a,b Revision de Fundamentos del concreto

REVISION DE FUNDAMENTOS DEL CONCRETO
Ing. Enrique Pasquel Carvajal
1. INTRODUCCION: LA TECNOLOGIA DEL CONCRETO Y SUS ANTECEDENTES EN EL
PERU
1.1 La Tecnología del Concreto: Conceptos Fundamentales.
Es el campo de la Ingeniería que abarca el conjunto de conocimientos científicos orientados hacia
la aplicación técnica, práctica y eficiente del concreto en la construcción. En su desarrollo y
utilización intervienen varias ciencias interrelacionadas, como son la Física, la Química, las
Matemáticas y la investigación experimental.
A diferencia de otros campos de la Ingeniería en que se puede ejercer un control bastante amplio
sobre los parámetros que intervienen en un fenómeno, en la Tecnología del Concreto cada
elemento que interviene bien sea el cemento, el agua, los agregados, los aditivos, y las técnicas
de producción, colocación, curado y mantenimiento, representan parámetros particulares a
estudiar y controlar de modo que puedan trabajar eficientemente de manera conjunta en la
aplicación practica que deseamos.
Generalmente tenemos una serie de limitaciones en cuanto a modificar a nuestra voluntad las
características de los aspectos que intervienen en el diseño y producción del concreto, por lo que
cada caso supone una solución particular, en la que tiene importancia preponderante la labor
creativa de los profesionales que tienen a su cargo definirla e implementarla en la práctica, ya que
paradójicamente, los ingredientes de un concrete bueno y uno malo son en general los mismos,
por lo que no es una tarea simple el diseñar y producir concreto de buena calidad.
En este punto, es necesario establecer que el concreto de buena calidad es aquél que satisface
eficientemente los requisitos de trabajabilidad, colocación, compactación, resistencia, durabilidad
y economía que nos exige el caso singular que estemos enfrentando.
Afortunadamente, la acumulación a nivel mundial de casi un siglo de conocimientos científicos
sobre el concreto y sus componentes, nos provee de las herramientas para afrontar y solucionar
la mayoría de problemas de la construcción moderna. Un aspecto conceptual muy importante en
cuanto a la Tecnología de Concreto moderna reside en la necesidad de la investigación e
innovación permanentes en este campo.
Si tenemos la curiosidad de acceder a la gran cantidad de bibliografía disponible procedente de
instituciones como el American Concrete Institute, el Comité Europeo del Concreto y el Japan
Concrete Institute entre otros, apreciaremos que el mayor esfuerzo se centra hacia seguir
investigando en este campo, con igual o mayor énfasis que sobre Ios métodos de análisis o
diseño estructural, por cuanto aún no se dan por resueltos todos los fenómenos y problemas
inherentes al diseño y producción de concreto y cada día surgen otros como consecuencia del
desarrollo de las necesidades humanas.
Una idea errada en cuanto a la Tecnología del concreto en nuestro medio reside en suponer que
es un campo limitado a los "laboratoristas" y a los "expertos en diseños de mezclas",
connotaciones con las que se distorsiona su alcance conceptual y se pierde de vista que cualquier
profesional de la Ingeniería Civil involucrado directa e indirectamente con la construcción, debe
experimentar, profundizar y actualizar sus conocimientos en este campo para asegurar una labor
técnica y eficiente.
1.2 Antecedentes y realidades de la Tecnología del Concreto en el Perú
La Tecnología del Concreto a nivel mundial ha venido ligada a la historia del cemento y el
desarrollo de la Ingeniería Civil, y en el Perú sucedió algo similar.
Pese a que desde la época de los egipcios, griegos y romanos se empleaban cementos naturales
rudimentarios, es recién a mediados del Siglo XIX que se inicia en Europa la producción moderna
del cemento, su uso universal y con ello el inicio de la Tecnología del Concreto que tuvo su
1
despegue final en 1916 con el profesor Duff Abrams y sus estudios sobre la relación Agua/
Cemento.
En el Perú hacia finales del Siglo XIX se importaba cemento en barriles de madera y las obras en
concreto eran ejecutadas empíricamente siendo encargadas a Ingenieros extranjeros o algunos
Ingenieros peruanos con formación en Europa. (Ref. No 1)
En el año 1875, se funda la Escuela Nacional de Ingenieros (hoy Universidad Nacional de
Ingeniería), promovida por el presidente Manuel Pardo, quien encarga su dirección a una misión
polaca presidida por el Ing. Eduardo de Habich.
El año 1879 egresa la primera promoción con cuatro Ingenieros dos de la especialidad de Minas
(Ings. Segundo Carrión y Pedro Remy) y dos Civiles (Ings. Eduardo Giraldo y Darío Valdizán).
Durante la ocupación chilena (1880 - 1883) sigue funcionando la Escuela de Ingenieros incluso
con alumnos chilenos. pero sin egresar ninguna promoción. A partir de 1886 solo egresan
Ingenieros de Minas, hasta el año 1892 en que se instituye la Escuela Especial de Ingenieros
donde ya se oficializa y consolida la especialidad de Ingeniería Civil. Mientras no existía la
especialidad, se estableció una categoría de "ingenieros del Estado", constituida por empíricos
que luego de subsanar un examen de habilidad ante un ente estatal, fungían de ingenieros en
construcciones. (Ref. No 1).
En cuanto al desarrollo de la Ingeniería Civil, desde fines del Siglo XIX hasta mediados de los
años 40, la mayoría de diseños y obras de importancia eran encargadas a empresas
constructoras extranjeras, y los profesionales peruanos actuaban la mayoría de las veces como
asistentes de Ingenieros foráneos, sin embargo esta participación sirvió para la asimilación de las
nuevas técnicas y avances científicos en relación al concreto.
Con la creación de la especialidad de Ingeniería Civil en otras Universidades a partir de mediados
de los anos 30 (Universidad Católica 1933), la participación cada vez mayor de profesionales
graduados en el extranjero en las labores docentes, y la asignación de obras importantes a
empresas constructoras peruanas, se va desarrollando una Tecnología local que ha contado la
mayoría de las veces con aportes anónimos de grandes profesionales nacionales que con las
limitaciones de nuestra realidad han hecho posible obras que aún perduran.
