cuando poco o ningún yeso se ha agregado a un cli nker mol ido de cemento portland, la hidrata"'. ción del C 3A es. rápida y las pl_acas hexagonales de hidratos de aluminato de calcio comienzan a formarse en grandes cantidades rápidamente después de la adición del agua, .causando un fraguado casi instantá- Caso V: Cuando el C 3 A en el cemento es de baja reactividad, como en el caso de cementos parcialmen­ te hidratados o carbonatados q ue han sido inadecua­ damente almacenados, y al m ismo tiempo una gran cantidad de hemihidrato de calcio está presente en el · cemento, la fase en sol ución contendrá baja concen­ tración de iones de aluminato, pero será rápidamente supersaturada con respecto a los iones de calcio y de . sulfato. Esta sol ución l levará a la formación rápida de grandes cristales de yeso con la correspondiente pér­ dida de consistencia. E l fenómeno, l lamado fraguado falso, no está asociado con una gran evolución de calor y puede ser remediado con un mezclado vigoro­ so de la pasta de cemento con o sin agua adicional . Hidratación de los silicatos .. · La hidratación del C3 S y C2 S en el cemento portland produce una familia de h idratos de silicatos de calcio que son estructural mente similares, pero varían ampliamente en la relación calcio/síl ice y en el contenido de agua química­ mente combinada. Puesto que la estructura determina las propiedades, las diferencias de composición entre los hidra­ tos de sil icato de calcio tiene poco efecto en sus caracterís­ ticas físicas. La· estructura y las propiedades de los hidratos de sil icato de calcio en las pastas de cemento portland fueron descritas en el capítulo 2. En general, el material es pobremente crista­ l ino y forma un sól ido poroso que exhibe características de un gel rígido. En la literatura, este gel ha sido algunas veces llamado gel de tobermorita según u n mineral que ocurre en la naturaleza o de una estructura aparentemente simi lar. El uso de este nombre no es más favorecido porque la similitud en las estructuras de los cristales es más bien pobre. Igualmente, puesto que la composición química de CONCRETO, estructura, propiedades y materiales �ementos hidráulicos los hidratos de silicato de calcio en las pastas de cemento portland hidratante varía con la relación de agua/cemento, la temperatura y la edad de la hidratación, se ha vuelto más bien una costumbre el referirse a estos hidratos simplemente como H-S-C, una notación que no implica una composición fija. En la hidratación completa, la composición aproximada del material corresponde a C 3 S 2 H 3 : esta composición es por lo tanto utilizada para cálculos estoiquiométricos. Las reacciones estoiquiométricas para las pastas de C3 S y C2 S totalmente hidratadas, pueden expresarse como: � 2 C3 S + 6H � C3 S2 H 3 + 3CH (6-Sa) 2 C2 S + 4H � C3 S 2 H 3 + CH (6-Sb) Además del hecho de que los productos de reacción similar se forman en la hidratación en ambos silicatos de calcio presentes en el cemento portland, hay varios puntos que deben hacerse notar. Primero, los cálculos estoiquioméfr icos m u estrnn que la hidratación del C3 S producirían 61 por ciento de C3 S2 H 3 y 39 por ciento de hidróxidO de calcio, mientras que la hidratación del C2 S produciría 82 por ciento de C3 S2 H 3 y . 1 8 por cie nto de hidró)( ido de calcio . Si el ár ea de la superficie y, consecuentemente, la propiedad adhesiva de las pasta de cemento h idratada son principalmente debidas a la formación del hidrato de silicato de calcio, es de esperarse que la resistencia última de un cemento portland con alto C3 S sea menor que la de un cemento con alto C2 S. Esto, indudablemente, es confirmado por los datos de mu­ chas i nvestigaciones. descrita anteriormente y de los datos del calor de hidratación dados más adelante, será aparente que el C 3 S se hidrata con mayor rapidez que el C2 S. Ante la presencia del yeso, el C 3 S en las partículas finas dentro de una hora después de la adición del agua al cemento inicia la hidratación y proba­ blemente contribuye al tiempo final del fraguado y a la resistencia inicial de la pasta de cemento. E n real idad, la velocidad relativamente rápida de hidratación del C 3 S es un factor importante en el diseño de cementos portland de alta resist� ncia inicial, como se anal izará más adelan­ te. Las reacciones de hidratación de la alita y la belita son aceleradas ante la presencia de iones de sulfato en sol ución. N umerosos investigadores han encontrado que, a diferencia de la depresión d� la solubilidad mostrada por los compues­ tos de aluminato, la solubi lidad de los compuestos de sil icato de cal c io, tanto de C 3 S como de C 2 S, en realidad es incrementada en las soluciones de sulfato, lo que explica la acelerac ión de la hidratación. Datos típicos sobre el efecto de la adición de yeso en la velocidad de hidratación de la alita, se muestran en la tabla 6-3. En conclusión, aunque el propósito principal del yeso en el cemento portland es el de retardar la hidrataci ón de los al umi natos, un efecto lateral es la aceleración de la hidratac ión de la alita, sin la cual los cementos industriales se endurecerían más leritamente. Tabla 6-3. Efecto acelerante del yeso en el tiempo de fraguado, calor de hidratación y resistencia de laª alita Cemento portland Tipo 1111 ª Segundo, si la durabil idad de una pasta de cemento endu­ recida ante la acción de las aguas ácidas y sulfatadas es reducida debido a la presencia de hidróxido de calcio, puede esperarse que el cemento que contenga una relación mayor de C2 S será más durable en ambientes acidos y sulfa­ tados, que el cemento que contenga una mayor relación de C3 S. Esta observación también se confirma general mente por las experiencias de laboratorio y de campo. Desde el punto de vista de la d urabil idad a los ataque químicos, muchas especificaciones estándar tratan de limitar el máximo de C3S permisible en l os cementos; algunas recomiendan el uso de puzolanas a fin de retirar el exceso de hidróxido de calcio de la pasta de cemento hid ratada. Tercero, puede estimarse por las ecuaciones anteriores, que para una hidra­ tación completa, el C3 S y el C2 S requi�ren 24 por ciento y 2 1 por ciento de agua respectivamente. Las ecuaciones estoiquiométricas de la hidratación de C3 S y C2 S no d icen nada acerca de las velocidades de reacción. Desde el punto de vista de la inestabilidad estructural CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Inicial Final 3 días 7 días 28 días 3 días 7 días 28 días 90 días Cemento de alita Sin yeso Tiempo de fraguado (h) 8.5 3 1 1 .5 6 Calor de hidrataciónb (cal/g) 59 61 61 75 85 83 - Resistencia a la compresión b (MPa) 8.6 1 3.4 1 4.2 21 .4 25.2 34.6 36.9 36.9 Con 3 % de yeso 4.5 7.5 63 66 81 1 1 .0 1 6.8 27.6 37.0 ªCemento de al ita hecho moliendo una preparación de laboratorio de alita monoclínica de alta pureza a una finura de 330 m 2/kg Blaine. Un cemento portland industrial que cum � le los requerimientos del ASTM Tipos 1 y 11, con una finura de 330 m /kg Blaine, fue incluido para propósitos de referencia. b los métodos ASTM C 226, C 1 86 y C 1 09 fueron utilizados para la determinación del tiempo de fraguado, el calor de h idratación y la resis­ tencia a la compresión, respectivamente. Fuente: Datos P. K. Mehta. D. Pirtz y M. Polivka, Cem. Concr. Res., Vol. 9, págs. 439-450, 1 979. y · 143 Cementos hidráulicos � �6 <U � o (ij u A 5 � 4 8 e: -o -�a> g 3 . � 2 -g :-s 1 -a> Figura 6-9. Velocidad de liberación de calor de una pasta de cemento portland durante el fraguado y el período tempra­ no de endurecimiento. o > o o .._______._ . .._ .___..____, __.__...._ 4 8 12 16 Tiempo, horas 20 24 Calor de hidratación Los compuestos del cemento portland son productos no equilibrados de reacciones de alta temperatura y, por lo tanto, en un estado de alta energía. Cuando un cemento es hidratado, los compuestos reaccionan con agua para adqui­ rir estados estables de baja energía y el proceso es acompa­ ñado por una l iberación de energía en la forma de calor. En otras palabras, las reacciónes de hidratación de los com­ puestos de cemento po rtland son exotérmicas. deprimida en la presencia del sulfato en la sol ución. El siguiente ciclo de evolución de calor, q ue culminan en el segundo pico después de aproximadamente 4 a 8 horas de la hidratación para la mayoría de los cementos portland, representa -el calor de la formación de etringita (pico ascen­ dente B). Muchos investigadores creen q ue el período de evolución del calor incl uye algún calor de la solución debido al C3S y al calor ·de la formación de H-S-C. La importancia del calor de hidratación del cemento en la tecnología del concreto tiene muchas facetas. El calor de hidratación puede algunas veces ser un obstáculo (por ejemplo, para las estructuras de concreto masivo) y en otras ocasiones� una ventaja (como en la elaboración de concreto en invierno cuando las temperaturas ambientes pueden ser demasiado bajas para proporciona� la energía de activación de las reacciones de hidratación). La cantidad total de calor l iberado y las velocidades de liberación de calor de la hidratación de los compuestos individuales pueden util izar­ se como índices de su reactividad. Como se analiza ºmás adelante, los datos del calor de hidratación estudiados pueden uti l izarse para caracterizar el fraguado y el compor­ tamiento del endureci m iento de ios cementos, y para pre­ decir la elevación de la temperatura . Al uti l izar un calorímetro de conducción, Lerch4 registró la La pasta de un cemento adecuadamente retardada, retendrá mucha de su plasticidad antes del i n icio de este ciclo de calor y se rigidizará y mostrará el fraguado inicial (inicio de la sol idificación) antes de alcanzar el ápice en B, que corresponde al fraguado final (solidificación completa e inicio del endurecimiento). velocidad de la evolución del calor de las pastas de cemento durante el fraguado y el período inicial de endurecimiento. U na gráfica típica de los datos se muestra en la figura 6-9. En general, al mezclar el cemento con el agua, ocurre una evolución rápida de calor (ascendiendo al pico A) que dura unos pocos minutos. Esto representa probablemente el calor de la solución de los aluminatos y de . los . sulfatos. Esta evolución i nicial de calor cesa rápidamente (descendiendo del pico A), cuando la solubilidad de los aluminatos es . 4 W. Lerch., Proceedings Am. Sos. Test. Mat., Vol. 46, págs 1 252, 1 946. 144 Del anál isis de los datos del calor de h idratación de un gran número de cementos, . Verbeck y Foster 5 calcularon las velocidad es ind!viduales de la evolución del cal or debido a los cuatro compuestos principales del cem_e nto portland (tabla 6-4). Puesto que el calor de h idratación del cement1 es una propiedad acumulativa, puede predecirse por medi1 de una ecuación del tipo: · H = aA + bB + cC + dD (6-6) en donde H representa el cal or d e h idratación a u ni . edad dada y bajo ciertas cond iciones; A 1 B, C , y D, son los porcentajes contenidos de C 3 S, C 2 S, C 3 A y C 4 AF presentes en el cemento, y a, b, c y d son l os coeficientes que representan la contribución del 1 por ciento del compuesto correspond iente a l cal or de hidratació n . Los valores de l os coeficientes serán d iferentes para las d i sti ntas edades de h idratació n . 5 G.J. Verbeck y C. W. Foster, Proceedings AMO. Sos. Test. Mat., Vol. 50. págs. 1 235, 1 950. CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Cementos hidráulicos Tabla 6-4. Calores de hidratación de los compuestos de cemento portland · Compuesto C3 S C2S C3A yAF Calores de hidratación a la edad dada (cal/g) 90 días 3 días 13 años 1 22 1 04 58 12 42 59 324 212 31 1 1 02 98 69 Para u n cemento portland típico, parece. que aproximada­ mente 50 por ciento del calor poten c ial es l iberado dentro de los primeros 3 d ías y 90 por ciento, dentro de los 3 primeros meses de hidratación. Para cementos portland de bajo calor (ASTM Tipo IV), el ASTM C 1 50 requiere que los calores de hidratación a los 7 y 28 d ías sean limitados a 60 y 70 cal/g respectivamente. Los cementos portland norma­ ies, ASTM Tipo 1, generalmente producen de 80 a 90 cal/g en 7 d ías y de 90 a 1 00 cal/g en 28 d ías. Aspectos físicos del fraguado y del proceso de endurecimiento Los aspectos q u ímicos de las reacciones de hidrataci ó n de los compuesto s del cemento portland ya han sido analizá­ dos. Para la aplicación a la tecnología .del concreto, es conveniente revisar los aspectos físicos, tales como la_ rigi­ dización, el fraguado y el endurecimiento, que son mani­ festaciones d iferentes de los procesos químicos que se real izan. La rigidización es la pérdida de consistencia de la pasta de cemento p lástica y está asociada con el fenómeno de la pérdida de revenimiento en el concreto. El agua l ibre en una pasta de cemento es la responsable de su plasticidad. La pérdida gradual de agu a libre del sistema debido a las reacc iones tempranas de h idratación, la absorc ión física en la superficie de los productos de hidratación pobremente cristalinos tales como la etringita y el H .S.C y la evaporación causa, que la pasta se rigidice y finalmente fragüe y se endurezca. El término fraguado impl ica la sol idificación de la pasta de cemento plástica. El inicio de la solidificación, llamado fraguado inicial, marca el punto en �I tiempo en que la pasta _ se ha vuelto no trabajable. De acuerdo . con ello, la coloca­ ción, la compactación y el terminado del concreto más allá de esta etapa serán muy difíciles. La pasta no se solidifica repentinamente; requ iere considerable tiempo para.volver­ se totalmente rígida. E l tiempo necesario para la completa sol idificación marca el fraguado final, que no deberá ser muy largo con el fin de continuar la actividad en la cons­ trucción dentro de un tiempo razonable, después de la CONCRETO, estructura, propiedades y materiales colocación del concretó. Casi universal mente, los tiempos inicial y final de fraguados son determinados por el aparato Vicat, que mide la resistencia de una pasta de cemento de consistencia estándar, a la penetración de una aguja bajo una carga total de 300 g. E l fraguado inicial 'es un tiempo arbitrario en el proceso de fraguado, que se dice haberse alcanzado : cuando la aguja no es ya capaz de continuar penetrando el espesor de 40 mm de la pasta de ceme n to dentro de los 5 a 7 mm aproxima� amente del fondo. El fraguado f_i nal se dice haberse alcanzado_ cuando la aguja deja una impresión en la superficie de la pasta pero no penetra. El ASTM C 1 50, Standard Specification for Portland Cement, requiere que el tiempo de fraguado inicial no sea menor de 45 minutos y que el tiempo de fraguado final no sea mayor de 3 �5 minutos cuando se dete�mina · con la Aguja Vicat (ASTM C 1 91 ). U na pasta recientemente fraguada de cemento portland tiene poca o ninguna resistencia, porque representa sola­ mente el comienzo de la hidratación del C3 S, el principal compu.esto presente. Una vez que comienza la hidrataC ión del C 3 S, la reacción co n tinúa rápidamente durante varias semanas'. El proceso de l lenado progresivo de los espacios vacíos de la pasta con los productos de la reacción, resulta en una disminución de la porosidad y de la permeabi lidad y en un incremento de la resistenda. En la tecnología del concreto, el fenómeno _ de la adquisición de la resisten cia con el tiempo es l lamado endurec imiento. La figura 6-1 o muestra una representació n gráfica · de · 1a relación · · entre la química d_el proceso de hidratac ión de una pásta de cemento portland normal y los fen.ó menos : físicos de la rigidización gradual, el fraguado y el end � recimiento, con una d isminución correspondiente en la porosidad y la permeabil idad. Efecto de las · características del · : cemento en l a resistencia y en el calor de hidratación . - . Puesto que las velocidades de reactividad de los compues­ tos individuales del cemento p ortland con el agua varían considerablemente, es posible cambiar las características del desarrollo de la resistencia de los cementos alterando simplemente la composición del compuesto. Por ejemplo, la resistencia inicial a los 3, 7 y 28 d ías serán altas si el cemento contiene relativamente grandes cantidades de C 3 S y C3 A; y la resistencia inicial será baja si el cemento contiene una relación mayor de C2 S. Igualmente, con base en consideraciones teóricas ya manifestadas (pág. 1 36), la resistencia última del cemento con alto C2 S será mayor que 145 Cementos hidráulicos .... --- H-S-C � Ca �· -· - · - - --- -- ( O H )2 ' I ', \ \ /. \ Monosulfato Etringita . \ \ , ,..... \ ',.....� Fraguado inicial (pérdida de consistencia) Fraguado final o 5 '--- Minutos . 30 � 1 2 2 6 '- Horas J Edad de Hidratación. . 7 ____, ; 1 / / / _ . ./ 1 '="" - /, · - . ígido sól . · ;;;, -- --__ _ / Ganancia de resistencia--- _• . (b) (a) /' . - _ _ _ ..... • (solidificación completa Días . ./\Resistencia 1 1 ad permeab"l"d ', / ·. Figura 67 1 O. (a) In d ices típicos de la formación de los productos de hidratación en Una pasta de cemento portland ordinario; (b) Influencia de la form áci ó� de los productos de la hidratació n sobre el tiempo de fraguado, la porosidad, la permeabilidad y la"resistencia de la pasta de cemento. [(a) Ad áptado de J. Soroka, Portland Cement Paste and Concrete, The Macmillan Press, pág. 35, 1 979)] la de un cemento con . bajo C2 S. Estudios de laboratorio confirman estas expectativas (figura 6�1 1 a). Igualmente, puest� que la composición del compuesto de . cemento afecta el calor de hidratación, es de esperarse que los cementos que contienen alto C2 S no tendrán solamente un. endurec.i!'Tliento lento, sino también una producción menor de calor {fÍgura 6-1 .1 b). , · Además de la cqmposición del compuesto, las velocida­ des de. desarrollo de . la resistencia y la evol ución del c� lor puede n s e r fáci l mente COl)troladas ·ajustando la fi nura del cemento. Por ejemplo, dependiendo de la composic�ón específica del co'm puesto, si se ha �e un cambio en e l área superfici�I del cemento de .320 a 450 b � i e c m 2/kg B la . ne, es posi l e i ncrem ntar las resist n ias a . la compres ión a 1 , 3 y . 7 d ías del mortero de cemento en, aproximada IT1 ente; d e 50 a 1 00, de 30 a 6 0 y de 1 5 a 40 por ciento respectivamente. Los datos típicos de la in­ fl uencia de la fin ura en la resistencia se muestra en la figura 6-1 1 c. Datos adicionales sobre _la influencia de la compo s ición de los compuestos, finura y temperatura de hidratación sobre el desarrollo de calor se muestran en la figura 6-1 2. Tipos de cemento .portland En la tabla 6-5 se presenta un resumen de .l as características importantes . de los compuestos principales del cemento portland. A partir del · conocimiento de las velocidades relativas de reactividad y de los productos de h idratación de los compuestos i ndividuales, es posible diseña�. cemen­ tos con características especiales tales como alta resistencia inicial, baJo calor de hidratación, alta resistencia a los sulfatos y calor moderado de hidratación o resistencia mo­ derada a los sulfatos. En tal forma, el ASTM C 1 50, Standard Specification for Portland 'Cement, cubre los siguientes ocho tipos de cemento portland: O Tipo 1 : Para usarse cuando las propiedades especiales especificadas parn cualquier otro tipo no son requeri- Tabla 6-5. Compuestos principales-del cemento portland y sus características Composición aproximada Nombre común Principales impurezas Forma cristalina común Variación Promedio en el cemento ordinario yelocidad de reacción con el agua Ed ad temprana Ú ltima Calor d e hidratación Típico (cal/g) · 146 3Ca0 · Si02 p 2Ca0 · Si02 3Ca0 1 · AhOJ A lita . Belita MgO, AliOJ, Fe203 MgO, Ali03 , Fe203 Si02, MgO ; álcalis Monoclínica Monoclínica cúbica, ortorrómbica Proporciones de I Ós compuestos presentes (%) 35-65 0-1 5 1 0-40 50 25 8 Lenta Media Rápida Contribución a la resistencia Buena Buena Pobre Buena Excelente Media Alto Bajo Medio 320 1 20 60 · · 4Ca0 · AhOJ · Fe203 Fase ferrita, Fss Si02, MgO Ortorrómbica 5-1 5 8 Media Buena Media Medio 1 00 CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Cementos hidráulicos ca o. · 42 � 35 .. - e: •O "¡jj Q) cilindros de concreto de 1 5 x 30 cm contenido de cemento 3 335 kg/m y tamaño máximo de agre"gádo de40mll'.l . Ci 2a (.) E o � ca ·e:u l/J .¡jj Q.l 2 21 14 a: Período de curado húmedo, 21ºC 7 o (a) 7 14 28 ___________________________. días días días - · - 90 . días_ • - · m _. 1 80 1 días año 2 5 años años Cemento No. C3S 1 20 -----O> 1a (.) :§ ca Ti1 "O ¿ 10 0 60 o 40 5 (ij · r I 80 � "O .,,,.,- .• u* m · Composición del compuesto C2 S C3 A C4 AF -· 49 25 12 8 30 46 5 13 56 1 .5 12 8 El cemento No. 11 corresponde al cemento portland ASTM Tipo (b) 20 ---------------------""'----...... 14 28 7 90 180 365 1 3 IV Edad, días . · 70 .-.-.-,.---.----�---.. ca �1111--r:=:::=:::t:::::==:=:::� � � �ltill���....,,,=--:t=:::=::;:::;----1 :� .§ 40 H-hlf-��....=... --+--------4 e: .¡jj * [ 30 ·a:� E 20 1-f-<�--4-->,>4 8 (e) 10 +-+-+-+---4----_._---l 1 2 3 14 Edad, días 28 . Figur� 6-1 1 . (a) Influencia de la composición del cemento en la resistencia; (b) i nfluencia de la composición del cemento en el ca lor de hidratación; (c) Influencia de' la finura del cemento en l a resistencia� Dátos para (a) y (b) tomados del Concrete Manual, U.S. Bureau of Reclamation, 1 975, págs. 45-46; datos para (c) tomados de Baton Bogen, AAlborg Cemen t Company, AAlborg, Denmark, 1 979) En la practica industrial, Ja modificación de la composición del compuesto y Ja finura del cemento portland proporcionan métodos efectivos para controlar tanto los índices de resistencia inicial como el calor de hidratación. · producen altos calores de hidratación, la especifica­ ción l imita el contenido de C3 A . del cemento a un .máximo de 8 por ciento y tiene un l ím ite opcional de un máximo de 58 p Ór.ciento en la suma de C) S y C3 A (este l ímite se aplica · cuando se requiere un calor moderad o de hidratación y los datos de pru_ebas para · el calor de hidratación no están disponibles). das. No se imponen l ímites en ninguno de los cuatro compuestos principales. O O Tipo IA: Cemento Tipo 1 con aire incluido, en donde se· desea la in c l usión d e aire (por ejemplo, para ela bo­ rar concreto resistente al congelamiento). Tipo 1 1 : Para uso general, más especificamente cuando se desea resistencia moderada a los sulfatos o un calor moderado de h idratación. Puesto que el C3A y el C3 S CONCRETO, estructura, propiedades y materiales O Tipo l lA: Cemento Tipo 1 1 con aire incluido, cuando se desea la inclusión de aire. · 147 Cementos hidráulicos · 400 400 1: C,S • 84%, c,A = 5% 2: C,S = 60'Yo, c,A = 8% 3: C3S = 60%, C� = 0% Cl � 300 � o "O � gctS 200 (/) Q) "O �() 1 1� � Cl 300 � � o "O � (/) Q) "O � 100 () (a} /�� ' )' # � �� � ..... ... o5 Tiempo, horas �"' "'"� � ..� ,...... '/" ,. � � ' gctS 200 500 m2/kg (Blaine) 2: 400 m2/kg (Blaine) 1: ...... , �-- - �� 10 20 Tiempo, horas 40 80 3: 300 m�/kg (Blaine) (b} Cl � 300 t-----t--t---+-t-+-:i�"iiio"�r:;.._-t---t....,..,l-i � o � gctS 200 1-----+----�---.--1--1 (/) Q) "O l1oo () {e) 1----�i...-t-.----____,1--1 .2 3 4 5 10 Tiempo, días 20 30 40 50 Figura 6.1 2. Influencia de la composición de los compuestos, finura y temperatura de la hidratación sobre el desarrollo de calor en pastas de cemento. (relación agua/cemento 0.4) (De Beton Bogan, Aalbor y Ceme ri t Company, Aalborg, Dinamarca) La rapidez y la cantidad total de calor desarrollado en la hidratación del cemento están influidos por la composición de los compuestos, la finura y la temperatura de la hidratación. O · O O O 148 Tipo 1 1 1 : Para usarse cuando se desea una alta resisten­ cia i nicial. Para asegurar que la alta resistencia no se debe principalmente a los pr oductos de hidratación de C3 A, la especificación limita el contenido de C3 A del cemento a un máximo del 1 5 por c iento. Puede verse en la figura 6-1 1 , que generalmente la alta resistencia inicial del cemento portland del Tipo 1 1 1 se. debe en parte a la superfieie específica más alta, de aproxima­ damente 500 m 2/kg B laine, en l ugar de 330 a 400 m 2/kg del cemento portland Tipo l . Tipo l l lA: Cemento Tipo 1 1 1 con aire in c luido, cuando se desea la inclusión de aire. Tipo IV: Para usarse cuando se desea un bajo calor de hidratación puesto que e l C3 S y el C3 A producen alto calor ' de · h idratación, . pero el C2 S · produce · mucho menos calor, l a Especificación fija l ímites máximos de 35 y 7 por ciento de C3 S y C3 A respectivamente y requiere también un mínimo del 40 por ciento de C2 S en el ceme n to. ' Tipo V: Para usarse cuando se desea una alta resisten­ cia a los sulfatos. La Espe cificación fija un l ímite · máximo de 5 por ciento de C3 A, que se apl ica cuando las pruebas de expansión por sulfato no se requieren. Debe hacerse notar que el producto último de hidratación en los cementos q ue contienen más de 5 por ciento de C3A potencial, calculado por las ecuaciones de Bogue, es el monosulfato hidratado, que es i nestable cuando se expone a una sol ución de sulfato: 1.a etringita es el producto estable en.los ambientes sulfatados y la conversión del monosulfato a etringita está asociada general mente con la expansión y . el agrietamiento. Aunque la ASTM C 1 50 cubre la producción y el uso de los cementos portland con aire incluido, los productores de concreto prefieren los cementos sin aire in c l u ido porque la apl icación de los aditivos incl usores de aire durante la ·elaboración. del concreto ofrece un mejor control para obtener la cantidad deseada y la d istribución del .aire en el produ cto. En consecuencia, hay poca demanda de los cementos con aire incluido. Igual mente, el cemento de bajo calor no se elabora más en los Estados unidos, por.q ue el uso de aditivos minerales en el concreto en general ofrece CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Cementos hidráulicos Tabla 6-6. Composición típica de compuestos de varios tipos de cemento portland disponible en los Estados Unidos Tipo ASTM Descripción general 11 111 Propósito general Propósito gene�al con moderada resistencia a los sulfatos · y calor moderado: de hidratación Alta resiste n cia inicial Resistencia a los sulfatos V Rango de composición del compuesto (%) C3S una forma menos costosa de controlar el incremento de la temperatura. Puede verse que más de 90 por ciento de los cementos hidráulicos producidos en Estados Unidos corres­ ponde a los cementos portland ASTM Tipos 1 y 1 1, aproxi­ madamente • 3 por ciento al ASTM Tipo 1 1 1, y el resto a cementos especiales tales · como los cementos para pozos de petróleo, que comprenden aproximadamente 5 por cien­ to de la producción total de cemento; · · La composición de l o s comp�estos· típico� de los cem e ntos pórtland comúnmente d isponibles en los Estados Unidos se muestra en la _ tabla 6-6. Los aspectos importan tes de los requerimientos físicos según el ASTM C 150, con referencia a los métodos de _prueba, se resumen en la tabla 6-7. Los mé�odos de prüeba y las especificaciones son úti les princi- 45-55 40-50 50-65 · • 40-50 C2S C3A 8-1 2 5-7 8-1 4 0-4 20-30 25-35 1 5-25 25-35 C4AF 6-1 0 6-1 0 6-1 0 1 0-20 palmente para los propósitos de control de cal idad del cemento; no deben usarse para predecir las propiedades del concreto qué, � ntre otros factores, so n grande m ente afecta­ das por la relación agua/cemento, la temperatura de curado y la interacción aditivo-cemento cuando es apl icable. Por ejemplo, en comparación con las condiciones de prueba estándar, el tiempo de fraguado de un cemento se incremen­ tará al aumentar l a relación agua/cemento y disminuirá al aumentar las temperaturas del curado. Los estándares del cemento en el mundo son generalmente iguales en principio pero varían de uno a otro en detal les menores. Sin embargo, se pueden notar. algunas excepcio­ nes. Por ejemplo, los estándares.. del cemento no hacen diferencia entre los cementos portland ASTM Tipos 1 y 1 1 . Tabla 6-7. Requerimientos físicos principales y aspectos esenciales de los métodos de prueba ASTM para cementos portland · · Requerimientos Tipo Tipo Tipo Tipo M�todo_ de prueba especificados por el 11 111 1 V . ASTM e 1 50 · · Finura: m ínimo (m 2/kg) _ 280 280 N inguna 280 El.Método. ASTM C 204 cubre la determinación de la finura de los cementos utilizando un aparato de permeabilidad al aire Blaine. La finura es expresada en términos de superficie específi ca del cemento. · Sanidad: máxima, expansión autoclave máximo (%) 0.8 0.8 0.8 · o.a El Método ASTM C 1 51 cubre la determinación de la sanidad de los cementos midiendo la expansión rieta de los prismas de pasta de cemento curados normalmente durante 24 horas y posteriormente a presión de vapor de 2 Mpa en una autoclave durante 3 horas. Tiempo de fraguado Fraguado inicial mínimo (minut_os) 45 . 45 45 45 Fraguado final máximo (minutos) 375 375 375 375 El Método ASTM C 1 91 cubr� la determinación del tiempo de fraguado de las pastas de cemento con el aparato Vicat. El tiempo inicial de fraguado se obtiene cuando la aguja de 1 mm es capaz de penetrar a una profundidad de 25 mm en la masa de 40 mm de espesor de la pasta de cemento. El tiem po final de fraguado se obtiene cuando la aguja no se hunde visiblemente en la pasta. Resistencia a la compresión: mínima (MPa) N inguna Ninguna 1 2.4 Ninguna 2 días 1 2.4 1 0.3ª 24.1 8.3 1 día en aire húmedo + 6 días 1 9.3 1 7.2ª Ninguna 1 5.2 Ninguna 20.7 1 día en aire húmedo 1 día en aire húmedo + en agua en agua 1 día en aire húmedo + 27 días en agua Ninguna b b . Ninguna ª Las resistencias a la compresión El Método ASTM C 1 09 cubre la determinación de la resistencia a la compresión de cubos de mortero compuestos de una parte de cemento, 0.485 partes de agua y 2.75 partes de arena graduada estándar por peso. mínimas a 3 días y a 7 días deberán ser 6.0 y 1 1 .7 MPa respectivamente, cuando el calor opcional de hidratación a los límites químicos de la suma de C3 S y C3A se especifican. . b Cuando se requiera específicamente, los valores mínimos de resistencia a los 28 días para los cementos de los Tipos 1 y 11 serán de 27.6 Mpa. . CONCRETO, estructura, propiedades y materiales · · ·. 149 Cementos hidráulicos También, la mayoría de los estándares de cemento no favorecen la prueba de expansión en autoclave del ASTM c 1 5 1 y la especificación para la sanidad c 1 50, porque el comportamiento de h idratación del cemento portland es distorsionado considerablemente bajo las condiciones del autoclave y porque no se ha demostrado nunca una corre­ . lación entre la exp ansión máxima permisible, de acuerdo con la prueba, y la sanidad del cemento en servicio. 6 En su lugar, es preferible la prueba Le Chatelier que frw� l u­ cra l a exposición de una pasta de cemento al agy.a hirviendo (sin condici_ones de autoclave). · · Cementos hidráulicos especiales Clasificación y nomenclatura Los cementos portland no satisfacen todas las necesidades de la industria del concreto; por lo tanto, se han desarrollado cementos especiales para satisfacer ciertas necesidades. En comparación con el cemento portland, su volumen es pequeño y los precios son generalmente altos, pero debido a sus características únicas, los cementos especiales mere­ cen ser mejor conocidos por el inge n i e ro estructurista . . Con una notable excepción, los cem�ntos hidráulicos espe­ ciales pueden ser considerados cómo cementos portland modificados, en el sentido de que son hechos ya sea alte­ rando la com p osición del compuesto del clinker del ce men­ to portland o mezclando dertos aditivos con el cemento portland, o ambas cosas. U na clasificación c lara de los cementos especiales es .difíc i l; sin embargo, en la práctica americana, el uso del término cementos portland mezc la­ dos se l imita a mezclas de cementos portland con escoria de alto horno enfriada rápidamente, o c;on materiales puzo­ lánicos tales como la ceniza volante. Otros cementos espe­ ciales se clasifican generalmente bajo el término cementos portland modificados, porque están hechos modificando la composición del compuesto del clinker del cemento port­ land. Los si licatos de calcio hidráulico, C3 S y BC2 S, conti­ . núan siendo los constituyentes cementantes principales; solamente las fases de aluminato y de ferrita son alterados adecuadamente para obtener las propiedades deseadas. La excepción de los cementos' mezclados y modificados e s el cemento de aluminato de calcio, que no deriva su propiedad cementante de la presencia de si licatos de calcio hidráulico. Los cementos especialmente notables, sus com­ posiciones y sus apl icaciones principales se res u men en la tabla 6-8. Los aspectos importantes, las características de 6 P.K. Mehta, ASTM STP 663, 1 978, págs. 35-60. 1 50 hidratación y las propiedades de lo.s cementos que aparecen en esa tabla se anal izan a continuación. · Cementos po�land mezclados El ahorro en los costos probablemente fue la razón original para el desarrollo de los cementos portland mezclados. Sin embargo, el ímpetu del crecimiento rápido en la producción de los cementos mezclados en muchos países de Europa y en Asia, vino como un resultado del potencial de ahorro de energía. También en ciertos aspectos, los cementos mezcla­ dos funcionan mejor que los cementos portland. Actual­ mente, la producción de cementos con escoria representa . aproximadamente un cuarto . de . la producción total del cemento en Alemania y . la producción de cementos de puzolana representa aproximadamente un tercio de .la can­ tidad total de ce m ento producido en Ital ia� En los Estados Unidos la producción de cementos mezclados está aún en la infancia; sin e m bargo, existe un grari interés en util izar materiales puzolánicos (por ejemplo con cen iza volante) y materiales cementantes (como la escoria molida de alto horno) como aditivos minerales en el concreto. La compo­ sición y las propiedades de los materiales puzolánicos y cementantes se describen en el capítulo 8. La Especificación Estándard ASTM C 595 para Cementos H idráulicos Mezclados cubre cinco dases de cementos, pero la producción comercial está l i mitada al · cemento portland de escoria de alto horno (Tipo IS) y al cemento portland con puzolana (Tipo I P). De a_cuerdo con la Especi­ ficación, el cemento Tipo IS consiste en u na mezcla íntima y uniforme de cemento portland y escoria fina granulada de alto horno, en la cual el constituyente de escoria es entre 25 y 70 por ciento del peso de cemento portland de escoria de alto horno. La escoria de alto horno es un producto no ·metálico que consiste principalmente en sil icatos y aluminosil icatos de calcio y otras bases; la escoria granulada es el producto vidrioso o no cristalino que se forma cuando la escoria fundida de alto horno es rápidamente enfriada, por ejemplo por inmersión en el agua. El cemento Tipo IP consistirá en una mezcla íntima . y uniforme de cemento portland ( o cemento portland con escoria de alto horno) y puzolana fina, en la cual el contenido' de puzolana está entre 1 5 y 40 por cien.to en peso del cemento total . U na puzolana se define como un material sil íceo o si l íceo y aluminoso que posee en sí mismo, poca o ninguna propiedad cementante, pero que en forma finamente pulverizada y en la presencia de humedad, reaccionará q u ímicamente con el hidróxido de calcio a temperaturas ordinarias, para formar compuestos que poseen propiedades cementantes. · CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Cementos hidráulicos Tabla 6-8. Cementos hidráulicos especiales: sus composiciones y usos Clasificación y tipos Composición Usos principales Cementos portland mezclados Cemento portland con escoria de alto horno (ASTM Tipo- 15) Cemento portland puzolánico (ASTM Tipo I P) , Cementos expansivos Tipo K Tipo M Tipo S Tipo O Cementos de fraguado y endurecimiento rápidos Cemento de fraguado regulado (CFR) (o cemento relámpago) · Cemento de muy alta resistencia inicial (MAR) Cemento de alto fierro (CAF) Cemento de ultra alta resistencia inicial (UAI) Cementos para pozo de petróleo API Clase A-C API Clase D, E API Clase F API Clase G, H API Clase J Cementos blancos o coloreados Consisten esencialmente de una mezcla íntima y uniforme de escoria de alto horno o de una , puzolana, o ambas cosas, con el cemento portland y 1 . Bajo calor de hidratación a menudo contienen sulfato de calcio. Los cementos 2. Excelente durabil idad cuando se diseña y cura industriales Tipo IS contienen generalmente de 30 a adecuadamente. 40 % de escoria, mientras que los cementos del tipo 3. Ahorro de energía y conservación de recursos, y IP contienen de 20 a 25 % de puzolana. En generalmente menos costosos que el cemento comparación con el cemento portland, ambos tipos portland. son molidos a partículas de tamaño fino, para compensar parcialmente la pérdida de resistencia inicial. Consisten esencialmente de cemento portland que 1 . Producción de concreto resistente al contiene un aditivo expansivo. Los tipos de agrietamiento compensando el esfuerzo a la tensión cementos K, M y S, que son cubiertos por el ASTM . debido a la retracción por secado. c 845 derivan su expansión de la formación de 2. Producción de elementos de concreto etringita de C3 A3 S, del CA y del C3A, respectivamente. quím icamente presforzados. El CaO fuertemente quemado es el agente expansivo en 3. Demol ición de concreto antiguo sin despedazarlo. los cementos Tipo o. La mayoi-ía de los cementos derivan su:; propiedades de fraguado y de endurecimiento rápido, de compuestos capaces de formar una gran cantidad de 1 . Reparación de emergencia, concreto lanzado. etringita rápidamente; y subsecuéntemente, de H-52. Fabricación de productos de concreto C. Para la formación de etringita, la fuente principal precolado presforzado sin curado al vapor. de los iones de aluminato es un fluoroaluminato de 3. Aglomeración de materia en partículas de las calcio CFR, mientras que en el MAR y CAF es el industrias minera y metalúrgica. C4A3 S. El UAI es un cemento portland de alto C3S que contiene partículas extrafinas. Consisten en cementos portland de poco ó ningún Para dar tiempo a la colocación de la lechada de . C3A y de partículas gruesas y con o sin retardante cemento, es retardado el tiempO de espesamiento a presente: la temperatura de servicio: Los cementos de bajo C3A sin retardante alguno; el Para profundidadés de pozos de hasta 1 ,830 m (27- de la Clase C es resistente a los sulfatos. 77ºC). Para profundidades de pozos de 1 ,830 a 4,260 m Cemento de bajo C3A con retardante (77-1 43°C). Para profundidades de pozos de 3,048 a 4,877 m Cemento de bajo C3A con retardante (1 1 0-1 60ºC). Esencialmente cementos portland ASTM Tipos 11 y V Para pozos con températuras de 27-93ºC. de molido grueso sin retardante Para pozos con profundidades menores de 6, 1 00 m Esencialmente PC2S y arena de sílice pulverizada ( > 1 77°C). Consiste en cementos pOrtland con poco o ningún fierro presente (Fss < 1 %). Los cementos coloreados Producción de concreto arquitectónico son producidos agregando pigmentos adecuados - al cemento blanco. Consisten esencialmente en clinker pulverizado que 1 . Concreto de alta temperatura contiene aluminatos de calcio hidráulicos tales 2. Reparaciones de emergencia, especial merite 'en como C1 2A7, CA y CA2. climas fríos. · · _ · Cementos de aluminato de calcio Comparada con las puzolana�, la escoria finamente molida de alto horno es autocementante; es decir, no requiere de hidróxido de calcio p ara formar productos cementantes como el H-S-C. Sin embargo, cuando la escoria granulada de alto horno se hidrata por sí misma, la cantidad - de productos cernentantes formados y las velocidades de for­ mación son i nsuficientes para que el material se apl ique con propósitos estructurales. Cuando se uti l iza en combinación con el cemento portland, la hidratación de la escoria es acelerada en presencia de hidróxido de calcio y de yeso. Durante la h idratación del ce mento Tipo IS, algún hidróxido - CONCRETO, estructura, propiedades y materiales de calcio producido por el cemento portland es consumido por la escoria constituyente del cemento. Por esta razón, y tamb, ién debido a la similitud general, de la microestructura entre las pastas de cementos hidratados Tipo IS y Tipo I P, es conveniente analizar las características de hidratación y las propiedades de los dos tipos de ceme_ntosjuntos. La reacción puzolánica y su importancia. Con respecto a la reacción prin cipal que forma el H-S-C, es útil una com­ paración entre el cemento portland_ y el cemento de puzo­ lana portland con el propósito de entender las razones para las � iferencias en su co m portamiento: 151 Cementos hidráulicos 28 días 90 días 1 año -§(.) 0.6 (.) cS ª§ 0.5 � Q) E l::::trd < 45 .X. t: ��0J 500 - 1 000 1 � > I OOO A f.: �>.\::l 45 - 500 1 Figura 6-1 3. Cambios en la distribución del tamaño del poro de las pastas de cemento con varios contenidos de puzolana. (Reimpreso con autorización de Cem. Concr. Res., Vol. 1 1 , No. 4, P. K. Mehta, copyright 1 981 , Pergamon Press, Ltd.) En una investigación de laboratorio, cementos port/and de puzolana que contenían 1 O, 20, o 30 por ciento en peso de una puzolana griega natural mineral, fueron hidratados a una relación dada de agua!ce111 ento y las distribuciones de tamaño del poro fueron determinadas a 28, 90 y 365 días por porosimetría de penetración de mercurio. Con un contenido de 20 o 30 por ciento de puzolana, poros no mayores de 0. 1 µm fueron encontrados en las pastas curadas durante un año. Las pruebas de permeabilidad al agua mostraron que estas pastas de cemento eran mucho más impermeables que las pastas de cemento portland de referencia. Cemento Portland = C3S + H -rapido� H - s - c + CH Cemento Portland Puzolánico = Pu zolana + CH +H �lento� H - S - C (6-6) La reacción entre una puzolana y el hidróxido de calcio es l lamada la reacción puzolánica. La importancia técnica de los cementos de puzolana (y ta m bién de los cementos de escoria) se deriva principalmente de tres aspectos de la . . reacción puzolánica . . Primero, la reacción es lenta; ·por lo tanto, las velocidades de l iberación del calor y el desarrol lo de resistencia serán consecuen�emente lentos. Segundo, la · reacción es consu m idora de cal en l ugar de producir cal, lo que tiene un efecto importante en la durabil idad de la pasta · hidratada entre los ambientes ácidos. Tercero, los estudios de la distribución del tamaño del poro de cementos. hidra­ tados I P a IS, han demostrado que los productos de la . reacción son muy eficaces en el 1 lenado de grandes espacios capi lares, .mejorando así la resistencia y la impermeabi lid ad del sistema. Los datos de la distribución del tamaño del poro de los cementos puzolánicos que contienen puzolanas griegas (tierra de Santorini) se muestran en la figura 6-1 3, y una representación gráfica del proceso de refinación del poro asociado con la reacción puzolánica, se muestra en la figura 6-1 4. . . Adem á s de :I� sílica r�activa, las escoria.s y las puz o lanas contribuyen con alú m ina reactiva, que en presen � ia de 1 52 · hidróxido de calcio e iones de sulfato en el sistema, también forman . Productos cementantes tales como C4 AH 1 3 , AFt y AFm. Las propiedades de los Tipos I P e IS varían ampl iamen­ te dependiendo de las condiciones de curado y de las relaciones, así como de las características físico-qu ímicas de los materiales constituyentes presentes. Por lo tanto las pro"piedades que se indican a continuadón pueden ser · consideradas indicativas de tendencias generales. : Calor de hidratación La figura 6-1 5 muestra el efecto de incrementar las cantida­ des de puzolana en el calor de hidratación del cemento portland puzolánico. Los cementos Tipo IS q ue contienen 50 por ciento de escoria, muestran resultados comparables (es decir, 45 a 50 cal/g d e calor de h idratació n a los 7 d ías). Desarrollo rle la resistencia La figura 6-1 6a muestra las velocidades de desarrol lo de la resistencia de hasta 1 año en cementos q ue contienen 40, 50, o 60 por. ciento de escoria granulada. En general, los cementos puzoláriicos son en alguna forma más lentos que los cementos de escoria para desarrollar la resistencia; mientras que los cementos Tipo IS generalmente hacen una contribución significativa a la resistencia a los 7 d ías, un cemento IP que contiene una puzolana ordinaria, muestra CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Cementos hidráulicos l ,u m i------11. Figura 6-1 4. Representación gráfica de pastas de cemento bien hidratadas hechas con un cemento portland puzolanico. En comparación con una pasta de cemento portland (ver la figura 2-6 para identificación de las fases presentes), aquí se muestra que, é:omo resultádo de la reacción puzolánica, los huecos capilares son eliminados o reducidos en tamaño, y los densos cristales de hidróxido de calcio son sustituidos por H-5-C adicional de una densidad menor. · Con base en estudios de microscopia electrónica exploratoria y de distribución del tamaño del poro, de pastas de cemento hidratadas con y sin puzolana, es posible concluir que hay dos efectos físicos de la reacción química entre las partículas puzolánicas y el hidróxido de calcio: (i) Refinamiento del tamaño del poro y (ii) Refinamiento del tamaño del grano. · La formación de productos secundarios de hidratación (principalmente hidratos de silicato de calcio) alrededor de las partículas de puzolana, tiende a llenar los grandes huecos. capilares con un material microporoso y , por lo tanto, de baja densidad. El proceso de transformación de un sistema que contiene grandes huecos capilares, a un producto microporoso que contiene numerosos poros finos se conoce como "refinamiento del tamaño del poro ". Igualmente, la nucleación de hidróxido de calcio alrededor de las partículas finas y bien distribuidas de la puzolana, tendrá el efecto de sustituir los grandes y orientados cristales de hidróxido por numerosos, pequeños y menos orientados cristales, más produi:tos de reacción pobremente cristalinos. El proceso de transformación de un sistema que contiene grandes granos de componente en un producto que contiene granos más pequeños es llamado "refinamiento del tamaño del grano ". Tanto el proceso de refinamiento del tamaño del poro como el del tamaño del grano refuerzan la pasta de cemento. Desde el punto de vista de la impermeabilidad y durabilidad, los efectos de las reacciones puzolánicas son probablemente más importantes en el concreto que en la pasta de cemento hidratada. Como se analizó en el capítulo 5, la permeabilidad del concreto es generalmente mucho mayor que la permeabilidad de la pasta de cemento debido a las microgrietas en la zona de transición. Se sugiere que el proceso de refinamiento del tamaño del poro y el del tamaño del grano refuerzan la zona de transición, reduciendo así el microagrietamiento e incrementando fa impermeabilidad del concreto. una ganancia considerable de resistencia entre los 7 y los 28 d ías del período de prueba. Cuando materiales reaé:tivos adecuados son util izados en relación moderada (es decir, 1 5 a 30 por ciento de puzolana, o 25 a 50 por ciento de escoria) y el curado h úmedo está disponible por ·períodos largos, las resistencias últimas de los cementos Tipo I P e IS son más altas que las resistencias del cemento portland del que estos cementos están hechos. Esto es debido al refina­ miento del poro asociado con las reacciones puzolánicas y el incremento del H-5-C y otros productos de hidratación a expensas del hidróxido de calcio. Durabilidad. En comparación con el cemento portland, la superior dura­ bilidad del cemento Tipo I P a los sulfatos y a los ambientes CONCRETO, estructura, propiedades y materiales ácidos, es debida al efecto combinado de mejor impermea­ bi lidad · a una relación agua/cemento dada y grado de hidratación y al reducido contenido de hidróxido de calcio en la pasta de cemento hidratada (figura 6-1 7a). En una investigación se encontró que, en comparación con el cemento portland, la profundidad de la penetración del agua fue reducida en aproximadamente 50 por ciento en pastas de cemento de un año de edad que contenían 30 por ciento en peso de una ceniza volcánica griega. Igualmente, en comparación con 20 por ciento de hidróxido de calcio en la pasta de un año de edad de un cemento portland de referencia, hubo solamente 8.4 por ciento de hidróx ido de calcio en una pasta hidra�ada de manera similar, del cemento que contenía 30 por ciento en peso de la puzolana griega. Puede notarse que debido al efecto de d i lución en el último caso, sin la reacción puzolánica la cantidad de h idróxido de calcio habría sido de aproximadamente 14 por ciento. 1 53 Cementos hidráulicos � 90 11' (.) e: :Q 80 � � :e "O � 70 o (ij (.) 60 10 20 30 40 50 Contenido de puzolana en el cemento, % Los cementos Tipo IS se comportan · de igual manera. La figura 6-1 7 b muestra el efecto de incrementar el conte nido de escoria,. en la cantidad de hidróxido de Calcio en cernen..: tos portland con escoria de alto horno a 3 y 28 días después de la hidratación. Con aproximadamente 60 por ciento de a. o: , 42 "' ::E ¿ 35 -o ·¡¡;!.1? ... - - 1 0% - 20% - - -- - 30% 7 o contenido de escoria, la cantidad de h idróxido de calcio se vuelve fa n baja que aun las escorias que contienen grandes can Üdades de alúmin.a reactiva, pueden util i zarse para hacer ce.mentas resistentes a los sulfatos. Puede recordarse (ver . capítulo 5) que la velocidad del ataque por sulfatos depende a. "' 35 ::E ¿ � 28 !.1? c. E (a) 8 21 .!!l ' "' . "' ·g 1 4 * ·Q)¡¡; Figura 6- 1 5. Efecto de sustituir una pu­ zolana natural italiana, sobre el calor de hidratación de u n cemento portland. (De: F. Massazza y U. Costa, /1 Cemento, Vol. 76, pág. 1 4, 1 979). -· -·- 1 3 7 c. E o (.) .!!l "' "' ·e:e; * ·Q)¡¡; Puzolana Puzolana Puzolana 28 21 -- Cemento Portland - - 1 0 % Puzolana - · -· 20% Puzolana - ---- 30% Puzolana 14 o: . 7 o . 28 Edad, días a. -­ -- o 2 4 6 8 Edad, meses 10 12 84 "' 70 ::E ¿ -o ·!.1?¡¡; 56 c. {b) E o (.) 42 .!!l ' lll ·e;e: * ·¡¡;Q) , Curado húmedo -- Sin control escoriá - - 40% de escoria - · -- · SO% de escoria - - -- · 65% de escoria "' o: o 1 3 7 28 Edad, días 90 180 370 Figura 6- 1 6. Resistencia d e cemento portland mezclado que contiene una puzolana o una escoria d e alto horno. [(a) Reimpreso con au.torización de Cem. Concr. Res., Vol. 1 1 , No. 4, P. K. Mehta, Copyright 1 98 1 , Pergamon Press, Ltd. (b) Reimpreso con autorización de F. J. Hagan y J . W. Meusel, Cem. Concr. Aggregates, Vol. 3, No. 1 , 1 981, Copy�ight; ASTM, 1 91 6, Races Street, Philadelphia PA 1 91 03.)] 2 Las figuras superiores muestran la resistencia a Ja compresión de los cementos port/and ( < 400m /kg B/aine) hechos con una puzolana mineral natural 2 griega. La figura inferior muestra las resistencias a la compresión de cementos port/and con escoria de alto horno (> 500 m /kg hechos con una escoria americana granulada de alto horno. · 1 54 CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Cementos hidráulicos · Figura 6-1 7. Efecto de la edad del curado y del contenido de puzolana o de esco­ ria en el hidróxido de calcio en la pasta 'de cemento. Basado en F. M. Lea, The Chemestry of Cement and Concrete, Chemical Publ ishing Company, l nc., Nueva York, 1 971 , págs. 443 y 48 1 , por autorización de Edward Arnold (Pub­ lishers) Ltd.) En el caso de los cementos portland puzolánico y portland con escoria de alto horno, la reducción del hidróxido de calcio en la pasta de cemento hidratada, que es debida tanto al efecto de dilución como a la reacción puzolánica, es una razón para que el concreto hecho con tales cementos tienda a mostrar una resistencia superior a los sulfatos y a los ambientes ácidos. Inicialmente, con el curado, el contenido de hidróxido de calcio del cemento se incrementa debido a la hidratación del cemento portland presente, más tarde comienza a abatirse con el avance de la reacción puzolánica. Dependiendo de las . condiciones de curado, los cementos portland de escoria de alto horno con 60 por ciento o más de escoria, pueden contener tan poco como 2 a 3 por ciento de hidróxido de calcio, porque el contenido de puzolana es generalmente limitado de 20 a 40 por ciento. de la permeabil idad y de la cantidad de fases de hidróxido de calcio y de alúmina reactiva presentes. Algunas escorias de alta alúmina y cenizas volantes tienden a incrementar en la pasta de cemento hidratada las cantidades de C-A-H y de monosulfato, que son vulnerables al ataque de los sulfatos. Puesto que son necesarias grandes cantidades de hidróxido de calcio en el sistema · para la formación de la etringita expansiva, tanto la experiencia de campo como la de labo­ ·ratori o muestran q ue los cementos IS que contienen· de 60 a 70 por ciento o más de escoria son altamente resistentes al ataque de los sulfatos, independientemente del contenido de C 3 A del cemento portland y del contenido de alúmina reactiva de la escoria. . En relació n con la expansión nociva asociada con la reac­ ción del álcali-agregado� se· sabe que las combinaciones de cemento portland de alto álcali y de puzolanas o escorias, generan productos d urables (figura 6-1 8). Algunas ve ces el contenido de álcali de las puzolanas y de l as escorias es alto, pero si el mineral que contiene álcali no es sol uble en el ambiente de alto pH del concreto de cemento portland, el contenido alto de álcali del cemento mezclado no debería causar n ingún problema. Cementos expansivos Los cementos expansivos son cementos hidráulicos que, a diferencia del cemento portland, se expanden durante el período de hidratación inicial después del fraguado. La gran expansión que ocurre en una pasta de cemento no restrin­ gid a puede causar agrietamiento; sin embargo, si la expan­ sión es adecuadamente restri ngida, su · magnitud será redu c ida y se desarrol lará un presfuerzo o autoesfuerzo . CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Cuando la magnitud de la expansi. ón es tan pequeña que el presfuerzo desarrollado en el . concreto es del orden de 0.2 a 0.7MPa, I� que es generalmente adecuado para compen­ sar el esfuerzo de tensión debido a la retracción por secado, el cem.ento es conocido como de retracción compensada. Los cementos de este tipo han probado ser muy úti les para elaborar pavimentos y l_o sas libres de agrietamiento. · Cuando la magnitud de la expansión es suficiente.m ente grande para producir niveles de esfuerzo del orden de 6.9 MPa, el cemento es llamado autoesforzante y puede uti l i. zarse para la producción de elementos de concreto quími­ camente presforzados. · La formación de etringita y la hidratación del CaO durante un quemado intenso, son los dos fenómenos conocidos e . para los químicos del cem-ento que pu de.n causar una expansión de ruptura en el concreto (capítulo 5). Ambos fenómenos han sido util izados para producir cementos . expansivos. Desarrollados original mente por Alexander Klein de la U niversidad de Cal ifornia en los sesenta, el cl inker tipo sulfo-aluminato (que es usado comúnmente en fa práctica en los Estados U nidos), es un cli nker de cemento portland modificado que contiene cantidades significativas de C4A 3S y Cs, además de los componentes cementantes (C3 S, C2 S y C4Af). El cemento producido .al moler este clinker es l lamado cemento expansivo Tipo K. Para lograr un mejor control de la expansión potencial en los cem � ntos expansivos industriales, es costumbre, mezclar una relación adecuada del clinker de sulfo-a l url1i� � ato con el clinker de cemento portland normal. La especificación ASTM C 845 cubre otros dos cementos . hidrául icos expansivos que también derivan sus caracterís­ .. . . �i�as de la expansión de la etringita, pero no se producen más comercial mente en los Estados U nidos. Los cementos 1 55 Cementos hidráulicos 1 Método de Prueba ASTM C 227 Modificado (acelerado) 0.7 r-----� 0.4 -----. 0.6 0.5 � 0.4 � ¡;¡ Método de Prueba ASTM C 227 Cemento portland -- Alto-alcali (sin puzolana) - - 20% Puzolana ---- 30% Puzolana � . ¿ ' $ 0.3 o 0.3 Cemento portland - Alto-alcali (sin escoria) - - 40% de escoria - · - - 50% de escoria ----- 65% de escoria -� 0.2 -o � w 0.1 ºo 2 3 4 Periodo de curado, meses 5 6 5 10 15 Periodo de curado, meses 20 ( b) (a) . Figura 6-1 8. Influencia de la adición _de puzolana o de escoria en la expansión álcali�agregado. [(a), De: Cem. Concr. Res., Vol . 