Capítulo 1 Caracterización Básica del Concreto...Capítulo 1. Caracterización Básica del Concreto 5 de calcio, obtenidos a través del cocido de calcáreo, arcilla y arena. El

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Capítulo 1

Caracterización Básica del Concreto

1.1. El Concreto como Material El término concreto, proviene del verbo latino concretus, que significa crecer juntos. Algunos sinónimos de este material como hormigón, se utilizan en España y algunos países de Sudamérica. En el resto de países Europeos se conoce con la palabra genérica de betong a excepción de aquellos países de habla Inglesa que le llaman concrete, y castellanizado como concreto como se le conoce en nuestro País, Centroamérica y Brasil. El concreto es un material compuesto, integrado por material granular (agregado y/o filler) aglutinado en una matriz endurecida de material (el cemento o conglomerante) que rellena los espacios entre las partículas del agregado y las pega o aglutina. La Fig. 1.1 muestra distintas fases que utilizan cemento. Fig. 1.1. Fases, incluyendo al concreto utilizando cemento. El concreto es un material predominante. Compite directamente con otros materiales como el acero, la madera, el asfalto, roca, etc. Ventajas:

Habilidad para moldearse

Económico

Durable

Capítulo 1. Caracterización Básica del Concreto

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Resistente al fuego

Energéticamente eficiente

Fabricado en el lugar

Estético Desventajas:

Baja resistencia a la tensión

Baja ductilidad

Inestabilidad volumétrica

Baja relación Resistencia/Peso Las propiedades típicas del concreto son:

Resistencia a la compresión = 35 MPa

Resistencia a la flexión = 6 MPa

Resistencia a la tensión = 3 MPa

Módulo de elasticidad = 28 GPa

Relación de Poisson = 0.18

Deformación por tensión a la falla 0.001

Coeficiente de expansión térmica = 10-5

/ºC

Deformación última por contracción = 0.05 – 1.0%

Densidad = 2400 kg/m3

1.1.1. Desarrollo histórico del cemento y el concreto

Los cementos no-hidráulicos Los primeros materiales calcáreos utilizados como cementos en morteros fueron yeso y cal. Se cree que los egipcios utilizaron morteros de yeso en la construcción de la pirámide de Keops (~3000 a.C.); que se preparaba calcinando yeso impuro, que mezclado con agua, produce el fraguado de este material que es debido a la recombinación del yeso calcinado con el agua de cristalización que había sido separada durante el proceso de calentamiento:

1.1

Los morteros de cal se comenzaron a usar en Egipto sólo en el periodo Romano, pero fueron utilizados mucho antes en Creta, Chipre, Grecia y en Medio Oriente (6000-1200 a.C). Estos materiales se preparaban calcinando caliza:

1.2

El mortero de cal es conocido a veces como mortero aéreo puesto que endurece en aire. Su endurecimiento se debe esencialmente a la evaporación del agua de

O3HO1/2H2CaSOO2H2CaSO 224C130

24

2C1000

3 COCaOCaCO


3

mezclado. Una reacción secundaria es entonces la carbonatación subsecuente:

1.3

Esto ayuda a solidificar la masa, pero sólo en la superficie y si el mortero de cal está bien compactado, el CO2 no puede penetrar más allá de esa capa delgada.

Cales hidráulicas Los griegos y romanos también produjeron cales hidráulicas, calcinando calizas conteniendo impurezas de arcilla. Además sabían que ciertos depósitos orgánicos cuando eran molidos finamente y mezclados con cal y arena daban unos morteros que no sólo eran más fuertes que los morteros de cal ordinarios, sino también resistentes al agua. Los griegos utilizaron una ceniza de la isla de Santorín. Los romanos utilizaron una similar encontrada en los alrededores de la bahía de Nápoles, que se generalizó llamándola pozzolana (puzolana), la mejor variedad encontrada cerca de la villa de Pozzoli, cerca del monte Vesubio. De esa forma, los morteros a base de cal-puzolana se utilizaron bastante en estructuras hidráulicas, como revestimientos, acueductos, cisternas, pilas y muros de contención marítimos. Los romanos sabían que si no había disponibilidad de conseguir puzolanas naturales, se obtenía un efecto similar moliendo finamente ladrillo recocido. Los romanos usaron estos morteros hidráulicos para fabricar una forma de concreto. Quizás el edificio antiguo más preservado hasta nuestros días es el Pantheon, que data del Siglo II a.C., que fue construido con concreto. El domo de tal edificio tiene 44 m de diámetro. La calidad de los materiales cementantes declinó en la edad media. Se perdió casi por completo el arte de quemar cal y puzolanas. Los morteros de buena calidad no volvieron a aparecer sino hasta el Siglo XIV d.C. en la cual se reintrodujo el uso de las puzolanas. No fue sino hasta el Siglo XVIII que se comenzó a comprender la naturaleza de estos materiales cementantes. En 1756 John Smeaton fue comisionado para reconstruir el Faro “Eddystone” sobre la costa de Cornwall, Inglaterra. Smeaton utilizó un mortero preparado con cal hidráulica mezclada con puzolana importada de Italia. Tal Faro permaneció 126 años antes de reemplazarse por una estructura más moderna.

Desarrollo del cemento Portland Después de este trabajo pionero, se siguieron un número importante de descubrimientos. James Parker en Inglaterra sacó una patente en 1796 sobre un cemento natural hidráulico llamado cemento romano producido por la calcinación de fragmentos de caliza impura conteniendo arcilla. Un proceso similar comenzó en Francia 6 años después. En 1813 también en Francia, Vicat preparó caliza artificial

OHCaCOCa(OH)OHCaO 23CO

222


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hidráulica calcinando mezclas sinterizadas de caliza y arcilla. James Frost introdujo el mismo principio en 1822 en Inglaterra. Finalmente, en 1824, Joseph Aspdin sacó una patente de cemento Portland. El nombre de Portland fue llamado por Aspdin debido a la similitud del cemento endurecido a una caliza de la isla de Portland utilizada en los Siglos XVIII y XIX en los edificios del sur de Inglaterra. El cemento de Aspdin se preparaba calcinando algo de caliza finamente molida, mezclada después con arcilla y calcinando la mezcla en un horno hasta que el CO2 era liberado. Parece improbable que el cemento Portland haya podido fabricarse de acuerdo a la patente de Aspdin debido a que las temperaturas no eran lo suficientemente altas para lograr un clinkerizado real. Isaac Johnson reclamo el haber calcinado materiales de caliza y arcillas a la temperatura de clinkerizado en 1845 para producir cemento Portland moderno. El uso de cementos Portland se expandió rápidamente en Europa y Norteamérica. Los cementos naturales se fabrican calcinando calizas arcillosas. Se hicieron grandes avances en equipo para la producción de cemento Portland. Originalmente los hornos verticales se utilizaban para tal fin, pero presentaban desventajas. Las contribuciones de Ransome en Inglaterra en 1886 y Thomas A. Edison en EE. UU (quien tuvo por mucho tiempo una fábrica de cemento) en 1909 en la introducción de hornos horizontales se tuvo gran repercusión. Fue en EE. UU. Donde se utilizó el yeso por primera vez para incrementar el tiempo de fraguado. Con la producción de cemento Portland, se intensificó el trabajo en el ensayo de pruebas y caracterización del material. Los primeros ensayos sistemáticos se elaboraron en Alemania en 1836. Después de muchos ensayos de experimentación en muchos países las pruebas para cemento comenzaron a estandarizarse en 1900.

1.1.2. Cementos Se denomina cemento a un conglomerante hidráulico que, mezclado con agregados pétreos (agregado grueso y fino) y agua, crea una mezcla uniforme, maleable y plástica que fragua y se endurece al reaccionar con el agua, adquiriendo consistencia pétrea. Se pueden establecer dos tipos básicos de cementos:

De origen arcilloso: obtenidos a partir de arcilla y piedra caliza en proporción 1 a 4 aproximadamente;

De origen puzolánico: la puzolana del cemento puede ser de origen orgánico o volcánico.

Existen diversos tipos de cemento, diferentes por su composición, por sus propiedades de resistencia y durabilidad, y por lo tanto por sus destinos y usos. Desde el punto de vista químico un cemento se trata en general de una mezcla de silicatos y aluminatos


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de calcio, obtenidos a través del cocido de calcáreo, arcilla y arena. El material obtenido, molido finamente, mezclado con agua se hidrata y solidifica progresivamente.

Composición Una composición química típica de un cemento ordinario se muestra en la Tabla 1.1. La suma de los porcentajes de peso no resulta en 100%. La razón, es que las impurezas del cemento no son tomadas en cuenta. Los silicatos de calcio componen tres cuartas partes del cemento y son responsables de de las cualidades cementantes. Las fórmulas químicas de los compuestos se escriben en la notación de óxidos usada en la química de la cerámica. La notación común se muestra en la Tabla 1.2.

Tabla 1.1. Composición química típica de un cemento Portland ordinario.

Fase Fórmula clásica Notación abreviada

Porciento en peso

Silicato tricálcico 3CaO·SiO2 C3S 55

Silicato dicálcico 2CaO·SiO2 C2S 18

Aluminato tricálcico 3CaO·Al2O3 C3A 10

Aluminoferrato tetracálcico

4CaO·Al2O3·Fe2O3 C4AF 8

Sulfato cálcico dihidratado

CaSO4·2H2O CSH2 6

Tabla 1.2. Composición típica de óxidos en un cemento Portland.

Óxido Notación abreviada

Nombre común Porcentaje en peso

CaO C Cal 64.67

SiO2 S Sílice 21.03

Al2O3 A Alúmina 6.16

Fe2O3 F Óxido férrico 2.58

MgO M Magnesio 2.62

K2O K Álcali 0.61

Na2O N Álcali 0.34

SO3 S Trióxido sulfúrico 2.03

CO2 C Dióxido de carbono —

H2O H Agua —


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Clasificaciones ASTM

Hidratación del cemento Al mezclado con agua, sus componentes sufren una reacción química, responsable de la ganancia de resistencia y las reacciones llevadas a cabo se denomina hidratación y los nuevos sólidos formados por esta reacción se denominan sólidos de hidratación. Las características de hidratación se muestran en la Tabla 1.3.

Tabla 1.3. Características de hidratación de los compuestos del cemento.

Compuestos Índice de reacción

Calor liberado Contribución al cemento

Resistencia Calor liberado

C3S Moderado Moderado Alta Alto

C2S Bajo Bajo Bajo inicial,

alto final Bajo

C3A+CSH2 Rápido Muy alto Bajo Muy alto

C4AF+CSH2 Moderado Moderado Bajo Moderado

El C3A y el C3S son los compuestos más reactivos mientras el C2S reacciona lentamente. La presencia de yeso disminuye el alto índice inicial de hidratación del C3A. La reacción del C4AF+yeso+agua, es un poco más bajo que el C3S, y la hidratación del C4AF sin yeso es rápido.

Tipos ASTM Existen cinco distintos tipos de cemento Portland reconocidos por la ASTM (American Society for Testing of Materials), que difieren sólo de las cantidades relativas de los compuestos del cemento y el grado de finura. La descripción de las composiciones se muestran en la Tabla 1.4. El cemento tipo I es el más común, donde no se requiere de propiedades especiales. Sin embargo, si se requiere de una alta ganancia de resistencia como en un concreto prefabricado o cuando existe en riesgo de congelación, se puede especificar el tipo III. La cantidad de resistencia ganada por el tipo III en 24 horas es del doble del tipo I. El problema de agrietamiento puede resolverse utilizando un cemento de bajo calor de hidratación, como el tipo IV; Puesto que los compuestos de C3S y C2S liberan mucho calor, la reducción en su porcentaje, reduce en gran medida la liberación de calor. El ataque por sulfatos recae en la interacción de los productos de hidratación formados a partir del C3A. Reduciendo el contenido de C3A, convirtiéndolo a C4AF, se puede combatir el ataque por sulfatos. Manteniendo el C3A abajo el 5 % en peso, como se hace en el tipo V, será efectivo en muchos medios agresivos. Una cantidad de C3A


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hasta de un 8% en peso puede tolerar pequeñas cantidades de sulfatos. El tipo IV es un cemento moderadamente resistente a los sulfatos, sin embargo, tiene un bajo índice de ganancia de resistencia. El tipo II tiene un contenido de C3S mayor que el tipo IV y por tanto mayor desarrollo de resistencia pero mayor calor de hidratación. El tipo II es similar en resistencia que el tipo V, excepto por su baja resistencia a los sulfatos. El tipo II también se utiliza cuando se requiere un bajo calor de hidratación, pero un índice de ganancia de resistencia normal.

Los tipos de cementos de la ASTM, que aunque mantienen los mismos compuestos,

pero en diferente proporción, se podría esperar que las propiedades en el concreto

endurecido fuesen similares. En todos los cinco tipos, la suma total del C3S y del C2S

es aproximadamente el mismo: 75% por peso. De esa forma, las resistencias últimas

de los concretos y morteros deberían ser similares aun cuando los índices de ganancia

de resistencia fuesen diferentes. Este parece ser el caso como se muestra en la Fig.

1.2, aunque aquellos cementos que ganan resistencia lentamente, por lo general,

tienen resistencias más altas a largo plazo.

Cementos Portland modificados

Los cementos Portland especiales son los cementos que se obtienen de la misma

forma que el Portland, pero conteniendo diferentes porcentajes en los componentes.

La norma ASTM tiene designaciones especiales, que aquí no se nombran. En lugar de

ello se describe sólo su nombre genérico.

Tabla 1.4. Composición química típica (%) y propiedades de los cementos Portland, tipos ASTM I a V.