En el ano 1915 llega al Perú la compañía constructora norteamericana Foundation Co. para
ejecutar entre muchas obras el terminal marítimo del Callao y la pavimentación de Lima, entre
cuyas obras principales estuvo la carretera Lima-Callao (antigua Av. Progreso, hoy Av.
Venezuela) para lo cual trae los primeros hornos para fabricación de cemento, con lo que se inicia
la Tecnología de concrete local. El ano 1916, la Compañía Peruana de Cemento Pórtland compra
los hornos a la Foundation e instala en el Rímac la primera fábrica de cemento comercial del Perú
(Compañía Peruana de Cemento Portland) empleando materia prima de Atocongo. Entre 1955 y
1975 se crean las fabricas de cemento Chilca, Lima, Andino, Chiclayo, Pacasmayo, Sur y Yura,
que van desarrollando diferentes tipos de cemento.
A partir de la década de los anos 70, se ha ido relegando paulatinamente en nuestro país la
importancia que tiene la Tecnología del Concrete dentro de la Ingeniería, por un lado debido a los
violentos cambios políticos, sociales y económicos ocurridos a partir de esos años, que
distorsionaron en muchos cases la función de investigación de las Universidades, y por otro, la
informalidad generalizada, que ha ido sedimentando en muchos colegas la idea equivocada, de
que "cualquier persona puede hacer un buen concreto", que "el concrete es un material noble que
puede absorber nuestros errores", o que 'ya todo esta investigado en lo que al concreto se
refiere".
Es una realidad que en nuestras Universidades, se dicta generalmente durante la formación del
Ingeniero Civil sólo un curso de Tecnología del Concreto, y algunas veces dentro de un curso
global de "Materiales de Construcción", pese a que es el concreto el material con el que debe
enfrentarse casi a diario el profesional de la Construcción. Sin embargo, se insiste en instruir al
futuro Ingeniero con métodos de Calculo y Diseño estructural cada vez mas complejos y
refinados, que si bien son fundamentales, en la mayoría de los casos pierden su eficacia y
trascendencia, cuando en la obras se suman los errores y deficiencias, por desconocimiento de
los conceptos que gobiernan el producto final. Otra realidad evidente es que pese a que nuestro
país cuenta con toda la gama de climas y condiciones ambientales, que en muchos casos son
singulares, no existe iniciativa local para desarrollar una Tecnología del Concreto Nacional que
2
contribuya a empezar a solucionar de manera técnica y económica, problemas tan antiguos como
son el producir concreto durable en la Sierra y el Altiplano, trabajar eficientemente con agregados
marginales como es el case de nuestra Selva, o superar las dificultades de hacer concreto en
clima cálido como sucede en la mayor parte de la Costa.
La tradición histórica brevemente reseñada en cuanto a la Ingeniería Civil, la fabricación del
cemento en el Perú y consecuentemente la Tecnología del Concreto Nacional, nos debe hacer
reflexionar en que tenemos a la mano la posibilidad de aprender en retrospectiva de los errores y
los aciertos de muchísimas obras ejecutadas que están a la espera de ser analizadas y evaluadas
con el criterio de grandes laboratorios a escala natural, y desde otra perspectiva, cada nueva obra
debe constituir un aporte mas en el desarrollo de esta Tecnología, registrando, difundiendo y
discutiendo las soluciones y dificultades halladas, e inculcando en los discípulos y colegas la
necesidad de contribuir a este desarrollo.
2. CONCEPTOS GENERALES SOBRE EL CONCRETO
El concreto es el material constituido por la mezcla en ciertas proporciones de cemento, agua,
agregados y opcionalmente aditivos, que inicialmente denota una estructura plástica y moldeable,
que posteriormente adquiere una consistencia rígida con propiedades aislantes y resistentes, lo
que lo hace un material ideal para la construcción.
De esta definición, se desprende que se obtiene un producto híbrido, que conjuga en mayor o
menor grado las características de los componentes.
2.1 Componentes del concreto
Ya hemos esbozado en forma muy superficial los ingredientes del concreto, pero para entender
completamente las propiedades y el comportamiento del producto resultante pasaremos a evaluar
de manera sucinta las características de los componentes:
3. Cemento Portland
4. Agua
5. Agregados
6. Aditivos
3. EL CEMENTO PORTLAND
3.1 Generalidades
Es un aglomerante hidrófilo, resultante de la calcinación de rocas calizas, areniscas y arcillas, de
manera de obtener un polvo muy fino que en presencia de agua endurece adquiriendo
propiedades resistentes y adherentes (Ref. No 2).
El nombre proviene de la similitud en apariencia y el efecto publicitario que pretendió darle en el
ano 1924 Joseph Apsdin un constructor inglés, al patentar un proceso de calcinación de caliza
arcillosa que producía un cemento que al hidratarse adquiría según él, la misma resistencia que la
piedra de la isla de Portland cerca del puerto de Dorset.
Es en 1845 cuando se desarrolla el procedimiento industrial del cemento Portland moderno, que
con algunas variantes persiste hasta nuestros días y que consiste en moler rocas calcáreas con
rocas arcillosas en cierta composición y someter este polvo a temperaturas sobre los 1300 ºC
produciéndose lo que se denomina el clinker, constituido por bolas endurecidas de diferentes
diámetros, que finalmente se muelen añadiéndoseles yeso para tener como producto definitivo un
polvo sumamente fino.
La primera fábrica de cemento Portland se establece en Francia en 1840, luego en Inglaterra en
1845, en Alemania en 1855, en E.E.U.U. en 1871 y a partir de ahí se difunden por todo el mundo.
