CONCRETO ESTRUCTURA PROPIEDADES Y MATERIALES

· ,
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
.
.
.
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. . .
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1 31
1 31
1 31
1 38
1 44
. 1 45
.
.
.
1 45
1 46
1 50
1 62
1 63
.
.
.
.
.
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.
.
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
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1 0 nm
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1 00 nm
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Agregación de
partículas . C-S-4
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Espacio máximo
del aire incluido
para durabilidad a
la acción de congelamiento
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Burbujas de aire incluido
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Vacíos de aire atrapado -
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Vacíos capilares
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11
11
Cristales hexagonales
de Ca(OH)2 o de bajo
sulfato de la pastas de
cement�
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1 0,um
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1 04 nm
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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
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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
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Agua adsorbida. Es el agua que está cercana a la superficie
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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.
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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
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hidratación
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hidratación
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Ninguno
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Caso B: 1 00 cm de cemento
1 00% de hidratación, variación
en NC como se muestra
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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
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Relación sólido/espacio ( 1 -P)
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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
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Agua
combinada
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Agua
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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
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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
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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
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Acero inoxidable
Yeso de Paris
Alumina sinterizada
Zircón
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60
40
20
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40
Porosidad %
(b)
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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
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.
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
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Relación é.!QUa/cemento, %
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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
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CON AIRE INCLUIDO
Cemento normal Tipo 1
SIN AIRE INCLUIDO
Cemento normal Tipo 1
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Cemento de alta resistencia inicial Tipo 111
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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
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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..
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¿
•O
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a.
E
o
u
�
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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
. �
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·e:
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e
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o
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63
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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
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(/)
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C\J "O (.)
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NC = 0.50
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Datos de la mezcla
50
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357
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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
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Nota: Los especímenes se colaron, .
1
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Agregado River Platte
10
o
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= 357
de cemento
kg/m
Contenido de aire: sin aire incluido
Porcentaje de arena 40
Cemento Tipo 11
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2
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o
Q) o
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o
20
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_� 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.
:;
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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
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"'O
�
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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
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o
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o
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__
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
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c.
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20/3
2
-
Compresión
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__
de esfuerzó
1,
;·
Eje neutro
��
·" ' '"
o
Longitud del claro
Distribución real
de esfuerzo
�
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�
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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
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!
J-
-
o
· ,
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- -
0,2
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1 ,2
1,4
(a)
.----.--.r--r---T---.--
o
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·---- -- - - - - --
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- 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:
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1 ____.1____.
_....
_
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_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
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e:
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º(3
u
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"O
rP-
100
, (a )
Promedio de 5 6 cilindros
en
o
•C:
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o
C\I
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80
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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) .
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50
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o
0.5
1 00
90
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. 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:
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o
1 .2
o
Q)
"'O
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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
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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
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2
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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
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..,
�+-------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)
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....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
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..... .
X
33
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Relación agua/cemento
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cemento
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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
(/)
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o
c.
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o
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•O
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e
w
C:
10
8
6
10
Concreto convencional
Agregado
Piedra
caliza
8
0. 5 4
6
'(ij
4
4
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2
2
•O
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'O
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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
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8.
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Cl
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o
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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
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ro
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a:
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.� 75
'iñ
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E
u
-· -·-· Arenoso peso ligero '
'
''
--. Carbonato
,
\
''
.....--.
2
Resistencia promedio original (275 kgf/cm )_
---- Silíceo
25
o
21
204
426
Temperatura ºC
·-·-· -· -·-··-·'"
,,,. ""·
�·
''
'
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...
'"'
Q)
-o
' ...
'\' .......
'
'
75
50
(b) Esforzado a 0.4 f'c
"§ 1 00
..!ll
1 00
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1 25
. 648
o
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o
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204
(a)
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426
Temperatura ºC
(b)
648
871
(e) Residual no esforzado
(calentado, después almacenado
7 días a 21 2C)
ro
e
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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
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Tipo de cemento
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1 82
2 27
27 2
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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
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A
5
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8
e:
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g
3
.
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:-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
____,
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1
/
/
/
_
. ./
1
'="" -
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·
-
. ígido sól
.
·
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--
--__ _
/ 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
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10 0
60
o
40
5
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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:::::==:=:::�
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8
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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
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gctS 200
(/)
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300
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o5
Tiempo, horas
�"' "'"� � ..�
,......
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�
'
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
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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
�
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E
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45 .X.
t: ��0J 500 - 1 000 1
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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
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(.)
e:
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(.)
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.
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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
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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).
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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
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·!.1?¡¡; 56
c.
{b)
E
o
(.) 42
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' 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
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1
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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
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E .
z
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Almacenamiento
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Laboratorio
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Cll
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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
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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§
( §)
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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 !--+--.¡....__
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o
M
ci
o
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. 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
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·
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.
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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
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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
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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 �
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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.
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PtJptlvie§, �., C:tJfltfff@f@=Making Mat@tia/§, MeClFaw= H l l l Oot:)k �ompany,
1 97�, p�. 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.?
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222
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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,,
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2
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Concreto en edades temprariás
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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:
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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 ;
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mezda:y1e1 lc:ohtrbl ide 'éalidaa i .
El 'transporte del ,' concreto ·premezdad6:a:1 isiiiü:de- la·obfal
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Las" causas;; y/ el i cóhtfol t de: 1a1 rigidizaeióh1 o' péraÜ:fa 1 deº
CONCRETO/ estruetüra;1 propiedades y material es s
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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
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(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
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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
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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