1 1 , No. 4, · P. K. Mehta, Copyright 1 98 1 , Pergamon Press, Ltd. (b) Reimpre�o con a � torización d e F. J. Hogan y J. M. Me u se l, Cem. Concr. Aggregates, Vol. 3, No. 1 , 1 98 1 ; Copyright, ASTM, 1 9 1 6 Races Street, Philadelphia PA 1 91 03).) Las puzolanas y la escoria son en general muy efectivas en reducir la expansión asociada con la reacción álcali-agregado. La tierra Santorini en Grecia fue utilizada para los datos de prueba· que se muestran en la parte (a); una escoria granulada de alto horno de Estados Unidos fue utilizada para Jos datos de la prueba en la parte (b). Puesto que se utilizaron diferentes métodos de prueba, los datos en las dos figuras no son directamente comparables; sin embargo, la tendencia es similar en ambos casos. difieren del cemento Tipo K y de uno al otro, con respecto a la fuente de iones de aluminato para la formación de etringita. El c_emento expansivo Tipo M es una mezcla de cemento portland, cemento de aluminato de calcio (con CA como el compuesto principal) y sulfato de calcio. El cemen­ to expansivo Tipo S está compuesto por un cemento por­ tland de muy alto C 3 A (aproximadament� 20 por ci e nto de C3 A) y grandes cantidades de sulfato de calcio. La estoiquio­ metría de las reacciones expansivas en los tres cementos pueden expresarse como: (Tipo K) (6-7a) CA + 3C5 + 2CH + H � C6AS3 H 3 2 (Tipo M) (6-7b) . (Tipo 5) (6-7c) El CH en la reacción :mostrada anteriormente es provisto por la hidratación del cemento portland, aunque los clinkers Tipo K generalmente contienen algún CaO no combinado. I nicial­ mente desarrollado por la compañía Onoa Cement Company del Japón, el cem"ento portland expansivo de CaO fuertemente . quemado ha sido llamado cemento expansivo Tipo O. En comparación con los cementos portland, los cementos expansivos que forman etringita son de fraguado rápido y propensos a sufrir una pérdida rápida de revenimiento. Sin embargo, muestran una excelente trabajabil idad. Estas pro­ piedades pueden ser anticipadas por las grandes cantidades 1 56 .de etringita formada y por las características de absorción de agua de la etringita. Otras propiedades de los concretos de cemento expansivo son simi lares a los concretos de cementos portland, con excepción de la durabil idad al ataque por sulfatos. Los cementos de retracción compensa­ da Tipo K fabricados con cementos portland mezclados ASTM Tipo 1 1 o Tipo V, muestran una d urabil idad excelente al ataque de los sulfatos, porque contien�n poca alúmina reactiva o monosulfato después de la hidratación. Los pro­ d uctos de los cementos Tipo M y S general mente contienen cantidades significativas de compuestos q ue son vulnera, bles al ataque de sulfatos y, por lo tanto, no son recomen­ dados para uti l izarse en un ambiente .de sulfatos. U na revisión de las propiedades y aplicaciones del concreto de cemento expansivo se incluye en el capítulo 1 1 . Cementos de fraguado y endurecimiento rápido Puede notarse que el cemento ASTM Tipo 1 1 1 es de endure­ c i miento rápido (alta resistencia inicial) pero no de fraguado rápido, ·porque los tiempos inicial y final de fraguado del cemento son general mente similares al cemento portland Tipo l. Para apl icaciones tales como reparaciones de emergencia, de juntas fi ltrantes y concreto lanzado, los cementos hidráu­ licos necesitan ser no sólo de endurecimiento rápido sino también de fraguado rápido. Esta necesidad es con frecuenCONCRETO, estructura, propiedades y materiales Cementos hidráulicos cia satisfecha util izando mezclas de ceménto portland y estuco (CaS04 1/2HO) o cemento portland y ce mento de aluminato de calcio, que produce tiempos de fraguado tan bajos como 1 O minutos. La durabilidad y resistencias últimas de los productos endureci � os son más bien pobres. Durante los setenta, fue desarrol lada una nueva generación de cementos que derivó sus características de cementos de fraguado y endurecimiento rápido y dé la formación de etringita. Después del período ,inicial de rápido endureci­ miento, estos cement_os continúan . endureciéndose· .poste­ riormente, a una velocidad normal debido ·a la formación . de H-5-C de los silicatos de calcio hidrául icos . . · El cemento d e fraguado regulado, también l lamado cemen­ to relámpago en el Japón, es elaborado bajo patentes de la U. S. Portland Cement Association; Se elabora un Clinker de cemento portland modificado que contiene principal­ mente al ita y fluoroal uminato · de calcio (1 1 Ca0 7Ali0 3 CaF 2 ). U na propoción adecuada de clinker de fluoroalumi­ nato se mezcla con d inker de cemento portland normal y sulfato de calcio, de manera que el cemento final contenga de 20 a 25 por ciento del compuesto de fluoroaluminato y aproximadamente 1 O a 1 S por ciento de sulfato de calcio. El cemento es general mente de fraguado muy rápido (3 a 5 minutos de tiempo de fraguado), pero puede ser retardado al tiempo deseado de fr�guado, uti l izando ácido cítrico, sulfato de sodio, hidróxido de calcio y otros retardantes. La alta reactividad del cemento se confirma por el alto calor de hidratación (1 00 a 1 1 O cal/ga los Jdías) y más de 6.9y 28 MPa de resistencia a la compresión (mortero ASTM C 1 09) a una hora y 3 días después de la hidratación respectivamente. La resistencia última y otras propiedad es físicas del cemento son comparables a aquél las del cemento portland, excepto que debido al alto contenido de aluminato reactivo, la resistencia a los sulfatos es pobre. Estudios en el labor�torio de concreto del U . S. Army Engi neer Waterways Ex peri ment Station, 7 han mostrado que . el alto calor de hidratació n del cemento de fraguado regu­ lado puede ayudar a producir co �cretos con resistencias adecuadas aún cuando el concreto sea colocado y curado a temperaturas tan baj as como -9.5°C. Cementos de muy alta resistencia inicial y alto en fierro. Además de los cementos de fraguado regulado, otros dos cementos portland modificados: el cemento de muy alta 7 G. C. Hoff, b.j. Houston y F. H. Sayles, U . S. Army Engineer Waterway Experiment Station, Vicksburg, Miss., Miscel laneous Paper C-75-E, 1 975. CONCRETO, estructura, propiedades y materiales resistencia inicial (MARI) y el cemento alto en fierro (CAF), derivan sus características· de fraguado y endurecimiento · rápidos; de la formación de grandes cantidades de etringita durante el período de hidratadón i nicial. . . En el ce m ento CAF, el C4A3S es la fuente principal del aluminato para la formación de etringita, mientras que en el cemento MARI tanto el . C4A3S como el C4AF proporcio­ nan los iones de aluminato. Aunque hay ciertas d iferencias básicas en sus composiciones, ambos cementos presentan velocidades de·desarrol lo de resistencia que son adecuadas para su apl icación en productos de concreto precolado y presforzado . ' ', + En la industria del concreto · precolado y presforzado, la rápi d a reuti l izadón de cimbras o moldes es una necesidad económica. Los cementos MARI y CAF se encuentran aún en desarrollo, pero tales cementos tendrán una gra n demanda en . la industria de la construcción porque bajo temperaturas normales de curado (es decir, sin curado con vapor), son capaces de desarrollar resistencias a la compresión de 1 5 y 25 MPa a las 8 y a las 24 horas respectivamente, con · una resistencia última de aproximadamente 50 MPa. · . Cementos para pozos de petróleo Como se analiza más adelante,Jos cementos para pozos de petróleo no se util izan para elaborar concreto estructural . Ya q u e aproximadamente 5 por ciento d e l cemento port­ . land total producido en los Estados U nidos es consum ido por la industria d e l petróleo, puede ser conveniente conocer el propósito para .el que son util izados y tener una idea de la composición y propiedades requeridas. · U na vez que un pozo de petróleo (o un pozo de gas) ha sido perforado a la profundidad deseada, cemen tar un entubado de acero a la formación rocosa ofrece la forma más econó­ mica de lograr los objetivos siguientes: O O O O Evitar la indeseable migraci ó n de los fluidos de una formación a otra. · Evitar la contaminación de las zonas valiosas de petróleo. Proteger el tubo de las presiones externas que pueden ser capaces de derrumbarlo. Proteger el tubo contra daños posibles debidos a gases corrqsivos y aguas. Para los objetivos de cementar un entubado, se bombea un mortero o lechada de alta relación agua/cemento a profun­ didades que en algunas instancias pueden estar por abajo de los 6, 1 00 m y en donde el fl uido puede ser expuesto a temperaturas por arriba de los 204 ºC y presiones mayores de los 1 40 MPa. En la región de la costa del Golfo de México, 1 57 Cementos hidráulicos O la . temperatura de la base estática de la perforación se incrementa en 0.8°C cada 30 m de profundidad del pozo. .S,e desea que la lechada permanezca suficientemente fl uida bajo condiciones de servicio, durante las varias horas que se necesitan para bombearla en . su posición, y que se endurezca después rápidamente. Los cementos para pozos de petróleo son cementos portland modificad os que se diseñan par� servir esta necesidad . · O . El Standard :1 O A del API {American Petroleum lnstitute), cubre nueve clases de cementos para . pozos petroleros {clases de la A a la J en la tabla 6-8) que son .aplicables a diferentes profundidades del pozo. El descubrimiento de que el tiempo de densificación de las lechadas de cemento a altas temperaturas puede ser incrementado r�dudendo ' el contenido del C3 A y la finura del cemento 'portland ordinario, (por ejemplo, uti l izando un cemento gruesamen­ te mol ido), l levó al desarrol lo inicial de los cementos para pozos petroleros. Más tarde se· encontró que para aplicac io­ nes por encima de los 82°C, el cemento debe ser retardado aún más agregándole l ignosulfonatos, productos de celulo­ sa o sales de ácidos que contengan uno o más · grupos de hidróxi los (Artículo - Producfos químicos para controlar e r fraguado, capítulo VI I I). : Posteriormente, también se descubrió que en el caso de temperaturas de pozos petroleros arriba de los 1 1 OºC, la relación de CaO/Si02 del. producto de la hidratación del ce­ mento debe disminuirse a menos de 1 .3 por la adición de microsílica con el fin de lograr una alta resistencia d espués-del endurecimiento. Estos hal lazgos formaron la base del desarro­ l lo de numerosos adicionantes para cemento con el objeto de aplicarlos en la industria del · cemento para pozos petroleros. La industria del peJróleo generalmente prefiere los cemen­ tos portland con_ mol ido grueso bajos en C3 A (API Clase G y H), a. los que uno o más aditivos de los tipos que se presentan a continuación son agregados en la obra: O O O O 158 Retardantes del cemento. Para incrementar el tiempo de fragúado del cemento y permitir más tiempo para la colocación de la lechada. Aceleradores del cemento. Para reducir el tiempo de fraguado con el objeto de desarrol lar una resistencia inicial cuando así se necesita (por ejemplo, en las zonas permeables al congelamiento). Aditivos de peso ligero o de peso pesado. Para reducir o incrementar el peso de la col umna de lechada de cemento tanto como sea necesario. · . Reductores de fricción. Para permitir la cqlocación de una lechada con menos presión fricciona! (se util iza comúnmente de 2 a 3 por ciento de bentonita para este propósito). : Aditivos de baja pérdida de agua. Para retener el agua en la lechada cuando pasa por zonas permeables en la parte inferior de la perforación (por ejemplo, aditi­ vos de látex). · Reductores de retrogresión de la res istencia : Para re­ ducir la relación de CaQ/Si02 del producto de hidra­ tación a temperaturas por, encima de los 1 1 OºC {por ejemplo, microsílica o puzolanas). Puesto que los retard antes orgánicos son inestables a altas temperaturas; el cemento'API Clase J representa un desarro­ llo relativamente rec iente en el campo de los cementos portland modificados que púede ser us'ado para la cemen­ tación de entubados a temperaturas arriba de los 1 50°C sin la. adición de un retardante. El cemento consi ste principalmente en BC2 S, es molido aproxim adamente a 200m 2/kg Blaine y contiene 40 por c iento en peso de microsíl ica. Puede notarse que los tiem­ pos de espesamiento de la lechada y los valores de la resistencia para los cementos de pozos petroleros, son determinados con procedimientos especiales establecidos en el API RP-1 OB, Recommended Practice far Testing Oil-Wall Cements and CementAdditives. Cementos blancos o coloreados El color gris uniforme de los productos de cementos por-tland limita la oportunidad del arquitecto para crear superficies con atractivo estético. U n cemento blanco, con acqbado de agre­ gado expuesto, puede utlizarse para crear los efectos estéticos deseados. Más aún, agregando los pigmentos apropiados, los cementos blancos son usados como una base. para producir cementos con Una variedad de colores. El cemento blanco es . producido pulverizando un c l inker blanco de cemento portland. El color gris del c l inker de cemento portland ordinario se _ debe generalmente a la presencia de fierro. Así, d isminuyendo el contenido de fierro del clinker, se pueden producir cementos l igeramente coloreados. Cuando el fierro total en e l cl i nker corresponde a menos de 0.5% Fe2 0 3 y el fierro es retenido en el estado Fe2 + , el cl inker es general mente blan �o (ver �I recuadro siguiente). Estas condiciones son logradas en la elaboración del cemento usando arcilla libre de fierro y roca d e carbo­ nato como materias primas, así como mol inos de bola especiales con cubiertas de cerámica y bolas para moler la mezcla prima y combustible l i mpio tal com o el petróleo o el gas, para la producción del cl inker en u n ambiente reducido en la zo�a de alta temperatura del horno rotatorio de cemento. En consecuencia, los ce mentos . blancos son aproximadamente tres veces más costosos que el cemento portland norm a l. CONCRETO, estructura; propiedades y materiales Cementos hidráulicos los cementos coloreados se dividen en dos grupos; la mayoría se derivan de la adición de pigmentos al cemento blanco, pero otros son producidos con cl inkers que tienen el color correspondiente. Un cemento colorante, etiqueta­ do en los Estados U nidos con el nombre de cemento de tono cálido se produce con el clinker hecho de una mezcla prima de cemento portland con contenido de fierro más alto que el normal (aproximadamente 5 por ciento de Fe2 0 3 ) y procesado bajo condiciones reductoras. La importancia del ambiente reducido para la elaboración del clinker blanco es subrayada por una .experiencia que el autor tuvo durante un viaje de consulta a una planta de cemento en Sudamérica. La mezcla prima contenía másfierro del que es aceptable normalmente y el clinker del horno estaba muy lejos de ser blanco. Con el fin de prolongar el ambiente reducido alrededor de las partículas de clinker incrementando la cantidad de aceite rociado en los clinkers calientes que salían de la zona de quemado, solicité un tubo resistente al calor de gran diámetro. Como no lo había en existencia y las plantas de cemento están por lo general ubicadas lejos de las áreas urbanas,· estaba yo desorientado, mientras que la mezcla.prima de bajo fierro especialmente hecha para el experimento se estaba acabando. El p�oblema de comunicación vino a complicar las· dificulta­ des yo no sabía hablar españoly el capataz no entendía inglés. Para hacer ente�1�er mi solicitud de un tubo de un gran diámetro, levante un dedo'. . Repentinamente, él levantó. dos dedosfrente a mí. En alguna forma, esto trajo a mi mente la historia . de la princesá Vidytona en la literatura sánscrita. Una vez un rey en la antigua India tenía una hija muy hermosa que se negaba a. casarse hasta que ella misma encontrará a alguien más inteligente que ella. Cuando muchos príncipes jóvenes faÚa�on · en ganarle el d,ebr:zte e� temas de filosofia y religión, decidieron jugarle una broma práctica. Vistieron a un hombre tonto y estúpido con ropas nobles y lo presentaron al debate con la princesa. Cuando la princesa levantó un dedo frente al tonto, suponiendo éste que la princesa le quería picar los ojos, levantó _dos dedos. Los jueces interpretaron que el dedo de la princesa significaba que Dios es - la única . cosa importante en ·el universo y que . los dos dedos del tonto significaban que la naturaleza revelaba la gloria y el esplen­ dor de Dios y que · también era importante, y le dieron la victoria al tonto. El capataz en realidad quería decir que puesto que no tenía un tubo de gran· diámetro, quisiera instalar dos tubos de menor diámetro. Cuando el pensamiento del tonto del cuento hindú vino a mi mente, pensando que me quería picar los dos ojos, me di por vencido sin mayor . argumento. El capataz instaló los dos tubos pequeños para rociar petróleo en los clinkers calientes; un poco después, salió del horno el clinker más blanco que jamás haya yo visto. CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Para producir los ce mentos coloreados agregand o pigmen­ tos a los cementos blancos, deberá hacerse notar que no todos los pigmentos que se usan en la industria de la pintura son adecuados para hacer los cemento.s coloreados. Para ser adecuado, un pigmento no · deberá ser nocivo a las características de fraguádo, de endurecimiento y de durábi­ l idad del cemento y debe producir un color d urable cuando se expone a la l uz y al cl ima exterior. los cementos rojos, amari llos, cafés, o negros pueden producirse intermol iendo 5 a 1 O por ciento en peso de pigmentos de óxido de fierro del color correspondiente, con un clinker blanco. Los colo­ res verde y azu l en el cemento pueden lograrse util izando óxido de cromio y azu l cobalto respectivamente. Cemento de aluminato de calcio En comparación con el cemento portland, el cemento de aluminato de. calcio (CAC) posee muchas propiedades úni­ cas, tales como alta resistencia inicial, endurecimiento aun bajo condiciones de baja temperatura y una durabil idad superior al ataque de los sulfatos. Sin embargo, algunas fa l las estructurales debidas a la pérdida gradual de resisten­ cia asociada con un concreto que contiene CAC, han sido decisivas para limitar el uso de este cemento en aplicado- . · nes estructurales. En la mayoría de los países, el CAC es ahora uti l izado' principalmente para hacer · moldes de cu­ bierta refractaria para hornos de alta te m peratura. Según las definiciones del ASTM ·e 2 1 9, el cemento de aluminato de calcio es el producto obtenido al pulverizar_ cli nker de cemento de aluminato de calcio; el cl inker es un producto parcial mente fundido o completamente fundido que consiste en "aluminatos de calcio hidrául ico. De esta forma, a diferencia de los cementos portland y portland . modificado, en los que el C3 S y el C2 S son los compuestos cementantes principales, en el CAC el aluminato monocál­ cico (abreviado' CA) es el compuesto cementante principal, con C 1 2A7, CA, C2 AS, BC2 S y Fss como componentes menores. Generalmente, el análisis químico del CAC ordi­ nario comprende aproxim adamente 40 por ciento de Ali0 3 y algunos cementos tienen aún mayor contenido de al úmi­ na (50 a 80 por ciento); por lo tanto, el cemento también es l lamado cemento de' alta alúmina (CAA). La bauxita, un mineral de alúmina h idratada, es la fuente comúnmente usada de al úmina en las materias primas para la elaboración del CAC. la mayor parte de los minerales de bauxita contiene cantidades considerables de fierro como una impureza, lo que representa de 1 O a 1 7 por ciento de fierro (expresado como Fe2 03 ) presente generalmente en el CAC ordinario. Esta es la razón por la que, a diferencia del cl inker de cemento portland, el cl inker de CAC contiene 1 59 Cementos hidráulicos 80 80 C\J E E Cemento de alta alumina 70 C\J � c. 8 40 E - c. 8 40 E C1l C1l "ü e: Q) , Cií Q) a: "iii • -J ºC ¿ ·m 50 ..!!1 E :� 50 ¿ •O , º ------ 1e c º o c � 60 2 so . 70 ..!!1 C1l . 30 -� o 30 e: Q) -�Q) 20 20 a: 10 o....._�__._��-L-�����-'- 1 7 14 Edad, días 28 10 0,'---'-�2.__�.__� 3 4.___si__�6L--.:.�1¡_ Edad, días (a) · (b) Figura 6- l 9: (a) Rapidez de desarrollo de la resistencia para varios cementos a temp�ratura normal; (b) Efecto de temperatura de bajo curado en la resistencia de concretos de cementos de a.I ta alúmina. (De: A. M. Nevil le, en Progress in Concrete Technology, ed. V. M. Malhotra, CEMENT, Otawa; 1 980, págs. 293-331) . . Los cementos de aluminato de calcio de alta alúinina son capaces de desarrollar muy altas resistencias en períodos relativamente cortos de tiempo. A diferencia de los cementos portland, pueden desarrollar altas resistencias aun a temperaturas menores ,que la normal. alto fierro, completamente fundido y se hace en - hornos especialmente diseñados. Esta también es la razón por la que en Francia y en Alemania el cemento es l lamado ciment fondu y tonerdeschmelz zement, respectivamente. Los pro- . duetos destinados a util izarse para elaborar concretos de niuy alta temperatura contie n en muy bajo fierro y sílice y · pueden hacerse por sinteri.Zación e n hornos rotatorios.· Como el cemento portland, las propiedades del CAC de­ penden de las características de h idratación del cemento y de la . microestructura de la pasta de cemento hidratada. E l corilpues_to principal e n el cemento e s e l CA, que general­ mente asciende de 'SO a 60 por dentó en peso. Aunque los producto� de CAC tienen tiempos de fraguado comparables al cemento portland ordinario, la velocidad de adquisición de resistencia a- las edades �empranas es realmente alta, debido principalmente a la alta reactividad del CA. Dentro de las 24 horas de h idratación, _ la res¡stencia de los concretos CAC normalmente curados puede é!lcanzar valo­ res iguales o que excedan la · resistencia a los 7 d ías del cemento' portland ordinariO (figurá 6-1 9a). · Igualmente, las características de la adquisición de resisten­ cia bajo condiciones subcero de curado (figura 6-1 9b), son mucho mejores que para los cementos portland; por lo tanto, el material es adecuado para apl icaciones en clima frío. Puede notarse que la velocidad de l iberación de calor de un CAC recientemente hidratado puede ser tan alta cómo 1 60 ' ' . . 9 cal/g por hora, lo que es aproximadamente tres veces la v� locidad para cemento portla � d de � Ita resistencia i nicial. Lá composición de los produdo s de la h idratación muestra una dependencia del tiempo-temperatu,ra; el producto · de hidratación de baja temperatura (CAH 1 0) es inestable ter­ modin'á micamente, especialmente en condiciones de alma­ cenamiento cal iente y húmedo, bajo· fá s c uales se forma un . có mpuesto más estable, el C 3 AH 6 (ver el lado izqüierdo"del recuadro). Las expedencias de· laboratorio y de campo con concreto CAC demuestran que en u n almacenamiento pro­ longado, las fases hexagonales CAH 1 0 y C 2AHa tienden' a convertirse en C3 AH 6 cúbico. Como una consecuen cia de la co�versión del CAH10 en C3AH6, u na pasta ·e ndurecida de CAC mostrará más de 50 por ciento de reducción en el volumen de sól idos (ver la parte derechá del recuadro), lo cual causa un incremento en la porosidad (figura 6-20a) y una pérd i da en la resistencia asociad á al fenómeno (figura 6-20b). CA + { <lOºC . CAH rn H 1 0-2oºc C2AHa + AH3 g C3AH6 + 2AH3 'icm3 >30ºC 3 cm 3CAH1 o =C3AH6+2AH3+1 8Ht 1 01 4 1 .72 590 � · 378 2.52 1 5o+ 312 2.4 1 36 Antiguamente se suponía que el problema de la pérdida de resistencia en el concreto podría ser ignorada, cuando se utlizaran bajas relaciones agua/cemento y la altura de un colado fuera limitada para reducir la elevación de la tempeCONCRETO, estructura, propiedades y materiales (a) 80 70 C\I E E . z ¿ •O "iii � c. E (.) o ctl ctl Almacenamiento 40 Laboratorio � ·c; e: Cll . .� (/) Cll a: 30 20 10 o � 1 2 3 5 10 Edad - años (b) 21 Figura 6-20. (a) Micrografía electrónica de barrido de un sistema de cemento de aluminato de calcio parcialmente con­ vertido; (b) Influencia de la relación agua/cemento en la resistencia de largo plazo de los concretos de cemento de al umi nato de calco. [(a) De: P. K. �ehta y G. lesnikoff, J. Am. Ceram. Soc., \Íol. 54, No. A, págs. 2 1 0-2 1 2, 1 971 , reim­ preso con autorización de la American Ceramic Society; (b) De: A. Neville, High Alumina Cement Concrete, Halstead Press, Nueva York, 1 975, pág.58 reimpreso con · autorización de Cons­ truction Press (longman Group Ltd.)) Los concretos de cemento de aluminato de calcio no son recomendados genera/mente para uso estructural. Esto es debido a que e/ producto principal de hidratación, e/ CAH10 es inestable en condiciones ordinarias. Se transforma gradualmente en una fase estable, C3AH6, que tiene una estructura cúbica y es más denso. La conversión CAH1 0 en C3AH6 está asociada con un gran incremento en la porosidad y por lo tanto, con una correspondiente disminución de la resistencia. ratura debida al calor de hidratación. Los datos de la figura 6-20a muestran -q ue éste no puede ser el caso. La preocupación real no es que la resistencia resid_ual sería inadecuada para propósitos estructurales, sino que como resultado del i ncremento de la porosidad, la resistencia a la carbonación atmosférica y la corrosión del acero embebido en el concreto serán reducidas. CONCRETO, estructura, propiedades y materiales De la reacción de h idratación del CAC, puede notarse que no hay hidróxido de calcio en el producto de hidratación; este hecho tarnbién distingue al CAC de los cementos portland y es la razón principal por la que los concretos de CAC muestran una resistencia excelente a los ambientes ácidos (ácidos diluidos, 4 a 6 pH), al agua de mar y a las aguas sulfatadas. - Como se analizó con anterioridad, la ausenda del hidróxido de calcio en el CAC hi d ratado es 161 Cementos hidráulicos � iªº�· 100 Agregado •- - ------• Fonolita ____. Anortosita ---... llmenita Arciíla expandida e: · •O ro ºiii Cl> e: .... Cl> c. - - · ---·- ·¡:; §u ·�� 60f­1 1 � Qi ro ro Cl> ro -o · ·¡:; "§' 40 � e: .� Cl> (/) u 8. Cl> .... a: o - u§ . 20 200 400 1000 800 600 Temperatura - ºC 1200 Figura 6 .21 . Efecto del incremento de la temperatura en la resistencia de los concretos de cemento de aluminato de calcio. (De: A. M. Nevil le, en Progress in Concrete Techno/ogy, ed. V. M. Malhorta, CENMET, Ottawa, 1 980, págs. 293-331) El concreto de cemento de aluminato de calcio encuentra aplicación generalmente e n e l forrado refractario monolítico para hornos de alta temperatura. Con el incremento de la temperatura, los productos de la hidratación del cemento se descomponen y esto causa una pérdida en la resistencia. Sin embargo, .ª altas temperaturas la re$istencia se incrementa debido a la formación de un material estable de toba (adherencia cerámica). también útil para usar e l material en la elaboración de concreto que soporte alta temperatura. En la práctica, �I uso de cemento portland para concrefo expuesto a alta temperatura es más bien l imitado a aproxi­ madamente SOOºC, pOrqu� a altas temperaturas el - CaOr l ibre, formado en la descomposición del hidró.x ido de calcio, causaría al concreto calentado volverse inadecuado para la exposición al aire húmedo o al agua. El CAC no solamente no produce hi.d róxido de calcio alguno en la hidratación, sino que tambi�n es de rápido endurecimiento bajo temperaturas normales de curado; Igualmente, a tem­ peraturas por encima de los 1 OOOºC, el CAC es capaz de desarrol lar una adherencia cerámica tan fuerte como la adherencia hidráulica óriginal. La resistencia inicial o no quemada del concreto de CAC, se abate considerablemente durante el primer ciclo de calentamiento debido al fenóme­ no de conversión de CAH 1 0 a C3 AH 6 . Sin embargo, con un alto contenido de cemento en el co ncreto, la resistenda inicial puede ser adecuada para evitar el daño hasta que la resisten c ia se incremente d e nuevo debido al desarrollo de la adheren c ia cerámica (figura 6-21 ). 2. = Cuando se produce cierto tipo de cemento portland es importante que la composición de Jos óxidos permanez­ ca uniforme. ¿Por qué? 162 = = = = = 3. ¿Qué entiende usted por los siguientes términos: a/ita, be/ita, periclasa, langbeinita, estuco, gel de tobermorita? 4. ¿Por qué el C3S es más reactivo y el C2S no es reactivo con el agua a tef!Jperaturas normales? El MgO y el CaO tienen estructuras cristalinas similares, pero las reactivi­ dades son muy diferentes en uno y otro. Explique- por­ qué. 5. ¿ Cuál es Ja importancia de Ja finurá del ce�ento? ¿ Cómo se determina? ¿Puede usted dar una idea del rango de finura en los cementos portland industriales? 6. ¿Por qué se .agrega yeso al clinker rje cemento? ¿Cuál es la cantidad de yeso que se agrega generalmente? l. La presencia de cal-libre en el cemento po.rtland puede conducir a falta de sanidad. ¿Qué se entiende por el término falta de sanidad? ¿Qué otro compuesto puede · causar falta de sanidad en los productos de cemento portland? Pruebe su conocimiento 1. En relación con la resistencia a los sulfatos y a la velocidad de desarrollo de la resistencia, evalúe las propiedades del cemento portland que tiene el siguiente análisis químico: Sf02 20. 9 por ciento; Afi03 5.4 por ciento; Fe203 3, 6 por ciento; CaO 65. 1 por ciento; MgO 1.8 por ciento; y 503 2. 1 por ciento. 8. ¿Cuál es el porcentaje aproximado combinado de silica­ tos de calcio en el cemento portland? ¿ Cuáles son las CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Cementos hidráulicos cantidades típicas de C3A y C4Af en el cemento por­ tland normal (ASTM Tipo J)? ¿Cuál de los cuatro componentes principales del cemen­ to portland contribuye más al desarrollo de las resisten­ cias durante las primeras semanas de la hidratación? ¿Qué compuesto o compuestos son los responsables de los problemas de la rigidización rápida y del fraguado temprano de la pasta de cemento? . 1 0. Analice las principales diferencias en la composición física y química entre un cemento portland ordinario (ASTM Tipo 1) y un cemento portland de alta resistencia inicial (ASTM Tipo ///). 9. 1 1. 1 2. ¿Por qué las Especificaciones ASTM para el cemento Tipo IV limitan el contenido mínimo de C2S a 40 por ciento y el contenido máximo de C3A a 7 por ciento? Explique qué tipo de cemento ASTM utilizaría usted para: (a) Construcción en clima frío (b) Construcción de una presa (c) Elaboración de tubos de drenaje de concreto reforza­ do 1 3. El equilibrio de aluminato-sulfato en solución está en el centro de varios problemas de fraguado anormal en la tecnología del concreto. Justifique esta afirmación ana­ lizando cómo ocurren los fenómenos del fraguado rápi­ do, el fraguado relámpago y el fraguado falso en los cementos portland recién hidratados. 1 4. Suponiendo que la composición química del hidrato de silicato de calcio formado en la hidratación de C3S o C2S corresponde a C3S2H3, haga los cálculos necesarios para encontrar la relación de hidróxido de calcio en los productos finales y la cantidad de agua necesaria para la hidratación total. Defina los términos fraguado inicial y fraguado final. Para un cemento portland normal, dibuje una curva típica de evolución de calor para el período de fraguado y de endurecimiento inicial; marque las partes ascen­ dente y descendente de la curva, con los procesos químicos correpondientes en acción y muestre los pun­ tos en · los que el fraguado inicial y el fraguado final . probablemente han de tener lugar. 1 5. 1 6. Analice los dos métodos que la industria del cemento emplea para producir cementos que tienen velocidades diferentes de desarrollo de la resistencia, o de calor de h idra tación. Explique e/ principio que involucra e/ límite CONCRETO, estructura, propiedades y materiales máximo de contenido de C3A en el ASTM C 1 50 Stan­ dard Specification para cementos portland Tipo V. 1 7. Con la ayuda de la "reacciónpuzolánica " explique por qué bajo ciertas condiciones, en comparación con el cemento portland, los cementos portland puzolánico y portland de escoria de alto horno son capaces de pro­ ducir concretos con resistencias últimas más altas y durabilidad superior al ataque de Jos sulfatos. , 1 8. ¿Cuál es la distinción entre los cementos de retracción compensada y autoesforzante? ¿Cuáles son los tipos de cementos expansivos K, M, S y O? Explique cómo los cementos expansivos funcionan para hacer e/ concreto libre de grietas. 1 9. Escriba unas notas cortas sobre las composiciones y las características especiales de Jos cementos siguientes: cemento de fraguado regulado, cemento de muy alta resistencia inicial, cemento API Clase J, cemento blanco y cemento de aluminato de calcio. 20. Analice los factores físico-químicos involucrados para explicar e/ desarrollo de la resistencia en Jos productos que contienen los siguientes materiales cementantes y explique por qué el cemento port/and ha llegado a ser e/ cemento más comúnmente usado para propósitos estructurales: (a) cal (b) estuco (c) cemento de aluminato de calcio. Sugerencias para estudio coIDpleinentario LEA. F. M., The Chemestry of Cement and Concrete, Chemical Publishing Company, lnc., Nueva York, 1 971 . MALHOTRA, V. M., ed., Progress in Concrete Technology, CANMET, Otawa, 1 980, cap.7, Expansive Cements and their App/ications, by P.K. Mehta, and M. Polivka; y cap. 8, High Alumina Cement- lts Properties, Application, and Limitations, by A.M: Neville. SKALNY, J. P. ed., Máterial Science of Concrete, The American Ceramic Society lnc., 1 989: Cement Production and Cement Quality by V. Johansen; Hydration Mechanisms by E. M. Gartner and J. M. Gaidis; The Microtextures of Concrete by K. L. Scrivner. TAYLOR, H. W. F. Cement Chemestry, Academic Press, lnc., San Diego, CA, 1 990. 1 63 Capítulo 7· Agregados Presentación Los agregados son relativamente económicos y no entran en reacciones químicas complejas con el agua; por· lo tanto, ha sido costumbre tratarlos como un rel leno inerte en el concreto. Sin embargo, debido al creciente conocimiento del papel q ue juegan los agregados para determinar muchas propiedades importantes del concreto, la idea tradicional del agregado · como rel leno inerte está siendo seriamente cuestionada. Las características del agregado que son significativas para la tecnología del concreto incluyen la porosidad, la gradua­ ción o distribución de tamaños, la absorción de humedad, la forma y la textura de la superficie, la resistencia . a la ruptura, el módulo de elasticidad y los tipos de sustancias nocivas presentes. Estas características se derivan de la composición mineraló­ gica de la roca original (que es afectada por los procesos de formació n geológica), las condiciones de exposición a que la roca ha_ estado sujeta antes de formar el agregado y el tipo de operación y de equipo q ue se ha uti l izado para producir el agregado. Significado Pór el capítu lo 6, sabemos q u e lo s cementos están formados por compuestos químicos que entran en reacción química . co n el agua para producir productos complejos de hidrata:.. ción con propiedades agl utinantes. A diferenci� del cernen- . to y aunque el agregado en el concreto ocupa de 60 a 80 por ciento del volumen, es frecuentemente considerado como un rel leno, inerte y . por lo tanto no mer.ecedor de mucha atención con respecto a su posible infl uencia en las propiedades del concreto. La considerable infl uencia que el agregado puede ejercer en la resisteneia, estabil idad dimensional y d � rabil idad del concreto, ha sido descrita en los capítulos 3, 4 y 5, respectivamente. Además de estas importan tes propiedades del concreto endurecido, los agre­ gados también juegan un papel de importancia para deter­ minar el costo y la trabajabil idad de las mezclas de concreto (capítulo 9); por lo tanto, no es apropiado tratarlos con menos respeto que a los cementos. Clasificación y n�menclatura ·Se describen con más detal le los agregados de mineral natural, que comprenden má� de 90 por ciento del total de los agregados uti lizados para producir el concreto. Las clasificaciones de los agregados de acuerdo · con la dimensión de las partículas, densidad. de . la masa, o fuente, ha dado lugar a una nomenclatura especial que deberá ser entendida claramente. Por ejemplo, el término agregado grueso se utiliza para describir partículas mayores de 4.75 mrn (retenidas en una mal la No. 4), y el término agregado fino se uti l iza para las partículas menores de 4.75 mm; generalmente los agregados finos contienen partículas den­ tro del rango de 75 µm (malla No. 200) a 4.7 S mm y los agregados gruesos de 4.75, a aproximadamente 50 mm, con excepción del concreto masivo, el que puede contener agregado grueso de hasta 1 50 mm. Debido a su gran uso potencial, · los agregados de subpro­ ductos i ndustriales· tales como la escoria de alto horno, la ceniza vÓ lante, los desperdicios municipales y el concreto reciclado también son descritos. Fina fmente, se cubren en detal le las principales características del agregado que son de importancia para la tecnología del concreto. La mayoría de los agregados minerales tales como la arena . y la grava, tienen un peso volumétrico de 1 ,520 a 1 ,680 kg/m 3 y producen concretos de peso normal, con aproxi­ madamente 2,400 kg/m 3 de peso unitario. Para casos espe­ ciales, los agregados con densidad más l igera o más pesada, pueden util izarse para producir respectivamente concretos Por lo tanto, los aspectos fundamentales de la formación de la roca, la clasificación y la descripción de las rocas y los minerales y los factores de procesamiento industrial que influyen en las · características del agregado� se describen brevemente en este · capítulo. CONCRETO, estructura, propiedades y materiales 1 65 Agregados de peso ligero y de peso pesado. En general, los agregados con 'pesos vol umétricos menores de 1 , 1 20 kg/m 3 son l lama­ dos de peso ligero y aquél los que pesan más de 2,080 kg/m 3 son l lamados de peso pesado. En su mayor parte, los agregados para concreto están com­ puestos por arena, grava y roca triturada, derivadas de fuentes naturales y son por lo tanto l lamados agregados minerales naturales. Por otra parte, los materiales procesa­ dos térmicamente como la arci l la y la pizarra expandidas, qu� se uti l izan para producir concreto de peso ligero, son l lamados agregados sintéticos. Los agregados hechos de subproductos industriales, por ejemplo, ·de escoria de alto horno y de ceniza volante, �ambién pertenecen a esta categoría. Los desperdicios municipales y el conáeto red­ ciado de edificios d emolidos y de pavimentos, tambié n se han investigado para uti l izarlos como agregados� según · se describe más adelante. Agregados minerales naturales ' Los · agregados minerales naturales forman l a clase más importante de los agregados para producir concreto de cemento portland: Aproximadamente la mitad del agregado grueso total consürríido por la industria del concreto en los Estados U nidos, consiste en gravas; la mayor parte del resto es roca triturada. · Las rocas de carbonato co mprenden apro� ximadainente do s tercios del agregado triturado; la roca· arenisca, el granito, la diorita, el gabro y el basalto consti-' tuyen el resto. La arena síl ica natural se util iza predominan­ temente como agregado fino, así como en la mayoría de los concretos de peso l igero. Los agregados minerales naturales provienen de rocas de varios tipos; la mayoría· de las rocas están el las' mismas compuestas por varios minerales. U n mineral s� define como u_na· sustancia inorgánica que se encuentra en la 1 naturaleza, con una composición química más o menos definid? y general mente con una estructura específicamente crista i i m1. U na revisión elemental de los a_s pectos de. la formación de la roca y de la clasificación de las rocas y los mineral�s, es esencial para entender no solamente por qué algunos materiales son más util izados como agregados que otros, sino también . para entender las relaciones microestructura-propiedades en el agregado. Descripción de las r�cas Las rocas se clasifican de acuerdo con su origen en tres grupos principales: ígneas, sedimentarias y metamórficas; estos grupos ·se subdividen a su vez de acuerdo con su composición mineral y química, textura o tamaño de granos y estructura de los cristales. 1 66 Las rocas ígneas se forman al enfriarse el magma (materia de roca fundida) encima, abajo o cerca de la superficie de la tierra. El grado de cristalinidad y el tamaño del grano de las rocas ígneas por lo tanto, · varían según la rapidez a la cual fue enfriado el magma al momento de la for � ación de la roca. Podrá notarse que el tamaño del grano tiene un efecto significativo en las características de la roca; hay rocas que teniendo la misma composición qu ímica, pero diferente tamaño del grano, pueden comportarse en forma diferente bajo las mismas condiciones de exposición. El magma que haya penetrado a grandes profundidades, se enfría a una velocidad lenta y forma minerales completa­ mente cristalinos con granos gruesos 5 mm de tamaño de grano; tas rocas de este tamaño son l lamadas intrusivas o plutónicas. Sin embargo, · debido a un enfriamiento más rápido, ·las rocas que se formaron cerca de la superficie de la tierra contienen minerales con cristales menores, son del grupo fino (1 a 5 mm de tamaño de grano) y pueden contener algo de vidrio; son l lamadas superficialmente-in­ trusivas o hipabisales. E l magma enfriado rápidamente, como ·e n el caso de las erupciones volcánicas, contiene principalmente materia no cristalina o vidriosa; el vidrio puede ser d e nso (lava apagada) o cel ular (pómez) y el tipo de roca es llamado extrusivo o volcánico. · A. s � vez, un magma· pued e ser sobresaturado, saturado, o subsaturado con respecto a la cal idad de síl ice presente para la fo rmación mineral . Del magma sobre saturado, la sílica l ibre o no combinada cristal iza como cuarzo después de la formación de minerales tales como feldespatos, mica y hornblenda. En el magma saturado o subsaturado, el conte­ nido de síl ica es i nsuficiente para formar cuarzo. Esto con­ duce a una cl_ asificación de rocas ígneas basada en el S i0 2 presente; las.rocas que contienen más de 65 por ciento de Si0 2 , 55 a 65 por ciento de Si0 2 y menos de 55 porciento de Si0 2 , son l lamadas ácidas, intermedias y básicas, res­ pectivamente. De nuevo, las clasificaciones de las rocas ígneas con base en su estructura de cristales y contenido de sílica son úti les, puesto que parece que es la combinación del carácter ácido y la textura de grano fino o vidriosa de la roca lo que determina si un agregado será . vulnerable al ataque de álcalis en el concreto de cemento portland. Las rocas sedimentarias son rocas estratificadas que gene­ ralmen te fueron depositadas p or acción del agua, pero que a veces fueron, acumuladas por acción del viento y por acción glacial. Las rocas sil íceas sedimentarias se qerivan de las rocas ígneas existente s. Dependiend o de la forma de depósito y de consolidación, conviene subd ividirlas en tres grupos: O Mecánicamente depositadas ya sea en estado no con­ sol idado o físicamente consol idado CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Agregados O O Depositadas mecánicamente y consolidadas general­ mente con cernen.tos_ q u ímicos, y Depositadas q u ímicamente Y . consol idadas. Grava, arena, · l i mo y arcil la son los miembros más impor­ tantes del gru po de sedimentos no consolidados. Aunque la d iferenciación entre estos cuatro elementos se hace con ' base en el tamaño se sus partículas, se aprecia en general una d iferencia en la composición mineral. La grava y las arenas gruesas generalmente consisten en fragmentos de roca; la arena fina y el l i mo consisten predominantemente en granos minerales, y las arcil las .son e�clusivamente gra­ nos minerales. La roca arenisca, la cuarcita y la roca parda corresponden a la segunda categoría. La roca ·arenisca y la cuarcita están formadas por partículas de roca del tamaño del grano de arena; si la roca se rompe alrededor de los granos de arena se le l lama roca arenisca; si los granos son principalmente de cuarzo y la roca se rompe a través de los granos, es l lamada cuarcita. _La cuarcita puede ser sedimentaria o metamórfica. Los materiales cementantes intersticiales de roca arenisca pueden ser ópalo (gel de sílice), calcita, dolomita, arci lla o hidróxido de hierro. La roca parda es una clase especial de roca arenisca qué contiene fragmentos angulares y fragmentos �e roca del tamaño de granos d _e arena en . una matriz abundante de l utita, arcil la· o pizarra. El horsteno y el pedernal corresponden al tercer grupo de rocas sedimentarias de sí_l ice. El horsteno es generalmente de grano fino y puede variar de poroso a denso. Los horstenos negros densos o gr_i ses, que son realmente duros, son l l am ados pedernales. En relación con la composición mineralógica, el horsteno está formado por cuarzo pobre­ mente cristalino, calcedonia y ópalo; a menudo los tres se encuentran presentes. ) La piedra caliza es la más. abundante de _ las rocas de carbonato. Va del rango de la roca cal iza pura, que consiste en el mineral calcita, a la dolomita pura, que consiste en el mineral dolomita. Generalmente, las dos contienen mine­ rales de carbonato en varias proporciones y cantidades significativas de i mpurezas no carbonatadas, como son la arci l la y la arena. Hay que hacer notar que, comparados con las rocas ígneas, los agregados producidos con sedimentos estratificados pueden variar ampliamente_ en sus características, tales como la forma, la textura, la porosidad, la resistencia y la pureza. Esto es debido a que las condiciones bajo las cuales fueron consolidadas varían grandemente. Las rocas tienden a ser porosas y débiles cuando se forman bajo presiones relativamente bajas. Son . densas y resistentes si se forman bajo alta presión. Algunas rocas cal izas y areniscas pueden CONCRETO, estructura, propiedades y materiales tener menos de 1 00 MPa de resistencia a la trituración y son por lo tanto in�decuadas para su uso en concreto de alta resistencia. Igualmente, comparadas con las rocas ígneas, : las rocas sedimentarias frecuentemente contienen impure­ zas que a veces obstacul izan su uso como agregado. Por ejemplo, la roca cal iza, la dolomita y la roca arenisca pueden contener ópalo o minerales arci l losos, que afectan adversamente el comportamiento del agregado bajo ciertas condiciones de exposición. Las rocas metamórficas son rocas ígneas o sedimentarias , que han cambiado su textura original, su estructura cristali­ na o su composición, como respuesta a condiciones físicas y químicas bajo la superficie de la tierra. Los tipos comunes de roca que pertenecen a este grupo son el mármol, el esquisto, las filitas y el gneis. Las rocas son densas pero frecuentemente fol iadas. Algunas fil itas son reactivos con los álcalis del cemento portland. La corteza terrestre consiste 95 por ciento de rocas ígneas y 5 p or ciento de rocas sedimentarias. Este 5 por ciento de rocas sedimentarias está compuesto por aproximadamente 4 por ciento de pizarra esquistosa, 0.75 por ciento de roca _ arenisca y 0.25 por ciento de roca cal iza. Mientras que las rocas ígneas afiarán en solamente 25 por ciento del área terrestre, las rocas sedimentarias cubren el 75. por ciento restante. Esta es la razón de que los agregados de mineral natural usados en el concreto: arena, grava y rocas de carbon ato trituradas, se deriven de rocas· sedimentarias. Aunque algunos depósitos sedimentarios l legan a tener 1 3 kilómetros de espesor, en las áreas ·continentales el espesor promedio es de 2,300 metros. Descripción de los minerales La norma ASTM C 294, contiene la nomenclatura descrip­ tiva que propordona una base para entender los términos util izados para designar a los componentes del . agregado. Con base en esta norma, a continuación se presenta una breve descripción de los minerales constitutivos que co­ múnmente aparecen en las rocas naturales. Minerales de sílica. · El cuarzo es un mineral · duro muy común, compuesto de Si02 cristalino. La dureza del cuarzo así como la del feldespato se deben al marco de la estructura s ro, que es muy resistente. El cuarzo se encuentra en rocas ígneas de tipo ácido > 65 por ciento de Si0 2 , tales como el granito y la riolita. Debido a su resistencia al intemperis­ mo es un constitutyente importante de muchos depósitos de arena de grava y de areniscas, ta tri d imita y la cristobal ita también son materiales de sílica cris�alinos, pero son me­ taestables a temperaturas y presiones ordinarias y se les encuentra raramente en la naturaleza con excepción de las 1 67 Agregados Tipo de roca Tabla 7-1 . Características . de los agregados de rocas sedimentarias Nombre común Rocas _silíceas D e p o s i t a d a s· mecánicamente en forma n o . éonsol idada o e n .' estado , fís i ca m e nt e . consolidado Soleos ( > 75 mm) Grava (4.75-75mm) Arena (0.075�4.i5mm) Ü mo (0.002-o.075mm) Arcilla ( > 0.002 mm) . Lutita (arci lla consol idada) D e p o s i t a d a s Arenisca m e c á n i ca m e n te y c o n s o l i d a d a s con ge n e r a l m e n t e cementos químicos Piedra parda D · e p o s i t ·a d a s Horsteno, pedernal q u í m i ca m e n te y consolidadas Rocas de carbonato Cal iza Dolomita Calcita dolomítica . Dolomita calcítica . Caliza arenisca (o dolomita) Cal iza arcil losa (o dolomita) Principales minerales presentes · Características del agregado Puesto que los ·bole'os naturales, la grava y la arena se derivan de procesos . geológicos de desgaste por el tiempo, consisten en rocas duras y m inerales que tienen una forma redondeada y una superficie tersa: Cuando no están conta m i n ados· con arci l.la y l imo, pueden ser agregados resistentes y durables para el concreto. _Las lutitas pueden aparecer d uras, pero tienen · fragmentos planos y se desintegran en agua. Fragmentos del tamaño de la arena que G e n era l m e n t e l a s aren i scas prod ucen ·con si sten p r i n c i p a l m ente en cuarzo y agregados de calidad satisfactoria. Como en feldespato, generalmente cementados con las rocas de carbonato, la porosidad, la ópalo, ·calcita, dolomita, arci lla o hidróxido capacidad de a bsorción de humedad, la de hierro. resistencia y la ; d urab i l idad de las rocas are n i scas pueden variar ampl iamente y afectar por lo tanto las propiedades del · . agregado. · La pied �a parda es arenisca.gris que contiene fragmentos angulares y roca del tamaño de la arena en una abundante matriz de lutita, arcil la o· pizarra; E l h orsteno c o n s iste en cuarz_o poco Los h o r s t e ri o s d e n s o s h a c e n b u enos cristalino, calcedonia u Ópalo; a menudo, · agregad o s . Los h orstenos . estos tres minerales están presentes. Pedernal predominantemente opalinos o calcedónicos es el nombre dado a las variedades densas de son capaces de reaccionar· con los álcalis en horsteno. la pasta de cemento portland. Todos los tipos de rocas y minerales pueden estar presentes en baleos, grava y arena. El limo consiste predominantemente en granos y m inerales de sílica. Los arci l las · están compuestas principalmente de un grupo de minerales de arcilla. Calcita predominantémente Dolomita predominantemente Calcita 50�90%; el resto es dolomita Dolomita 50-90%; el resto es calcita Rocas de carbonato conteniendo 1 0-50% · de arena Rocas de carbonato conteniendo 1 0-50% de arcil la. Las rocas de carbonato son más suaves que las rocas silíceas sedimentarias. Sin embargo, producen generalmente agregados de calidad satisfacto r i a . Com o · e n l a aren isca, la· porosidad, la capacidad d� ab5orción, de h umedad, la resistencia y la durabi lidad de las rocas d e carbonato p ueden variar ampl iamente y afectar las propiedades del agregado. Cuando son rocas estratificadas, tienden a producir fragmentos planos o alargados . . rocas volcánicas. Los minerales no cristalinos son denomi.;. nadas como vidrio. · El ópalo es un mineral de sílice hidratado (con un contenido de 3 a 9 por ciento de agua), que no parece cristalino en un microscopio óptico pero puede mostrar una distribución cristal ina de bajo orden pOr medio de un análisis de difracción de rayos X. Se le encuentra generalmente en rocas sedimen­ tarias, especialmente en horstenos y es el principal compo­ nente de la diatomita. La calcedonia es un mineral poroso de sílica, que general mente contiene fibras microscópi cas ·de cuarzo. Las propiedades de la calcedonia son interme� días entre las del ópalo y las del cuarzo.Minerales de silicatos. Los feldespatos; los ferromagnesios, los micáceos y los mi nerales de arci lla corresponden a esta categoría. Los minerales del grupo del feldespato son los 1 68 · .· minerales más abundantes que . forman las rocas· en la corteza terrestre y son importantes componentes de' las rocas ígneas, sedimentarias·y metamó� ficas. Casi tan duro como el cuarzo, los distintos elementos del grupo se diferencian por su composición · qu ír:i ica y sus propiedades cristalográficas. La ortoclasa, la san_idina y la micro c l ina son sil icatos de aluminio y de potasio, que son frecuente mente l lamados feldespatos de potasio. La plagioclasa o · feldespatos de cal-sosa incluyen si licatos de aluminio y de sodio (albita), si licatos de aluminio y de .calcio (anordita), o ambos. Los feldespatos alcalinos q ue contienen- potasio o sodio apare­ cen generalmente en rocas ígneas de alto contenido de síl ica, tales como los granitos y las riolitas, mientras que las que tienen más alto contenido de calcio, se encuentran �n CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Agregados Tabla 7-2. Características de los agregados de rocas ígneas Nombre común Tipo de roca Principales minerales presentes Carácterfsticas del agregado Cuarzo, feldespato (0,P)ª mica Feldespato (0,P), hornblenda, bioHta Feldespato (P), hornblenda, biotita Hornblenda, augita, feldespato (P) Los mismos minerales de gabro, pero de grano medio a fino. Gabro, diabasa y basalto Las rocas de este grupo generalmente hacen agregados excelentes debido a que: 1 ) Tienen granos de medio a grueso, son resistentes y producen fragmentos equidimensionales al tri t u rarse. 2) Tienen muy baj a porosidad y absorción d e ·humedad. 3) No reaccionan con los álcalis en el concreto de cemento portland. lntrusiva superficial o hipabisal Grupo de felsita: riolita, traquita, La composición "m ineral de las rocas del grupo felsita, riolita, traquita y andesita andesita, es equivalente del granito, sienita y diorita respectivamente. Con respecto a la composición Basalto m i n e r a l ó g i ca, el basa l to es. l a i ntrusiva superficial o extru siva equivalente de gabro y diabasa. Las rocas de este grupo tienen grano fino y duro y hacen un buen agregado excepto que las rocas de felsita, c u a n d o son m i crocrista l i n as o c o n t i e n e n v i d r i o natu r a l , son reactivadas con l os á l ca l is del concreto de cemento portland. Sin embargo, en el caso del basalto, aun cuando contiene vidrio natural, el vidrio es generalmente básico y por lo tanto no reacc iona con los álcalis en el concreto de cemento portland. Extrusiva o volcánica Obsidiana lntrusiva o plutónica Granito Sienita Diorita Gabro Diabasa o dolerita Roca pardusca . Vidrio volcánico Perlita Un vidrio _denso, oscuro, natural con La obsidiana y el vidrio volcánico son densos y duros, pero no se encuentran alto contenido de sílica. comúnmente. Vidrio natural que contiene hasta 1 0% de agua. Vidrio con alto contenido de sílica con La perlita es usada generalmente para . textura de cebolla y lustre perlado: hacer concretos aislantes después de · contiene de 2 a 5 % de agua. que su estructura es alterada a una estructura vesicular como la pómez, por tratamiento en cáliente. · Pómez Escoria Toba Vidrio poroso con huecos alárgados. La pómez, la escoria y las tobas son Vidrio poroso con huecos esféricos. porosas y débiles, útiles para producir concreto de peso ligero y aislante. V i d r i o poroso for m ad o por l a c o n s o l id a c i ó n d e l a c e n i z a volcánica. ª Las abreviaturas O y P presentan ortoclasa y feldespato de plagioclasa, respectivamente. las rocas ígneas de bajo contenido de síl ica, tales como la diorita, el gabro y el basalto . Los minerales de ferromagnesio, que aparecen en muchas rocas ígneas y metamórficas, consisten en silicatos de hierro o de magnesio, o én ambos. Los minerales con contenido de estructura cr istalina de amfibolita y de piroxeno son conocidos como hornblenda y augita respectivamente. La olivina es un mineral común de esta clase, que se encuentra en las rocas· ígneas de contenido relativamente bajo de sílica�La muscovita, la biotita, la clorita y la vermicul ita, que forman el grupo de minerales micáceos, también contienen sil icatos de hierro y de magnesio, pero su composi c ión estructural laminar i nterna es responsable de la tendencia a separarse en hojas finas. Las micas son abundantes y apare­ cen en los tres grupos pri�cipales de rocas. CONCRETO, estructura, propiedades y materiales El grupo de los minerales de arcilla compre nde los minera­ les con estructura laminar menor de 2 µm (0.002 mm) de t�maño. Los minerales de arcil la, que consisten principal­ mente en alur:ninio hidratado, magnesio y silicatos de hie. rro, son los principales componentes de las lutitas y las . arci l las. Son s uaves y se desintegran al mojarse; algunas arcillas (conocidas como montmorillonitas en los . Estados U nidos y como esmectitas en el Reino U nido), sufren grandes expansiones· al mojarse. Las arci llas y las pizarras n o son por lo tanto directamente util izadas como agregados del concreto. Sin embargo,· los minerales arcil losos pueden estar presentes como contami­ nantes en un agregado mineral natural. Minerales de carbonato. El mineral de carbonato más co­ mún es la calcita o el carbonato de calcio, CaC03 . El otro 169 Agregados mineral más común es la dolomita, que tiene proporciones equimoleculares de carbonato de calcio y carbonato de mag­ nesio (que corresponden a 54.27 y 45.73 por ciento en peso . de CaC03 y MgC03 respectivamente). Ambos mi n erales de carbonato son más suaves que el cuarzo y que el feldespato. Minerales de sulfatos y sulfuros. Los sulfuros de hierro como la pirita, la marcasita y la pirrotita, se hal lan frecuen­ temente ·e n agregados naturales. La marcasita, que se en­ cuentra principalmente en las rocas sedimentarias, se oxida rápidamente para formar ácido sulfúrico e hidróxidos de hierro. La formación de ácidos es indeseable, especialmente desde el punto de vista de la corrosión potencial del acero en concretos presforzados y reforzados. La marcasita · y ciertas formas de pirita y pirrotita se piensa que pueden ser las respori,sables de los Cam b ios expansivos de volumen en · el concreto, causándole grietas y botaduras. El yeso (su lfato de calcio hidratado) y la anhidrita (sulfato de calcio anhidro) son los minerales de sulfatos más abun­ dantes que pueden estar presentes como impurezas en las · · -rocas de carbonato y en las pizarras. Algunas veces se encuentran como recubrimientos en arena y en grava; tanto . el yeso como la anhidrita, cuando se hal lan presentes en el agregado incrementan las posibi lidades de un ataque de sulfatos en el concreto. ·; Puesto que la mayor cantidad de agregados del concreto se deriva de rocas sedimentarias e ígneas, las descripciones de · los tipos de roca en cada c lase, los principales minerales .. presentes y las características de los_ agregados se resumen · en las ·tablas 7-1 y 7-2, respectivamente. Agregados . de peso ligero Los agregados que pesan menos de 1 , 1 20 kg/m 3 , se consi­ deran general mente de peso l igero y encuentran su aplica­ ción en la producción de varios tipos de concreto de peso ligero. El peso ligero se debe a su microestructura cel ular o altamente porosa. · Puede notarse que los materiales orgánicos cel ulares tales conio los fragmentos de madera no deben usarse como agregado, debido a su poca durabi lidad en un ambiente húmedo alcalino en el concreto de cemento portland. Los agregados naturales de peso ligero son elaborados procesando rocas ígneas volcánicas tales como la roca pómez, la escoria o la turba. Los agregados sintéticos de peso ligero pueden manufacturarse por tratamiento térmico de una variedad de materiales, por ejemplo, l utita, arcilla; pizarra, diatomita, perl ita, vermiculita, escoria de alto horno y ceniza volante. En realidad, hay todo un espectro de agregados de peso ligero (figura 7-1 ) que pesan de 80 a 900 kg/m 3 . Los agregados muy porosos, que son los más l igeros del espec­ tro, son en general débiles y por lo tanto, los más adecuados para producir concretos aislantes no estructurales. Al otro extremo del espectro se encuentran aquel los agregados de peso l igero que son relativamente menos porosos; cuando la estructura del poro consta de poros finos u niformemente distribuidos, el agregado es generalmente resistente y capaz de util izarse en concreto estructural . El ASTM tiene especi­ ficaciones por separado que cubren los agregados de peso Figura 7-L Espectro de los agregados de peso ligero. (Tomado de A Litvin y A. E. Fiorato, Concr.. lnt., Vol. 3 No. 3, pág. 49. 