Hacia 1950, la producción mundial de cemento fue de 250 Megatoneladas, estimándose que para
fines del Siglo XX, la producción será del orden de 1500 Megatoneladas. (Ref. No 3)
3.2 Composición del Cemento Portland
(Refs. No 2, 3 y 4)
Los componentes principales de las materias primas para la fabricación del cemento son:
3
95%
5%
95%
5%
Componente
Procedencia
Óxido de Calcio (CaO)
Óxido de Sílice (SiO2)
Óxido de Aluminio (Al2O3)
Óxido de Fierro (Fe2O3)
Rocas Calizas
Areniscas
Arcillas
Arcillas, Mineral de Hierro, Pirita
Componente
Procedencia
Óxidos de Magnesio, Sodio,
Potasio, Titanio, Azufre, Fósforo
y Magnesio
Minerales Varios
Los porcentajes típicos en que intervienen los óxidos mencionados en el cemento Portland son:
Compuesto
Porcentaje
Abreviatura
CaO
SiO2
Al2O3
Fe2O3
SO3
MgO
K2O y Na2O
61% - 67%
20% - 27%
4% - 7%
2% - 4%
1% - 3%
1% - 5%
0.25% - 1.5%
C
S
A
F
Luego del proceso de formación del clinker y molienda final, se obtienen los siguientes
compuestos que son los que definen el comportamiento del cemento hidratado y que
estableceremos con su formula química, abreviatura y nombre corriente:
a. Silicato Tricálcico:
(3CaO.SiO2 --> C3S --> Alita)
Define la resistencia inicial (en la primera semana) y tiene mucha importancia en el calor
de hidratación.
b. Silicato Dicálcico:
(2CaO.SiO2 --> C2S --> Belita)
Define la resistencia a largo plazo y tiene incidencia menor en el calor de hidratación.
c. Aluminato Tricálcico:
(3CaO.Al2O3) --> C3A
Aisladamente no tiene trascendencia en la resistencia, pero con los silicatos condiciona el
fraguado violento actuando como catalizador, por lo que es necesario añadir yeso en el
proceso (3% - 6%) para controlarlo. Es responsable de la resistencia del cemento a los
sulfatos ya que al reaccionar con estos produce Sulfoaluminatos con propiedades
expansivas.
d. Alumino-Ferrito Tetracalcico:
(4CaO.Al2O3.Fe2O3 --> C4AF --> Celita)
Tiene trascendencia en la velocidad de hidratación y secundariamente en el calor de
hidratación.
e. Óxido de Magnesio (MgO)
Pese a ser un componente menor, tiene importancia pues para contenidos mayores del
5% trae problemas de expansión en la pasta hidratada y endurecida.
f. Óxidos de Potasio y Sodio
(K2O.Na2O -->Alcalis)
Tienen importancia para casos especiales de reacciones químicas con ciertos agregados,
y los solubles en agua contribuyen a producir eflorescencias con agregados calcáreos.
g. Óxidos de Manganeso y Titanio
(Mn2O3.TiO2)
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El primero no tiene significación especial en las propiedades del cemento, salvo en su
coloración, que tiende a ser marrón si se tienen contenidos mayores del 3%. Se ha
observado que en casos donde los contenidos superan el 5% se obtiene disminución de
resistencia a largo plazo.(Ref. No 2)
El segundo influye en la resistencia, reduciéndola para contenidos superiores a 5%. Para
contenidos menores, no tiene mayor trascendencia.
De los compuestos mencionados, los silicatos y aluminatos constituyen los componentes mayores
habiendo sido establecidos por Le Chatelier en 1887. En 1929 R.H.Bogue define las formulas
para el calculo de los componentes del cemento en base a la composición de óxidos y que han
sido asumidas como norma por ASTM C-150. (Ref. No 5), permitiendo una aproximación práctica
al comportamiento potencial de cualquier cemento sin mezclas.
A continuación estableceremos las formulas de Bogue debiendo tenerse claro que se basan en
las siguientes hipótesis:
- Los compuestos tienen la composición exacta (no es del todo cierto pues en la práctica tienen
impurezas).
- El equilibrio se obtiene a la temperatura de formación del clinker y se mantiene durante el
enfriamiento (En la práctica, las formulas sobrestiman el contenido de C3A y C2S)
Formulas de Bogue (Composición Potencial)
Si Al2O3 / Fe2O3 > o = 0.64:
C3S = 4.071 CaO - 7.6 SiO2 - 6.718 Al2O3 - 1.43 Fe2O3 -2.852 SO3
C2S = 2.867 SiO2 - 0.7544 C3S
C3A = 2.65 Al2O3 -1.692 Fe2O3
C4AF = 3.04 Fe2O3
Si Al2O3 / Fe2O3 < 0.64 se forma (C4AF+C2AF) y se calcula:
(C4AF+C2AF) = 2.1 Al2O3 + 1.702 Fe2O3
Y en cuyo caso el Silicato Tricálcico se calcula como:
C3S = 4.071 CaO - 7.6 SiO2 - 4.479 Al2O3 - 2.859 Fe2O3 - 2.852 SO3
(En estos cementos no hay C3A por lo que la resistencia a los sulfatos es alta; el C2S se calcula
igual)
Las variantes en cuanto a las proporciones de estos compuestos son las que definen los tipos de
cementos que veremos mas adelante.
3.3 Mecanismo de Hidratación
Se denomina hidratación al conjunto de reacciones químicas entre el agua y los componentes del
cemento, que llevan consigo el cambio del estado plástico al endurecido, con las propiedades
inherentes a los nuevos productos formados. Los componentes ya mencionados anteriormente, al
reaccionar con el agua forman hidróxidos e hidratos de Calcio complejos.
Dependiendo de la temperatura, el tiempo y la relación entre la cantidad de agua y cemento que
reaccionan se pueden definir los siguientes estados:
3.3.1 Plástico
Unión del agua y el polvo de cemento formando una pasta moldeable. Cuanto menor es la
relación Agua/Cemento, mayor es la concentración de partículas de cemento en la pasta
compactada y por ende la estructura de los productos de hidratación es mucho más resistente.
El primer elemento en reaccionar es el C3A, y posteriormente los silicatos y el C4AF,
caracterizándose el proceso por la dispersión de cada grano de cemento en millones de
partículas. La acción del yeso contrarresta la velocidad de las reacciones y en este estado se
produce lo que se denomina el periodo latente o de reposo en que las reacciones se atenúan y
dura entre 40 y 120 minutos dependiendo de la temperatura ambiente y el cemento en particular.
