PROPIEDADES DEL HORMIGÓN Y EL ACERO DE LA ÉPOCA

En los años de construcción de la cubierta del Depósito, el hormigón era todavía un material nuevo, cuya tecnología apenas se había desarrollado.

El Coronel Marvá escribiría para la primera tirada deLa Construcción Modernael 8 de enero de 1903 un artículo tituladoLos materiales de construcción y los laboratorios de ensayo(58), en el que realiza un excelente lienzo de la construcción en Madrid. En particular, sobre el uso del hormigón hace las siguientes reflexiones:

…

Es indiscutible el progreso realizado en la construcción en Madrid muy señaladamente en lo que a edificación se refiere. Las caducas prácticas de pseudomaestros rutinarios y poco ilustrados han sido reemplazadas por procedimientos modernos en que se da empleo más técnico y racional a los materiales con arreglo a sus aptitudes específicas. Las antiguas construcciones de empírico entramado forjado con prehistóricos productos de derribo se sustituyen hoy con obras de fábrica de ladrillo con intervención de los morteros de cemento en fajas verticales y horizontales, disposición llamada a generalizarse (…). En la infraestructura de los edificios, en el forjado de pisos, tabiquería de distribución y en todas las demás partes elementales de la construcción se emplean materiales adecuados y novísimos procedimientos entre los cuales va tomando carta de naturaleza el hormigón armado.

Pero el éxito de estos progresos se fundamenta en el empleo de buenos materiales, condición indispensable de la solidez y duración del conjunto, ya que este no puede ser monolítico. Ahora bien, si supieran los constructores las cualidades específicas de los materiales que muchas veces ponen en obras, se sorprenderían desagradablemente y encontrarían la explicación de algunos contratiempos. Y esta observación no atenta en lo más mínimo a sus conocimientos teóricos y prácticos porque muchas de las causas que hacen malo un material no se reconocen con la misma facilidad con que se distingue una moneda falsa de otra de ley. La inspección ocular, ni la más continuada práctica es capaz de descubrir que una piedra es heladiza, que una barra de hierro es poco diferente del tocho impurificado por escorias, que un cemento es magnesiano o que un asfalto contiene bitumio adulterado por breas minerales.

Y, sin embargo, el estudio de Laboratorio que desde hace unos años he hecho de los materiales comúnmente empleados en las obras me ha demostrado cual lejos está de poseer muchos de ellos las cualidades necesarias, ya por mala fe de los que lo suministran, ya, en los productos artificiales, por defectos de fabricación, hijos de industrias mal establecidas o poco inteligentemente dirigidas (…).

En Madrid se hace uso de cementos belgas, ingleses, franceses y alemanes; de hierros y aceros vizcaínos y asturianos cuando no extranjeros; de piedras de Aragón y de las provincias de Levante; de arcillas cocidas de Valencia, Zaragoza, Segovia y Valladolid; de maderas de Cuenca, Soria y Valsaín; de cales de la Alcarria, yesos de San Fernando, etc.(…).

En los cementos el mal es todavía más frecuente y de consecuencias, y el relato minucioso de los defectos de que adolecen muchos de los empleados en construcción merece un extenso capítulo. Aun dejando aparte los muchos cementos que son malos por fabricación o por adulteraciones y constriyéndonos a los de buenas marcas, el constructor tiene que luchar con la falta de homogeneidad de la producción. He tenido ocasión de observar en partidas diversas de cementos de la misma procedencia desigualdades enormes en su densidad específica, grado de molido, coeficientes de hidraulicidad y de fractura, y fenómenos de fraguado.

Urge poner remedio a estos males. Las concepciones del Ingeniero y del Arquitecto, sus cálculos de resistencia están fundamentados en el valor de los coeficientes de trabajo y de seguridad y serían erróneas si se aplicaran a materiales malos (…).

Ya he dicho antes que muchos de los defectos señalados en los materiales necesitan para ser conocidos trabajos de investigación con auxilio de aparatos y recursos de que no dispone el Ingeniero o Arquitecto encargado de una obra. Este importante servicio lo realizan los Laboratorios de ensayo de materiales (…). Madrid dispone ya, afortunadamente, de Laboratorios en los que por módicos precios o gratuitamente se hacen toda clase de análisis y ensayos.