I II III IV V

C3S 55 55 55 42 55

C2S 18 19 17 32 22

C3A 10 6 10 4 4

C4AF 8 11 8 15 12

CSH2 6 5 6 4 4

Finura (Blaine m2/kg) 365 375 550 340 380

Resistencia a compresión a 1 día, MPa

15 14 24 4 12

Calor de hidratación a 7 dias, J/g

350 265 370 235 310


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Fig. 1.2. Resistencia a la compresión de distintos tipos de cementos.

Cementos combinados

Los cementos Portland pueden combinarse con puzolanas o escorias de alto horno

para mejorar la durabilidad y otras propiedades no controladas por los cinco tipos

ASTM descritos.

Cementos expansivos y cementos auto generadores de esfuerzos

El aluminato cálcico reemplaza el C3A en el cemento y el silicato cálcico continuará

controlando las propiedades a largo plazo. Tres variantes, K, M y S se producen

dependiendo de la naturaleza del compuesto de alumina usado para generar etringita.

etringitaHScálcicoAluminato 1.4

Cementos de calcio-sulfoaluminato

Antes de la adición de la mezcla al horno para el proceso de producción de cemento,

se agrega a la mezcla C4A3S. Este es el mismo compuesto que la variante K de los

cementos expansivos, pero en mayores cantidades aquí. Se tiene una mayor ganancia

de resistencia en exceso de 7 MPa después de las 3 horas de fraguado. La formación

de etringita viene acompañado de un alto índice de evolución de calor. La fluencia y

contracción por secado son menores que usando un cemento Tipo III.


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Cementos de calcio-fluoraluminato En este cemento el C3A se reemplaza por el calcio fluoraluminato, C11A7CaF2 (No es posible expresar el fluoruro cálcico en términos de formulación de óxidos), que es aún más reactivo con el agua que el C3A. El desarrollo de resistencia ocurre muy rápido, con valores de hasta 7 MPa en una hora después del fraguado. Si la temperatura en concreto fresco es de 4ºC no podrá ocurrir un rápido desarrollo de resistencia.

Cementos misceláneos

Cementos de fraguado y endurecimiento rápidos Se puede usar el Tipo III con una alta finura (700 a 900 m

2/kg) ó mezclado con un

aditivo acelerante o ambos. Una formación prematura de etringita se usa también para producir un cemento de resistencia alta temprana. Las mezclas de cemento Portland Tipo I con yeso son comunes. También los cementos de magnesio y fosfato son también para este fin.

Cementos blancos Estos contienen por lo tanto un porcentaje bajísimo de Fe2O3. EI color blanco es debido a la falta del hierro que le da una tonalidad grisácea al Portland normal y un gris más obscuro al cemento férrico. La reducción del Fe2O3 es compensada con el agregado de fluorita (CaF2) y de criolita (Na3AlF6), necesarios en la fase de fabricación en el horno.

Cemento Portland férrico Este cemento es muy rico en hierro que se obtiene introduciendo cenizas de pirita o minerales de hierro en polvo. Por lo tanto se tiene una mayor presencia de Fe2O3 y una menor presencia de 3CaOAl2O3 cuya hidratación es la que desarrolla más calor. Por este motivo estos cementos son particularmente apropiados para ser utilizados en climas cálidos. Los mejores cementos férricos son los que contienen una menor cantidad de 3CaOSiO2, produciendo la menor cantidad de cal libre (Ca(OH)2). Puesto que la cal libre es el componente mayormente atacable por las aguas agresivas, estos cementos, son más resistentes a éstas.

Cementos de mezclas Los cementos de mezclas se obtienen agregando al cemento Portland normal otros componentes como la puzolana. El agregado de estos componentes le da a estos cementos nuevas características que lo diferencian del Portland normal.

Cemento puzolánico Se denomina puzolana a una fina ceniza volcánica que se extiende principalmente en la región del Lazio y la Campania, su nombre deriva de la localidad de Pozzuoli, en las proximidades de Nápoles, en las faldas del Vesubio. Posteriormente se ha generalizado a las cenizas volcánicas en otros lugares. Ya Vitrubio describía cuatro tipos de puzolana: negra, blanca, gris y roja.


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Mezclada con cal (en la relación de 2 a 1) se comporta como el cemento puzolánico, y permite la preparación de una buena mezcla en grado de fraguar incluso bajo agua. Esta propiedad permite el empleo innovador del concreto, como ya habían entendido los romanos: El antiguo puerto de Cosa fue construido con puzolana mezclada con cal apenas antes de su uso y colada bajo agua, probablemente utilizando un tubo, para depositarla en el fondo sin que se diluyese en el agua de mar. Los tres muelles son visibles todavía, con la parte sumergida en buenas condiciones después de 2100 años. La puzolana es una piedra de naturaleza ácida, muy reactiva, al ser muy porosa y puede obtenerse a bajo precio. Un cemento puzolánico contiene aproximadamente: 55-70% de clinker Portland, 30-45% de puzolana y 2-4% de yeso

Cemento siderúrgico La puzolana ha sido sustituida en muchos casos por la ceniza de carbón proveniente de las centrales termoeléctricas, escoria de fundiciones o residuos obtenidos calentando el cuarzo. Estos componentes son introducidos entre el 35 hasta el 80%. El porcentaje de estos materiales puede ser particularmente elevado, siendo que se origina a partir de silicatos, es un material potencialmente hidráulico. Esta debe sin embargo ser activada en un ambiente alcalino, es decir en presencia de iones OH

-. Es

por este motivo que debe estar presente por lo menos un 20 % de cemento Portland normal. Por los mismos motivos que el cemento puzolánico, el cemento siderúrgico también tiene buena resistencia a las aguas agresivas y desarrolla menos calor durante el fraguado. Otra característica de estos cementos es su elevada alcalinidad natural, que lo hace particularmente resistente a la corrosión atmosférica causada por los sulfatos.

Cemento de fraguado rápido El cemento de fraguado rápido, también conocido como cemento romano o prompt natural, se caracteriza por iniciar el fraguado a los pocos minutos de su preparación con agua. Se produce en forma similar al cemento Portland, pero con el horno a una temperatura menor (1.000 a 1.200 ºC). Es apropiado para trabajos menores, de fijaciones y reparaciones, no es apropiado para grandes obras porque no se dispondría del tiempo para efectuar una buena colada. Aunque se puede iniciar el fraguado controlado mediante retardantes naturales como el ácido cítrico, pero aun así si inicia el fraguado aproximado a los 15 minutos (temperatura a 20ºC). La ventaja es que al pasar aproximadamente 180 minutos de iniciado del fraguado, se consigue una resistencia muy alta a la compresión (entre 8 a 10 MPa), por lo que se obtiene gran prestación para trabajos de intervención rápida y definitivos.

Cemento aluminoso El cemento aluminoso se produce a partir principalmente de la bauxita con impurezas de óxido de hierro (Fe2O3), óxido de titanio (TiO2) y óxido de silicio (SiO2). Adicionalmente se agrega calcáreo o bien carbonato de calcio. El cemento aluminoso, también llamado “cemento fundido”, por lo que la temperatura del horno alcanza hasta los 1600°C y se alcanza la fusión de los componentes. El cemento fundido es colado


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en moldes para formar lingotes que serán enfriados y finalmente molidos para obtener el producto final.

1.1.3. Aditivos químicos Históricamente, el uso de aditivos ha sido tan antiguo como el concreto mismo. Se sabe que los romanos utilizaban grasa animal, leche o sangre para mejorar sus concretos. Aunque estos aditivos se utilizaban para mejorar la trabajabilidad, la sangre es un agente efectivo incluso de aire que pudo también haber mejorado la durabilidad. El estudio sistemático de los aditivos comenzó con la introducción de los inclusores de aire allá en 1930. Los romanos usaron ceniza volcánica en sus cales hidráulicas. En nuestros días la ceniza volante y la escoria de alto horno se utilizan de manera similar para mejorar el desempeño del concreto. Muchos ó más concretos contienen aditivos en sus formulaciones. Los aditivos químicos o simplemente aditivos son aquellos ingredientes diferentes al cemento Portland, agua y agregados que se agregan a la mezcla inmediatamente antes o durante el mezclado. Los aditivos pueden clasificarse en función de lo siguiente:

Aditivos inclusores de aire

Aditivos reductores de agua

Plastificantes

Aditivos acelerantes

Aditivos retardantes

Aditivos de control de hidratación

Inhibidores de corrosión

Aditivos reductores de retracción

Inhibidores de reacción álcali-sílice

Aditivos colorantes

Aditivos misceláneos, tales como de trabajabilidad, adherencia, curado, permeabilidad, reducción, lechada, formación de gas, anti-marcas en fresco, espuma y bombeo.

La Fig. 1.3 muestra algunos aditivos de forma líquida. Un concreto debe de ser trabajable, de buen acabado, fuerte, durable, impermeable y resistente al desgaste superficial. Estas cualidades pueden obtenerse fácil y económicamente por una selección apropiada de materiales. Los motivos más importantes de usar aditivos es:

Reducir el costo de la construcción con concreto

Lograr conseguir del concreto otras propiedades de una más forma fácil

Mantener la calidad del concreto durante el proceso de mezclado, transporte, colocación y curado en condiciones climáticas adversas


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Dar solución inmediata a emergencias que se puedan presentar

Figura 1.3. Aditivos líquidos para diversos usos.

Aditivos inclusores de aire (AIA) Se utilizan principalmente para introducir y estabilizar burbujas macroscópicas al concreto, donde se mejora la durabilidad del mismo en ciclos de hielo-deshielo. Además de esto los AIA mejoran la resistencia de la superficie expuesta a sales.

Aditivos reductores de agua (ARA) Se utilizan para reducir la cantidad de agua de mezclado para producir concreto de un cono o revenimiento dado, reducir la relación agua-cemento o para incrementar el cono. Un ARA típico reduce el contenido de agua en un 5 a un 10%. El índice de pérdida de cono, sin embargo no se reduce y en muchas ocasiones se incrementa. Una rápida pérdida de cono conlleva a una pérdida de trabajabilidad y en un menor lapso para colocar el concreto. Un incremento de resistencia por lo general se asocia un ARA, puesto que se reduce la relación agua/cemento, que por lo general se incrementa de un 10 hasta un 25%.

Aditivos reductores de agua de rango medio (ARARM) Estos aditivos ofrecen una reducción significativa de agua (entre un 6 y un 12%) para concretos con conos de 125 a 200 mm, sin el retardo asociado a altas dosis de un ARA.

Aditivos reductores de agua de rango alto (ARARA) Se puede obtener una reducción de agua de un 12 hasta un 30% con este aditivo. Esta reducción de agua puede producir concretos con resistencias a compresión mayores a 70 MPa, ganancia de resistencia temprana y reducir la penetración de iones cloruro.

Superplastificantes (SP) Los SP, son en esencia ARARA. Estos aditivos se adicionan al concreto con conos y


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a/c normales a bajos para hacer un concreto de cono alto. Por lo general, el concreto

con SP se puede colocar en obra sin compactación. Los SP son por lo general más

efectivos que los ARR o los ARARM en producir con concreto fluido. La efectividad del

SP está asociada al incremento en el contenido de cemento y finos.

Aditivos retardantes (AR) Se utilizan para retrasar el índice de fraguado del concreto. Un concreto sujeto a una

temperatura mayor de 30°C por lo general es la causa del incremento en el índice de

rigidez que dificulta la colocación y acabado. Es por ello que los AR son efectivos en

aplazar el tiempo de fraguado y además también se usan en recortar la pérdida de

cono y aplazar el tiempo de trabajabilidad, en especial antes de la colocación a

temperaturas elevadas. Por lo general una reducción en la resistencia a los primeros

días de edad es causa del uso de AR.

Aditivos de control de hidratación (ACH) Consisten en un sistema químico de dos partes: un estabilizador o retardante que

detiene la hidratación del cemento hasta por 72 horas y un activador, que reestablece

la hidratación y fraguado cuando se adiciona al concreto estabilizado. Este aditivo hace

posible el reutilizar el concreto ya sea para guardarse entre un fin de jornada y un

comienzo de otra o para ser transportado a largos viajes.

Aditivos acelerantes (AA) Se utilizan para acelerar el índice de hidratación y desarrollo de resistencia del

concreto a cortas edades. El compuesto químico del AA puede ser el cloruro cálcico

(CaCl2), en especial para concreto sin refuerzo de acero. Además acelerar la ganancia

de resistencia, el cloruro cálcico causa un incremento en la retracción por secado,

corrosión, decoloración y un incremento en el desarrollo potencial de agrietamiento

superficial. Sin embargo, existen además algunos AA no corrosivos, sin la base de

cloruros, pero en algunos casos no resultan ser tan efectivos. Algunos AA sin base de

cloruros son formulados especialmente para usarse en climas fríos con temperaturas

de hasta -7°C.

Inhibidores de corrosión (IC) Se utilizan en estructuras de concreto como estacionamientos, estructuras marinas y

puentes donde los cloruros están presentes. Los cloruros pueden provocar corrosión

del acero de refuerzo por medio de la destrucción de la capa pasiva del acero. Los

óxidos ferroso y férrico se forman sobre la superficie del acero de refuerzo, creando

esfuerzos de expansión que botan literalmente el recubrimiento y la adherencia del

acero con el concreto. Los IC incluyen en su composición nitrito cálcico, nitrito sódico,

dimetil-etanolamina, aminos, fosfatos y aminos estéricos. Los nitritos bloquean la

reacción de corrosión de los iones cloruro, reforzando y estabilizando la capa

protectora del acero que es creada a partir de un alto pH en el concreto.


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Aditivos reductores de retracción (ARR) . Tienen usos potenciales en estructuras de grandes superficies como tableros de puentes, pavimentos, losas de estacionamientos, etc., donde se puede reducir o evitar la aparición de grietas por efecto de la retracción, ya sea desde la etapa fresca hasta la endurecida. El polipropilen-glicol o el polioxialkileno, se utilizan como ARR. Se tienen datos de reducciones en retracción por secado de un 25 a un 50%. Sin embargo se han encontrado reducciones en la resistencia compresión de hasta un 20%, lo que debe de tomarse en cuenta en el proyecto.