3.3.2 Fraguado inicial
Condición de la pasta de cemento en que se aceleran las reacciones químicas, empieza el
endurecimiento y la pérdida de la plasticidad, midiéndose en términos de la resistencia a
deformarse. Es la etapa en que se evidencia el proceso exotérmico donde se genera el
denominado calor de hidratación, que es consecuencia de las reacciones químicas descritas.
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Se forma una estructura porosa llamada gel de Hidratos de Silicatos de Calcio (CHS o
Torbemorita), con consistencia coloidal intermedia entre sólido y Iíquido que va rigidizándose
cada vez mas en la medida que se siguen hidratando los silicatos.
Este periodo dura alrededor de tres horas y se producen una serie de reacciones químicas que
van haciendo más estable con el tiempo al gel CHS. En esta etapa la pasta puede remezclarse
sin producirse deformaciones permanentes ni alteraciones en la estructura que aun esta en
formación.
3.3.3 Fraguado Final
Se obtiene al término de la etapa de fraguado inicial, caracterizándose por endurecimiento
significativo y deformaciones permanentes. La estructura del gel esta constituida por el ensamble
definitivo de sus partículas endurecidas.
3.3.4 Endurecimiento
Se produce a partir del fraguado final y es el estado en que se mantienen e incrementan con el
tiempo las características resistentes.
La reacción predominante es la hidratación permanente de los silicatos de calcio, y en teoría
continua de manera indefinida.
Es el estado final de la pasta, en que se evidencian totalmente las influencias de la composición
del cemento.
Durante el proceso de hidratación, el volumen externo de la pasta se mantiene relativamente
constante, sin embargo, internamente el volumen de sólidos se incrementa constantemente con el
tiempo, causando la reducción permanente de la porosidad, que esta relacionada de manera
inversa con la resistencia de la pasta endurecida y en forma directa con la permeabilidad.
Para que se produzca la hidratación completa se necesita la suficiente cantidad de agua, la
temperatura adecuada y tiempo, y de aquí es donde se desprende el concepto fundamental del
curado, que consiste en esencia en procurar estos tres elementos para que el proceso se
complete.
Un concepto básico que nos permitirá entender el comportamiento del concreto, reside en que el
volumen de los productos de hidratación siempre es menor que la suma de los volúmenes de
agua y cemento que los originan debido a que por combinación química el volumen de agua
disminuye en alrededor de un 25%, lo que trae como consecuencia la contracción de la pasta
endurecida.
Otro concepto importante que hay que tomar en cuenta es que esta demostrado que la relación
Agua/Cemento mínima para que se produzca la hidratación completa del cemento es del orden de
0.35 a 0.40 en peso dependiendo de cada caso particular. En la Figura Nº 1, se puede apreciar
como ilustración un esquema típico de la estructura de la pasta de cemento y de la distribución
del agua.
3.4 Tipos de Cemento y sus aplicaciones
Los Tipos de cementos Portland que podemos calificar de standard, ya que su fabricación esta
normada por requisitos específicos son (Ref. No 5):
Tipo I
De uso general, donde no se requieren propiedades especiales.
Tipo II
De moderada resistencia a los sulfatos y moderado calor de hidratación. Para
emplearse en estructuras con ambientes agresivos y/o en vaciados masivos.
Tipo III
Desarrollo rápido de resistencia con elevado calor de hidratación. Para uso en
clima frío o en los casos en que se necesita adelantar la puesta en servicio de las
estructuras.
Tipo IV
De bajo calor de hidratación. Para concreto masivo.
Tipo V
Alta resistencia a los sulfatos. Para ambientes muy agresivos.
Cuando a los tres primeros tipos de cemento se les adiciona el sufijo A (p.e Tipo IA) significa que
son cementos a los que se les ha añadido incorporadores de aire en su composición,
manteniendo las propiedades originales.
Es interesante destacar los cementos denominados "mezclados o adicionados" (Ref. No 6) dado
que algunos de ellos se usan en nuestro medio:
Tipo IS
Cemento al que se ha añadido entre un 25% a 70% de escoria de altos hornos
referido al peso total.
6
Cemento al que se ha añadido menos de 25% de escoria de altos hornos referido
al peso total.
Tipo IP
Cemento al que se le ha añadido puzolana en un porcentaje que oscila entre el
15% y 40% del peso total.
Tipo IPM
Cemento al que se le ha añadido puzolana en un porcentaje menor de 15% del
peso total.
Todos estos cementos tienen variantes en que se les añade aire incorporado (sufijo A), se induce
resistencia moderada a los sulfatos (sufijo M), o se modera el calor de hidratación (sufijo H).
Las puzolanas son materiales inertes silíceos y/o aluminosos, que individualmente tienen
propiedades aglomerantes casi nulas, pero que finamente molidas y al reaccionar químicamente
con hidróxidos de Calcio y agua adquieren propiedades aglomerantes. Las puzolanas se obtienen
por lo general de arcillas calcinadas, tierras diatomáceas, tufos y cenizas volcánicas, y de
residuos industriales como cenizas volátiles, ladrillo pulverizado, etc.
La particularidad del reemplazar parte del cemento por estos materiales, estriba en cambiar
algunas de sus propiedades, como son el aumentar los tiempos de duración de los estados
mencionados anteriormente, retrasar y/o disminuir el desarrollo de resistencia en el tiempo,
reducir la permeabilidad, mayor capacidad para retener agua, mayor cohesividad, incremento de
los requerimientos de agua para formar la pasta, menor calor de hidratación y mejor
comportamiento frente a la agresividad química.
Hay que tener muy presente que la variación de estas propiedades no siempre será conveniente
dependiendo del caso particular, por lo que no se puede tomar a los cementos puzolánicos o la
inclusión de puzolana como una panacea, ya que son muy sensibles a las variaciones de
temperatura los procesos constructivos y las condiciones de curado.
Para fines de diseño de mezclas hay que tener en cuenta que los cementos standard tienen un
peso especifico de 3,150 kg/m3 y los cementos puzolánicos son mas livianos con pesos
específicos entre 2,850 y 3,000 kg/m3.
