Facultad de Construcciones.
Departamento de Ingeniería Civil.
TRABAJO DE DIPLOMA
Título: Introducción del cemento PP35 en la
producción de hormigones estructurales en
Cayo Santa María.
Autor: Nosly Abreu Hernández
Tutora: MSc. Ing. María Betania Díaz García
II
Imposible,
significa que no has encontrado la solución.
Henry Ford
III
Dedicatoria:
A mi abuela, porque ella siempre ha estado conmigo.
A mi mamá, que, aunque no haya estado durante
estos cinco años siempre se ha sentido orgullosa de mi.
IV
Agradecimientos:
Agradezco a mi abuela Teresa y mi hermano Only,
por darme confianza y apoyo.
A mi novia Karelys, por su preocupación, ayuda y
cariño.
A Jesús, Carmen y Diosdado por confiar mí y
hacerme sentir parte de su familia.
A mi tutora María Betania, por su paciencia y
exigencia en la realización de este trabajo.
A mis compañeros de clase que me han apoyado y que
a veces se mancharon de cemento.
V Resumen
El Cemento Portland Puzolánico PP35 producido por la industria de cemento cubana, tiene propiedades similares al Cemento Portland Ordinario P35, pero la presencia de tobas zeolíticas en el PP35 podría incrementar la demanda de agua en la preparación del hormigón, ya que, en las primeras horas de curado, las tobas podrían absorber mucha agua necesaria en la hidratación del cemento, y por esta razón producir fisuraciones. Por esta problemática es preciso hacer un estudio con dicho cemento para evitar estos fenómenos y lograr un hormigón que cumpla los parámetros de diseño. La introducción del cemento PP35 en la producción de hormigones de 35 MPa en las obras del Cayo Santa María demanda de un estudio de las dosificaciones para verificar que en todas las etapas de la obra cumplan con los requisitos técnicos establecidos, por lo que el presente trabajo observa el comportamiento del PP35 en las diferentes mezclas de hormigón al variar la relación agua cemento y la cantidad de este último, respectivamente, mediante el análisis y evaluación de las propiedades físico-mecánicos del hormigón fresco y endurecido, tales como: consistencia, absorción capilar, y la resistencia a compresión. Finalmente, al evaluar las diferentes muestras de hormigón se llega a estimar parámetros técnicos admisibles, a la vez que se determina la influencia de las diferentes variables en cada una de las mezclas.
VI Summary
PP35 Portland Puzolanic Cement produced by the Cuban cement industry has properties similar to the Ordinary Portland Cement P35, but the presence of zeolitic tobas in the PP35 could increase the water demand in the preparation of the concrete, since in the first hours Of curing, the tufts could absorb much water necessary in the hydration of the cement, and for this reason to produce cracks. Due to this problem it is necessary to make a study with this cement to avoid these phenomena and to obtain concrete that meets the design parameters. The introduction of PP35 cement in the production of concrete of 35 MPa in the works of Cayo Santa Maria demands a study of the dosages to verify that in all stages of the work they comply with the established technical requirements, reason why the present work The behavior of PP35 in the different concrete mixtures was evaluated by varying the water-cement ratio and the quantity of cement, respectively, by analyzing and evaluating the physical-mechanical properties of the fresh and hardened concrete, such as consistency, capillary absorption , And the compressive strength. Finally, when evaluating the different concrete samples, it is possible to estimate admissible technical parameters, while determining the influence of the different variables in each of the mixtures.