1 98 1 ) 1 70 CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Agregados Tabla 7-3. Composición y densidad de agregados de peso pesado Tipo de agregado Witerita Barita Magnetita Lepidocrocita Geotita Limonita limen ita Ferrofósforo Agregado de acero Composición química del mineral principal Ba c o 3 Ba S O 4 Fe 3 0 4 Fe 2 O 3 Minerales de hierro � idratado contenido 8 1 2 % de agua ¡ - Fe 2 T i O 3 Fe 3 P Fe 2 P Fe P Fe , , ligero para su uso en concreto estructu ral (ASTM C 3 30), concreto aislante ( ASTM C 332 ) y concreto para la prodüc­ ción de unidades de mampostería (ASTM 3 3 1 ). Estas espe­ cificaciones contienen los requisitos para el graduado, el tipo de sustancias indeseables y los pesos unitarios de los agregados, así como para el peso unitario, resistencia y retracción por secado del concreto que contiene el agrega­ do. Las propiedades del concreto de agregado l igero se describen en el capítulo 1 1 . Agregados de peso pesado En comparación con el . concreto de agregado de peso normal, que en general tiene un peso volumétrico de 2,400 kglm 3, los concretos de peso pesado pesan de 2,890 a 6, 1 00 kg/m 3 y encuentran aplicación en escudos de pro­ tección contra la radiación nuclear. L_os agregados de peso pesado (es decir, aquél los que tienen una densidad más alta que los agregados de peso · normal), se util izan para la producción de concreto de peso pesado. Las rocas. naturales adecuadas para la producción de agregados de peso pesado contienen predominantemente dos minerales de bario, va­ rios minerales de hierro y un mineral de titanio (tabla 7-3). Densidad relativa del mineral puro Peso volumétrico kg/m 3 '4.29 4.50 5.1 7 4.9 - 5.3 2,320 2,560 2,720 3,040 3.4 - 4.0 2,240 4.72 5.7 - 6.5 7.8 2,560 . ),680 4 480 gados para uti l izarse como agregados de peso pesado, pero en general la tendencia del agregado a segregarse en el concreto, se incrementa con .la densidad del agregado. Agregado de escoria de alto horno El enfriado lento de la escoria de alto horno en ollas, en fosas o en moldes de hierro, produce un material que puede ser · triturado o graduado para obtener partículas densas y fuertes, adecuadas para usarse como agregados. Las propiedades del agregado pueden variar con la composición y la velocidad del enfriado de la escoria; las escorias ácidas generalmente pro­ ducen un agregado más den.so y las escorias básicas tienden a producir estructuras vesiculares o en forma de panal con una densidad relativa aparente más baja (2 a 2.8) . . En general, el peso vol umétrico de las escorias enfriadas lentamente, que va de 1 , 1 20 a 1 ,360 kg/m 3 , se hal la más o menos entre el agregado de peso natural y el agregado estructural de peso l igero. Los agregados so.n ampl iamente uti l izados para elaborar productos de concreto precolado, tales como bloques para mampostería, canales y postes de bardas. Un producto sintético_ l lamado ferrofósforo puede también util izarse co m o agregado de peso pesado. El ASTM C 632 y el C 637, que cubren las Especificaciones Estándar y la Nomenclatura Descriptiva, respectivamente, de los agrega­ dos para concreto de escudos contra radiación, advierten que el agregado de ferrofósforo, cuando se uti l iza en con­ creto de cemento portland, generará gases inflamables y posiblemente tóxicos q ue pueden desarrol lar. altas presio­ ' nes si e stán confinados. La presencia excesiva · de sulfuro de hierro en la escoria, puede causar problemas de color y 'durabil idad en los productos de . concreto � En ciertas co n diciones el sulfuro puede · convertirse en sulfato, lo qUe no es conveniente desde e i punto de vista del ataque del sulfato al concreto. Las especificaciones británicás l imitan el contenido de áci­ do solubl � 50 3 y el sulfuro y él azufre total en la escoria, a 0.7 y 2 por ciento respectivamente. Los minerales de hierro hidratado y los minerales de boro y las · fritas se incluyen a veces en los agregados para hacer concretos de peso pesado, ya q ue el .boro y el hidrógeno son muy efectivos en la atenuación (captura) de neutrones. Los productos del punzonado del acero, los cortes de varil la de hierro y la granal la de hierro, también han sido i nvesti- Hay que hacer notar que las escorias de alto horno también han sido uti lizadas para la producción de agregados de peso 1 igero, cumpliendo con los requisitos del ASTM C 330 o C 331 . Para este objeto, la escoria fundida es tratada con cantidades limitadas de agua o de · vapor y el producto es l lamado escoria expandida o escoria espumada. . CONCRETO, estructura, propiedades y materiales . . ., 171 Agregados Agregado. de ceniza volante La ceniza volante consiste esencialmente en pequeñas par­ tículas esféricas de vidrio de aluminosilicato, que se produ­ ce por la combustión de carbón pulverizado en plantas de energía térmica. Puesto que grandes cantidades de la ceniza quedan i nutil izadas en muchas partes industrializadas del mundo, se ha intentado util izar . la ceniza para producir agregados de peso ligero. En un proceso típico de industria­ l ización, la ceniza volante es peletizada y después sinteri­ zada en un horno rotatorio cil índrico o en una malla viajera e a temperatura del rango de 1 000 a 1 200° C. . Las variacion s en fineza y en contenido de carbono de la ceniza volante son un gran problema para controlar la cal idad del agregad o de ceniza volante sinterizada. E l agregado de ceniza volante está produciéndose comercialmente en el Reino U n ido. Resistencia a la adherencia de agregado-mortero Agregado, principalmente grava de . concreto antiguo Agregado, principalmente mortero de concreto antiguo Resistencia a la compresión Módulo estático de elasticidad en compresión Resistencia a la flexión Resistencia al congelamiento descongelamiento Coeficiente lineal de expansión térmica Cambios en longitud de especímenes de concreto almacenados durante 28 días a 90% de HR y 23ºC Revenimiento Comparable al de control 55% del de control 64- 1 00% del de control 60-1 00% del de control 80-1 00% del de co'ntrol Comparable al de control · Comparable al de control Comparable al de control Comparable al de control Agregados de concreto reciclado y . desperdicios municipales Fuente: Basado en S.A. Frondistou-Yannas, en Progress in Concrete Te­ chno/ogy, ed. V. M. Malhotra, CANMET, 1 980, pág. 672. · El cascajo de edificios demol idos de concreto produce fragmentos en los que el agregado es contaminado con pa sta de cemento hidratado, yeso y cantidades menores de otras sustancias. Las partículas que corresponden al agrega­ do fino contienen en su mayoría pasta de cemento hidratada y yeso, y son inadecuadas para producir nuevas mezclas de concreto. Sin embargo, las partículas que corresponden al agregado grueso, aunque estén cubiertas con pasta de ce­ mento, han sido uti l izadas con éxito en varios estudios de laboratorio y en estudios de campo. U na revisión de.varios . estudios 1 Indica que, en com paración · con el concreto que contiene l:l íl agregado natural, el concreto de agregado reciclado tendría al menos do� tercios de la resistencia a la compresión y del módulo de elasticidad del primero; y una trabajabi lidad y durabil idad satisfactorias (tabla 7-4) También se han llevado a cabo i nvestigaciones para evaluar los desperdicios municipales de residuos de i ncineradores como fuentes posibles de agregados ·para concreto. El vi­ drio, el papel, los metales y los materiales orgánicos son importantes componentes de los desperdicios municipales. La presencia de vidrio triturado en el agregado tiende a producir mezclas de concreto no trabajables y, debido a su alto éontenido de álcalis, afecta la durabi l idad.a largo plazo y la resistencia. Los metales tales como el aluminio reaccio­ nan con las soluciones alcalinas y causan una expansión excesiva. E l papel y los desperdicios orgánicos, con o sin incineración, causan problemas de fraguado y de endur�ci­ mientO en el concreto de cemento portland. Por lo tanto, los desperdi cios municipales no se consideran adecuados para producir agregados que se utilicen en el concreto estructural. U n obstáculo mayor en el caso de . util izar cascajo como agregado para co n creto es el costo de triturar, graduar, controlar el polvo y separar los componentes indeseables. El concreto reciclado o concreto de desperdicio que- se há triturado puede ser una fuente económicamente factible de agregado, al l í donde los buenos agregados sean escasos y cuando el costo de la disposición de desperdicios se in c luya en el análisis económico . De la obra más grande de concre­ to reciclado para pavimento q � e se haya realizado, el Departamento de Transporte del estado de Michigan infor� mó que rec iclar cascajo de un � iejo pavimento triturándolo, fue má� económico . que uti l izar un . material nuevo (figura 7-2 L . · Tabla 7-4. Comparación de las propiedades del concreto reciclado no contaminado y el concreto de agregado natural de composición similar 1 5.A. Frondistou-Yannas, en Progress in Concrete Technology, ed. V.M. Malhotra, CANMET, Ottawa, .1 980, págs. 639-68. · 1 72 Producción de agregado.s Los depósitos de agregados gruesos del suelo son una buena fuente de arena natural y grava. Puesto q ue los depósitos del suelo usualmente contiene n diversas canti d ades de limo y arcil la, que afectan . adversamente las propiedades tanto del concreto fresco como del concreto endurecido, estos materiales deben separarse por medio de lavado o por cribado en seco. La selección del procedimiento de lavado . o de cribado en el caso del l imo y de la arcil la, influirá notablemente en la cantidad . . de sustancias nocivas del agregado; por ejemplo, los recubrimientos de arci lla no pueden ser removidos tan adecuadamente por medio del cribado en seco como lo son por medio de lavado. CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Agregados (a) (b) (e) Figura 7-2. a) Concreto roto listo para l levarlo al triturador; b) Concreto triturado; c) Terminando el pavimento hecho con concreto ,q ue contiene el agregado de concreto reciclado. (Fotografía por cortesía del Departamento de Transporte del estado de Michigan) En 1 983. La carretera interestatal 94, una de las autopistas más antiguas y más fuertemente utilizadas en Michigan, se convirtió en la primera gran autopista en los Estados Unidos en reciclar el concreto. Una sección deteriorada de pavimento de concreto de 9 km de largo fue rota y des12ués el concreto triturado fue utilizado como agregado en la construcción del nuevo pavimento. El proyecto, que comprendía aproximadamente 1 25,000 m de pavimento de 25 cm ' de espesor, .fue terminado en 4 meses a un costo de aproximadamente 4.5 millones de dólares. En . 1 984, aproximadamente 35 km de pavimento de 7.3 a 11 m de ancho, en las carreteras de 1-75, 1-94 fue reciclado en la misma forma. . General mente, el equ ipo de triturado es una parte de las instalaciones para la producción del agregado, ya que la grava de gran tamaño puede ser triturada y mezclada adecuadamente con el material no triturado de igual tamaño. De nuevo, fa selección del equ ipo' de triturado puede dete rmi nar la forma de las partícu las. Con rocas sedi mentarias laminadas, l os trituradores de mand íbu la y los trituradores de i mpacto, tienden a producir partícu las planas. · La importancia del graduado adecuado del agregado en el costo del conC:reto está en la actualidad tan bien establecida que las plantas modernas d e agregados, sea que produzcan arena y grava o roca triturada, tienen el equipo necesario para realizar las operaciones que comprenden el triturado, limpiado, separación de tamaños y combinación de dos o más fracciones para cumplir con las · especificaciones del cliente. U na fotografía de una planta moderna procesadora de agregados se muestra en la figura 7-3. CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Los agregados sintéticos de peso l igero tales como las arcil las expandidas, las lutitas y la pizarra, se producen por tratamiento cal iente de los materiales adecuados. Trituradas y dimensionadas o mol idas y granuladas, las materias pri­ mas se exponen a temperaturas generalmente del orden de 1 000 a 1 1 00° C, en tal forma q ue una parte del material se funde produciendo un fundido viscoso. Los gases desarro­ l lados como resultado de la descomposición química de algunos de los elementos constituyentes de las materias primas, son atrapados por la sustancia viscosa, expandiendo así la masa de sinterizada. En general, las materias carboná­ ceas o los minerales de carbono son las fuentes de estos gases; los álcalis y otras impurezas en la arcil la o en la pizarra, son los responsables de la fusión a baja temperatu­ ra. El tratamiento por calor generalmente se l leva a cabo en un horno rotatorio de gas o de petróleo, simi lar a aquél los util izados para elaborar el cemento portland. Muchas plan1 73 Agregados Figura 7-3. Vista aérea de una planta de procesamiento de arena y grava: a) Depurador; b) Pila de depósitos de 4 a 1 5 cm; c) Laguna de asentamiento de arcilla y limo; d) Triturador para grandes dimensiones; e) Pila de arena; t) Pilas de grava; g) Mezclado de varias fracciones de grava para su embarque; h) Área de recreación en el sitio de la cantera vieja. (Fotografía por cortesía de Lone Star Industries, lnc., Pleasanton, California). tas saturan al vacío el producto con humedad, antes de entregarlo al cl iente, para. faci l itar un mejor control en la consistencia del concreto fresco. Las propiedades del agregado son fuertemente afectadas por el recubrimiento exterior en las partículas del agregado y en la distribución interna de los huecos. Las plantas modernas de agregado de peso l igero trituran, muelen, mezclan y granulan los materiales para obtener una distribución uni­ forme de 1.os poros finos, lo que es necesario para producir materiales que contengan una alta resistencia a la tritura­ ción. Los recubrimientos vidriosos estables e impermeables tienden a reducir la capacidad de absorción de humedad del agregado, lo que afecta su demanda de agua y sanidad. Características del agregado y su significado Se requiere un conocimiento de ciertas características del agregado (como densidad, granulometría y estado de hume­ dad), para el proporcionamiento de las mezclas de concre­ to (capítulo 9). La porosidad o la densidad, la granulometría la forma y la te�tura de la superficie determinan las propie­ dades · de las mezclas de concreto fresco. Además de la porosidad, la composición mineral d�I agregado afecta su . resistencia a la trituración, su dureza, su módulo de elasti­ cidad y su sanidad, que a su vez infl uyen en varias de las propiedades del concreto endurecido que contenga el agre1 74 gado. A partir de un d iagrama que contiene las distintas interrelaciones, (figura 7-4), es evidente q ue las caracterís­ ticas del agregado de gran significado para la tecnología del concreto se derivan de la microestructura del material, originada por las condiciones previas de exposición y de los factores del procesado. En general, las propiedades del agregado se anal izan en dos partes sobre la base de los aspectos q ue afectan: O Las proporciones de la mezcla, y O El comportamiento del concreto fresco y endurecido. Debido a una considerable superposición entre estos dos aspectos, es más apropiado dividir las propiedades en los siguientes grupos que se basan en factores de microesÚ uc­ tura y de procesamiento: O Características que dependen de la porosidad: densi­ O Características que dependen de la previa exposición de los factores de procesamiento: dimensión de par­ dad, absorción de humedad, · resistencia, dureza, mó­ dulo de elasticidad y sanidad. tículas, forma y textura. O Características que dependen de la compos�ción quí­ mica y mineralógica: resistencia, dureza, m ódulo de elasticidad y sustancias nocivas presentes. CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Agregados ROCA MADRE ANTES DE EXPONERSE A LOS FACTORES DE PROCESAMIENTO MICROESTRUCTURA D °o /DENSIDAD POROSI A � CARACTERISTICAS D E LA PARTJCULA TA AÑO FORMA TEXTU RA '--��-�_��--.... q PROPORCJONAMIENTO DE LA MEZ A DE CONCREIO I / 1 / / COMPOSICION MINERAL / PROPIEDADES DEL CONCRETO FRESCO 1 .-Consistencia 2.-Cohesividad 3 .-Peso unitario RESISTENCIA Al APLASTAMIENTO RESISTENCIA A LA ABRASION MODULO DE ELASTICIDAD SANIDAD PROPIEDADES DEL CONCRETO ENDURECIDO 1 .-Resistencia última 2.-Resistencia a Ja abrasión 3.-Estabilidad dimensional 4.-Durabilidad Figura 7-4. Diagrama que ilustra cómo la microestructura, antes de la exposición y los factores del procesamiento, determina las características del agregado que afectan las proporciones de la mezcla y las propiedades del concreto fresco, así como del concreto endurecido. J?ensidad y densidad aparente Para d imensionar las mezclas de concreto, no es necesario determinar la verdadera densidad de un agregado. Los agregados naturales son porosos; los valores de porosidad hasta de 2 por ciento son comunes para las rocas ígneas intrusivas; hasta 5 por ciento para rocas sedimentarias den­ sas y de 1 .0 a 40 por ciento para piedras areniscas y piedras cal izas muy porosas. Para el proporcionamiento de la mez­ cla, es necesario conocer el espacio ocupado por las partí­ culas del agregado, incl usive de los poros existentes dentro de las partículas. Por lo tanto, la determinación de la densidad aparente relativa, ·que se define como la densidad del material, incluye�do los poros impermeables, es sufi­ " ciente. La densidad aparente relativa para las rocas uti ! iza­ das más comúnmente, está entre 2.6 y 2.7; los valores comunes para granito, roca arenisca y roca cal iza densa, son 2.69, 2.65 y 2.60 respectivamente. Para el proporcionamiento de una mezcla, además de la densidad aparente relativa, se necesitan generalmente los datos del peso volumétrico, que se define como el peso de los fragmentos del agregado que l lenarían una unidad de volumen. El fenómeno del peso vol umétrico.aparece debí� do a que no es posible empacar fragmentos juntos de agregado, de manera que no queden espacios vacíos. El término volumétrico se util iza puesto que el vol umen es ocupado tanto por los agregados como por los huecos. E l peso vol umétrico aproximado d e los agregados comúnmenCONCRETO, estructura, propiedades y materiales te uti lizados en concretos de peso normal, va de 1 300 a 1 750 kg/m 3 . Absorción y humedad superficial En la figura 7-Sa. se muestran varios estados de absorción de humedad en los que una partícula de agregado puede existir. Cuando todos los poros permeables están llenos y no hay partícula de agua en la superficie, se dice qu e el agregado está en una condi ción saturada superficialmente · seca (SSS); cuando el agregado está saturado y hay también una humedad libre en la superfi c ie, el agregado está en una condición · mojada o húmeda. En el caso de agregado secado al horno, · toda el agua evaporable ha sido extraída calentando a 1 00° C. La capacidad de absorción se define como la cantidad total de humedad requerida para l levar a un agregado de la . condición de secado al horno a la condición de SSS; la absorción efectiva es definida como la canti�ad de humedad requerida para llevar a un agregado de la condición de secado al aire a la condición SSS. La cantidad de agua que excede del agua requerida para la condición SSS, es l lamada la humedad superficial. Los datos de la .capac idad de absorción, de la absorción efectiva y de la humedad superficial son necesarios invariablemente para corregir la cantidad de agua y las proporciones del agregado en mezclas de concreto hechas con los fl!ateriales almacenados (capúulo 9.) Como una primera aproxima­ ción, la -capacidad de absorción de un agregado, que es 1 75 Agregados Estado Humedad total Secado al horno Secado al aire Saturado superficie seco Ninguna Menor que la absorción potencial Igual a la absorción potencial Húmedo o mojado o � • • Mayor que la absorción Condiciones de humedad de los agregados (a) e: E :::1 Q) g e: _g co ·c:: a co e: > Q) = Q) co E u Q) Q) .... rn g co ·- e: "O iii Q) Q) -� � e: � o n. Porcentaje de1humedad agregada por masa a la arena seca varillada (b) . Figura 7-5. a) Agregado en varios estados de humedad; b) Incremento de la masa debido a la humedad del agregado fino. Tomado de Design· and Co� trol of Concre­ te Mixtures, 1 3a edición. Portland Cement Associati_on, Skokie, 11 1., págs. 36-37. La figura superior ilustra cómo e/ concepto de condición saturada superficialmente seca (555), es útil para determinar la absorción potencial de la humedad libre en el agregado. La figura inferior muestra que la humedad superficial en el agregado fino puede causar considerable incremento de la masa, lo que varía con la cantidad de humedad presente y con la graduación c;Jel agregado. · fáci l mente determinada, puede uti lizarse comp una . me-:­ d ida de la porosidad y de 1.a resistencia. Normal mente, los valores de la : corrección de la humedad para rocas ígneas i nt_r usivas y rocas densas sed imentarias son muy bajos, pero pueden ser realmente altos en el caso de rocas porosas sed imentarias, agregados de peso l igero y arenas húmedas. Por ejemplo, general mente los valores de la absorción efectiva. de los agregados de la roca: pardusca, la roca arenisca porosa y la pizarra expandida son 1 /2, 5 y 1 O por ciento respectivamente. Las arenas húmedas pueden sufrir de un fenóm e no conoci­ do como abundamiento. Dependiendo de la cantidad de humedad y la graduación del agregado, puede ocurrir un considerable incremento en el volumen de la masa de la arena (Figura 7-Sb) debido aqu� la tensión superficial en la hum�dad mantiene apartadas a l�s partículas. Puesto que la mayoría de las'arenas se entregan en la obra en condición húmeda, pueden ocurrir amplias variaciones en las cantida­ des de . las cargas si el proporcionamiento se hace por volume n. Por esta razón se ha vuelto una práctica normal el proporcionar la mezcla de concreto por peso en la . · mayoría de los paises. 1 76 Resistencia a la trituración, resistencia a la abrasión y módulo de elasticidad La resistencia a la trituración, la resistencia a la abrasión y el módulo de elasticidad del agregado son propiedades interre­ lacionadas, en las que influye grandemente la porosidad. Los agregados de fuentes naturales que se util izan comúnmente para elaborar concretos de peso normal, son generalmente densos y resistentes, por lo tanto raramente · son un factor limitante a la resistencia y a las propiedades elásticas del concreto endurecido. Los valores típicos de resistencia a la trituración y módulo dinámico de elasticidad para la mayoría de los granitos, basaltos, rocas parduscas, pedernales, cuarcita, roca arenisca y rocas calizas densas, están en el rango de 2 1 0 a 3 1 O MPa y 70 a 90 GPa, respectivamente. Con respecto a las rocas sedimentarias, la porosidad varía en un amplio rango y lo mismo sucede con la resistencia ·a la trituración y caracte­ rísticas afines. En una investigación, que comprendió 241 rocas cal izas y 79 rocas areniscas, mientras que la resistencia máxima a la trituración para cada tipo de roca fue del orden de los 240 CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Agregados Mpa, algunas rocas cal izas y rocas areniscas mostraron resistencias a la trituración tan bajas como 96 y 48 MPa,_ respectivamente. Sanidad El agregado es considerado in sano cuantjo los cambios de su vol �men causados por el clima, como los ciclos alterna­ dos de mojado y secado, o de congelamiento y desconge­ lamiento, resultan en el deterioro del concreto. La falta d_e sanidad se muestra generalmente en las rocas que tienen una estructura característica de poros. Los concretos que contienen algunos horstenos; pizarras, rocas cal izas y rocas areniscas, han sido hal lados susceptibles de daño por con­ gelación y por cristal ización de sales dentro de los agrega­ dos. Aunque se uti l iza a menudo la alta absorción de humedad como un índice de falta de sanidad, muchos agregados c� mo la roca pómez y las arcil las expandidas, pueden abs orber grandes cantidades de agua y permanecer sanas. La falta de sanidad está relacionada por lo tanto con la distribueión del tamaño de los poros, más que con la porosidad total del agregado. La distribución del tamaño .d e poros, q ue permite a las partículas del agregado saturarse al mojarse (o a descongelarse· en el caso de congelación), pero evita el fáci l drenado al secarse (o congelarse), es capaz de causar altas presiones hidráulicas dentro del agregado. La sanidad del agregado al desgaste por la acción ambiental es determi nada por el Método C88 del ASTM, que describe un procedimiento estándar para determinar d irectamente la resistencia del agregado a la desintegración al exponerlo a . cinco ciclos de humedecimiento y secado; se util iza solu- Tamaño nominal Tamaño (mallas con Núm. aberturas cuadradas) 2 3 357 4 467 5 56 57 6 67 7 8 90 - 3 7.5 mm 63 - 3 7.5 m m 50 - 25.0 mm 50 - 4.75 mm 3 7. 5 - 4.75mm 3 7.5 - 4.75 mm 25.0 - 4.75 mm 25.0 - 9.5 mm 25.0 - 4. 75 mm 1 9.0 - 9.5 mm 1 9.0 - 4.75 mm 1 2.5 - 4.75 mm 9.5 - 2.36 mm ción saturada de sodio o de sulfato de magnesio para el ciclo de humedecimiento. En el caso de un congelamiento, además de la distribución del tamaño del poro y del grado de saturación como se describe en el capítulo 5, existe un tamaño crítico del agregado debajo del cual no ocurrirán los altos esfuerzos internos capaces de agrietar la partícula. Para la mayor parte de los agregados, este tamaño crítico es mayor que el tamaño normal' de los agregados gruesos uti l izados en la práctica; sin embargo, para algunas rocas pobremente con­ solidadas (como · la roca arenisca, la roca cal iza, los horste­ nos y las pizarras), se considera que este tamaño está dentro del rango de 1 2 a 25 mm. Tamaño y granulometría La granu lometría es la distribución de las partículas de materiales granulares de varios tamaños, que generalmente se expresa en términos de porcentajes acumulados mayores o menores que cada una de las series de tamaños o de aberturas de mal las, o los porcentajes entr� ciertos rangos de aberturas de mallas. Los requisitos de granulometría del ASTM C 33 ( Standar Specification for Concrete Aggregates ) para agregados gruesos y finos, se muestran en las tablas 7-5 y 7-6 respectivamente. Hay varias razones para especificar los límites de granulo­ metría y el tamaño má�imo del �gregado, siendo lo más importante su influencia en la trabajabil idad y en el costo. Por ejemplo, las arenas muy gruesas producen mezclas de concreto ásperas y difíci l mente trabajables, y las arenas rnuy finas incrementan los requisitos de agua (por lo tanto, Tabla 7-5. Requerimientos de granulometría para agregados gruesos Cantidades más finas que cada malla de laboratorio (aberturas cuadradas) 1 00 mm 90 mm 75 mm G3 mm 50 mm 37.5 mm 25.0 mm 19.0 mm 12.5 mm 9.5 mm 4.75 mm 2.36 mm 1.18 mm (No. 4) (No. 8) (No. 16) 1 00 90 - 1 00 1 00 25 - 60 O- 15 90 - -1 00 35 - 70 0 - 1 5 1 00 90 - 1 00 3 5 - 70 1 00 95 - 1 00 1 00 90 - 1 00 95 - 1 00 . 1 00 1 00 1 00 1 00 O- 15 3 5 - 70 20 - 55 0-5 0-5 O- 15 3 5 - 70 90 - 1 00 20 - 55 90 - 1 00 40 - 85 95 - 1 00 1 00 90 - 1 00 1 00 90 - 1 00 1 00 . 0-5 1 0 - 30 0 - 10 1 0 - 40 25 - 60 20 - 55 . 0-5 0-5 1 0 - 30 0-5 O- 15 0-5 0-5 0 - 10 0 - 15 ' 0 - 5 20 - 5 5 0 - 1 0 90 - 1 00 40 - 70 O - 1 5 1 00 85 - 1 00 1 0 - 30 0-5 0-5 0-5 0 - 10 0-5 Fuente: Reimpreso con autorización del 1 991 Annual Book of ASTM Standards, Sección 4, Vol. 04.02, Copyright, ASTM_ 1 9 1 6 Race Street, Philadelphia, PA 1 9 1 03. CONCRETO, estructura, propiedades y materiales 1 77 Tabla Mi. Requerlmlento8 de 11ranulometrfa para 11re11do1i flnofi Milllil . g,� mm - 4.7� mm (No. 4) :LJ6 mm (No. O) 1 . rn mm (No! 1 6) 600 µm (No. JO) JOO µm (No. �O) 1 �O um fNt), 1 00l nan do§ tamaño§ d@ aflrn'1ado �n u n Va§o, �I eont@nido d� Mu�eo§ dl§mlnuy�. · Pornntill@ oye pil§il . Hm � ª = r no 00 =1 ()() ªº = M -�ª � é() - - r n = JO � = rn . . r n� l AflflUal 0()()k ()f A5TM Surndards, S@i;;i;; l ófl 4, V()I , 040�, C()pyri�ht, A5TM, 1 0 1 é Rat;@ 5lf@@l1 Phl lÜd@lph la, PA r n r nJ . . rutmtm R@lmprn§o t;Ofl autmllat;lófl d@ - - lncrnmentan tambl�n el rnqu@rl m l@nto dol c@m�nto para una rnladón dada d@ asualc@m@nto) y rn§ultan antloconó= micas; los asrnsados qu@ no thmen una srnn doflcloncla � exceso de cualqul@r tamaño �n particular, prnducon la§ mezclas parn concrnto m᧠trnbaJabl@§ y @conóm lca§. Ei t��afto mi"lmo del a11re111do @§ dls@ñado cmwonclonal= m�nte · por e l tamaño de la cri ba en l a que qu@da rntonldo el 1 5 por dento o m�s d@ l�s partículas. gn 11ener�I, cmrnto más grande es el tamaño máximo d@I üflrnt1ado, me§ poquo= ña será el árna de la sup�rfld� por un idad de vol umon quo ha de ser cubierta . por l a pastü d� c�monto de una rnlaclón dada de agua/cem�nto. Puesto que el prnclo d�I cemento @s aprnxlmad�mont@ 1 O veces (�n algunos casos hasta 20 v�c�s) mayor qu@ @I prnclo del agrngado, cualquier mün lobrn qu@ ahorrn comonto § I n rndudr lü rnslshmda y lü trnbüJabll ldad d o l concrnto puod� rnsultar en un slgn lflcütlvo b@n@fldo @conóm lco. Adoma§ del costo económico, hay otro§ füctor@§ quo rlt1tm le §Ol@e= dón del tamüño máximo dol a11rn11ado parn umi moida d@ concrnto. De ücuerdo con una rn11la popular @n la lndu§trla de la construcción, �I tamaño máximo d@I at1rnt1ado no deberá ser mayor de u n q u i nto d@ 18 d ln:mn§lón mé§ anfJO§te de la dmbrn en la cual @I conc'rnto ha do colar§o, ni temp.oco deb@rá ser mayor de tres cuürtos d@ le dl§tancla l l brn maxl= ma entrn la varil las de rnfuerio. Puesto quo las partícula§ grandes tienden a prndudr ma§ mlcrn11rl@ta§ @n la lOnB do transición cmtrn el asrnsado gru@so y la paste d@ comonto, en eoncrntos d@ alta rnslstoncla ol tamaño máximo dol asrnsado se l lm ltü sen@rnl m@nt@ ü -1 9 m l l rmetrns. El efecto d@ una variedad de t11m11ños pürn rnduclr ol vol u= men totül de l os huecos @ntrn los üt1rn111dos, puodo domo§= trarse por el m�todo qu@ s@ m u@strn �n 11 fl11urn 7=€Íü. U n vaso d e vidrio d e base plum 1m l lena con piutrculH d � 2 � mm d e tamaño y d � formas rnlatlvam@nt� unlform�§; u n segundo vaso s e l l@nil con una m@zde d e partícula§ d o 2 � y 1 9 mm, abajo d e cada vaso s o tiene una prnb�ta srndwida qu� nos I ndica l a cantidad do 1su1 rnquorldü p1rn l l�mir l o§ vacíos en ese vaso. Resu lttl evidente que cutlndo §O combl= i 1 78 S I mé§ partíeula§ d� vario§ tamaño§, m�nor�§ d@ g m m, §@ asr�11an a la eomb l mmlón d� a8rn�ado§ d@ �� y g mm, r�§u ltaré una mayor rndueelón �n lo§ h u@eo§ . �f1 l a practica, l o§ bajo§.cont@f1 1do§ d� Mu@eo§ pu�d�f1 l o�rar§� uti l iiaf1do aSfefJadO§ JlrUO§O§: §UaV�m@nt@ 1Jredu ad0§1 t;;O f1 prnporciO= no§ ad@euadu d� artma 11raduada ( fl�ura 7=tfü ). Lo§ dat{}§ m u@§trnn qu@ uf1 eont@n ldo tan bajo eomo @§ � 1 por ei@nto §@ obtuvo cuando 40 por ei@f1to d@ l o§ M u@eo§ d� ar@f1a §� m�icló con 11rava d@ l o§ 9 a �B m m . IJ�§d@ @I puf1to d� vl§ta d� la trabaJabl l ldad d@ la§ m�icla§ d� cof1crnto, §� §abª actualm�nt� qu@ �I m�Mr porc�ntaJ� d@ h u�co§ (la d�n§i= dad ma§ alta t>bt�f1 1da @f1 §�eo) eof1 cl�rto§ mat@rial�§, f10 ª§ la mg§ §etl§facto�la; @I cont�nldo ópti mo d� M u@co§ �§ ªfl al su na forma uf1 poct> mayor qu@ @I m@flor po§lbl@. �n I � practlea; un factor @mpfrico l lamado módulo d@ (if1ura §ª utlllla 8 m@f1UdO eomo Uf1 ff1dlc@ d� la fin�la d� Uf1 8W��dg �I mddulo de finura @§ calculado por mooio ,d@ dato§ d@ Ufl en�ll§Í§ d@ (;rlbado, §Umando lo§ pore�ntaj@§ acum.uledo§ d@I aW@BQdo rnt@f11do @n cada uf1a d� le§ erlba§ d� la §@fi� @§p�cifi� cada y dividl@ndo la §Uma @ntrn 1 OO. · La§ (;ribe§ util iiada§ para d@tormlf1ar @I �ódulo d� finura §Om No. 1 QO (1 ªº µm), No. �o (JOO µm), No. �o (600 µm), No. 1 6 (1 , 1 B mm), No. 6 (2.J6 mm), No. 4 (4, 7ª mm), g,� mm, 1 g mm, J 7:� mm y aldn mayor@§ qu@ §O l fler�m@f1tan trn la pmporclóf1 d� 2 a 1 . �f1 la fi11urn 7=7 §@ mu@§h'an @f1 dato§ tabulsdo§, @j@mplo§ d�I mªtooo pare d@t@r= minar @I módulo d@ fif1urn d@ aW�BQdO§ fif10§ d� ti'�§ fu�nt@§ dlf@rnnm§, Junto eof1 uf1a eurva tfplca d@ Waf1ulom�h'fa. Podrª notar§� qu@ cuantt> mg§ alto �§ �I módulo d@ fif1ura, mé§ wuª§º §@fg �I aW@BQdo. , Forma y textura de la �mperñeie La forma y la t�><turn d@ Is §up�rficl� d� la§ partícul a§ dªI a�F@fledo l f1fl uy�n @f1 la§ prnpl�dad�§ d@ la§ m�icla§ d@ concr@to fr@§eo mg§ q u@ (jm �I concr�to �ndurn,(; ldo; eom= parada§ con la§ pertfcula§ t@r§a§ y rndof1d�ada§, la§ d@ t@><turn a§p@fa, ensularn§ y alert1ada§ rnqu l@rnn mil§ pa§ta d� e�m@f1to parn prnduelr m�icle§ d� eonernto trnbaJabl@§, l f1{;f�m@ntando e§í lo§ eo§tO§, La forma §@ rnfl@rn e caract�r f§tlca§ fJ�ºmªtfi(;e§ tal @§ como r@dof1da, 0n11u lar, alar11ada o tm tmj u�la§, La§ partícula§ formada§ por abrn§lón tl@f1d�n a r@dond@ilr8@ pfüd l@ndo §U§ bord�§ y �§q Ui fle§, Le§ arnna§ d�§�a§tada§ por @I vl@ntt>, a§í eomo la ar@na y la 11rnva d@ l a ori l l a d@I mar o d@ lo§ rfo§, tl@fl@ U fla forma �@n@rnlm@f1t@ bl@f1 r@dond�ada. La§ rnea§ l f1tru§IVa§ triturada§ po§�@f1 bord�§ y �§q u i na§ bi@n cl�fi f1 i= do§, §On l lamada§ an1ular@8 y 11trn�ral m�f1t� prnduc�f1 par= tfcula§ ·@qulcllm�n§ionsl�§. La§ rnea§ (;al iia§ l a m l m ida§, la§ 1 11 1ll 4B r=== �félVél �§ § · · (a) 4 � r===== @ • A 4 ·e 8§ §§ frn§ �§ 4§ e§ Pam@ntéljél dél. élfélflél élfl élf:Jfélf:Jéldt=Hi m@i(l l élda§ ( §) fte 1 ee Fi�Yrn 'l=fJ, N@dw��ión @fl @) vªlmlrnfl d@ MY@�§§ el m@!�lef e�f@�ed(}§ fiA§§ y �FY@§§§, (e) f§mecl§ d@ lJ@si n and C:tmtml tJf CtJn<;rnf@ MlxWr@s, 1 Ja. @di�ión, �fütlend e@m@flt A§§@�iati(}fl �k@ki@1 1 1 1., 1 �H. �g�, �j¡ (b) f§mad@ d@ �. Welk@f, elft;Ylaf O, Natl§flal 5and aml Cirnv@I A§§()t;laUm1, 1 fJJO, pi@�fra§ arn fl l§ea§ y l a pliarrn thmd@fl a prnduelr ffaumtmt(}§ a laruad(}§ y @fl forma d� tmju�la§, �§p�elal m�flt� ewrnd(} §� uti l ilafl trituradm�§ d� q u ijada§ para �I prne�§am l�flt(}, Aq u � l la§ partfe u l a§ � fl la§ q u� � I �§p�§m �§ p�q u�fi(} M rnlaeiéfl :e(}fl § U § (}trn§ d(}§ d l m@fl§Í(}fl@§ §(}fl l lamada§ plünH (} d@ hoJ u@IH, m l@fltrn§ qu� l a§· qu� tl�fl�fl U fle lt)fllJitbld e(}fl§id@rnbl�m@flt@ m aym qu@ la§ (}tf8§ d(}§ d i= m@fl§Í(}fl�§ §(}fl l la m ada§ i1lu111dH, Otrn t@r m l fl (} qu� §� uti l iza a l tlU fle§ v�e�§ parn d�§erlblr I s forma d�I aurntlad(} · urn@§(} @§ la @s#@rl�ld1d, q u@ §� d�fl fl @ e(}m(} la rn l aelófl �fltrn � I ªrna·d� l a § Up�rfiei� y � I V(} l um�fl. La§ partfe u l a§ @§f@ri ea§ g bi�fl r�dgfld�ada§ ti�fl�fl baje �sf�rleldad, p@r� l a§ partfeu l a§ a l argadas y t m forma cl� h(}ju� l as p(}§@�fl a l ta @§f@rl eldad, · · �fl la fitlura 2=J §@ m u�§trnfl fot(}tlfBffe§ d� partfeula§ d� Ver Ía§ forma§, lg§ alJrntlad(}§ d@b@rªfl �§ter rnlatlvam�flt� l l brn§ d@ partfeula§ p lafla§ y alartladas, Las partfeulas a larua= da§ y �fl forma d� MvaJa d@b�mifl �vitar§� (} l l m lt�rs� a U fl · mªxim(} d� 1 � p m eltmt(} por p�§(} d� 1 atJrng�d(} total , ht� r@qui§lto �§ i mpmtaflt� flo· §ól ci para �I aBrnBado �ru�so slfl(} tambi@fl p0ra la§ artma§ maflufaeturnda§ (h@ehe§ e(}fl pl�drn trltblfada) qu� e(}fltl�fl�fl �fBfl(}§ alartlado§ y prndue�fl U fl eoflernto m uy ª§pfüg, g La da§lfleaelófl d� hndur1 de 11 Muperflcle qu� s� d�fl n� eomo �I urnd(} �n q w� la suporflelo· dol asrnsttdo �s t�rstt o Éͧp�rn, §� basa �fl U fl Ju lelo vi sutil . Ltt toxtura d� ltt sup�rfld� d�I aBrnsado d�p�·fld� do l a d urnza, tamttño dol srano y d� l a pfü(}§ldad d� hi mea madrn, y do §U §Ub§�eu�nt� �xposl= elófl a· la fu�mis abrasivas. La (}bsld lafla, �I p�d�mal y l as oseorlH donstts m u�stran una t�xturn t�rsa, vldrl(}§a, La arnna, l tts urnvas y �I horstcmo son t�r§a§ �fl su �stado natural , Las metts trituradas tttl �s como �I grafllto, �I basalto y la mea eal lza muostrnn una t�xturn rnuosa. üt mea póm�z, la �§corla �xpandlda y la e�nln volaflt� sl nt�rlzada, m u�strnn una t@xturn d� panal eon porns vlslbl@s. Hay �vldtmela d� qu� a l m@flos d urnnt@ sus �dad@s t@mprn· fla§, la rn§l§tfmela d�I eomnto, partleu l arm�nt� ltt rnslst�n· ele a la fl�xlón, pu�d� s@r af@etada por la t�xtura d�I aur�uaclo; U fla t�xtura m's iisp@ra parne@ ayudar a l a forma· elófl d� U fla adh�rnne;; l a ffslea m4s fu@rt� �ntrn ltt pasta d@ e�mtmto y �I aurnuado. . ' . . A �dad�s post�rlorns, �n qu� hüy um1 ad hcmm d a q u ím ica . mi§ fu�rt� �fltr� la pasta y �I asrnsado, �st� �f�eto pu�d� flO s�r tan . lmport�mt�. · · · 1 79 Agregados Fecha Fuente Peso de la muestra Tamaño de la malla Cálculos de e:ranulometría de a2re2ados 1° de lunio de 1984 A (arena fina oara mezclarla) 455 g o/o Retenido Peso retenido Individual Acumulado o No. 4 8 16 30 50 1 00 200 Charola 2.8 1 0. 1 259.2 1 73.1 5.6 · 3.3 Total 454. 1 o o 1° de lunio de 1984 B (arena oara concreto) 450 g Peso o/o Retenido retenido Individual Acumulado o o o o 0.6 2.2 56.9 38.0 1 .2 0.7 M.F. 100 200 1 00 1 3 60 98 99 1 00 40.5 86.0 94.5 1 35.9 77.0 1 3.5 2.1 1 .62 449.5 50 30 16 o 9. 1 1 9. 1 2 1 .0 30.2 1 7. 1 3.0 0.5 M.F. Malla No. 8 ' 4 % 112 % � � � �._ �C\I 90 o � 2 !!:! 1° de lunio de 1 984 C (arena oara concreto) 456 g Peso o/o Retenido retenido Individual Acumulado o o 9 28 49 79 96 99 1 00 42. 1 1 37.0 1 1 2. 1 84.9 48.8 29.1 1 .0 2.61 . 455.0 o 9.2 30.2 24.7 1 8. 7 1 0.8 6:4 0.2 M.F. o 9 39 64 83 94 1 00 1 00 2.89 o 1" 2" 3" 4" 6" - 10 1---+-- 60 1---l--¡_; ·*- 50 !--+--.¡....__ E � Ql ll. 40 f--+---1---t; 10 f--+--+--4ci o M ci o tO CX) � " ... ....... . Tamaño de abertura, mm (b) � . . . Figura 7-?· �a) Deter m inación del mód ulo de finura utilizando los datos de análisis de mallas de arena C; (b) Curva típica de granulom etría para arena . con los limites de granulometría del ASTM C 33. Sustancias J?.Ocivas Las sustancias nocivas son aquellas que están presentes como constituyentes menores, ya sea del agregado fino o del agregado grueso, pero que son capaces de afectar adversamente la traba­ jabilidad, el fraguado y endurecimiento y las características de durabilidad del eo ncreto. En la tabla 7-7 se presenta una lista de sustancias dañin�s, sus posibles efectos sobre el concreto y los l ímites de la esp�cificación ASTM C 33, sobre las cantidades máximas permi � ibles de tales sustancias en el agregado. 1 80 Además de los materiales que aparecen en la tabla 7-7, hay otras sustancias que pueden ser de efectos noc ivos, produ­ ciendo reacciones químicas en el concreto. Para ambos agregados fino y grueso, el ASTM C 33 requ iere que "el agregado para uso en el · concreto que va a estar sujeto a la humedad, amplia exposición a una atmósfera húmeda '> en contacto con la humedad del suelo, no deber á contener . ningún material que sea nocivamente reactivo con los ál calis del cemento, en una cantidad suficiente para causar una expansión excesiva, y si tales materiales están presentes CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Agregados Tabla 7-7. Límites para las sustancias nocivas en los agregados para concreto Substancia Máximo permitido (% en peso) Agregado fino Agregado gruesoª Efectos dañinos posibles en el concreto Material más fino que de la criba 75 µm (No. 200) Afecta la trabajabilidad: aumenta el requerimiento Concreto sujeto a la abrasión de agua Todos los otros concretos Grumos de arcil la y partículas desmenuzables Afecta la trabajabilidad y la resistencia a la abrasión 3 5 Carbón y lignito Donde la apariencia de la superficie del concreto Afecta la trabajabilidad; causa manchas 0.5 ' es importante Todos los otros concretos Horsteno (menos de 2.4 de densidad relativa) Afecta la durabilidad 5 ª Los l ímites del ASTM C 33 para sustancias nocivas en agregado grueso varían con las condiciones de exposición y el tipo de la estructura de concreto. Los balares mostrados aquí son para estructuras exterio.res expuestas e.n condiciones climáticas moderadas. En el caso de arena fabricada, si el material más fino que la criba de 75 µm consiste en polvo de la fractura, libre esencialmente de arcilla o pizarra, estos límites pueden aumentar a 5 y 7 % respectivamente. Fuente: Reimpreso con autorización del 1 991 Annual Book of ASTM Standards, Sección 4, Vol. 04.02. Copyright; ASTM, 1 9 1 6 Race Street, Philadelphia, PA 1 91 03. · {01..5}0 · Características · · Tabla 7-8. Prúebas estándar ASTM para las características de los agregados Significado Resistencia a la abrasión y a la degradación Indice o calidad del agregado; resistencia al desgaste de pisos, pavimentos Resistencia al congelamiento . · y descongelamiento Escamado de la superficie, aspereza, pér­ dida de sección y aspecto desagradable Resistencia a la desintegración por sulfatos . Forma de partícula y textura de la superficie Granulometría Sanidad contra el desgaste por el clima Trabajabilidad del concreto fresco Peso volumétrico Densidad Trabajabi l idad del concreto fresco; economía Cálculos del diseñodela mezcla; clasificación Cálculos del diseño de la mezcla Absorción y humedad superficial Control de calidad del concreto Resistencia a la compresión y a la flexión Aceptabilidad de los agregados finos que fallaron en otras pruebas Definiciones de los constituyentes Claro entendimiento y comunicación Constituyentes del agregado Determinar cantidad de materiales nocivos \ y orgánicos •. Resistencia a la reactividad. con. los álcalis y al cambio · de volumen Sanidad contra el cambio de volumen Designación de la prueba* , · Requerimiento o tema reportado ASTM C 1 3 1 ASTM C 535 ASTM C 779 \ ASTM C 666 ASTM C 682 ASTM C 88 ASTM C 295 ASTM D 3398 ASTM C 1 1 7 ASTM C 1 36 ASTM C 29 ASTM C 1 27, agregado fino ASTM C 1 28, agregado grueso ASTM C 70 ASTM C 1 27 ASTM C 1 28 ASTM C566 ASTM C 39 ASTM C 78 ASTM C 1 25 ASTM C 294 ASTM C 40 ASTM C 8i ASTM C 1 1 7 ASTM C 1 23 ASTM C 1 42 ASTM C 29S, ASTM C 227 ASTM C 289 ASTM C 295 ASTM C 342 ASTM C 586 · Porcentaje máximo de pérdida de peso. Profu ndidad de desgaste y tiempo. Número máxi'mo de ciclos o período de i n m u nidad al congelam iento; factor de durabilidad Pérdida de peso; partícu las que exhiben deterioro Porcentaje máximo de piezas planas y alargadas Porcentaje mínimo y máximo que pasa por las cribas estándar Peso compactado y peso suelto Resistencia a exceder 95 % de la r e s i ste n c i a l ograda c o n arena purificada Porcentaje máximo de coñstituyentes individUales M á x i m o c a m b i o en l o n gi t u d, c o n st i t u ye n te s y cantidad de síli ca y a l ca l i n idad * La mayoría de las pruebas y características están referidas en el ASTM C 33. CONCRETO, estructura, propiedades y materiales 181 · @n eantldad@§ p@rJudlelal@§, @I alJf@IJadt> pt>drit §@f U§adt> eon un e�m�ntt> .{lu� et>ntt:m 11a m�nt>§ d@ 0.6 por eltmtt> d� 41eal ls o aBrnB4ndol@ un mat@rlal qu@ §@ nsya prnbadt> qu� @vita la @xpan§lón dañ i na d@blda a l a r@aeelón aleal l§=aBf@= 11aclo". �n @I eap ftu lo � §@ pr@§@nts Ufls d@§erl pelófl d@ Is r�aeelón 41ea l l s=aurn11ado, qu@ l flel - uy@fl Ufla l l§ts d@ lo§ 01r@9odos ffütetlvo§. Los sulfurns d� n l@rrn, �sp@elal m�flt@ la marea§lta, pr�§�nt�§ @n el@rto§ eurnsados, ílafl sido ílal l ado§ eomo lo§ eau§aflt�§ d@ rnaeeloMs @xpaflslvas. �n @I ambl@flt@ saturado d@ eal d@I eofler@to d@ e@m@flto portland, lo§ §Ulfurn§ r@�"etlvo§ d� nl@frn pu�d@n oxldaf§@ y formar sulfato f@ff0§01 {l U� eaU§a ataqu� d@ los sulfatos al eoner@to y eorrnslón d�I ae�rn @mb@bldo. Los aurn11ado§ eofltamlflados eofl y@§o o eofl otrns sulfatos §olubl@§ tal@s eomo @I §UlfÜto d� maBfl�§lo, � I sulfato d@ sod io o @I sulfato d@ pota§l o, tambl�fl orlsl nafl ataqu� por sulfato§. R�el@flt@mtmt@, � §@ eomu fl learnfl eo§OS d@ fo l l a d�I eonernto al frnuuaf§@, @n do§ plantas fabrl eont�§ d@ bloqu@§ tm �I §Uf d@ Irlanda. � I prnbl@ma fu@ atribu ido a la pr�§�nela d@ eantldad@s sl1n lfl eatlvos d� plomo y zlne (la m�yorfa @fl la forma d@ sulfurns) @n @ I a11r@t1ado d@ eal elta. �§tO§ blt>qu@§ qu� fal l ornn al fra�uar eont@n fan 0. 1 1 por el�nto o mªs d� eompu�stos d� plt)mo, o O. 1 � por el�flto o m4§ d@ eompu@§= tos d� zlne pór p�so d� e�íler@to. Las sal�s sol ubl@s cl� plomo o zlne §Oíl rntardant�§ d@ tal fueria en la n ldrataelón d@I e@m@nto portland, ·qu@ lo§ eonerntos @xp@rl m�ntal�s n�eno§ eon mu@§trn§ d� alJf��ado eontam l mido fel l arnn �n �I d@sarrnl lo d� eualqu i@r rn§l§t@n= ele cl�§Jfüés d@ trns d fa§ d@ ¿urndo. D�btmí notars@ qu@ los prnblemn �n �I fra�uedo y �n �I �ndurnelml�nto d@I eon= ernto him�l@n pu�dtm §�f eausado§ por lmpurnza§ füfJÁ íl l= eas �n �I af]rn9aclo, tal�rn eomo mat@r lal d@ V@f]@tal@s d�seompu�stos qu� pu@dan @ster pr@stmt@s tm la forma d@ l l mo oru@n leo o humus. Métodos para probar las · .características del agregado �stá fu�rn d�I aleone� d@ @st@ t�xto d@serlblr @n d�ta l l @ los m@todos d� pru@ba Usados para l a @Val uaelón d@ la§ eafae= t�rfstleH d�I af]rnBttdo. S i n @mbafBO, s� prnstmta eomo rnf@rnnele �n la tabl a 7=8, una l l§ta d@ lo§ m�toclos d@ pru@ba d�I ASiM parn d@t�rm l nar varia§ earnet@rfstl ea§ d@I aBrnfla= do, l nel uy@fldo @l sl11nlfleaclo d@ las pru@btt§. � Cont;FtW� Confüut;f/on, emm@t€! eon§trni;;t lofl �u�lii;;a tion§, lfli;; , , Vol, �� No. 4, r nn, PilG. � � 7. 1 82 Pruebe su conocimiento ,1 . · El e1Jf@1JedtJ @n @/ etJner@ttJ @�· m@ntJspr@eiedtJ etJmtJ un "r@ll@ntJ lnM@ ". Exp//qu@ ptJr qu@ @s @rrónf!ltJ f!lstf!l punw d@ viste. 2. ¡Cu�/ @s le dlf@fflnele @nfffl /tJs t@rmlntJs mees y mln@rel@sf Eserlbs un lnfmm@ etJlltJ stJbffl Is lnflu@nels d@I pme@stJ d� fmmedtJ d@ la mee @n les earaet@rfstleas d@I e1Jffl1JedtJ d@rlvedtJ d@ la mes. En @sp@elal @xp//qu@ fJtJf qu@: a) ltJs baselws1 qu@ StJn @n 11@nf!lrel d@ 1JfsntJ fintJ tJ vldrltJstJ, ntJ stJn r@aetivtJs e /tJs �lea/Is; b) las mees ea//ies tl@nd@n e fmmar panfeu las pis mm d@ efJf@jedtJ¡ e) la mea póm@z @s útil para la pmdueelón d@ 0 jr@11adtJ d@ ¡J@SfJ //fJ@ffJ, · J. ¡ Qu@ seb� ust@d ae@res d@ las sl11ultmt@s meas y mln@ra= l@s: dtJ/tJmlte1 mea parda, p@d@ma/1 ópaltJ, p/afJitJehm�, @sm@etlta y marees/te r 4. Eserlbs ltJs ranfJtJS tfpietJs d@ /tJs p@stJs unlteritJs d@I e1Jffl1JedtJ pera prtJduelr etJner� w d@ p@stJ li11@m1 etJner@= ttJ d@ p@stJ nmmal, tJ etJner@ttJ d@ p@stJ. p@sadtJ. J Qu@ tlptJs d@ a1Jff!l1JedtJs naWral@s tJ sim@tletJs s@ utiliian pare pmdueir b/tJqu@s d@ mamptJst@rfa d@ p@stJ li11@m y para · etJner@ttJ alslant@; ¡ qu@ tlptJs d@ mln@ral@s nawral@s stJn ótiJ@j para pmduelr a1Jf@1JadtJs d@ p @stJ p@sadtJr 5. LJst@d @s @l ln11@nl@rtJ e/vil s eaffJtJ d@ la r@hsbilitaeión d@ 0/11untJs pavlm@nws d@ etJner@ttJ · @n ·su 'ªff!ls. En une brnv@ ntJta s sus sup@ritJr@s1 snslle@ @/ @qulptJ qu@ s@ n@e@sita, ltJs etJnst/W y@ntf!ls ntJe/vtJs qu@ s@ d@b@n @viter y @/ etJsttJ @etJnómietJ si utiliiar @/ etJner@ttJ triwradfJ d@ /tJs Vif!ljtJs pavim@nttJs etJmtJ fu@ntfil d@ sfJff!llJadtJs para le etJnstrueelón d@ nu@vtJs pavim@mm. · �. J C::ómtJ Sf!l hae@n /tJs 011rn11adtJs d@ areillas @xpansivas, e@nlia v©hmtfil y @setJr/s d@ alttJ htJmtJf J C:uªl@s stJn al11unas d@ las earset@rfst/t;as mªs int@rnsantf!ls d@ ltJS pFtJduettJS f 7. En t@entJ/tJfJfa d@I etJnernttJ, J qu@ dlstlneión Sfil haef!l @ntr@ @I t@rm/ntJ d€msidad y d@nsidsd dtil masa r C::tJ n la ayude d@ ertJquls ad@euad©s, @xpliqu@ /tJs t@rmintJs si11ui@nt@s y snslle@ su sl11nlf/e0dm fitpseldad d@ sbstJrelón, etJndl= elón sawrads sup@rflelalm@ntfil s@e01 etJndlelón Mm�= da. B. J C::u ál filS la eause -d@I f@nóm@ntJ d@ sbundami@nttJ y qu@ pap@l /ut!l1Ja @/ mlsmtJ @n la práeOea d@ la @lsbtJraelón d@I etJnernttJr �. M@neltJn@ tr@s earaet@rfstleas d@I a1Jf@tJadtJ d@I etJner@ttJ y anal/e@ sus influ@neiss tsnttJ @n las pFtJfJ/f!ldad@s d@I etJnernw frnsetJ etJmtJ @n @/ etJnerf!lttJ @ndur@eldtJ. ' � r- ' r n. Afia/le@ br@v@m@m@ las slgultmt@s fJftJptJs/elofl@s: e) La d@midad y la filpaeldad d@ ebsmeldfl sofl bu@fltJs ifldieadm@s d@ la ealldad dfjl atJFt�tJado. b) La rnslst@fleie a le ulwreeldfl d@ Ufl etJF@tJedo pu@d@ ttm@r Ufle lflflU@flela lmpmtam@ @fl le r@slst@mHa a le , eomw@sidfl d@I eofler@to. � LJsafldo atJF@gedo d@ mlfl@ral@s flaWral@s, @I p@so vtJlum@uieo d@ eofler@to d@ eallded @struewrel pu@d@ J variar @mr@ 1, �tW y 31 :W() kglm d) Los pmos qu@ sofl m@flm@s qu@ 4 mieras tm @I agr@gedo pu@d@fl eoflv@rtlrs@ @fl erftieem@m@ seWrados, 11 = e) Si @I p@so volum@uleo pm varllledá @fl s@eo d@ Ufl J egr@gedo @s 1, �IW kglm y su d@flsldad r@latlva @s 2.�51 d@t@rmlfl@ @I eoflt@flldo d@ lw@eos. /J) LJfla mu@stra d@ arnfla p@se 5()() g y 4/J() tJ @fl eofldl= eiófl "tal eomo fu@ r@eiblda " y s@eede al homo r@sp@etl= vam@m@, SI la eapaeldad d@ absmelófl d@ la af@fla @s d@ 1 'M, ealeul@ @I pore@ma/tj d@ la hum@ded 11/Jr@, � A partir d@ ltJs datos slgul@m@s d@ Ufle mu@stra d@ egr@gado gru@so, ealeul@ la d@mldad r@latlva d@ la mese SSS: = P@so @fl etJfldlelófl SSS = 2.5 kg = fJtjSfJ @fl eofldieiófl d@ s@eado el homo = VUJ k11 P@so bajo @I ague = 1 . 5 7 kg · = 12, D@fifle lm t@rmlflos gnmultJm@trfa y t�maño mªxlmo d@I 0gr@gadtJ1 eomo s@ utllllefl @fl la t@�fltJlogfe d@I etJfler@W, J Qu@ rnmid@n�elorms etJmmlafl la s@l@eelófl d@I tamaño mªximo d@I atJF@tJado d@ ufl etJF@tJado @fl @I eofler@Wr Afia/le@ las ralOfl@s d@ pm qu@ s@ @sp@elfleafl /tJs lfmit@s d@ tJFaflulom@trfa, 13. Supofli@fldo qu@ la traba/abllldad d@I eofler@ttJ "º ti@fl@ eofls@dJ@flelas, s@rfa fl@e@sarla la ar@fla @fl las m@zelas d@ etJfler@Wr J C:uªI @s @I sigfllfleedo d@ módulo d@ flflura r Caleul@ @I módultJ d@ fiflura d@ er@fla eofl los sigul@m@s ª"ª//sis d@ erlba · = P@so r@t@flldo @fl la erlba NtJ, IJ1 g = 3() 1 = P@so r@ttmldo M la erl/Ja No, 1 6, tJ = 70 1 = P@so r@ttmldo @fl la erlba No. 3()1 tJ = 1 25 = P@so rnt@flldo @,, la erlba Nt:J, MJ1 tJ = 13 � = P@so r@t@flldo @fl la erl/Ja No. 1 ()()1 tJ = 1 W = P@so r@t@flldtJ tm la erl/Ja No. :WO, tJ = W J ESta af@fla tJS ad@euada para la @labmaG!tifl d@ etJflCf�= Wf 1 4. é:{m la ayuda d@ los ernquls ad@euadt:Js, @xpllqu@ lt:Js t@rmlflos @sf@r/Gldad, parUeulas plaflas y partfeulas afl= gular@s, Exp//qu@ etimtJ la t@xWra de la sup@rflel@ d@I atJffltJado flflo pu@d@ lflflulr M las prnpl@dad@s d@I eofl= Gf@tO, 1 5. Cuando s@ @fleU@fltnm /Jf@Stmt@s eomt:J susumelas flOGI= vas @fl los agr@qados dtJI eoflertHo, Jetimo los sl11ulMt@s mat@rlal@s af@eum las prnpl@dad@s d@I et:mer@W: grumos d@ arel/la, llmo, sulfum d@ zlfle, y@so, humus? . Su¡erenclas para estudio complementarlo lílf@fffi@ d@I �tlmlt@ A�I �m 1 "{luid@ foF U§@ t}f NOfmal W@l�ht A��f@�at@§ iíl �tlílernt@", M::t MafWal tJf C:tJfltfft@f@ Ptatfffitff@, Paff 1, H UHJ, ASiM, Sigf1ifitffa f1tff@ tJf i@fü afld PmpMi@s tJf C:tJfltfff@f@ afld C:tJfltfff@f@ MakinN Maf@tiaf§, nf} 1 M=A, 1 9M, pá�§. 3nM 1 � . A�TM, �l�11ifiea11e@ tlf T@§t§ aíld f}rnp@fti@§ tlf �tl11ernt@ aíld �tmernt@ Maklíl� Mat@Flal§, nP 1 t!fMJ, 1 g7n, pá�§. 5j!}=7é 1 , DtJlaF Mamua11i, l., l=lafldbtJtJk tJf C:tJfltfft@t@ Aggt@Raf@§, Noy@§ Publ lea= titlíl§, 1 964. OrnhaFcl, D.F., "Pmp@ffi@§ afld i@sfiflg tJf Aggr@gat@s, C:mwrnt@ i@tffh fltJ= /tJgy", Vtll . 1 !}76. J, Jtlhíl Wil@y & �{)íl§, l11e. (Hal§t@§d Pnm), Nu@va Vmk PtJptlvie§, �., C:tJfltfff@f@=Making Mat@tia/§, MeClFaw= H l l l Oot:)k �ompany, 1 97�, pá�§. UMM. 1 8l Capítulo 8- Aditivos Presentación La comprobación de que las propiedades del concreto, tanto en el estado fresco como en el endurecido, pueden modificarse al agregar ciertos materiales a las mezclas del concreto, fue la causa del gran crecimiento de la industria de los aditivos para concreto en los últimos 40 años. Cientos de productos de este . tipo están siendo comercializados en la actualidad y en algunos países no es raro que 70 80 por ciento de todo el concreto producido contenga uno o más . aditivos; por lo tanto, es real mente importante que los ingenieros civiles se familiaricen con los aditivos común­ mente usados, así como con sus aplicaciones y l imitaciones típicas. Los aditivos varían en su composición, desde surfactantes, sales solubles y pol ímeros, hasta minerales insol ubles. Los objetivos para los cuales son general mente usados en el concreto incl uyen mejorar la trabajabil idad, la aceleración o el retardo del tiempo de fraguado, el control del desarrol lo de la resistencia, el aumento de la resistencia a la acción congelante, al agrietamiento térmico, a .la expansión por álcali-agregado y a las sol uciones ácidas y sulfatadas. Se describen en este capítulo las clases más importantes de aditivos para concreto, sus características físico-qu ímicas, sus mecanismos de acción, sus aplicaciones y sus efectos laterales. Significado ASTM C 1 25 define un aditivo como un material distinto del agua, los agregados, los cementos hidráulicos y el refuerzo de fibra, util izado como un i ngrediente del concre­ to o del mortero y q ue se _agrega a la mezcla inmediatamente antes o d urante el mezclado. El I nforme del Comité ACI 1 2 1 2 da una l ista de 20 aplicaciones importantes en las cuales se uti l izan los aditivos; por ejemplo, para aumentar la plasticidad del concreto sin aumentar el contenido de 1 Comité ACI 2 1 2, "Admixtures far Concrete", Concr. lnt., Vol. 3, No. 5, págs. 2 4 5 2 , 1 98 1 . agua, para reducir el sangrado y la segregación, para retar­ dar o acelerar el tiempo . de fraguad �, para acelerar la velocidad del desarrollo de la resistencia a edades tempra".' nas, para reducir la vel ocidad de la evo i ución de calor y para incrementar la durabilidad del concreto en condicio­ nes específicas de exposición. La comprobación de que importantes propiedades del concreto, tanto en el estado fresco como en elestado endurecido, pueden s�r modifica� das ventajosamente por la aplicación de aditivos, d io tal impulso a la industria de éstos que en 20 años después del inicio del desarrol lo de la industria en los cuarenta, cerca de 2 75 productos d iferentes fueron comercializados en I nglaterra y 340 en Alemania. 2 En la actual idad, la mayor parte del concreto producido en algunos países contiene uno o más aditivos; se informa que aditivos químicos se agregan al 88 por ciento del concreto colado en el Canadá, al 85 por ciento en Australia y al 71 por ciento en los Estados . Unidos. Nomenclatura, especifi_c aciones y clasificaciones Los aditivos varían ampliamente en su composición química más de una función; por lo tanto, es difícil clasificarlos de acuerdo · con sus funciones. Las sustancias químicas uti l izadas co m o aditivos pueden gene­ ralmente ser divididas en dos tipos. Algunas comienzan a actuar en e l sistema agua-cemento instantáne·a � ente, influ­ yendo en la tensión superficial del agua y adsorbiéndose en la superficie de las partículas de cemento; otras se descom­ ponen en sus constituyentes iónicos y afectan las reaccioí)eS químicas entre los componentes del cem e nto y el agua durante varios minutos o varias horas después de. haber sido agregados. Otros materiales finamente molidos e insol u­ bles, ya sea provenientes de fuentes naturales o como subproductos de - algunas industrias, también se uti l izan como aditivos. El efecto físico de la presencia; de estos y muchos de ello_s realizan 2 R. C. Mielenz, Concr. lnt., Vol. 6, No. 4, págs. 40-53, 1 984. - CONCRETO, estructura, propiedades y materiales 1 85 Aditivos aditivos en el comportamiento reo lógico del concreto fresco se hace aparente inmediatamente, pero l leva varios d ías o varios mese.s el que los efectos químicos se manifiesten. Las sales solubles y los pol ímeros, tanto los agentes tensioac­ tivos como los otros, son agregados al concreto en muy pequeñas cantidades, principalmente con el objeto de in­ troducir aire, para el incremento de la plasticidad de las mezclas de concreto fresco, o para controlar el tiempo ·de fraguado. Al incrementar la plasticidad del concreto es posible ya sea incrementar la consistencia sin incrementar el contenido . de agua, o reducir el contenido: de agua mientras se mantiene una consistencia dada. Por lo tanto, en los Estados U nidos las sustancias químicas para dar plasti cidad s on l lamadas aditivos reductores de agua. . ASTM cuenta con espec ificaciones por separado para sus­ tancias químicas inclusoras de aire y para reducir agua y/o para el control del fraguado. La ASTM C 260, Standard . SpecifiCation : for Air-Entraining Admixtures for Concrete, ' establece ! ímites en el efecto que u n aditivo dado, · bajo prueba, pueda ejercer en el sangrado, tiempo de fraguado, resistenci�s a la comprensión y a la tensión, retracción por secado y resistencia al é:ongelamiento-descongelamiento del concreto, en comparación con un aditivo in c lusor de aire de referencia. La ASTM C 494, Standard Specification for · Chemical Admixtures for Concrete, divide a las sustan­ ci as • quí� icas reductoras . de agua y/o para controlar el fraguado, en los siguientes siete tipos: Tipo A, reductor de aire; Tipo B, retardante; Tipo C, acelerante; Tipo D, reducfor de agua y retardante; Tipo E, reductor de agua y acelerante; Tipo F, reductor de agua de alto rango; y Tipo G, reductor de agua y retardan!e de alto rango. La diferencia entre los tipos normales (A, D y E) y los agentes reductores de agua de alto rango, estriba en que, en comparación con la mezcla de concreto de referencia de una consistenciá dada, los primeros de�erán ser capaces de reducir por lo menos 5 por ciento del agua y los últimos por lo menos 1 2 por ciento del agua. La especificación también establece l ímites en el tiempo · de fraguado, resistencias a la comprensió n y a la . flex i ón y en la retracción por secado. Los aditivos minerales generalmente se agregan al concreto en grandes· cantidades. Además de la reducción de los costos y el aumento de la trabajabil idad del concreto fresco, pueden emplearse cori éxito para mejorar : la resistencia del concreto al agrietamiento térmico, contrarrestar la expan­ sión álcali-agregado y los ataques de los sulfatos. Los mate� riales de puzolana natural y los su b productos industriales como la ceniza volante y la escoria, son los aditivos mine­ rales más comúnmente usados. Nuevamente, ASTM cuenta con clasificaciones separadas que cubren las puzolanas naturales y las cenizas volantes por un lado y la escoria de 1 86 fierro de alto horno por el otro. La ASTM C 6 1 8, Standard Specification for Fly Ash and Raw or Calcined Natural Pozzolan for Use as a Mineral Admixture in Portland Ce­ ment Concrete, cubre las tres siguientes clases de aditivos minerales: Clase N, puzolanas naturales o calcinadas tales como las tierras diatomáceas, los horsten6s opalinos . y las l utitas, turbas y cenizas volcánicas o pumicita y los materia­ les calcinados como las arcil las y las l utitas; Clase F, ceniza volante general mente producida por la quema de carbón de antracita o bituminoso; Clase C, ceniza volante general­ mente producida por la quema de l ignito o de carbón subbituminoso (además de ser puzolánica, esta ceniza vo­ lante también es cementante). La especificación establece l ímites en· la fineza, requeri­ miento de agua, élCtividad puzolánica, sanidad y constitu­ yentes qú ímicos. Hay entre otras, serias objeciones a la ASTM C 61 8 por los arbitrarios requisitos químicos que no han probado tener relación con el comportamiento de los áditivos minerales en el concreto. La ASTM C 989, Standard Specification for Ground /ron Blast-Furnace Slag for Use in Concrete and Mortars, es una nueva norma, afortunadamente libre de los pesados requi­ sitos físicos y químicos. A diferencia de la ASTM C 61 8, esta norma toma la decisión de que cuando u n material cumple con la especificación de comportamiento, no deberá haber mayor necesidad de especificaciones prescrip�ivas. En el centro de la ASTM C 989 se hal la una -p rueba de la actividad de la escoria con el cemento portland, con la . que se pretende graduar las escorias con base en su contribución · a i a resistencia de Una mezcla de cemento portland con escoria. De acuerdo con este método de prueba, la activi­ dad de la escoria es evaluada determinando l a resistencia a la compresión tanto del mortero de cemento portland como de morteros hechos co n la misma cáhtidad de una co mbi­ nación en peso de proporción 50-50, de escoria y de cemento portland. Se calcula un índice de resistencia como el porcentaje de la resistencia entre el mortero de cemento portland con escoria y el mortero de cemento portland. La especificación comprende tres grados de resistencia de la escoria de fierro de alto horno finamente granulada y mezclada para su uso como material cementante: Los grados 80, 1 00 y 1 20 corresponden a un índice de resistencia mínima de 75, 95 y 1 1 5 por ciento en los morteros curados a los 28 d ías. Los grados 1 00 y 1 20 también tienen un requisito de índice de resistencia a los 7 d ías. Puesto que rio hay una clasificación i nd ividual que cubra todos los aditivos para concreto y con el fin de presentar una descripción detallada de su composición, su mecanisCONCRETO, estructura, propiedades y materiales Aditivos Acido abiético Figura 8-1 a) Fórmula de un surfactante típico inclusor de aire derivado de aceite de pino o de un alto procesamiento de aceite; b) Mecanismo para introducción de aire cuando un surfactante aniónico con una cadena de hidrocarburo no polar se agrega a la pasta de cemento. (Adaptado de P.C. Kreijger, en Admixtures, The Construction Press, 1 980). mo de acción y sus aplicaciones, se han agrupado aqu í en las tres siguientes categorías: O O O Sustancias químicas tensioactivas, Sustancias químicas para control de fraguado, y Aditivos minerales. Sustancias químicas tensioactivas Nonienclatura y composición Las sustancias químicas tensioactivas, también conocidas como surfactantes, comprenden los aditivos que general­ mente son usados para incl usión de aire o para reducción de agua en las mezclas de concreto. Un aditivo inclusor de aire se define como un material que se util iza como ingre­ diente del concreto con el propósito de introducir aire; un aditivo reductor de agua es un aditivo que reduce la cantidad del agua de la mezcla requerida para producir un concreto de una consistencia dada. Los aditivos tensioactivos consisten · esencialmente en mo­ léculas orgánicas de cadena larga, un extremo de la cual es hidrofílico (atrayente de agua) y el otro es hidrofóbico (repelente del agua). E l extremo hidrofíl ico contiene uno o más grupos polares tales como COO-, S03 -, o N H 3 + . En la tecnología del concreto, la mayoría de los aditivos anióni­ cos se util izan ya sea con una cadena no polar o con una cadena que contiene varios grupos polares. El primero sirve como aditivo inclusor de aire y el segundo como aditivo CONCRETO, estructura, propiedades y materiales reductor de agua. Como se expl ica más adelante, los aditi­ vos tensioactivos son adsorbidos en las entrecaras aire-agua y cemento-agua, con una orientación de la molécula que determina si el efecto predominante es el de la inclusión de aire o de plastificante del sistema cemento-agua. Los surfactantes uti lizados como aditivos inclusores de aire generalmente consisten en sales de resinas de madera, material proteináceo y ácidos de P,etróleo y algunos deter­ gentes sintétkos. Los surfactantes uti l izados como aditivos plastificantes son generalmente sales, modificaciones y de­ rivados de ácidos l ignosulfónicos, ácidos carboxíl icos hi­ droxilatados y pol isacáridos, o cualquier combinación de los tres anteriores, · con o sin otros constituyentes subsidia­ rios. Los superfluidificantes o aditivos reductores de agua de alto rango, que se analizan más adelante, consisten en sales sulfonatadas de formaldehídos condensados de mela.,. mi na o de nafta! i na. Mecanismo de acción Surfactantes inclusores de aire. La fórmula química de un surfactante inclusor de aire típico, que consiste en una cadena no polar de hidrocarburo con un grupo polar a nió­ nico, se muestra en la figura 8-1 a y el mecanismo de acción se i lustra en la figura 8-1 b. Lea describe los mecanismos por medio de los cuales se introduce aire y se estabi liza cuando se agr�ga un s � rfactante al sistema cemento-agua: "En la entrefase aire-agua, los grupos polares son orientados hacia la fase · agua disminuyendo la tensión superficial, promoviendo la formación de 1 87 Aditivos CH 2 COOH 1 JH2COOH HO-C-COOH Acido cltrico COOH 1 H-C-OH H o- - H H-C-OH 1 H-C-OH 1 CH20H { Acido glucónico Unidad repetida de un pollmero de lignosulfonato (a) Molécula con grupo polar aniónico en la cadena de hidrocarburo (b) Después Antes (e) Figura 8-2. a) Fórmulas de surfactantes típicos utilizados como aditivos reductores de agua. Estos son hidrocarburos que contienen grupos polares aniónicos; b) Cuando un surfactante con varios grupos polares aniónicos en la cadena del hidrocarburo se agrega al sistema cemento-agua, la cadena polar es absorbida en la superficie de la partícula de cemento. Asi, no sólo la tensión superficial del agua es disminuida, sino que también las partículas de cemento se vuelven hidrofílicas; c) Representación diagramática de la formación de grumos de partículas de cemento antes de que se agregue el surfactante reductor de agua y dispersión de los grumos después de la adición que se agregue el agua. (Adaptado de P.C. Kreijger, en Admixtures, The Construction Press, 1 980). burbujas y contraatacando la tendencia de las burbujas dispersadas a fundirse. En la interfase sólido-agua, en donde existen las fuerzas directivas en la superficie del cemento, los grupos polares se adhieren al sólido con los grupos no polares orientados hacia el agua, haciendo hidrofóbica la superficie del cemento, de manera que el aire puede desplazar al agua y permanecer unido a las partículas del sólido como burbujas. 