El relleno de los huecos en el conjunto granular

Diseñar un hormigón es, antes de todo, un problema de empaquetamiento (De Larrard, 1999). Ello es verdad al tratarse de hormigones, morteros o pastas, pues se puede considerar cualquiera de esas mezclas (en el estado fresco) como una suspensión de granos en agua. Lo que cambia de una a otra es la amplitud de tamaño de granos. Es decir, la composición del hormigón varía desde partículas de cemento micrométricas (en algunos hormigones especiales se puede llegar a alcanzar la escala nanométrica) hasta granos de áridos de magnitud centimétrica. Al tratarse de pasta de cemento, por otra parte, los granos de mayor tamaño dejan de formar parte de la mezcla y la diferencia entre los tamaños de las partículas componentes pasa a ser más pequeña. En cualquier caso, con todo, el volumen de agua mínimo necesario a la formación de una masa continua corresponde a la porosidad del conjunto granular seco.

La compacidad de los áridos que componen una mezcla se puede medir fácil y razonablemente a través de la determinación del peso de un volumen conocido de los granos secos. Con todo, lo mismo no se puede realizar con el cemento o con las adiciones minerales. Ello se debe a que la aglomeración resultante de las fuerzas existentes entre las partículas finas aumenta el contenido de vacíos en el conjunto (Yu et al., 1997), el cual se modifica una vez se añade el agua (en conjunto con los aditivos químicos que se vaya utilizar) a la mezcla. Ello conlleva a que la densidad de empaquetamiento de partículas finas, determinada experimentalmente en seco, sea infravalorada y el contenido de vacíos supervalorado (Wong y Kwan, 2008a_).

Para superar el inconveniente mencionado, es importante que la densidad de empaquetamiento máxima de las partículas finas sea medida bajo las mismas condiciones a que estarán sometidas cuando sean utilizadas en la producción de la pasta, mortero o hormigón (Fennis, 2008). Con todo, no existen precedentes de un método único, por vía húmeda, que esté universalmente aceptado, sino que diversos métodos propuestos por diferentes investigadores a lo largo del tiempo.

Muchos métodos, a pesar de considerar la adición de agua y aditivos al conjunto granular, no reproducen con la misma fidelidad las condiciones de compactación. Como ejemplo se puede nombrar la determinación de la densidad de empaquetamiento máxima a través del ensayo Proctor o el método de consolidación por la centrifugación de pastas (Miller et al., 1996).

Nayara Soares Klein

Por otra parte, existen los métodos que consisten en determinar la demanda de agua necesaria a la producción de pastas en que los vacíos del conjunto granular estén completamente rellenos de agua, sin la presencia de aire en el interior de la masa o excesos de agua alrededor de las partículas. Éstos consisten en producir pastas con una baja relación agua/finos, la cual se aumenta lentamente hasta alcanzar la condición de saturación. Como ejemplo se puede citar los métodos propuestos por De Larrard (1999), Puntke (2002) y Marquardt (2002). Aunque estos métodos presenten resultados precisos y se basen en conceptos físicos coherentes, ellos no consideran el porcentaje de aire presente en el interior de las mezclas.

Con el objetivo de determinar la densidad de empaquetamiento máxima de las partículas finas en las mezclas de cemento Portland bajo condiciones de contorno reales, Wong y Kwan (2008a_{) propusieron un método de ensayo que no se basa en cualquier tipo}

de medición u observación de la consistencia de la mezcla. En lugar de ello, la concentración de sólidos y el contenido de vacíos se determinan a través de la medición de la densidad aparente de la masa fresca, para diferentes valores de la relación agua/ conglomerante (a/cong).

Como la evaluación del contenido de vacíos y de la concentración de sólidos se hace a través de la densidad aparente, el contenido de aire es automáticamente considerado. Además de ello, después de transferir la masa fresca de la amasadora al recipiente (de volumen conocido) en que se va determinar la densidad aparente, es posible aplicar la compactación deseada al conjunto.