Es, por lo tanto, de esperar, si la indolencia y la rutina no intervienen que mejore la calidad de los materiales en bien del progreso de la construcción moderna.

En el desarrollo de la tecnología del hormigón y lamejora de calidad de los materialesel papel de Ribera fue, como ya se ha comentado, determinante, y el Proyecto de la cubierta toda una declaración de intenciones. Destacamos en el presente apartado las principales características del hormigón y el acero de la época y las comparamos con los propuestos para la cubierta, analizando las propiedades que podrían atribuirse a dichos materiales.

Propiedades del hormigón de la época

A pesar de que para la fabricación del hormigón de la cubierta se emplearon ya cementos artificiales, las características de estos distan mucho de los cementos actuales, y por tanto también las propiedades que se pueden atribuir al hormigón.

Son en todo caso cementos con una finura de molido muy gruesa, casi sin silicatos tricálcicos, y con bastantes silicatos monocálcicos, debido tanto a un peor molido como a temperaturas de calcinación muy inferiores a las que se alcanzan hoy en día. En algunas probetas testigo extraídas en hormigones de estas primeras décadas del siglo XX por INTEMAC hemos llegado a observar que debido a estos aspectos, parte de la masa de mortero no había llegado siquiera a fraguar.

Menos diferencias existen entre las características de las arenas y áridos especificados entonces y las de hoy en día, aunque los métodos de dosificación empleados (Abrams, Graf, Bolomey, etc) difieren sustancialmente de los complejos criterios de diseño de los hormigones actuales.

No es entonces sencillo definir unas propiedades físicas y mecánicas del hormigón de principios del siglo XX y, por tanto, de la cubierta.

Además, se ha publicado muy poco sobre las propiedades físicas y mecánicas del hormigón empleado antes de la I Guerra Mundial (59). Ello, unido a la diversidad de sistemas utilizados por cada constructor, que incluían diferentes “recetas” para la fabricación del propio hormigón e incluso de las armaduras, hace que la identificación de estos materiales sea extraordinariamente compleja.

De cara a realizar, al menos, una caracterización preliminar, analicemos en primer lugar las características de los componentes que conforman el hormigón, y que ya desde el último tercio del siglo XIX se define como una mezcla de cemento artificial, arena, árido grueso y agua.

Conglomerante

En la constitución del hormigón la unión de los áridos se logra por medio de cementos, que generalmente son "cementos portland". Pertenecen a la familia de los conglomerantes hidráulicos, formados por materiales pulvurentos artificiales de naturaleza inorgánica que reaccionan con el agua dando lugar a un producto sólido resistente y estable, tanto al aire como en el agua(60).

Hasta el siglo XVIII los únicos conglomerantes empleados en la construcción fueron los yesos y las cales hidráulicas, pero a lo largo de este siglo se despertaría el interés por el conocimiento de los cementos. En particular, el "portland" (60) es el resultado de la molienda conjunta del producto resultante de la cocción, hasta sinterización, de una mezcla de caliza y arcilla que recibe el nombre de "clinker" y de un material empleado como regulador de fraguado que, generalmente, es yeso hidratado.

Efectivamente, la cal (Ca(OH)2) ha sido el ligante tradicional para los morteros, obteniéndose

por calcinación de la caliza (CaCO3) en un horno de cal. La temperatura de calcinación

depende del tipo de cal, no hidráulica (en torno a 900ºC) o hidráulica (unos 1000 ºC), y del contenido de arcilla. La cal no hidráulica endurece en contacto con el aire (CO2), mientras que

la cal hidráulica endurece tanto en el aire como bajo el agua, resultando además un mortero de mayor resistencia.

Ya en torno al año 1756 el ingeniero inglés John Smeaton trabajó sobre las propiedades de endurecimiento de la cal bajo el agua cuando la cantidad de arcilla era suficiente. De hecho, estudió la composición de diferentes tipos de mortero utilizando diferentes calizas de distintas procedencias, en búsqueda de la mayor resistencia del mortero (61). Smeaton comparó la resistencia del producto final con las piedras naturales de la región de Portland, indicandoque era más resistente que la más dura de las piedras de Portland.