VII Tabla de contenido Resumen ... V Introducción... X Problema científico: ... XI Campo de acción ... XI Objeto de estudio ... XI Objetivo general ... XI Objetivos específicos ... XI Hipótesis ... XII Para dar cumplimiento a los objetivos específicos se plantean las siguientes tareas de investigación: ... XII Novedad científica: ... XII Aportes de la investigación ... XIII Estructura de la Investigación ... XIII
Capítulo I. Características, aplicaciones y uso de los cementos puzolánicos ... 15
1.1 Cemento. Generalidades. ... 15
1.2 Cementos puzolánicos ... 17
1.2.1 Propiedades de los cementos puzolánicos ... 17
1.2 Hidratación del cemento ... 22
1.2.1 Procesos de hidratación ... 22
1.2.2 Hidratación de los cementos puzolánicos ... 24
1.3 Hormigón. Efecto de los cementos. ... 25
1.3.1 Clasificación de los hormigones. ... 25
1.3.2 Propiedades de los hormigones ... 27
1.4 Fenómeno de la Retracción en el hormigón. ... 33
1.4.1 Tipos de retracción ... 33
1.4.2 Factores que influyen la retracción por gradiente de humedad relativa: ... 35
1.4.3 Permeabilidad ... 38
1.4.4 Acción química ... 39
1.4.5 Desgaste ... 39
VIII
Capítulo II. Acción del Cemento Portland Puzolánico PP35 en hormigones fluidos de
35Mpa. ... 41
2.1 Introducción ... 41
2.1.1 Procedimiento experimental ... 43
2.2 Materias primas utilizadas en la elaboración de los hormigones. Características .. 44
2.3 Dosificaciones empleadas en el experimento ... 50
2.4 Proceso de fabricación de las muestras ... 50
2.5 Ensayos en estado fresco ... 52
2.5.1 Cono de Abrams ... 52
2.5.2 Tiempo de fraguado ... 54
2.5.3 Contenido de aire ... 56
2.6 Ensayos en estado endurecido ... 59
2.6.1 Resistencia a la compresión ... 59
2.6.2 Canal de retracción ... 60
2.6.3 Absorción Capilar ... 62
2.6.4 Permeabilidad al aire... 63
Conclusiones Parciales ... 66
Capítulo III. Evaluación del Cemento Portland Puzolánico PP35 en hormigones fluidos de 35Mpa. ... 68
3.1 Introducción ... 68
3.2 Efecto de las combinaciones en el asentamiento del hormigón. Ensayo del cono de Abrams ... 68
3.3 Efecto de las combinaciones en el tiempo de fraguado del hormigón. Ensayo con el Penetrómetro. ... 69
3.4 Efecto de las combinaciones en el contenido de aire de las mezclas. Ensayo con el medidor de presión. ... 73
3.5 Efecto de las combinaciones en la resistencia del hormigón. Ensayo de resistencia a los 3,7 y 28 días ... 76
3.6 Efecto de las combinaciones en la permeabilidad al aire. Ensayo con el permeabilímetro. ... 77
3.7 Efecto de las combinaciones en la absorción de agua por capilaridad. ... 79
3.8 Análisis de la deformación mediante el canal de retracción ... 82
IX Conclusiones Generales ... 88 Recomendaciones ... 89 Bibliografía ... 90 Anexos ... 94 Anexo I ... 94 Anexo II ... 98 Anexo III ... 104
Introducción
El hormigón es un material pétreo aglomerado, formado por un esqueleto de material de relleno (áridos) unido por un matriz cementante que en su estado endurecido presenta elevada resistencia a la compresión. En función del tipo de aglomerante que se utilice se distinguen entonces los hormigones de cal, yeso, asfalto, resinas, entre otros (UCLM 2008).
El hormigón de cemento portland ha emergido claramente como el material de elección para la construcción de un gran número y variedad de estructuras en el mundo de nuestros días. Esto se atribuye principalmente al bajo costo de los materiales y la construcción para estructuras, así como también al bajo costo del mantenimiento. Por lo tanto, no es sorprendente que muchos avances en la tecnología del hormigón hayan ocurrido como resultado de dos fuerzas impulsoras, específicamente la velocidad de construcción y la durabilidad del mismo.
Para muchas aplicaciones, particularmente en condiciones ambientales severas, la elección del cemento influye en la durabilidad de los hormigones, morteros y pastas por lo que, atendiendo a la naturaleza de sus componentes, los cementos pueden clasificarse en cemento Portland, cemento Portland con adiciones, cemento Portland con escorias de alto horno, cemento compuesto y cemento puzolánico (UNE 2000).