Aditivos inhibidores de reacción álcali-sílice (AIRAS) Se introdujeron en los años 1990’s. Están formados de algunas sales de nitratos, carbonatos, hidróxidos, aluminosilicatos de Litio, y sales de Bario, que han mostrado ser efectivos en la reducción álcali-silice.

Aditivos colorantes (AC) Algunos materiales sintéticos y naturales se utilizan para colorear concreto por cuestiones estéticas y de seguridad. Por ejemplo, el concreto de color rojo se utiliza en conductos de gas o eléctricos bajo tierra. Por lo general, la cantidad de pigmentos que se adicionan al concreto no exceden el 10% en peso. Un porcentaje menor a un 6% no afecta las propiedades del concreto. En el uso del colorante se deberá de evitar la presencia de cloruros, por la razón de que se distorsionará el pigmento.

Aditivos reductores de humedad (ARH) Los ARH se utilizan para reducir la transmisión de humedad a través del concreto que está en contacto con agua. Muchos ARH no son efectivos en el momento de que existen grietas o la estructura está en contacto con agua a presión.

Aditivos reductores de permeabilidad (ARP) Los ARP reducen el índice de transmisión del agua sometida a presión a través del concreto. Uno de los métodos más efectivos es el de incrementar el periodo de curado o reducir la a/c a valores menores de 0.5. Muchos aditivos que reducen la a/c reducen también la permeabilidad. También las adiciones minerales como el humo de sílice reduce la permeabilidad a través de la hidratación y proceso puzolánico de reacción.

Aditivos para bombeo (AB) Estos aditivos se ponen al concreto con el fin de mejorar la bombeabilidad, mejorando su viscosidad y cohesión en el concreto para reducir la separación de la pasta durante su transporte. Algunos AB pueden demandar más agua, reduciendo su resistencia a compresión, causar inclusión de aire o retardar el tiempo de fraguado.

Aditivos adhesivos (AdA) y agentes adhesivos (AgA) Son por lo general emulsiones orgánicas compuestas ya sea de caucho, cloruros de polivinil o acetato, acrílicos, etc. Su función es mejorar la adherencia entre una superficie de un concreto nuevo y uno viejo. También se mejora la resistencia a flexión y el ingreso de iones cloruro. La dosis de un AdA es de un 5 a un 20% en peso de cemento. Para un buen desempeño, la superficie en contacto en el concreto viejo


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deberá ser lo más limpia y seca posible. Los AgA no deben de confundirse con los AdA. Los AdA son un componente en el concreto. Los AgA se aplican a superficies existentes inmediatamente antes de que el nuevo concreto se coloque sobre el viejo ayudando a pegar tales superficies.

Aditivos de lechada (AL) Las lechada tiene usos variados como la estabilización de suelos, rellenar juntas o grietas en estructuras, etc. Para mejorar las propiedades de la lechada en ciertos problemas específicos, se pueden adicionar AIA, AA, AR entre otros.

Aditivos formadores de gas (AFG) Los AFG están formados de polvos de aluminio y otros materiales que forman gas. Se agregan al concreto en pequeñas cantidades para crear una pequeña expansión en la mezcla antes del endurecimiento. Estos aditivos se utilizan además en grandes cantidades para producir concreto celular.

Aditivos bloqueadores de aire (ABA) Los ABA reducen el contenido de aire en el concreto. Se utilizan cuando no se puede reducir el contenido de aire por ajuste en las proporciones de la mezcla. Sin embargo los ABA se utilizan rara vez y su efectividad y dosis se debe sobre mezclas de prueba antes de emplearse.

Aditivos fungicidas, germicidas e insecticidas (AFGI) El crecimiento fungicida y bacterial en el concreto endurecido se puede controlar mediante el uso de AFGI. La efectividad de estos materiales es por lo general temporal y una dosis alta puede reducir la resistencia a compresión del concreto.

Aditivos antimarcas (AAm) Los AAm incrementan la cohesión del concreto fresco en la superficie para resistir la pérdida de pasta de cemento en contacto con el agua.

1.1.4. Adiciones minerales La ceniza volante, escoria de alto horno, humo de sílice y puzolanas naturales como la pizarra y arcilla calcinada o el metacaolín son materiales que cuando se usan junto con un cemento Portland o Portland compuesto, contribuyen a las propiedades del concreto endurecido a través de actividad hidráulica o puzolánica o ambas. La Fig. 1.4 muestra algunos de estos materiales. Los materiales cementantes suplementarios se agregan al concreto formando parte del sistema cementante total. Se puede utilizar como adición o como reemplazo parcial de cemento Portland o Portland compuesto. El fin de las adiciones es mejorar alguna propiedad particular del concreto tal como la resistencia a la reacción álcali-agregado. Por tradición, la ceniza volante, escoria, arcilla y pizarra calcinada y humo de sílice se


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utilizaban por separado en el mezclado con el concreto. Ahora se pueden combinar dos o más de estos materiales para optimizar las propiedades del concreto. Mezclas de tres materiales se denominan “ternarios” y de cuatro materiales se denominan “cuaternarios”.

Fig. 1.4. Materiales cementantes suplementarios diversos.

Ceniza volante (CV) Es el material suplementario más utilizado en el concreto como subproducto de la combustión de carbón pulverizado de plantas generadoras de corriente. Muchas de las partículas de la CV son esféricas y sólidas, otras pocas huecas (cenósferas) y otras esferas conteniendo pequeñas esferas (plerósferas). La Fig. 1.5 muestra una imagen amplificada de la CV. Los tamaños de partícula de la CV varían de 1 a 100 micras. La superficie específica es típicamente de 300 a 500 m

2/kg y se encuentran algunas hasta de 700 m

2/kg. La

densidad de la CV sin compactar es de 540 a 860 kg/m3 y compactada es de 1120 a

1500 kg/m3.

Su densidad relativa es por lo general de 1.9 a 2.8. La CV es primordialmente vidrio de silicato, conteniendo sílice, óxido de aluminio, hierro y calcio. Sus dosis varían del 15 al 40% en peso de cemento.

Fig. 1.5. Micrografía de partículas de CV a 10000X.


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Escoria de alto horno (EAH) También llamada cemento de escoria, está compuesta de escoria de alto horno de hierro. Es un cementante hidráulico no-metálico consistiendo en silicatos y aluminosilicatos de calcio. El material es molido hasta 45 micras y tiene una superficie específica de 400 a 600 m

2/kg. La densidad relativa es de 2.85 a 2.95. La densidad

varía de 1050 a 1375 kg/m3. En presencia de agua y NaOH o CaOH, ambos

proporcionados por el cemento Portland, hidrata y fragua de manera similar que el cemento Portland. Por lo general constituye del 30 al 45% de material cementante en la mezcla. La Fig. 1.6 muestra una micrografía de la EAH. Fig. 1.6. Micrografía de EAH a 2100X.

Humo de sílice (HS) Es un subproducto usado como puzolana en forma condensada. Este subproducto es el resultado de la reducción de cuarzo de alta pureza con carbón en horno eléctrico en la manufactura de silicio o ferro-silicio. El HS condensado es en esencia dióxido de silicio (usualmente 85%) en forma no-cristalina (amorfa), tiene forma esférica y es extremadamente fino, con partículas promedio de 0.1 micras, 100 veces menor que las partículas medias del cemento Portland. Su superficie específica es de 20000 m

2/kg (por comparación, el humo del tabaco es

aproximadamente 10000 m2/kg). Su densidad relativa es de 2.2 a 2.5. Su densidad es

de 130 a 430 kg/m3. Se utiliza en un 5 a un 10% en peso para necesidades como altos

grados de impermeabilidad y concretos de alta resistencia. La Fig.1.7 muestra una micrografía del HS.

Puzolanas naturales (PN) Una puzolana es un material silíceo o aluminosilíceo que en granulometría fina reacciona químicamente en presencia de humedad con el hidróxido de calcio liberado por la hidratación del cemento Portland para formar silicato cálcico hidratado y otros componentes cementantes. Las PN más utilizadas hasta ahora son las de productos procesados, las cuales se calientan en un horno y se muelen en polvo fino. Se componen de arcilla calcinada, pizarra calcinada o metacaolin.


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Fig. 1.7. Micrografía de partículas de HS a 20000X.

Las arcillas calcinadas se pueden usar como reemplazo del cemento en un rango de 15 a 35%. Mejoran la resistencia al ataque por sulfatos, controlar la reacción álcali-sílice y reducir permeabilidad. Las arcillas calcinadas tienen una densidad relativa de 2.4 a 2.6 y una superficie específica de 650 a 1350 m

2/kg. La pizarra calcinada puede

contener de un 5 a un 10% de calcio, propiedad cementante o hidráulica El metacaolin es una arcilla especial calcinada producida a una calcinación de baja temperatura en una arcilla de metacaolin pura. El material se muele para obtener un tamaño de partícula de 1 a 2 micrones. El metacaolin su usa en aplicaciones tales como una mejora en la reducción de la permeabilidad o una resistencia alta en el concreto. La adición es de un 10% en peso del cemento.

1.1.5. Agua El agua que es potable, que no tiene un sabor u olor fuertes se puede utilizar como agua de mezclado en el concreto. Posibles impurezas en exceso en el agua de mezclado, no solo afectarán la resistencia del concreto, sino que puede causar efloresencia, manchado, corrosión del refuerzo, inestabilidad volumétrica y reducción de durabilidad. Por esa razón, se debe limitar el contenido de cloruros, sulfatos, álcalis y sólidos en el agua de mezclado. Algunas impurezas pueden tener poco efecto en la resistencia y tiempo de fraguado. Las aguas conteniendo menos de 2000 partes por millón (ppm) de sólidos totales disueltos pueden usarse satisfactoriamente para fabricar concreto. Aquellas aguas con valores mayores a 2000 ppm deberán de probarse para efectos de resistencia y tiempo de fraguado. A continuación, se presenta una síntesis de los efectos de ciertas impurezas en el agua de mezclado en concreto:

Carbonatos de álcali y bicarbonatos Los carbonatos y bicarbonatos de sodio y potasio tienen diferentes efectos en el tiempo de fraguado en diferentes cementos, además de que pueden reducir la


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resistencia del concreto. Cuando la suma de estas sales disueltas excede las 1000 ppm se deberán hacer pruebas de fraguado y resistencia. También se deberá de considerar la posible reacción álcali agregado.

Cloruros Aquellos cementos con contenido de cloruros tienen un efecto adverso sobre la corrosión sobre el acero de refuerzo. Los iones cloruro atacan la capa protectora de óxido formado por el acero por el alta alcalinidad del concreto (pH > 12.5). El ión cloruro soluble en ácido en el cual comienza la corrosión es de un 0.2 a un 0.4% por masa de cemento (0.15 a 0.3% soluble en agua). Del total de iones cloruro contenidos en el concreto sólo un 50 a un 85% es soluble al agua; el resto se combina con las reacciones del cemento. El reglamento del A.C.I. 318 limita el ión cloruro soluble en agua en el concreto reforzado a los siguientes porcentajes en masa de cemento:

Concreto presforzado, 0.06%

Concreto reforzado expuesto a cloruro en servicio, 0.15%

Concreto reforzado que permanecerá seco o protegido de la humedad, en servicio, 1.0%

Otras construcciones de concreto reforzado, 0.30%

Sulfatos La importancia de un contenido alto en sulfatos en el agua de mezclado, se debe a posibles reacciones expansivas y deterioración. Aunque un contenido de sulfatos de 10000 ppm se han usado satisfactoriamente, se debe de considerar un contenido máximo de 3000 ppm, a menos que se consideren las debidas precauciones.

Otras sales comunes Los carbonatos de calcio y magnesio no son muy solubles en agua y por lo general se encuentran en suficiente concentración para afectar la resistencia del concreto. La concentración de estas sales de hasta 400 ppm no se consideran peligrosos. Los sulfatos de magnesio y cloruros de magnesio pueden presentarse en altas concentraciones sin efectos adversos en la resistencia con concentraciones de hasta 40000 ppm de cloruro de magnesio. Las concentraciones de sulfato de magnesio deberán ser menores que 25000 ppm.

Sales de Hierro Las aguas subterráneas por lo general contienen de 20 a 30 ppm de Hierro; sin embargo, las aguas ácidas de minas pueden acarrear cantidades relativamente altas. Las sales de Hierro en concentraciones hasta de 40000 ppm no afectan adversamente la resistencia del concreto.

Sales inorgánicas misceláneas Algunas sales de Magnesio, Zinc, Cobre y Plomo en el agua de mezclado pueden


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causar una reducción en la resistencia y variaciones en el tiempo de fraguado. Las sales de Zinc, Cobre y Plomo son las más activas. Las sales que causan un efecto retardante incluyen el yodato de sodio, fostato de sodio, arsenato de sodio y borato de sodio. Por lo general, una concentración de hasta 500 ppm pueden tolerarse en el agua de mezclado. Otra sal que puede se perjudicial es el sulfido de sodio, que se limita a 100 ppm.

Agua de mar El agua de mar conteniendo hasta 35000 ppm de sales disueltas es adecuada como agua de mezcla para concreto simple. Aproximadamente el 78% de la sal es cloruro de sodio y 15% es cloruro y sulfato de magnesio. Aunque el agua de mar suele acelerar la reacción en el concreto a cortas edades, sus resistencias últimas serán menores. El aguad e mar no es apropiada para concreto presforzado y reforzado. El agua de mar suele causar efloresencia. Las sales de Sodio y Potasio pueden agravar la reacción álcali-sílice.