3 cular unida por hidrógeno) y en segundo, las partículas de cemento tienden a congregarse y formar grumos ( la fuerza de atracción existe entre las aristas cargadas positiva y negativamente, en las esquinas y en las superficies, cuando los minerales cristalinos o los compuestos están molidos finamente). En la figura 8-2c, se muestra un d iagrama rep­ resentando tal sistema floculado. Surfactantes reductores de agua. Las fórmulas de los tres Cuando un surfactante con una cadena hidrofílica se agrega al sistema cemento-agua, la cadena polar es adsorbida a lo largo de la partícula de cemento; en l ugar de d irigir un extremo no polar hacia el agua, en este caso el surfactante dirige un extremo polar, disminuyendo así la tensión super­ ficial del agua y haciendo a la partícula de cemento hidro­ fílica (figura 8-2b). 11 surfactantes típicos plastificantes se muestran en la figura · 8-2a. Se puede notar que, en contraste con los surfactantes inclusores de aire, en los plastificantes el . grupo polar anió­ nico está unido a una cadena de hidrocarburo que en sí es polar o hidrofílica (es decir, varios grupos OH están presen­ tes en la cadena). Cuando una pequeña cantidad de agua · se agrega al cemento, sin la presencia del surfactante no se . logra · un sistema bien dispersado porque, en primer lugar, el agua posee una alta tensión superficial (estructura mole3 F .M. Lea, The Chemistry of Cement and Concrete, Chemical Publishing Company, lnc., Nueva ew York, 1 971 , pág. 596. 1 88 Como resultado de las capas de agua dipolar que rodean a las partículas de Cemento hidrofílico, su floculación es evitada y se obtiene un sistema bien dispersado, (figura 8-2c). CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Aditivos Aplicaciones Aditivos inclusores de aire. La ·aplicación más importante de los aditivos i nclusores de aire es en las mezclas de concreto diseñadas para resistir a los ciclos de congelamien­ to y descongelamiento (capítulo 5). U n efecto lateral de la inclusión de aire, es mejorar la trabajabil idad de las mezclas de concreto, en particular de aquél las que contienen menos cemento y agua, agregados de textura áspera, o agregados de peso ligero. La inclusión de aire es por lo tanto usada comúnmente para elaborar mezclas de �oncreto masivo y mezclas de peso l igero. Puede notarse que ya que los surfactantes inclusores de aire hacen hidrofóbicas las partí­ culas de cemento, una sobredosis del aditivo causaría un retraso excesivo en la hidratación del cemento. Igualmente, como ya se ha expl icado, las grandes cantidades de aire incluido serían acompañadas de una correspondiente pér­ dida de resistencia. Aditivos reductores de agua. Los objetivos obtenidos con la aplicación de los aditivos reductores de agua se i lustran por los datos de la tabla 8-1 . E l concreto de referencia sin aditivo alguno (Serie A) tenía un contenido de cemento de 3 300 k8/m y una relación agua/cemento de 0.62; el concre­ to fresco mostró un revenimiento de 50 mm. y el concreto endurecido mostró resistencias de 25 y 3 7 MPa a 7 y 28 días respectivamente. Con la Serie de Pruebas B, el objetivo era el de incrementar la consistencia de la mezcla del concreto de referencia, .sin agregar más cemento y agua. Esto fue fáci lmente logrado al incorporar una cierta dosis de aditivo reductor de agua. Tal método es útil cuando el concreto ha de colarse en seccio­ nes fuertemente reforzadas y por medio de bombeo. Con la Serie de Pruebas C, el objetivo era el de lograr resistencias a la compresión más altas, sin incrementar el . contenido de cemento o reducir la consistencia de la mez­ cla del concreto de referencia. La incorporación de la misma dosis del aditivo reductor de agua como e n la Serie B, hizo posible reducir el contenido de agua en aproximadamente 1 O por ciento (de l 8 6 a 1 68 kglm 3 ) mientras se mantenía el revenimiento de 5 cni. Como resultado de la reducción en la relación agua/cemento, la resistencia a la compresión a los 7 d ías se incrementó de 25 a 34 MPa y la resistencia a :os 28 días, de 3 7 a 46 MPa. Este procedimiento puede ser necesario cuando las especificaciones de la obra l imitan la relación máxima agua/cemento, pero requieren el desarro­ l lo de una alta y temprana resistencia. La Serie de Pruebas D, demostró cómo la adición del aditivo reductor de agua hizo posible un ahorro de cemento del 1 0%, siri comprometer ni la consisteneia ni la resistencia de la mezcla de concreto de referencia. Además de la econo­ mía en el costo, tal ahorro de cemento puede ser de importancia cuando la reducción del incremento de la temperatura en el concreto masivo es la meta principal. Deberá notarse por la descripción anterior de los beneficios que resultan de la apl icación de aditivos reductores de agua, que los tres benefi c ios no estuvieron disponibles al mismo tiempo. El período de efectividad de los surfactantes es más bien limitado porque poco tiempo después de que se inician las reacciones de hidratación entre los componentes del ce­ mento portland y el agua, grandes cantidades de productos tales como la etringita comienzan a formarse. Los produc�os de la hidratación del cemento engloban la pequeña canti­ dad del surfactante presente en el sistema. De esta manera la temperatura ambiente, la finura y la composición del cemento, especialmente el C3 A, e! S0 3 y los contenidos de álcalis, que controlan la velocidad de la formación de etringita, pueden tener efecto en las interacciones cemen­ to-aditivo. Obviamente, la cantidad o concentración del aditivo en el sistema también determinará el efecto. Gran­ des cantidades de un aditivo de las que se necesitan nor­ malmente para plastificar o reducir agua, pueden retardar el tiempo de fraguado al evitar la floculación de los produc­ tos de la hidratación (formación de l igas). Así, dependiendo de la dosis, la mayoría de los sLirfactantes pueden servir simultáneamente ·como reductores de agua y. como retar­ dantes del fraguado. Los reductores de agua industrial pue­ den contener agentes aceleradores para compensar la Tabla 8-1 . Beneficios logrados con el uso de aditivos reductores de agua Serie de prueb.as A Contenido de cemento (kg/m 3) . Relación agua/cemento Concreto de referencia (sin aditivo) 300 0.62 Una dosis dada de aditivo reductor de agua se agrega con el propósito de: B Incrementar la consistencia 300 0.62 e Incrementar la resistencia 0.56 300 D Ahorrar cemento 270 0.62 Resistencia a la compresión (MPa) 28 días 7 días Revenimiento (cm) 37 5 25 10 5 5 26 38 34 46 25.5 3 7.5 Fuente: Basado en Concrete Admixtures: Use and App/ications, de P. C. Hewlett, ed. M. R. Rixom, The Construction Press, Londres, 1 978, pág. 1 6. Con au torización de Longman. CONCRETO, estructura, propiedades y materiales 1 89 Aditivos (a) (bl Figura 8-3. a) Microfotografía de partículas de cemento floculadas en una suspensión de cemento portland-agua sin aditivo presente; b) Microfotografía del sistema después de que se ha dispersado con la adición de un aditivo superfluidificante. (Fotografía por cortesía de M. Collepardi, Universidad de Ancona, Italia) tendencia retardante cuando no se desea. Parece que con la excepción del retardo posible del tiempo de fraguado, otras propiedades mecánicas del concreto no son afectadas por la presencia de los agentes reductores de agua; de hecho, las resisten cias tempranas pueden ser aceleradas en cierta forma debido a una mejor d ispersión de las partículas del cemento en el agua. Igualmente, algunos aditivos reductores de agua, especial­ mente aquél los que se derivan de productos de l ignina, son conocidos como considerables incl usores de aire; para evitar este problema, los aditivos comerciales a base de l ignina, generalmente contienen agentes expulsores de aire. Ya que los productos comerciales pueden contener muchos ingredientes desconocidos, siempre es conveniente hacer una investigación de laboratorio antes de usar un aditivo nuevo o una combinacion de dos o más aditivos. Superfluidificantes Los superfluidificantes, también l lamados aditivos reducto­ res de agua de alto rango, debido a que son capaces de reducir tres a cuatro veces el agua en una mezcla dada de concreto, en comparación con los aditivos reductores de agua normales, fueron desarrol lados en los setenta y ya han encontrado una amplia aceptación en la industria de la construcción con concreto. Consisten en surfactantes anió­ nicos de cadena larga y alto peso molecular (20,000 a 30,000), con un gran número de grupos polares en la 190 cadena de hidrocarburos. Cuando es adsorbido en las par­ tículas de cemento, el surfactante imparte una fuerte carga negativa, que ayuda a disminuir consi.derablemente la ten­ sión superficial del agua circundante, e incrementa grande­ mente la fl uidez del sistema. Comparados con los aditivos normales reductores de agua, relativamente grandes canti­ dades de superfl uidificantes, hasta de 1 % por peso de cemento, pueden incorporarse en las mezclas del concreto sin causar un sangrado excesivo ni retardar el fraguado, a pesar de tener una consistencia del orden de 200 a 250 mm de revenimiento. Es probable que el tamaño coloidal de las partículas de cadena larga del aditivo obstruyan el sangrado del agua, que fl uye en los canales del concreto de manera que generalmente no se encuentre segregación en los con­ cretos superfluidificados. La excelente dispersión de las partículas del cemento en el agua (figura 8-3) parece acele­ rar la velocidad de hidratación; por lo tanto, raramente se observa el retardo; en su lugar, la aceleración del fraguado y del endurecimiento es un hecho común. De hecho, la primera generación de superfl uidificantes adquirió una mala reputación por la rápida pérdida de consistencia o revenimiento. Los productos d isponibles actualmente, con­ tinenen a menudo l ignosulfonato y otros materiales retar­ dantes, con el fin de compensar la r�pida pérdida de la alta consistencia lograda inmediatamente después de agregar el . aditivo. En comparación con el 5 a 1 O por ciento de reducción de agua que se logra por la aplicación de aditivos ordinarios plastificantes, se pueden lograr reducciones de agua en ·el CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Aditivos Tabla 8-2. Eiemplos de altas resistencias iniciales que se hicieron posibles con el uso de aditivos superfluidificantes Prueba A Concreto de referencia (sin aditivo) Concreto de la m isma consistencia que A pero con un conteni d o menor de ·agua y 2% de super­ fluidificante por peso del cemento e Concreto de la misma relación agua/cemento que 6, pero que no contiene un superfluidificante y tiene un reveni m iento más bajo 6 Contenido de cemento (kg/m3) Relación agua/cemento Revenimiento . (cm) 360 0.60 22.5 1o 21 32 45 360 0.45 22.5 20 35 43 55 360 0.45 3 16 28 37 52 rango del 20 al 25 por ciento en el concreto. de referencia sin reducir la consistencia. El incremento de las propiedades . mecarncas (como las resistencias a la compresión y a la tensión) es en general atribuido a la reducción en la relación agua/cemento. Fre­ cuentemente, debido a una velocidad mayor de hidratación del cemento en el sistema bien d ispersado, los concretos que contienen superfluidificantes muestran resistencias a la compresión aún mas altas a 1, 3 y 7 días, que los concretos de referencia que tienen la misma relación agua/cemento (tabla 8-2). Esto es de especial importancia en la industria del concreto prefabricado,' · en donde se requieren altas resistencias tempranas para un retiro más rápido del cim­ brado. Al uti l izar contenidos de cemento más altos y rela­ ciones de agua/cemento mucho menores de 0.45, es posible lograr v� locidades de desarrol lo de resistencia aún más rápidos. E n el capítulo 1 1 se presenta una descripción de las propiedades y algunas aplicaciones recientes de ' concreto superfl uidificado. ' Sustancias químicas para control del fraguado Nomenclatura y composición Además de los tipos de surfactantes descritos, hay un gran número de sustancias q u ímicas que pueden util izarse como aditivos retardantes; por otra parte, hay sustancias químicas que pueden acelerar el tiempo de fraguado y la velocidad de desarrollo de resistencia en edades iniciales. Resulta interesante q ue algunas sustancias quimicas. actúen como retardantes cuando se les uti liza en pequeñas cantidades (por ejemplo, 0.3 por ciento por peso de cemento), pero en · grandes dosis (por ejemplo, 1 por ciento por peso de cemento) se comportan como acelerantes. , Forsen 4 fue el primero en presentar un an á lisis comprensivo de la acción de los aditivos químicos en el fraguado del 4 L. Forsen, Proc. lnt. Symp. on Chemistry of Cements, Etocolmo, pág. 298. CONCRETO, estructura, propiedades y materiales 1 983, · Resistencia a la compresión (MPa) 1 día 3 días 7 días 28 días cemento portland. Dividió a los retardantes en varios gru­ pos, de acuerdo con el tipo de curva obtenido cuando el tiempo de fraguado inicial fue trazado contra la concentra. ción del retardante en el sistema. · U na versión mod ! ficada de la clasificación de Forsen, que cubre a ambos, tanto retardantes como acelerantes, se muestra en la figura 8-4. También se muestran en la figura las composiciones de las sustancias químicas comúnmente usadas eri cada c lase. Mecanismo de acCión · Se acepta generalemente ahora, que por lo menos las reacciones iniciales de los compuestos del cemento port­ land con agua son una sol ución completa; es decir, los compuestos primero se ionizan y después los hidratos forman una sol ución; Debido a su solubilidad limitada, la hidratación de productos se cristal i�a; los fenómenos de la rigidización, el fragu.ado y el endur�ci � iento de las pastas de cemento portland son derivados . de la cristalización progresiva de los productos de la hidratación. Por lo tanto, es razonable asumir que al agregar ciertas sustancias quími­ cas solubles · al sistema de cemento portland-agua, uno puede ser capaz de influir ya sea en la velocidad de ioniza­ ción de los componentes del cemento, o en la velocidad de cristalización de los productos de hidratación, afectando consecuentemente las características del fraguado y del endurecimiento de la pasta de cemento. · De acuerdo con Joisel, 5 la acción de las sustancias químicas que controlan el fraguado del cemento portland puede atribu irse principalmente a la disolución de los constituyen­ tes anhidros, más que a la cristal ización de los hidratos. Para entender el mecanismo de aceleración o de retardo, es úti l considerar un hidratamiento de la pasta de cemento como compuesto por ciertos aniones (silicato y aluminato) y cationes (calcio), siendo la solubil idad de cada uno depen­ diente del tipo y concentración del ácido y de los iones base presentes en la sol ución. Puesto que la mayoría de los 5 A. Joisel, Admixtures for Cement, publicado por el autor, 3 Avenue Andre, 95230 Soisy, France, 1 973. 191 Aditivos cu ·u :s o "O ro ::i C'l .§ Q) "O o c. E Q) ¡.= Concentración del aditivo aditivos químicos se ionizarán en agua al agregarlos al . sistema cemento-agua, es posible alterar el tipo y la concen­ tración de los constituyentes iónicos en la fase de solución, infl uyendo así en la disolución de .l os componentes del cemento, de acuerdo con los siguientes l ineamientos pro­ puestos por Joisel: 1 . U n aditivo acelerante debe promover la disolución de los cationes (iones de calcio) y los aniones del cemento. Puesto que hay varios aniones que disolver, el acelerante deberá promover la disolución del constituyente que tiene la menor velocidad de disolución durante el perío­ do de la hidratación inicial (como los iones de silicato). 2. U n aditivo retardante deber impedir la disolución de los cationes de cemento (iones de calcio) y los aniones, preferiblemente ese anión que tiene la más alta velo­ cidad de disol ución durante el pe ríodo de la hidrata­ ción i n icial (por ejemplo los iones de aluminato). 3. La presenLia de cationes monovalentes en solución (es decir K + o Na + ) reduce la solubilidad de los iones de ca2 + pero tiende a promover la solubilidad de iones de silicato y de aluminato. En concentraciones pequeñas, el primer efecto es el dominante; en grandes concentracio­ nes, el segundo efecto se vuelve dominante. · 4. La presencia de ciertos aniones monovalentes en solu­ ción (como cr, N03 -, o S042l reduce la solubi lidad de sil icatos y aluminatos, pero tiende a promover la solubi.;. lidad de los iones de calcio. En pequeñas concentrad� nes, el primer efecto es el dominante; en grandes concentraciones, el segundo efecto se vuelve dominante. Por lo anterior se puede concluir que el resultado total cuando un aditivo químico es agregado a un sistema de cemento portland-agua, será determinado por un número de efectos tanto complementarios como opuestos, que son dependientes del tipo y concentración de iones proporcio­ nados por el aditivo al sistema. Con pequeñas concentra­ ciones (de 0.1 a 0.3 por ciento por peso de cemento) de las sales de bases débiles y de ácidos fuertes (como CaCli), o 192 Figura 8-4 Clasificación y composición de sustancias quím icas para el control del fraguado: Clase 1: CaS04 2 H 2 0; Clase 11: CaCl 2 , Ca( N 0 3 ) 2 ; C l as e 1 1 1 : K1C03 NaC0 3, NaSi0 3 ; Clase IV: ( 1 ) Surfactan­ tes con grupos polares en la cadena de hidrocarburos (como gluconatos, lignosul­ fonatos y azúcares), (2) Sales sódicas de . ácido fosfórico, bórico, oxálico o hidro­ fluórico, (3) Sales de zinc o de plomo; Clase V: Sales de ácido fórmico y trietano­ lamina. bases fuertes y ácidos débiles (como K1C0 3 ), el retardo de la solubilidad de iones de calcio y de aluminato del cemen­ to, es el efecto dominante más que la aceleración de la solubilidad de los iones de silicato; por lo tanto, el efecto total es el de retardo. Con gra � des concentraciones (como de 1 por ciento o más) de estas sales, los efectos acelerantes de los iones en sol ución en los iones del sil icato y de aluminato del cemento, se vuelven más dominantes que los efectos retardantes; así, es posible para la misma sal cambiar su papel y volverse un acelerador en l ugar de un retardador (figura· 8-4). Debe hacerse notar q ue el CaCli, de 1 a 3 por ciento por peso de cemento, es el acelerador más común"'.° mente usado para concreto simple. El yeso (CaS04 2 H 2 0) es una sal de base débil y un ácido fuerte, pero no muestra el fenómeno de reversión del papel retardador-acelerador en el tiempo de fraguado del cemento, cuando la cantidad de yeso agregado a una pasta de cemento portland es incrementada gradualmente. Esto es debido a que la solubilidad del yeso en agua es baja (2g/Í itro a 20 ºe ). Hasta que los iones de sulfato de yeso entran en solución, no serán capaces de acelerar la solubilidad del calcio de los com­ puestos del cemento. Con la remoción gradual de los iones de sulfato en . la sol ución debido a la crital izac ión de los hidratos de sulfoaluminato calcio (principalmente etringita), más yeso entra en sol ución; esto tiene u n efecto benéfico en la hidratación de C3 S y por lo tanto en la velocidad de desarrollo de la resistencia. Sin embargo, en l ugar de yeso, si una gran ca ntidad de sulfato se introduce en u na forma altamente soluble (como estuco o hemihidrato), tanto el tiempo de fraguado como las resistencias iniciales serán aceleradas. Se espera que los ácidos orgánicos de bajo peso molecular y sus sales sol ubles, que son débi lmente ácidas, sirvan como aceleradores debido a su habilidad para promover la solu­ ción de iones de calcio de los comp ú estos del cemento. En realidad, el formato de calcio y el ácido fórmico, HCOOH, son aceleradores, pero otros ácidos con largas cadenas de CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Aditivos Cloruro de calcio en � .s:: 6 5 Fraguado final Fraguado inicial .g 4 ro :J gQ) 3 "O 2 o "O .g 1 Q) a. 1 o 1 1 0.5 1 % 1 1 1.5 2 1 1 o . 0.5 1 1 1 1.5 1 2 de cloruro de calcio . 1 1 1 7 3 28 Período de curado, días (b) (a) Figura 8-5. a) Efecto de agregar cloruro de calcio en el tiempo de fraguado del cemento portland; b) Efecto de agregar cloruro de calcio en la resistencia a varias temperaturas de curado. (De V.S. Ramachandran, en Progress in Concrete Techno/ogy, ed. V.M. Malhotra, CANMET, Ottawa, 1 980, págs. 421 -45). hidrocarburos, general mente actúan como retardantes al contraatacar las formaciones de adherencia entre los pro­ d uctos de h idratación. La trietanolam i na, N (CH 2 CH 2 0H) 3 , es otro producto químico orgánico, que en pequeñas cantidades (0. 1 a 0.5 por ciento) se uti liza como un ingrediente acelerador de algunos aditivos reductores de agua, por su habilidad para acelerar la hidratación de C3 A y la formación de etringita. Sin embargo, la trietanolamin � .,, ­ tiende a retardar la hidratación C 3 S y por lo tanto reduce la velocidad de desarrol lo de la resistencia. Ambos acelerantes orgánicos juegan un papef importa nte en aplicaéiones de concreto presforzado y concreto reforzado, en donde el uso de aditiV? S ac_e lerantes que contienen cloruro es considera­ do inconveniente. Los aditivos químicos que figuran en la Clase IV (figura 8-4), actúan como retardantes poderosos por otros mecanismos que los analizados anteriormente. Los suHactantes, tales como los gluconatos y los l ignosulfonatos, ·actúan como retardantes retrasando la formación de la adherenci a entre los productos de hidratación; otros reducen la solubil idad de los constituyentes anhidros del cemento al formar pro­ ductos insol u b les e impermeables alrededorde las p a rt ícu­ las. Las sales sódicas de ácidos fosfórico, bórico, oxál ico, e hidroflu órico son solubles, pero las sales de calcio son altamente insol ubles y, por lo tanto, se forman rápidamente en la vecindad de las partículas de cemento que se están hidratando. U na vez que se han formado recubrimientos insol ubles y densos alrededor de las partículas de cemento, la hidratación · subsecuente d isminuye cánsiderablemente. CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Los fosfatos se hallan comúnmente presentes como ingre­ dientes de aditivos comerciales retardantes de fraguado. Aplicaciones Aditivos·acelerantes. De acuerdo con el informe del Comité Atl "2'1 2: Los aditivos acelerantes s"Ü n úti les para ·modificar las propiedades del concreto de cemento portland, especial­ mente en agua fría para: ··a . Facil itar el comienzo de las operaciones de acabado y cuando es necesario, la apl icación de aislamiento para protección; b. Reducir el tiempo requerido para el curado adecuado y para la protección; . c. I ncrementar la velocidad del desarrollo de la resisten­ cia inicial de manera a permitir una remoción tempra­ na de cimbras y la rápida apertura de la con'strucción para util izarla; y d. Permitir un sel lado eficiente de filtraciones co-ntra presiones h idrául icas. 6 Puesto que el doruro de calcio es, con mucho, el acelerador mejor conocido y más ampl iamente util izado, los efectos de adiciones de CaC' 2 2H 2 0 en cantidades de 0.5 a 2.0 por ciento en peso de cemento. Los tiempos de fraguado y las resistencias relativ�s a la compresión se muestran en la 6 Com i té ACI 2 1 2, Concr., lnt. Vol . 3, No. 5, págs 24�25, 1 981 . 1 93 Aditivos No. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 . 14 Tabla 8-3. Algunas de las propiedades afectadas por el uso de aditivo de cloruro de calcio en el concreto Propiedad Efecto general Observaciones Reduce el fraguado inicial y final. Fraguado La norma ASTM requ iere que los tiem pos de fraguado inicial y final ocurran por lo menos 1 hora antes con respecto al concreto de referencia. Aumenta sign i ficativamente la resistencia a la La norma ASTM requiere un incremento de por lo Resistencia a la compresión compresión en los 3 primeros días de curado (la menos 1 25% sobre el concreto de control a 3 días. ganancia puede ser de entre 30 y 1 0 0 %). De 6 a 1 2 meses, el requerimiento es solamente 90% del espécimen de control. _Una disminución ligera a los 28 días. · · Resistencia a la tensión Este valor puede variar dependiendo de los Una disminución de aproximadamente 1 0% a los Resistencia a la flexión materiales y del método de curado. La disminución 7 días. puede ser mayor a 28 días. Un incremento de aproximadamente 30%:a las 24 La cantidad total de calor en tiempos más largos es Calor de hidratación · casi la misma que la desarrollada por el concreto de . horas. referencia. Puede contrarrestarse por el uso de cemento Tipo V Resistencia a los ataques por sulfatos Se reduce. con inclusión adecuada de aire. Se agrava. · Reacción álcali-agregado Pt1ede ser co n trolada con e l uso d e cemento bajo en puzolana. No causa problema en el concreto reforzado normal El aditivo de cloruro de calcio no deberá usarse en Corrosión si se toman las precauciones adecuadas. La dosis no concreto presforzado o en un concreto que contenga deberá exceder 1 .5% de CaCli y proporcionando un una combinación de metales no similares. Algunas recubrimiento adecuado. No deberá utilizarse en especificaciones no permiten el' uso de CaCl 2 en .concreto que contiene una combinación de metales concretos reforzados. no similares o donde existe la posibilidad de corrientes eléctricas dispersas. Incrementados. Retracción y flujo Se observó un incremento del O al 1 5%. Cambio de volumen Resistencia al daño por congela- Mejoró la resistencia inicial. A edades posteriores puede ser menos resistente miento y descongelamiento al congelamiento. Mejoró en las edades iniciales. Impermeabilidad Módulo de elasticidad Aumentó a edades iniciales. En períodos largos casi el mismo con respecto al concreto de referencia. Se redujo . Sangrado . .. Fuente: V.S. Ramachandran, in Progress in Concrete Technology, ed. V. M. Malhotra, CANMET, Ottawa, 1 980, pp. 42 1 -450 tes para permitir la colocación adecuada y el acabado y evitar los daños y los efectos acelerantes por las altas temperaturas. figura 8-5. Las propiedades del concreto tal como sori afectadas por el uso de cloruro de calcio se resumen en la tabla 8-3. Aditivos retardantes. De acuerdo con el Comité ACI O 2 1 2, son de importancia en la construcción las siguientes aplica­ ciones del retardo en el fraguado. O Co m pensación por condiciones de una temperatura ambie nte adversa especialmente en cl ima cal iente. Se ha l levado a cabo un exte nso uso de aditivos retardan- Control del fraguado de grandes unidades estructura­ les para mantener al concreto manejable d urante todo el tiempo de colocación. Esto es de importancia espe­ cial para eliminar juntas frías y discontinuidades en grandes unidades estructurales. También el control del fraguado puede evitar el agrietamiento de vigas de concreto, plataform?S de puentes y _construcción com- Tabla 8-4. Efecto de la aplicación del aditivoª ASTM tipo D en el tiempo de fraguado y en la resistencia Dosis de aditivo Tiempo de fraguado (horas) (ASTM C 403) por peso de cemen­ Final . Inicial to (litros/kg) Relación agua/cemento 4.5 8 1 1 .5 0. 68 0.61 0.58 o 0.1 4 0.21 13 16 Resistencia a la compresión (MPa) 3 días 28 días 7 días 20.3 · 28.0 . 29.6 28.0 36.5 40.1 3 7.0 46.8 49.7 ª De acuerdo con la ASTM C 494, los aditivos tipo D son tanto retardantes como reductores de agua. Fuente: Basádo en Aditivos de Concreto: u ;o y Aplicaciones, P. C. Hewlett, éd. M. R. Rixom, The Construction Press, London, .1 978, pág. 1 8. Por autorización de Longman. · 1 94 · · CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Aditivos Tabla 8-5. Efecto de la aplicación de un aditivo ASTM tipo D en la consistencia a altas temperafüras del ambiente Prueba Concreto de control (sin aditivo) Concreto con aditivo . Concreto de control (sin ad itivo) . Concreto con aditivo Revenimiento del������ concreto (mm) �������Tempera�ra amb�n� tc> ������������� 5h o 1h 2h 3h 4h 32 57 38 20 1 27 76 89 1 02 70 1 14 57 127 20 1 27 o o o 7 1 14 57 43 43 1 27 70 25 19 13 O · ·· · Fuente: Basado en Concrete Admixtures: Uso y Aplicaciones, P. C. Hewlett, ed. M. R. Rixom, The Construction Press, Londres, 1 978, pág. 1 8. Por autorización . de Longman. no uti l iza el potencial de estos materiales · puzolánicos y cementantes. Por medio de un adecuado control de calidad, grandes cantidades de muchos subproductos industriales pueden incorporarse al concreto, ya sea en la forma de cemento portland mezclado o como aditivos minerales. Cuando las propiedades puzoJ ánicas y/o cementantes de un material son tales que puede usarse como sustitución par­ cial de cemento portland en el concreto, esto da como resultado un ahorro significativo de energía y de costos. puesta, debido a la deflexión de la cimbra por movi­ mientos asociados con la colocación de las unidades . adyacentes. El ajuste de la dosificación a lo largo de la· colocación puede permitir que varias partes de una unidad, por ejemplo una gran viga postensada, alcan­ ce el nivel dado de resistencia i nicial en aproximada­ mente el mismo tiempo. El efecto de agregar un aditivo ·retárdante y reductor de agua (Tipo D, ASTM C 494) en el tiempo de fraguado y la resistencia del concreto, a temperatura normal, se muestran en la tabla 8-4. La efectividad del aditivo para mantener el concreto en una condici9n trabajable durante largos perío­ dos, a una temperatura más alta que la temperatura ambien­ te, se i lustran en la tabla 8-5. El mecanismo por el cual la reacción puzolánica ejerce un efecto benéfico en las propiedades del concreto permanece el mismo, i ndependientemente de si un material puzolánico ha sido agregado al concreto en la forma de u n aditivo mineral o como un componente de los cementos portland mezclados. Por la descripción de la reacción puzolánica y las propiedades de los cementos mezclados del capítulo 6 (página 1 50 ) es claro que los beneficios de la ingenieria que han de derivarse del uso de aditivos minerales · en el concreto, incl uyen una resistencia mejorada al agrietamien­ to térmico debido al menor calor de hidratación, una mejo­ ría de la resistencia última, y la impermeabi l idad debido al refinamiento de los poros y (como resultado de una alcali­ .n idad reducida) una mejor d urabi lidad ·contra los ataques químicos como son los · del agua sulfatada y contra la expansión de la reacción álcali-agregado. Aditivos minerales Significado Los aditivos minerales son materiales de sílice finamente divididos que se agregan al concreto en relativamente grandes ca ntidades, · generalmente en el rango de 20 a 1 00 . por ciento p or peso de · cemento portland .. Aunque las puzolanas en estado natural o después de una activación térmica se han estado usando en algunas partes del mundo; debido a razones de economía muchos subproductos indus­ triales se están volviendo rápidamente l a fuente principal de aditivos minerales en el concreto. Las unidades gerteradoras de energía 7 que util izan car b ón como combustible y los h ornos metalúrgicos que producen \ fierro 1aciado, metal de sil icio y aleaciones . de ferrosi lido, son la fuente principal d e. subproductos q ue se está� produ­ ciendo a . razón d e m i llones de toneladas cada año en muchos páíses industrial iz?dos. Tirar a la basura estos sub­ productos representa un desperdicio del material y causa serios problemas de contaminación ambiental. Disponer de ellos como agregados para el concreto y en la construcción de bases d.e pavimentos de carreteras, es de poco valo� pues 7 Los hornos generadores de energía que l!tilizan_cáscara de arroz c� mo . combustible se han desarrollado; bajo condicio nes controladas de com� bustión prod.ucen una ceniza altamente puzolánica. · · CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Clasificación r�. Algunos aditivos min erales son puzolánicos (com o la ceni­ za volante de bajo contenido de cal c io), algunos son . ce­ mentantes (como la escoria granulada de alto horno), mie n tras que otros son tanto cementantes como púzoláni­ cos (como la �eniza vol�nte de alto contenido de calcio). U na clasificación de aditivos minerales de acuerdo con sus características puzolánicas y/o cementantes,. se muestra en la tabla 8-6. Esta tabla también contiene una descripción de la composición mineralógica y las características de las partículas, ya que estas dos propiedades, más que la com­ posición química o la fuente del material, determinan el efecto de un aditivo mineral en el comportamiento · del concreto que contiene el aditivo . 1 95 ' Aditivos · Tabla 8-6. Clasificación, composición y características de las partículas de aditivos minerales para concreto Clasificación Cementantes y puzoli;lnas Composición química y mineralógica Escoria granulada de alto horno La mayoría de . los silicatos de vidrio que • contienen principalmente calcio, magnesio, aluminio y sílice. Los (cementante) compuestos cristalinos del grupo de melitita pueden estar presentes en pequeña cantidad. Ceniza volan·te alta en calcio (ce­ Principalmente silicato de vidrio que contiene sobre todo calcio, magnesio, aluminio y álcalis. La poca cantidad de mentante y puzolánica) materia cristalina presente consiste generalmente en cuarzo y C3A; cal libre y pericl ása pueden estar presen tes; CS y C4A3S pueden estar presentes en el caso de carbones de alto azufre. El carbón no � uemado �s generalmente menor de . 2.%. 1 Puzolanas altamente activ�s Humo de sílice condensado. Ceniza de cáscara de arroz. Características de las partículas El material no procesado es del tamaño de la arena y contiene 1 O a 1 5 % de humedad. Antes de usarse es secado y molido en partíc ulas menores a 45 µm (generalmente cerca de 500m 2/kg Blaine). Las partículas tienen textura áspera. Polvo correspondiendo 1 O a 1 5% a partículas mayores de 45 µm (generalmente 300-400 m 2/kg Blaine). La mayoría de las partículas son esferas sólidas menores de 20 µm de diámetro. La superficie de las partículas es generalmente suave pero no tan limpia como en las cenizas volantes bajas en calcio. · Consiste esencialmente en síl ice puro en forma no Polvo extremadamente fino que consiste en esferas sólidas cristalina. de 0.1 µm de diámetro promedio (aproximadamente 20 m 2/g de área de superficie por adsorción de nitrógeno). Consiste esencialmente en· síl ice püro en forma no Las partículas son generalmente menores de 4 � µm pero cristalina. son altamente celulares (aproximadamente 60 m /g de área de superficie por adsorción de nitrógeno). Puzolanas normales Ceniza volante baja en calcio Principalmente silicato de vidrio que contiene aluminio, hierro y álcalis. La poca cantidad de materia cristalina presente general mente consiste en cuarzo, m u lite, silimanita, hematita y magnetita. Polvo correspondiendo 1 5 a 30% a partículas mayores de 2 45 µm (generalmente 200-300 m /kg Blaine). La m ayoría de las partículas son esferas sólidas con diámetro promedio de 20 µm. Pueden estar presentes cenosferas y plerosferas. Materiales naturales Además de vidrio de alumi nosil icato, las puzolanas Las partículas son molidas en su mayoría abajo de 45 µm y naturales contienen cuarzo, feldespato y mica. tienen textura áspera. Puzolanas débiles Escoria de alto horno enfriada Consiste esencialmente en materiales de silicato cristalinos Los materiales deben ser pulverizados en partículas de tamaño muy fino con el fin de desarrollar alguna actividad lentamente, ceniza de fondo, es- · y sólo una pequeña cantidad de materia no cristalina. püzolánica. Las partículas molidas tienen textura áspera. coria de calentador, ceniza de · cáscara de arroz quemada en el - campo. Con el objeto de describir detalladamente los importantes aditivos minerales que se dan más adelante, los materiales se han dividido en dos grupos: 1 . Materiales naturales: son aquéllos que han sido procesados para el solo propósito de produ c ir una puzolana. El procesamiento generalmente involucra el triturado, mol ido y separación de tamaños; en algunos casos también puede incluir una activación térmica. , 2. Material es de subproductos: son aquellos � ateriales que no son los productos primarios de la industria que los produce. Los subproductos industriales pueden o . no requerir un procesamiento (como secado o pulve. rizado), antes de usarse como aditivos minerales. nicos. Durante las explosivas erupciones volcánkas, el rápido enfriamiento del magma, compuesto principalmente de aluminosi licatos, resulta en la formación de vidrio o de fases vidriosas con una estructura desordenada: Debido a la evolución simultánea de los gases disueltos, la materia . solidificada frecuentemente adquiere una textura porosa con una alta área superficial que faci l ita u n ataque qu ímico subsecuente. Puesto que los aluminosilicatos con una es­ truc:tura desordenáda no permanecerán estables al exponer­ los a una solución de cal, esto se convierte en la base para las propiedades puzolánicas· de los vidrios volcánicos. La alteración del vidrio volcánico bajo condiciones hidro­ térmicas puede co ri ducir a la formación de minerales de zeolita los cuales· son compuestos que pertenecen al tipo ( Na 2 Ca )O · Al 2 03 4Si02 · x H 2 0. Este producto, llamado tur­ · ba volcánica, se caracteriza por una textura compacta. Los minerales de ze Ó l ita en forma de turbÚi namente molidos, son capaces de reaccionar con la cal por un proceso de intercambio de base. · Materiales ·naturales · Con la excepc1on de las tierras diatomáceas, todas las puzolanas naturales se derivan de ro cas y minerales volcá1 96 · CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Aditivos Se cree que las alteraciones progresivas de los aluminosil i­ catos de u n vidrio volcánico son las responsables de la formación de minerales de arci l la. Las arcil las no son puzo­ lánicas a menos que en el las la e structura cristalina de los minerales de aluminosi l icato, se convierta en estructura amorfa o desordenada por un tratamiento con calor. Las tierras d iatomáceas consisten en síl ices opalinos o amor­ fos hidratadbs, derivados del esqueleto de d iatomitas, que son pequeñísimas plantas de agua con las paredes de las celdas compuestos de cáscaras de sílice. El material es puzolánico cuando _e stá puro, pero se encuentra general­ mente contaminado con minerales de arci lla y por lo tanto debe ser activado térmicamente para impulsar su reactivi­ dad puzolánica. Es d ifícil clasificar los puzolanas natura les porque los mate­ riales raramente contienen solamente u n constituyente re1 activo. S i n embargo, con base en los constituyentes reactivos principales presentes, se puede hacer una clasifi� cación en vidrios volcánicos, turb�s volcánicas, arci llas calcinados o l utitas y tierras d iatomáceas. Más adelante se presenta una descripción de sus procesos de formación y sus características más relevantés. ·•. · Vidrios volcánicos. La Tierra de Santorini en Grecia, la Puzolana Bacoli de Italia y la Puzolana' Shirasu de Japón, son ejemplos de materiales puzolánicos que derivan su característica de reactividad con la cal, principalmente del vidrio de aluminosi licato no alterado. U na fotografía de la cantera de puzolana de la Isla de Santorini se muestra en la figura 8-6a y la textura de piedra pómez o porosa que representa la alta :área superficial y la reactividad, es apre­ ciada en la micrografía electrónica�de barrido que se mues­ tra en la figura 8�6b. E n genera l , s e encuentran embebidas en la matriz vidriosa peque'ñas cantidades de minerales cristalinos no reactivos tales como el cuarzo, el feldespato y la mica. Turbas volcánicas. Las puzolan�s 'de Segni-Latium (Italia) y el (Tras) de Rhein land y Bavaria (Alemania) representan turbas volcánicas típicas. Las turbas de zeolita con su textura compacta son claramente resistentes, con resistencias a la compresión del orden de 1 00 a300 kgf/cm 2 • Los principales minerales de zeolita se han · reportado como filipsita y herschelita. Después de que la masa compacta es mol ida en partículas de tamaño fino, · los minerales de zeolita muestran una reactividad considerable a la cal y desarrol lan características cementantes similares a las de las puzolanas que contienen vidrio volcánico. Arcillas calcinadas o lutitas. Los vidri os · volcánicos y las turbas no requieren tratamiento d e calor para desarrol lar su propiedad puzolánica. Sin embargo, las arci l las y las lutitas CONCRETO, estructura, propiedades y materiales no mostrarán reactividad apreciable a la cal, a menos que las estructuras cristalinas de los minerales de cal presente sean destruidas por el tratamiento cal iente. Se consideran adecuadas para este propósito las temperaturas del orden de 600 a 900 ºC, en hornos rotatorios a base de petróleo, gas o carbón. La actividad puzolánica del producto se debe principalmente a la formación de una estructura amorfa o una estructura de aluminosil icato desord�nada, como resul­ tado de! tratamiento térmico. El Surkhi, o la puzolana hecha en la I ndia por medio de la pulverización de ladri l los de arci lla cocidos, corresponde a esta categoría. Sería obvio preguntar por qué el tratamiento cal iente de arci lla y l utitas que contienen grandes cantidades de cuarzo y de feldespato no produce buenas puzolanas. En otras palabras, la pulverización de ladril los de arcilla cocido hechos de cualquier tipo de arcilla no puede producir un aditivo mineral adecuado para el concreto. Tierra diatomácea. Este grupo de puzolanas se caracteriza por materiales de origen organógeno. La d iatomita es un sílice amorfo hidratado que se compone de cáscaras esque­ léticas de las paredes de las celdas de muchas variedades de algas acuáticas microscópicas. El depósito más grande conocido se encuentra en California. Se ha informado que existe n otros grandes depósitos en Argelia, Canadá, Alema­ nia y Dinamarca. Las diatomitas son altamente reactivas a la cal pero su microestructura esquelética es la causa del alto requerimiento de agua, la que es dañina para la resistencia y durabilidad ' del concreto que contiene esta puzolana. Más aún, los depósitos de diatomita, tales como el de Moler en Dinamarca, contienen general mente grandes cantidades de arci l la y por lo tanto deber ser activadas térmicamente antes de usarlas, con el fin de incrementar su reactividad puzolánica. Materiales de subproductos Los principales subproductos adecuados para su uso como aditivos minerales en el concreto de cemento portland son las cenizas de la combustión de carbón y algunos residuos de cosechas, el sílice volatilizado de ciertas operaciones metalúrgicas y la escoria granulada tanto de industrias de metales ferrosos como no ferrosos. Los países i ndustrializa­ . dos tales como los Estados U nidos, Rusia, Francia, Alemania, Japón y el Reino U nido, se encuentran entre los mayores productores de ceniza volante, sílice volati lizado y escoria de alto horno granulada. Además de estos mate­ riales, China y la I ndia tienen gran potencial para producir grandes cantidades de ceniza de cáscara de arroz. La pro­ ducción y las propiedades de los materiales importantes de subproductos se describen a continuación. 1 97 Aditivos (a) (b) Figura 8-6. a) Cantera para la extracción de puzolana en la Isla de Santorini en Grecia; b) Micrografía electrónica de barrido de la estructura porosa de la puzolana: Ceniza volante. Du.rante la combustión de carbón en polvo en las modernas plantas de energía, en cuanto el carbón pasa a través de la zona de alta temperatura en el horno, la materi a voláti l y el carbón son quemados, mientras que la mayoría de las impurezas minerales tales como arcil las, cuarzo y feldespato, se funden a alta temperatura. La materia fundida · es rápidamente transportada a zonas de menor temperatura, en donde se solidifican como partículas esfé­ ricas de vidrio. Algunas materias minerales se aglomeran para formar lá ceniza de fondo, pero la mayor parte vuela 1 98 por la corriente del gas de combustión y por ello se le l lama ceniza volante (ceniza de combustible pulverizado en el Reino U nido). Esta . ceniza es subsecuentemente removida del gas por medio de precipitadores electrostáticos. Desde el punto de_ vista de diferencias significativas en la composición mineralógica y sus propiedades, las cenizas volantes pueden ser divididas en dos categorías q ue difieren una de otra principalmente en su contenido de calcio. La ceniza de la primera categoría, que contiene .men � s de .1 O CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Aditivos (a) (b) Figura 8-7. Micrografías electrónicas de barrido de uná ceniza volante típica Clase F: a) PartícUlas esféricás y vidriosas; b) Una plerosfera. por ciento de CaO anal ítico, es generalmente un producto de combustión de la antracita y de carbones bituminosos. La ceniza de la segunda categoría, que contiene típicamente de 1 5 a 35 por ciento de CaO analítico, es generalmente un producto de la combustión de l ignito y de carbones sub�itu­ minosos. Las cenizas volantes bajas en calcio, debido a sus _ altas proporciones de sílice y de alúmina, consisten prindpal­ mente en vidrios de aluminosil icato. En el horno, cuando las grandes esferas de vidrio fundido no se enfrían rápida y u n iformemente, _ l a si l i manita (Ali03 ·Si02), o la mulita (3Ali03· 2Si02) pueden cristalizarse como agujas delgadas en el interior de las esferas vidriosas. Este tipo de desvitrifi­ cación parcial del vidrio en cenizas volantes de bajo ca n te­ n i d o d e ca l , e s e l c a u s a n te d e l a prese n c i a d e aluminosi licatos cristalinos. Igual mente, de p endiendo d e la · fi nura , a la que el carbón ha sido molido antes de la combustión, los remanentes de cuarzo a estarán prob­ ablemente presentes en todas las cenizas volantes. De hecho, los anál isis de difracción por rayos X han confirmado que los pri ncipales minerales cristalinos de las cenizas volantes bajas en calcio son el cuarzo, la mulita y , la hematita o magnetita. P uesto que estos minerales cristalinos no son reactivos a temperatura ordinaria, su presencia en grandes cantidades, a costo de los componentes no cristali­ nos o vidrio en una ceniza volante, tienden a reducir la reactividad de ésta. En comparación con las cenizas volantes bajas en calcio, la variedad con alto calcio es en general más reactiva porqu e CONCRETO, estructura, propiedades y materiales contiene la mayor parte del calcio en forma de componen­ tes cristalinos reactivos, tales como C3 A, Cs y C4A3S; igual­ mente, existe la evidencia de que el constituyente principal (como la fase no cristalina) contiene suficien.tes iones de calcio para propiciar la reactividad del vidrio de aluminosi­ l icato. La mayoría de las cenizas volantes, sean bajas o altas .a en calcio, . contienen proximadamente de 60 a 85 por . ' ciento d e vidr io, de 1 o a 30 por 'ciento de compuestos cristalinos y hasta 1 O por ciento. de carbón no quemado. El carbón 'está generaltl1ente presente en la forma de partículas celulares mayores de 45 µm. Bajo condiciones normales de . operación, los hornos modernos no produ éen cenizas volantes que contengan más de 5 por ciento de carbón (de hecho, es en general menos de 2 , por ciento en cenizas volantes altas en calcio); las cantidades mayores de carbón en una ceniza volante que se utilizará como un aditivo mineral en el concreto son consideradas dañinas, porque las partíc; ulas celulares de carbón tienden a incrementar tanto.e l agua requerida para una consistencia dada, como el aditivo requerido para la inclusión de un volumen dado de aire. En la figura 8-7, una evidencia micrográfica muestra que la mayoría de las partículas en la ceniza volante están presen­ tes como esferas sólidas de· vidrio. Pero algunas veces un pequeño número de ésferas huecas, que son l lamadas cenosferas (completamente vac ías) y plerosferas (rel lenas con n Umerqs a s esferas pequeñas) pueden estar p resentes .. Generalmente, las esferas en las ce n izas volantes bajas e n calcio aparecen más limpias que las esferas de las cenizas volantes altas en calcio. Puesto que los álcalis y los sulfatos 199 Aditivos Q) "O Humo condensado de sílica cfl. cÜ 60 "O cu s E acu cu en cu 40 Cemento portland ASTM Tipo 1 ::lE 20 20 l_Q 2 0 .2 Diámetro esférico equivalente, micras 1 .0 0.02 Figura 8-8. Comparación de la distribución de tamaños de partículas de cemento portland, cenizas volantes y vapor condensado de sílica. tienden a ocurrir en una relación relativam.�nt� . grande en las segundas, el depósito de sulfatos alca.linos en la superfi­ cie puede ser l a razón de la apariencia sucia de las esferas de la ceniza volante alta en calcio. Los estudios sobre la distribución del tamaño de las partícu­ las muestran que éstas varían de < 1 a 1 00 µm de diámetro, con más del 50 por ciento bajo 20 µm (figura 8-8). La · distribución del tamañ o de las partíC:ulas, su morfología y las característica s d � superficie de la ceniza volante uti liza­ da como aditivo mineral, ejercen una influencia consider­ able e n el requerimiento de agua, en la trabajabil idad del concreto fresco y en la velo cidad de desarrollo de resisten­ cia en'el concreto endureddo. Escoria de alto horno. En la producdón de fierro vaciado, también' llamado fierro de l i ngote, si la escoria es enfriada lentam.e nté al aire, los componentes químicos de la escoria están generalmente presentes en forma de melitita cristali na (C2AS-C2 MS 2 eri sol ución sól ida), que no reacc iona con el agua a temperatura ·ordinaria. Si es mol ida al gradó de partículas muy finas, el material será débi lmente cementan­ te y puzolánico. Sin embargo, cuando la escoria l íquida es rápidamente apagada desde una alta temperatura, ya sea· por medio de agua o por una combinación de aire y de agua, la mayor parte de la cal, la magnesia, la sílica y la alúmina. son retenidos en estado n o áisfal ino o vidrioso . El producto . apagado con agua es l lamado escoria granulada debido al tamaño y tipo de arena d e sus partículas, m fe rí tras que la escoria apagada por aire y con una cantidad limitada de agua que resulta en forma de pelets, es l lam�da escoria peletizada. N. ormalmente, la primera éont iene �ás vidrio; 200 sin ernba,rgo, cuando se le m �ele a 40Ó y 500 m 2/kg B laine, ambos productos desarrol lan propiedades cementantes sa­ . tisfactori as. Aunque las cenizas volantes altas en calcio son de origen relativamente reciente y la producción y e l uso de la escoria granulada de alto horno tiene más de 1 00 a ños de antigüe­ dad, hay similitudes en el carácter m ineral y en la reactivi­ dad de los dos materiales. Ambos son esencialme�te no cristal inos y la reactividad de la fase vidriosa alta en calcio en ambos casos, parece ser del mismo orden. En. compara­ . ción con la ceniza volante baja en calcio, que genera l mente . no contribuye en forma significativa a la resistencia de concreto de cemento portland hasta después de aproxima­ damente 4 semanas de hidratac ión, la contribución a la resistencia por la ceniza volante alta en calcio o escoria de fierro granulada de alto horno, puede aparecer tan pronto como a los 7 d ías después de la hidratación. Debe hacerse notar que aunque las características d e · tamaño de partícu­ las, composición del vidrio y contenido de v idrio son los principales factores que determinan la actividad de las cenizas volantes y las escorias, la reactividad del vidrio mismo varía con la historia térmica del material. El vidrio, enfriado desde una alta temperatura y a gran rapidez, tendrá una estructura más desordenada y será por lo tanto más reactivo. Se sabe en general, que las partículas de escoria de menos de 1 O µm contribuyen a las resistencias iniciales del con­ creto hasta los 28 d ías; las partículas de 1 0 a 45 µm contribuyen a las resistencias posteriores, pero las partícul�s gruesas de más de 45 µm, son d ifíciles de hidratar. Puesto que la escoria obtenida después de la granulación es muy CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Aditivos (a) Figura 8-9. a) Micrografía electrónica de barrido de humo de sílica condensado; b) Micrografía electrónica de barrido de ceniza de cáscara de arroz.[a. . (Por cortes ía de P. C. Aitcin, U niv. 6f Sherbrooke).] gruesa y húmeda, se le seca y pulveriza hasta obtener partículas en su mayoría menores de 4S µm, lo que corres­ ponde a aproximadamente un área de superficie de SOO m 2/Kg B laine. Humo de sílica condensado. El humo condensado de sílica, • también conocido por otros nombres, tales como sílica volatil izada, microsílica, o simplemente como humo de sílica, es un subproducto de la inducción de hornos de arco en las industrias del metal de si l icio _y de aleación de ferrosi licio. La reducción del cuarzo a si l icio a temperatu­ ras de hasta 2000 ºC produce vapores SiO, que se oxidan y condensan en la zona de baja temperatura en pequeñ í­ si mas partícu las esféricas (figura 8-9) consistentes en síl i­ ce no cristal i no. El material retirado al fi ltrar los gases que se fugan en bolsas filtrantes posee un d iámetro promedio del orden de 0.1 µm y área superficial del rango de 20 a 25 m 2/g. En comparación con el cemento portland normal y con las cenizas volantes típicas, las muestras de humo · de sílica condensado muestran distribuciones de tamaño de partícu­ las que son de dos ó rdenes de magnitu� más finas (figura 8-8). Esto origina que, por una parte, el material sea alta­ mente puzolánico, pero por otra parte crea problemas de manejo, e i ncrementa considerablemente el requerimiento de agua en el concreto, a menos que se util icen aditivos reductores de agua. Los subproductos de las industrias del metal de sil icio y de la aleación de ferrosilicio, que producen aleaciones con 7S por ciento o más de contenido de sílice, contienen de 85 a 9S por ciento de sílica no cristalina; el subproducto de la elaboración de aleación de ferrosilicio con CONCRETO, estructura, propiedades y materiales SO por ciento de sílice, tiene un contenido mucho más bajo de sílica y es menos puzolánico. Ceniza de cáscara de arroz. Las cáscaras del arroz, también l lamadas cortezas de arroz, son las cáscaras producidas durante la operación de limpieza del arroz entero. Puesto que son voluminosas, las cáscaras representan un enorme problema para su disposición en los molinos centrales de arroz. Cada tonelada de arroz limpio produce aproximada­ mente 200 kg de cáscaras, que e'n combustión rinden aproximadamente 40 kg de ceniza. La ceniza formada durante el quemado al aire libre o combustión no controla­ da en los hornos industriales, generalmente contiene una gran relación de minerales de sílica no reactivos, tales como cristobalita y tridimita y deben ser mol idos a partículas muy finas con el fin de desarrol lar la propiedad puzolánica. Por otra parte, una ceniza altamente puzolánica puede ser producida con combustión controlada, en donde la sílica es retenida en forma no cristalina y con una estructura celular (figura 8-9). Las muestras producidas industrialmente de este material mostraron un área superficial de SO a 60 m 2/g por adsor­ ción 8 de nitrógeno. En un i nforme reciente9 se describen los efectos de ias condiciones de procesamiento sobre las características de la ceniza .de la cáscara de arroz y los efectos benéficos de la ceniza amorfa en las propiedades del concreto. 