En las Figuras Nº 2 y 3 se pueden apreciar comportamientos típicos de los cementos básicos,
relativos al desarrollo de resistencia en el tiempo y calor de hidratación (Ref. No 8).
En la Tablas Nº 1 y 2 se pueden apreciar los requisitos de fabricación establecidos por las normas
ASTM C-150 para los cementos Standard nombrados.
Tipo ISM
3.5 Tipos de Cemento que se fabrican en el Perú
En la actualidad se fabrican en el Perú los cementos Tipo I, Tipo II, Tipo V, Tipo IP y Tipo IPM.
En las Tablas Nº 3a y 3b se pueden observar características físicas y químicas de los cementos
peruanos, suministradas por los fabricantes.
Es interesante anotar que en general los cementos nacionales siguen los comportamientos típicos
a largo plazo que es factible esperar de cementos similares fabricados en el extranjero, sin
embargo la experiencia en el uso de ellos y la variabilidad que se puede apreciar en las Tablas
mostradas nos permite afirmar que las propiedades a corto plazo no siempre mantienen
parámetros constantes, por lo que nunca debe confiarse a priori en ellas sin efectuar pruebas de
control.
Por otro lado, los fabricantes locales tienen mucha experiencia en la elaboración de cemento,
pero ninguno la tiene en la aplicación práctica de este material en la producción de concrete dado
que muy rara vez recopilan estos datos, por lo que es muy poca la información que pueden
aportar en ese sentido, y además, hay usualmente mucha reticencia para suministrar resultados
de sus controles de calidad.
Como comentario adicional habría que decir que la introducción de los cementos Puzolánicos y
Puzolánicos modificados en nuestro medio ha traído beneficios desde el punto de vista que tienen
ventajas referidas a durabilidad, pero estas ventajas no son del todo aprovechadas por cuanto no
ha habido la suficiente difusión y labor didáctica en cuanto a las consideraciones para su
dosificación lo que trae como consecuencia deficiencias en su utilización. En las Fig. 4 a 9, se han
graficado las Resistencias vs tiempo para los diferentes cementos nacionales en base a la
información proporcionada por los fabricantes entre Enero y Abril de 1993 (Ref.No 7).
3.6 Condiciones de Control y almacenaje en obra y sus consecuencias.
7
Lo ya mencionado en relación a los cementos nacionales nos hace reflexionar en la necesidad de
tratar en lo posible de hacer en obra un seguimiento estadístico del tiempo y condiciones de
almacenaje, así como de la calidad del cemento que se emplea.
Una buena práctica la constituye el ejecutar análisis químicos en un laboratorio confiable cada
500 Toneladas de cemento para el caso de obras grandes, y solicitar regularmente a los
fabricantes certificados con resultados de su control de calidad. En ningún caso la muestra que se
obtenga debe ser menor de 5 Kg.
En cuanto a las condiciones de almacenaje, es recomendable limpiar con frecuencia los silos
metálicos de deposito sobre todo en climas de humedad relativa alta, pues se produce hidratación
parcial del cemento adherido a las paredes, y que con el uso del silo ocasiona que se desprendan
trozos endurecidos y se mezclen con el cemento fresco causando problemas en la uniformidad de
la producción del concreto.
En el caso de cemento en bolsas el concepto es similar en cuanto a protegerlas de la humedad,
bien sea aislándolas del suelo o protegiéndolas en ambientes cerrados.
Una manera práctica de evaluar si ha habido hidratación parcial del cemento almacenado,
consiste en tamizar una muestra por la malla No 100, según la Norma ASTM C-184, pesando el
retenido, el cual referido al peso total, nos da un orden de magnitud de la porción hidratada. El
porcentaje retenido sin haber hidratación oscila usual-mente entre 0 y 0.5 %.
Si recordamos los conceptos referidos al mecanismo de hidratación podemos estimar que si
usamos cemento parcialmente hidratado, estaremos sustituyendo en la practica una parte del
agregado por cemento endurecido con características resistentes inciertas y definitivamente
inferiores a la de la arena y la piedra, que causara zonas de estructura débil, cuya trascendencia
será mayor cuanto mayor sea la proporción de estas partículas.
Se puede estimar que el empleo de cemento hidratado en un 30% referido al peso total, con
gránulos no mayores de 1/4" trae como consecuencia una reducción en la resistencia a 28 días
del orden del 25%, dependiendo del cemento en particular. Es obvio que porcentajes hidratados
mayores con partículas de tamaño superior a 1/4" ocasionaran perjuicios más negativos en la
resistencia y durabilidad.
Finalmente hay que aclarar que en cuanto al almacenaje, el criterio correcto para evaluar la
calidad del cemento no es el tiempo que ha estado almacenado sino las condiciones de
hidratación del cemento al cabo de ese pentodo, por lo que lo aconsejable es tomar las
previsiones para evitar o retrasar la hidratación desde un inicio, en vez de dejar pasar el tiempo
sin ninguna precaución y entrar luego en las complicaciones de evaluar si estará apto o no para
usarse.
4. AGUA DE MEZCLA (Ref.No 4)
Ya hemos visto que el agua es el elemento indispensable para la hidratación del cemento y el
desarrollo de sus propiedades, por lo tanto este elemento debe cumplir ciertos requisitos para
llevar a cabo su función en la combinación química.
El agua de mezcla en el concrete tiene tres funciones principales: 1) Reaccionar con el cemento
para hidratarlo, 2) actuar como lubricante para contribuir a la trabajabilidad del conjunto y 3)
procurar la estructura de vacíos necesaria en la pasta para que los productos de hidratación
tengan espacio para desarrollarse. Por lo tanto, la cantidad de agua que interviene en la mezcla
de concreto es normalmente por razones de trabajabilidad, mayor de la necesaria para la
hidratación del cemento.
El problema principal del agua de mezcla reside en las impurezas y la cantidad de estas, que
ocasionan reacciones químicas que alteran el comportamiento normal de la pasta de cemento.
Una regla empírica que sirve para estimar si determinada agua sirve o no para emplearse en la
producción de concreto, consiste en establecer su habilidad para el consumo humano, ya que lo
que no daña al hombre no daña al concreto.