Aguas ácidas En ocasiones, la aceptación de un agua ácida se basa en el pH. El pH del agua neutral es 7. Valores menores a 7 indican acidez y valores mayores a 7 indican alcalinidad (base). Por lo general, aguas de mezclado conteniendo ácidos inorgánicos como hidroclóricos, sulfúricos y otros en concentraciones menores a 10000 ppm no tienen efectos adversos sobre la resistencia. Se debe evitar en lo posible, aguas ácidas con pH menores a 3.

Aguas alcalinas Aquellas aguas con concentraciones de hidróxido de sodio de 0.5% en peso no afecta la resistencia del concreto. En su caso, las aguas con hidróxido de potasio con concentraciones hasta en un 1.2% en peso de cemento tendrá poca influencia en la resistencia del concreto. Se debe de considerar la posibilidad de la reacción álcali-sílice.

Aguas de lavado Está prohibido que el agua de lavado se descargue en el suelo. Para usarse en mezclas de concreto los límites de esta agua se muestran en la Tabla 1.5.

Tabla 1.5. Limites Químicos del Agua de Lavado Usada como Agua de Mezclado

Químico o tipo de construcción Concentración máxima en

ppm

Cloruro en: Concreto presforzado 500 Otras estructuras de concreto 1000 Sulfatos 3000 Álcalis 600 Sólidos totales 50000


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Aguas de desecho industrial Muchas de estas aguas tienen 4000 ppm de sólidos totales. Como agua de mezclado, la reducción de resistencia en el concreto es del orden de 10 al 15 %. Es muy recomendable que se realicen pruebas con esta clase de agua, porque puede provenir de varias fuentes.

Aguas de drenaje Un agua de drenaje típica puede contener 400 ppm de materia orgánica. Después de que este tipo de agua se diluye en un buen sistema dispuesto, las concentraciones se reducen en 20 ppm o menos. Esta concentración tan baja no puede tener efectos adversos sobre la resistencia a compresión.

Impurezas orgánicas El efecto de sustancias orgánicas en el fraguado y la resistencia del concreto es un problema complejo. Aguas con colorante, con olor o algas, deben de probarse.

Azúcar Con pequeñas cantidades de sacarosa, como un 0.03% a un 0.15% en peso del cemento generalmente retardan el fraguado del cemento. Azúcares en cantidades de 0.25% ó más en peso de cemento pueden causar un fraguado rápido y reducir la resistencia a los 28 días. 500 ppm ó menos de azúcar no tiene efectos adversos sobre la resistencia.

Partículas suspendidas Se puede tolerar hasta 2000 ppm de partículas de arcilla en el agua de mezclado. Cantidades mayores afectarán la resistencia. Cuando partículas de cemento producto de reutilización retornen a una mezcla se puede tolerar hasta 50000 ppm.

Aceites Los aceites minerales (petróleo) sin mezclar con grasas animales o vegetales tienen poco efecto en el desarrollo de resistencia. Sin embargo, los aceites minerales con concentraciones mayores al 2.5% por peso de cemento pueden reducir la resistencia en más de un 20%.

Algas Toda agua que contenga algas no es adecuada para fabricar concreto, debido a que las algas causan una excesiva reducción de resistencia influenciando la reducción en la hidratación del cemento así como causando una alta inclusión de aire en el concreto. Las algas pueden estar presentes también en los agregados. Se recomienda un contenido máximo de algas de 1000 ppm.

Interacción con los aditivos Cuando se evalúen las aguas a utilizar en el concreto, para su efecto en las propiedades del mismo será importante probar el agua junto con los aditivos que serán usados, ya que ciertos compuestos de agua pueden influenciar el desempeño y eficiencia de ciertos aditivos.


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1.1.6. Agregados Los agregados ocupan del 70 al 80% del volumen del concreto. Los agregados pueden ser materiales naturales derivados en mucho de roca natural triturada o gravas y arenas (Fig. 1.8), o materiales sintéticos como las escorias o arcilla expandida. Aquella roca porosa y suave puede limitar la resistencia mecánica y de desgaste; además puede fragmentar durante el mezclado en consecuencia afectar la trabajabilidad por la cantidad de finos.

Figura 1.8. Agregado fino (arena) y agregados gruesos; gravas redondeadas y roca triturada.

La influencia que puede tener el agregado sobre las propiedades físicas y químicas se muestran en la Tabla 1.6.

Requisitos del agregado para el diseño de mezclas

Forma y textura La forma y textura del agregado afecta la trabajabilidad del concreto fresco por la influencia de los requisitos de la pasta. Se debe contar con suficiente cantidad de pasta para cubrir los agregados y dar lubricación a las partículas del agregado durante el mezclado. Para una buena trabajabilidad, la partícula ideal del agregado deberá ser lo más cercano a la forma esférica (bien redondeada y compacta) con una superficie relativamente suave (ver Fig. 1.9). Muchas arenas y gravas se acercan a esta idealización. La caliza triturada es mucho más angular y con superficie rugosa. Tales partículas intervienen más severamente en el movimiento interparticular. También requieren de más pasta para cubrir la superficie. Las partículas muy irregulares conllevan a un movimiento interparticular durante el mezclado. Los agregados planos o elongados se deberán de evitar en lo posible porque se incrementa la interacción interparticular y la demanda de pasta. Además, los concretos con agregados de esta forma son más propensos a segregación. La textura superficial del agregado es también importante por la propiedad de la trabajabilidad, puesto que se requiere de más lubricación.


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Tabla 1.6. Propiedades del concreto influenciados por las propiedades del agregado.

Propiedad del concreto Propiedad relevante del agregado

Resistencia hielo-deshielo

Integridad, porosidad, estructura de poro, permeabilidad, grado de saturación, resistencia a la tensión, textura y estructura, minerales de arcilla

Resistencia humedad-secado Estructura de poro, módulo de elasticidad

Resistencia calor-frio Coeficiente de expansión térmica

Resistencia a la abrasión Dureza

Resistencia reacción álcali-sílice Presencia de constituyentes silíceos Resistencia, textura superficial, pureza, forma de la partícula, tamaño máximo

Retracción y fluencia Módulo de elasticidad, forma de partícula graduación, pureza, tamaño máximo, presencia de minerales de arcilla

Coeficiente de expansión térmica Coeficiente de expansión térmica, módulo de elasticidad

Conductividad térmica Conductividad térmica

Calor específico Calor específico

Peso unitario Gravedad específica, forma de partícula, graduación, tamaño máximo

Módulo de elasticidad Módulo de elasticidad, relación de Poisson

Resistencia al desgaste superficial Tendencia al pulido

Economía Forma de partícula, graduación, tamaño máximo, inversión en el proceso requerido, disponibilidad

La forma y textura del agregado fino afecta sólo la trabajabilidad, pero las características del agregado grueso pueden afectar las propiedades mecánicas del concreto afectando la adherencia mecánica. La forma puede favorecer la resistencia (en especial la resistencia a tracción) incrementando el área superficial disponible para la adherencia con la pasta para un contenido dado de agregado.

Graduación La graduación determina los requisitos de pasta para un concreto trabajable. Puesto que el cemento es el componente más caro, es deseable minimizar su costo utilizando la menor cantidad de pasta. El significado de la graduación del agregado se aprecia considerando el concreto como un ensamblaje ligeramente compactado de agregados unidos juntos con pasta de cemento con los huecos entre partículas llenas con pasta de cemento. De esa forma, la cantidad de pasta depende de la cantidad de los espacios entre huecos que deben de llenarse y el área toral de la superficie del agregado que debe cubrirse con pasta. El volumen de los huecos entre partículas de agregado esférico es mayor cuando las partículas son de tamaño uniforme. Cuando se


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utiliza un rango de tamaños, las partículas más pequeñas se encajonan en las grandes, disminuyendo los espacios y reduciendo el contenido de pasta.

Fig. 1.9. Clasificación de la forma de los agregados.

Análisis por mallas La graduación de un agregado se determina por el análisis por mallas. Una muestra representativa del agregado se pasa a través de un arreglo de mallas de aberturas mayor a menor. Es conveniente dividir el agregado en fracciones fina y gruesa. La fracción gruesa es la retenida en la malla No. 4 (4.75 mm), mientras la fracción fina es la retenida en esa misma malla.

Tamaño máximo de agregado El tamaño máximo de agregado influencia los requerimientos de pasta en el concreto y la graduación óptima del agregado grueso depende del tamaño máximo del agregado. Se considera el tamaño máximo como aquel de la abertura de una malla en la que se retenga un porcentaje de un 5 a un 10% de la muestra. La elección del tamaño máximo de agregado se determina por las condiciones del proyecto. El tamaño máximo de agregado debe de ser 1/5 parte entre los lados de la forma o en losas 1/3 parte del espesor de la misma.

Graduación del agregado fino La graduación más deseable en el agregado fino depende del tipo de trabajo, la riqueza de la mezcla y del tamaño máximo del agregado. Lo más económico será siempre el ajustar la mezcla del concreto a la graduación de los agregados locales. Otros requisitos de la ASTM C33 son:

El agregado fino no debe tener más de 45% de retenido entre dos mallas


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El módulo de finura no deberá ser menor de 2.3 ni mayor de 3.1. sin variar más de 0.2 del valor típico de la fuente del agregado. Si se excede esta valor, se deberá de rechazar el material a menos que se haga el debido ajuste

Las cantidades de agregado fino que pasen la malla 50 y 100 afectan la trabajabilidad, textura superficial, contenido de aire y exudación del concreto.

Módulo de finura (MF) El MF del agregado fino o grueso de acuerdo a la ASTM C 125, se calcula adicionando los porcentajes acumulados retenidos de las mallas especificadas (No. 100, 50, 30, 16, 8, 4, para el agregado fino y 3/8”, ¾”, 1 y 1/2”, 3” y 6”, para el agregado grueso). El módulo de finura es el índice de finura de un agregado, entre más alto el MF, el agregado es más grueso.

Graduación del agregado grueso La graduación para un tamaño máximo de agregado grueso puede variar en un amplio rango sin efecto apreciable sobre el requisito de agua y cemento. Otras propiedades de los agregados se mostrarán en la caracterización de los mismos al momento de realizar diseño de mezclas.

1.2. Caracterización del Concreto Fresco Las primeras 48 horas de vida del concreto son esenciales para su buen desempeño a lo largo de su vida. Es necesario caracterizar desde el estado fresco las propiedades del concreto por ser éstas un reflejo del desempeño. Las propiedades del concreto fresco son de importancia fundamental por la razón del equipo necesario para su manejo y consolidación y porque pueden afectar las propiedades del concreto endurecido. Se deben considerar los siguientes criterios en la elaboración de concreto:

Requisitos a corto plazo, mientras el concreto continúa en estado plástico, los cuales se identifican con el término trabajabilidad.

Requisitos a largo plazo, en el concreto endurecido, tal como resistencia, durabilidad y estabilidad volumétrica.

Para que un concreto en estado endurecido sea de una calidad aceptable, el concreto fresco debe satisfacer los siguientes requisitos:

Debe ser mezclado y transportado con facilidad Debe ser uniforme entre tandas de mezclados Debe tener propiedades de fluidez Debe tener propiedades de compactación No debe segregar durante su puesta en obra y compactación Debe tener propiedades de acabado adecuado.


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1.2.1. Trabajabilidad

Trabajabilidad El término trabajabilidad representa la consistencia, fluidez, movilidad, bombeabilidad, compactación, acabado y aspereza. Estos términos son subjetivos y cualitativos; éstos significan diferentes cosas para diferente gente y por lo tanto no son muy útiles. Para ser un poco más preciso, el término trabajabilidad se define en términos de la cantidad de trabajo ó energía requerida para producir una compactación total del concreto sin segregación.

Principios básicos de reología La reología es la ciencia que trata con la deformación y flujo de materiales sometidos a esfuerzo. El fluido más simple que obedece las Leyes de Newton para un flujo viscoso Fig. 1.10.

Fig. 1.10. Ley de Newton para un fluido viscoso.

Esta Ley se deriva considerando el laminado líquido y se puede escribir como:

γ

τviscosidad de eCoeficient

dY

dVcortante de Índiceγ

A

Fcortante Esfuerzoτ

:donde

ηγτ

1.5

De la Ec. 1.5, el índice de cortante vs. el esfuerzo cortante dará una línea recta que pasa a través del origen con una pendiente de 1/η, como se muestra en la Fig. 1.11a).


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Fig. 1.11. Modelos reológicos: a) Fluido Newtoniano; b) Modelo de Bingham; c) Tixotropía.

Por lo tanto, si el concreto se aproximara a un fluido Newtoniano, una simple medición de un par de valores correspondientes de τ y γ servirían para definir la línea. En otras palabras, un método basado en un punto para determinar la trabajabilidad sería suficiente. El modelo Newtoniano no es válido para fluidos con sólidos suspendidos es grande. El concreto fresco puede considerarse una suspensión muy concentrada. Típicamente la relación del volumen de sólidos al volumen de agua debería ser de 4.5:1. Para tales materiales no hay fuerzas actuantes entre las partículas. En particular, el concreto fresco tiene una resistencia al cortante definida, τ0, la cual debe excederse antes de que ocurra el flujo. Una descripción común de materiales que exhiben este tipo de comportamiento está dado por el Modelo de Bingham:

μγτ-τ 0 1.6

Donde, τ0 es el esfuerzo de fluencia y μ es la viscosidad plástica. Tal comportamiento se muestra en la Fig. 1.11b). Para tal material, definido por τ0 y μ se pueden definir τ y γ para definir la línea recta de la Fig. 1.11b). En base a esto, hay evidencia de que el concreto fresco se aproxima al modelo de Bingham. Así, alguna prueba basada en un solo punto no cuantificaría adecuadamente el comportamiento del material desde el punto de vista de la reología.