8 P. K. Mehta y N. Pitt, Resource Recovery and Conservation, Elsevier Scientific Publishing Company, Amsterdam, Vol. 2, pág. 23 �88, 1 976. 9 P. K. Mehta en Advances in Concrete Technology, ed . by V. M. Malhotra, CANMET, Ottawa, Canadá, 1 991 . . 201 · Aditivos Aplicaciones El significado de la reacción puzolánica y el mecanismo por medio del cual se mejoran las propiedades del concreto uti l izando combinaciones de cemento portland y materiales puzolánicos, fueron descritos en el capítulo 6 (pág. ). A continuación se describen aplicaciones seleccionadas de aditivos minerales para i lustrar los principios ya analizados. Mejoramiento de la trabajabilidad. Con mezclas de con­ creto fresco que muestran una tendencia a sangrar o a segregarse, es bien sabido que la incorporación de partícu­ las finamente molidas mejora generalmente la trabajabil i­ dad al reducir el tamaño y el volumen de los huecos. En cuanto más fino es un aditivo mineral, menor cantidad del mismo se necesitará para real izar la cohesión y por lo tanto, la trabajabilidad del concreto fresco. El tamaño pequeño y la textura vidriosa de las cenizas volantes y de las escorias hace posible reducir la cantidad de · agua requerida para una consistencia . dada. En Una publ icación 10 sobre el uso de ceniza vol � nte en el concreto, se informó que en u .n caso, un concreto hecho sustituyendo 30 por ciento del cemento con ceniza volante canadiense, requirió 7 por ciento menos de agua que el concreto de control con el mismo revenimiento. En otro caso, corres­ pondiente a la investigación de materiales para el concreto de construcción de la presa del río South Saskatchewan, se encontró que con la adición de ceniza volante, los concre­ tos resultantes, con una relación menor de agua al total de materiales cementantes (cemento portland + ceniza volan­ te), rl10stró una cohesión mejorada y mejor trabajabilidad. la reducción de la segregación Y, del sangrado con el uso de aditivos minerales es de gran importancia cuando el concreto se coloca por medio de bombeo. las mejoras en cohesividad y en el acabado son especialmente valiosas en concretos pobres o en aquél los hechos con agregados deficientes en partículas finas. Podrá notarse que aunque tbdos los aditivos minerales tienden a mejorar la cohesividad y la trabajabilidad del concreto fresco, muchos no poseen la capacidad reductora de agua de las cenizas volantes y de las escorias. Para una consistencia dada del conc�eto, el uso de materiales con muy alta área de superficie, tales como la pumicita, la ceniza de cáscara de arroz y el humo de síl ica condensado, tiende a i ncrementar el requerimiento de agua. · Durabilidad ante el agrietamiento térmico. Suponiendo que debido al calor de hidratación, la temperatura máxima en una estructura masiva se alcanza dentro de una semana 10 . E. E. Berry y V. M. Malhotra, J. AC/, Proc., Vol. 1 980. 202 77, No. 2, págs. 59-73, . posterior a la colocación del concreto, el uso de un aditivo mineral (como la puzolana natural, la ceniza volante o la escoria), ofrece la posibi l idad de reducir el i ncremento de la temperatura en una relación casi d irecta con la cantidad de cemento portland sustituido por el aditivo. Esto es debido a que en condiciones normales, estos aditivos no reaccio­ nan en un grado significativo durante varios días. Co m o regla general, el calor total de hidratación producido por las reacciones puzolánicas que i nvolucran a aditivos minera­ les, es considerado como la mitad del calor promedio producido pÜ'r la hidratación del cemento portland. la sustitución del cemento portland por ceniza volante se ha practicado en los Estados U nidos desde los años treinta. En la construcción de concreto masivo, en donde el bajo contenido de cerT)ento y las proporciones de cen iza v� lante tan altas como 60 a 1 00 por ciento en peso del cemento portland se emplean comúnmente en la actual idad, la pri­ mera aplicadón con éxito se l levó a cabo en 1 948 para la construcción de la Presa "H ungry Horse", en Montana. Se uti lizaron más de 2.3 mil lones de m 3 ; algunos de los concretos contenían 32 por ciento de cemento portland sustituido por ceniza volante, embarcada desde el área de Chicago. Más recientemente, la ceniza volante se util izó en el concreto de la presa Dworshak, en ldaho; con una estructura de 5.4 millones de m 3 . Además de el lo, los ingenieros de la construcción deben conocer otra ventaja en el uso de aditivos minerales cuando el concreto ha de exponerse a temperaturas considera�les más altas que las normales, ya sea debido al calor de la hidratación, o a cualquiera otra causa. . E n . comparación con muestras curad as en el l aboratorio, los concretos de campo sin la presencia de aditivos minerales son propensos a sufrir una pérdida de resistencia debido al microagrietamientb por enfriado; además, los concretos que contienen aditivos minerales, frecuentemente muestran una ganancia en resistencia. Mientras que la exposición a altas temperaturas puede ser dañina a los concretos de cemento portland, los concretos que contienen aditivo mineral se pueden beneficiar de la activación térmica (ace­ leración de la reacc i ón puzolánica)� Recientemente, para la entrada del túnel bajo presión de Kurobegowa Power Sta� tion en Japón, en donde el !=Oncreto se coloca en una base de roca caliente (de 1 00 a 1 60 ºC), el uso de 25 por ciento de ceniza volante como sustituto del cemento en la mezcla del concreto, mostró un efecto favorable en la resistencia. Durabilidad ante los ataques químicos. la permeabi lidad del concreto es fundamental para determinar la velocidad de transferencia de masa relacionada con las acciones químicas destructivas tales como las de la expansión álcal. i­ agregado y el ataque por sol uciones ácidas y sulfatadas CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Aditivos (capítulo 5). La reacción puzolánica que involucra aditivos minerales es capaz de un refinamiento de los poros la cual reduce la permeabi l idad del concreto. Tanto estudios de laboratorio como de campo han mostrado mejoras consid­ erables en la d urabil idad química de los concretos q ue contienen aditivos .minerales. En los años cincuenta, las i nvestigaciones de R. E. Davis en la U niversidad de California sobre la permeabilidad de . tubos de concreto con o sin ceniza volante, mostraron que * la permeabil idad de un tubo que contenía 30 por ciento de una ceniza volante baja en calcio, fue más alta a los 28 días después del colado, pero considerablemente menor a los 6 meses. Otro trabajo 1 1 ha confirmado que en pastas de cemento que contienen de 1 o. a 30 por ciento de una ceniza volante baja en ca lcio, ocurrió un significativo refinamiento de los poros durante el período de 28 a 90 d ías; esto causó una reducción en la permeabi lidad de 1 1 a 1 3x1 0- 1 1 a 1 x1 0- 1 1 cm/s. E n el caso de pastas de cemento que conte­ nían de 1 O a 30 por ciento de una ceniza de cáscara de arroz o de un h umo de síl ica condensado, o 70 p�r ciento de una escoria granulada de alto horno, aun a 28 d ías después de la hidratación, el sistema fue encontrado casi impermeable. Dependiendo de las características individuales del aditivo mineral uti l izado, general mente las combinaciones de un cemento portland alto en álcalis, con 40 a 65. por ciento de escoria granulada de alto horno, con 30 a 40 por ciento de cen i �\(olante baja en calcio, con 20 a 30 por ciento de puzolanas naturales, se han encontrado muy efectivas en limitar la expansión álcali-agregado a niveles aceptables. En Cal ifornia, puesto q ue dos depósitos de agregados en mu­ chas partes del estado contienen minerales reactivos con los álcal is, el Departamento de Recursos de Agua ha estableci­ do cerno un estándar normal, incluir aditivos puzolánicos en el concreto para estructuras hidráulicas. El uso de gran­ des cantidades de aditivos minerales para reducir la expan­ sión de álcal i-agregado, es algunas veces objetable desde el punto de vista de las bajas resistencias a edades iniciales. Las puzolanas altamente activas, tales como la ceniza de cáscara de arroz y el humo de síl ica condensado, son efectivas en cantidades tan bajas como de 1 O por ciento y tienden a aumentar en vez de disminuir la resistencia a edades iniciales. E n Islandia, en donde se dispone de ce­ mento portland de alto álcali y los agregados soi:i general­ mente reactivos, se acostumbra mezclar 7 por ciento de humo de sílica condensado en todo el cemento portland. Puesto que los aditivos minerales se utilizan en grandes cantidades, se acostumbra expresar su relación en el concreto como un por ciento del peso del material cementante total (como cemento más aditivo). • 11 . D. Manmohan y P. K. Mehta, Cem. Concr. Aggregates, Vol. 3, No. pág. 63-67, 1 98 1 . CONCRETO, estructura, propiedades y materiales 1, La literatura publ icada contiene suficiente evidencia de que en general, la incorporación de aditivos minerales en el concreto mejora la resistencia del material contra el agua ácida, el agua sulfatada y el agua de mar. Esto se debe principalmente a la reacción puzolánica, que es acompaña­ da por una reducción en la permeabil idad así como una reducción en el contenido de hidróxido de calcio del producto hidratado. Sin embargo, corno se analiza más adelante, no todas las combinaciones de cemento portland con escoria o con ceniza volante son satisfactorias para combatir el ataque del sulfato al concreto. En los sesenta y en los setenta, amplios estudios en el "Bureau of Reclamation" de· los Estados U nidos, sobre concretos que contenían 30 por ciento de cenizas volantes bajas en calcio, . mostraron una resistencia grandemente mejorada al sulfato, en una sol ución estándar de sulfato de sodio; sin embargo, el uso de cenizas volantes altas en calcio redujeron general mente la resistencia al sulfato. La expl icación de este comportamiento probablemente se en­ cuentra en la composición mineralógica de la ceniza volan­ te. Además de la permeabi l idad y del contenido de hidróxido de calcio de la pasta de cemento, la resistencia al sulfato es regida por la cantidad de alúmina reactiva presen­ te. Las cenizas volantes que contienen una gran relación de alúmina reactiva en vidrio o en constituyentes cristalinos no se esperaría que reduzcan la resistencia del con·creto al sulfato. Las cenizas volantes altas en calcio que contienen alúmina altamente reactiva en la forma de C 3A o C 4A 3S, son por lo tanto menos adecuadas que la� cenizas volantes bajas en calcio para mejorar la resistencia del concreto al sulfato. La resistencia al sulfato del concreto de cemento portland que contiene escoria granulada de alto horno, depende de la cantidad de escoria y del contenido de al úmina de la escoria. El siguiente párrafo de un ápendice de ASTM C 989 (Standard Specification far Ground /ron Blast-Furnace Slag far Use in Concrete and Mortars) explica el porqué: Efecto de la escoria molida en la resistencia a los sulfatos. El uso de escoria molida disminuirá el contenido de C3A de los materiales cementantes y disminuirá la permeabilidad y el contenido de h idróxido de calcio del mortero o concreto. Las pruebas han demostrado que el contenido de alúmina de · la escoria · también influye en la resistencia a los sulfatos en bajos porcentajes de sustitución por escoria; Los datos de estos estudios de . laboratorio de exposiciones de morteros a solu c iones de sulfato de sodio y de magnesio proporcionan las siguientes conclusiones generales. Las combinaciones de escoria molida y cemento portland, en las cuales el contenido de escoria fue alto: de 60 a 65%, tuvieron alta resistencia a los sulfatos y siempre mayor que el cemento portland solo, inde­ pendientemente del contenido de alúmina de la escoria. La escoria probada de baja alúmina (1 1 %), incrementó la resistencia a los sulfatos inde­ pendientemente del contenido de C3 A del cemento. Para obtener una 203 ' Aditivos . adecuada resistencia a los sulfatos, fueron necesarios porcentajes más altos de escoria con los · cementos de más alto CJA. la escoria probada de alta alúmina (18%), afectó adversamente la resistencia a los sulfatos de los cementos portland cuando se les mezcló en bajos porcentajes (50% o menos). Algunas pruebas mostraron disminuciones rápidas en la resistencia de cementos en los rangos del 8 y 1 1 % de C3A, con porcentajes de escoria tan bajos como 20% o menos en las mezclas. jugar un papel clave en la producción de concreto de alta resistencia, independientemente de si se les usa como sustituto de cemento, sustituto de agregado fino, o ambos. oe· acuerdo con Mal hotra, 1 2 el desarrollo de la alta resis­ En relación con las puzolanas altamente activas (como la ceniza de cáscara de arroz y el humo de síl ica condensado), parece que aún cuando estén presentes en cantidades tan bajas como es 30 por ciento, estos aditivos son capaces de consumir el hidróxido de . calcio presente en la pasta de cemento hidratada casi completamente y por lo tanto son excelentes . no solamente pára mejorar la resistencia del concreto al ataque de los ácidos, sino también al ataque de . los sulfatos. 386 kg/m 3 de cemento portland y 45 kg/m 3 de una ceniza volante baja en calcio y una relación de 0.33 entre agua y materiales cementantes, dieron aproximadamente 72 MPa de resistencia a la compresión a los 56 d ías. Cook 1 3 comu­ nicó valores similares de resistencia para un concreto de alta resistencia que contenía solamente 398 kg/m 3 de cemento portland y 1 00 kg/m 3 de una ceniza volante alta en' calcio. Se han comentado' apl icaciones industriales de 70 a 80 MPa de concretos de resistencia a la compresión que contenían ceniza de cáscara de a�roz, o humo de sílica condensado y aditivos reductores de agua. Uti l izando humo de sílica condensado, agregados especiales de tamaño controlado de partículas y superfluidificadores, la Compañía Aalborg Ce­ ment de Dinamarca produjo especímenes que con menos de 0.2 de rela ción entre agua y materiales cementantes, dieron una resistencia a la compresión superior a 200 MPa. Producción de concreto de alta resistencia. Debido a consideraciones económicas y de durabilidad, los aditivos minerales son generalmente utilizados como una sustitu­ ción parcial del cemento portland en el concreto. · En las cantidades normalmente usadas, la mayoría de las cenizas volantes bajas en cal c ip y las puzolanas naturales, tienden a reducir las resistencias iniciales de hasta 28 d ías, pero mejoran la resistencia ú ltima. En comparación con el con­ creto sin aditivos, los concretos que contienen Lina escoria granulada de alto hamo o una ceniza volante alta en calcio, generalmente muestran resistencias más bajas a 1 y a 3 d ías, pero la ganancia en la resistencia puede ser sustancial después de aproximadamente 7 días de curado. Las puzolanas altamente activas (como la ceniza de cáscara de arroz y de humo de sílica condensado) son capaces de producir una alta resistencia en el concreto, tanto a edades iniciales como posteriormente, especialmente si se ha utilizado un agente reductor de agua para reducir el requerimiento de ésta. · por otra parte, cuando se les util iza como una sustitución parcial de agregados finos, todos los aditivos minerales son capaces de incrementar las resistencias del concreto tanto a edades iniciales como a edades posteriores. La ganancia en resistencia a edades iniciales es en parte debida a una l igera aceleración en la hidratación del cemen­ to portland; la ganancia en resistencia en edades posterio­ res, que puede ser sustancial, es debida principalmente a la reacción puzolánica, causando un refinamiento de poros y una sustitución del componente débil (hidróxido de calcio) por uno más fuerte (hidrato de silicato de calcio). Si la eliminación de los grandes poros y la reducción de hidróxido de calcio son elementos . necesarios para producir concretos con una alta resistencia a la compresión, los aditivos minerales parecen suficientemente adecuados para 204 tencia en el concreto para altos · edificios del área de Chicago, ha demostrado que el uso de ceniza volante es casi obligatorio para lograr resistencias mayores de 59 MPa a· los 56 días. Las mezc las de concreto q ue contenían Conclusiones Como una referencia rápida, en 1. a tabla 8-7 se presenta un resumen de los aditivos comúnmente usados en el concreto, su función principal, sus principales ingredientes activos, la especificación aplicable de la Norma ASTM y los posibles efectos laterales. En los años cuarenta y en los cincuenta, se hicieron esfuer­ zos para promover la i ntroducción de aditivos en el concre­ to a grán escala, pero l os m ismos encontraron una resistencia considerable debido a que hal;>ía poco conoci­ miento de su forma de· actuar y esto l levó a muchas expe­ riencias no satisfactorias. Actual mente, la situación es diferente: los aditivos se han vuelto una parte integral tan importante del concreto, que en el futuro inmediato la defini­ ción de la composición del concreto podrá tener que revisarse para incluir aditivos como uno de sus componentes. Sin embargo, los problemas asociados con el mal uso de aditivos continúan apareciendo. El origen de la mayoría de los problemas parece estar en la incompatibi l idad entre un aditivo en particular y una composición de cemento, o entre dos o más aditivos que pueden estar presentes en el sistema. . Los surfactantes tales como los químicos inclusores de aire, 12 V. M. Malhotra, Concr. lnt., Vol. 6, No. 4, pág. 21 , 1 984. 3 1 J. E. Cook, Concr. lnt., Vol. 7, págs. 72-80, 1 982. CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Aditivos Tabla 8-7. Aditivos usados comúnmente en el concreto Ingredientes activos principales/ Especificación ASTM Función principal Efectos laterales Reductores de agua Normal S a l es, m o d i fi c ac i o n es y d er ivados d e l á c i d o Los lignosulfonatos pueden causar incl u sión de aire y l ignosulfónico, ácidos carboxílicos h idroxilatados y pérdida de resistencia; los aditivos Tipo A tienden a ser compuestos polihidróxidos. ASTM C 494 (Tipo A). retárdantes de fraguado cuando se usan en altas dosis. Alto rango Formaldeh ído condensado de naftalina o melamina Pérdida de revenimiento temprana; dificu ltad para sulfonatados. ASTM C 494 (Tipo F). controlar el espaciamiento de los huecos cuando también se requiere la inclusión de aire. Controladores del fraguado Acelerantes Cloruro de calcio, formato de calcio ASTM C 494 (Tipo C). y trietanolamina. Los acelerantes que contienen cloruros aumentan el riesgo de corrosión de los metales embebidos. Lo mismo que en ASTM Tipo A; compuestos tales como los fosfatos pueden estar presentes. ASTM C 494 (Tipo B). Reductores de agua y controladores del fraguado Los mismos usados para reducción normal de agua. ASTM Reductores de agua y retardantes . C 494 (Tipo D). Reductores de agua y acelerantes . Mezclas de los tipos A y C. ASTM C 494 (Tipo E). Reductores de agua y retardantes de Los mismos usados para el tipo F con lignosulfonatos agregados. ASTM C 494 (Tipo G). alto rango Mejoradores de la trabajabilidad Agentes reductores de agua, (ej. ASTM C 494 Tipo A) Incrementan la consistencia · ver el Tipo A arriba. , Ver el Tipo C arriba. Ver el Tipo F arriba. _ Ver tipo A arriba (a) Minerales finamente divididos (como en el ASTM C Pérdida de la resistencia inicial cuando se usan como sustitutos del cemento. 6 1 8). Pérdida de la resistencia. (b) Surfactantes inclusores de a ire (ASTM C 260). Reducen la segregación Incrementadores de la resistencia Por aditivos reductores de agua Los mismos que aparecen en ASTM C 494 (Tipos A, D, F Ver los Tipos A y F arriba y G). Por aditivos puzolánicos y cernen- Los mismos que aparecen en ASTM C 618 y C 989. tan tes ' Mejoran 1a durabilidad Acción congelante } Agrietamiento térmico Expansión álcali-agregado Soluciones ácidas Soluciones sulfatadas La trabajabilidad y la durabilidad pueden ser mejoradas Resinas de madera, materiales proteináceos y detergentes Pérdida de la resistencia sintéticos (ASTM C 260). Cen izas vo lantes y puzolanas naturales crudas o Pérdida de la resistencia en edades iniciales, excepto calcinadas (ASTM C 61 8); escoria de alto horno granulada cuando se utilizan aditivos altamente puzolánicos en y molida (ASTM C 989); humo de sílica condensado; combinación con agentes reductores de agua. ceniza de cáscara de arroz producida por combustión controlada. (las cenizas volantes de alta alúmina y alta en calcio y las mezclas escoria-cemento portland que contienen menos de 60% de escoria pueden no ser resistentes a los sulfatos). los l ignosulfonatos y los superfluidificantes, son especial­ mente sensibles a los efectos de la i nteracción entre iones de aluminato, sulfatos y álcalis presentes en la sol ución al principio de la hidratación del cemento. La pérdida de aire o del adecuado espaciamiento de huecos en el concreto que contiene un superfluidificante o un aditivo mineral excesivamente fino, es un aspecto de gran preocupación en la i ndustria del concreto. Por lo tanto, se recomienda firme­ mente llevar a cabo pruebas de laboratorio que incluyan CONCRETO, estructura, propiedades y materiales · materiales y condiciones de campo, antes del uso definitivo de aditivos en la construcción del concreto, especialmente cuando se emprendan grandes proyectos, o cuando los materiales para elaborar el concreto estén sujetos a varia­ ciones significativas en calidad. Finalmente, los aditivos pueden mejorar ciertamente las propiedades de un concreto, pero no deberá esperarse compensar con el los la pobre calidad de los ingredientes del concreto o un proporcionamiento pobre de la mezcla. 205 Aditivos Pruebe su conocimiento . ¿Por qué los aditivos fluidificantes son llamados reductores de agua? ¿Cuál es la diferencia entre los aditivos reductores de agua normales y los aditivos reductores de agua de alto rango, de acuerdo con la Especificación ASTM? 1. ¿Puede usted hacer una lista y definir los siete tipos de aditivos químicos, las cuatro clases de aditivos minera­ les, los tres grados de escoria de fierro de alto horno que se usan como aditivos para el concreto? 2. 9. , · a) ¿Qué tipo de aditivos recomendaría usted para hacer un concreto en J)c/ima caliente, 2) clima frío. ? b) Cuando se le usa como un acelerante ¿qué efecto tendría el cloruro de calcio en las propiedades mecáni­ cas, la estabilidad dimensional y la durabilidad del concreto? Exprese varias razones importante,s por las que es · recomendable utilizar aditivos puzolánicos en el con­ creto. 1 O. 1 1. a) ¿Por qué las arcillas y las lutitas tienen generalmente que ser tratados con calor para hacerlas adecuadas para ' su uso como puzolanas? b) Nombre algunos . de los subproductos industriales comúnmente pisponibles, que muestr�n propiedades puzolánicas o cementantes apropiadas cuando se les utiliza en combinación con el cemento portland. 1 2. ¿Qué sabe usted acerca del origen y las características de los siguientes aditivos minerales: pumicita, zeolita, turba, ceniza de cáscara de arroz y humo de si/ice condensado? 3. Después de revisar las especificaciones ASTM C 6 1 8 y C 989 y otra literatura publicada, escriba una nota crítica com­ parando las dos especificaciones. 4. ¿Cuáles son las diferencias esenciales en la composición y el modo de actuar entre los surfactantes usados para la inclusión de aire y aquéllos usados para la reducción de agua? 5. Algunos fabricantes dicen que la aplicación de aditivos reductores de agua puede disminuir el contenido de cemento, e incrementar la consistencia y la resistencia de una mezcla de concreto de referencia. Explique por qué no se pueden tener al mismo tiempo los tres bene­ ficios. Los aditivos comerciales a base de lignina, cuando se les utiliza como agentes reductores de agua, pueden pre­ sentar ciertos efectos laterales. Analice los efectos late­ rales posibles y explique cómo corregirlos. 6. En su composición y mecanismo de acción, ¿cómo difieren los superfluidificantes de los aditivos normales reductores d� agua? La adidón de 1 a 2 por ciento de un agente normal reductor de agua a una mezcla de concreto puede causar segregación y un serio retardo. · Estos efectos no resultan en un concreto superfluidifica­ do. Explique por qué. 7. 8. · a) Cuando se agrega a la pasta de cemer:ito portland cloruro de calcio en muy pequeñas cantidades, actúa como un retardante, pero en grandes cantidades se comporta como un acelerante. ¿Puede usted explicar el · fenómeno? b)¿Por qué el sulfato de calcio no se comporta del mismo modo que un cloruro de calcio? c) ¿Por qué el cloruro de sodio como acelerante no es tan efectivo como el cloruro de calcio? d) ¿ Por qué los ácidos minerales son acelerantes del cemento portland, pero · los ácidos orgánicos no mues­ tran un comportamiento consistente? e) El ácido fórmico es un . ace/erante, mientras que el ácido g/ucónico es un retardante. Explique por qué. 206 1 3. Compare las cenizas volantes industriales y la escoria molida de fierro de alto horno, con respecto a su com­ posición mineralógica y a las características de sus partículas. 1 4. Explique los mecanismos por /os que los aditivos mine­ ral�s son capaces de mejorar las funciones del bombeo y del acabado de las mezclas de concreto. En cantidades normalmente utilizadas, algunos aditivos minerales son reductores de agua, mientras que otros no lo son. Ana­ lice el tema con la ayuda de ejemplos. 1 5. Analice los mecanismos por los que aditivos minera­ les mejoran la durabilidad del concreto ante aguas ácidas. ¿Por qué todas las combinaciones del cemento portland con ceniza volante, o del cemento portland con escoria, no se convierten en compuestos resistentes a los sulfatos? 1 6. ¿Qué niveles máximos de resistencia se han alcanzado en mezclas de concreto con altas resistencias reciente­ mente desarrolla9as?·Explique el papel que juegan los aditivos en el desarrollo de estos concretos. Sugerencias para estµdio complementario Informe del comité ACI 2 1 2, "Chemical Admixtures for Concrete", AC/ Materia/s Jour., Vol. 86, No. 3, págs. 297-327, 1 989. CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Aditivos Admtures, Proc. lnt. Congr. on Admixtures, The Construction Press, Nueva York, 1 980. Berry, E. E. y V. M. Malhotra, "Fly Ash in Concrete - A Critica! Review", J. ACI, Proc., Vol. 2, No. 3, págs. 59-73, 1 982; CANMET Publ. 85-3, 1 986. Helmuth, R., Fly Ash in Cement and Concrete, Portland Cement Associa­ tion, 1 987. Lea, F. M., The Chemistry of Cement and Concrete, Chemical Publishing Compa ny,· lnc., Nueva York, 1 971 , págs. 302-3 1 0, 41 4-489. Malhotra, V. M., ed., Supp/ementary Cementing Materials for Concrete, CANMET Publ; SP86-8E, 1 987. Malhotra, V. M., ed., Use of Fly Ash, Silica Fume, Slag, and Other Mineral Byproducts in Co�crete, Proc. Symp., ACI, SP 79 (1 983), s·p 91 (1 986) y SP 1 32 (1 992). Ramachandran, V. S., ed., Concrete Admixtures Handbook, Noyes Publi­ cations, 1 984. Rixom, M. R., ed., Concrete Admixtures: Use and App/ications, The Construction Press, Nueva York, 1 978. Swamy, R. N., ed., Cement Rep/ace Materials, Surrey Univ. Press, 1 986. Superplasticizers in Concrete, Transportatión Research Board, National Academy of Sciences, Washington, D. C., Transportation Research Record 720, 1 979. CONCRETO, estructura, propiedades y materiales 207 Capítulo 9 Proporcionamiento de las mezclas de concreto Presentación Dentro def objetivo de obtener concreto con ciertas carac­ terísticas deseables de comportamiento, el primer paso es la selección de los materiales componentes; el siguiente paso es un proceso l lamado proporcionamiento de mezcla por medio del cual se l lega a la combinación correcta de los componentes. Aunque existen principios téc.n icos con­ fiables que rigen las proporciones de la mezcla, porrazones de gran val idez el procediryiiento no se encuentra entera­ mente dentro del ámbito de la ciencia. Si.n embargo, puesto que las proporciones de la mezcla tienen una gran influen­ cia en el costo Y . en las propiedad�s del concreto, es importante que los ingenieros q ue son l lamados a menudo para desarrol lar o aprobar las proporciones de una mezcla, estén famil iarizados con los principios fundamentales y con los procedimientos comúnmente util izados. En este capítulo se presentan el significado y los o�jetivos del proporcionamiento de las · mez c las d�. . �oncreto. Se anal izan las consideraciones generales.que rigen los costos, la trabajabi lidad, la resistencia y la durabil idad del concreto y se describe el I nforme ACI 2 1 1 . 1 Standard Practice far Selecting Proportions far Normal, Heavy Weight and Mass Concrete con una muestra compútada para ilustrar los procedimientos. Significado y obj etivos El proporcionamiento de las mezclas de concreto, también l lamado proporcionam�enfo de mezclas o diseño de mez­ clas, es u n proceso por imedio del cual se l lega a la combi­ nación correcta de cemento, agregados, agua y aditivos, para elaborar un concreto de acuerdo con ciertas especifi­ caciones. Por las razones descritas más adelante, e·ste pro­ ceso es considerado un arte más que una ciencia. Aunque muchos ingenieros no se sienten a gusto con aspectos que no se puedefl reducir a un grupo exacto de números, con un entendimiento de los principios fundamentales y con alguna práctica, el arte de proporcionar las mezclas de concreto puede dominarse. Teniendo la oportunidad, el CONCRETO, estructura, propiedades y materiales ejerc1c10 de este arte es. muy �erjiunerador porque los efectos del proporcionamiento de una mezcla en el costo del concreto y en diversas propiedades ,importantes tanto del concreto fresco como del concreto endurecido, se pueden apreciar claramente. U no de los propósitos del proporcionamiento de una mez­ cla es el de obtener un producto que actúe de acuerdo con ciertos requerimientos predeterminados, siendo los requisi­ tos esenciales la trabajabilidad del ·concreto fresco y la resistencia del concreto endurecido, a una edad específi­ ca. La trabajabilidad, que se analiza con más detalle en el capítulo 1 O, es la propiedad que determina la faci l idad con la que una mezcla de concreto puede ser colocada, com­ pactada y acabada. La durabil idad es otra propiedad impor­ tante, pero se supone generalmente que en condiciones normales de exposición, la durabil idad será satisfactoria si la mezcla del concreto desarrol la la resistencia necesaria. Desde l uego que, bajo severas condiciones atmosféricas como son los cic:los de congelamiento-descongelamiento o la exposición al agua sulfataáa, el proporcionamiento .de una mezcla de concreto requerirá una atención especial. Otro propósito del proporcionamiento de una mezcla es el de obtener una mezcla de concreto que satisfaga los requisitos de funcionamiento al menor costo posible; esto incluye decisio­ nes en cuanto a la selección de los ingredientes que no sean sólo los adecuados, sino que estén disponibles a precios razonables .. El objetivo total del proporcionamiento de mez­ clas de concreto, puede por lo tanto resumirse en seleccionar los ingredientes adecuados entre los materiales disponibles y determinar la combinación más económica para producir un concreto con ciertas características mínimas de comporta­ miento. Las herramientas disponibles para que el ingeniero logre este objetivo son limitadas. Una restricción obvia en el proporcio­ namiento de una mezcla de concreto, es que dentro de un volumen definido no se puede alterar un componente inde­ pendientemente de los otros; por ejemplo, en un metro cúbico de concreto, si se incrementa el componente agregado, el componente pasta de cemento disminuirá. Con materiales 209 1 Proporcionamiento d e las mezclas d e concreto para elaborar concreto de ciertas características y condicio­ nes dadas de trabajo (como el diseño estructural y el equipo para el manejo del concreto), las variables, generalmente bajo el control de un diseñador de mezcla, son las siguien­ tes: la relación pasta de cemento/agregado en la mezcla, la relación agua/cemento en la pasta de cemento, la relación arena/agregado grueso en los agregados y el uso de aditivos. La tarea del proporcionamiento de mezclas es complicada por el hecho de que ciertas propiedades deseables del concreto pueden ser afectadas inversamente al cambiar una variable específica. Por ejemplo, la adición de agua a una mezcla de concreto rígida con un contenido dado de ce­ mento, mejorará la fluidez del concreto fresco, pero al mismo tiempo reducirá la resistencia. De hecho, la trabaja­ bil idad en sí se compone de dos partes prin.cipales [la consistencia (facilidad para flu ir) y la cohesión (resistenda a la segregación)]. y ambas tienden a ser afectadas en forma opuesta cuando se agrega · agüa a una mezcla dada de concreto. Por ID tanto, el proceso del diseño de una mezda, se reduce al arte de balancear los distintos efectos conflic­ tivos, tales ·como los. anteriormente descritos. Consideraciones gene� ales Antes de anal izar los principios específicos fundamentales de los procedimientos comúnmente usados para el propor­ cionamiento de una mezcla, es necesario examinar algunas de las consideraciones generales que. rigen todo el proceso. Las consideraciones de costo, trabajabil idad, resistencia y durabil idad del concreto son general mente las más impor­ tantes y se analizan a continuación. Costo Una consideración que sería obvia es la selección de mate.:. riales para elaborar concreto que sean técnicamente acep­ tables y al mismo tiempo ·económicamente atractivos. En otras palabras, cuando un material está disponible a partir de dos o más fuentes y existe una diferencia significativa en el precio, la fuente menos costosa de abastecimiento es generalmente seleccionada, a menos que haya razones técnicas demostrables de que ese material ria será adecuado para la obra de que se trata. A pesar de que en general existan pequeñas diferencias en el precio de los agregados .de varias fuentes locales, vale la pena examinar .el ahorro total para un proyecto grande. Suponiendo que un proyecto requiera 1 ,770 kg/m 3 de agregado total para una obra de aproximadamente 4.6 mil lones de metros cúbicos de concreto y que las dos fuentes capaces de proveer agregados adecuados tienen 210 entre ellas una diferencia de precio de 1 2 centavos por tonelada, un cálculo simple mostrará que u n ahorro en los costos de más de 1 mil lón de pesos será posible si el agregado menos costoso se selecciona para la obra. A veces, debido a razones tradicionales o por otras razones no siempre válidas, algunas agencias de especificaciones continúan exigiendo para el concreto los. materiales que son los más caros y quizás innecesarios. Por ejemplo, al exigir el uso de un cemento portland bajo en álcal is, cuando los cementos locales disponibles son de tipo de alto álcali y los agregados están libres de minerales reactivos a los álcalis, se incrementará el costo del concreto por los gastos extras del transporte del cemento bajo en álcali.s. Si el agregado en consideración contiene partículas reactivas, el uso de aditivos minerales en combinación con un cemento alto en álcalis puede resultar la alternativa más efectiva en cuanto a costos. U na consideración clave que rige m uchos de los principios de los procedimientos para el proporcionamiento de mez­ clas de concreto es el reconocer que el cemento. cuesta mucho más que los agregados (es decir, 1 0 veces más o mucho más); por lo tanta, · deberán tomarse todas las medi� das posibles para redudr él contenido de cemento de una mezcla de concreto, sin sacrificar las propiedades útiles del concreto, como .son la resistencia y la d urabil idad. Como ejemplo i lustrativo podemos referirnos a los datos de la figura 3-7. Entre las mezclas de concreto 1 y 3, . una reducción en . el contenido de cemento de 3 54 a 271 kilogramos por metro cúbico de concreto a una relación dad� de aguá/cemento (si n comprometer la resistencia del concreto) hizo posible disminuir los costos en 2.0 dólares por metro cúbico, aceptando que una consistencia de 2.Scm (de revenimiento) en l ugar de 1 .5 cm fuera aceptable para el trabajo. · Este puede muy bien ser el caso con las estructuras de concreto masivo l igeramente reforzadas o sin refuerzo. Las repercusiones económicas de la reducción en el contenido de cemento pueden ser muy grandes en pro­ yectos que requieran grandes cantidades de concreto. Los alcances de la reducción de costos pueden incrementarse más, sin comprometer las características esenciales de fun­ cionamiento de una mezcla de concreto, si se encuentran materiales más económicos para sustituir una parte del cemento portland. Por ejemplo, en la mayoría de los casos, la sustitución de cemento portland por puzolanas o · por subproductos cementantes (tales como la ceniza volante o la escoria granulada de alto horno) es m uy probable que represente un ahorro directo en los costos de los materiales. Pero además, en algún momento en el futuro, cada nación tendrá que considerar los ahorros indirectos de los costos que resulten de la preservación y de la reducción de la CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Proporcionamiento de las mezclas de concreto contaminación cuando estos subproductos industriales sean util izados adecuadamente, en l ugar de tirarlos en basureros contaminantes. Trabaj abilidad La trabajabilidad del concreto fresco determi na la faci l i­ dad con que una mezcla de concreto puede ser manejada dañina. Con toda certeza' sin q u e tenga una segregación . una mezcla de concreto que sea difícil de colocar y de consol idar no sól o incrementará el costo de su manejo, sino q ue tendrá tam bién pobre resistencia, durabi l idad y apariencia. De igual modo, las mezclas que son propensas a segregación y sangrado son más caras en su acabado y producirán concretos menos durables. De este modo, la trabajabil idad puede afectar tanto a los costos como a la calidad de las mezclas de concreto. El que la trabajabil idad sea una importante propiedad del concreto, casi siempre dependiendo del diseño de· la mez­ cla, puede sin embargo representar un problema. E l término trabajabilidad representa muchas y variadas característi­ cas del concreto fresco que son difíciles de medir cuanti­ tativamente. En consecuencia, el proporcionamiento de mezclas de concreto con miras a una trabajabil idad desea­ ble pero . no totalmente medible, representa un arte' así como una ciencia. Esta es otra razón por la cual no es suficiente un simple conocimiento de los procedimientos del diseño de la mezcla, sin un completo entendimiento de los principios básicos invol ucrados. · Las consideraciones generales para tomar las decisiones que afectan la trabajabilidad de las mezclas de concreto son las siguientes: O O O La consistencia del con �reto no deberá ser más que la necesaria para colocarlo, compactarlo y acabarlo. ' El requerimiento de agua para u n·a 'consisten cia dada depende pri n c ipalmente de las característi cas del �gre­ gado; por lo tanto, cuando sea posible, deberán mejo­ rarse la cohesividad y la facil idad de acabar el concreto i ncrementando la relación arena/agregado grueso, en l ugar de incrementar la relación de partículas finas de la arena. Para mezclas de concreto que requieran una alta consistencia al tiempo de la colocación, deberá tomar­ se en cuenta el uso de aditivos reductores de agua y retardantes del fraguado, en vez de agregar más agua en el l ugar de la obra; el agua que no ha sido calculada para el proporcionamiento dé una mez c la, ha causado frecuentemente la falla del concreto para comportarse de acuerdo con las especificaciones del diseño. . CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Resistencia. y durabilidad En el capítulo 2 se explicó que la resistencia y la permeabi­ lidad de la pasta de cemento hidratada, están mutuamente relacionadas a través de la porosidad capilar que es contro­ . lada por la relación agua/cemento y por el grado de hidra­ tación (figura 2-1 1 ). Generalmente, con la excepción de la resistencia al corigelamiento-descongelamiento, puesto que la durabil idad del concreto está controlada principalmente por su permeabil idad, no es difícil entender porqué hay una relación directa entre la resistencia y la durabil idad. Conse­ cuentemente, en operaciones rutinarias de diseño de la mezcla solamente se hace hincapié·en la trabajabilidad y la resistencia; la consideración de la durabi lidad se ignora, a menos que lo requiera Lina exposición a ambientes espe. . . ciales. Con cementos y agregados normalmente disponibles, pue­ den producirse sin dificultad los concretos estructurales de consistencia y resistencia adecuadas para la mayoría de los casos; por ejemplo: hasta 1 50 mm de revenimiento y 34.5 MPa (350 kgf/cm 2 )de resistencia a la compresión a los 28 d ías (lo que corresponde a una rela ción agua/cemento de 0.5). Cuando las consideraciones d e resistencia o de-dura­ bi lidad requieren una relación agua/cemento baja, esto se logra no incrementando el contenido de cemento · sino disminuyendo la demanda de agua para un contenido dado de cemento (por medio del control de la graduac ión del agregado y del uso de aditivos reductores de agua). Y esto no sólo es más económico, sino -'que también reduce las posibilidades de agrietamiento debidas. a un alto calor de hidratación o retracción por secado . Por lo tanto, para obtener una consistencia alta, . una . re.sistencia alta, o para controlar la velocidad del desarrollo de la resistencia a menudo se considera la util ización de aditivos reducto� es de agua y de control del fraguado. Granulometría �deal. del agrega_do De las anteriores consideraciones sobre los costos, trabaja­ bi lidad, resisten c ia y durabilidad, puede concluirse que el empacado más denso de agregado con un contenido míni­ mo de huecos será lo más económico, ya que requerirá la menor cantidad de pasta de cemento. Esta conclusión l leva a un gran n úmero de estudios teóri cos sobre las caracterís­ ticas de empacado de los materiales granulares. E l objetivo de tales estudios fue el de obtener fórmulas matematicas o curvas ideales de graduación que ayudaran a determinar las combinaciones ideales de las partículas de tamaños diferen­ tes, que produjeran los m ínimos espacios vacíos. La mayo­ ría de las fórmulas teóricas y curvas que así se desarrol laron 21 1 Proporcionamiento d e las mezclas d e concreto eran parabólicas. No es necesario describirlas aquí, porque en la práctica, estas graduaciones ideales simplemente río producen mezclas trabajables de concreto, además de re­ sultar antieconómicas. En la tecnología del concreto, la idea de una graduac ión ideal del agregado ha sido abandonada en la actualidad. Para resultados prácticos es más adecuado seguir los l ímites de graduación especificados en el ASTM C 33 (capítulo . 7), que no son solamente ampl ios y económicamente factibles, sino que también están basados en la experiencia p_ráctica y no en consideraciones teóricas. Es posible elaborar mez­ clas de concreto satisfactorias con casi · cualquier tipo de graduación de los agregados, dentro de los l ímites de la especificación del ASTM C 33; las graduaciones de agrega­ dos fuera de esos l ímites_ pueden causar problemas de trabajabi lidad y no ser económicamente efectivos (por ejemplo, pueden producir grandes espacios vacíos al com­ pactarse). Principios específicos Al revisar los sigu iente� pri ncipios específicos . que están detrás de los procedimientos para la selección de las pro­ porciones de la mezcla de concreto, será útil recordar de nuevo que la meta principal es la de lograr un- equilibrio razonable entre trabajabil idad, resistencia, durabilidad y la consideración de lós costos. Trabajabilidad. Como ya se indicó, la trabajabi lidad com­ prende ciertas · características en . el concreto fresco tales como la consistencia · y la ' cohesividad. La consistencia; hablando en forma general, es una medida de la .humedad de la mezcla de concreto que se evalúa común mente en términos de revenimiento (es decir cuanto más húmeda sea la mezcla, mayor será e l revenimiento). Puesto que · el contenido de agua es un factor clave que afecta los costos, deberá notarse que hay una relación casi directa entre el revenimiento y el contenido de agua para un grupo dado de materiales. Para un revenim.iento dado, el requerimiento de agua en la mezcla generalmente disminuye en cuanto: O se i ncrementa el tamaño máximo de·un agregado bien graduado; O se reduce el . contenido de partículas angulares y de textura áspera en el agregado; y O se incrementa la cantidad de aire incluido en la mezcla de concreto. • La cohesividad es una medida de la capacidad del concreto para ser compactado y acabado, que se evalúan general­ mente por el uso de una l lana (llanabi l idad) y apreciación visual de la resistencia a la segregación. En mezclas de 212 prueba, cuando la cohesividad es j uzgada como pobre, generalmente se puede mejorar con una o más de · las medidas siguientes: i ncrementar la relación arena/agregado grueso, sustituir parcialmente la arena gruesa por arena más fina, o incrementar la relación pasta de cemento/agregados (a una relación agua/cemento dada). Puesto que el revenimiento afecta la faci l idad con la cual la . mezcla de concreto podrá fluir durante su colocadón y la prueba de revenimiento es simple y cuantitativa, I� mayoría de los procedimientos para el diseño de la mezcla se basan en el revenimiento como un índice burdo de trabajabili­ dad; se supone que las mezclas que contienen u na cantidad �decuada de . cemento (con o sin aditivos m inerales) y agregados bien graduados, tendrán u n grado satisfactorio de cohesividad. HaY. que hacer notar q ue, en el laboratorio, son necesarias varias mezclas de prueba antes de l legar a un valor cualitativo de la trabajabi l idad considerado satis­ factorio. Debido a diferencias en el equipo mezclador, se pueden necesitar ajustes posteriores en las proporciones de la mezcla después de experimentar con cantidades a escala natural . en el campo. Esta es la razón por la q ue las expe­ riencias del pasado sean reconocidas en los procedimientos de proporcionamiento de las mezclas. Es necesario mencionar aqu í q ue no hay requerimientos estándar para la trabajabil idad, puesto q ue los requerimien­ tos necesarios para . una colocación 'en . especial . pueden variar, dependiendo del tipo de construcción y del equipo util izado . para transportar y compactar el concreto. Por ejemplo, la trabajabi lidad que se desea para un pavimento no reforzado con una cimbra deslizante no será la misma que la de una cólumna densa y reforzada, y la trabajabil idad necesaria para un concreto bombeado en una estructura de gran altura, no será tampoco la misma q ue para un concreto masivo que ha de colocarse por medio de grúa o de banda transportadora. Resistencia. Desde el punto de vista de la seguridad estruc­ tural, la resistenci_a del concreto especificada por el proyec­ tista es considerada como la resistencia m ínima requerida. Por lo tanto, para tomar en cuenta las variaciones de los materiales, los métodos de mezclado, el transporte y la colocación del concreto; ·así como la elaboración, curado y probado de los especímenes de concreto, el Reglamento de Construcción 3 1 8 del ACI requiere u n cierto grado de resistencia por encima de la d iseñada, con base en conside­ raciones estadísticas. En otras palabras, dependiendo de la variabi lidad de los resultados de las pruebas, las proporcio­ nes de las mezclas seleccionadas deben producir una resis­ tencia media o promedio, más alta que la resistencia mínima especificada. El procedimiento para determinar la resisten­ cia promedio a partir de un valor de resistencia especificada CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Proporcionamiento de las mezclas de concreto se presenta en el Apéndice, al final de este capítulo. , Hay que hacer notar q ue la resistencia promedio y no -la resis­ tencia especificada, es la que se usa en los cálculos del diseño de la mezcla. AÚnque otros factores tam bién infl uyen en la resistencia, las tabl.as y d iagramas ·uti l izados para los objetivos del proporcionamiento de una mezcla, suponen que la resis­ tencia depende solamente de la relación agua/cemento, y del . contenido de aire incluido en . el concreto. U na relación más prédsa entre la resistencia y la relación agua/cemento. para un grupo ·d ado de materiales y condi­ ciones, puede tenerse. disponi_b le por experiencias ante­ riores, o deberá desarrol larse . con mezclas de tanteo. Dependiendo del estado de h umedad de los agre·gados, es necesario hacer correcc iones en las cantidades de agua de mezclado, de arena y de agregado grueso, con el fin de asegurarse d e q ue la relación agua/cement� en la mezcla del concreto sea la correcta. Durabilidad. Como se indicó anteriormente, cuando el concreto está suj �to a condiciones normales de exposición, los procedimientos de proporcionamiento de una mezcla ignoran la durabilidad, debido a que la resistencia es considerada como un índice de la durabilidad en general. Sin embargo, en condicionés que pueden tender a acortar la vida de servicio del concreto, su durabil idad puede ser incrementada por medio de consideraciones especiales en el proporcionamiento de una mezc la. Por ejemplo,· se re­ quiere aire incluido en todos los concretos expuestos a climas en los que existe el congelamiento. El concreto que _ se expone a ataques químicos por las. sales deshielantes, o a las aguas ácidas o sulfatadas, puede requerir el uso de aditivos reductores de agua y aditivos minerales. En una situación dada, aunque una relación más alta de agua/ce­ mento podría satisfacer el requisito de resistencia, una relación más baja de agua/ceme�to puede tener que usarse cuando así se especifique desde el punto de vista de las condiciones de exposición. · Procedimientos Prevalecen en el mundo numerosos procedimientos para calcular las proporciones de la mezcla de concreto. U na extensa revista de los procedimientos británicos se presenta · en Properties of Concrete. 1 Para i lustrar los principios previamente establecidos, se describen aqu í los dos procedimientos util izados en los 1 A. M. Neville, Properties ofConcrete, Pitman Publishing, lnc., Marshfield, Mass., 1 981 . · CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Estados U nidos. Estos procedimientos se basan en el Infor­ me 2 1 1 del Comité ACl . 2 El métOdo por peso es considerado menos exacto pero no requiere información sobre la densidad de los materiales para elaborar el concreto. El método de volumen absoluto es considerado más exacto. Ambos procedimientos inclu­ yen una secuen c ia de nueve pasos que se presentan más adeldnte, siendo comunes los seis primeros pas!JS. Hasta donde sea posible, los siguientes datos de antecedentes deberán reunirse antes de comenzar los cálculos: O Análisis granulométrico para agregados fino y grueso; módulo de fineza O Peso unitario varil lado seco del agregado grueso O Densidad de los materiales O Capacidad de absorción, o humedad libre en el agregado O Variaciones en el requerimiento aproximado de agua para la mezcla, con el revenimiento, contenido de aire y graduación de los agregados disponibles. O Relaciones entre resistencia y la relación agua/cemento para combinaciones disponibles de cemento y agregado. O Especificaciones de la obra si las hay (como relación agua/cemento máxima, mínimo contenido de aire, revenimiento mínimo, tamaño máximo del agregado y resistencia a edades tempranas; normalmente se . ,especifica a los 28 d ías). · · Independientemente de si las características del concreto son prescritas en las especificaciones o se delegan al diseñador de la mezcla, los pesos de las cantidades en kg por metro cúbico de concreto pueden calcularse con la siguiente secuencia: Paso 1 : Selección del revenimiento. Si no está especificado el revenimiento, :Se puede seleccionar un valor apropiado para el trabajo de la Tabla 9-1 . Se deberán usar mezclas de consistencia más rígida que puedan colocarse y compactar­ se sin segregación. Paso 2: Selección del tamaño máximo del agregado. Para el mismo volumen de agregado grueso, util izar un tamaño máximo de un agregado con buena granulometría produci­ rá menos espacios vacíos que usar uno de tamaño menor, y esto tendrá el efecto de reducir el requerimiento de mortero en una unidad de vol umen de concreto. General­ mente, el tamaño máximo del agregado grueso deberá ser lo mayor que esté disponible económicamente y en concor­ dancia con las dimensiones de la estructura. En ningún caso deberá exceder el tamaño máximo un quinto de la dimen2 Standard Practice for Selecting Proportions for Normal, Heavy Weight and Mass Concrete, ACI 21 1 .1 Report, ACI Manual of Concrete Practice, Part 1 , Í 991 . · 213 Proporcionamiento de las mezclas de concreto metría de· 1os agregados, así como de la cantidad de aire induidó; no la afecta seriamente el contenido de cemento en la mez c la de concreto; Si no se encuentran disponibles datos que se basen en experiencias con · los agregados a utilizar, suponiendo partículas de forma normal y bien graduadas, se puede hacer una estimación del agua de mezclado con o sin inclusión de aire, basándose en lá tabla 9-2, con el objeto de calcu lár las cantidades en la mezlca de tanteo. Los datos de la tabla también. muestran la canti­ dad aproximada de aire atrapado esperado en el concreto sin inclusión de aire y los niveles recomendados de conte­ nido total de aire para concreto en el que se introduce aire intencionalmente para resistencia al congelamiento. Tabla 9-1 . Revenimiento recomendado para varios tipos de consfrucdón Ti pos de construcción Revenimiento (cm) Máximoa Mínimo 7.5 2.5 Cimentaciones reforzadas, muros y zapatas Zapatas simples, estribos y muros de subes7.5 2.5 tructura 10 2.5 Vigas y muros reforzados 10 2.5 Columnas de edificios 7.5 2.5 Pavimentos y losas 7.5 2.5 Concreto masivo ª Puede incrementarse en 2.5 cm para métodos de compactaci ón' distintos a la vibración. Fuente: Reproducida con autorización del American Con­ crete lnstitute. sión más angosta entre los lados de las cimbras, un tercio del peralte · de las losas, o tres cuartos del espacio libre mínimo entre las vari l las de refuerzo. Paso 3: Cálculo del agua de mezclado y contenido de aire. La cantidad de agua por unidad de vol umen de concreto requerida para producir un revenimiento dado, depende de el tamaño máximo de las partículas, la forma y la granulo- Paso 4: Selección de la relación agua/cemento. Puesto que los distintos agregados y cementos producen general mente diferentes resisten'c ias con la misma rel.ación agua/cemento, . es muy conveniente anal izar la relaci9n entre la resistencia y la relación agua/cemento de los materiales que se van realmente a uti lizar. En ausencia de tal información, se pueden tomar valores relativamente conservadores para concretos hechos con cemento portland Tipo 1, como se muestra en la tabla 9-3. Y como la relación agua/cemento Tabla 9-2. Agua de mezclado aproximada y requerimientos de contenido de aire para diferentes revenimientos y tamaños máximos nominales de agregados · Agua, kg/m3 de concreto para los tamaños máximos nominales indicados de los agregados Revenimiento, cm 10* 13* 20* 25* 38* 50 + Concreto sin aire incluido 75 + + 150 + + 1 54 1 69 1 78 1 30 1 45 1 60 113 1 24 0.5 0.3 0.2 1 42 · 1 57 1 66 1 22 1 33 1 54 1 07 1 19 · . 208 228 243 1 99 216 228 1 90 205 216 1 79 1 93 202 Cantidad aproximada de aire atrapado en concreto sin aire incluido, por ciento ·3 2.5 2 1 .5 2.5 a 5 7.5 a 1 O 1 5 a 1 7.5 1 81 202 216 2.5 a 5 7.5 a 1 O 1 5 a 1 7.5 1 66 1 81 1 90 Concreto con aire incluido / 1 75 ' 1 93 205 1 68 1 84 1 97 1 60 . 1 75 1 84 1 50 1 65 1 74 Promedios reco � endados de contenido total de aire, porcentaje para diferentes grados de exposición: 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 . Baja exposición 2.0 1 .5 * * � + 1 .0* * + + 6.0 5.5 5.0 4.5 4.5 4.0 3.5 * * + + 3.0* * + + Exposición moderada 7.5 7.0 6.0 6.0 5.5 5.0 4.5 * * + + 4.0* * + + Exposición severa * las cantidades de agua d e mezclado que se dan para concreto con aire incluido, se basan en los requerimientos típicos d e contenido d e aire como se indica para "exposición moderada" en la tabla que antecede. + los valores d e revenimiento para el concreto que contiene agregado mayor de 38 mrp, están basados . en pruebas de revenimiento hechas después de rem over las partículas mayores de 38 mm, por medio de cribado húmedo. * * Para concreto que contiene agregados grandes que serán cribados con humedad en una criba . de 38 mm antes de la prueba del contenido de aire, el porcentaje de aire esperado en el material de menos de 38 mm deberá ser el tabulado en la columna de 38 mm. Sin embargo, los cálculos iniciales de proporcionamiento deberán incluir el contenido de aire com o un porcentaje del total. . + + Cuando se utilice agregado grande en concreto de bajo factor cemento, el aire incluido no necesita ser perjudicial a la resistencia. En la mayoría de los casos, el requerimiento del agúa de mezclado es suficientemente reducido para mejorar la relación agua/cemento y así compensar el efecto de reducción de la resistencia del concreto con aire incluido. Por lo tanto y generalmente, para estos tamaños máximos nominales de agregado, deberán considerarse los contenidos de aire recomendados para una exposición extrema, aunque pueda haber poca o ninguna exposición a la humedad y al congelamiento. _ 214 CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Proporcionamiento de las mezclas de concreto seleccionada debe satisfacer tanto los criterios de resistencia como los de durabilidad, el valor obtenido en la tabla podrá tener que reducirse dependiendo · de los requerimientos para una exposición especial (tabla 9-4). Tabla 9-3. Relaciones entre la relación agua/cemento y la resistencia a la compresión del concreto Resistencia a la compresión a 28 días (MPa)ª Relación agua-cemento, por peso Concreto con Concreto sin aire incluido aire incluido· 0.42 0.47 O.S4 0.61 0.69 0.79 40 3S 30 2S 20 1S 0.39 0.4S O.S2 . 