En este sentido, es interesante distinguir el agua potable en términos de los requerimientos
nominales establecidos por los organismos que regulan su producción y uso, y el agua apta para
consume humane, ya que los requerimientos aludidos normalmente son mucho mas exigentes de
lo necesario.
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Como dato interesante, es una evidencia que en el Perú muy pocas "aguas potables" cumplen
con las limitaciones nominales indicadas, sobre todo en lo que se refiere al contenido de sulfatos
y carbonatos, sin embargo sirven para el consume humano y consecuentemente para el concrete,
por lo que no debe cometerse el error de establecer especificaciones para agua que luego no se
pueden satisfacer en la practica.
No existe un patrón definitivo en cuanto a las limitaciones en composición química que debe tener
el agua de mezcla, ya que incluso aguas no aptas para el consume humano sirven para preparar
concrete y por otro lado depende mucho del tipo de cemento y las impurezas de los demás
ingredientes.
Los efectos mas perniciosos que pueden esperarse de aguas de mezcla con impurezas son:
retardo en el endurecimiento, reducción de la resistencia, manchas en el concrete endurecido,
eflorescencias, contribución a la corrosión del acero, cambios volumétricos, etc.
La norma Nacional Itintec 339.088 establece como requisitos para agua de mezcla y curado
(Ref.No 8):
Descripción
Límite permisible
Sólidos en suspensión
Materia orgánica
Carbonatos y bicarbonatos alcalinos
(alcalinidad total expresada en NaHCO3)
Sulfatos (ión SO4)
Cloruros (ión Cl)
pH
5000 ppm máximo
3 ppm máximo
1000 ppm máximo
600 ppm máximo
1000 ppm máximo
Entre 5.5 y 8
Existe evidencia experimental que el empleo de aguas con contenidos individuales de cloruros,
sulfatos y carbonatos sobre las 5,000 ppm, ocasiona reducción de resistencias hasta del orden
del 30 % con relación a concretes con agua pura.(Ref. No 9).
La materia orgánica por encima de las 1,000 ppm reduce resistencia e incorpora aire.
El criterio que establece la Norma Itintec 339.088 y el Comité ACI-318(Ref. No 10) para evaluar la
habilidad de determinada agua para emplearse en concreto, consiste en preparar cubos de
mortero de acuerdo con la norma ASTM C-109 (Ref. No 11) usando el agua dudosa y
compararlos con cubos similares elaborados con agua potable. Si la resistencia en compresión a
7 y 28 dias de los cubos con el agua en prueba no es menor del 90% de la de los cubos de
control, se acepta el agua como apta para su uso en concreto.
Finalmente, podemos concluir en que salvo casos especiales de aguas contaminadas en exceso
(residuos industriales) o que los agregados o aditivos contribuyan a incrementar notablemente las
sustancias nocivas, siempre es posible usar aguas con ciertas impurezas afrontando las
consecuencias ya indicadas que en la mayoría de casos son manejables.
5. AGREGADOS
5.1 Generalidades
Se definen los agregados como los elementos inertes del concreto que son aglomerados por la
pasta de cemento para formar la estructura resistente. Ocupan alrededor de las 3/4 partes del
volumen total, luego la calidad de estos tienen una importancia primordial en el producto final.
Están constituidos usualmente por partículas minerales de arenisca, granito, basalto, cuarzo o
combinaciones de ellos, y sus características físicas y químicas tienen influencia en prácticamente
todas las propiedades del concreto.
Se ha establecido convencionalmente la distinción entre agregado grueso (piedra) y agregado fino
(arena) en función de las partículas mayores y las menores de 4.75 mm (Malla Standard ASTM #
4).
La distribución volumétrica de las partículas tiene gran trascendencia en el concreto pues, para
tener una estructura densa y eficiente así como una trabajabilidad adecuada, debe haber un
9
ensamble casi total de manera, que las más pequeñas ocupen los espacios entre las mayores y el
conjunto este unido por la pasta de cemento.
5.2 Características físicas de los agregados y los requisitos para su empleo en concreto
En general son primordiales en los agregados las características de densidad, resistencia,
porosidad, y la distribución volumétrica de las partículas, que se acostumbra denominar
granulometría o gradación.
Asociadas a estas características se encuentran una serie de ensayos o pruebas standard que
miden estas propiedades para compararlas con valores de referencia establecidos.
Es importante para evaluar estos requerimientos el tener claros algunos conceptos relativos a
ciertas características numéricas.
5.2.1 Peso especifico
Es el cociente entre el peso de las partículas dividido entre el volumen de los sólidos únicamente,
es decir no incluye los vacíos entre ellas. Su valor para agregados normales oscila entre 2,500 y
2,750 Kg/m3.
5.2.2 Peso unitario
Es el cociente entre el peso de las partículas dividido entre el volumen total incluyendo los vacíos.
Su valor para agregados normales oscila entre 1,500 y 1,700 Kg/m3.
5.2.3 Análisis Granulométrico
Es la representación numérica de la distribución volumétrica de las partículas por tamaños.
Como seria sumamente difícil medir el volumen de los diferentes tamaños de partículas, se usa
una manera indirecta, cual es tamizarlas por una serie de mallas de aberturas conocidas y pesar
los materiales retenidos refiriéndolos en porcentaje con respecto al peso total. Los valores
hallados se representan gráficamente en un sistema coordenado semi-logaritmico que permite
apreciar la distribución acumulada. Esto es valido mientras se trabaja con agregados normales,
en que los pesos específicos de las partículas no difieren mucho, pero cuando se trata de
mezclas de agregados de pesos específicos muy diferentes, hay que hacer las conversiones
convenientes para que se represente realmente la distribución volumétrica que es la que interesa
para la elaboración de concreto.
La serie de tamices standard ASTM para concreto tiene la particularidad de que empieza por el
tamiz de abertura cuadrada 3" y el siguiente tiene una abertura igual a la mitad de la anterior. A
partir de la malla 3/8" se mantiene la misma secuencia, pero el nombre de las mallas se establece
en función del número de aberturas por pulgada cuadrada. En la Tabla Nº 4 se indican los
tamices estándar ASTM.