El Cemento Portland Puzolánico es más fino que el Cemento Portland Ordinario, lo que se suele traducir en una mayor demanda de agua. La experiencia indica que utilizando similares materiales componentes y proporciones, para obtener el mismo asentamiento se necesita incrementar el contenido de agua de la mezcla en alrededor de 12 a 20 litros/m3 cuando se utiliza Cemento Portland Puzolánico respecto del Cemento Portland Ordinario. Por consiguiente, se recomienda el uso de aditivos plastificantes o adaptar su dosis, para mantener la relación a/c sin necesidad de incrementar o minimizar la cantidad cemento.
La industria de cemento cubana ha lanzado un nuevo tipo de cemento mezclado, el Portland Puzolánico de 35MPa (PP35), que alcanza propiedades similares a la del cemento Portland Ordinario (P35). La introducción del cemento PP35 en la
XI producción de hormigones de 35 MPa en las obras del Cayo Santa María demanda de un estudio de las dosificaciones para verificar que en todas las etapas de la obra cumplan con los requisitos técnicos establecidos.
En los hormigones producidos por la ECOT Cayo Santa María existen problemas visibles con la retracción por lo cual ocurre la aparición de fisuras en los elementos estructurales, por lo que es necesario buscar una alternativa viable. El Centro de Investigación y Desarrollo de Estructuras y Materiales (CIDEM) de la Universidad Central “Marta Abreu” de las Villas propone el empleo del cemento Portland Puzolánico PP35. Debido a esta situación, en la investigación se define el siguiente problema científico:
Problema científico:
¿En qué medida varían las propiedades reológicas y físico mecánicas de los hormigones producidos con Cemento Portland Puzolánico PP-35 en Cayo Santa María?
Campo de acción
Propiedades reológicas y físico mecánicas. Objeto de estudio
Hormigones producidos con Cemento Portland Puzolánico PP35. Objetivo general
Evaluar el efecto de la introducción del Cemento Portland Puzolánico PP35 en las propiedades reológicas y físico mecánicas en los hormigones producidos en la ECOT Cayo Santa María.
Objetivos específicos
1. Profundizar los temas relacionados con la hidratación de los cementos puzolánicos y su efecto en los hormigones.
2. Determinar el efecto en las propiedades reológicas de los hormigones producidos con Cemento Portland Puzolánico PP35.
3. Evaluar la influencia del Cemento Portland Puzolánico PP35 en las propiedades reológicas de los hormigones producidos en la ECOT Cayo Santa María.
Hipótesis
A partir de la introducción del Cemento Portland Puzolánico PP35 en la ECOT Cayo Santa María, se logra obtener hormigones con adecuadas propiedades reológicas y físico mecánicas.
Para dar cumplimiento a los objetivos específicos se plantean las siguientes tareas de investigación:
1. Selección adecuada de los materiales bibliográficos referenciados a hormigones puzolánicos e hidratación del cemento y su influencia en la producción de hormigones.
2. Selección y obtención de los materiales para ensayos a los hormigones. 3. Definición de la variación de la dosificación para el estudio de las propiedades
reológicas de los hormigones producidos con cemento PP-35.
4. Realización de los ensayos de los hormigones en estado fresco. Cono de Abrams, aire ocluido y tiempo de fraguado.
5. Fabricación de especímenes a escala de laboratorio.
6. Realización de los ensayos de los hormigones en estado endurecido. Resistencia a la compresión, permeabilidad del aire, absorción capilar y retracción.
7. Determinación de las variaciones en las propiedades reológicas de los hormigones producidos con cementos PP-35.
8. Procesamiento de los resultados experimentales.
9. Análisis del efecto de la variación de las dosificaciones en las propiedades reológicas de los hormigones.
10. Análisis estadístico de los resultados alcanzados en la investigación. 11. Entrega y discusión del trabajo de diploma.
Novedad científica:
Se demuestra que el empleo del cemento PP 35 mejora las propiedades reológicas en los hormigones producidos en la ECOT Cayo Santa María, sin afectar la durabilidad de los mismos, aspecto importante debido a la agresividad del medio al que están expuestos.