0.60 0.70 ª Los valores son resistencias · promedio estimadas para concreto que contiene no más del porcentaje de aire marcado en la tabla 9-2. Para una relación constante de agua-cementante, la resistencia del - concreto se reduce en cuanto el contenido de aire se aumenta. la resistencia está basada en cilindros de 1 S x 30 cm curados con humedad a los 28 días a (23 ± 1 .7 ºQ de acuerdo con la Sección 9(b) del ASTM C 3 1 , para Making and Curing Concrete Compression and Flexure and Test Specimens in the Field. Fuente: Repróducido con autorización del American Concrete lnstitute. Tabla 9-4. Recomendac iones para concreto de peso normal sujeto al ataque de sulfatos Sulfato * soluble en agua (504) en el suelo, por ciento (504) 0.00 - 0.1 O 0 - 1 SO Moderada+ 0.1 O - 0.20 1 SO - 1 SOO Severa 0.20 - 2.00 1 SOO 1 0,000 Exposición Baja Muy severa Arriba de 2.0 Sulfato * en el agua, ppm Arriba de 1 0,000 , Relación Cemento agua/cemento, máxima+ Paso 6: Estimación del contenido de agregado grueso. Se puede lograr economía util izando el volumen máximo posible de agregado grueso con base en un varil lado en seco por unidad de vol umen de concre.to. Los datos de un gran número de pruebas han demostrado que para materiales adecuadamente graduados, cuanto más fina es la arena y mayor el tamaño de las partículas de agregado grueso mayor, es el volumen de agregado grueso que puede utili­ zarse para producir una mezcla de concreto de trabajabili­ dad satisfactoria. En la tabla 9-5 se puede ver que, para un grado adecuado de trabajabil idad, el vol umen de agregado grueso por unidac,i de volumen del concreto depende sola­ mente de su tamaño máximo y del módulo de finura del agregado fino. Se supone que las_diferencias en la cantidad de mortero requerido para una trabajabil idad dada con diferentes agregados, debido a diferencias en la forma de la partícula y en__ la graduación, s<;m compensadas automática­ mente por las diferencias en el contenido de huecos del vari l lado en seco. El volumen del agregado, en metros cúbicos, con base en el varil lado en seco, para un metro cúbico de concreto, se obtiene en la tabla 9-5. Este vol umen se convierte en el peso seco del agregado grueso multipli­ cándolo por su peso unitario varil lado seco. Tabla 9-5. Volumen de agregado grueso por llnidad de volumen del conéreto Tipo 11, IP (MS), IS (MS) + + o.so Tipo V + + + 0.4S Tipo V + puzolana o escoria * * 0.4S * E l sulfato indicado como S04 se refiere a l sulfato indicado como 50 3 , como se registra en los informes de análisis químicos de cemento en que S0 3 X 1 .2 - S04 + Cuando los cloruros u otros agentes despasivantes están presentes además del sulfato, una relación más baja de agua-cemento puede ser necesaria para reducir la corrosión potencial de los elementos empotrados. Ver el capítulo 4. + + O una mezcla de cemento Tipo 1 y una escoria granulada o una puzolana que ha sido determinada por pruebas que puede dar la resistencia equivalente a los sulfatos. + + + O una mezcla del cemento Tipo 11 y una escoria granulada o una puzolana que ha sido determinada por pruebas que puede dar la resistencia equivalente a los sulfatos. * * Use una puzolana o escoria que ha sido determinada por pruebas que puede mejorar la resistencia a los sulfatos cuando se use en concreto que contiene cemento Tipo V. Fuente: ACI Committee 201 , Guide to Durable Concrete, AC/ Materials /our., Vol. 88, No. S, pág. S53, 1 991 . . · · . · CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Paso 5: Cálculo del contenido de cemento. El contenido de cemento requerido es igual al canten ido del agua de mezclado (Paso 3) dividido entre la relación agua/cemento (Paso 4). Tamaño Volumen de agregadoª grueso varillado en seco.por máximo del unidad de volumen de concreto para distintos módulos . agregado · de finura de la arena (mm) 2.80 ' 2.40 3.00 2.60 10 13 20 2S 38 so 7S 1 SO o.so O.S9 0.66 0.71 0.7S 0.78 0.82 0.87 0.48 O.S7 0.64 0.69 0.73 0.76 0.80 0.8S 0.46 O.SS 0.62 0.67 0.71 . 0.74 0.78 0.83 0.44 O.S3 0.60 0.6S 0.69 0.72 0.76 0.8 1 ª Los volúmenes están basados e n agregados e n condició � d e varillado en seco como se describe en·e1 ASTM C 29, Unit Weight of Aggregate� Estos volúmenes son seleccionados a partir de relaciones empíricas para produ­ cir concreto con un grado de trabajabilidad adecuado para construcciones usuales reforzadas. Para concreto menos tíabajable, como el requer ido para la construcción de pavimentos, pueden incrementarse en aproxima­ damente 1 O por ciento. Para concreto más trabajable tal como el que se puede necesitar algunas veces cuando su colocación se realiza por bom­ beo, los volúmenes pueden reducirse hasta en 1 Opor ciento . . Fuente: Reproducido con autorización del American Concrete lnstitute. · Paso 7: Estimación del- contenido de agregado fino. Al completar el paso 6, todos los ingredientes del concreto han sido calculados con excepción del :agregado fino; su canti215 ' Proporcionamiento d e las mezclas de concreto dad es determinada por diferencia y en esta fase, se pueden emplear ya sea el método de "peso" o el de "volumen absol uto". De. acuerdo con el método de peso, si el peso unitario del concreto fresco se conoce por una previa expe­ riencia, entonces el peso requerido del agregado fino es simplemente la diferencia entre el peso por unidad del con­ creto y los pesos totáles del agua, cemento y agregado grueso. Cuando no se cuenta con un cálculo confiable del peso unitario del concreto, la primera estimación para un concreto de riqueza media (326 kglm 3 de cemento, revenimiento médió de 7.5 a 1 O cm) y una densidad aproximada de 2.7 del agregado; se puede obtener de la tabla 9-6. La experiencia demuestra que aun un cálculo burdo de peso unitario es adecuado para el propósito de elaborar mezclas de tanteo. Tabla 9-6� Primera estimación del peso de concreto fresco · Tamaño máximo del agregado (mm) 10 13 20 25 . 38 50 75 1 50 Primera estimación del pesó del concreto .. , (kg/m3)a . . Concreto sin Concreto con aire incluido aire incluido 2280 23 1 0 2350 2380 241 5 2445 2470 251 0 2 1 90 2230 . 2280 23 1 5 2350 23 75 2400 2445 ª Valores calculados para el concreto de riqueza media, (325 kg de cemento . por metro cúbico) y un revenimiento medio con agregado de densidad relativa de 2.7. Los requerimientos de agua están basados en valores de 7.5 a 1 O cm de revenimiento en la tabla 9-2. Si se desea, el peso estimado puede ser afinado como sigue, cuando se tenga la información disponible: por cada 5 kg de diferencia en el agua de mezclado de los valores de la tabla 9-2, para cada 7.5 a 1 O cm de revenimiento, corrija el peso por metro cúbico ·en 1 O kg en la dirección opuesta; por cada 45 kg de diferencia en el concreto con contenido de cemento de 325 kg, corrija el peso por metro cúbico en 1 O kg, en la misma dirección; por cada 0.1 en que la densidad relativa específica del agregado se desvíe de 2.7, corrija el peso del concreto en 45 kg, en la misma dirección. Fuente: Reproducida con autorización del American Concrete lnstitute. En el caso del método de volumen absoluto, el volumen total desplazado por los ingredientes conocidos (agua, aire, cemen­ to y ·agregado grueso), se resta del volumen . unitario del 3 concreto (1 m ) para obtener el volumen req �erido del agre­ gado fino. Éste a su vez es convertido en unidades de peso multiplicándolo por la densidad del material. ' Paso 8: Ajustes por humedad del agregado. Generalmente, los agregados en el almacén están húmedos; sin la correc­ ción por humedad, la relación real de agua/cemento de la mezcla de tanteo será más alta que la seleccionada en el paso 4, y los pesos de los agregados saturados superficial216 mente secos (SSS) serán menores q ue los estimados en los pasos 6 y 7. Se supone por lo tanto, que las proporciones de la mezcla determinadas en los pasos 1 a 7, lo son en base a los agregados a SSS. Para la mezcla de tanteo, dependien­ do de la cantidad de humedad libre de los agregados , el agua de mezclado se reduce y la cantidad de los agregados se incrementa correspondientemente, como se indica en los cálculos de muestra. Paso 9: Ajustes de la mezcla de tanteo. Debido a las muchas suposiciones que caracterizan a los cálculos teóricos ante­ riores, las proporciones de la m'ezcla para los materiales que se van a 'uti l izar realmente, deben ser verificadas y ajustadas por medio de pruebas de tanteo ' en laboratorio con peque­ ñas cargas (por ejemplo, 30 L de concreto). E l concreto fresco deberá probarse en revenimiento, trabajabi l idad (li­ bre de segregación), peso unitario y contenido de aire; las muestras de concreto endurecido, curado bajo condiciones normales, deberán probarse en cuarito a resistencia y en la edad especificada. Después de varios tanteos, cuando se obtiene una mezcla que satisfaga los criterios deseados de trabajabi !idad y resistencia, las proporciones de la mezcla de la carga de prueba a escala de laboratorio son i ncremen­ tadas para producir cargas a escala natural en el campo. Cálculos para 11;n ej emplo Especificaciones de la obra Zapata de concreto reforzado Mediana (bajo el piso, no expuesta a congelamiento ni a agua sulfatada) 38 mm Tamaño máximo del agregado de 7.5 a 1 O cm Revenimiento Resistencia a la compresión especi- 24.5 MPa ficada a los 28 días Tipo de construcción Exposición · Características de los materiales seleccionados Cemento lone Star Tipo 1 Densidad relativa Peso u.nitario (kg/m 3) Peso u n itario varil l ado en seco (kg/m3) Módulo de finura Desviación de humedad de la condición 555 (%) 3.1 5 3, 1 50 Agregado . Agregado grueso fino Felton Grava Fair No. 2 Oaks 2.60 2,600 2.70 2,700 1 ,600 2;8 + 2.5 + 0.5 Pasos l a 7: Cálculo de las proporciones de la mezcla (Base SSS, kg/m3) . O Paso 1 . Revenimiento = 7.5 a 1 0 cm (dado) CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Proporcionamiento de las mezclas de concreto O O O Paso 2. Tamaño máximo del agregado (dado) 38 mm Paso 3. Contenido de agua de mezclado (concreto sin inclusión de aire) = 1 81 kg. Cantidad aproximada de aire atrapado = 1 . por cie�to (tabla 9-2). Paso 4. Resistencia promedio de las . ecuaciones del Apéndice (suponiendo una desviación estándar de 2 . 1 MPa según experiencias pasadas) = 245 + 1 .34 x 2 1 = 27.3 MPa. Relación agua/cemento (tabla 9-3) = 0.58 . O Paso 5. Contenido de cemento = 1 8 1 /0.58 = 3 1 2 kg. O Paso 6. Fracción de vol umen de grava varil lada en seco (tabla 9-5) = 0.71 Vol umen de grava varilláda en seco = 0.71 X 1 600 = 1 , 1 36 kg O Paso 7. Util izando el método de peso: peso unitario del concreto (tabla 9-6) = 2,4 1 5 kg/m 3 Peso de la arena = 2,4 1 5 - ( 1 81 + 3 1 2 Uti l iza-n do el Material Agregados sss 3 Cemento Arena Grava Agua Total O � sss kg/m 30 L .de Concreto 312 9.36 75 1 22.53 1 , 1 36 34.08 1 81 5.43 2,380 71 .4 Corrección por humedad (kg) 22.53 X 0.025 0.56 34.08 X 0.005 0. 1 7 5.43 - (0.56 + 0.1 7) - 4.70 �debe ser igu al� Proporciones de la mezcla para la primera . mezcla de prueba (kg) 9.36 23.09 34.25 4.70 71 .4 Paso 9. Elaboración de la primera prueba de laboratorio y ajuste de las proporciones. Las propiedades medidas del concreto fresco de la primera mezcla de prueba son: Revenimiento = 1 2 cm Trabajabilidad = ligera tendencia a segregar y sangrar Peso unitario � 2,3 73 kg/m 3 Contenido de aire = 1 % + 1 , 1 36 ) = 786 kg método de volumen absoluto: 1 81 Vol umen desplazado por el agua = 1 000 = 0. 1 81 m 3 ' Vol umen desplazado por el cemento = 312 = 0.099 m 3 31 1 50 Vol umen desplazado por la grava = 1 , 1 36 = o · 42 1 m 3 2,700 . Vol umen desplazado por el aire = 0.01 O m 3 Total = 0.71 1 m 3 Vol umen desplazado por la arena = 1 .00 0.71 1 = 289 _. Acción que se toma para la segunda mezcla de prueba: reducir la grava en un kilo e i ncrementar la arena en la misma cantidad. Pesos para la segunda mezcla de prueba: Cemento 9.36 kg Arena 24.09 kg Grava 33.25 kg Agua 4 ,ZQ kg TOTAL 71 .40 kg Las propiedades medidas del concreto fresco de la segunda mezcla de prueba son: ' Revenimiento = 1 O cm · Trabajabi lidad = satisfactoria Peso unitario = 2,373 kg/m 3 Contenido de aire = 1 % . ,, Peso de la arena = 289 x 2.66 = 75 1 kg Tres cilindros de 7.5 x 1 5 cm fueron colados y curados con humedad a 23 ± 1 .7 ºC. Puesto que el método del volumen absoluto es más exacto, las proporciones determinadas por este método serán las utilizadas. La resistencia a la compresión promedio a los 28 d ías fue de 30 MPa; con menos de 5% de variación en la resistencia entre los cilindros individuales. Las proporciones de - la mezcla recalculadas para la mezcla a escala natural de campo son como sigue: O Paso 8. Ajuste de la humedad para la mezcla de prueba de laboratorio CONCRETO, estructura, propiedades y materiales 217 Proporcionamíento de las mezclas de concreto Proporcion' Co�recció·n por humedad: : presente· (para convertir ·a condidón: (kg/m 3)1 SSS) (kg): Cemento' Arena Grava• Aguai Total! • 3 1 7' 816 l,126 1 59:2'. 2;41 8i2 81frx 0.025: 20;4 n 1, 1 26·x o.005 · 5:6, 1 59:2'- (20:4+ 5.6) - 1 33�2: �debe ser igual� = = .· f '�- Base sss� (kg/m�)' f 3 l7 836:4' 11 ,H1:. 6·, H3:2 2:41 8:2 Ci.Jando:una:pfanta·productora de concreto tiene un registro> satisfáctorio·de'30'pruebas consecutivas · de · materfales:siini!.­ fares; w de· condidones; esperadas;. fat desvfaci(fa¡ estándar.· puede·calcularse de'acuerdb;coni la fórm.ufa: · ] 1h · r �(ix; �)� i �- n :--1 1 j (9-3) 2335� -- 35 Menoscie:210i 21 0'a:350� Más·de'35o) Resistencia'promedio'a-la: compresión' requ.eriéJa·' f ·,�, c�gfíém� » f·'� f· 70' f;'� +- 84: . 1 ' fí'� +- 99i Ea1figura19!1! muesfraiun · dfagram�i:de:flujo·dellAc;:1:Bui ldlng� Code· G:ommenfary· (3l8R:.89)l q ue' subraya! la1 seleccicfo< de' mezda1 Y' los" procedimientos: de' documenfacion·: basados; tanta• en·1 la1 experiencia de' campo) como'- en·¡ mezclas0 de · prueba:. Pruebe: sff cnn·ocimiento 11 fo<plique:por"·qué;e/lproceso de-proporciona·r mezdas:de' concreto> se:encuentra: aún1 déntro) dé/l camp·o¡ dé( arte:. ¿Tiene'ustedla/guna; idéa••de'cóíno1hacer más;científfoa: lirpráetii:a;uti/JZéida1actualinente en;/bsEsta.dbs�úhidbs?' •. en-1 dbnde'5: es; la1desvfación1estándar. (km/ém? ) ; .. x; ;el !valor•· de) la1resistencia:de1 una l prueba l i ndividualJ,x: latresistenda l promedio:de·n;prueoas-;y,.'n�el lnú'mero·de'prueoas:consecu!­ tivas�de-resistencfa·: . <!:uandcll lbs:dat0s>para1 l.sia125i prueoas:estén1disponioles;, el l valor.· calculado) de: la1 desvfació'n 1 estándar,· puede� serí mod ifü:ado:déracuerdb�con11 bs�datos�sigu ientes: : Número de pruetias' Factor-de multiplicación1 1 51 2ffl 25) 30 'o má5:; 1 l 1 6'1 1 W8 l 1 !03l 1 !001 La-resistencia promediüa·la compresiórnequerida·(f?�r)'que:� Ha·de-util izarse como-1a·oase:para·calcular;las�proporcioness de.,la-1mezda1de'concretb;,deberá'. serílo:que=resulte'mayor;· de:las�ecuadones': (9.l2)lo�(923): : 3 -'sasado e n el ¡AGI Building Góde -3 1 8} . 2 1 8� +- • ser: propordé:madoi parai dar. · una• resistencia·1 promediO-i a1 fa1 compresi6n; (fi 'é:r)\ más; alta' que· la1 resistencia·: especificadai (fré:)lcon1el!fin1de1minimizar: fa:probabil idad:de,que·ocurr�rn1 resistencias�menores;que'f, 'é;. ,-- f '� Resistencia·especificada'a�ia-com�­ presión:fi°'� C'�gf/cm�'>: Building Code: Requirements: for: Sfrucfüral! PfairrConáete;.y ellACll3·1 8�.Buildii1g.Code·Requfrements; for. Reiitfo rced : conc rete; , especifican que el ! concretfr debe 5:'= = (9-'2)' t.345 Cuando) no) se: cuenta, con datas adecuados· para1 establecer una1desvfaci6n1 estándar�. la1resistenda1 promedlcweqúerida' puedédetermiiiarse'en1 fai forma1 siguiente:: Ell ACll 322�, � cr f '�- +- faecuadón';(9'..2 )\prop·ordona�una�probabi 1 idad de' 1: en· rno de que los· promedfos de tres p·r uebas; consecutivas· estén por abajo· de la resistencia especificada, ( 'c . ta· ecuación· (9-3)'proporciona una probabil idad:sfrnilar de·· pruebas indi� ' viduales� siendc>•má·s:de 35: l<gf/Cm� por·abajd de · la' resisten­ cia' especifleada� . Apéndice:. Métod.o s: para- determinar la resistencia promedio a la compresión ª'· partir· de la resistencia especificada3 · ' = 2:. Se: encuentra1 ustedi como1 gerente• dé� proyecto: de' una estructura1dé ·contretb-'que:involucra<vari0s'millbnes ·de· metros' cú/Jii:os; de: co·n cretb?- biga:. brevemente:: ¿Qilé ; consejos> querríá1 ustedl dar:· a/l ingeniéro1 ai cargo' deJf proporciO-namientó) de: una1 mezcla;, con1 respecto) a1 /a1 reduccioíf1de:costbsi de' los: materiales?? Desti=iqüe-'enisui respuesta.t e/! ingredíente:clave"en1 e/I concreta>desde-!e/1 pumo1deyista1de%s;costós� . 31 . ¿ Por."qué;no--:es·'necesarioitéJmar.'en'lcuenta·1Jasícbnsidera::.­ ciones5 so/Jre? dur�lJilldad l en1 �JI ptoporcionamiéntd) de' una1mezc/a;,c:uandb�e/fconcretb�estáísujéto1a·1condtdó�­ nes·normales-dé-exposid6n?7De'.ejémp/(Kdedicunstan-­ ciasien1 que:/a1duraliilldádídélie"serrconsidéra-da1en1e/I diseño:'dé:Ja1mezdát. · 4!. Eir1 teoríáJ, lass graduaciones<; encontra:dáss idealess dé·: Jós; agregados'para1 una�dénsidadjináxima1déJJeríán1serr/as) más'·econóíniCas;:aun1asíf,no-;sucede:estb'erf1fifpráética:. ¿Puedé:usted.'explíCar:porrqué?? CONCRETO; estructúra;\ propiedades'y: matériales' Proporcionamiento de las.mezclas de.concreto ,LA INSTALACION .DE PRODUCCIÓN DE CONCRETO ;TIENE REGIS.TROS DE l'RUEBA DE CAMPO.DE RESISTENCIA PARA LA CLASE ESPECIFICADA DE CONCRETO O DENTRO DE 70 kg,fcm2DE LA CLASE ,ESPECIFICADA DE CONCRET.O SI .1 5 A 2 9 PRUEl'IAS CONSECUTIVAS . DOS GRUPOS D E PRUEBAS CONSECUTIVAS ( TOTAL :1: 3 0 ) ,PRUEBAS CONSECUTIVAS ,( !> �O ) NO NO NO SI SI CALCULAR S PROMEDIO CALCULAR S RESISTENCIA PROMEDIO REQUERIDA.DE LA ECUACIÓN 5.1 Ó 5.2 SI '. 1 , ' CALCU LAR S E INCREMENTAR EMPLEANDO LA TABLA 5.3. 1 .2 RESISTENCIA PROMEDIO REQUERIDA DE LA TABLA 5.3.2.2 E L REGISTRO DE CAMPO DE A L MENOS 1 O RESU LTADOS DE PRUEBAS CONSECUTIVAS, EMPLEANDO MATERIALES .SIMI LARES Y EN CONDICIONES IGUALES, SE ENCUENTRA DISPONIBLE --- NO--- SI HACER MEZCLAS DE .PRUEBA EMPLEANDO COMO MÍNIMO TRES .RELACIONES AGUNCEMENTO DIFERENTES O CONTENIDOS DE CEMENTO DE ACUERDO A LA SECCION 5.3.3.2 LOS RESU LTADOS REPRESENTAN U NA MEZCLA NO GRAFICAR LA RESISTENCIA PROMEDIO E N RELACIÓN CON LAS DOSIFICACIONES E INTERPOLAR PARA OBTENER LA RESISTENCIA PROMEDIO REQUERIDA LOS RESU LTADOS REPRESENTAN DOS O MÁS MEZCLAS SI PROMEDIO :1: PROMEDIO REQUERIDO GRAFICAR LA RESISTENCIA PROMEDIO E N RELACIÓN CON LAS DOSIFICACIONES E INTERPOLAR PARA OBTENER LA RESISTENCIA PROMEDIO REQUERIDA DETERMINAR LAS PROPORCIONES DE LA MEZCLA EMPLEANDO E L ESTANDAR ACI 2 1 1 . 1 NO+ -----� SI SOMETER A APROBACIÓN Figura 9-1 , Diagrama de flujo para la selección y documentación de las proporciones de concreto. (Adaptado del ACI 3 1 BR-2� Reproducido con autorjzación) 5, En el diseño de la mezcla: ¿Por qué es deseable utilizar una cantidad mínima de agua? ¿Para un revenimiento dado, puede usted reducir la cantidad de agua? 6, 7! B. Describa el significado de la trabajabilidad del concreto y los factores que afectan esta propiedad, De acuerdo con d Reglamenteo para Construcciones A C/ 3 7 B, fa selección de /as proporciones de la mezcla deberán basarse en la resistencia promedio y no en Ja resistencia especificada. ¿Está esto justificado? Dado un valor de resistencia especificada ¿qué procedimientos se utilizan para determinar Ja resistencia promedio? Con respecto a la Práctica Estándar para Seleccionar las Proporciones para Concreto de Peso Normal y Masivo AC/' CONCRETO, estructura, propiedades y materiales ·2 1 1, explique los principios que se aplican para lo siguiente: a) Estimación del contenido de agua b) Estimación del contenido de agregado gruesq ,¡ c) Estimación del contenido de agregado fino por el método del peso d) Estimación del contenido de agregado fino por· el método del volumen absoluto. . 9. a) Explique brevemente la influencia del tamaño máximo del agregado (por ejemplo, 1 9 mm contra 38 mm) en el contenido de agua de mezclado y en el contenido de cemento, en una mezcla de concreto con una relación agua/cemento de 0.5. b) ¿Por qué es importante controlar la graduación del 219 Proporcionamiento de las mezclas de concreto agregado una vez que el diseño de la mezcla del con­ creto ha sido seleccionado? ¿ Cómo se expresa este control de la graduación en una especificación? 1 O. Dadas las proporciones siguientes en kg!m 3 SSS para una mezcla de concreto, calcule los pesos de la mezcla en la obra, cuando la arena contiene 4 % de humedad libre y la grava tiene 1 % de absorción efectiva: cemento = 500; agua = 300; arena = 1,350; grava = 1, 900. 1 1 . Las proporciones por masa de una mezcla de concreto son como sigue: cemento = 1 agua = 0. 53 arena = 2.50 grava = 3.50 Si el peso unitario es 2,3 90 kg!m 3, calcule el contenido de cemento. 1 2. Determine las proporciones de la mezcla de concreto en estado SSS requerido para un-·pavimento exterior sujeto a ciclos frecuentes de c;ongelamiento-desconge­ /amiento. Se dan los siguientes datos: Resistencia a la compresión especificada a los 28 días: 2 2 1 0 kgrlcm Revenimiento: 7.5 cm Agrega do grueso: tamañ_o máximo 25 mm; 1,635 kg!m 3 peso varillado en seco. Agregado fino: 2.8 de módulo de finura Densidad específica de cemento, agregado grueso y agregado fino: 3. 1 5, 2. 72 y 2. 70 respectivamente. Sugerencias para estudio complementario ACI Committee 3 1 8, Building Code Requeriments for Reinforced Concre­ te, Building Code Commentary, ACI 3 1 8R, 1 983. ACI Standard 21 1 . 1, Standard Practice for Se/ecting Proportions for Nor­ mal, Heavyweight, and Mass Concrete, ACI Manual of Concrete Prac­ tice, Part 1 , 1 991 . ACI Committee 21 1 .2. "Standard Practice for Selecting Proportions far Structural Lightweight. Concrete", ACI Materials Jour., Vol. 87 No. 6, págs. 638-651 , 1 990. Design and Control of Concrete Mixtures, Portland Cement Association, Skokie, 1 1 1 ., 1 979, págs. 55-65. Neville, A.M., Properties of Concrete, Pitman Publishing, l nc. Marshfield, Mass., 1 98 1 , págs. 648-71 2. o 220 CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Capítulo 10 Concreto en edades tempranas Presentación Definiciones y significado Sin duda la selección de los materiales adecuados y de las proporciones de la mezc la, son pasos importantes para lograr la meta de producir un concreto que cumpla con los requisitos de resistencia y de durabi l idad en una estructura; sin embargo, la meta puede aún permanecer incumplida si rio se pone la atención adecuada a las operaciones a las que el concreto es sometido en su edad temprana. El término edad temprana cubre solamente una cantidad insignificante de tiempo (por ejemplo, los dos primeros d ías después de producirse) en la vida total esperada del concreto, pero durante este período se real izan numerosas operaciones tales como el mezclado, el transporte al sitio de la obra, la colocación en las cimbr�s, la compactación, el acabado, el curado y el retiro de la cimbra. Estas operaciones son afectadas por las características del concreto fresco; por ejemplo: la trabajabi lidad, el tiempo de fraguado y la ma­ durez o velocidad de adquisición de la resistencia. Obvia­ mente, el control tanto de las operaciones en la edad temprana como de las propiedades del concreto fresco, es esencial para asegurar que un elemento acabado de concre­ to sea estructuralmente adecuado para el propósito p ara el cual fue diseñado. En la profesión médica es bien sabido que, con el fin de convertirse en una persona sal udable, un bebé recién naci­ do necesita especial atención durante el período temprano de su crecimiento. Algo similar se aplica al concreto, pero en ambos casos, no hay una definición clara de cuán temprana es la edad temprana. Los técnicos del concreto están de acuerdo en que las deficiencias adquiridas por el concreto fresco debido a la pérdida de trabajabilidad, du­ rante o antes de la colocación, la segregación y el sangrado durante la compactación y una lenta e inusual velocidad de maduración (adquisición de resistencia) pueden dañar per­ manentemente al concreto y reducir su vida de servicio. Una descripción detallada de las operaciones y del equipo uti l izado para el pesado de los ingredientes, el mezclado, transporte, colocación, compactación y acabado del con­ creto fresco, se encuentra fuera del alcance de este libro. Solamente los pasos básicos y su significado se describen en este capítulo: ·,_ . .. También se describe el significado y el control de la traba­ jabil idad, la pérdida de revenimiento, la segregación y el sangrado, la retracción plástica, el tiempo de fraguado y la temperatura del concreto. Se (¡lnal izan brevemente, como herramientas efectivas y econó rri icas de los programas mo­ dernos de control de calidad, los prq,cedimientos de prueba de resistencia acelerada in situ; los métodos de prueba no destructivos y los diagramas de control estadístico de la cal idad. CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Tratando el tema de cuán temprana es la edad temprana, S. G. Bergstrom, del Instituto Sueco del Cemento y del Con­ creto, dijo: ..El tiempo no es una buena medida para calcular lo "temprano". El tiempo en que el concreto ha alcanzado una cierta madurez, depende de muchos factores como sonel tipo de cemento, la reactividad del cemento, la temperatura, los aditivos, etc. El fa�tor tiempo no es significativo en los casos generales, si usted no está especificando su caso muy cuidadosamente. Después, desde luego, el grado de hidratación da una indicación mucho mejor, pero sin embargo, no está siempre disponible, si vemos el lado práctico. Quizás usted pue.de también utilizar otra definición más práctica, si la propiedad en que está interesado ha alcanzado el nivel que usted necesita en un} iempo dado. Todos los tiempos anteriores a ese nivel son evidentemente edades tempranas; lo que significa que la definición depende de la forma en que usted usará el concreto. El descimbrador diría que necesita aproximadamente 1 5 MPa, mientras que el operario de una cimbra deslizante no necesita tanto como eso. Estos son dos conceptos realmente diferentes acerca de la edad temprana. La respuesta es que no existe una respuesta universal. Cu � ndo tratamos de definir la edad temprana en el área en donde vamos a trabajar, diremos, según una regla doméstica, para concreto normal, en situaciones norma­ les:. algunos dirán 24 horas, otros dirían 48 horas, pero eso es sólo para indi car un orden de magnitud. 1 1 S. G. Bergstrom, Conclusions from The Symposium on Concrete at Early Ages, París, 6-8, de abril de 1. 982 . Rilem Bulletin. 22 1 .�_onc;r_e.to _en._e_da_des tempranas ,P_1:1 �_s,t9 .gy,e �J.íl? . m�i.:cl.él eje gmc.r�.t9 ,r:ior,rl).él.l .(�s ,d_ef.i r, �,o.r:t:­ ,c.r.e�o h �_c.�9 C:9.I) ,u.r:t c:�m�.r:tt.9 pgr_�l él.r:tcJ n_<?.rm_él.1 y Sljje_t9 ..él p per_ac:.ior;ie.s ,nor.r:n_élle_? de rr,i_éln§jo y ��rr,i p�r.él��r,é}p� c;:_u r_?d9), . y 9.e J .él :7 _gel)gr_él.l.ry,�.r:\t� .t9.m.él :9.e 6 él ·1 9 � 9.r_él.s p.a�a .fr.?.glj.ar _d,í as Pélr.él .1.ogr_ar yn .r:t.i Y�.1 d§ re_s.is��nc:.i.a .9e_sgago .a.nt�s d� si ve �,l ,c i rr,i,l?,r,a 9.� p,uedél .s �r retirado,, .t? ,dg�i r;i,if,i ó.n ,d� gcj_élp t_em­ prana .i.n_c,l,yye por .L.J nél Pélr.te gl ,C().QCre.t9 .r.ec::.ig.Qt�mg r;i_te :'!l e.z_d,a_d9 ,d_e .co,n_s.i st�.n c:.i.él _P.1 �\s.t.i.c::a, y pgr P.tr? pé}rt�, .e.1 .c. . o nc:r_e.to ,e.ncju.r.e c,i.c:fg . d�1 él :� 9 (?? ,d_e .ec:f.? d, .mig gs _5ljfü:.ieQ:­ �.e ryi ent� .r�_s.i s��,nte par.a _d ejarl .o .c:f� .élt§.QC;l�:r ��-�C::� P�() gm.ti :­ ,r:1 u.él.r c:on .el c u,r�d 9 ,h,úm,�p(), _s � g�.Q _s� _él.Q_élJ.i�_ª r-� m_éis a_d e.1..élry�g ).� .. .. · · .� 1 p er,í9 c:fp ,c;f� �..dag .t.�.ni pr,él.Q.él �n .1..c1 yiq_él c.ig.1 .c::Pnf.rg�9 gs .i.� s.iw:i.if.i.c.élnt�m�m� .P�q ug.�9, .C:9ffl.P-ª.í-ª99 �Pn .1-ª Y.i9-ª �9�.él.1 �-s.P.�.r..él99, p�rP ,9 1.:f rélm§ g?��· p.�.r.í9g9, �-s�-ª ?!:1)��9 ·ª mhl.C::.�-ª.? �?,P.�.r.élc:.i9n�.s 9Y§ ng _sg_r) .élf�c::�.élP-ª.s .59.l.élmgm� pPr .1-ª.s pm,P.ig; · .9.élc:f� s P�.1 m_él�§.r.i..él.lr .s.in.9 .g yg �ªm!?.ign .in(l !Jygn gn .e.l.lª.s.. ,Pgr �j �m.P.l g·,· �.nª m�:zc::,1 .él c::gn .P9.b..rg �r.él.b.-ª)ª.b..i .1.i g-ªc:f .s�r� 9.if.i.c::.i.l 9� m�.?C:.1.él r; pgr .9�f.él .P?.í�§,, pg_rnª_s·i ªg o m�?'.C::.l _élp9 ,P!Jgpg .r§.c:f Yc:.ir .1-ª �r.él.b.éljª!?.i .1.i9?9 .. � s�.4 f.y g,r-ª 9� .I .él.l c:9nc:� q� �w� .1 .i brg .c.i g.s§.r.i.l? ir gn º�1aJ .lg .1.ª? 9P�.rªc,iqn� s y � I !=!gl!.ipg .� H .1 .i;Zªd q1pg,rg .19? .in,g�n.i�r9? 9�:­ l:? e.r ,í�n � s�.ar fªm i .l jª.r,if:atjg? rn.n 'ª ?�-���nf:.i.ª º� ,1ª? p.rJnc::,i p9:­ les qp erac: ion e? , ?!-:' im�.r?c:c:.i gr� C:PP .1ª.s grª���r.í��.i.�ª.? 9�.1 cqpc:r e�o en �d ªq�? r�mp r,a.n!l? y. 'ª r�rrn.ing J ggíª !.J! i J i�ªºª e n Iª p r?ctj cª d � c:ªmpg�· -- � n ge n�,rª l r I ª ?�c:�gnc:i? g� .l ªs qp�rªc:!gng? p,rim:JgªJ�? � s cqmq s ¡ gue : p rgpqrc:!Pnélm ie,ntg, mg:Z� l ªgg y trªn.sm:>rt� g e !él m�� c ! a d f:! rnncrgtg d.�?9g g! hmélr �n m�� ?g �'ªººrn hª?tª �1 ?i!iP qg lél gprn¡ rn!Pc:ªc:i9n �i�! mnc:rg!g Plª?t ic:P gn �J P,!:mtg gn 8� e s� rf:!q�igr�; c:Pmpªc:!élc:i9n y ªe:ªºªºº mi�ntrn? 'ª m�i;c:! a �? élQn trnl?ªJªb!g; finél! mgm�, gJ c:!J. rªºº h�m�ºº pélrª !9Wél r Y '1 Wªºº gg?gªºº gg mª9�rn� ªn tg? gg rn!irn r g! c:lmP.rªºº= �ª? gp,�rªc:!gng? �W� ?� 9g?c:r H?gn mªs, ªºg!ªntE?' �?tªn q¡y i g¡qª s gn @!� gq,rfª? ·?�Pélrªqªs, ?9!ªm�ntg c:gn �! Pf9PÓ.?i tg g e e f1!gpqg,r �sl! s,j gn i f¡�ªqg y �! �g�jpg Rª?iC:9 rn�c:·� sªr i 9; �n 'ª rm�c:tic:ª �§!ª s,� p��g g �mp,ª! mªr: Pgr �J�mp!g! �n �! rMtqgg qg m���'ªºº gn c:ªm!9n !ªs, gp�rn:: c lgn�§ g e f11 e��!ªgg y g� trnns,p�:>rt� s,e ! ! eyªn ª C:ªPQ s,!rn�I:: · t?n�ªm�n!�: Flrn!!rn e n�'ª� g�i§te n fªc:�fü�? �n �I co mpg,rtªm!�n tq qe,! §Qíl:: m�te> �n �ºªº�? te,mprnnª? qlJ.� nq p�e,qe,n c;:Qn?ig�rªr se, P,fgpj�gªg�§ l ntrff!?g�ª? g�! mªt�r i ª!' .pe,,rq Q !:Je, ?Qn imRQ r= �fü1 tes ggi?igg ª ?Y e,fo�tº e,n g! <::9m.P9rtªm i �n!q ª l�rnº P!ª?e> gg �nª e,?trnc:tYrn qg �gnc:rntc?: �?!ª? i rn:l tJ.Ye,n ..Iª trngªJª!?i!lgªg, 1ª Y�lg�¡gªg g� p�rg¡gª g� rnve,n!migntgf !ª ?�W��ªc:l9n y e,! ?ªn�rngg, 'ª re,tr?q:i9n p!ªs,*�ª! gl fü � mp,g 9� frn9�gg9 y 'ª t�mRgrnt�rn gg ��rn9g: �n 'ª rm�ºt'ºª� mY�hª? g� �?tª? c:ªrnc:t�r í?tl�ª? Y fe ngme,n9? g§tªn i me,rr�:: !ªc:lgnª99?� ?in gmºªnw� P�h �! p rqpg�ltg ge, !q�rnr l:ln . 222 · �n.t�.r;ic;l,imie.nto c.laro c:l.e :?.U �s.i.gni_fiCé1c:lo y !=9.nJr,91 , _se Lar:tal i_?:a­ rá.Q i_ndivi dual.me,_nte.. .P n>p9rcionamientp, m�iclado .Y tr�n�_p prte .�a m_éiy9r_ía ,g � .la.s �sp�§.i fl@c:i9.r;i�_s ,rgql1.i�re.1J q u � �.l p_ropor­ �-i �.r:-ª� i�_nto �� _los ir:-gr��.i�.r:-��-s ��-1 ��o.n�.r��9 _s_e .m.ida por P§.? 9 y no por vo.1 um.e.ñ.. �?�º gs .d ep,ido al ..abl1 !Jc:l.a r:n.i�nto de ar.em1 h _úmeda (pág. ·1 7�.) C:éll1 Sél _i n��ac:tituc:l.es gr) ,la medi­ gi9n.. .� 1 ,agua y los aditiyps J.í�wic:l9_s ,P !l�c:l �.n .s�r mgs;Jid 9 s _con pr� §.i.s.i9n Yél sga p9r v9 lµm�1J .9 ppr p�_s9_. �pmo .s� .aQal izar,á :m�;s .élc:l �.1.án��' �n rn µc:h o.s ,P..élfai�.s �.Q .l_él ..élC:tl1..él.l.ic:l..éld .l él ,r:n_ély9r Pélr�� c:lg.1 g9nc:rgt9 _e,_s prg pprg_iQn..él.99 y m �.?'.<:.lªc:l9 PW P.lélma.s . �-� ggn_c;:r.e,�9 pr.�m �?'.§.lªd9, .e,n .Q9n.9� �J p.rpppr�dpn.am.i �.Dto g_s .�'ªn�r..él.l m§nt� .a u.�<Jm�t.i�9 ,9 _s§m .i.a !:ltPmM.i go_. Ppr �j �m­ p.19, .�n ,l g_s .�.s�ªqg_s �n.i99.? c:l!!rél. nt� �.1 p�r.íPc:IP J 999 "" J 9 89, .lª p,r.9p9,rgJ(> n º'ª mªt�rJ_aJg_s .c:I � c;:o n�r�t9 fa.br.ic::_ado_s m anual­ m�n t� c:l.i?m .i,nljy,9 c:I'ª .? 4 p9.r . �.i �p t() a .m eno.s d� _2 ;> por · §.i �n tP.. Wn rrgr¡'ªjo y gªr.ac::t'ªrí_stiga_s º 'ª m ad ure,z .an o.r m.á l �s de . m e�� l .a.s 9 e ,<;:9D!ZrntC> fr �.s <;:9 qµ � n 9 ·s9n !Jh.ifo.rm�.s en ªpª.r.i �,n c:: i.ª , héln _si9p ª m�m.Jd9 atri l:J l1� 9 9s él !J n m�zcléido j,nad �C::!J él do_. Ppr .1 9 tél n to, .lo_s .i m�r�d i �me.s d� I c9nqn:?to prg p 9,r �i9 ,nªd 9? g9,n pg�gi.si9 n, c:l �l:J�ri .s�.r m�:z� l éld9 s com­ P.l �tam 'ªme h .a�t.a J9�rª r 1.1 n .a m.a.s.a hom 9�é n �-ª .. Dep �.ndien­ g q (f e, J o_s c;:g_sto.s 'ª cgnóm/c:g_s, el tip9 (j � gq n_strµc::c i 9 11 y la gaf) t jg ªg q g gon �reto requerj 9 9, Iª Q per nc:.i9 n d 'ª m e:z c_l élcJ9 pµ�c:Jg ! ! 'ªv.ar.s'ª ª c::.a l:>9 Yél .s�ª �n l _a 9Prél 9 � 11 1.J n a p l anta §� mrnl !�j Q? º 'ª ! .a pl:?rª Ú-mél pJªn.tª 9� c::9 ncreto pr� m �:zc: l él,, gp) _. �él.S m 'ªi;C:: ! éld Qrn? �,n J él QQ ra Pl.J�g � ,n S{:?f g�I t j p g �sta,, c;:j9m 1rj 9 Q g�I t.ip9 pªrn p av fm�n ta c i 9n; las plélfl téls de c:g rn:r'ªt9 p r�m 'ª:zc:lél99 <:1.J'ª n téll1 c;:9,n m e:zc l éld 9rn.S 'ª stacio,, nªriª.s º 'ª ·c:�mª�*Jªc;J'ª.s hél.sta c:l e � m3 Ql.J e pue d en ser del t jpg !m:! i nªgº 9 n o i n d ! n él9 o, del t l P9 qo n 'ª p arte super i 9 r ªº'� rtél C::9 P h9j él r�vgJ v�,n t'ª' () co n Pél l 'ªtas.. . · · . . � ! c;9nº r�t9 pr�m���!ªclº ?'ª d 'ªfi n e c9mo e ! c::o ncreto q ue 'ª.s rnªnYfélc:turél99 Pélrn gmrn�él r .se ª q n c::o m p rndor 'ªn 'ªstado p!ª.sfü:g y rw 'ª n9�rngjgg .. 01.Jrnnte !9.s @ i rn os PO años de ?l) c:i�.sªrrnl !g �n tod o. �! rn ynqgr !él i nd1.J.str iél g{:?! ¿oncr'ªto r?r�mcgglªgg hª 'ªXP�rjmemtªQ() l111 'ªnPrrn � , q ec imi�nto� Pgr eJ�m p !gf . �n 'º'? E.stªQQS V nicJ9.S hªY mª.s g � 5 ,000 c;:qrnpªñ íªs, qy� 9p�rnn c;�rnª 9� 1 o,ooo p !élntª? q1.J � pr9., v��n mª? cJ E? QQ? t�rc;:! os 9�! rn n c;:rnto totªI q. l)� ?� cqnsume e n � ! Pª í?: � �ª m ªyqr fª d � l ª s p ! él n tª s �stári equ i padas éon ?i?t�rnª ? q� p roporcionam iento y control automático o se­ mlªtJtorn ático, que trabajéln por r:nedio _de rnicroprocesado. 2 - R: Q: ºªynqr, Nª�ioriªI R�ªgy Mix�� Coricre�e Association, Publication 1 � 7i milr?;g � e 1 �n - - - ... . . . .. . . . . . . .. . .. . . . . - .. . . .. . . - ·- . . . . Concreto en edades temprariás ta1 1 (�j i (b) l Figura' 1 02 1 ·. a) Ta blero de ·control para'el : proporc i o rfaiii i e ntó del : concreto en 'uriá �pl an ta 'mod erriá�d e 'ccfrieretéf prémezd ad ci; b) ! Meié:l aa ci'ceiiirál ! en · Una mezcladora estaci o naria · de tipo basculante; :c) 1 Éri 'Camio nes mezclad ores; - el l conereto :es. riiezd adÓ 'compl efaiii e nfo'eri'el r·m is'rTio'éami Ón1 mezclador� · (a) 1 Fotografía 1 por cortesía· d e . Lone' Stari· lnd U sti'i es� Sah· Fráné:i sco} Ca l ifÓrni a;; (b); (cf FÓtográfÍás- poi'" cortesía°' d�-'. Pórtlarid í éémeiítt Association; Skokie;.111: _ · · - -· -- _ __ __ ___ _ ___ _ __ _ _ ras:Y, tomputadbras·(flgurá11 ·0�1 a)l-E1 1mezdaaberfcamiones : (figura 1 1 o1fe)Jen1 I Ggar:-del 1 mezdado)éeiitral i (flgüra1 fo�1 b);, es;el ! m-étodolébmuhfffe hte" úsado1 pafalel ! mez-daab")eh: 1bs-; Estados:; � hidosj , auhqüe� ébnl el 1 objeth>de"' logra( úh-, riiejoT control lde'cal idaa!,el lporcehtajédel léoiicretcfmezdado'eiil pl¿fntas� centrales; aumento'> de"' fS} a1 2-7-; por:- delito> y:· el l contretO�meitl adtferPéamitfües7dÍsm i n1iyó.'de'83>a:1711 pbr: cientéiJ d urahte'el 1 pei'íodb) f966::.f9f7�. �a:s: mezcladora�d�: eje� i nd l nadosídel l tiJ:fó)de,.,@nbó( revoltéführ�, ya1 seal C(:fül destarga::fróntal :o�posterior�,se'Liti í i.ia1féomtúimente: Érflhs� últimos) 1 bl a1 f5i añhs; .. en iobrás�gráiides'o' importahtes> t1ai habidb1 u n1 éamlJio> graalJal ! en·1 lass es·pei::i fi"cacicfries' que·· prescriHen1e1 !c:omportamiehtcfolla'resistencia: . 1 gua1hlerite;, 1 os-:prod Üctüres:·de'cbricretcf prehíeidaacféstáÍilasU m ieiia o ; unaicfécierite?resp6nsabi l ldad itécnicalpar�í!el idiseñcfde?lal mezda:y1e1 lc:ohtrbl ide 'éalidaa i . El 'transporte del ,' concreto ·premezdad6:a:1 isiiiü:de- la·obfal deberá hacerse lo niás pronto posible; coh el :ffn�dcfoiinirf ü l­ zarr la rigidizaciÓÍl tjue ' des"p üés· de ' l a ' colocaCiÓnl pódría1 . díflé:u ltarla completa com pactación y. el atabadcfádecüad(J?. Las" causas;; y/ el i cóhtfol t de: 1a1 rigidizaeióh1 o' péraÜ:fa 1 deº CONCRETO/ estruetüra;1 propiedades y material es s · _ _ _ __ __ - ·- · · - - - - - - -- ------ --------· - --·- - · ---· - _ _ _ _____ ____ __ _______ _____ __ _ c:orfsistenc: i a; , qüe'tamtiién1san1 1 íamaaas: pér8 i8k1d�-yevenii­ mientü; ·se·a:1;a1 izan1mas: adelante�. E.rf'éória iti�:fües;ñorma 1 �s; liay éh1 general i u rfa! per�ida1 d�spreCik.ti l�'·d�, éonsi�tencik} dürante'l6s:prirrú:fr'os�treinta:1 minüfosc:des·p ueS-de'éomenzar 1a�Hidtataciólfd�I iéemeiito: Güanab'"'él 'cc>iicretéfse'c:onserva' • 1 1 1 l 1 1 a:1 ú rfalvel cfci�ad i léiifa1de;á�itaci ?ii}' ?les; meié:I �d�lper i ad i!carffeiite; süfre= LHia'. pequeña� peraida'. de:reveiiimieiíHféórf: el 1ti empo;. fforff ésto 'geiiefa 1 tnerile 'ri(f preSEfüta: U n'pfob 1 eiifa1 serio1 pai"al la"1 colbcaciÓhl y' la1 éómpacfadÓn1 del l éoncreto) fresco;.dentro1de, 1 ;112�tioras�· si ii1embargo;,foni01se"ana1 iia1 a1éóhtinuaciÓn) . d�be'p6iíérse�atericiÓh1a1 1Ósiposi �les. retra!­ sosºérf'el ltransporte'V'cól ócáci órfüel 'éóiicreto; , én1éona i ti i:s:­ ries:de"cl ihla1éal lente0ylseco?· • ' ' . · ' • • • · 1 ÉrflhaB1a110211 se�presenta�un""'resumeifde'lbS'métodb"s:rha�s comuifos·� y/el l equ ipo l pafai e1 l frans·p-ode, d�1 1 éifríéíeto!· óe: ácúerdtf cé:fü� la1 A1s'C:)(:iadón1 del i Cemento ) �Portland� : 110Ha1 Habido�pot0framBiüs··importantes'éri1l�'fórma'd��transpor::­ tarrel 1coricretcferi1lbs'·úHimos'Aéflañ-0s?-�ó'quEflia'camBiaab) es·s 1�:teéiiología1tjue=1 iev�1a1 1.Hi1des_arr�_1 i�Pd�:mejc>rr maC:f�.i.1riaíiaipara'Hacerre1 1trábajo'éc>n:mas<7efitieñéia} · �á1carreti l la1 se\lol{/ió"éarréfmecánicó],l�'cu�eúí'levaiítad�'éoif'garruclia¡ Concreto en edades tempranas Tabla 1 0-1 . Métodos y equipo para manejar y colocar el concreto Equipo Tipo y rango del trabajo para el cual el equipo es más adecuado Ventajas Aspectos de mayor atención Los camiones agitadores generalmente operan desde p l a n tas centrales d e mezclado e n donde s e produce concreto de calidad bajo condiciones controladas. La descarga de los agitadores está bien controlada. En la descarga el concreto es uniforme y homogéneo . Camión mezclador Utilizado para mezclar y transportar a N o se requ iere de planta central de cualquier distancia cualquier volumen de mezclado, solamente una p lanta de dosificaci ó n ya que el concreto es concreto. mezclado completamente en el camión mezclador. La descarga es igual que la del camión agitador. Camión no agitador Utilizadoparatransportarconcretoen pequeños El costo del equipo no agitador es menor que el de los cam iones agitadores o volúmenes. mezcladores. Camión agitador Utilizado para transportar concreto para todo uso en pavimentos, estructuras y edificios. Cuando el concreto se transporta a gra n d es d i st a n c i a s se per m i ete descargarlo hasta 1 1/2 · horas después, pero el límite puede ser ignorado. Utilizado para una producción continua Se puede combinar transportadores de -material y sistema móvil de mezclado para del concreto en la obra. un rápido y preciso proporcionamiento del concreto especificado. S u operación puede ser ejecutada por un solo hombre. El i nstrumento adecuado para trabajar Puede manejar concreto, acero reforzado, Grúa cimbras y diversos elementos en edificios arriba del nivel del suelo. altos de concreto. Util izadas en grúas y plumas para la Permiten explotar la gran versatilidad que Cubetas construcción de edificios y presas. ofrecen las grúa y las plumas. Amplio rango Conducen el concreto directamente del de capacidades. punto central de descarga a la cimbra o a un punto secundario de descarga. Carretillas y carros Para vo l ú m e n e s pequeños sobre Muy versátiles y por lo tanto ideales en superficies p lanas para todo tipo de interiores y exteriores de la obra en donde construcciones con concreto en la obra, las condiciones de colocado cambian especialmente cuando la accesibilidad al constantemente. área de trabajo es restringida. Para conducir concreto a un nivel inferior, De bajo costo y fácil de maniobrar. No Duetos generalmente abajo del nivel del terreno, necesitan energía, la gravedad hace la mayor en todos los tipos de construcción de parte del trabajo. concreto. Para transportar concreto horizontalmente Tiene alcance ajustable, desviador móvil y Bandas · o a un n ivel más alto. Generalmente se velocidad variable en ambos sentidos transportadoras util izan entre el pu nto pri ncipal de hacia adelante y hacia atrás. Puede colocar d escarga y un p u nto . d e d escarga rápidamente grandes vol u menes de . secundaria. N o son adecuadas · para concreto cuando el acceso es lim itado. transportar concreto directamente a la cimbra. Pistolas neumáticas Util izadas cuando el concreto ha de Ideal para colocar concreto en elementos colocarse en ubicaciones difíciles y en sin requisito de forma, para reparar y para donde se requiere en seccic:mes delgadas y reforzar ed i fi ci os, para c u b i ertas grandes áreas. protectoras y para forrados delgados. Bombasde concreto U ti_l i zadas para . transportar concreto · Las tuberías ocupan poco espacio y d i rectamente d e l p u nto central de pueden extenderse fácilmente. Entregan el descarga a la. ci mbra o a un pu nto concreto con flujo continuo. La bomba secu n dario de descarga. móvil puede conducir el concreto tanto vertical como horizontalmente. Mezclador móvil continuo 224 Controlar el tiempo de entregas para adaptarse al programa de la obra. La cuadrilla para el colado del concreto y el equipo deben estar listos en la obra para manejar grandes volúmenes de concreto. El control de la calidad del concreto no es tan bueno como con un mezclado central. Se requiere determinar la consistencia del concreto en la descarga (revenimiento). Se requieren preparativos bien planeados previos a la recepción del concreto. El revenimiento del concreto deberá ser l i m itad o . Proba b l e segrega"ci ó n . Se necesita cierta altura del camión para una entrega en alto. Operación libre de problemas, requiere de un buen programa de mantenimiento preventivo del equipo. Los materiales deben ser idénticos a los considerados en el diseño de la mezcla original. Tiene sól o un gancho. Requ iere una programación cuidadosa entre tráfico y operación para mantenerla ocupada. . Seleccionar la capacidad de la cubeta para que se adapte al tamaño de la carga de concreto y a la capacidad del equipo de colocació n . La descarga deberá ser controlable. Lentos, y requieren mano de obra que trabaja intensamente. Las pendientes van de 1 :2 y de 1 :3 y los duetos deben ser adecuadamente apoyados · en todas las posiciones. Se requieren arreglos en la descarga para evitar la segregación. Se requieren arreglos en la desc.arga para prevenir la segregación. No dejar mortero en la banda de retorno. En clima adverso (caliente, con viento) los tramos largos de banda requieren de c u biérta. La cal idad del trabajo depende de la destreza del operador del equipo. Sólo lanzadores experimentados deben · ser empleados. Se requiere un suministro constante de concreto fresco y plástico, con una consistencia promedio y sin tendencia a l gu n a a segregarse. Debe ponerse cuidado en operar la línea de tubería para asegurar un flujo uniforme y para limpiarla al final de cada operación. El bombear verticalmente y con dobleces, y a través de manguera flexib le, reducirá considerable­ mente la distancia máxima de bombeo. CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Concreto en edades tempranas Equipo Tabla 1 0-1 . Métodos y equipo para maneiar y colocar el concreto (Continuación) Tipo y rango del trabajo para el cual el equipo es más adecuado Duetos de caída U t i l izados para colocar concreto en cimbras verticales de todos los tipos. Algunos duetos son de una pieza, mientras que otros son ensamblados por un número de segmentos ligeramente conectados. Tremies Para colocar concreto bajo el agua. Ventajas Aspectos de mayor atención Los duetos de caída conducen el concreto a las cimbras y lo l levan hacia abajo a la base de las cimbras sin segregación. Su uso evita el derrame de mortero y de concreto en los · lados de las cimbras, el cual es d a ñ i n o c u a n d o se especifican l a s superficies exteriores limpias. También evitan la segregación de las partículas gruesas. Puede utilizarse para canalizar concreto hacia abajo del agua en cimentaciones u otras partes de la estructura que se deseen colar. Los duetos de caída deben tener aberturas superiores suficientemente grandes y abiertas para descargar el concreto sin derramarlo. La sección transversal de un dueto de caída deberá elegirse de manera que permita insertarlo en la cimbra sin interferir con el acero de refuerzo. Esparcidores de tor- Utilizados para esparcir concreto sobre Con un esparcidor de toni llo, una porción - áreas planas como pavimentos. de concreto descargado de una cubeta o nillo camión puede ser rápidamente esparcido sobre un área amplia con un peralte uniforme. El concreto esparcido tiene buena uniformidad antes del vibrado para la compactación final. Se necesitan precauciones para asegurar que el extremo de la descarga del tremie esté siempre introducido en concreto fresco, de manera que se preserve un sel lo entre el agua y la masa de concreto. El diámetro deberá ser de 20 a 30 cm, a menos que se disponga de presión. Podrán utilizarse bombas de concreto. La mezcla de concreto necesita más cemento: 365 a 445 kg/m 3 y mayor revenimiento, 1 5 a 23 cm, porque el concreto debe fluir sin ninguna vibración. Los tornil los se utilizan generalmente como parte de un tren de pavimentación. Deberán u t i 1 izarse para esparcir e l concreto antes d e l a operación d e vibrado. Fuente: Reproducida de Design and Control of Concrete Mixtures, 1 2a edición, Portland Cement Association, Skokie, 111. 1 979, págs. 70-71 . se volvi6 grúa; y e l vagón tirado por u n caballo es ahora el camión mezclador de concreto. Durante algunos años, el concreto se colocaba en edificios de concreto reforzado por medio de u na torre y l argos duetos; en cuanto los edificios se h i c ieron más altos, la necesidad de l levar el refuerzo y las cimbras así como el concreto a n iveles más altos, condujo al desarrol l o de la torre de grúa, un espectáculo en 3 el perfi l de las ci udades en la actualidad." Al elegir el método y el equ ipo para el transporte y la colocación del concreto, un objetivo principal es el de asegurarse que el concreto no tendrá segregación. Las cau­ sas, el significado y el control del segregado (es decir, la tendencia del agregado grueso a separarse del mortero) se anal izarán más adelante. Colocación, compactación y acabado Al l legar al sitio de la obra, el concreto premezclado deberá ser depositado tan cerca como sea posible de su posición final (figura 1 0-2). Para m i n i m izar la segregación, el concre­ to no deberá ser movido a una distanci� m uy larga para 3 Design and Control of Concrete Mixtures, 1 2a. Edición, Portland Cement Association, Skokie, 1 1 1 ., 1 979, pág. 69. CONCRETO, estructura, propiedades y materiales colocarlo en las ci mbras ó en las losas. En general, el concreto se deposita en capas horizontales de espesor uniforme y cada capa es compactada completamente antes de colocar la siguiente. La velocidad de colocación se conserva suficientemente rápida, de manera· que la i nme­ diata i'nferior esté aún plástica cuando se deposita una. nueva capa. Esto evita 1.as j untas frías, las l íneas de flujo y los planos de debi l idad que resultan cuando el concreto fresco se coloca sobre concreto endurecido. La compactación es el proceso de moldear el concreto dentro de las ci mbras y alrededor de l as partes embebidas para e l imi nar bolsas o aire atrapado. Esta operación puede l levarse a cabo picando a mano con var i l la y apisonando, pero casi universalmente se real iza en la actualidad por medio de métodos mecánicos tales como los compactado­ res eléctricos y los vibradores; que hacen posible colocar mezclas rígidas con una baja relación agua/cemento o con un alto conten ido de agregado grueso; las mezclas con una alta consistencia deberán ser consol idadas con cu idado debido a que el concreto puede segregarse cuando se le maneja i ntensamente. Los vibradores deberán uti l izarse solamente para compactar concreto y no para moverlo horizontalmente, ya que esto podr.ía causar segregación. 225 Concreto en edades tempranas Figura 1 0-2. La colocación del concreto tan cerca como sea posible de su posición final evita la segregación. (De: Design and Control of Concrete, 1 2a. edición, Port­ land Cement Association, Skokie, 1 11, 1 979). El vibrado, sea · interno o externo, es el método más amplia­ mente util izado para compactar el concreto. La fricción interna entre las partículas del agr.egado grueso se reduce grandemen­ te con el vibrado; consecuentemente, la mezcla comienza a ·fl uir y está facilita la compactación. U no de los propósitos para util izar vibradores internos (descritos a continuación), es la de forzar al aire atrapado a salir del concreto, hundiendo rápida­ mente el vibrador en la mezcla y removiéndolo lentamente con un movimiento hacia arriba y hacia abajo. La penetración rápida fuerza al concreto hacia arriba y hacia afuera, ayudando así al aire a escapar. Cuando el vibrador es retirado, salen a la superficie burbujas de aire. también l lamados. vibrador_�s_de escarda (spud) o de picador (poker), se uti l izan ·comúnmente para compactar el concreto en vigas, columnas, muros y losas. Los vibradores de eje flexible gene­ ralmente constan de una cabeza cil índrica vibradora, de 1 9 a 1 75 mm de diám�tro, conectada a un motor conductor por medio de un eje flexible. Dentro de la cabeza, un peso no balanceado gira a alta velocidad, causando que la cabeza gire en una órbita circular. Los vibradores pequeños tienen fre­ cuencias que van de 1 0,000 a 1 5,000 vibraciones por minuto y de baja amplitud, entre 0.4 y 0.8 mm (desviación desde punto de reposo); en cuanto se incrementa el diámetro, la frecuencia disminuye y la amplitud aumenta. U na repre­ sentación idealizada de la secuencia de acciones durante la compactaciqn del concreto por medio de un vibrador de alta frecuencia, se muestra en la figura 1 0-3. Los vibradores internos o de tipo de inmersión, Los vibradores externos o de cimbra, pueden ser an d ados con seguridad a la parte exterior de las cimbras. Se uti l izan 226 comúnmente para compactar elementos delgados o fuerte­ mente reforzados de concreto. Mientras la mezcla de con­ creto aún es movible, la vi bración de l os e lementos congestionados con refuerzo ayuda a retirar el aire y el agua que puedan estar atrapados bajo las varil las de refuerzo, mejorando así la adherencia concreto-refuerzo. Las plantas de premiados general mente uti l izan mesas vi bradoras equi ­ padas con controles adecuados, de manera q ue la frecuen­ cia y ampl itud pueden variarse de acuerdo con el tamaño de los elementos y la consistencia del concreto. Los vibradores de superficie tales como las enrasadoras vibradoras se uti l izan para compactar el concreto en pisos y en losas de hasta 1 5 cm de espesor. El revibrado del concreto una o dos horas después de la compactación i nicial, pero antes del fraguado, se necesita algu nas veces para unir l os colados sucesivos uno con otro. Esto ayuda a retirar o evitar cualquier grieta, h uecos o áreas débi les creadas por el fraguado o el sangrado, en especial alrededor del acero de refuerzo o de otros materiales em­ potrados. En trabajos planos como las l osas y l os pavimentos se requiere un acabado adecuado para producir superficies densas que permanecerán l ibres de mantenimiento. Depen­ diendo del uso que se pretenda, algunas superficies requie­ ren solamente nivel ación y enrasado, m ientras que otras . p4eden necesitar operaciones de acabado consistentes en la secuencia de pasos descritos a continuación, que deben ser cuidadosamente coordinados con el fraguado endurecimiento de la mezcla de conéreto. y el CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Concreto en edades tempran,as (a) (b) . .. . .. .�· ·· · :. '. ·:. •: . . . .. •. ·. : · (e) Enrasado es el proced i miento de sacar el exceso de concre­ to para l ograr el nivel deseado. Con un movimiento de sierra, u na regla con borde recto se mueve a lo largo de la superficie con u na cantidad suficiente de concreto contra la cara frontal de l a regla para l l enar las áreas bajas. U na llana de mango largo se uti l iza i n med iatamente después del enrasado para embeber firmemente grandes partícu las de agregado y para e l i m i nar los l ugares que aún quedan altos o bajos. El flotado debe ser completado antes de que cualquier exceso de sangrado se acu m u le en la superficie, ya que ésta es una de las causas pri ncipales de los defectos en la superficie, tales como la aparición de polvo o escamado en las losas de concreto. Cuando el bri l l o del agua de sangrado se haya evaporado y el concreto sea capaz de resistir la presión del pie, solamente con una l igera huel la, la super­ ficie estará l i sta para � I flotado y para las operaciones fi nales de acabado. El flotado es u na operación que se real iza con l lana de madera o con ! lanas delgadas de metal con el propósito de embeber firmemente el agregado, compactando la superfi­ cie y retirando cualesquiera i mperfecciones restantes. CONCRETO, estructura, propiedades y materiales (di Figura 1 0-3. Representación gráfica de la acción de un vibrador de alta frecuencia en la compactación del concreto. a) La mezcla es introducida en el molde. b) El vibrador mueve el agregado juntando unas partículas con otras en la cara de la cimbra, y el mortero de cemento-arena comienza a moverse hacia afuera; las bol­ sas de aire se reúnen en las caras del molde. e) El mortero continúa moviéndose a través del agregado grueso hacia la cara del molde. d) El movimiento del mortero hacia la cara se completa; cuando el ope­ rador mueve el vibrador hacia arriba y hacia abajo, las burbujas de aire se mue­ ven hacia arriba a lo largo de la cara de la cimbra y fuera del concreto. (Ilustración por cortesía de Concrete Construclion, Vol. 1 7, No. 1 1 , 1 972. Por autorización de Concrete Construction Publications, lnc., 426 South Westgate, Addison, l l l inois 601 0 1 ) E l flotado tiende a traer la pasta de cemento a la superficie, por lo tanto, el flotado demasiado temprano o d urante mucho tiempo puede debi l itar la superficie. Después del flotado, la superficie puede ser pasada con una l lana metá-. . lica si se desea m uy tersa y altamente resistente al desgaste. El uso de la l lana no deberá real izarse sobre una superficie que no haya sido flotada. Cuando se desea u na superficie antiderrapante, ésta puede producirse pasándole una esco­ ba o rayándola con un rastr i l l o o con un cep i l l o de alambre antes de que el concreto se haya end urecido completamen­ te (au nque debe estar lo suficientemente duro para soportar el rayado). En la figura 1 0-4 se m uestran varias operaciones de acabado. Para una durabi l idad ad icional y resistencia al desgaste, se puede considerar un tratamiento al concreto ya total mente end urecido. Curado del concreto y remoción del cimbrado Los dos objetivos del curado son evitar la pérdida de humedad y controlar la temperatura del concreto durante un período suficiente para lograr el n ivel deseado de resis227 1 Concreto en edades tempranas . ._: � . ' ¡¡Q-:""'-, ,, � !�� ff1' � ·ffe �.._--.. � }. �\ .... } ::. º_ ,- ." Jl:;.._� ��.;,�� (a) (b) (e) Figura 1 0-4. a) Una viga de bordes rectos equipada con vibradores reduce el trabajo de nivelado y de consolidado del concreto; b) El flotado debe completarse antes de que cualquier exceso de agua de sangrado se acumule en la superficie; c) Cuando el brillo del agua de sangrado haya desaparecido y el concreto soporte la presión de una pisada con sólo una ligera huella, la superficie está lista para el flotado y las operaciones finales de acabado. (Tomado de Design and Control of Concrete, 1 2a edición, Portland Cement Association, Skokie, 111, 1 979) 228 CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Concreto en edades tempranas tencia. Cuando la tem peratura ambiente es suficientemente buena y por encima de la congelación, el curado de pavi­ mentos y de losas se puede lograr por encharcamiento o por inmersión; otras estructuras pueden curarse por rociado o por neb l inado, o por medio de cubiertas saturadas de agua que retienen la h umedad, como yute o algodón. Estos métodos . proporcionan algún enfriamiento por evapora­ ción, que es benéfico en la e laboración de concreto en . cl i ma cal iente. Otro grupo de métodos se basa en evitar la pérdida de h umedad del concreto sel lando la superficie con aplicación de papel de curado a prueba de agua, hojas de pol ieti leno o com puestos de curado que forman membrana. Cuando la temperatura ambiente es baja, el concreto debe protegerse contra el congelam iento apl icándole cubiertas aislantes; la velocidad de adquisición de resistencia puede acelerarse curando el concreto por medio de vapor vivo, resistencias para calentamiento o por cimbras o cubiertas calentadas eléctricamente. Trabaj abilidad Definición y significado La trabajabi l idad del concreto se define en el ASTM C 1 25, como l a propiedad que determ i na el esfuerzo requerido para manipular una cantidad mezclada de concreto fresco con una pérdida m ín ima de homogeneidad. El término manipu!ar i ncl uye las operaciones en la edad temprana de col ocación, compactación y acabado. E l esfuerzo req uerido para colocar una mezcla de concreto se determ i na ampl ia­ mente por todo el trabajo necesario para iniciar y mantener el fl ujo, lo que depende de la propiedad reológica del l ubricante ( la pasta de cemento) y de l a fricción interna entre las partícu las del agregado por una parte y la fricción externa entre el concréto y la sUpei-ficie de la cimbra por otra. La consistencia, m.edida por la · prueba del cono de revenim iento o con el aparato Vebe (que se describe más adelante), se uti l iza como un simple índice de movi l idad o fluidez por concreto fresco. E l esfuerzo requerido para compactar el concreto es regido por las caracter ísticas del fl ujo y la faci l idad con la que se puede lograr la reducción de huecos sin destruir la estabi l idad bajo presión. La estabi­ l idad es un índice tanto de la capacidad · de retención de agua ( lo opuesto al sangrado), como de la capacidad de retención del agregado grueso ( lo opUE;sto a la segregación) de una mezcla de C!=>ncreto plástico. U na medida cual itativa · de estas características es general mente cubierta por el término cohesividad. La remoción del cimbrado es en general la última operación que se realiza durante el período de edad temprana del concreto. La operación tiene grandes impl icaciones económi­ cas porque por una parte, el retirar rápidamente las cimbras conserva bajos los costos de construcción, mientras que por la otra, se sabe que las estructuras de concreto han fallado cuando las cimbras se retiran antes de que el concreto haya alcanzado una resistencia suficiente.4 Las cimbras no deberán ser retiradas hasta que el concreto esté suficientemente resis­ tente para soportar los esfuerzos tanto de la carga muerta como de las cargas de construcción. Además, el concreto deberá estar duro de manera que la superficie no se dañe en forma alguna durante el retiro de las cimbras o por otras actividades de la construcción. Puesto que la resistencia de una pasta de cemento fresca hidratada depende de latemperatura ambiente y de la d isponibil idad de humedad, es mejor basarse en una medida d irecta de la resistencia del concreto que en un tiempo arbitrariamente seleccionado para el retiro de la cimb�a. A temperatura estándar y bajo condiciones de curado por hume­ dad, los concretos normales hechos con . cemento portland Tipo 1, adquieren un nivel adecuado de resistencia a la com­ presión 3.5 a 7 MPa en 24 horas y aquél los hechos con cemento Tipo 1 1 1, en aproximadamente 1 2 horas. Para la seguridad de las estructuras en climas fríos, los diseñadores especifican una resistencia m ín ima a la compresión antes de que el concreto sea expuesto al congelamiento. En cl i ma cal iente, la h umedad del concreto fresco puede perderse por evaporación, causando la i nterrupción de la hidratación y del proceso de adqu isición de resistencia; también puede ocurrir el agrietamiento de la superficie por retracción plástica, como se describe a conti nuación. 