Sin embargo la denominación de este mortero comocemento Portlandno llegó hasta un siglo más tarde: primero Louis Vicat sentaría las bases para la fabricación de la cal hidráulica artificial a partir de las proporciones adecuadas de caliza y arcilla y del proceso de calcinación, publicando sus trabajos entre 1818 y 1853, aunque sin patentar el procedimiento; sí patentó la fabricación del cemento artificial un cantero inglés, Joseph Aspdin, en 1824, denominándolo precisamente “cemento Portland”, bien por su parecido a la roca de dicha región, bien como recuerdo de la comparación de Smeaton.

La extensión de la producción del cemento artificial al resto de países no se realizaría hasta finales del siglo XIX. En concreto en España la primera fábrica instalada de cemento artificial sería la de Tudela Veguín en 1898, cuya estructura diseña y construye el propio Ribera (62), iniciándose así la tradición del cemento Portland en sustitución de la producción tradicional de cales hidráulicas y cementos naturales, así como en sustitución de la importación de cementos Portland como el de Boulonnais, que el propio Ribera había utilizado en obras precedentes. Otro ejemplo de la preferencia por estos cementos es la fábrica de Hijos de Jose Mª Rezola y Cía, que desde 1850 había producido cemento natural, pasando a fabricar cemento Portland desde 1900.

Como se recoge en la Tabla 3. 1 la composición química de estos cementos era relativamente similar a los producidos hoy en día ( (44) (59) (63)), aunque evidentemente la variación de dicha composición respecto a los valores indicados en la tabla es mucho mayor. En general, el contenido de cal era algo mayor, y el de los óxidos principales (alúmina y peróxido de hierro) menor; las pérdidas por fuego (procedentes del agua de cristalización del yeso, posibles

Nombre Composición Contenido principios de_{siglo XX(44) (63)} Contenido actual(60) Cal CaO 58-65 60-67 Sílice SiO2 20-26 17-25 Alúmina Al2O3 6,5 3-8 Peróxido de hierro Fe2O3 2,0 0,5-6,0 Magnesia MgO 1,0 0,1-4,0 Anhídrido sulfúrico SO3 0,5 0,1-2,5

Pérdidas por el fuego 7,5 3,5-7,0

Elementos no dosificados Na2O+K2O 0,5 0,4-1,3 TiO2 0-0,5 Mn2O3 0-0,3

Tabla 3. 1. Composición química de los cementos Portland en España a principios de siglo XX

Otra diferencia importante es el grado de molido y finura del cemento. En la Figura 3. 1, extraída de (44), aparte de las importantes diferencias de unas fábricas a otras, se observa que el residuo en el tamiz de 5000 mallas por cm2 es del orden del 15 %, incluso en las fábricas mejor consideradas (Tudela Veguín y Rezola). Aunque este valor es del orden del adoptado en cementos actuales, no suele ser éste el criterio por no dar información sobre la granulometría y superficie de los granos que pasan por el tamiz elegido (61), determinándose normalmente la superficie específica de las partículas (cm2_/g).

Figura 3. 1. Algunas propiedades de los cementos fabricados en España en torno a 1903 (44)

Estas diferencias en la finura de molido influyen especialmente en la resistencia a corto plazo (a mayor finura el endurecimiento es más rápido) y sobre la fluencia (mayor finura, menor expansión).

Las mejoras en el proceso de fabricación permitieron conseguir más uniformidad en los productos y mayores resistencias.

Áridos

A los áridos, desde la fabricación de los primeros hormigones, se les exigía una mayor resistencia que la del mortero circundante, y se recomendaba su limpieza para eliminar la materia orgánica.

En relación con la distribución del árido grueso y el árido fino, las reglas eran vagas. En este sentido fueron decisivas las contribuciones de Ribera en España, al ser él el representante de España en el Congreso de Estocolmo celebrado por la Asociación Internacional para el ensayo de los materiales de construcción del año 1898, en el que entre otros aspectos se discutió las condiciones que en cada clase de morteros debían exigirse a las arenas.

