ESTRUCTURA Y PROCESO DE FRACTURA EN CONCRETO 1 Constituyentes y Microestructura del Concreto.

El concreto es un material heterogéneo y multifásico, aunque es un compuesto, su comportamiento mecánico no refleja la simple teoría de los compuestos, esto es expresado por su comportamiento inelástico de esfuerzo-deformación y sus materiales constituyentes.

En una escala macroscópica y en función de sus diferentes constituyentes, los materiales cementosos pueden ser clasificados como pasta, mezcla ó concreto. La pasta es una mezcla de cemento y agua. La mezcla es una combinación de agregados (finos o gruesos, con un rango de tamaños y formas), cemento y agua. El cemento se hidrata cuando se mezcla con agua y forma una matriz dura después de cierto periodo de curado. Cuando es fluido, la matriz llena los espacios entre los agregados y los une para formar el concreto endurecido con la forma y dimensiones de la estructura deseada.

Se pueden obtener concretos en un amplio intervalo de propiedades de resistencia considerando apropiadamente, las proporciones de los materiales constitutivos de la mezcla,

del cuidado con que se mezclen los diferentes materiales constitutivos, también depende de las condiciones de humedad y temperatura bajo las cuales se mantenga la mezcla desde el momento en que se coloca en la formaleta hasta que está totalmente endurecido. A este proceso de control de las condiciones se le conoce como curado.

En una escala microscópica se encuentra consistiendo de núcleos de grano de cemento, productos de hidratación amorfos y cristalinos, y la porosidad. Los productos de hidratación del cemento incluyen principalmente hidrato de silicato de calcio (C-S-H), hidróxido de calcio (CH) y sulfoaluminatos de calcio (Ettringe). El hidrato de silicato de calcio es un material puramente cristalino y forma parte desde un medio, hasta dos terceras partes del volumen de la pasta hidratada. El hidróxido de calcio es un material cristalino y ocupa aproximadamente del 20 al 25 % del volumen de la pasta. Mientras que el sulfoaluminato de calcio generalmente cristaliza en puntas prismáticas delgadas y tal vez ocupa del 10 al 15 % del volumen de la pasta de cemento.

La porosidad es otra característica principal de la microestructura de la pasta de cemento endurecido. Éstas, son generalmente clasificadas como porosidad de gel y porosidad capilar. Las porosidades de gel varían desde 0.5 a 10 nm en tamaño, pueden ser consideradas como parte del hidrato de silicato de calcio, mientras que las porosidades capilares varían desde 0.01 a 10 µm en tamaño, y son vestigios de los espacios del agua de relleno que existen entre los granos de cemento parcialmente hidratados.

La porosidad en el concreto es en función de la pasta de cemento, tipo de agregados utilizados, relación de agua/cemento y condiciones de curado. Este componente tiene una influencia importante el comportamiento del concreto, ya que se ve reflejado por medio de la zona de transición interfacial (ITZ, Interfacial Transición Zone). La zona de transición interfacial es la región que une los agregados y la matriz y es considerada como una zona de fragilidad, en términos de la resistencia y de la penetración de fluidos, típicamente es entre 10 a 50 µm considerándose un valor más general de 20 µm [1.5-1.7]

.

La microestructura de la zona es determinada por la unión del cemento anhidro contra los agregados más grandes, ya que se encuentra un alto grado de porosidad comparado con el

volumen de la pasta, como resultado de la distribución anhidra del cemento. Estudios realizados han mostrado que el comportamiento mecánico del concreto es ampliamente influenciado por esta zona de transición[1.8-1.11].

Por lo tanto, físicamente el concreto es un material heterogéneo consistiendo de tres componentes: la matriz de cemento, los agregados y la zona interfacial de transición (ITZ).

1.3.2 Comportamiento de Fractura y Localización de Deformación del Concreto

El endurecimiento del concreto fresco, que origina contracción, es acompañado por una pérdida de humedad en la pasta de cemento. La deformación por compresión generalmente no es uniforme en una estructura de concreto debido a que la pérdida de humedad es diferente del área de superficie a la parte interior del concreto. Por otra parte, la contracción de la pasta de cemento generalmente es restringida por los agregados y las condiciones de frontera de la estructura durante la fundición. Estas condiciones pueden desarrollar un cierto valor de esfuerzo a tensión en algunas partes del concreto, que puede originar grietas de contracción antes de cargarse.

Como se mencionó anteriormente, la porosidad también es una influencia en la degradación microestructural de concreto, resultados de análisis experimentales [1.12-1.14] han mostrado que el módulo elástico, la resistencia compresiva, la resistencia a tensión, así como la fragilidad y la energía de fractura varían con respecto a la densidad de masa, relacionada directamente con la porosidad.

El proceso de fractura en la mezcla de agregados finos puede principalmente involucrar iniciación y propagación de vacíos internos en una escala de un micrómetro. Las grietas interfaciales y una zona débil en una escala de milímetros son defectos mayores para el concreto con agregados gruesos. Así, el proceso de fractura en concreto puede depender principalmente en la estabilidad de estas grietas interfaciales (zona de transición interfacial) dando resultado al comportamiento no-lineal del concreto. Hsu et al. [1.15] estudió el

agrietamiento y propagación de microgrietas y reportó que el desarrollo y propagación de éstas determinan la forma de la curva esfuerzo-deformación del concreto bajo compresión uniaxial.

Pueden ser clasificadas cuatro etapas de agrietamiento en el concreto bajo compresión uniaxial

[1.16]

, como se observa en la Figura 1.5.

Figura No. 1.5 Representación diagramática del comportamiento esfuerzo-deformación unitaria del concreto bajo compresión uniaxial.

Etapa 1. Bajo condiciones de exposición atmosféricas normales, debido a la diferencia de