4 Ver cuadro de la página 2 4 1 . CONCRETO, estructura, propiedades y materiales · Deberá entenderse hasta este momento, que la trabajabili­ de por lo menos dos componentes principales : dad es una propiedad compuesta, O La consistencia, que describe la faci l idad de fl uir. O La cohesividad, que descri be l a tendencia a sangrar o a segregar. · Como la durabi l idad, la trabajabilidad no es una propiedad fundamental del concreto; para que sea sign ificativa debe estar relacionada con el tipo de construcción y con los métodos de colocación, compactación y acabado. El con­ creto que puede ser fáci l mente colocado en una cimenta­ ción masiva s i n segregación, · no sería completamente trabajable en un elemento estructural delgado. E l concreto que se considera ser trabajable cuando se uti l izan los vibra­ dores de alta frecuencia para la compactación, sería no trabajable si se uti l iza el enrasado a mano. El significado de la trabajabilidad . e·n la tecnolog ía del concreto es obvio. Es una de las propiedades clave que deben ser satisfechas. Sin i mportar la sofisticación del pro­ ced imiento de diseño de la mezcla uti l izado y otras consi229 · Concreto en edades tempranas 1 . Apoye los dos pies en los dos pedales del cono para sostenerlo firmemente en su lugar durante los pasos 1 al o4. Llene un tercio del volumen del cono (67 mm de · altura) con la muestra de concreto y com­ 2. Llene el cono hasta 213 del volumen total (la mitad de la altura) y varlllelo de nuevo 25 veces, penetrando esta 2 5 .vece� capa pero no atravesando hasta el fondo. Distribuya los . atravesar la segunda capa. Distribuya de nuevo en forma golpes en forma pareja como en el Paso 1 . penetrando esta nueva capa solamente, sin pareja los golpes. páctelo 25 veces con una varilla lisa recta de acero de 1 6 mm de diámetro x 60 cm de largo. Distribuya uniformemente los golpes de varilla en la sección transver�al de cada capa. Para la capa inferior, se necesitará inclinar ligeramente la varilla y hacer apro­ ximadamente la mitad de los golpes cerca del perímetro (borde exterior), continuando después con golpes verticales en forma de espiral hacia el centro. 6. Coloque la varilla de acero horizontalmente a lo largo 5. Inmediatamente después de completar el Paso 4, se debe ilevar a cabo la operación de levantar el molde en 5 ±. 2 segundos por medio de un levantamiento continuo sin movimientos laterales o torsionales que perjudiquen al 4. Quite el exceso de concreto de la parte superior del cono con la varilla de acero. dt manera que el cono esté lleno y enrasado. Limpie ti concreto derramado de la base del concreto formado en el cono. La operación completa desde el inicio del llenado hasta la remoción del molde se deberá llevar a cabo sin interrupción y completarse dentro de un tie.mpo de 2% minutos. molde del cono. Figura 1 0-5. · hasta el concreto revenido. Inmediatamente mida la distancia de la parte inferior de la varilla de acero al centro original desplazado de la parte superior de la muestra. Esta distancia, medida al más cercano 5 mm, es el revenimiento del concreto. Si sucede un claro derrumbe o corte del concreto por un lado o porción de la masa, deacarte la prueba y higala dt nuevo con otra porción de la muestra de concreto. Prueba del revenimiento. (Basada en el ASTM C 1 43) deraciones como los costos, una mezcla de concreto que no puede colocarse fáci l mente o compactarse total mente, no podrá rendir la resistencia esperada y cumplir con las características de durabi l idad. Medición La defin ición de trabajabi l idad, la naturaleza compuesta de la propiedad y su dependencia del tipo de construcción y métodos de colocación, compactación y acabado, son las razones de que un solo método de prueba no pueda ser diseñado para med ir la trabajabi l idad. La prueba más uti l i­ zada universal mente y que mide sólo la consistencia del concreto es conocida como la prueba de . revenimiento. Para el mismo pro p ósito, la segunda prueba en orden de 230 del molde invertido de manera que la varilla se extienda i mportancia es la prueba Vebe, que es más adecuada para mezclas con baja ·consistencia. La tercera prueba es la prueba del factor de compactación, que trata d � eval uar la característica de compactabi l idad de una mezcla de concre­ to. La prueba de revenimiento es cubierta por e l ASTM C 1 43 y las otras dos por la No�ma ACI 2 1 1 .3 . Sólo descrip­ ciones breves del equipo y los proced i miento se presentan a conti nuación. Prueba de revenimiento. E l equipo para l a prueba de revenimiento es m uy simple. Consiste en una barra para el compactado y un cono tru ncado, de 300 mm de al .t ura y de 1 00 mm de d iámetro en la parte superior y 200 mm de d iámetro en la parte inferior. El cono es l lenado con con­ creto, después es levantado lentamente. El cono de concreto sin apoyo se derrama hacia abajo por su propio peso; la CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Concreto en edades tempranas (a) Figura 1 0-6. Equipo para medir la consis­ tencia del concreto. a) Aparato Vebe; b) Aparato para el factor de compactación. (b) disminución de la altura del éono revenido es l lamada el revenimiento del concreto. Detal les del procedimiento basado en el ASTM C 1 43, se muestran en la figura 1 0-5. . ' La prue ba de revenimiento no es adecuada para medir la consistencia de concreto muy húmedo o muy s�co. No es buena m edida d e la trabajabi l idad, aunque es una buena medida de la consistencia o de las características de flujo de una mezcla de concreto. U na función principal de esta prueba es la de proporcionar un método simple y conve­ niente para controlar la uniformidad de una carga a otra de concreto premezclado. Por ejemplo, una variación mayor de la normal en el revenimiento puede significar un cambio inesperado en las proporciones de la mezcla o en la gradua­ ción del agregado, o · en el contenido de humedad. Esto capacita al operador de la planta de concreto premezclado a verificar y remediar la situación. Prueba Vebe. El equipo para la prueba, que ha sid o desa­ rrollada por el ingeniero sueco V. Bahrner, se muestra en la figura 1 0-6a. Consiste en una mesa vibratoria, un recipiente cil índrico, ·un cono de revenimie nto y un disco de vidrio o . de plástico unido a una barra de movimiento libre que sirve como un punto final d e referencia. El cono es colocado en el recipiente, l lenado con concreto y retirado. El disco es colocado encima del cono de concreto y la mesa vibratoria es puesta en movimiento. El tiempo requerido para remol­ dear el concreto de la forma cónica a la forma cil índrica hasta que la parte inferior del disco esté completamente cubierta con concreto, es la medida de l a consistencia y es registrada como el número de segundos Vebe. CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Prueba del factor de compactación. Esta prueba, desarro1 lada en la Gran Bretaña, mide el grado de compa ctación logrado cuando una mezcla de concreto es sujeta a una cantidad estándar de trabajo. E l grado de compactación, l lamado factor de compactación, es medido por la rela­ ción de la densidad (es decir, la relación entre la densidad realmente lograda en la prueba y la densidad del mis�o concreto en c'ondición tbtal ment� compactada). El apara­ ' to consiste esencial mente en dos tolva·s cón icas provistas con puertas en la base y colocadas una sobre la otra (figura 1 0-6b) y un.ci l i ndro de 1 50 por 300 mm, colocado bajo las tolvas. La tolva superior, que es mayor Cl ue la inferior, es l lenada con concreto y colocado sin compactar. Al abir la puerta inferior de la tolva, se deja caer concreto por gravedad en la tolva inferior; el concreto se derrama. Esto asegura que una cantidad dada de concreto sea obte­ nida en un estado estándar de compactación sin que infl uya el factor humano. La puerta de la tolva i nferior es abierta y el concreto cae en el ci l i ndro. El material en exceso es separado y el peso neto del concreto en el vol umen conocido d�I ci l i ndro es determinado, de donde se calcula fácil mente la densidad. Factores que afectan latrabajabilidad y su control Por obvias razones, en lugar de trabajabil idad es más apro­ piado considerar cuántos factores afectan la consistencia y la co_hesividad, porque estos dos componentes d � la traba23 1 Concreto en edades tempranas jabil idad pueden ser infl uidos en forma opuesta al cambiar una variable en particular. En general, por su influencia en la consistencia y/o cohesividad, la trabajabilidad de las mezclas de concreto es controlada por el contenido de agua, el contenido de cemento, la graduación del agregado y otras características físicas, aditivos y factores que afectan la pérdida de revenimiento. Contenido de agua. E 1 informe ACI 2 1 1 . 1 , Standard Practice far Proportioning Concrete Mixtures (ver la tabla 9-2), supo­ n e que para un tamaño máximo de agregado grueso, el revenimiento o consistencia del concreto es una función directa del contenido de agua; es decir, dentro de l ímites es independiente de otros factores tales como la graduación del agregado y el contenido de cemento. Al predecir la influencia de las proporciones de la mezcla en la consisten­ ·cia, deberá notarse que de los tres factores: relación agua/cemento, relación agregado/cemento y contenido de agua, sólo dos son independientes. Por ejemplo, cuando se redu­ ce la relación agregado/ce mento, pero la relación agua/ce­ mento es conservada constante, el contenido de agua se incrementa y, consecuentemente, la consistencia. Por otra parte, cuando el contenido de agua es conservado constante pero la relación agregado/cemento es reducida, la relación agua/cemento disminuye y la consistencia no será afectada. Las mezclas de concreto con muy alta consistencia tienden a segregarse y a sangrar, afectando adversamente la acaba­ bilidad; las mezclas con muy baja consistencia puede ser d ifíciles de colocar y de compactar, y el agregado grueso puede segregarse en la colocación. Contenido de cemento. En un concreto normal, ·con un contenido dado de agua, una disminució n considerable del contenido de cemento tiende a producir mezclas ásperas, con acababi lidad pobre. Los concretos que contienen una proporción muy alta de cemento o un ce mento muy fino, muestran una cohesividad excelente pero tienden a ser pegajosos. Características del agregado. El tamaño de las partículas 'del agregado grueso influye en los requerimientos de agua para una consistencia dada (tabla 9-2). Además, arenas muy finas o arenas angulares requerirán más agua para una consistencia dada; alternativamente, producirán mezclas ásperas y no tra­ bajables con un contenido de agua que podría haber sido adecuado con una arena más gruesa o bien redondeada. Como regla popular, para una consistencia similar, el concreto necesita de 2 a 3 por ciento más de arena por volumen absoluto y de 6.5 a 1 0.0 L más de agua por metro cúbico, cuando se utiliza arena triturada en lugar de arena natural. Aditivos. El aire incluido incrementa el volumen de la pasta y mejora la consistencia del concreto para un contenido de 232 agua dado (tabla 9-2 ). También incrementa la cohesividad al reducir el sangrado y la segregación. E l mejoramiento en consistencia y cohesividad por el aire incluido es más acentuado en mezclas ásperas y poco trabajables como el concreto masivo, que tiene un bajo contenido de cemento. Los adicionantes puzolánicos tienden a mejorar la cohesi­ vidad del concreto. La ceniza volante cuando se usa como una sustitución parcial del agregado fino, general mente incrementa la consistencia a un conte,nido dado de agua. Igualmente, cuando el contenido de agua de una mezcla de concreto es mantenido constante, la adición de un aditivo reductor de agua incrementará la consistencia ( tabla 8-1 ). Pérdida de revenimiento Definiciones La pérdida de revenimiento puede definirse como la pérdi­ da de la consistencia en un concreto fresco con el tiempo transcuríido. La pérdida de revenimiento es u n fenómeno normal en todos los concretos ·ya q ue resulta de la rigidez gradual y del fraguado de la pasta hidratada de cemento portland, que está asociada con la formación de los produc­ tos de hidratación tales como la etringita y el hidrato de si licato de calcio (capítulo 6). La pérdida de revenimiento ocurre cuando el agua libre de una mezcla de. concreto es retirada por las reacciones de hidratación, por la adsorción en la superficie de los productos de h idratación y por evaporación. En condiciones normales, el vol umen de los produdos de hidratac ión durante la primera media hora después de agregar agua al cemento, es bajo y la pérdida de revenimien­ to es despreciable. De al l í en adelante, el concreto comien­ za a perder revenimiento · a una velocidad determinada principalmente por el tiempo transcurrido después de la hidratación por la temperatura, la composición del cemento y los aditivos presentes. Generalmente, los cambios en la consistencia del concreto hasta el momel)to de su coloca­ ción, son monitoreados atentamente y se hacen los ajustes adecuados para asegurar una consistencia adecuada para su colocación y para las-operaciones subsecuentes (como son la compactación y el acabado). Para resolver los problemas causados por la pérdida de revenimiento, se han desarrol la­ do ciertas prácticas de campo tales como · i niciar con un revenimiento más alto del que se necesita en el concreto premezclado, en la obra, con el fin de compensar la pérdida esperada de revenimiento; o agregando agua extra (dentro de la relación permisible agua/cemento) justamente antes de la colocación y total remezclado de la mezcla. Esta última práctica se conoce como retemplado. CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Concreto en edades tempranas En ciertas circunstancias, el concreto que muestra una pérdida de revenimiento inusual durante la primera media . hora o una hora, puede como efecto dificultar las operacio­ nes de mezclado, transporte, colocación, compactación y acabado, o hacerlas imposibles. En la práctica, el referirse a un concreto que muestra pérdida de revenimiento, signi­ fica generalmente una pérdida rápida e inusual de consis­ tencia, fuera del comportamiento esperado o normal. Debe hacerse notar que las mediciones del revenimiento se to­ man hasta el momento anterior a la colocación; sin embar­ go, pueden presentarse problemas operacionales cuando hay una seria pérdida de consistencia durante o inmediata­ mente después de la colocación. Se ha sugerido5 por lo tanto, que la definición del término pérdida de revenimien­ to sea aplicada a una velocidad inusual de rigidización en el concreto fresco (ya sea que se mida o no), que causa efectos indeseables. Significado La rigidización prematura del concreto fresco, dependiendo de cuándo aparezca el problema, puede significar un incre­ mento en la torsión en el eje del tambor de mezclado, una necesidad de agua extra en la mezcladora o en la obra, unas acumulaciones del concreto dentro del tambor de un ca­ mión mezclador, dificultad en el bombeo y colocación del concreto, trabajo extra necesario en las· operaciones · de colocación y de acabado, pérdida de producción y calidad de mano de obra y pérdida de resistencia, de durabilidad y de otras propiedades cu�ndo el agua de retemplado es excesiva o_ no es mezclada completamente. Cuando la inspecc ión en el sitio de la obra y el control de calidad son negl igentes, . _ las cuadril las de trabajadores fre­ cuentemente adoptan la mala práctica de agregar agua extra al concreto, sin · imp'ortar si la necesita o no. Muchas fallas del concreto en el funcionamiento han sido ocasionad.as por la descuidada adición de agua de retemplado, que fue · pobremente mez c lada o que no se tuvo en · cuenta en los cálculos del diseño �e la mezcla. Por ejemplo, 6 el retiro de las cimbras de una colocación excepcionalmente grande de concreto reveló áreas con grandes cantidades de panales de abeja. El personal de construcción indicó que se había exp�rimentado un rápido fraguado, principalmente durante los períodos de alta temperatura del ambiente. U n análisis petrográfico de núcleos reveló que se encontraron dentro de un núcleo, áreas con diferentes relaciones agua/cemen­ to, indicando que se había agregado agua de retemplado debido a una pérdida de revenimiento y que se había 5 B. Erlin y W.G.. Hime, Concr. lnt., Vol. 1 , No. 1 , págs. 48-5 1 , 1 979. 6 1bid. CONCRETO, estructura, propiedades y materiales: realizado un mezclado incompleto del agua de retemplado. La National Ready Mixed Concrete. Association, aconseja lo siguiente: Desp �rdiciar un;carga de concreto cuestionable puede representar una tremenda ganga para una compañía, en comparación con su posible uso y la falla en su funcio­ namiento. Causas y control . Las causas principales de los problemas de pérdida de revenimiento en el concreto son: O O El uso de un cemento de fraguado anormal Un tiempo inusualmente largo para la operación de mezclado, transporte, colocación, compactación o acabado O Una alta temperatura en el concreto debida a calor excesivo de hidratación y/o el uso de materiales para la elaboración del concreto que estuvieron almacena­ dos a . una alta temperatura ambiente. En la tabla f0-2 se muestran los datos típic� s7 sobre la influencia de la composi c ión del cemento, el tiempo trans­ currido después de la hidratación y la temperatura, en la velocidad de la pérdida de revenimiento en ·mezclas de concreto normal. Todos estos concretos contenían cemento portland Tipo 1, de 307 kg/m 3 ; agregado grueso de 1 ,039 kg/m 3 y agregado fino de 489 kg/m 3 . El contenido de agua fue variado para obtener distintos revenimientos iniciales: aproximadamente 1 6, 1 2 o 7 cm. El cemento A era un cemento de bajo álcali (0. 1 6 · por ciento equivalente de Na2 0), con un contenido del 9 por ciento de C3 A, mientras que el cemento B era un cemento de alto álcali (0.62 por ciento equivalente de Na 2 0) con contenido del 1 0.6 por ciento de C3 A; ambos tenían contenidos similares de 503 y de área superficial Blaine. De la investigación se obtuvieron las sigu_i entes c? nclusiones: · O · En general, la cantidad de pérdidade revenimiento fue proporcional al revenimiento inicial: en cuanto más alto fue, más alta resultó la pérdida de revenimiento. Por ejemplo, en el caso del cemento A, al concluir la prueba a las 2 horas a 23 ° C, la mezcla de concreto 1 (revenimiento inicial de 1 9.0 cm), perdió 1 3.0 cm, mientras que la mezcla de concret9 3 (con revenimien­ to inicial de 1 3.0 cm), perdió 9.0 qn, y la mezcla de concreto 5 (con revenimiento inicial de 9.0 cm) perdió 5 cm de revenimiento. I ndependientemente del reve­ nimiento inicial, los valores · del revenimiento final después de 2 horas de hidratación, fueron del orden de 4.0 a 5.0 cm. En tal caso, el método de compensa- 7 R.W. Previte, J.ACI, Proc., Vol. 74, No, 8, págs. 361-367, 1 977. . 233 Concreto en edades tempranas Tabla 10-2. Efecto de la composición del cemento, tiempo transcurrido y temperatura, en el revenimiento de mezclas de concreto con distintos revenimientos iniciales Mezclá de concreto ·· Cemento 2 3 4 5 6 A B A B A B 1 9.0 1 8.0 1 3.0 1 3.0 9.0 9.0 7 8 9 10 11 12 A B A B A B' 1 8.0 1 9.0 1 4.0 1 4.0 9.0 9.5 Inicial · Revenimiento (cm) 60 minutos 30 minutos Temperatura del concreto 21°C 90 minutos 1 20 minutos 1 8.0 1 2.0 1 1 .0 8.5 8.5 6.5 1 4.0 8.0 8.0 6.5 6.7 5.0 9.5 6.5 5.5 4.5 . 5.0 4.0 5.5 5.0 4.0 3.0 3 .5 2.0 1 3.5 1 4.0 1 1 .5 1 0.5 9.0 5.5 1 1 .0 9.0 9.0 7.0 6.5 . 6.7 6.5 6.5 6.5 . 5.0 5.0 3.5 4.0 3.5 4.0 3.0 3.0 2.0 Temperatura: del concreto 29.5°C Fuente: Basado en R. W. Previte, J. ACI, Proc., Vol . 74, No. 8, págs. 361-367, 1 977. ción para la pérdida de revenimiento esperada, dise. ñando un revenimiento ini c ial, no se recomienda, ya que el agua de retemplado requerida en la obra puede tener el efecto de incrementar la relación agua/cemen­ to de la mez c la de concre.to, con un revenimiento inicial de un nivel indeseable. O La pérdida de revenimiento inicial en general, tiende a ser directamente proporcional a la temperatura.del concreto. Por eje.m plo, una comparación del reveni­ miento dé 1 8.0 cm de concretos hechos con cemento . A a dos temperaturas diferentes (como son 2 1 ° C -de la mezcla de concreto 1 - y 29° C -de la mezcla de concreto 7-), mostraron que a los 30, 60 y 90 minutos transcurridos, la primera perdió 1 .5, 2.0 y 7.5 cm de revenimiento, mientras que la segunda perdió 2.5,5.0 y 1 O cm de revenimiento respectivamente. O Con respecto al efecto de la composición del cemento, se han observado velocidades mayores de pérdida de revenimiento en todas !as condiciones de prueba de concretos hechos con cemento que cántenía un mayor C3 A y un contenido de álcalis más alto (cemento B). Por ejemplo, a 2 1 ° C y a 30,_ 60 y 90 minutos de tiempos transcurridos, la mezcla de concreto 1 perdió 1 .5, 4.5 y 7.5 cm, en comparación con 6.0, 1 O.O y 1 1 .5 . cm respectivamente de la mezcla de concreto 2. Erlin y Hime, 8 comunicarán casos históricos de pérdidas inusuales de revenimento atri�uidas a la composición del cemento o a la interacción de aditivo-cemento. Durante la construcción con . u�a cimqra deslizante de un silo de concreto, se observaron irregularidades en la superficie cuando se uti lizó un cemento portland l igeramente colorea­ do; tales irregularidades no ocurrieron cuando se util izó un 8 B. Erlin y W.G. Hime, Conc., lnt., Vol . .1 , No. 1. págs. 48-51 , 1 979. 234 cemento más oscuro en las fases iniciales de la construc­ ción. Los trabajadores habían notado mayores presiones de bombeo al tiempo de c�locar . �I concreto hecho con el cemento ligeramente coloreado. Los anál isis de laboratorio revelaron que este cemento contenía sulfato de calcio prin­ cipalmente en la forma de yeso deshidratado y que tuvo un fraguado falso severo (ver la figura 6-8). Esto creó una condición que causó que la superfici� del concreto se r?sgara cuéindo fueron desl izadas las �imbras. En un segundo caso9 , durante su traslado en un camión m ezclador, el concreto fraguó tan rápidamente que 'fué necesario romperlo para sacarlo. Las pruebas de laboratorio mostraron que el concreto contenía dos o tres veces más la '-dosis normal de un aditivo conteniendo trietanolamina, que es un acelerador. Al agregarle . el aditivo, el cemento se rigidizó rápidamente y produjo uri calor considerable (un fraguádo, relámpago). Al anal izar el cemento se encontró que había ·sulfato de calcio principalmente en la forma de anidrita natural insoluble. Así, el . desequi l ibrié» en las reac­ ciones que contenían sulfatos y fases de aluminato, como ya se analizó . anteriormente (Figura 6-8) provocaron un fraguado rápido� En otro incidente, debido a la presencia de un agente colorante de tipo glucoeptanato en un aditivo, el retardo en el cemento fue tan fuerte que no ocurrían ni rigidización ni fraguado a las 24 horas, por lo que el concreto tuvo que ser retirado de la obra al d ía siguiente. Algunos agentes reductores de agua, especial mente el tipo de alto ra.ngo o superplastificanté, tienden a acelerar la pérdida de revenimiento. Esto es debido a que una disper­ sión eficiente del sist�ma cemento-agua i ncrementa la ve­ locidad de formación de productos de la hidratación. ; · 9 B. Erlin y W.G. Hime, Conc., lnt., Vol . 1 , No. 1 . págs. 48-5 1 , 1 979. CONCRETO estructura, propiedades y materiales .• l Concreto en edades tempranas De acuerdo con Tuthill,-1 0 los problemas atribuidos a la pérdi­ da de revenimiento se presentan a menudo desde el primer momento al iniciar: una operación de colado; si el mezclado se permite antes de que la cimbra esté realmente lista para recibir- el concreto, o si las primeras cargas están en la parte baja del rango · de revenimiento y se le considera como demasiado secas para hacer un comienzo seguro sin retardo donde no hay concreto recientemente colado sobre el cual se trabaja. Cualquiera de estos dos problemas comunes causan que el concreto permanezca esperando en camiones o en cubetas, perdiendo revenimiento con el transcurso del tiempo. Los retardos entre el mezclado y la colocación del concreto pueden tener serias consecuencias en la velocidad de la producción, además de una pérdida directa de tiempo, espe­ cialmente en operaciones_ tales como el bombeo, en las cubiertas de túneles, en pavimentos con cimbras deslizantes y en concreto tremie, que dependen fuertemente de un grado razonable y constante de la consistencia del concreto. Los problemas de la pérdida de revenimiento ocurren más frecuentemente en climas calientes; cuanto más alta es la temperatura a la cual el concreto es · mezc lado, manejado y - colocado, más probablemente la pérdida de revenimiento será la causa de los problemas de operación. El informe del Comité ACI 305 advierte que se pueden encontrar dificultades con el concreto a una temperatura de colocación que se acerque a· los 32 ° C y que se deberán hacer los esfuerzos posibles para colocarlo a una tempe�atura más baja. En clima caliente y seco, se recomienda que· el agregado sea almacenado en lugares sombreados y enfriado por rociado con agua. De acuerdo con Tuthill, 1 1 el uso de hielo picado como sustitución parcial o completa del agua de mezclado es la mej or manera ' de disminuir la temperatura; cada 3 kg de hielo se reducirá-­ aproximadamente 0.7° c la temperatura d� 1 m3 de concreto.· En conclusión, la eliminación de todo posible retardo en las operaciones de manejo del concreto, conservando la tem-· peratura del mismo lo más cercana posible al rango de 1 0 a 2 1 o c y una verificación de laboratorio de las caracterís­ ticas de la rigidización y del fraguado tjel cemento (con o sin los aditivos seleccionados para su uso), son medidas necesarias y preventivas para controlar los problemas de . pérdida de revenimiento: , Segregación y sangrado Definiciones y: significado La segregación se define como la separación de los compo­ nentes del concreto fresco de manera que no queden 10 L.H. Tuthill, Concr. lnt., Vol. 1 . págs. 3 0-3 5, 1 979. 11 L.H. Tuthill, Concr. lnt., Vol. 1. págs. 3 0-3 5, 1 979. CONCRETO, estructura, propiedades y materiales uniformemente distribuidos. Hay dos clases de segrega:. ción. La primera, · que es característica de las mezclas de concreto seco, consiste en la separación del mortero del cuerpo del :concreto (por ejemplo, debido a la sobrevibra­ ción). El sangrado, como se explica a continuación, es la segunda forma de segregación y característica .de las mez- , -· clas de concreto húmedo. El sangrado se define como un fenóm_e no cuya manifesta­ ción externa es la aparición de agua en la superficie después de que el concreto . �a sido colocado y compactado, pero antes de que frague (es deéir, cu�ndo la sedimentación no podrá ya tener lugar). El agua es el componente más ligero en una mezcla de concreto; por lo tanto, el sangrado es una forma de segregación, porque los sól idos en suspensión tienden a movers� hacia abajo por la fuerza de gravedad. El sangrado resulta de _ la incapacidad de los materiales constitutivos de retener toda el ' agua de mezdado en un estado de dispersión, mientras que_l¿s sólidos.relativamente pesados se asientan. Es importante redudr la· tendencia a la segregación en una mezda de concreto porque una compactación total, que es esencial para lograr la resist�ncia máxima potencial, no será posible . después de que un concreto se ha �egregado. El fenónieno de sangrado tiene varias manifestaciones. Prime­ ro, solamente algo del. agua de sangrado l lega a la superficie; una gran cantidad de la misma queda atrapada bajo grandes piezas d � I 'agregado 1 2 y de las· varil las horizontales de refuerzo, cuando las hay. Si la pérdida de agua de sangrado fuera uniforme a través de una mezcla de concreto y si antes de revibrar el concreto el agua de sangrado que aparece en la superficie fuera retirada por procesos como la extracción por vacío, la cal idad del concreto mejoraría como resultado de una reducc ión de la relación agua/cemento. Sin embar­ go, en la práctica esto no sucede. Generalmente bolsas de agua de sangrado bajo el agregado grueso y el acero de refuerzo son numerosas y mayores en lá parte superior del concretó, que por esta razón resulta más débil que el concreto de la parte inferior de la estructura. La capa de lechada, asociada con las manifestac iones ex..: ternas del sangrado, es originada por la tenden cia del agua que asciende por los canales internos dentro del concreto, arrastrando con ella partículas muy finas de cemento, arena y arci l la (presente como un contamii:tante en el agregado) y depositándolas en forma de espuma en la · superficie del concreto. La capa de lechada contiene una relación muy alta de agua/cemento y por lo tanto es porosa, suave y débil. Cuando una losa de piso o un pavimento sufren . de lechada, en lugar de tener una superficie dur� y durable, el concreto 12 Para manifestaciones internas de sangrado, ver tambié � la figura 2�4. 235 · Concreto en edades tempranas de concreto al sangrado. Es interesante hacer notar q ue los cementos de alto álcali con alto C3 A, que muestran mayor pérdida de revenimiento, tienden a reducir el sangrado. Cuando una mezcla de concreto tiene · que dejarse caer desde una altura considerable (como en el caso del concreto tremie), o debe ser descargada · contra un obstáculo, el material tendrá que ser altamente cohesivo y se requerirá una atención especial durante la colocación. presentará una superficie suave que es propensa a a formar polvo. Los productos de la hidratación en la pasta de cemento poroso de la capa de lechada son fácilmente carbonatados por el C02 deLaire. Por lo tanto, si la lechada ocurre en la parte superior de un colado o capa, habrá una adherencia pobre con el colado siguiente. Por lo tanto, la lechada en un concreto antiguo deberá retirase siempre, cepi l lando y lavando, o por medio de sopleteo con arena, antes de que se coloque concreto fresco. El sangrado tam­ bién juega un papeÍ significativo en el agrietamiento : por retracción plástica, que se anal iza más adelante. ' .�' Cambios tempranos de volumen �� Definiciones y significado Medición Después de · que _el concreto · fresco ha sido colocado en cimbras profundas, como las de una columna o de un muro, a las pocas horas se observará que la superficie superior se ha asentado. La tendencia al asentamiento se · confirma también por la presencia de grietas cortas · y horiz�ntales. Esta reducción en volumen del concreto fresco se conoce como preendurecimiento o retracción de prefraguado, o como retracción plástica, puesto que la retracción ocurre mientras el concreto está · aún en estado plástico. En los Estados Unidos, el término retracción plástica se usa gene­ ralmente sólo en el caso de . losas de concreto, como se analiza más adelante. No hay pruebas para medir · 1a segregación; la observación visual y la revisión de nú cleos de concreto endurecido son generalmente adecuados para d eterminar si la segregación es un problema en una situación ·dada. Sin embargo, existe una prueba, el ASTM Standard Test, para la medición de la velocidad de sangrado y de la capacidad total de sangrado de una mezcla de concreto� De ·acuerdo con el ASTM C i32, una muestra de con�reto se coloca y compacta en un recipiente de 25 cm de diámetro y 28 cm de altura. El agua de sangrado que se acumula en la süperficie es retirada a intervalos de 1 O minutos durante 40 minutos, y de al l í en adelante, a intervalos de 30 minutos. El sangrado se .expresa en términos de la cantidad de agua acumulada, como el P?rcentaje de agua neta de mezclado en la muestra. Como resultado de la contracción de preendu recimiento, las grietas se desarrol lan sobre obstrucciones en un fraguado uniforme, por ejemplo: varil las de refuerzo y grandes partí­ culas de agregado. En las losas, el secado rápido del con­ creto fresco causa una retracción plástica cuando la velocidad de pérdida de agua de la superficie excede la velocidad· a la cual está disponible el agua de sangrado. Si al mismo tiempo el concreto cercano a la superficie se ha tornado muy rígido para fl uir, pero no es suficientemente resistente para soportar el esfuerzo de tensión causado por la retracción restringida, se desarrol lan las grietas. Causás y control Una combinación de consistencia inadecuada, cantidad excesiva de partículas de agregado grueso con muy alta o muy baja densidad, la presencia de menos partículas finas (debida al bajo canten ido de cemento y de arena, o por el uso de una arena pobremente graduada) y métodos inapro­ piados de colocación y de compactación son en general las causas de los problemas de la segregación y del sangrado en el concreto. Obviamente, los problemas · pueden redu­ cirse o eli�inarse poniendo atención al proporcionamiento de la mezcla y a los métodos de manejo y colocación. La segregación en mezclas muy secas puede reducirse algunas veces incrementando ligeramente el contenido de agua. En la mayoría de los casos, sin embargo, la atención adecuada a la graduación del agregado puede ser la soluciqn. Esto puede implicar una disminución del tamaño máximo del agregado grueso y el uso de más arena o de arena más fina. El aumento del contenido de cemento y el uso de aditivos minerales y de inclusió� de aire, se emplean comúnmente como medidas para combatir la tendencia de las · mezc las 236 Las grietas típicas por retracción plástica (figura 1 0-7), son paralelas una a la otra, separadas entre sí de 30 cm a 1 metro, y tienen de 25 a 50 mm de profundidad. Causas y control · U na serie de causas contribuyen a la retracción plástica en el concreto, por ejemplo: el sangrado o ·la sedi menta ció'n ,' la absorción de agua por la base o por las cimbras .o por el agr egado, la pérdida rápida de agua por evaporación, por reducción en el volumen del sistema cemento�agua y el encombado o el asentamiento del cimbrado. Las condicio­ nes que se dan a continuación, individual o colectivamente, CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Concreto en edades tempranas Figura 1 0-7. Agrietamiento por retracción plástica en concreto recientemente colo­ cado. (Fotografía de Concrete in Practice, Brochure 5, cortesía de la National Ready Mixed Concrete Association, 1 979) incrementan la velocidad de evaporación de la humedad de superficie y faci l itan la posibilidad de agrietamiento por retracción plástica: alta temperatura del concreto, baja hu­ medad y alta velocidad del viento. Cuando la velocidad de evaporación excede 1 kg/m 2 por hora, son necesarias me­ didas precautorias para evitar el agrietamiento por retrac­ ción plástica. La Portland Cement Assodation ha desarrol lado diagramas (figura 1 0-8) para determinar cuándo se deberán apl icar las medidas precautorias siguientes: · O Humedecer la base y de las cimbras. O H umedecer los agregados que estén secos y sean absorbentes. O Colocar rompevientos provisionales para .reducir la velocidad del viento sobre la superficie del concreto. O Colocar parasoles provisionales para reducir la tempe­ ratura de la superficie del concreto. O Conservar fr esca la temperatura del concreto enfrian­ do el agregado y el agua de mezclado. O Proteger el concreto con cubiertas provisionales tales como capas de pol ietileno, durante cualquier retardo apreciable entre la colocación y el acabado.. · O Reducir el tiempo entre la colocación y el inicio del curado eliminando retrasos durante la construcción. O Para minimizar la evaporación, proteger el concreto inmediatamente después del acabado con yute moja­ . do, rodado nebl inoso, o por medio de un compuesto para curado. Las grietas por asentamiento . y las grietas por retracción plástica en un trabajo plano, se pueden eliminar revibrando el concreto cuando se encuentra aún en el estado plástico. E l revibrado también se sabe que mejora la adherencia entre CONCRETO, estructura, propiedades y materiales el concreto y el acero de refuerzo, y que mejora la resisten­ cia del concreto al liberarlo de l os esfuerzos plásticos de retracción alrededor de las partículas del agregado grueso. Tiempo de fraguado Definiciones y significado Las . reacciones entre el cemento y el agua son la caus·a principal del fraguado del concreto aunque por varias razo­ nes, como se analizará más adelante, el tiempo de fraguado del concreto no coincide con el . tiempo de fraguado del cemento con el que ha sido elaborado. Como se describió en el capítulo 6, los fenómenos de rigidiiación, fraguado y endurecimiento son manifestacio­ nes físicas de las reacciones progresivas de hidratación del cemento. Además, los tiempos inicial y final del fraguado del cemento son _l os puntos definidos arbitrariamente por el método de prueba, que determinan el inicio de la solidificación de la pasta de cemento fresco. · · Igualmente, el fraguado del concreto es definido como el inicio de la solidificación de una mezcla de concreto fresco. Tanto el tiempo inicial como el final de fraguado del concreto, son definidos ar�itrariamente por un método de prueba como es el método de resisten c ia a la penetración (ASTM C 403), que se describe a continuación. El tiempo inicial de fraguado y el tiempo final de fraguado, medidos por los métodos de resistencia a la penetración, no hacen una distinción específica entre las característic�s físico-químicas de la pasta de cemento; son solamente puntos funcionales en el sentido de que el primero define el l ímite del manejo y el segundo define el comienzo del desarrol lo de la resistencia mecánica. 237 Concreto en edades tempranas 5 15 ºC º 25 Temperatura del aire, ºe Para usar esta gráfica 1 . Entre con temperatura del aire, mueva hacia arriba a la humedad relativa. 2. Mueva a la derecha a la temperatura del concreto. 3. Mueva hacia abajo a la velocidad del viento 4. Mueva a la izquierda; lectura aproximada de evaporación 35 ro _g 4.Q -+--lr---+-4----1-_... e 3.Q-t---1'----t-+- C\1- � "[) ·o � o � 2.0 -+-----�_,,__ > Q) Q) "O Figura 1 0-8. Cálculo de la velocidad de evaporación de la humedad en una super­ ficie de concreto. (De J. ACI, Proc., Vol. 74, No. 8, pág. 3 2 1 , 1 977) -g "O ·u 03 > o Este diagrama, desarrollado por la Portland Cement Assodation, proporciona un método gráfico para calcular la pérdida de la humedad superficial en distintas condiciones climáticas. Si la velocidad de evaporación se aproxima (1 kg!m2J por hora, se recomienda tomar precauciones contra el agrietamiento . por retracción plástica. La figura 1 0-9 i l ustra que el fraguado inicial y el fraguado final del concreto medidos por el Método ASTM C 403, no tienen que coi ncidir exactamente con los períodos q ue marcan el fi nal o la pérdida completa de trabajabi l i­ dad y el inicio de la résistencia mecánica. En lugar de el lo, el fraguado inicial representa aproximada­ mente el tiempo en el q ue el concreto fresco no puede ya ser mezclado adecuadamente, colocado y. compactado; el fraguado final representa aproximadamente el tiempo des, pués del cual la resistencia comienza a desarrol larse a una velocidad significativa. Obviamente, un conocimiento de los cambios en las carac­ terísticas del concreto como se definen por los tiempos de fraguado incial y final, puede ser de valor considerable en la programación de las operaciones en la construcc ión ton concreto. Los datos de la prueba pueden ser también útiles al compa­ rar la efectividad relativa de varios aditivos para controlar el fraguado. 238 Medición y control El método más comúnmente usado es el ASTM C 403, Test far Time of Setting of Concrete Mixtures by Penetration Resistance, que proporciona u n procedimien.to estándar para la medidon del tiempo de fraguado del concreto con un revenimiento mayor de cero, probando el mortero cri­ bado de la mezcla de concreto. E n forma breve, se puede decir que la prueba consiste en retfrar la fracción de mortero del concreto, compactándolo en un recipiente estándar y midiendo la fuerza requerida para hacer que una aguja penetre 25 mm en el mortero. · Los tiempos de fraguado se determinan a partir de la curva de velocidad de solidificación ·o btenida del. trazo l ineal de los datos, con el tiempo transcurrido como la absdsa y la resistencia a la penetración como la orqenada. Los fragua­ dos inicial y final .son definidos como los tiempos en los cuales la resistencia a la penetración es 3.5 MPa y 2 7.6 MPa, respectivamente. Hay que hacer notar que estos puntos arbitrariamente elegidos no indican la resistencia del conCONCRETO, estructura, propiedades y materiales Concreto en edades tempranas Fluido Transición (fraguando) Inicio de la resistencia mecánica Rígido final N Q) "'O ·a, a: Límites de manejo Figura 1 0-9. El avance del fraguado y del endurecimiento en el concreto. (De S. Mindess y J. F. Young, Concrete 1 98 1 . Reimpreso con permiso d e Prentice-Hall, lnc., Englewood Cliffs, N.J.) Tiempo creta; en realidad, a 3.5 MPa de resistencia a la penetración, el concreto no tiene resistencia a la compresión, · mientras que a 2 7.6 MPa de resistencia a la penetración, la resistencia_ a la compresión puede ser sólo de aproximadamente 0.7 · · ·· '. . . MPa (7. 1 kgf/cm 2). · · Los factores prin c ipales que controlan los tiempos de fra­ guado del concreto son la composición del cemento, la relación agua/cemento, la temperatura y los aditivos. Los · cementos de fraguado rápido, fraguado falso o fraguado relámpago, tienden a producir concretos con las caracterís-· ticas correspondientes. Puesto que los fenómenos de fragua­ do y de endure c imiento eri una pasta de cemento hidratada son influidos por el l lenado de espacios vacíos con los productos de la hidratación, la relación agua/cemento afe c­ tará obviamente los tiempos de fraguado: Por lo tanto� los datos de tiempo de fra guado en una pasta de cemento no coinciden con los tiempos ·de fraguádo del concreto qu e contenga el mismo cemento, porque las relaciones agua/ce­ mento e n los d Ós casos son por' lo regular diferentes; Gene­ ral mente, cuanto más alta es la relación agua/cemento, mayor será el tiempo de fraguado. Los efectos de la composición del cemento,. la temperatura y los aditivos retardantes e·n las velocidades típicas de fragu3:do obtenido por la prueba del ASTM C 403 se muestran en la figura 1 0-1 O. Cuando una mezcla de concreto ha sido elabo­ rada con cemento A y almacenada a 1 oº Cen lugar de a 23 ° C, los tiempos inicial y final de fraguado se retardan aproxima­ damente en 4 y 7 horas respectivamente. Con el cemento B y un aditivo retardante del fraguadc), el efecto retardante del aditivo resultó mayor a temperatura más alta. CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Temperatura del concreto + ' - t::; Significa�o Como se deseribe más adelante, entre otros problemas, el concreto desprotegido en cl ima caliente está sujeto al agrie­ tamiento por retracción plástica durante las edades tempra­ nas. Por otra parte, en clima frío un curado insuficiente del concreto puede impedir seriamente . la velocidad de d esa­ rrollo de la resistencia. La remoción prematura del cimbra.: do)es decir, antes _de _ que el concreto ad q � iera s � fidente madurez o resistencia) ha causado en el pasado consecuen­ cias desastrosas en términos de costos, tanto económicos como humanos (ver recuadro de la pág. 241 ). El problema se presenta generalmente por las decisiones de la construcción basadas en cilindros curados en el labora­ torio, cuando la historia r�al del curado del concreto en la obra ha sido muy difere_nte. Por lo tanto, parece que los ingenieros deberán tener un entendimiento general de los posibles efectos de las temperaturas de curado, tanto más bajas como más alta$ de lo normal, sobre las propiedades del concreto a edades tempranas y de los métodos para eval uar y para controlar éstas propiedades. Elaboración de concreto en clima frío Se acepta generalmente que hay poca hidratación del ce­ mento y adquisición de resisten c ia si el concreto se congela y se conserva así por abajo de -1 0° C. Por lo tanto, el 239 Concreto en edades tempranas ro 34.5 a.. � e: 27.6 ·O 3 4.5 Cemento A ro a.. � e: 2 7. 6 •O Frayuado final T5 , ·�CD e:Q) 20.7 a. � ro 1 3.8 ro T5 e: Q) U) 6. 9 ·¡¡; Q) a: 3.5 o 32°C Fraguado final Cemento B � CD e: 20.7 Sin aditivo Q) a. -- Con retardante � 1 3. 8 ro ro ·u e: Q) U) 6 . 9 "üi Q) 3 . 5 2 3° C - Fraguado inicial a: o 2 4 6 8 10 12 14 16 Tiempo e n horas (a) o o 2 4. . Fraguado inicial 6 8 10 14 12 16 Tiempo en horas (b) Figura 1 0-1 O. a) Efecto de la temperatura en los tiempos inicial y final de fraguado del co ncreto (ASTM C 403); b) Efecto de un aditivo retardante en los tiempos de fraguado del concreto (ASTM C 403). (Reimpreso con autorización de J.H. Sprouse y R.B. Peppler, ASTM STP 1 69B, 1 978, págs. 1 05-1 2 1 . Copyright, ASTM, 1 9 1 6 Race Street, Philadelphia PA 1 91 03) · concreto fresco debe ser protegido contra la expansión destructiva del congelamiento hasta que la résistencia ade­ cuada haya sido obtenida 1 3 y el grado de saturación del concreto haya sido suficientemente reducido por algún progreso en el proceso de hidratación. Sin fuentes externas de calor, el calor de la hidratación del cemento en élemén­ tos grandes y bien aislados puede ser adecuado para man­ tener temperaturas satisfactorias de curado, siempre que el concreto h�ya �ido entregado a una temperatura adecuada y que la frialdad del plso congelado, las cimbras y las. vari l las de refuerzo hayan sido tomados en consideración. En la práctica que se recomienda para la elaboración de concreto en clima frío, el I nforme del Comité ACI 306 R proporciona las temperaturas de colocación para concreto . de peso normal (tabla 1 0-3). Puede notarse que las tempe­ raturas más bajas de concreto son permitidas para secciones masivas debid o a que en éstas, el calor generado durante la hidratación se disipa menos rápidamente que en elementos delgados. Además, puesto que se pierde más calor del concreto durante el transporte y colocación con menores temperatu­ ras del aire; las temperaturas recomendadas para el concreto son mayores para c l ima más . frío (ver las l íneas 1 , 2 y 3 de la tabla 1 0-3). 1 3 U n a resistencia m ínima a la compresión de (3.5 MPa) antes del conge­ lamiento, es establecida en el ACI 306 T como un criterio para evitar el daño por congelamiento. 240 U n curado insuficiente del concreto puede ir en detrimento de otras propiedades distintas a la resistencia. Pero la resis­ tencia se encuentra en el centro de la mayoría de las tomas de decisiones ya que el descimbrado, el presforzado y otras operaciones en la construcción de concreto son guiadas por el conocimiento que se tenga de la resistencia de éste. La resistencia es también el criterio cuando el objetivo es la durabil idad del concreto en una exposición temprana a aguas agresivas. El método tradicional para determinar los tiempos seguros del descimbrado es ensayar los cil indros de concreto curados en el laboratorio, para retirar las cim­ bras cuando los ci lindros alcancen la resistencia especifica­ da. Este procedimiento ha causado problemas, cuando . la historia del curado del cil i ndro en el . laboratorio tiene una gran diferencia con la historia del curado del concreto en la obra. En el informe del Comité ACI 306, el método de madurez se . recomienda como una alternativa al uso de cilindros curados en el laboratorio o en la obra. El método de madurez. Ya q ue el grado de la hidratadón del cemento depende tanto del tiempo como de la tempe­ ratura, la resistencia del concreto puede evaluarse por medio de un concepto de madurez que se expresa como una función del tiempo y de la temperatura de curado. Para usar este concepto en la estimación de la resistencia del concr eto, se supone que para una mezcla de concreto en particular, · 1os concretos de la misma madurez alcanzarán la misma resistenc�a, independientemente de las combina­ ciones de tiempo-temperatura que conduzcan a la madurez. CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Concreto en edades tempranas Tabla 1 0-3. Temperatura recomendada para el concreto en la construcción en clima frío: concreto con aire incluidoª línea Condición r } 1 2 3 emperatura mínima del concreto . fresco comose ha mezclado en el clima indicado, ºe . 4 Arriba de -1 ° C De -1 8° C a -1 ° C Abajo de -1 8 ° C Temperatura m ínima del concreto fresco como se ha colocado y mantenido 5 Descenso permisible máximo y gradual en la temperatura en las 24 primeras horas después de terminar la protección Secciones menores de 30 cm de espesor Secciones de 30 a 90 cm de espesor Secciones de 0.9 a 1.8 m de espesor Secciones arriba de 1.8 m de espesor ºe 16 18 21 ºe 13 16 18 ºe 10 13 16 ºe 7 10 13 13 10 7 5 28 22 17 11 . ª Para valores de durabilidad y de resistencia segura al descimbrado de elementos ligeramente esforzados, el ACI 306 recomienda 1 a 3 días de duración con las temperaturas indicadas en la tabla, dependiendo de si el concreto es convencional o del tipo alta-resistencia inicial. Para elementos esforzados moderada y totalmente, se recomiendan duraciones mayores. Además, para el concreto que no tiene aJre incluido, se recomienda que la protección para la durabilidad deba ser al menos el doble en el número de días requeridos para el concreto con aire incluido. , Fuente: Adaptado del ACI 306-78. Además, la temperatura de -1 O ° C, generalmente se toma como el dato de temperatura bajo la cual no hay ganancia de resistencia; por lo tanto, la fórmula: Función de madurez = r( t t T - To una curva de cal ibración trazando la relación entre la resistencia a la compresión del concreto y el valor M para una serie de cilindros de prueba hechos las mezclas de concreto en particular, pero con diferentes combinaciones de tiempo y de temperatura de curado (figura 1 0-1 1 ). )dt Algunos investigadores han encontrado una buena correla­ ción entre la madurez y la resistencia a la compresión del concreto, mientras que otros han cuestionado la validez del concepto de madurez. Por ejemplo, se señala que el con­ cepto de madurez no toma en consideración la influencia de la humedad del curado, el c�lor de hidratación, las variables de la composición del cemento y la temperatura En donde M(t) es el factor temperatura-tiempo a la edad· t (grados-día o grados-hora), M, Ta y To son intervalo de tiempo, temperatura promedio del concreto durante el in­ tervalo de tiempo t y el dato de la temperatura, respectiva­ mente. Antes de que comience la construcción, se dibuja 35 - 28 ro a.. - ---ctJfl o �----��------------º-.--� - - - - - - - - - � 21 ctl 5 ·e: Q) (j) ·¡¡; Q) a: Tratamientos 14 o 21 , - 1 3 y 43ºC o - 1 °C 7 o o 260 . 538 81 5 1 093 Madurez, ºC-Días 1 371 1 648 Figura 1 0-1 1 . Relación resistencia�madu­ rez en el concreto. (Tomado de N. J. Cari­ no, H. S. lew y C. K. Vol tz, J. AC/, Proc., Vol. 80, No. 2, 1 983) La resistencia del concreto endUrecido puede ser predicha a cualquier edad calculando la madurez, con base en la historia de temperatura-tiempo del concreto. Así, el concepto de madurez se recomienda como una alternativa al uso directo de pruebas de resistencia de cilindros curados en el campo. Las limitaciones del concepto deberán considerarse cuando se lo utiliza para la remoción del cimbrado después de que el concreto ha adquirido suficiente resistencia paá1. soportar su propio peso y otras cargas de la construcción. Los datos de la figura muestran que la relación resistencia-madurez de una mezcla pr_a_ �� � cooc�� � afuc�� p& la �m�ratura M rus e�� em --s_t_ _� m_s_. ___________________________________________________ CONCRETO, estructura, propiedades y materiales 24 1 Concreto en edades tempranas 15 1 2.5 Requerimiento de agua 5 10 e Q) o 7.5 fü E . ·e: Q) 5 a; a: 2.5 10 20 30 40 50 Figura 1 0-1 2. a) Efecto de la temperatura del concreto en el reve nimi e nto y en el agua requerida para cambiar el reveni­ miento (datos promedio para cementos Tipo 1 y Tipo 1 1). (Informe del Comité ACI 305 sobre Hot Weather Concreting, ACI Materials Jour, Vol. 88, No. 4, pág. 422, 1 991 ). Temperatura del concreto, grados C o 10 40 20 1 75 C\I E ; O> � 1 70 ro ::J O> ro Q) 1 65 'O o � 'O ·e: Q) e: 1 60 o o agregado máximo 3 8 mm revenimiento 7.5 cm 1 54 Temperatura del concreto, grados C Figura 1 0-1 2. b) Efecto del incremento de la temperatura ambiente en el requeri­ miento de agua del concreto. (Informe del Comité ACI 305 sobre Hot Weather Con­ creting, ACI Matérials Jour., Vol. 88, No. 4, pág. 422, 1 991 ) El requerimiento de agua de una mezcla de concreto se incrementa al aumentar la temperatura del mismo. Como se muestra en la figura, si la temperatura 3 del concreto fresco se incrementa de 1 oºc a 38 ºe, el requerimiento de agua aumenta en aproximadamente 1 9.6 kglm para mantener el mismo revenimiento de 7.5 cm. Este incremento en el contenido de agua reduce la resistencia a la compresióf! del concreto a 28 días, en 1 2 a 15 por ciento. del curado durante la edad temprana que, opuestamente a la suposición del concepto de madurez, parece ejercer un efecto desproporcionado sobre la resistencia conforme avanza el tiempo. Los datos de la figura 1 0-1 1 muestran que las gráficas que indican la relación resistencia-madurez, fueron significativamente diferentes una de otra cuando una mezcla de concreto fue curada a -1 ° C en 1 ugar de a 21 o a 38 ° e, durante la edad temprana. Control de la temperatura del concreto. En la tabla 1 0-3 deberá notarse que para la elaboración de concreto en clima frío, el producir mezclas de concreto a una temperatura sobre los 2 1 ° C no es recomendable. Las altas temperaturas no ofrecen necesariamente una mejor protección: primero, porque a altas temperaturas la velocidad de la pérdida de 242 calor es mayor y segundo, porque el requerimiento de agua para la misma consistencia es mayor. Dependiendo de la temperatura ambiente y del tiempo de transporte desde el l ugar de producción al sitio de la obra, la temperatura del concreto al mezclarse es mantenida a no más de 5.6° C por encima de la mínima recomendada en la tabla 1 0-3. Como se analiza a continuación, la temperatura del concreto fresco es controlada generalmente ajustando . las temperatu­ ras del agua de mezclado y de los agregados. De todos los componentes para la elaboración del concreto, el agua de mezclado es la más fáci l de calentar. Además, tiene más sentido práctico hacerlo así, porque el agua puede almacenar cinco veces más calor que la misma masa de cemento o de agregado. En comparación con un calor CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Concreto en edades tempranas específico de 1 .0 para el agua, el calor específi co promedio · En Kiev, capital de la región industria/ de Ucrania, los del cemento y de los agregados es 0.22. A temperaturas por trabajadores estaban obligados a erigir un edificio en un arriba del congelamiento, es raramente necesario calentar tiempo especificado. Elperiódico Rabochaya Gazeta dijo que los agregados; a temperaturas por abajo de la temperatura .-, .,. los grupos de trabajadores de la construcción amañaron los de congelamiento, a menudo sólo los agregados finos ne­ planes del arquitecto para disminuir el trabajo y así produje­ cesitan calentarse para producir un concreto de la temperaron un edificio en un tiempo récord. Cuando los trabajadores tura requerida, lo que se logra generalmente haciendo ansiosamente colocaron el techo en su lugar, la estructura se circular aire cal iente o vapor a través de tubos embebidos derrumbó ordenadamente haciendo un montón de escombros. en la pi la del agregado almacenado. Ellos habían dejado de lado la parte que decía "dejar al La temperatura del concreto puede medirse directamente por medio de un termómetro de mercurio o de un termó­ metro bimetálico. También puede calcularse uti lizando la fórmula: 0.22 ( Ta Wa + Te Wc ) + Tw Ww + Twa Wa T = �--.:..---------__;,,.-------------0.22 ( Wa + Wc ) + Ww + Wwa (1 0-1 ) en donde T es la temperatura del concreto fresco en ºC; Ta, Te, Tw y Twa, son temperaturas de los agregados, del cemento, del agua de mezclado y de la humedad libre en los agregados, respectivamente; y Wa, Wc, Ww y Wwa, son los pesos (en kg) de los agregados, del cemento, del agua de mezclado y de la humedad libre de los . agregadós respectivamente. Elaboración de concreto en clima caliente Para encarar los problemas de construcción en el concreto normal estructural, el Comité ACI 305 define el clima caliente como cualquier combinación de alta temperatura del aire, baja humedad relativa y velocidad del viento que tiendan a deteriorar la cal idad del concreto fresco o endu­ recido, o q ue de otra manera den como resultado propie­ dades anormales. Además del aumento en la pérdida de revenimiento y en el agrietamiento por retracción plástica y de la disminución del tiempo de fraguado en el concreto fresco (que ya fue descrita), el cl ima cal iente aumenta el requerimiento del agua de mezclado para una consistencia dada (figura 1 o�1 2) _ y crea dificultad para conservar el aire en un concreto con aire incluido. El retemplado del concreto fresco es frecuentemente nece­ sario en un cl ima caliente; a veces esto causa efectos adversos en la resistencia, durabil idad, estabil idad dimen­ sional y apariencia del concreto endurecido. Además, dentro del rango de los 4 a 46° C, los concretos colocados y curados a altas temperaturas normalmente desarrol lan resistencias mayores tempranas, pero a los 28 d ías y a edades posteriores, las resistencias son menores (figura 3-1 0). CONCRETO, estructura, propiedades y materiales concreto curarse en seco ". Fuente: Reporte UPI, Publicado en el San Francisco Sunday Examiner and Chronic/e, 4 de enero de 1 976. El 27 abril de 1978, una torre de enfriamiento en construc­ ción, en Wi/low Jslr¡md en West Virginia, s<Yderrumbó, matan­ do a 51 trabajadores. El contratista estaba utilizando un procedimiento de construcción con cimbra deslizante que Incluía un andamio de varios niveles que asciende por sí mismo después de anclarse en el concreto endurecido del trabajo del día anterior. De acuerdo con la investigación de la Oficina de la Administración de Seguridad y Salud, el accidente ''podría haberse evitado si se hubieran seguido los procedimientos adecuados de ingeniería ". Las conclusiones de la investigación indicaron que uno de los factores clave que contribuyeron al derrumbe fue "una falla al elaborar . pruebas de campo para asegurarse de que el concreto se había curado suficientemente antes de que las cimbras de apoyo fueran retiradas". Fuente: Basado en un informe de Eugene Kennedy. Publicado en el San Francisco Examinar and Chronic/e, diciembre 3 , de 1 978. Control de la temperatura del concreto. Como se explicó anteriormente, puesto que el agua de mezclado tiene el mayor efecto por unidad de peso que cualquiera de los otros ingredientes en la temperatura del concreto, el uso de agua enfriada de mezcla y/o el uso de hielo, proporciona la mejor manera de disminuir la temperatura del concreto. La fórmu­ la para determinar la temperatura del concreto en clima frío por medio d�I uso de agua caliente (ec. 1 0-1 ), puede ser empleada para calcular cuánta agua fría será necesaria para disminuir la temperatura de un concreto en una cantidad dada. Alternativamente, las gráficas como la que se muestra en la figura 1 0-1 3a pueden uti l izarse. Los datos de la figura 1 0-1 3a pertenecen a una mezcla nominal de concreto que contiene 335 kg/m 3 de cemento, 1 70 kg/m 3 de . agua y 1 ,830 kg/m 3 de agregado. . La util ización de hielo en pequeños trozos o raspado como t.oda o como parte del agua de mezcla requerida es la forma más efectiva de reducir la temperatura del concreto, ya que al fundirse absorbe 80 cal/g de _calor. La figura 1 0-1 3b ilustra las reducciones posibles en la temperatura del concreto susti243 Concreto en edades tempranas 1 45 o 1 .1 2.2 3.3 4.4 5.5 . 