Tixotropía Un material tixotrópico es el que soporta una disminución de viscosidad aparente bajo esfuerzo cortante seguido de una recuperación gradual cuando se retira el esfuerzo, siendo este efecto dependiente del tiempo. Las curvas de un fluido tixotrópico se muestran en la Fig. 1.11c). Un fluido verdaderamente tixotrópico exhibe un comportamiento totalmente reversible como la curva a); si el comportamiento no es completamente reversible, entonces se muestra como la curva b), donde el material se


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considera pseudo-tixotrópico. El concreto exhibe un comportamiento tixotrópico, que se debe de considerar en su colocación y compactación.

Aparatos de medición de las propiedades reológicas En los últimos años se han desarrollado algunos aparatos para medir las propiedades reológicas del concreto:

Reómetro Un reómetro comercial se muestra en la Fig. 1.12. Las partes esenciales de un reómetro son un contenedor, sistema de aspas, bandas extensométricas, motor y tacómetro. El sistema de aspas se baja hacia la muestra de concreto; al imprimir una velocidad rotacional a las aspas por medio del motor, se obtiene el torque obtenido por medio de las bandas extensométricas. Mediante estos resultados, se puede obtener en una gráfica velocidad de las aspas vs. torque. De estos datos, se pueden calcular la resistencia al flujo del concreto (relacionado con τ0 de la Fig. 1.11) y la viscosidad del torque (relacionada con μ de la Fig. 1.11).

Viscómetro de cilindros coaxiales Un viscosímetro comercial típico se muestra en la Fig. 1.13. El sistema consta básicamente de dos cilindros coaxiales conteniendo entre estos la muestra de material. En tales cilindros, de mide el torque aplicado al cilindro interno (estático) y se grafica vs. la velocidad de rotación aplicada al cilindro externo. Las propiedades reológicas del concreto se pueden obtener en la relación torque vs. velocidad de rotación. Actualmente, no hay una estandarización para estos métodos cuya compatibilidad frente a otros métodos es regular a lo mucho.

Fig. 1.12. Reómetro.


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Fig. 1.13. Viscómetro de cilindros coaxiales. Resulta probable que en el futuro se generalice el uso de ensayos reológicos para medir las propiedades de concreto fresco, en particular para concretos especiales (alta resistencia, auto-compactables, etc.). Los métodos descritos están actualmente en uso sólo en investigación en laboratorio.

Factores que afectan la trabajabilidad La trabajabilidad del concreto está afectada por los siguientes factores:

Contenido de agua en la mezcla. Es el factor más importante que gobierna la trabajabilidad del concreto. El contenido de agua es directamente proporcional a la trabajabilidad, pero inversamente proporcional a la resistencia del concreto.

Agregado. La relación agregado/cemento afecta la trabajabilidad. Se necesita más cemento cuando las graduaciones del agregado son más finas. La falta de agregado fino resulta en una mezcla inconsistente, destinada a sufrir segregación y difícil de lograrse un buen acabado. Un exceso de agregado fino llevará a un concreto más permeable. La forma, textura y porosidad también afectan la trabajabilidad.

Tiempo y temperatura. El incremento en la temperatura disminuye la trabajabilidad como se muestra en la Fig. 1.14, puesto que la alta temperatura incrementará los índices de evaporación e hidratación. Sin embargo, en lapsos cortos la trabajabilidad no se afecta por la temperatura.

Pérdida de trabajabilidad. En el periodo de fluidez, existirá una disminución uniforme de la pérdida de trabajabilidad en el tiempo causada por la hidratación del C3S y el C3A que continúa aún durante el periodo de adormecimiento de la pasta y parcialmente por la pérdida de agua por


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evaporación o absorción. Esta “pérdida de cono” es aproximadamente lineal con el tiempo, aunque es mayor de la ½ hasta la 1ª hora después del mezclado. Puede ocurrir una pérdida acelerada de cono cuando se usan aditivos superplastificantes y retardantes, aun cuando los tiempos de fraguado se alarguen o no. El índice de pérdida de trabajabilidad es menor para mezclas pobres y relaciones a/c altas. Para reestrablecer la trabajabilidad es necesario remezclar el concreto con agua adicional para restablecer la trabajabilidad.

Características del cemento. Cementos con alta finura como el Tipo III ASTM reducen la trabajabilidad con una determinada relación a/c y demandan mucha agua por su alta superficie específica y alta reactividad. Con temperaturas de 60 a 80°C puede ocurrir un fraguado relámpago.

Aditivos. Las adiciones minerales usadas para reemplazar parte del cemento tienen poco efecto en la trabajabilidad. Los aditivos inclusores de aire, reductores de agua y retardantes mejorarán la trabajabilidad; sin embargo, estos aditivos pueden ser contraproducentes combinados con algunos tipos de cementos y tipos de agregados.

Fig. 1.14. Relación entre el cono y temperatura del concreto.

Segregación y exudación La segregación se refiere a la separación de los componentes del concreto fresco, resultando en una mezcla no uniforme. En general significa la separación del agregado grueso del mortero. Aunque no existen pruebas de segregación, resulta evidente su identificación. Los factores que contribuyen a la segregación son:

Tamaños de partículas mayores a 25 mm y proporción de partículas grandes.

Gravedad específica del agregado grueso respecto al agregado fino.

Cantidad baja de finos

Cambios en la forma de la partícula, desde forma suave hasta partículas angulosas

Mezclas o demasiado secas o demasiado húmedas


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La exudación se define como el movimiento ascendente de agua después de la compactación del concreto, pero antes de fraguado. El agua sobre la superficie de la mezcla es la manifestación de la exudación. La exudación refleja un buen concreto. Por otro lado, la exudación puede ocurrir en oquedades, lo que conduce a porosidades y falta de durabilidad. Las cavidades se pueden formar bajo las partículas grandes del agregado o varillas de refuerzo, debilitando las zonas y reduciendo la adherencia. La exudación se puede reducir de las siguientes formas:

Incrementando la finura del cemento o utilizando puzolanas u otras adiciones minerales

Incrementando el índice de hidratación del cemento

Inclusión de aire

Reduciendo el contenido de agua, si es posible El índice de exudación se puede estimar mediante el procedimiento en la Norma ASTM C232.

Medición de la trabajabilidad Para la medición de la trabajabilidad se deben medir al menos tres propiedades por separado del concreto:

Compactibilidad. Que el concreto se pueda compactar y eliminarse los poros de aire

Movilidad. Que el concreto pueda fluir dentro del encofrado, alrededor del acero y remoldearse

Estabilidad. Que es la habilidad del concreto para ser estable, homogéneo y coherente durante su manejo y compactación

Se han propuesto un número importante de pruebas a través de los años casi en su totalidad empíricas. Las diferentes mediciones de trabajabilidad propuestas están bajo las siguientes categorías:

Mediciones empíricas Las mediciones empíricas del concreto fresco (por una persona experimentada) es la medición más antigua de la trabajabilidad. Bajo esta clasificación, el concreto se puede describir como de trabajabilidad alta, media y baja siendo húmedo, seco ó plástico. Desafortunadamente, estos términos no son semejantes entre sí para mucha gente.

Revenimiento o cono La prueba de revenimiento o cono es la prueba más antigua que se utiliza ampliamente en la medición de la trabajabilidad. Apareció desde 1922 con la Norma ASTM C143. El aparato es muy sencillo y consiste en un cono metálico truncado, con la forma y medidas mostradas en la Fig. 1.15a). El cono se llena con concreto en tres capas de igual volumen; cada capa de éstas se varilla 25 veces con una varilla punta de bala de


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16mm de diámetro; el molde se levanta entonces y se determina la diferencia entre la altura del cono y la altura del concreto en su centro original de la base del espécimen como lo mostrado en la Fig. 1.15b).

Fig. 1.15. Método del revenimiento o cono. El tiempo máximo de la colocación del concreto en el cono hasta el retiro del molde debe ser de 2.5 minutos. Puede considerarse que la prueba de revenimiento es una medida de la resistencia al cortante del concreto para fluir por su propio peso. Dependiendo de la mezcla, pueden presentarse tres tipos de revenimiento, como lo mostrado en la Fig. 1.15c):

Revenimiento real. Consiste en un asentamiento general de la masa sin rotura.

Revenimiento de cortante. Indica una falta de cohesión. Se presenta en


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mezclas propensas a segregación. Puede indicar que el concreto no es adecuado para colocación. Sin embargo algunas mezclas normales pueden indicar este tipo de revenimiento.

Revenimiento de colapso. Indica una mezcla pobre y probablemente a una mezcla también muy húmeda. En los concretos modernos, como los autocompactables, muestran este tipo de comportamiento.

La prueba de revenimiento tiene las siguientes limitaciones, a tomar en cuenta:

Es totalmente empírica y no está relacionada con la definición de trabajabilidad que involucra una energía para la compactación.

Se puede obtener el mismo cono para diferentes consistencias del concreto.

La prueba de cono no puede diferenciar entre diferentes concretos de baja trabajabilidad (conocidos como de cero cono).

Con conos menores de 25mm la prueba de cono no sería adecuada y se debería medir por otro procedimiento que involucrase vibración.

La prueba es sensible a variaciones en el procedimiento con variaciones ±25mm para un mismo concreto.

A pesar de esas limitaciones la prueba de cono puede proporcionar información útil, como:

En general, concretos de cono similar se pueden utilizar para un mismo fin.

La prueba de cono es una prueba de control de calidad apreciada.

Pruebas de compactación La resistencia del concreto es aproximadamente proporcional a la densidad relativa. Las pruebas de compactación son las que más se aproximan a la definición de trabajabilidad y pueden dar una medida muy útil de las propiedades del concreto. De entre las pruebas e compactación propuestas, la más común es la prueba del factor de compactación.

Prueba del factor de compactación La prueba del factor de compactación se desarrolló en la Gran Bretaña en 1947. El aparato se muestra en la Fig. 1.16. La tolva superior se llena completamente con concreto el cual cae en la tolva inferior y a su vez en el molde cilíndrico. El exceso de concreto se limpia y el factor de compactación se determina por la relación del concreto del cilindro entre el mismo concreto compactado en el cilindro. Algunas limitaciones son que:

El aparato no es muy adecuado para usarse en el campo.


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Se adhiere mortero a las tolvas, sobre todo en concretos con inclusión de aire.

Mezclas con el mismo factor de compactación no requieren necesariamente la misma cantidad de trabajo para compactación.

Fig. 1.16. Aparato del factor de compactación.

Aunque algunas instituciones sienten que la prueba se recomienda para mezclas demasiado secas, otras sostienen que debería usarse para mezclas estándar. Además, con el incremento del tamaño máximo del agregado el aparato debe incrementar su tamaño también, haciéndolo impráctico para agregados mayores de 40mm.

Pruebas de fluidez Las pruebas de fluidez miden la capacidad de fluir del concreto en agitación o vibración continua y mostrar la tendencia a la segregación. Existe un número considerable de pruebas de fluidez, pero ninguna reconocida por la ASTM. Hasta 1973, se reconoció por la ASTM C124 una prueba de mesa de flujo como se muestra en la Fig. 1.17; en esta prueba se coloca una muestra de concreto en un cono truncado de 250mm de diámetro en la base y 171mm de diámetro en la parte superior, con 127mm de altura. Esto se hace sobre una mesa de caída, la cual es arrojada 15 veces por 15 segundos con una altura de 12.7mm por una flecha. El flujo se define como el incremento en el diámetro expresado como porcentaje del diámetro original. De nuevo, los concretos con el mismo flujo deben tener trabajabilidades relativamente diferentes en el campo. Pruebas similares existen en Europa, como la prueba de la consistencia del concreto descrita en la DIN 1048.


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Fig. 1.17. Aparato del factor de compactación.

Pruebas de remoldeo Las pruebas de remoldeo se desarrollaron para medir el trabajo requerido para causar que no solo fluyera el concreto sino que además conformar una nueva forma. Estas pruebas intentan simular en laboratorio las condiciones actuales en campo. Se han desarrollado muchas pruebas, pero la prueba Vebe es la más común.

Prueba Vebe El consistómetro Vebe se desarrolló en 1940 y es quizás el método más adecuado para determinar las diferencias de consistencia de mezclas demasiado secas. Existen tres versiones de la prueba:

La primera versión (Fig. 1.18) es la más utilizada en Europa, aplicable sólo concretos con tamaño de agregado menores de 40mm. Se rellena de concreto un Cono de Abrahams, se retira el cono y se coloca un disco transparente en la parte superior de la muestra, se vibra la muestra a una frecuencia y amplitud controladas, hasta que la superficie inferior del disco transparente muestre en su totalidad la pasta de cemento. El tiempo en segundos para que esto ocurra se denomina el tiempo Vebe. Esta prueba es quizás más apropiada para concretos con tiempos Vebe de 5 a 30 segundos. La única dificultad es que el humedecimiento del disco con el mortero no es uniforme y dificulta establecer el tiempo final de la prueba.

La segunda y tercera versiones de la prueba están diseñadas para evaluar la consistencia de los concretos compactados con rodillo y están descritas en la Norma ASTM C1170: En el método de prueba A, usado para concreto de consistencia seca o muy rígida, el contenedor cilíndrico mostrado en la Fig. 1.19 se rellena de concreto. Se coloca una masa de 22.7kg en la parte superior de la base de un disco plástico con diámetro de 229 ±3mm centrado con el contenedor. El aparato se vibra hasta que el mortero llena el espacio anular entre el borde exterior del disco de plástico y la pared interna del molde. El


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tiempo empleado para lograr esto se conoce como el tiempo de consistencia Vebe del método A, donde se utiliza un tiempo máximo de vibración de 2 minutos. En el método de prueba B, usado para concretos de consistencias rígidas a muy rígidas, es similar al Método A, pero sin la aplicación de la masa. Si el tiempo total Vebe es menor de 2 minutos, se continúa con la vibración con 2 minutos más para obtener la densidad Vebe. En ambos métodos se utiliza un tamaño máximo de agregado de 5cm. En concretos de tamaño de agregado mayor es necesario un tamizado para reducir el tamaño mayor a 5cm.