En el establecimiento de dichas condiciones fueron decisivos los trabajos de Féret en 1892. Con base en sus trabajos laComisión de unificación de métodos de ensayodefinió en primer lugar qué eran lasarenas, reservando ese nombre a las mezclas de granos inferiores a 5 mm, y considerando dentro de ellas granos gruesos aquellos cuyo tamaño estaba comprendido entre 5 y 2 mm (aunque se admitía hasta áridos de 25 mm (57));medianosentre 2 y 0,5 mm; y finossi tenía menos de 0,5 mm.

También era habitual el empleo degravilla, cuyo diámetro solía quedar limitado entre 4-8 mm y en torno a 20-25 mm (en la actualidad el límite entre árido fino o arena y árido grueso se fija en la Instrucción EHE (64) en 5 mm).

A partir de estas definiciones, se proponía: Los morteros más resistentes son aquellos cuyas arenas están formadas por una mezcla de granos gruesos y finos, con ausencia de granos medios, los primeros en una proporción doble que los segundos, incluyendo entre estos granos finos el peso del cemento.

Poco después, con objeto de conseguir una mayor densidad del hormigón con la mínima cantidad posible de cemento y agua, los trabajos de Fuller&Thomson recomendarían el uso de áridos en una proporción continua (lo que más adelante se conocería como la parábola de Fuller).

Sin embargo, en la práctica, el condicionante fundamental en la selección de los áridos era la disponibilidad en las proximidades de la obra.

En este sentido era habitual utilizar áridos rodados. Aun en 1911 Zafra (56) recomendaba: Durante mucho tiempo se ha creído que las arenas y piedras angulosas, de superficie mayor y más áspera que las redondeadas, se adherían con mayor fuerza al aglomerante y daban morteros y hormigones más resistentes. La experiencia demuestra lo contrario, que ya es sabido por todos. La adherencia por unidad superficial es mayor sobre las superficies redondeadas; lo que, unido a la mayor eficacia del apisonado, explica la ventaja que con elementos rodados se obtiene.

Agua

El parámetro final y que juega un papel fundamental en las características del hormigón es el agua, tanto en su plasticidad en la puesta en obra como en su resistencia y durabilidad a largo plazo. Sin embargo, hasta que 1918 Abrams publicó sus trabajos destacando la importancia del agua, los constructores añadían ésta de una forma totalmente empírica con el único objetivo de

compromiso entre añadir la suficiente para que el hormigón fuera trabajable y limitándola para evitar una excesiva porosidad (59).

No había por tanto reglas fijas en cuanto a la cantidad de agua a añadir a la mezcla, que se formaba normalmente seca y a la que se añadía poco a poco agua hasta alcanzar la consistencia adecuada.

Por ejemplo, Ribera, en el Art. 17 del Pliego de prescripciones técnicas del Proyecto de la Cubierta, indica que las proporciones de cemento y arena prescritas anteriormente se mezclarán primeramente en seco, batiéndose en una máquina amasadora. Esta máquina llevará una regadora regulada con llave, con la que se verterá el agua estrictamente necesaria para la mezcla, que no deberá rebosar de la masa. Una vez bien batido el hormigón se verterá en los moldes de zapatas, pilares y vigas, apisonándose con pisones de hierro, hasta que rezume el agua.

Se subestimaba la influencia de la cantidad de agua, como pone de manifiesto Zafra ya en 1911 (56):El agua necesaria para el fraguado es, en término medio, 0,30 del peso de cemento. Además se necesita otra cantidad, variable según el estado higrométrico y finura de la arena, que hace a modo de lubricante mientras se amasa, y que luego, en parte se evapora y en parte queda retenida en el aglomerado (...). La influencia de la cantidad de agua no es muy grande (...). El exceso de agua produce más bien un retraso en el desarrollo de la resistencia, que, en largo periodo, tiende a igualarse con la máxima.