6.6 7.7 8.8 Reducción en la temperatura del concreto, grados C F i gu ra 1 0-1 3. Determinación de la reduc­ o . 2.7 5.5 8.3 1 1 .1 1 3.8 1 6.6 1 9.4 22.2 Reducción en l a temperatura del concreto, grados C ción de la temperatura del concreto: a) Por adición de agua enfriada; b) Por adición de hielo. (Del Comité ACI 305, "Hot Weather Concreting", AC/ Materials Jour., Vol . 88, No. 4, pág. 422, 1 99 1 ) La parte (a) muestra el efecto del agua de mezcla enfriada (7 ºCJ y la parte (b) muestra el efecto del hielo en el agua de mezcla sobre la temperatura del concreto. Las . temperaturas normales del agua de la mezcla se muestran por medio de líneas rectas. Los datos son aplicables a mezclas promedio hechas con agregados naturales típicos. Una comparación de las dos figáras muestra que el uso de hielo como parte del agua de mezclado es muy efectivo para reducir Ja temperatura del concreto porque tan sólo al fundirse, el hielo absorbe calor a una velocidad de (80 cal/g). Pruebas y control de la calidad del concreto tt.iyendo el agua de la mezcla por varias cantidades de hielo a oº C; en las temperaturas marcadas. Puede apreciarse en la figura 1 0-1 3(a), que con agua de mezcla a 38° C habrá una reducción de temperatura de 3.5° C cuando 60 kg de agua a 7°C sustituyan el . agua de la mezcla; la misma cantidad de hielo sustituyendo el agua de la mezcla habría reducido la temperatura del concreto en 1 3.5 ° C en la figura 1 0-1 3 (b). 244 Métodos y su significado Los ingenieros representantes del propietario, el proyectista y el constructor de una obra tienen frecuentemente que desarrol lar o aprobar un programa de control de calidad, asegurando que el mismo implique entre otras cosas la CONCRETO, �structura, propiedades y materiales Concreto en edades tempranas selección de métodos de prueba, anál isis estadístico de los resultados de la prueba . y procedimientos de seguimiento. El propósito de tal programa es el de asegurar que un elemento de concreto acabado sea adecuado estructural­ mente para el objetivo para el cual fue diseñado. Los tamaños de las estructuras de concreto que hoy se diseñan y construyen y la velocidad de la construcción moderna (por ejemplo: más de 200 m 3/h de colocación de concreto en proyectos hidroeléctricos), requieren por obvias razones, que las decisiones en la aceptación o el rechazo de la calidad del concreto no se dejen libradas a la prueba de compresión a 28 d ías, lo que continúa siendo la base de las especificaciones de diseño. Las pruebas aceleradas de resistencia ofrecen una solución al problema. Los procedimientos se están utilizando cada vez más en grandes proyectos para hacer una evaluación prelimi­ nar de uno o dos d ías después de colocar el concreto, para ver si el producto alcanzará e-1 nivel de resistencia requerido. Un valor bajo en la prueba acelerada de resistencia puede advertir al contratista sobre un problema potencial y proporcionarle una oportunidad para aplicar a tiempo el remedio. En el caso de que un concreto subestándar haya sido colocado, es más fácil y menos caro retirarlo cuando tiene sólo unos días, que cuando ya tiene 28 d ías de colado y está probablemente cubierto con una superestructura. U na crítica contra la prueba de muestras de concreto saca­ das de las mezclas antes de su colocación, es que los especímenes de prueba pueden no representar verdadera­ mente la calidad del concreto en una estructura, debido posiblemente a errores de muestreo y a diferencias en las condiciones de compactación y de curado. Además, en grandes proyectos, el costo de las pruebas de resistencia pueder:1 ser considerables. Como una medida alternativa para real izar pruebas directas de resistencia, se han desarro­ llado muchas pruebas in situ no destructivas, que propor­ cionan un medio excelente de control de la cal idad del concreto en la misma obra. Aunque las pruebas in situ no destructivas. no se aceptan como un sustituto completo de las pruebas directas de resistencia de nú c leos o con pruebas estándar de compresión, pueden reducir los costos de las pruebas para el control de cal idad. En . la pr9ducción i ndustrial a gran escala, un sistema efecti­ vo y económico de control de calidad tiene que basarse en métodos estadísticos de procesamiento de datos y de tom'a de decisiones. U na herramienta estadística principal en los programas de control de cal idad del .concreto es el úso de gráficas de control que muestran los resultados de las pruebas y que también contien�n l íneas l ímite que indican la necesidad de acción cuando los datos asentados en las gráficas se aproximan a estos límites; CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Prueba acelerada de resistencia Basada en los informes de Phi leo 1 4 y Mal hotra, 1 5 se presen­ ta a continuación una revisión breve de los tres procedi­ mientos cubiertos por el ASTM C 684. Procedimiento A (método del agua caliente). Este es el más sencil lo de los tres métodos y consiste en curar cilindros estándar (en sus moldes) en un baño de · agua mantenido a 35 ° C durante 24 horas. Una limitación del método es que la adquisición de resistencia, comparada con el concreto curado con humedad a los 28 d ías a temperatura normal, no es muy alta. A mediados de los setenta, el U . S. Corps of Engineers 1 6 l levó a cabo un extenso estudio sobre la eva­ l uación del método de agua caliente, de el cual se concl uyó que la prueba acelerada de resistencia con este método es un medio confiable de control de calidad rutinario para el concreto. Procedimiento B (método del agua hirviendo). Este método . consiste en ci lindros normalmente curados durante 24 ho­ �as, posteriormente curados en un baño de agua hirviendo a 1 00° C durante 3 horas y probados una hora después. El método es el más comúnmente usado de los tres, porque comparado con el método de agua cal iente de 24 horas, la adquisición de resistencia a 28 horas es mucho más alta en ci lindros que pueden transportarse a un laboratorio central para una prueba de resistencia, eliminando así la necesidad de uh laboratorio en la obra. A principios de los setenta, el método fue util izado con éxito par� desarrol lar las propor­ ciones de una mezcla de concreto en estudios preliminares de laboratorio y para verificar concreto en el campo en la construcción de un gran número de diques, vertederos y en una enorme estación subterránea de energía para el Proyec­ to de las Cascadas Churchill en Labrador, Canadá. Procedimiento C (método autógeno). En este método, los ci lindros de prueba · consisten en material ?islante y son probados 48 horas después. No se proporciona fuente externa de calor y la aceleración de la adquisición de resistencia es lograda por el calor de hidratación del cemen­ to solamente. De nuevo, la adquisición de resistencia al final del período de curado no es muy alta; igualmente, el método es considerado como el menós preciso de los tres. Se le uti l izó como una parte integral del progra�a de control de calidad en la construcción de la Torre de Comu­ nicaciones CN en Toronto, Canadá. El proyecto, acabado en 1 974, incluyó la colocación de 30,580 m 3 de concreto con cimbras desl izantes a una altura de 475 m. Se cree que 1 4 R. E. Philleo, en Progress in Concrete Techno/ogy, ed. V.M. Malhotra, CANMET, Ottawa, 1 980, págs. 72 9-748. 15 V.M. Malhotra, Concr. lnt., Vol. 3 , No. 1 1 , págs. 1 7-2 1 , 1 981 . . 16 J. F. Lamond, J. ACI, Proc., Vol. 76, No. 4, págs. 499-51 2 , 1 979. 245 Concreto e n edades tempranas 1 PRO G RESS . IN CON,CRE TE , Figura 1 0-1 4. La torre de Comunicaciones de CN en Toronto, Canadá, 1 974. (Foto­ grafía por cortesía de CANMET, Ottawa) Esta torre esbelta y ahusada es un bello monumento de concreto. La torre, de 553.58 m de altura, es la estructura individual más alta en el mundo y contiene 3 30,430 m de concreto que se hizo con cimbra deslizante hasta una altura de 484. 95 m. El postensado del concreto no sólo permitió una reducción sustancial en los requerimientos de cimentación, sino que también aseguró que el concreto permaneciera libre de grietas, lo que es muy importante para una estructura expuesta a considerables variaciones de temperatura ambiente y humedad. La elevación del concreto por medio de la cimbra deslizante en aproximadamente 20 pies por día y una prueba de resistencia acelerada basada en el método de curado autógeno, fue un paso atrevido y necesario para cumplircon el programa de construcción. · la prueba de la resistencia acelerada jugó Ün papel impor­ tante en el control de la calidad del co.ncreto y en la seguridad total de la estructura individual más alta del mundo (fig. 1 0-1 4). Pruebas no destructivas in situ Las pruebas in situ pueden clasificarse en dos categorías: la primera comprende aquéllas que tratan de medir alguna propiedad del concreto con la cual obtener una estimac ión de la resistencia, durabi l idad y comportamiento elástico del material; y segunda abarca aquél las que tratan de determi­ nar la posición, el tamaño y la condición del refuerzo; áreas de compactación pobre, huecos y grietas, y el contenido de humedad del concreto en la obra. Con respecto a las pruebas que proporcionan una estimación de la resistencia, Malhotra 1 7 sugiere que, a menos que las correlaciones exhaustivas de laboratorio en los materiales de campo y en las proporciones de mezcla hayan sido establecidas entre los parámetros de la resistencia a predecirse y los resultados de las pruebas no destructivas in situ (PN D), los ú ltimos no deberán ser los utilizados para predecir la resistencia. Como parte de un programa total de control de calidad para 1 7 V. M. Malhotra, Proc. CANMETIACI Conf. on In Situ/Nondestrl..{ctive Testing of Concrete, ACI SP-82 , págs. 246 1 -1 6, 1 984 .grandes proyectos, estos métodos sin embargo, han proba­ do ser incuestionablemente valiosos. A continuación se presenta una breve descripción y el significado de las pruebas in situ y no destructivas común­ mente conocidas, para la evaluación de la calidad del concreto, pruebas basadas en una revisión de Mal hotra. 1 8 Métodos para la dureza de la superficie. El " método para medir la dureza d e la superficie consiste esencialmente en impactar la superficie del concreto de una manera consis­ tente, util izando una fuerza dada de impacto y midiendo el tamaño de la huel la o del rebote. E l método' más común­ mente usado, emplea el martillo de rebote Schmidt, que consiste en un marti llo controlado por resortes que se desliza en un émbolo. Cuando el émbolo es presionado contra la superficie del concreto, se retrae contra la fuerza del resorte; cuando se retrae completamente, el resorte es liberado por completo. El marti llo se impacta contra la superfici� del ' concreto y la masa controlada por el resorte rebota, llevando un indkador adosado a lo largo de una escala gu ía que se util iza para marcar el número de rebote del marti l lo. U n procedimiento estándar se describe con detalle en el ASTM C 805. 1 8 lbid CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Concreto en edades tempranas E l marti llo Schimdt es sencil lo y el método proporciona un medio rápido y económico para verificar la uniformidad del concreto endurecido en la obra. Pero los resultados de la prueba son afectados por la suavidad, el grado de carbona­ taeión y la condición de humedad de la superficie, el tamaño y la edad del espécimen y el tipo de agregado grueso en el concreto. De acuerdo con Malhotra, util izando un marti l lo adecuadamente calibrado, la precisión en la predi�ción de la resistencia del concreto en pruebas de laboratorio es de ± 1 5 al 20 por ciento y en una estructura de concreto es de ± 25 por ciento. Técnicas de resistencia a la penetración. El equipo para determinar la resistencia a la penetración del concreto consiste esencial mente en dispositivos activados por ener­ gía; un sistema corrientemente uti l izado se conoce como el probador Windsor. En este sistema se utiliza pólvora para descargar un probador de una aleación endurecida en el concreto. La longitud expuesta del probador es una medida de la resistencia a la penetración del concreto. N uevamen­ te, debido a la pequeña área en la que se hace la prueba, la variación de los resultados del probador es más alta cuando se le compara con la variación en pruebas estándar de resistencia a la compresión en especímenes compañeros. Pero este método es excelente para medir la velocidad relativa del desarrol lo de la resistencia del concreto en las edades tempranas, especialmente para el propósito de de­ terminar el tiempo de descimbrado. En el ASTM C 803 se describe el procedimiento de esta prueba estándar. Pruebas de extracción. U na prueba de extracción consiste en sacar del concreto un inserto de acero especialmente diseñado, cuyo extremo alargado se ha colado en el con­ creto fresco. Se mide la fuerza requerida para extraerlo, por medio de un dinamómetro. Debido a su forma, el inserto de acero es sacado con un cono de concreto; por lo tanto, el daño a ·la superficie del concreto tiene que ser reparado después de la prueba. Si la prueba se util iza para determinar el tiempo seguro para descimbrado, el disposi_tivo de extrac­ ción no necesita cortarse del concreto; ei:i l ugar de el lo, cuando se ha l legado en la escala a una fuerza de extracción predeterminada, la prueba se suspende y la cimbra puede ser retirada con seguridad. Durante la prueba, el concreto se encuentra en tensión y cortante, con las l íneas generadoras del cono corriendo a aproximadamente 4� 0 en la dirección de la fuerza. La resistencia a la extracción es del orden de 20 por ciento de la resistencia a la comprensión · y es probablemente una medida de la resistencia directa al cortante. Al igual que la prueba de resistencia a fa penetración, la prUeba de extrac­ ción es un medio excelente para determinar el desarrol lo de la resistencia del concreto eri edades tempranas y de los CONCRETO, estructura, propiedades y materiales tiempos seguros de descimbrado. Igualmente, la técnica es simple y el procedimiento es rápido. La ventaja principal de las pruebas de extracción es que se trata de medir directa­ mente la . resistencia in situ del concreto. El mayor defecto es que a diferencia de la mayoría de otras pruebas in situ, la prueba de extracción tiene que ser _ programa�a por adelantado, aunque ya se han desarrol lando nuevas técni­ cas para salvar esta dificultad. Un procedimiento adecuado de la prueba se describe en el ASTM C 900. Método de la velocidad del pulso ultrasónico. El método de la velocidad del pu lso ultrasónica que consiste en medir el tiempo de viaje de una onda ultrasónica pasa a través del concreto. Los tiempos de viaje entre el impu lso inicial y la recepción del pulso son medidos electrónica­ mente� La distanGia entre los transductores, dividida entre el tiempo de viaje, da la velocidad promedio de la propagación de la onda. Las relaciones entre la velocidad del pu lso y la resistencia son afectadas por un n úmero de variables, tales como" h edad del concreto, la condición de humedad, la rela c ión agregado/cemento, el tipo de agregado y la ubicación del refuerzo. El método es por lo tanto recomendado solamente para fi nes de control de cal idad; en general, l os i ntentos para correlacionar l os datos de la velocidad del pu lso con los parámetros de la resistencia del concreto no han tenido éxito. U n disposi­ tivo adecuado y un procedim iento estándar se describen en el ASTM C 597. Medidores de madurez. Como se describió anteriormen­ te, el principio básico detrás del c'o ncepto de madurez es que la resistencia del concreto varía como una función tanto del tiempo como de la temperatura. En consecuen­ cia, los medidores de madurez han sido desarrol lados para proporcionar una esti mación de la resistencia del concreto, monitoreando la temperatura del concreto con el tiempo. Métodos para evaluar otras propiedades distintas a la resistencia. Los medidores del recubrimiento y los pacóme­ tros son dispositivos magnéticos basados en el prin c ipio de que la presencia del acero afecta el campo de un electro­ magneto. Son útiles para determinar la profundidad del recubrimiento de concreto y la posición de las varil las de refuerzo. Los �étodos eléctricos están obteniendo una mayor aceptación como herramientas para eval uar . el con1 creta en la obra (por ejemplo: para determinar la corrosión del refuerzo o el contenido de humedad del concreto). Se encuentran disponibles métodos radiográficos para revelar fa posición y la condición del refuerzo, huecos de aire, segregación y agrietamiento. Se están desarrol lando técni­ cas de pulso-eco, para delinear huecos y discontinuidades internas en el concreto. 247 Concreto en edades tempranas Prueba de corazones Los métodos de prueba in situ/PN D proporcionan . una forma efectiva para obtener un número . considerable de datos preliminares de prueba a un costo relativamente bajo. Cuando estas · pruebas indican un agrietamiento interior o zonas con concreto más débi l, es necesario l levar a cabo pruebas directas de resistencia en núcleos obtenidos por medio de un taladro rotatorio de diamante (ASTM C 42). Las resistencias de los núcleos son generalmente menores que las de ci lindros de concreto curados normalmente, en especial cuando se trata de concretos de alta resistencia. En el caso de un alto contenido de cemento y de un correspon­ diente alto calor de hidratación, grandes secc iones del concreto en la obra son vul nerables al microagrietamiento en la zona de transición, entre el agregado grueso y la pasta de cemento hidratada. En consecuencia, la relación de resistencia de núcleos a la resistencia de cilindros disminu­ ye en cuanto la resistencia del concreto se incrementa. La resistencia del núcleo también dependerá de su posición en la estructura. Generalmente, debido al efecto difer.e ncial de sangrado, los núcleos tomados cerca.de la parte superior de un elemento estructural s� n más débi les que aquél lns de la parte inferior. Gráficas de control de calidad Como se estableció con anterioridad, las altas velo c idades de producción de las plantas de concreto premezclado o de concreto elaborado en la obra para grandes proyectos el sistema efectivo y económico de control de la calidad, debe basarse en métodos estadísticos. Los procedimientos esta­ dísticos están basados en leyes de probabi lidad y para que estas leyes funcionen adecuadamente, el primer requisito es que la información sea obtenida por muestreo al azar. El segundo concepto estadístico importante es el de la distri­ bución de la frecuencia de acuerdo con la curva Gaussiana de distribución normal de forma de campana (figura 1 01 Sa). U n análisis detal lado de los símbolos estadísticos y sus definiciones está fuera del alcance de este libro; quienes se interesen en el lo pueden consultar cualquier libro de texto sobre estadísticas, o la ASTM Special Technical Publication 1 5 D (1 976). Kg/cm' 169 � 183 . 197 211 . 225 r-- u 1 C.. 10 1 .§ z o 5 o l l 267 95.45% . 281 o-=3.2 Mpa V = l 3. 2 % j i.- 20- Q) "O e 253 X 15 .o Q) ::J Q) 239 20" y• ª-J . o o ' o 295 309 323 _, l +3 +2 1 1 j - l 16.8 19.6 22.4 25.3 2(1.1 -3 30.9 Resistencia a la compresión, MPa (a) fft. � -� Q) � :g 8.4 8.0 7. 2 E s.o e c. .g ·e: Q) e: o Ü Límite de control superior 6.4 5.6 5. 2 4.8 - -- --- . promedio - Limite de riesgo inferi ó r Límite de acción inferior 1 3 2 4 5 6 7 8 9 10 • • � Número de prueba N (b) 7.6 6.8 1 -2 Q i.=l_-l.l._J.._...u_-1...---1. . -1-L-..J.....U... ... ---L. . --1.L-....... -=- - --- x I 1 Límite d_e rie �g o superior . - - __________:;__......:..._ ..:.... _____ +I 1 o Límite superior de acción - - - - - - - - - - -Figura 1 0-1 5. a) Distribución de frecuen­ cia de datos de resistencia y la distribución normal correspondiente; b) Gráfica típica de control estadístico; c) Gráfica para con­ tenido de aire. (Tomado de ACI Commitee 2 1 4, Report 2 1 4R-77; y O. Keifer, Jr., Concr. lnt., Vol. 3, No.11 , págs. 1 2-1 6, 1 98 1 ) Límite de control inferior . _ _ _ ..:...._ _ _ _ _ _ _ _ _ 4.4 4.0 l_..l. --1 3---1---1---1__i___JL-9 l --1 i___:IL3-:l':4 -:l-:":: 2 O O -ILI -1116 2 -1':5 6 7 5� 4 8 Número de prueba (e} ! Las gráficas de control de calidad estadístico están basadas en Ja distribución de f�ec�enc � predicha por la curva de disÚibuciÓn normal. E n una gráfica típica de control, /os límites superior e inferior pueden derivarse de una curva de d1stnbuc10n normal puesta de lado. 248 CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Concreto en edades tempranas Diagramas para pruebas individuales de resistencia �8!. 28 ro � ·c::�:§cn 21 ·m g a: () 14 Cl> Cl> 1ñ o.. i-----,,--��-�-- o o _.._"'-"--"----,---'"-1'.---1--'C'---i _ o / o Resiste ncia especificada cr·c Resistencia requerida = cr·c + t cr 0 (a) Promedio movible de resistencia • � 8!. ro �· ro e:: 28 "ü :Q e:: en Cl> Cl> �� �8 1 ·. · Resistencia promedio requerida · crcr - 21 - - - - - � - - - -- - - 1 Cada punto, resistencia promedio de s grupos de pruebas - - --- (b) Promedio movible de resistencia ro � o � 2. 1 0 - .7 - ·- - ·- - -. - - - - - - -· - - - - - -- - - -¡ / Rango prom edio de 2 cilindros = 0.0564 crcr Rango promedio de 3 cilindros = 0.0846 crcr a: o 4 8 12 16 20 24 28 Número de pruebas Cada punto es el promedio de los 10 rangos previos 32 36 40 44 48 ( e) Figura 1 0-1 6. Gráficas típicas de control de calidad para la resistencia del concreto. (Tomado del Comité ACI 2 1 4, Report 2 1 4R-77; y O. Keifer, Jr., Concr. lnt., Vol. 3, No. 1 1 , págs. 1 2-1 6, 1 98 1 ) El control de cal idad estad ístico uti l iza gráficas de control que muestran los resu ltados de un programa de pruebas conti nuas. Las gráficas contienen l íneas l ímites superior/ e inferior que i ndican la necesidad de acción cuando la curva trazada se aproxima a el las o las cruza. Las líneas 1 ímite se relacionan con la c;urva de distribu­ ción normal; de hecho, u na gráfica de control puede ser considerada u na curva de distribución normal puesta de lado (figura 1 0-1 S b) . La figura 1 0-1 Sc i l ustra el uso de gráficas de control en operaciones de control de cal idad del concreto. Con base en el I nforme del Co!T!ité ACI 2 1 4, las. gráficas típicas de control de cal idad para una évaluación continua de datos de prueba de resistencia del concreto se muestran . en la figura 1 0-1 6a. La figur� (1 0-1· 6�) contiene un trazo de valores individuales de resistencia; la l ínea para la resisten:­ cia promedio requerida:, crcr, se . obtiene de la fórmula crcr = cr'c + ts; en _d onde cr'c es la resistencia especificada de diseño, t es una constante y cr es la desviación estándar. La gráfica da una indkación del rango de dispersión entre valore� I ndividuales de prueba y el número de valores bajos. · A menos que persista la tendencia de valores individuales CONCRETO, estructura, propiedades y materiales bajos, valores bajos ocasionales no ·p ueden ser significativos porque pueden representar variaciones fortuitas y no pro­ blema alguno con los materiales o con el método de prueba. La figura 1 0-1 6b es un trazo del promedio movible d� _ resistencia; cada punto representa el promedio de los cinco I c? njuntos previos p_e pru � bas de res istenci �i(cada conjunto _ representa datos de de pruebas de resist_e ncia norma, mente 3 ci 1 i ndros de· prueba). . Esta gráfica tiende a suavizar las· variaciones fortuitas y puede util izarse para indicar las' tendencias significativas debidas �a vá.daciones en materiales y en procedimientos ·" que afectan la · resi�tencia. La figura 1 0-1 6c es un trazo del promedio movible del rango, en donde cada punto representa el promedio de los rangos de los 1 O conjuntos previos de pruebas de resisten­ cia. La gráfica proporciona un control de la reproducibi lidad de los procedimientos de prueba; cuando la gráfica de rango indica una reproducibi lidad pobre entre los diferentes con:. juntos de datos, es tiempo de verificar los procedimientos de prueba. 249 Concreto en edades tempranas Tabla 1 0-4. Clasificación de tipos de grietas* letra (ver la Tipo de agrietamiento figura 10-1 7) Asentamiento plástico A B c Retracción plástica D E F Retracción t é r m i c a temprana G H Retracción por secado a largo b lazo Grietas al azar Corrosión del refuerzo Subdivisión Ubicación más común Remedio (suponiendo que el rediseño básico es Causa principal Causas (excluyendo secundarias/factores imposible) en todos los casos empotramiento) reducir el empotramiento · Exceso de sangrado Secciones peraltadas Parte su perior de Arqueado· columnas, Cambio de peralte Losas l i geras y nervadas, Carreteras y losas Secado rápido y Diagonal temprano Losas de concreto Al azar reforzado, Losas de concreto Más acero cerca de Sobre el refuerzo reforzadó la superficie Muros gruesos Generación Empotramiento excesiv� de calor externo Gradientes Losas gruesas Empotramiento excesivos de interno temperatura losas delgadas (y Juntas ineficientes muros) Sobre el refuerzo Tiempo de aparición Reducir el sangrado · Diez minutos a tres Condiciones rápidas y tempranas (inclusión de aire) o horas revibrar de secado Bajo índice de sangrado Mejorar el curado Treinta m i nutos a seis horas temprano Enfriamiento rápido Reducir el calor y/o Un día a dos o tres aislar semanas Red ucir el conteRetracción nido de agua excesiva Curado ineficiente Mejorar el curado Mejorar el curado y i m per- Mezclas ricas el acabado Varias semanas o meses U no o siete días, algunas veces más tarde Contra el molde Concreto aparente M o l d e meable K Concreto flotado Natural M Cloruro de calcio Curado pobre losas · Sobrepulido Cal idad pobre de Eliminar las causas Más de dos años Columnas y vigas Falta de en listadas concreto recubrimiento Concreto precolado Exceso de cloruro de calcio l �Adaptado de Concrete Society of U.K., Tech., Report No. 22, .1 985. Agrietamiento en· edad te111p rana del co11:creto . · Al diseñar los elementos de concreto reforzado se supone que ·el concreto se agrietara debido a los ciclos térmicos y de humedad sin embargo, por medio ·de un cuidadoso diseño y un cuidadoso detal lado, . las grietas pueden contro­ larse y su ancho puede ser limitado. Mientras que . en principio por lo menos, las griet�s térmicas por retracción de secado pueden ser predichas y controladas, un. agrieta­ miento extensivo puede �esarrol larse debido a otras causas. No es fácil distinguir las diferentes configuraciones de grietas y esto requiere a menudo un número de pruebas de laboratorio y una con:1pi lación de la historia completa del proyecto, i ncl uyendo el diseño de la mezcla del concreto, las condiciones de colocación, los métodos de curado, la remoción del cimbrado y . el historial de cargas. Con base � en un informe de la Concrete Society of U.K., · se ilustran los tipos de grietas en la figura 1 O�1 7; y su clasificación, con las causas posibles y los métodos de prevención se presentan 250 en la tabla 1 0-4. La mayoría de las causas responsables del agrietamiento no estructural se. han descrito con anteriori­ dad en este capítulo y en el capítulo 5. Otros dos tipos de grietas no estructurales, que no han sido anal izados, serán revisados brevemente a continuación. Las grietas por fraguado plástico. Ocurren cuando el · san­ grado y · el fraguado son altos y hay alguna restricción al fraguado. Hay que hacer notar que estas grietas son inde­ pendientes de la evaporación y del secado superficial. Los métodos utilizados para evitar las grietas por fraguado in­ cluyen lo siguiente: reducción del sangrado, reducción de la tendencia al fraguado proporcionando empotramientos adecuados y revibrado del concreto. El agrietamiento superficial discontinuo tan delgado como un cabel lo, l lamado también estrellamiento (agrietamiento en todas direcciones), puede aparecer en el concreto endu­ recido después de varias semanas. Estas grietas son aprecia­ das particularmente durante los períodos de lluvia, cuando absorben la humedad y los contaminantes de la atmósfera, dando la desagradable impresión de daños en el concreto. En CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Concreto en edades tempranas Tabla 1 0-5. Efectos relativos de las características del material, de las proporciones de la mezcla y de las operaciones a edad tem�rana sobre las �ro�iedades del concreto Factores . Propiedades · Trabajabil idad Consistencia Cohesividad Tiempo de fraguado Resistencia Temprana Ú ltima Permeabi lidad Retracción Plástica Por secado Térmica Apariencia de la superficie Resistencia al congelamiento Resistencia a la abrasión Coeficiente de ex�ansión térmica · Tipo de cemento portland Condiciones de Características Tipo de aditivo Proporción de Ubicación y Tratamiento de curado del agregado la mezcla compactación la superficie (témperatura y humedad) . .. ' M M L L L n L L L L L M n M n n n n L n n n n L L M L L L L L L L n n L n n L n n n n n L L n M L L n M L n L n n M L L M L L L M n n L M L n n n M L M M n c c c L L L ' · • ' L L L L M L n L, gran efecto; M, efecto moderado; n, sin efecto o efecto despreciable; c, no aplicable ya que el curado comienza después de la remoción del cimbrado. ' realidad, estas grietas son bastante superficiales, quizás no alcanzan más de una fracción de mii ímetro de profundidad y no causan problemas estructurales, con la excepción de que se abran después y proporcionen un paso a los agentes agresivos. E l estrel lamiento ocurre generalmente como un resultado de un inadecuado acabado y curado, particular­ mente en presenc:: i a de altos gradientes de humedad entre la . superficie y la masa de concreto. El uso de superficies de cimbra tersas e impermeables (de acero o de plástico) o un sobrepulido de mezclas ricas, tienden a concentrar la pasta de cemento en la superficie del concreto, con grietas que fáci lmente origina la retracción por secado produciendo el est�el lamiento. U na revisión de las grietas estructurales debidas a un refuerzo insuficiente o a cargas mayores que las diseñadas, está fuera del alcance de este libro. F i gu �a 1 0-1 7. Gri etas � n una estructura hipotética de concreto. (Tomado de Con­ crete Society, Constructura/ Cracks in Concrete; Report of a Society Working Party, The Concrete Society, Tec�nical Report, No. 22, 1 985) · Manchas de oxidación CONCRETO, estructura, propiedades y materiales · 25 1 Concreto en edades tempranas . 6. Sugiera por lo menos dos métodos por los que usted puedereducir el "sangrado " de una mezcla de concreto. Conclusiones En este capítu lo se muestra que varias operaciones en edad temprana tales como . la ·colocación y la compactación, el tratamiento de la superficie y el curado, tien e n un efecto importante en las propiedades del concreto. En los capítulos 6 a 9 .se llegó a una conclusión similar; es decir, las características del cemento, del agregado y de los aditivos también tienen un efecto importante en las propiedades del concreto. Para tener una concepción adecuada de los diver­ sos factores que infl �yen en el concreto, sería interesante ver rápidamente y en conjunto su significado relativo con respecto a algunas de las principales propiedades del con­ creto. Tal intento se presenta en la.tabla 1 0-5. La información de la tabla 1 0-5 es solamente cual itativa; sin embargo, es de uti lidad para propósitos educativos. Por ejemplo, puede sorprender a algunos ingenieros el descu­ brir que el tipo de cemento 'influye principalmente en el tiempo de fraguado, la resistencia temprana y el calor de hidratación (retracción térmica del concreto). Por otra parte, las prop�rciones d� la mezcla, su coloca�ió� y la compac-: tac.ión y las condi�ion�s del curado, tienen un efecto de largo ?lcance en varias propiedades important�s del concre­ �o, como son la resistencia ú ltima, la permeablpidaq; la retracción plástica y la retracción por seca�o. · · Pruebe su cono.Cimiento 1 . Explique las operaciones incluidas en Jos siguientes términos y analice el significado de ta/es operacionés: retemplado, revibrado, enrasado, flotado, rayado. 2. ¿Cuál es e/ principio detrás de la compactación de las mezclas de concreto por medio del . vibrado? Describa la secuencia de acciones que tienen Jugar en una mezcla de concreto fresco cuando es expuesto a un vibrador de alta frecuencia. 3. Explique los dos objetivos importantes del curado y cómo se logran en:. a) Elaboración de concreto en clima frío y b) Elaboración de concreto en clima caliente. 4. ¿Cómo definiría . usted la trabajabilidad? ¿Es la trabajabi­ l!dad una propiedad fundamental del concreto fresco? Si no lo es, ¿por qué? ·y ¿Cuáles son los componentes . principales de la trabajabilidad y su significado en la práctica de Ja construcción con concreto? 5. Defina Jos siguientes fenómenos y exprese su significado ·y. los factcires que Jos afectan: pérdida de revenimiento, segregación, sangrado . .· 252 7. Con la ayuda de un croquis describa brevemente la "Prueba V�be ". ¿Cuál es e/ objetivo de esta prueba y para qué tipos de concreto es más adecuada cuando se le compara con un método de prueba comúnmente usado? 8. ¿Cuáles son las manifestaciones dañinas de la retracción plástica del concreto en: a) columnas reforzadas y b) losas? Suponiendo que la temperatura del aire es 2 1 ° C, la temperatura del concreto es 24° C y la velocidad del viento es de 32 km/h, determine Ja velocidad de evapo­ ración. Si esta velocidad es muy alta desde el punto de vista de riesgos de agrietamiento por retracción plás.tica, ¿qué medidas 'precautorias tomaría usted? Alternativa­ mente, determine la temperatura a la que debe enfriarse el concreto para reducir Ja velocidad de evaporación a un límite seguro. 9. ¿Por qué el tiempo de fraguado del concreto puede ser sustancialmente diferente del tiempo de fraguado del cemento con el cual 'se h'izo el concreto? Defina los tiempos de fraguado inicial y_fina/ medidos por el método de resis�encia a la penetración (ASTM C 403). ¿Cuál es � u si�� ificado en la construcción con concreto? 1 O. Con la ayuda de las curvas adecuadas, muestre el efecto tanto de Jos aditivos· aceleradores comó de Jos aditivos retardantes en' el tiempo de fraguadO de una mezcla de concreto. 1 1 . Analice brevemente el efecto de la temperatura en e/ tiempo de fraguado del concreto. ¿Cuál es la forma más eficiente de reducir Ja temperatura de una mezcla fresca de concreto? Explique por qué. 1 2. Explique por qué en el AC/ 306R (Recommended Practice far Cold-Weather Concreting a) se requieren temperaturas más altas de concreto para tiempo más frío y b) se permiten temperaturas más bajas de concreto para elementos de concreto masivo. _ 1 3. Explique el concepto de madure.z, su aplicación y sus I imitaciones. 1 4. a) Para útia mezcla de concreto que contiene 2 72 kg de cemento, 1,383 �g de agregado de condición (SSS) y 1 4 1 kg de agua de mezclado, calcule Ja temperatura del con­ creto en el verano, suponiendo que el cementq y1 el agregado tienen una temperatura de 29º C y que el_ agua ha sido enfriada a 4.5 ° C; b) Para la misma mezcla de concreto de la parte (a), calcule la temperatura del concreto en invierno, suponiendo que el cemento y el CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Concreto en edades tempranas agregado están a 4.5° C y que el agua ha sido calentada a 66° C. 1 5. Usted ha tomado recientemente el cargo de un gran proyecto. Escriba una nota corta para atención del propietario sobre el aspecto de un programa de control de calidad del concreto, explicando brevemente las ventajas, desventajas y Jos costos de las pruebas de tres procedimientos de pruebas aceleradas asi como Jos distintos métodos de pruebas no destructivas. 1 6. ¿Cuáles son los principios detrás de los siguientes procedimientos: Prueba de martillo de Schmidt, Prueba del probador Windsor, Prueba de extracción, Prueba de pulso-velocidad? Explique cuál de ellos recomendaría usted para decidir el tiempo de remoción del cimbrado. 1 7. Describa Jos elementos esenciales de las gráficas esta­ dísticas de control de calidad. En el caso de los datos de resistencia del concreto, explique por qué las gráficas de promedio-movible y rango-movible son más útiles que las que contienen un trazo de valores de · resistencia individual. Report of ACI Committee 2 1 4, "Recommended Practice for Evaluation of Strength Test Results of Concrete," ACI Manual of Concrete Practice, Part 2, 1 997. Report of ACI Committee 305, "Hot Weather Concreting," ACI Materials J., Vol. 88, No. 4, pp. 4 1 7-436, 1 991 . Report of ACI Committee. 306, "Cold Weather Concreting," ACI Manual of Concrete Practice, Part 2, 1 997. ASTM, Significance of Tests and Properties of Concrete and Concrete-Ma­ king Materials, STP 1 69B, 1 978, caps. 7, 9, 1 3 y 1 5. . Design and Control of Concrete Mixtures, .1 3a edición, Portland Cement Association, Skokie, 11 1, 1 988. In Situ/Non-destructive Testing of Concrete, Proc. CANMET/ACI Conf., ACI SP-82, 1 984. MINDNESS, S., y J. F. YOU NG; Concrete, Prentice Hall, lnc., Englewood Cliffs, N. J., 1 98, 1 caps. 8, 1 1 y 1 7. NEVILLE, A. M., Properties of Concrete, Pitman Publishing, lnc., Mars­ hfield, Mass., 1 98 1 , caps. 4, 8 y 1 0. Sugerencias para estudio complementario POWERS, T. C., The Properties of Fresh Concrete, John Wiley & Sons, lnc., Nueva York, 1 968. Report of ACI Committee 228, "In-Place Methods for Determination of Strength of Concrete," ACI Materials Jour., Vol. 85, No. 5, pp. 446-471 , 1 988. TATIERSALL, G. H., The Workability of Concrete, Cement and Concrete Association, Wexham Springs, Slough, U. K., 1 976. CONCRETO, estructura, propiedades y materiales , 253 Capítulo ll Avanees en la tecnología del concreto Presentación El concreto normal hecho con cemento portland y con agregado natural convencional padece de varias deficien­ cias. Los intentos por contrarrestar estas defi c iencias han conducido al desarrol lo de concretos especiales, que repre­ sentan avances en la tecnología del concreto y que son el objeto de este capítulo. Las consideraciones teóricas que caracterizan a los concretos especiales, sus proporciones de · mezcla, sus propiedades y sus aplicaciones serán descritos aqu í. Los principales problemas en el uso del concreto como material de construcción y las formas de afrontarlos con éxito se resumen en los siguientes párrafos. En comparación con el acero, la baja relación resisten­ cia/peso del concreto presenta un problema económico en la construcción de edifieios altos, puentes de claros largos y estructuras flotantes. Para _ mejorar _ la relación resisten­ cia/peso, se sugieren dos caminos: ya sea que se disminuya la densidad del' material, o que se i ncremerite la resistencia. La primera solución ha sido practicada con éxito durante los últimos 70 años. Los agregados estructurales ligeros se . utilizan comdnmente en todo el mundo para producir concretos de peso ligero con aproximadamente 1 ,600 kg/m 3 de peso unitario y 25 a 40 MPa de resistencia a la compresión. De acuerdo con la segunda sol ución, durante los años setenta, se han producido i ndustrialmente concretos de alta resistencia, de peso normal de 2,400 kg/m 3 y 60 a 80 MPa de resistencia a la compresión, util izando aditivos normales o superfluidificantes reductores de agua y puzolanas. Sin embargo, parece q ue la relación l imitante resistencia/peso para el concreto no se ha alcanzado aún. Hay estudios en proceso para producir agregados de peso ligero más resis­ tentes, de manera que se puedan lograr simultáneamente en el concreto un peso ligero y una alta resistencia. La apl icación de adi_tivos superfluidificantes no está l imitada a la producción de concretos de alta resistencia. Como las · estructuras se han vuelto más grandes y los diseños se han vuelto más complejos, se necesitan colocaciones masivas de mezclas de concreto para elementos estructurales fuerCONCRETO, estructura, propiedades y materiales temente reforzados. E l concreto superfl uidificado satisface actualmente esta necesidad de mezdas de alta trabajabili­ dad 'o de concreto fluido, sin. una relación agua/cemento alta ni segregación. Estos concretos con alta trabajabi lidad, aún bajo condiciooes de cl ima caliente, no requieren com­ pactación mecánica. Se ha l levado_ el uso del concreto a nuevas fronteras. La retracción del concreto al secarse conduce· frecuente­ mente al agrietamiento; esto está reconocido en el diseño del concreto y en la práctica constructiva, especial mente en cuanto a pavimentos, pisos y. elementos estructurales rela­ tivamente delgados. Para contrarrestar este problema, se ha empleado con éxito durante los ú ltimos 20 años un concre­ to de retracción compensada que contiene cementos ex­ pansivos o áditivos expansivos. N uevamente, en comparadón con otros materiales de cons­ frucció,n la tenacidad del concreto es muy baja y por lo tanto la resistencia al impacto es pobre. Está característica ha sido mejorada sustancialme'nte util izando el concepto de refuerzo en el nivel micro. Se ha empleado con éxito un concreténeforzado con fibra que contiene acero, vidrio o fibras de pol ipropileno, en situaciones en qUé la resistencia al impacto es importante. La impermeabi lidad de los niateriale.s es imp ortante para su durabilidad ante la humedad y ante sol u c io_nes químicas fUertes. Se han desarrol lado tres tipos de concretos que contienen polímeros, _ los cuales muestran muy baja per­ meabil idad y una excelente resistencia quími ca. Cubiertas compuestas de estos concretos son adecuadas para la pro­ tección del acero de refuerzo contra la corrosió h en pisos industriales . y en plataformas de puentes; · estos concretos son útiles también pará la �ehabilitación de pavimentos deteriorados. El concreto de peso pesado elaborado con minerales de alta densidad, es aproximadam�nte 50 por ciento más pesado que el concreto normal que contiene agregado convencio­ nal; este tipo de concreto se util iza para escudos contra radiación en plantas de energía nuclear, cuando las limita255 Avances en la tecnología del concreto ciones de espacio requieren una reducción en el espesor del escudo. El concreto masivo para presas y otras grandes estructuras ha sido util izado durante algún tiempo, perc;> los métodos seleccionádos para controlar el incremento de la tempera� tura han tenido una influencia considerable en la tecnología de la construcción durante los ú ltimos 30 años. El previo enfriamiento de los materiales del concreto ha eliminado virtual mente la necesidad de operaciones costosas de post­ enfriado y ha hecho posible programas más rápidos de construcción. Las presas que tienen menos de 1 00 m de altura ·pueden construirsé con concreto compactado con rodillo, util izando equipo ordinario para mover. tierra, a velocidade.sycostos q ue serían inimaginables 1 O añ.os atrás. . . . . . Concreto estructural de .peso ligero . De.finiciones y esp�ci�ic'acjon� � · : ·· · El concreto estructural de peso l igero es conér eto e�tructural en todos los aspeétos, excepto que por razones de econo­ .mía en los costos totales, el concreto se ,e labora con agre­ gados cel ulares de peso ligero, de manera que su peso unitario ·es aproximadamente dos tercios del pe.so unitario del concreto hecho con agregados naturales tÍpicos. Puesto que el peso ligero. y no la resistencia .es el .objetivo principal, las especificaciones l imitan �I peso unitario máximo permi­ sible del concreto. Además, puesto que los agregados alta­ mente porosos tienden a reducir·granqemente la resistencia del . concreto, , las especificaciones requieren una compre­ sión mínima a los28 días para asegurar que el concreto sea de calidad estructural. La Cuide far Structural LightweightAggregate Concrete, 1 ACI 2 1 3 R-87, define los concretos estructurales con agre­ gado ·�e peso lig�ro cómo, !=Oncretos que tienen · una resis­ tenda 'a la compresión a los '28 d ía� por encima de los 1 7 MPa y un peso unitario secado al aire a 28 días que no excede 1 ,850 kg/m 3 . Er concreto puede �onten � r todos sus agregados de peso ligero o, p �r varias razones, una combi­ nación de agregados de peso 1 igero y de pe�o normal. Desde el punto dé vista de la trabajabi lidad y de otras propiedades, es una práctica común el util izar arena .normaLcomo agre­ gado fino y l imitar el tamaño nominal del agregado grueso de peso ligero a un máximo de 1 9 mm. De acuerdo con el ASTM C 330, los agregados finos de peso ligero y grueso de peso ligero, se requiere que tengan peso suelto en seco que no exceda 1 , 1 20 kg/m 3 y 880 kg/m 3 , resp�ctivamente. 1 Reporte del Comité ACI 2 1 3, ACI Materials J., Vol. 87,· No. 3, págs. 638-6.5 1, 1 987. 256 La especificación contiene también requerimientos con respecto a la granulometría, las sustancias nocivas y las propiedades del agregado para la elaboración del concreto, tales como la resistencia, el peso unitario, la retracción por secado y la durabi lidad del concreto que contiene el agre­ gado. Los requerimientos de las Standard Specifications ASTM C 330 para resistencias a la compresión y a la tensión y el peso unitario de concreto estructural de peso l igero se muestran en la tabla 1 1 -1 Tabla 1 1-1 . Requerimientos para concreto estructural de peso ligeroª Resistencia a la tensión por Resistencia a la compresión compresión a los diametral a los 28 días, min. MPa 28 días, mín. MPa Todos los agregados de peso ligero .2.2 1 760 28 1 680 2.1 21 2.0 1 600 17 . Combinación de arena normal y agregado ligero . 2.3 1 840 28 2.1 1 760 21 2.1 1 680 17 Secado al aire; peso unitario a los 28 días, : . . '. máx� kg/m3 · , ª La resistencia a la compresió � y el. peso unit�rio deberán ser el promedio de tres muestras y la resistencia a la te n sión por compresión di a. metral deberá ser el promedio de ocho m u estras.' Fuente: Reimpreso co n autori­ zación del . Annual Book of ASTM Standards. Sección 4, . Vol. 04.02. Copyright, ASTM, 1 91 6 Race Street, Filadelfia, PA 1 91 03. Criterios para. el proporcionamie1:1to de la mezcla · Por varias razones, el método de volumen absol uto, que es la base del método d�I ACI para proporcionar mezclas de concreto de peso normal (capítulo 9), no es adecuado para diseñar mezclas de concreto . de peso l igero. E n primer l ugar, la relác ión. entre la resiste ncia y la réladón agua/cemento no puede ser empleada efectivamente, porqué es difícil determinar cuanta agua de mezc lado en el concreto será absorbida por el agregado. La dificultad es causada no sólo por las gr�ndes cantidades (1 O a 20 por ciento) de absorción de agua por el agre·gado poroso, sino también por el hecho · dé que algunos agregados contin úan absorbiendo agua durante varias semanas. Por lo tanto, es muy difícil hacer ·cál c ulos confiables de variación de humedad de la condi­ c ión · saturada superficialmente seca (555) y de la densidad SSS. Además, a diferén cia de los agregados de peso normal, la densidad · seca de los agregados de peso ligero puede variar ampliamente con la granulometría. · CONCRETO, estructura, propiedade� y materiales Avanees en la tecnología del concreto Las consideraciones de trabajabil idad del · concreto con agregado de peso ligero fresco requieren atención especial porque, - con mezclas de alta consistencia, el agregado tiende a segregarse y a flotar en la superficie. Para combatir esta tendencia, es necesario a menudo limitar el reveni­ miento máximo e i ntroducir aire (independientemente de si se considera la d urabi lidad del concreto ante la acción congelante). Se requiere aproximadamente de 5 a 7 por ciento de aire incluido, para disminuir el requerimiento del agua de mez­ clado mientras se mantiene el revenimiento deseado y se reduce la tendencia al sangrado y a la segregación. Conse­ cuentemente, las especificaciones de los ingenieros estruc..; t u ra l es para e l con creto d e peso l i gero i n c l uyen general mente valores m ínimos permisibles para la resisten­ cia a la compresión, valores máximos para peso unitario y revenimiento, y valores tanto mínimo como máximo para el contenido de aire. Para el caso del diseño de la mezcla, la resistenciá á la compresión del concreto con agregado de peso ligero se relaciona generalmente con el contenido de cemento a un revenimiento dado y no a la relación agua/cemento. En la mayoría de los casos, la resistencia a la compresión con un contenido dado de cémento y agua, puede ser i ncrementa­ da reduciendo el tamaño máximo del agregado grueso y/o sustituyendo parcialmente el agregado fino de peso ligero por una arena natural de buena calidad. De acuerdo con el I nforme ACI 2 1 3R-79, la relación apro­ ximada entre la resistencia promedio a la compresión y el contenido de cemento, tanto para concreto con todos los agregados de peso l igero como. para concreto de agregado . grueso de peso ligero con arena, se muestra en 'la tabla 1 1 -2. Deberá notarse que la completa sustitu ción de los finos de peso ligero incrementará el peso unitario en aproximada­ mente 1 60 kg/m 3 al mismo nivel de resistencia. · Con algunos agregados de peso ligero será posible util ifar el método vol umétrico del ACI 2 1 1 . 1 para proporcionar . mezclas de concreto de peso normal /ajustar las propor­ ciones por ensaye y error, hasta que los requerimientos de trabajabi lidad del concreto fresco y las propiedades·físicas del concreto endurecido sean alcanzadas satisfactoriamen­ te. En este caso, es a menudo conveniente comenzar con vol1!.menes iguales de agregado fino y grueso y hacer ajustes según se necesite para lograr el revenimiento d�seado con un m ínimo de segregación. Los problemas del propOrcionamiento de: la mezcla con los agre&ªdos de peso ligero y los métodos para contrarrestarlos : -. - . :séifescriben en el . Estándar ACI 2 1 1 .2 (Standard Practice far • -Se/ecting Proportions far Structural Lightweight . Concrete, ' CONCRETO, estructura, propiedades y materiales pág. 307), que deberá ser consultado cuando se necesite un procedimiento detallado y más preciso. Tabla 1 1-2. Relación aproximada entre la resistencia promedio a la compresión y el contenido de cemento Resistencia a la compresión MPa 1 7 .24 20. 68 27 .58 . 3 4.47 41 . 3 7 Cemento kg/m3 Todo el agregado de Agregado grueso de peso ligero peso ligero con arena 240 - 3 05 240 - 3 05 250 - 33 5 26 0 - 33 5 0 290 - 3 95 450 32 3 75 - 450 3 6 0 - 450 420 - 500 440 - 500 Fuente: Informe del Comité ACI 21 3 R-87 Propiedades Trabajabilidad. Las propiedades del concreto fresco hecho con agregado de peso ligero y los factores que las afectan, son en esencia las mismas que para el concreto de peso normal. Debido a la baja densidad y a las características de textura áspera de los agregados porosos, especialmen­ te en el estado triturado, la trabajabi l idad del concreto necesita atención especial . E-n general , el colocado, com­ pactado y acabado del concreto con agregado de peso l igero requ iere. relativamen�e menos esfuerzo; por lo tant,o aun u n revenimiento de 50 a 75 mm puede ser suficiente para obtener la trabajabi l idad del tipo que se muestra general mente en concreto de peso normal de 1 00 a 1 25 mm de revenimiento. Con mezclas de concreto de agregado de peso ligero, el alto revenim.iento y. la sobrevibración son las dos causas gene­ ralmente responsables de que se separe el mortero pesado de la superficie, en donde se le . necesita para el acabado. Este fenómeno, l lamado flotación del agregado grueso, es lo opuesto de lo que pasa en el concreto de peso normal, en donde la segregación resulta en un exceso de mortero en la superficie. El ACI 2 1 3 R-87 recomienda un máximo revenimiento de 1 00 mm para lograr una buena superficie én pisos hechos con concreto de agregado de peso. ligero. la pérdida de revenimiento puede ser Lin serio prpblema cuando el agregado continúa absorbiendo una cantidad considerable de agua después del m ezclado. Este problema puede controlarse proporcionando el agregado en estado húmedo. Peso unitario. Después de la trabajabi l idad, el peso unitario y la resistencia son las dos propiedades buscadas general­ mente en el concreto estructural de peso ligero. Con �ate­ riales dados, se desea generalmente tener la relación . m.ás . alta posible de resistencia/peso unitario con el menor costo 257 Avances en la tecnología del concreto (a) (b) Figura 1 1 -1 . Superficie de fractura de cilin­ dros de concreto después de la prueba de tensión por compresión diametral: a) Co n­ creto hecho con agregado de peso ligero; b) Concreto hecho con agregado de peder­ nal redondeado. (Fotografías por cortesía de P. Nepper-Christensen, Aalborg Port­ land Co., Aalborg, Dinamarca) En el concreto de agregado de peso ligero, la fractura pasa a través de las partículas del agregado celular porque tanto la zona de transición como la pasta de cemento son generalmente más resistentes. Por otra parte, en concreto de peso normal, las partículas del agregado son densas y fuertes y la fractura se realiza generalmente en la zona de transición o en la masa de la pasta de cemento, y no a través del agregado. del concreto. Las especificaciones limitan el peso unitario del concreto secado al aire a un máximo de 1 ,840 kg/m 3 , pero no hay un l ímite mínimo. Sin embargo, por experiencia común, cuando se usa un agregado altamente poroso con el tamaño máximo mayor de 1 9 mm, el peso unitario del concreto puede reducirse a menos de 1 ,440 kg/m 3 , pero el producto puede que no sea capaz de cumplir con el requeri­ miento de resistencia a la compresión mínima de 1 7 MPa a los 28 d ías, para el concreto estructural de peso l igero. El uso de arena normal para controlar las propiedades de los concretos endurecidos tiende a incrementar el peso unitario, aunque esta tendencia es parcialmente compensa­ da por el efecto opuesto del aire induido, que se prescribe invariablemente para mejorar la trabajabil idad. La mayoría de los concretos estructurales de peso l igero pesan entre 1 ,600 y 1 ,760 Kg/m 3 ; sin embargo, las especificaciones de la obra en casos especiales pueden permitir pesos más altos de 1 ,840 Kg/m 3 � Resistencia. Las resistencias de diseño de 2 1 O a 360 kgf/cm 2 de resistencia a la compresión a los 28 días son comunes; aunque usando un agregado de buena cal idad y peso ligero 258 de tamaño pequeño -de 9 o 1 3 mm max1mo- y un alto contenido de cemento, ha sido posible producir en algunas plantas de precolado y presforzado, concreto de 40 a 48 MPa. Los agr egados de peso l igero con microporosidad controla­ da han sido desarrollados para producir concretos de peso ligero de 70 a 75 MPa que general mente pesan de 1 ,840 a 2,000 kg/m 3 • La resistencia a la tensión por compresión diametral de cil indros de concreto (ASTM C 496) es una medida relativa y conveniente para resistencia a la tensión. Los datos de la tabla . 1 1 -1 muestran que al igual que el concreto de peso normal, la relación entre. la resistencia a la tensión por compresión diametral y la resistencia a· la compresión, disminuye significativamente con el incremento de la resis­ tencia del concreto de peso l igero. E l módulo de ruptura del concreto de peso ligero continuamente curado con hume­ dad, también se comporta de la misma manera; las pruebas con especímenes · Secos muestran q ue los datos son extre­ madamente sensibles al estado de humedad. El examen de especímenes fracturados de concreto de agregado de peso ligero después de la prueba de tensión · por ".=ompresión . diametral, revela c laramente · q ue a diferencia del concreto CONCRETO, estructura, propiedades y materiales Avanees en la tecnología del concreto tO 'o 2 3 4 :; 1 6 0 0 . ; . ' o "5' :: 1 2 0 0 o o. e •O 800 ·5 ro E .ECD o \ (a) 400 o o 1 00 200 300 400 500 600 700 1000 e •O -� tO ' o o. T"" C X o :Q o 1 2 3 4 8 00 Q) ..... o "O Tiempo, días . Cilindros de concreto de 1 50 x 30 cm de 35 MPa No. 1 - Sin sustitución No. 2 - 1/3 sustituido No. 3 - 2/3 sustituido No. 4 - 1 00% sustituido 600 (b) 4 00 ro ro E � o (/) 2 0 0 O> o o o. o o 1 00 200 300 400 500 6 00 700 Tiempo, días F1igura 1 1 -2. Efecto de sustituir agregados finos de peso l igero por arena natural en: a) Deformación por flujo; b) Deformació � por retracció n�- ¡ secado. (De: D.F. Orchard, Concrete Technofogy, Vol. 1 , Elsevier Applied Science Publishers Ltd., Barking, Essex, Reino U nido, 1 979). de peso normal, el agregado y no la zona de transición es general mente el componente más débil en el sistema (figura 1 1 -1 ). Holm y otros 2 han presentado evidencia miáográfica electrónica de barddo que muestra que debido a la reacción puzolánica, la a·dherenda de la pasta cemento-agregado �n la superficie de los agregados de peso ligero, fue · más resistente que las partículas del agregado. Estabilidad dimensional. En el Reglamento de Construccio­ nes ACI 3 1 8, el módulo de elasticidad de concreto de peso normal o concreto estructural de peso ligero, es calculado . utilizando la · ecuació� E c = 0. 1 4 Wc 1 .S � (capítulo 4). . Los valores del módulo de el�sticidad así obtenidos pueden desviarse de aquel los obtenidos experimentalmente (ASTM C 469) en ± 1 5 a 20 por. ciento. En un , gran número de especímenes de prueba, Schideler 3 encontró que los módu­ los de elasticidad para concretos de 2 1 O y 420 kgf/cm 2 que contenían agregado de arcil la expandida fueron 1 x 1 0 5 y 1 .4 x 1 0 5 , respectivamente.- U n . concreto con sustitución total de arena de peso ligero por arena normal, generalmen­ te da un módulo de elasticidad 1 5 a 30 por ciento mayor. 2 T . A. Holm, T.W. Bremmer págs. 49-54, 1 984. y J.B. Newman, Concr. lnt., Vol. 6, No. 6, 3 J.J. Schideler, J. ACI, Proc., Vol. 54, págs. 299-3 2 Q CONCRETO, estructura, propiedades y materiales 1 q s 7. . . . . · Estudios experimentales indican que la deformación unita­ ria · ultima a la compresión · de la mayoría de los concretos de peso ligero puede ser un poco . mayor que el valor de 0.003 supuesto para propósitos de diseño. ' · En comparación con el concreto de peso normal, los con­ cretos hechos con agregado de peso l igero exhiben un mo'(imiento de humedad más alto (es decir, un . índice más alto de retracción por secad