Fig. 1.18. Aparato Vebe.

Fig. 1.19. Aparato Vebe de acuerdo a la Norma ASTM C1170.


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Mesa de caída Thaulow Esta prueba se utiliza también para concretos de cero revenimiento. Es similar a la prueba Vebe en que se involucra el cambio de la forma de la muestra del concreto desde un cono de Abrahams a un cilindro. Se utiliza una mesa de caídas de 10mm para evaluar el remoldeo.

Pruebas misceláneas Recientemente ha aparecido una prueba adoptada por la Norma ASTM C1362 desde 1997, que se conoce como prueba de flujo. El aparato se muestra en la Fig. 1.20 que consiste en un tubo con punta, anillo de apoyo y agujereado que aloja a una varilla marcada en escala. Este aparato se inserta en el concreto fresco verticalmente, donde se mide por espacio de tiempo de 40 segundos la cantidad de concreto que fluye dentro del tubo. Expulsando a la varilla de medición cierta altura. Un valor alto en la varilla de medición indicará una alta fluidez en el concreto. El método resulta práctico y fácil de realizar. Fig. 1.20. Aparato de la prueba de flujo, llamado K-Slump.

Otras pruebas A través de los años se han propuesto otras pruebas para medir la trabajabilidad del concreto, como:

Pruebas de deformación, donde se mide la cantidad de trabajo necesario para deformar el concreto contenido en un molde.

Pruebas de caída, donde se mide la cohesión del concreto estimando cuánto segrega al ser lanzado verticalmente.

Pruebas de mezclado, donde se mide la cantidad de trabajo necesario para mezclar el concreto en una revolvedora, por la estimación de la potencia requerida para mover la máquina.


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1.2.2. Pruebas al concreto fresco Las pruebas al concreto fresco se utilizan ampliamente como medidas de control de calidad para cerciorarse se ha respetado el diseño de la mezcla. La razón de ser de estas pruebas es:

Se permite la estimación posterior en el concreto endurecido.

Los cambios en las propiedades del concreto fresco que pudiesen surgir y que se pueden remediar en el momento.

Muestreo del concreto fresco La especificación típica para muestrear el concreto fresco es una descrita en la Norma ASTM C172 y se refiere a la toma de muestra en los puntos donde se ha realizado la mezcla tomando en cuenta la uniformidad de la muestra tomada desde varios puntos de la descarga.

Tiempo de fraguado La determinación del tiempo de fraguado tiene tres fines:

Ayudar a regular los tiempos de mezclado y tránsito.

Calibrar la efectividad de varios aditivos retardantes o acelerantes.

Planear las operaciones de acabado.

Contenido de aire Los efectos de la inclusión de aire ya se han discutido. Existen tres principales pruebas para medir el contenido de aire en el concreto:

Método gravimétrico. El método gravimétrico (ASTM C136) es el más antiguo y sencillo. Consiste en comparar el peso unitario de concreto conteniendo aire y el peso unitario calculado del concreto libre de aire, calculado de las proporciones y gravedades específicas de los componentes de la mezcla. El contenido de aire, A se calcula como:

100T

WTA

1.7

Donde T, es el peso teórico del concreto basándose en un concreto sin aire y W es el peso unitario del concreto. Este método se utiliza también para determinar el volumen del concreto producido a partir de una dada cantidad de ingredientes, el contenido de cemento y el peso unitario. Esta prueba no se recomienda para campo porque se requiere de un conocimiento de las gravedades específicas de los componentes; además no debe usarse en concretos ligeros. La prueba sin embrago es recomendable en laboratorio donde se pueden medir adecuadamente otros parámetros.


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Fig. 1.21. Aparato para medir el contenido de aire por el método volumétrico.

Método volumétrico. El método volumétrico (ASTM C173) se basa en la comparación del volumen del concreto fresco conteniendo aire con el volumen del mismo concreto después de que al aire ha sido expulsado por medio de agitación del concreto en agua. Se utiliza un aparato como el mostrado en la Fig. 1.21. Se varilla una mezcla de concreto fresco en un volumen de al menos 2 lt, se coloca en el tazón de medición enrasándose y se acopla el tazón a la sección superior por medio de las abrazaderas. Posteriormente se agrega agua y alcohol isopropyl hasta la marca cero del tubo graduado. La unidad es entonces invertid y agitada vigorosamente hasta que el aire haya subido a la parte superior del tubo. El nivel remanente del agua y alcohol marcará el contenido de aire. Posteriormente se repite el proceso para confirmar que se ha obtenido una lectura estable.

Método de la presión. El método de la presión (ASTM C231) es el método más común para medir el contenido de aire del concreto en campo. La base del método es la medición del cambio de volumen en el concreto cuando se sujeta a una determinada presión. Este cambio de volumen se considera es el causado por la compresión del aire y en principio se puede utilizar la ley de Boyle (el volumen es inversamente proporcional a la presión) para calcular el contenido de aire. Un aparato similar al mostrado en la Fig. 1.22 es el que se usa en este método. La muestra de concreto se consolida en el contenedor y se enrasa en el borde y se acopla el aparato. Se agrega agua por las válvulas, se aplica presión por la bombilla de presión y se purga por medio de las


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válvulas. Entonces se libera la presión y se puede leer el contenido de aire en la carátula.

Fig. 1.22. Método de presión para el contenido de aire.

Debe mencionarse que las pruebas anteriores miden sólo el volumen total de aire en el concreto. No proporcionan información acerca de la naturaleza del sistema de poros de aire, que determina la durabilidad del concreto. Para determinar esto es necesario examinar el sistema de poros en el concreto endurecido.

Peso unitario La densidad o peso unitario del concreto fresco se puede determinar pesando un volumen conocido de concreto. La presencia de aire atrapado afecta el peso unitario puesto que aumenta el volumen. El peso unitario se puede determinar también para determinar el volumen del concreto.

1.3. Caracterización del Concreto Endurecido

1.3.1. Respuesta del concreto sujeto a esfuerzo La predicción del comportamiento del concreto sujeto a esfuerzos es compleja debido a que es un material heterogéneo y su respuesta obedece por separado a cada uno de sus componentes y su interacción entre estos. Esta complejidad se puede mostrar en las curvas esfuerzo a compresión-deformación de la Fig. 1.23 para mortero, pasta de cemento y agregado grueso, todos ellos constituyentes de un único concreto. Se


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enfatiza que el concreto es un material compuesto, es una combinación tridimensional de dos o más materiales distintos con una interface definida separando los componentes. Se espera que un material multifásico tenga distintas propiedades a partir de sus componentes originales, como el concreto. Fig. 1.23. Curvas típicas esfuerzo-deformación para agregado, pasta de cemento, mortero y concreto.

1.3.2. La zona de interface Tradicionalmente, el concreto ha sido modelado como un material compuesto de dos fases, sin embargo existe una capa muy fina que rodea las partículas del agregado siendo esta capa muy diferente en propiedades a la pasta de cemento en términos de morfología, composición y densidad. Esta interface típicamente de 20 a 40μm se refiere como la zona de interface, ZI. La estructura de la ZI se diferencia de la pasta de cemento por los siguientes aspectos:

Existe menos cemento no-hidratado.

Existe una alta porosidad, siendo mayor que aquella contenida en la pasta.

Existe menos C-S-H.

Existen cristales grandes de hidróxido de calcio orientados.

Existe por lo general una mayor concentración de etringita.

Un modelo esquemático de la ZI se muestra en la Fig. 1.24. Asumiendo un espesor de 20 a 40μm se puede estimar que la ZI hace del 20 al 40% del volumen total de la matriz cementante. Actualmente, para la ZI no existe método estándar para medir su resistencia y su adherencia entre las partículas del agregado. La resistencia a la adherencia depende de la textura de las partículas, la exudación y adherencia química en algunos casos. Sin embargo se ha encontrado que la adherencia pasta-agregado


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es proporcional a la resistencia, sea en compresión, tensión ó flexión. La mejor forma de mejorar la ZI es por la adición del 10 al 15% de humo de sílice por peso de cemento. El humo de sílice es muy bueno por los siguientes aspectos:

Elimina muchos de los poros de la ZI.

Elimina el crecimiento de hidróxido de calcio o lo transforma en C-S-H por reacción puzolánica.

Tiene efectos de filler que modifica las propiedades reológicas del concreto fresco, reduciendo la exudación, mejorando así la adherencia pasta-agregado.

Fig. 1.24. Representación diagramática de la ZI.

1.3.3. El módulo de elasticidad El concreto es un material no-lineal inelástico en tensión y compresión, por lo que el término módulo de elasticidad debe aplicarse con precaución porque no representa un solo valor o una sola pendiente, como lo haría en un material elástico lineal. En la Fig. 1.25 se muestra un diagrama típico de esfuerzo-deformación mostrando los diferentes módulos elásticos.

Módulo tangente inicial (MTI) Es la pendiente de la tangente a la curva en el origen. Es la aproximación más cercana al módulo de elasticidad derivado desde una real respuesta elástica. No se utiliza en el diseño de estructuras de concreto, ya que sólo se aplica a pequeños esfuerzos y deformaciones. Es probable que el módulo dinámico de elasticidad sea una estimación razonable del MTI.


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Módulo secante (MS) Es una medida más práctica del módulo de elasticidad, la cual es igual a la pendiente de la secante entre el origen y un punto de la curva esfuerzo-deformación dado. El MS incluye la no-linealidad y su valor depende del nivel de esfuerzo aplicado. Se utiliza por lo general para diseño ya que simplifica el cálculo de las propiedades de la sección. Tiene poco efecto hasta el límite de los esfuerzos de trabajo dado que la desviación del comportamiento lineal es relativamente menor en ese rango de esfuerzos. Fig. 1.25. Diagrama esfuerzo-deformación ti-pico para el concreto mostrando los diferentes módulos.

Módulo cuerda (MC) El MC se utiliza (Norma ASTM C469) en razón de que el MTI o el MS no se pueden determinar de manera sencilla por errores de medición por el asentamiento en el inicio de la prueba ó debido a grietas preexistentes. El MC es la pendiente de una línea trazada entre dos puntos de la curva esfuerzo-deformación; una deformación de 5×10

-5

que corresponde típicamente a la pendiente del MTI se utiliza como el límite inferior para el MC para evitar errores en la porción inicial de la curva esfuerzo-deformación. El MC y el MS determinados al 40% de la resistencia a compresión son algo similares, aunque el MC es más preciso. El MC es más conservador que el MTI y se determina experimentalmente más fácil. El MC subestimará la deformación más allá del 40% de carga. En tal caso, el Módulo tangente (MT) medido en el punto de interés es la mejor medición de la respuesta del concreto a partir de esfuerzos adicionales pequeños. Para diseño estructural es módulo de elasticidad debe basarse en la información disponible como la resistencia y densidad del concreto. Basándose en un buen número de pruebas se han establecido por parte del ACI 318 las siguientes relaciones empíricas:


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[GPa]f'4730E cc 1.8

Donde Ec es el módulo secante, MS en el 45% aproximadamente de la carga última, wc es la densidad el peso unitario del concreto, estimada en 2320 kg/m

3 y f’c es la

resistencia a compresión en cilindros estándar. La relación de Poisson, ν por lo general no se requiere para diseño, pero se puede determinar directamente por medición de deformaciones en pruebas de compresión uniaxial (Norma ASTM C 469). La relación de Poisson para diferentes concretos varía de 0.15 a 0.2, pero la variación como función de las propiedades no se conoce con precisión. Aquellos factores que afectan la resistencia deben también afectar el módulo de elasticidad. El factor dominante es la porosidad y el módulo disminuirá cuando la relación a/c se incremente. Los módulos de elasticidad para dos tipos de concreto y sus componentes se muestran en la Tabla 1.7.

Tabla 1.7. Módulos de elasticidad del concreto y sus componentes (GPa).

Común Ligero

Agregado 70-140 14-35

Pasta 7-28 7-28

Concreto 14-42 10-18

Existen expresiones más precisas para determinar el Ec con resistencias mayores a 40MPa. La curva esfuerzo-deformación y por consiguiente el módulo de elasticidad, depende de las condiciones de la prueba. Entre mayor sea el índice de deformación, mayor será la resistencia y el módulo de elasticidad, Ec (Fig 1.26).

Fig. 1.26. Esfuerzo-deformación para varios índices de deformación bajo carga a compresión.


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1.3.4. Tensión y fractura La resistencia a tensión del concreto es mucho menor que aquella a compresión, por lo general de un 10 a un 15% de ésta. La razón es la facilidad de propagación de las grietas. Aunque no se considera en diseño, la tensión es una propiedad importante puesto que el agrietamiento es por lo general debido a los esfuerzos a tensión que ocurren bajo carga o cambios medioambientales. La falla del concreto en tensión está gobernada por el micro-agrietamiento, asociada con la zona de interface.

Resistencia a la tensión La resistencia a tensión en el concreto se evalúa por lo general en una prueba de flexión o una prueba de tensión indirecta. No existe aún un procedimiento de prueba para un ensayo a tensión directa. En un análisis de un gran número de datos resultado de pruebas de laboratorio, las expresiones para la tensión indirecta, f’sp y la tensión por flexión, f’r dependen de una potencia más que una raíz de f´c:

[MPa]0.305f'f'0.55

csp 1.9

[MPa]0.438f'f'0.67

cr 1.10

Para entender la naturaleza del comportamiento a tensión del concreto se ha representado teoría referente a la mecánica de fractura. Una breve descripción se hace a continuación.