5.2.4 Módulo de Fineza
Es un concepto sumamente importante establecido por Duff Abrams en el ano 1925 y que se
define como la suma de los porcentajes retenidos acumulativos de la serie Standard hasta el
Tamiz No 100 y esta cantidad se divide entre 100.
El sustento matemático reside en que es proporcional al promedio logarítmico del tamaño de
partículas de una cierta distribución granulométrica.
La justificación experimental que avala esto consiste en que esta demostrado (Ref. No 12) que
independientemente de la granulometría, los concretos con agregados de igual modulo de fineza,
mantienen las mismas condiciones de trabajabilidad y resistencia.
Debe tenerse muy claro que es un criterio que se aplica al agregado en conjunto y no solo a la
arena ya que el concepto es general.
La norma ASTM C-33 (Ref. No 13) establece los requisitos que deben cumplir los agregados para
usarse en concreto y en las (Tablas 5 y 6) se pueden apreciar dichos requerimientos.
En cuanto a los requisitos químicos, lo básico en general es evitar contaminaciones de manera
similar al caso del agua además de los requisitos específicos indicados.
Una situación especial la constituyen los agregados denominados potencialmente reactivos con
los álcalis de cemento, constituidos por minerales particulares como algunas andesitas, ópalo,
etc. que bajo ciertas condiciones de humedad, temperatura y ataque de álcalis, producen un gel
expansivo que rompe la estructura interna del concreto.
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En nuestro país no hay evidencias comprobadas de reacciones de este tipo, sin embargo existen
andesitas en grandes cantidades, que podrían motivar que en un futuro se presenten casos de
este tipo, por lo que es importante evaluar este riesgo al calificar agregados.
6. ADITIVOS
Con respecto a este punto solo nos limitaremos a tocar de manera muy general su intervención
en el concreto, dado que el tema es sumamente amplio, siendo claro que consisten en sustancias
que se añaden al concreto para modificar adrede algunas de sus propiedades.
Todos los aditivos actúan sobre el cemento y las reacciones químicas inherentes, existiendo
únicamente la excepción de los curadores químicos, que de alguna manera son también aditivos,
pero que actúan como barrera protectora para evitar la pérdida del agua necesaria para la
hidratación del cemento.
A partir de los anos cincuenta, en que se descubren y desarrollan los incorporadores de aire, se
inicia una nueva era en la Tecnología del concreto, ya que se empiezan a investigar nuevos
productos que añadidos al concreto mejoran y perfeccionan sus propiedades, tales como
reductores de agua, acelerantes, retardadores, plastificantes, expansivos, etc.
Es en base a esto que en la Ingeniería moderna existe la tendencia cada vez mas generalizada
de considerar los aditivos ya no como una opción alternativa en los diseños de mezcla sino como
un ingrediente básico más.
En países como el nuestro este criterio aún no se llega a asimilar por completo, ya que por
razones económicas y/o desconocimiento de estos avances se sigue optando por no emplearlos,
con las consecuencias obvias en aquellos casos en que por condiciones particulares son la mejor
y quizás la única solución para tener concretes eficientes .durables, y en función de esto, también
económicos
.
7. PROPIEDADES Y COMPORTAMIENTO DEL CONCRETO
7.1 Estructura Interna del Concreto
En la Figura Nº 5, se puede apreciar el esquema típico de la estructura interna del concreto
endurecido, que consiste en el aglomerante o estructura básica constituida por la pasta de
cemento y agua, que aglutina a los agregados gruesos, finos, aire y vacíos, estableciendo un
comportamiento resistente debido en gran parte a la capacidad de la pasta para adherirse a los
agregados y soportar esfuerzos de tracción y compresión, así como a un efecto puramente
mecánico propiciado por el acomodo de las partículas inertes y sus características propias.
Una conclusión inmediata que se desprende del esquema mencionado, es que la estructura del
concreto no es homogénea, y en consecuencia no es isotrópica, es decir no mantiene las mismas
propiedades en diferentes direcciones.
Esto se debe principalmente a los diferentes materiales que intervienen, su variabilidad individual
así como al proceso mismo de elaboración, en que durante la etapa en que la pasta es plástica,
se posibilita el acomodo aleatorio de los diferentes componentes hasta su ubicación definitiva al
endurecer.
En la Figura Nº 6, podemos observar las proporciones típicas en volumen absoluto, en que
intervienen los componentes del concreto para un rango de contenido de cemento entre 200 y
500 Kg/m3, siendo significativa la trascendencia primordial de la pasta (cemento y agua) en la
estructura, ya que pese a ocupar en promedio alrededor del 30 % del volumen total, es la que
condiciona en mayor grado el resultado final.
Un aspecto sumamente importante en la estructura del concreto endurecido reside en la
porosidad o sistema de vacíos. Gran parte del agua que interviene en la mezcla, solo cumple la
función de lubricante en el estado plástico, ubicándose en líneas de flujo y zonas de
sedimentación de los sólidos, de manera que al producirse el endurecimiento y evaporarse,
quedan los vacíos o poros, que condicionan el comportamiento posterior del concret para
absorber líquidos y su permeabilidad o capacidad de flujo a través de él.
7.2 Propiedades Principales del Concrete Fresco
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7.2.1 Trabajabilidad
Esta definida por la mayor o menor dificultad para el mezclado, transporte, colocación y
compactación del concreto. Su evaluación es relativa, por cuanto depende realmente de las
facilidades manuales o mecánicas de que se disponga durante las etapas del proceso, ya que un
concreto que puede ser trabajable bajo ciertas condiciones de colocación y compactación, no
necesariamente resulta tal si dichas condiciones cambian.
Esta influenciada principalmente por la pasta, el contenido de agua y el equilibrio adecuado entre
gruesos y finos, que produce en el caso óptimo una suerte de continuidad en el desplazamiento
natural y/o inducido de la masa.
Por lo general un concreto es trabajable en la mayoría de circunstancias, cuando durante su
desplazamiento mantiene siempre una película de mortero de al menos 1/4" sobre el agregado
grueso.