Para que se pueda entender bien el ensayo, se va presentar la definición de los términos en que se basa el método. En un volumen fijo ocupado por un conjunto granular, los vacíos son los espacios intersticiales entre las partículas sólidas. Luego, el volumen total es ocupado tanto por el volumen de vacíos (VV) cuanto por el volumen de sólidos (VS).

El contenido de vacíos (ε) es definido como la relación entre el volumen de vacíos y el volumen total ocupado por el conjunto granular. Por otro lado, la relación de vacíos (u) se define como la relación entre el volumen de vacíos y el volumen de sólidos del material granular. La relación entre ε y u viene dada por la ecuación 2.6.

V V V ⇒ ( V V V ) ( V V) ⇒ [2.6]

Los vacíos pueden estar rellenos de: aire, agua, o ambos. El contenido de aire (εAire)

se define como la relación entre el volumen de aire (VAire) y el volumen total ocupado por

el conjunto granular. La relación de aire (uAire) es la relación entre el volumen de aire y el

volumen de sólidos del material granular. Similarmente, el contenido de agua (εAgua) se

define como la relación entre el volumen de agua (VAgua) y el volumen total ocupado por el

conjunto granular. La relación de agua (uAgua) es la relación entre el volumen de agua y el

El rol físico del agua en mezclas de cemento Portland

La relación entre εAire y uAire, así como entre εAgua y uAgua, viene dada por las

ecuaciones 2.7 y 2.8, respectivamente. Dichas ecuaciones han sido determinadas de modo similar al presentado para la ecuación 2.6.

[2.7]

[2.8]

La concentración de sólidos (ϕ) es la relación entre el volumen de sólidos y el volumen total ocupado por el conjunto granular, y se evalúa a través de la ecuación 2.9.

ϕ

[2.9]

El principio básico del ensayo se sostiene en considerar la dispersión de los granos que forman las pastas de cemento en agua. Cuando la relación a/cong es baja, el volumen de agua no es suficiente para mezclarse completamente con las partículas sólidas y se verifica la formación de ligaciones de agua discretas en los puntos de contacto entre granos (puentes de agua entre granos). Ello produce cierto distanciamiento entre partículas. Conforme la relación a/cong aumenta, dichos puentes de agua entre granos vecinos se encuentran y las uniones discretas se tornan continuas (se aproxima a la condición de saturación). Ello hace con que los granos se acomoden unos respecto a los otros. En esa situación, la concentración de sólidos aumenta y la relación de vacíos disminuye conforme la relación a/cong aumenta, tal como se observa en la figura 2.7.

Figura 2.7 – El comportamiento de u y ϕ respecto a la variación de la relación a/cong De modo similar, cuando la relación a/cong es elevada, las partículas se encuentran dispersas en el agua y se verifica la existencia de capas agua entre los granos,

Co n cen tr ac ió n d e só li d os ( ɸ ) R elac ió n d e vací os ( u ) a/cong ϕ u uAgua u_min ϕ_máx uAire a/cong Básica ε_Aire = 0 ɸ

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que los distancia unos de los otros. Una vez más en esa situación, la concentración de sólidos aumenta y la relación de vacíos disminuye conforme la relación a/cong disminuye, tal como se observa en la misma figura 2.7.

En ese sentido, se verifica que existe una relación a/cong (a/cong Básica) en que la

concentración de sólidos es la máxima (ϕmáx) y la relación de vacíos es la mínima (umin).

Dicha situación ocurre cuando las partículas se encuentran estrechamente empaquetadas unas contra las otras, de modo que representan la densidad de empaquetamiento máxima del material granular en condiciones húmedas. En ese punto, los vacíos (espacios intersticiales entre las partículas sólidas) se componen tanto de aire como de agua. Ello se verifica en la figura 2.7 a través de la línea εAire = 0. Dicha línea demuestra que el contenido

de aire es nulo cuando los vacíos son completamente ocupados por el agua, o u = uAgua

(cuando la relación a/cong es elevada). La relación de aire (dada por uAire = u – uAgua) se

obtiene como la distancia vertical entre las curvas de la relación de vacíos y εAire = 0.