Mecánica de fractura lineal-elástica

La mecánica de fractura lineal-elástica, MFLE Se puede definir en los campos de esfuerzos y desplazamientos en la región de un comienzo de grieta en materiales elásticos, homogéneos e isotrópicos. Este concepto se aplica a materiales frágiles en los cuales el comportamiento inelástico se encuentra a un mínimo. En la MFLE existen varios modelos:

Esfuerzo de cohesión teórico. Este modelo se basa en la resistencia de los enlaces atómicos para obtener una aproximación de la resistencia a la fractura.

Teoría de Griffith. Se basa en consideraciones termodinámicas para obtener una solución similar al Esfuerzo de cohesión teórico.

Factor de intensidad de esfuerzo (FIT). Se exponen tres modos de desplazamiento de grietas: Modo de abertura (Modo 1), Modo de deslizamiento (Modo 2) y Modo de rasgadura (Modo 3). La suposición es que cuando el FIT alcanza un valor crítico ocurre una fractura inestable.


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Mecánica de fractura no-lineal Varios modelos se han establecido para le mecánica de fractura no-lineal (MFNL):

Modelos cohesivos de grieta. Se supone que un grupo de fuerzas discretas que actúan sobre las caras de la grieta tienden a cerrarla y se pueden utilizar para aproximarse a la zona de fractura.

Modelos Curva-R. Este modelo supone que la resistencia del material vs. la fractura, R, equivalente a un índice de liberación de energía.

Modelo de dos parámetros de fractura (MDPF). El MDPF involucra dos parámetros independientes para caracterizar el material:

o Factor de intensidad crítico de esfuerzo, Kic, y o Desplazamiento de abertura de comienzo de grieta crítico, CTODc.

Modelos de energía de fractura. En estos modelos, los parámetros principales son la resistencia a la tensión y la energía de fractura. Estos modelos han podido representar bastante bien el comportamiento no-lineal del concreto reforzado.

Fractura en compresión. En compresión pura, donde las moléculas se acercan entre sí, no puede haber “falla a compresión”, más que eso son esfuerzos secundarios de tensión, responsables de la falla. Aquí se puede utilizar la Teoría de Griffith. Este criterio concuerda bien con los datos experimentales tensión-compresión.

1.4. Microestructura y Procesos de Transporte

1.4.1. Microestructura Los compuestos químicos del cemento Portland antes descritos y llamados en su conjunto cemento Portland anhidro, al hacer contacto con el agua forman distintos productos de hidratación. Cuando el cemento Portland se dispersa en el agua, el sulfato de calcio y los demás compuestos de calcio comienzan a formar una solución y la fase líquida comienza a saturarse con varios elementos iónicos. Básicamente, como resultado de esta interacción entre el calcio, sulfato, aluminato e iones hidroxil, dentro de pocos minutos de la hidratación, los cristales en forma de agujas de calcio tri-sulfoaluminato hidratado, llamado etringita, son los primeros en aparecer en la micro-estructura sólida. Unas horas después, se forman cristales prismáticos grandes de hidróxido de calcio y cristales fibrosos muy pequeños de hidratos de silicato-cálcico que comienzan a llenar los espacios antes ocupados por agua y las partículas de cemento (Fig. 1.27).

Principales fases sólidas de la pasta de cemento hidratado Los tipos, cantidades y características de las cuatro principales fases sólidas en la pasta de cemento hidratado son las siguientes: silicato cálcico hidratado (abreviado C-S-H), hidróxido de calcio, hidratos de calcio-sulfoaluminato y clinker o cemento anhidro.


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Fig. 1.27. Cristales de hidrato de monosulfato y etringita, tomados de un microscopio electrónico.

Silicato cálcico hidratado, C-S-H La fase del C-S-H (Fig. 1.28) ocupa del 50 al 60% del volumen de sólidos en una pasta totalmente hidratada y es por lo tanto la fase más importante. La morfología del C-S-H varía de fibras pobremente cristalinas a redes reticulares. La estructura exacta del C-S-H no se conoce, permanece sin resolver. En la literatura antigua se refiere como gel de C-S-H, previamente se asumió se parece al mineral llamado gel de tobermorita. Dependiendo de la técnica utilizada, la superficie específica es del orden de 100 a 700 m

2/gr y la resistencia del material se relaciona con las fuerzas de Van Der Waals.

Fig. 1.28. Fase del C-S-H.


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Hidróxido de Calcio Los cristales de hidróxido de calcio (también llamado Portlandita) constituyen del 20 al 25% del volumen de sólidos en la pasta de cemento hidratada. A diferencia del C-S-H, el hidróxido de calcio es un compuesto con una estequiometría definida, Ca(OH)2 . Ésta tiende a formar cristales largos con una morfología prismática hexagonal distintiva. Comparado con el C-S-H, el potencial de contribución de resistencia del hidróxido de calcio es limitado como resultado de una superficie específica menor.

Hidratos de Calcio-Sulfoaluminato Los hidratos de calcio-sulfoaluminato ocupan del 15 al 20% del volumen sólido de la pasta hidratada, por lo que juegan un papel muy pequeño en las relaciones de las propiedades micro-estructurales. Se ha establecido que durante las primeras etapas de hidratación, la relación iónica sulfato/aluminato de la solución, generalmente favorece la formación de hidrato tri-sulfato, llamado también etringita, que eventualmente se transforma en hidrato mono-sulfato. La presencia del hidrato mono-sulfato hace al concreto vulnerable al ataque sulfático.

Clinker Dependiendo de la distribución del tamaño de partícula del clinker y su grado de hidratación, podrán existir granos de clinker o cemento anhidro en la microestructura de la pasta de cemento hidratada. Los tamaños de partículas de clinker en los

cementos modernos están en el rango de 1 a 50 µ. Con el progreso de la hidratación,

las partículas menores se disuelven primero y desaparecen del sistema y las partículas mayores se tornan cada vez más pequeñas. Debido al espacio limitado disponible entre las partículas, los productos de hidratación tienden a cristalizar en la proximidad de las partículas de clinker, que dan la apariencia de la formación de una capa alrededor de estas. A edades tardías, debido a la falta de espacio, la hidratación en el lugar de las partículas de clinker resultan en la formación de un productos de hidratación muy denso, cuya morfología se asemeja al clinker original anhidro.

Porosidad

La estructura porosa del concreto hace referencia al sistema conformado por todos los poros contenidos y su distribución en el interior de su masa. El comportamiento del concreto frente a las diferentes acciones agresivas (físicas, químicas y biológicas) del medio está condicionado por el transporte de sustancias en el interior de su estructura porosa. Dentro de la porosidad del concreto, la porosidad fundamental corresponde a los poros interconectados y representa el máximo contenido reversible en agua; en el caso de la pasta de cemento es del orden de un 20% o un 30%. Esta porosidad está relacionada con el transporte de líquidos, gases y el intercambio de sustancias disueltas. Se pueden considerar dos parámetros fundamentales relacionados con el transporte de sustancias al interior de los poros: la porosidad fundamental y la distribución del


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tamaño de los poros; este último condiciona el tipo y velocidad de procesos de transporte. Según el tamaño de los poros del concreto se clasifican en macroporos, poros capilares y microporos, (Fig. 1.29); los primeros corresponden a las burbujas de aire atrapadas naturalmente (poros de compactación) y/o a las incluidas intencionalmente (poros de aire atificial); los segundos son los poros que se encuentran por fuera del gel de cemento, son de forma variable, y pueden o no estar interconectados y abiertos al exterior; y los últimos están constituidos por los poros de la pasta hidratada y endurecida. Usualmente estos poros no intercambian agua con el medio ambiente. . Fig. 1.29. Clasificación de poros en el concreto. Los poros que están relacionados directamente con la durabilidad del concreto y el transporte de sustancias hacia este son los macroporos y los poros capilares. Los poros de gel, por su tamaño, no intervendrían prácticamente en ningún proceso físico importante. La constitución de la microestructura del concreto hace sea susceptible de ser penetrado por gases (Nitrógeno, Oxígeno y CO2 presente en la atmosfera) y sustancias líquidas (Agua, cuyos varios iones son disueltos). El término permeabilidad indica en general la propiedad del concreto para permitir el ingreso de estas sustancias. La permeabilidad del concreto, no sólo es importante para estructuras de contención de agua y elementos (tuberías, canales y tanques), sino también un factor decisivo en la durabilidad del concreto reforzado. Los diferentes fenómenos relacionados con la degradación del concreto reforzado, dependen de aquellos procesos que permiten el


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transporte de agua, dióxido de carbono, iones cloruro, oxígeno, iones sulfato y corriente eléctrica en el concreto. El movimiento de fluidos e iones a través del concreto puede tomar lugar de acuerdo a cuatro mecanismos básicos:

1. Difusión. Debido a gradientes de concentración. 2. Succión capilar. Debido a la acción capilar dentro de los capilares de la

pasta de cemento. 3. Permeabilidad. Debido a gradientes de presión. 4. Migración. Debido a gradientes de potencial eléctrico.

La cinética del transporte depende del mecanismo, las propiedades del concreto (porosidad y presencia de grietas), los enlaces de sustancias transportadas con la pasta de cemento hidratada, así como las condiciones medioambientales en la superficie del elemento de concreto y sus variaciones en el tiempo. (Fig. 1.30).

Fig. 1.30. Factores principales involucrados en los procesos de transporte en el concreto.

__________ El término permeabilidad se puede utilizar para indicar el mecanismo de trasporte por la acción de una diferencia de presiones. Para evitar confusión en el uso de esta palabra, se puede interpretar incluyéndose en este texto, para indicar en general las propiedades del concreto en relación con todos los mecanismos de transporte, nos referiremos entonces como coeficiente de permeabilidad.


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Composición de la solución de poro y contenido de agua Existe una cierta cantidad de agua contenida en los poros de la microestructura de la pasta de cemento hidratado. Esa cantidad de agua en los poros o contenido de humedad, depende de la humedad del medio ambiente. Algunos iones producidos por la hidratación del cemento se disuelven en el poro líquido, de tal manera que en realidad es una solución acuosa relativamente concentrada.

Composición de la solución de poro La composición química de la solución en los poros de la pasta de cemento hidratado depende de la composición del concreto, principalmente del tipo de cemento, pero también de las condiciones de exposición, por ejemplo en el proceso de carbonatación o penetración de sales. La hidratación del cemento produce una solución que consiste principalmente de NaOH y KOH. Dependiendo de la composición del cemento, el pH en la solución de poro puede estar entre 13 y 14. Cuando el concreto está sujeto a carbonatación

(Capítulo 2) el pH de la solución de poro cae a valores cercanos al nivel neutral (pH≈9)

como consecuencia de la reducción drástica en la concentración de iones hidroxil. La penetración de sales del medio ambiente puede llevar a un cambio importante en la composición de la solución de poro. Para concretos no carbonatados y libres de Cloruros, la concentración de los iones hidroxil (OH‾) varía de 0.1 a 0.9 mol/lt debido a la presencia de NaOH y KOH (este

último es predominante, especialmente en cemento Portland). Otros iones como Ca2+

y SO4

2- están presentes sólo en concentraciones muy bajas. Las adiciones de escorias

de alto horno y cenizas volantes al cemento Portland, reduce moderadamente la concentración de concentraciones ionicas y en consecuencia el pH. De las concentraciones del ion hidroxil, se pueden encontrar valores de 13.4 a 13.9 de cementos Portland y valores de 13.0 a 13.5 de cementos combinados. La adición de humo de sílice en porcentajes muy altos puede disminuir el pH a valores menores que 13.0. La penetración o adición de sales de cloruros altera la composición química de la solución de poro, dependiendo también del tipo de sal (Cloruro de Sodio o Cloruro de Calcio). Esto se debe a los enlaces físicos o químicos de los iones Cloruro o Hidroxil;

Por ejemplo, el Cloruro de Sodio incrementa la concentración OH‾, y así el pH

mientras que el Cloruro de Calcio disminuye el pH.

Agua en Concreto El agua puede estar presente en la pasta de cemento hidratada de muchas formas, y puede clasificarse en base al grado de dificultad en que ésta puede separarse del material.


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Agua Capilar El agua contenida en poros capilares es la que ocupa el mayor porcentaje del agua contenida en el concreto. La solución acuosa contenida en poros mayores a 50 nm de diámetro, se pueden considerar libres de las fuerzas de enlace con la superficie sólida (similar al agua presente en poros de diámetros mayores por aire). Dado que la humedad del medio ambiente disminuye por debajo del 100%, esta agua se evaporará sin causar retracción significativa en la pasta de cemento. Esta solución libre debió transportar propiedades análogas a aquellas de la solución bruta. El agua retenida por presión capilar en poros de diámetros menores de 50 nm se evaporará a valores menores a la humedad relativa dado que el diámetro de los poros disminuye. A modo de ejemplo, valores de humedad relativa de 95 a 60% son necesarios cuando el diámetro de los poros capilares disminuye de 50 a 5 nm. En este caso, la evaporación puede producir retracción significativa en la pasta de cemento. Además, la movilidad de iones (conductividad eléctrica de la solución en estos micro poros) se ve afectado por las interacciones químicas y físicas entre el líquido y sólido y es por lo tanto menor que aquella de la misma composición.

Agua adsorbida Aun cuando el agua se ha evaporado de los poros capilares, algo de esta permanecerá adsorbida en puntos internos en forma de una capa muy delgada. Esta agua puede separarse si la humedad externa cae por debajo de 30%: esto contribuye poco al fenómeno de transporte, siendo insignificante para procesos como el de corrosión. Sin embargo, su remoción causa retracción en la pasta de cemento e influencia las propiedades de fluencia del material.