El método tradicional de medir la trabajabilidad ha sido desde hace muchos anos el "Slump" o
asentamiento con el cono de Abrams, ya que permite una aproximación numérica a esta
propiedad del concreto, sin embargo debe tenerse clara la idea que es mas una prueba de
uniformidad que de trabajabilidad, pues es fácilmente demostrable que se pueden obtener
concretos con igual slump pero trabajabilidades notablemente diferentes para las mismas
condiciones de trabajo.
7.2.2 Segregación
La diferencia de densidades entre los componentes de! concreto provoca una tendencia natural a
que las partículas mas pesadas desciendan, pero en general, la densidad de la pasta con los
agregados finos es solo un 20% menor que la de los gruesos (para agregados normales) lo cual
sumado a su viscosidad produce que el agregado grueso quede suspendido e inmerso en la
matriz .Cuando la viscosidad del mortero se reduce por insuficiente concentración de la pasta,
mala distribución de las partículas o granulometría deficiente, las partículas gruesas se separan
del mortero y se produce lo que se conoce como segregación. En los concretes con contenidos
de piedra > del 55% en peso con respecto al peso total de agregados, es frecuente confundir la
segregación con la apariencia normal de estos concretos, lo cual es muy simple de verificar
obteniendo dos muestras de concreto fresco de sitios diferentes y comparar el contenido de
gruesos por lavado, que no deben diferir en mas del 6%.
7.2.3 Exudación
Propiedad por la cual una parte del agua de mezcla se separa de la masa y sube hacia la
superficie del concreto.
Es un caso típico de sedimentación en que los sólidos se asientan dentro de la masa plástica.
El fenómeno esta gobernado por las leyes físicas del flujo de un Iíquido en un sistema capilar,
antes que el efecto de la viscosidad y la diferencia de densidades.
Esta influenciada por la cantidad de finos en los agregados y la finura del cemento, por lo que
cuanto mas fina es la molienda de este y mayor es el porcentaje de material menor que la malla
No 100, la exudación será menor pues se retiene el agua de mezcla. La exudación se produce
inevitablemente en el concreto, pues es una propiedad inherente a su estructura, luego lo
importante es evaluarla y controlarla en cuanto a los efectos negativos que pudiera tener.
7.2.4 Contracción
Es una de las propiedades más importantes en función de los problemas de figuración que
acarrea con frecuencia.
Ya hemos visto que la pasta de cemento necesariamente se contrae debido a la reducción del
volumen original de agua por combinación química, y a esto se le llama contracción intrínseca que
es un proceso irreversible. Pero además existe otro tipo de contracción inherente también a la
pasta de cemento y es la llamada contracción por secado, que es la responsable de la mayor
parte de los problemas de figuración, dado que ocurre tanto en el estado plástico como en el
endurecido si se permite la perdida de agua en la mezcla. Este proceso no es irreversible, ya que
si se repone el agua perdida por secado, se recupera gran parte de la contracción acaecida.
Esta propiedad es muy importante en relación con los cambios volumétricos en el concreto,
siendo lo fundamental en esta revisión de conceptos, el tener claro que el concreto de todas
maneras se contrae y si no tomamos las medidas adecuadas indefectiblemente se fisura, y en
muchos casos esta figuración es inevitable por lo que solo resta preverla y orientarla.
12
7.3 Propiedades principales del concreto endurecido
7.3.1 Elasticidad
En general, es la capacidad del concreto de deformarse bajo carga, sin tener deformación
permanente.
El concreto no es un material elástico estrictamente hablando, ya que no tiene un comportamiento
lineal en ningún tramo de su diagrama carga vs. deformación en compresión, sin embargo,
convencionalmente se acostumbra definir un "Módulo de elasticidad estático" del concreto
mediante una recta tangente a la parte inicial del diagrama, o una recta secante que une el origen
del diagrama con un punto establecido que normalmente es un % de la tensión ultima (Ref. No
14).
Los módulos de Elasticidad normales oscilan entre 250,000 a 350,000 Kg/cm2 y están en relación
directa con la resistencia en compresión del concreto y por ende la relación agua/cemento.
Conceptualmente, las mezclas más ricas tienen módulos de Elasticidad mayores y mayor
capacidad de deformación que las mezclas pobres.
7.3.2 Resistencia
Es la capacidad de soportar cargas y esfuerzos, siendo su mejor comportamiento en compresión
en comparación con la tracción, debido a las propiedades adherentes de la pasta de cemento.
Depende principalmente de la concentración de la pasta de cemento, que se acostumbra
expresar en términos de la relación Agua/Cemento en peso. La afectan además los mismos
factores que influyen en las características resistentes de la pasta, como son la temperatura y el
tiempo, aunados a un elemento adicional constituido por la calidad de los agregados, que
complementan la estructura del concreto. Un factor indirecto pero no por eso menos importante
en la resistencia, lo constituye el curado ya que es el complemento del proceso de hidratación sin
el cual no se llegan a desarrollar completamente las características resistentes del concreto. Los
concretos normales usualmente tienen resistencias en compresión del orden de 100 a 400 Kg/
cm2, habiéndose logrado optimizaciones de diseños sin aditivos que han permitido obtener
resistencias del orden de 700 Kg/cm2. Tecnologías con empleo de los llamados polímeros,
constituidos por aglomerantes sintéticos que se añaden a la mezcla, permiten obtener
resistencias en compresión superiores a los 1,500 Kg/cm2.
7.3.4 Extensibilidad
Es la propiedad del concreto de deformarse sin agrietarse. Se define en función de la deformación
unitaria máxima que puede asumir el concreto sin que ocurran fisuraciones.
Depende de la elasticidad y del denominado flujo plástico, constituido por la deformación que
tiene el concreto bajo carga constante en el tiempo.
El flujo plástico tiene la particularidad de ser parcialmente recuperable, estando relacionado
también con la contracción, pese a ser dos fenómenos nominalmente independientes.
La microfisuración aparece normalmente alrededor del 60% del esfuerzo último, y a una
deformación unitaria de 0.0012, y en condiciones normales la figuración visible aparece para
0.003 de deformacion unitaria.
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13. ASTM Standard C-33.- "Standard specification for Concrete aggregates". 1986
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