Algunos ensayos realizados en el Laboratorio de Ponts et Chaussées de París en 1905 (59) apuntan a que dicha relación sería muy variable, siendo habitual un orden de 0,6, muy superior al 0,40-0,45 recomendado hoy en día.

Hormigón

A comienzos del siglo XX la mezcla del hormigón se realizaba en obra, midiéndose en España la proporción de cemento en peso, mientras que los áridos gruesos y la arena se medían en volumen. La formulación se expresaba en cemento por volumen de árido. En otros países (como Alemania, Inglaterra o los Estados Unidos) era habitual en cambio expresarla en volumen (57).

A modo de ejemplo, inicialmente Hennebique recomendaba para pilares, vigas y forjados 300 kg de cemento, 0,4 m3_{de arena y 0,85 m}3_{de grava (que en volumen correspondería a 1 parte}

de cemento, 2 de arena y 4 de áridos). Poco después pasaría a 300 kg de cemento, 0,15 de arena y 1 de grava (57), si bien esta proporción variaba en función del elemento estructural. Otro ejemplo, ya español, es Mauricio Jalvo, que en su Manual del constructordistingue entre hormigón pobre (con 150 kg de cemento, 0,80 m3 _{de gravilla y 0,40 m}3 _{de arena), corriente}

(con 350 kg de cemento, 0,90 m3_{de gravilla y 0,30 m}3_{de arena) yrico(con 450 kg de cemento}

y 1m3_{de arena).}

Elcoeficiente de trabajoque se solía suponer para el hormigón "normal" (entre 300 y 350 kg de cemento) era de unos 25-30 kp/cm2 _{(2,5-3,0 MPa). Suponiendo una seguridad de en torno a}

3,5, la resistencia a 28 días de los hormigones más habituales sería de unos 100 kp/cm2. Sin embargo, es previsible que las tensiones de rotura fueran algo superiores. Por ejemplo, los ensayos realizados en el Laboratorio de Ingenieros del Ejército sobre prismas de hormigón de 10×10×12 cm con cementos de las marcasRezola y Tudela Veguínpara hormigones con 300 kg de cemento, 0,40 m3 _{de arena y 0,80 m}3 _{de gravilla arrojaron a los 80 días "cargas de}

aplastamiento" notablemente superiores: 216 kp/cm2y 180 kp/cm2respectivamente (58). Estos resultados son coherentes con las consideraciones que realizaría Zafra años más tarde (56), en 1911, explicando que la adopción de un coeficiente de seguridad de en torno a 3,5 por la

Comisión francesa (frente a 5 que se consideraba en Alemania) estaba justificada por partir de unos valores muy conservadores sobre las resistencias que se conseguían en el hormigón11_.

En relación con la dosificación de estos hormigones de primeros del siglo XX, puede servir también como referencia la caracterización del hormigón que se realiza en la primera Instrucción española, publicada en el año 1939 (65) aunque con sucesivos ediciones en los años siguientes. Efectivamente, dada la lenta tecnología industrial de esta época (al menos comparada con la actual) es probable que para la elaboración de este artículo se tuvieran en cuenta las experiencias de los cementos y hormigones de las 2-3 décadas anteriores, lo que nos sitúa prácticamente en los años de construcción de la cubierta.

En dicha Instrucción, en el artículo 12 del Capítulo IIIDosificación del hormigón se distinguen distintos tipos de hormigón en función de la dosificación (Figura 3. 2), asignando diferentes resistencias a los 28 días, que resultan acordes a los valores utilizados por los constructores de principios del siglo.

Figura 3. 2. Tipos y dosificación de hormigones en la Instrucción española de 1939

Otro aspecto sobre el que existían numerosas incertidumbres en relación con la composición del hormigón era su influencia en el módulo de elasticidad, su evolución con el tiempo y las deformaciones por fluencia y retracción.

El módulo de elasticidad que se solía adoptar era del orden de 150.000 kp/cm2 _(15.000

N/mm2_{), y la relación entre éste y el del acero de 15 (56), siguiendo las recomendaciones}

francesas. Dichos valores son algo inferiores a los que obtuvo por ejemplo von Bach en 1895