Agua de intercapas El concreto pierde el agua retenida entre las capas del C-S-H si la humedad externa

cae por debajo del 11% y no afectaría un proceso como de corrosión, dado que los poros de gel son demasiado pequeños para permitir algún proceso de transporte a un índice apreciable. Pero si se influencia la retracción y fluencia.

Contenido de agua y procesos de transporte Para un concreto expuesto a la atmósfera bajo condiciones de equilibrio y en ausencia de re-humedecimiento, el contenido de agua puede relacionarse con la humedad relativa del madio ambiente, como se muestra en la Fig. 1.31. Con respecto a los poros capilares, el agua se adsorbe primero sobre su superficie, y entonces, cuando la humedad relativa se incrementa, el agua se condensa y rellena los poros, comenzando con los de diámetro más pequeños y moviéndose con aquellos de diámetro más grande. En la Fig. 1.32 se representan los poros gráficamente por cavidades esféricas, conectados por cilindros capilares estrechos, cuyas dimensiones se consideran estadísticamente distribuidas (sólo se representan poros capilares accesibles, como poros interconectados y con el medio ambiente externo).


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Fig. 1.31. Representación esquemática del contenido de agua en los poros de concreto en función de la humedad relativa del medio ambiente.

De acuerdo a este diagrama, dentro del concreto, expuesto a la atmósfera a cierta humedad relativa, los poros cuyos diámetros están por debajo de determinado valor, resultan ser llenados con agua, mientras que aquellos con un diámetro por encima de un determinado diámetro se llenan de aire.

Fig. 1.32. Representación del agua presente en los poros capilares en concreto en equilibrio con una atmosfera no saturada.

La presencia de poros llenos de agua interconectados, tienen una influencia importante en la cinética de los procesos de transporte. Esto impide que se lleven a cabo procesos que toman lugar fácilmente en la fase gaseosa como Oxígeno y la difusión de Dióxido de Carbono. Por otro lado, se facilita aquellos procesos que ocurren en soluciones acuosas como la difusión de cloruros e iones en general.


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Difusión La penetración de elementos agresivos dentro del concreto, generalmente ocurren por

difusión, que es por el efecto de un gradiente de concentración. El O2, CO2, Cl‾ o SO4‾

se mueven a través de los poros desde la superficie donde están presentes en concentraciones muy altas hacia zonas internas donde su concentración es menor. Los gases se difunden mucho más rápido a través de los poros abiertos que aquellos saturados con agua (la difusión de gases en el agua es de 4 a 5 veces menores que en aire). Por otro lado, los iones de cloruro y sulfato se difunde sólo cuando están disueltos en el poro acuoso; la difusión es más efectiva en poros saturados que aquellos parcialmente saturados.

Difusión estacionaria Bajo condiciones de transferencia de masa estacionaria (unidireccional y constante), el Primer Principio de Fick describe el fenómeno de difusión:

dx

dCDF 1.11

Donde, F es el flujo en kg/m2·seg, C, es la concentración de los elementos presentes a

una distancia, x desde la superficie. De es el coeficiente de difusión expresado en m

2/seg, el cual depende de los elementos de difusión, las características del concreto y

las condiciones medioambientales. Este coeficiente puede cambiar como función de la posición y tiempo siguiendo las variaciones en la estructura de poro (debido a la hidratación de la pasta de cemento) o la humedad externa (el grado de saturación de poros) o la temperatura.

Difusión no-estacionaria Dado que la difusión rara vez alcanza las condiciones estacionarias en las estructuras de concreto, el flujo depende del tiempo, t y es gobernado por el Segundo Principio de Fick:

2

2

x

CD

t

C

1.12

Esta ecuación por lo general se integra bajo la suposición de que la concentración del ion que se difunde, medido sobre la superficie del concreto es constante en el tiempo y es igual a Cs (C=Cs para x=0 y para cualquier t), que el coeficiente de difusión, D no varía en el tiempo, que el concreto es homogéneo, de tal forma que D no varíe a través del espesor del concreto y que no contiene inicialmente cloruros (C=0 para x > 0 y t=0).La solución obtenida es la Función de error, de la cual se hablará con detalle en el Capítulo 2.


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Difusión y enlaces Los elementos que se difunden dentro del concreto pueden enlazarse a un cierto grado con los componentes de la matriz del cemento; por ejemplo, los cloruros enlazados con las fases de aluminatos o son adsorbidos por el C-S-H; el dióxido de carbono reacciona con los componentes alcalinos, en particular con el (CaOH)2. El consumo gradual de estos componentes modifica las condiciones de difusión, que no pudieran ser descritos ya con el Segundo Principio de Fick, necesitando de un término correctivo. En particular para la penetración de cloruros, por lo general, la concentración total de los elementos de difusión se toma en consideración y los efectos de las reacciones químicas en el concreto se desprecian. De hecho, resulta difícil el estimar el término correctivo mencionado. Si bien, la capacidad de enlace de la pasta de cemento está en función de varios parámetros, tal como la concentración local de una sustancia dada y la temperatura, dependerá también de la composición química del concreto y en sus variaciones (por ejemplo, la capacidad de enlace de los cloruros se reduce considerablemente en concreto carbonatado). Los enlaces en elementos en difusión es importante para determinar el coeficiente de difusión. De hecho, mientras que la capacidad de enlace del concreto no ha sido terminada, el flujo neto del material parecerá ser menor y el coeficiente será subestimado. Por lo tanto, cuando no se aplica el término correctivo en la evaluación de un elemento en difusión, el coeficiente de difusión determinado en esta forma es aparente, dependiente del tiempo.

Succión capilar Cuando el agua entre en contacto con un material poroso como el concreto, ésta se absorbe rápidamente por la sub presión en los poros causados por la llamada acción capilar. Esta acción depende de la tensión superficial, viscosidad y densidad del líquido, del ángulo de contacto entre el líquido y las paredes del poro y el radio del poro. En el concreto, el ángulo de contacto es pequeño debido a la presencia de atracción molecular entre el líquido y el substrato (esto es entre el agua y la pasta de cemento). En estas condiciones, el menisco en un poro capilar ascenderá desde el nivel del líquido circundante y será cóncavo hacia el lado seco. Teóricamente, la acción capilar es mayor cuanto menor la dimensión del poro. Por otro lado, entre menores son los poros, menor es el transporte debido al incremento de fricción. En un rango normal de composición microestructural, un concreto muy poroso absorbe más agua y a mayor índice que un concreto denso. Esta regla general se ha vuelto la base para algunos métodos de prueba. La prueba de absorción se lleva a cabo normalmente para medir la succión capilar en el concreto. En función del tiempo es del tipo:

tSi 1.13


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Donde, i es la absorción capilar y se mide como masa (o volumen) de líquido absorbido por unidad de superficie (gr/m

2 para masa o m

3/m

2 para volumen) en el tiempo, t (un

ensayo se lleva de 4 a 24 hrs.). S, es una constante derivada empíricamente y válida sólo para materiales muy porosos o en la primera etapa de la acción capilar. De hecho, en concreto con relaciones a/c bajas, la raíz cuadrada se cambia por un exponencial

menor a 0.5. La constante S se expresa en gr/m2·seg

0.5, si es determinado por cambio

de masa o m/seg0.5

si se determina por volumen absorbido. S es un parámetro adoptado representativo de las características del concreto respecto a la absorción

capilar. Por lo general, los valores de S varían de 5 gr/m2·seg

0.5 para concretos de

resistencia normal (a/c=0.5, resistencia a compresión=43 MPa) a 1.5 gr/m2·seg

0.5 para

concretos de alta resistencia (a/c=0., resistencia a compresión=90 MPa).

Permeabilidad Cuando un líquido (que se asume compresible y totalmente viscoso) penetra en el concreto que se encuentra previamente saturado por el líquido a una diferencia de presión, el flujo a través de los poros se define como la Ley de Darcy:

μL

AΔPK

dt

dq

1.14

Donde, dq/dt es el flujo (m

3/seg), μ, es la viscosidad del fluido (N·seg/m

2), k es la

permeabilidad intrínseca del concreto (m2), ΔP es la presión aplicada (Pa), A es la

superficie de la sección (m2) y L (m) es el espesor del espécimen.

Coeficiente de permeabilidad del agua Si la penetración involucra el espesor total de la muestra, de tal forma que sea posible medir el flujo, la Ec. 1.14 se escribe como:

L

AHk

dt

dq 1.15

Donde, H (m) representa al altura de la columna de agua a través de la muestra

(ΔP=H·δ·g, con δ igual a la densidad del agua y g igual a la aceleración de la

gravedad). En este caso, el coeficiente de permeabilidad, k, se miden en m/seg y se

relaciona con el coeficiente intrínseco de permeabilidad por la ecuación k=K·Δ·g/μ y

depende entonces de la densidad y viscosidad del líquido (para agua, K≈10-7

k). La

permeabilidad de la pasta de cemento depende de la porosidad capilar y el coeficiente de permeabilidad es directamente proporcional a la relación a/c según proceda la hidratación. Con una relación a/c de 0.75, el coeficiente de permeabilidad del agua en el concreto es muy alto, generalmente 10

-10 m/seg sobre el curado completo, mientras

que con una relación a/c de 0.45, puede bajar de 10-11

a 10-12

m/seg.


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Coeficiente de permeabilidad de un gas El coeficiente de permeabilidad de un gas (por lo general aire) se determina midiendo el flujo de gas bajo presión a través de la muestra. En este caso, el fluido es compresible y el flujo se puede expresar por la siguiente ecuación:

2

22

21gas

2PμL

)P-(PAk

dt

dq

1.16

Donde dq/dt es el flujo, P1 es la presión aguas arriba y P2 es la presión aguas abajo. Dado que el gas es compresible es importante medir el flujo en P2. El coeficiente de permeabilidad del gas depende de la presión escogida para la prueba. Para presiones bajas (hasta de 10 bar), el coeficiente de permeabilidad del gas para el concreto es normalmente entre 5×10

-16 y 10

-18 m

2. Para concreto con

permeabilidad intrínseca, el incremento de presión de 1 a 10 bar puede reducir el coeficiente de permeabilidad en un orden de magnitud.

Migración

Transporte iónico en la solución El transporte de iones en la solución bajo un campo eléctrico se llama migración. La velocidad del movimiento iónico es proporcional a la resistencia del campo eléctrico y la carga y tamaño del ion. La Tabla 1.8 da una comparación para diferentes iones basándose en su movilidad, u.

Tabla 1.8. Conductividad de varios iones en dilución a 25 ˚C (10-14

m2V

-1seg

-1).

Ion H+ Na

+ K

+ Ca

2+ OH

‾ Cl

‾ 0.5SO4

2‾ 0.5CO3

2‾

λ0 349 50.1 73.9 59.5 198 75.2 79.8 69.5

Los iones de hidrógeno e hidroxil muestran las movilidades iónicas más altas debido a su interacción con el agua solvente. La movilidad iónica, ui (describiendo el movimiento iónico bajo el campo eléctrico) se relaciona directamente con el coeficiente de difusión Di (describiendo el movimiento bajo un gradiente de concentración):

Fz

uTRD

i

ii

1.17

Donde, R, es la constante de gas (J/K·mol), T, es la temperatura (K), F, es la constante

de Faraday (96490 C/mol) y zi, es la valencia del ion, i. La contribución de un cierto ion, i, al flujo total de corriente, Itot, se llama número de


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transferencia o número de transporte, ti, el cual se incrementa con la concentración, ci, y la movilidad, ui, del ion (los otros iones, j, siendo constantes):

)zu(c

zuc

I

It

jjj

iii

tot

ii 1.18

Transporte iónico en concreto Los principios que se aplican a soluciones acuosas son básicamente también válidas para concreto, porque el transporte de corriente eléctrica es debido al movimiento iónico en el sistema de poros saturados de agua. Los iones positivos (Na

+, K

+, Ca

2+)

migran en dirección a la corriente: iones negativos (OH‾, SO4‾, Cl‾) migran en

dirección opuesta. Aplicando el concepto de número de transporte para el concreto, se puede mostrar que para un concreto libre de cloruros, asumiendo que la solución de poro contiene 0.5

mol/lt de NaOH, los números de transporte para OH‾ y Na+ son 0.8 y 0.2

respectivamente. Para concreto contaminado con sales de cloruro, asumiendo que la solución de poro contiene 0.5 mol/lt de NaOH y 0.5 mol/lt de NaCl, el número de

transporte de OH‾, Na+

y Cl‾, son 0.52, 0.20 y 0.28 respectivamente.

Resistividad del concreto La resistividad del concreto es un parámetro importante utilizado para describir, por ejemplo, el grado de saturación de agua, la resistencia a la penetración de cloruros o el índice de corrosión. La resistividad del concreto puede tener valores decenas hasta millares de Ω·m (Tabla 1.9) en función del contenido de agua en el concreto (humedad

relativa), el tipo de cemento utilizado, relación a/c, presencia de iones cloruro o si el concreto está carbonatado o no. A edad temprana, la resistividad del concreto es baja y se incrementa conforme la hidratación aumenta. La resistividad del concreto se puede medir de varias formas. El método de laboratorio más simple es el arreglo de dos platos presionando dos caras paralelas de un cubo o cilindro vía una tela húmeda como se mostrará en el Capítulo 3.

Tabla 1.9. Resistividad del concreto, Ω·m, (a/c=0.45, 20˚C, 80% H.R.

Material Inmerso en zona

de chapoteo En atmósfera

Cemento Portland 70% de escoria de alto horno 5% de humo de sílice

135 800 250

300-700 2200

300-2000

Documents

Capítulo 1 Caracterización Básica del Concreto...Capítulo 1. Caracterización Básica del Concreto 5 de calcio, obtenidos a través del cocido de calcáreo, arcilla y arena. El