XIII Aportes de la investigación
Aporte Práctico:
Se pone a disposición el cemento PP 35, para la fabricación de los hormigones en ambiente agresivo. En general se pretende aportar una alternativa para alcanzar hormigones de mayor durabilidad.
Aporte económico:
Se pretende obtener con la implementación del cemento PP 35 una reducción de gastos económicos en reparaciones estructurales, debido a fallos que se presentan en diferentes elementos producidos con cemento Portland P35.
Estructura de la Investigación
Capítulo 1: Características, aplicaciones y uso de los cementos puzolánicos Se hace referencia a los cementos, haciendo énfasis en los cementos puzolánicos, el proceso de hidratación y las ventajas de este en los hormigones. Se hace un resumen de las principales propiedades del hormigón tanto en estado fresco como endurecido.
Capítulo 2: Acción del Cemento Portland Puzolánico PP35 en hormigones fluidos de 35Mpa.
Detalla las características y selección de los materiales, el diseño, fabricación y procedimientos de ensayos, mediante la utilización de equipos, e instrumental que se adecue a tales propiedades.
Capítulo 3: Evaluación del Cemento Portland Puzolánico PP35 en hormigones fluidos de 35Mpa.
Expone los resultados obtenidos e interpretación de los ensayos para la formulación del empleo de la dosis del nuevo aditivo al hormigón.
XIV Metodología de la investigación
Para cumplir con los objetivos trazados se lleva a cabo las siguientes etapas: Etapa I: Diseño Metodológico de la investigación.
1. Revisión bibliográfica.
2. Definición del problema científico, la hipótesis, objetivo general y los objetivos específicos. 3. Compendio de literatura científica sobre el tema de investigación.
4. Análisis crítico de aspectos relacionados con la temática de investigación en la literatura científica.
Etapa II: Materiales y experimentación empleados.
Etapa III: Análisis y discusión de los resultados.
15
Capítulo I. Características, aplicaciones y uso de los cementos
puzolánicos
1.1 Cemento. Generalidades.
El cemento es un conglomerante hidráulico obtenido como producto en una fábrica, que contiene al clínker portland como constituyente necesario. Es un material inorgánico finamente dividido que, amasado con agua, forma una pasta que fragua y endurece en virtud de reacciones y procesos de hidratación y que, una vez endurecido, conserva su resistencia y estabilidad incluso bajo el agua. Mientras que el clínker de cemento portland es el producto que se obtiene por cocción hasta fusión parcial (clinquerización) de mezclas íntimas, denominadas crudos, preparadas artificialmente y convenientemente dosificadas a partir de materias calizas y arcillas, con la inclusión de otros materiales que, sin aportar elementos extraños a los de composición normal del cemento, facilitan la dosificación de los crudos deseada en cada caso (Betancourt Rodríguez 2013), (Portland 2010). Los cementos se pueden definir como aquellas sustancias adhesivas, naturales o artificiales con las que se pueden formar masas plásticas, que son capaces de unir entre sí a fragmentos o masas de materiales sólidos con una distribución granulométrica determinada, que generalmente recibe el nombre de agregado, formando un conjunto totalmente compacto. Asimismo, con la masa plástica de cemento pueden unirse distintas piezas entre sí, realizarse recubrimientos, enlucir, realizar reparaciones, etc. La unión se produce mediante el endurecimiento del cemento desde el estado plástico (Francisco 2013a).
Clasificación y usos:
Según Norma UNE-EN 197-1:2000 los cementos pueden clasificarse en cinco tipos principales:
a) Cemento Portland: es el que más se emplea para fines estructurales siempre y cuando no se requieran propiedades especiales (Guadalupe Reyes Echavarría 2009).
b) Cementos Portland con adiciones: Hoy en día la mayoría de las mezclas de concreto contienen adiciones al cemento que constituyen una porción
16 del material cementante en el concreto. Estos materiales son generalmente subproductos de otros procesos o materiales de origen natural. Ellos pueden o no ser procesados antes de ser utilizados en los concretos. Algunos de estos son denominados puzolanas, que por sí mismos no tienen propiedades cementantes, pero cuando se utilizan con el cemento portland, reaccionan para formar componentes cementantes. Otros materiales, como las escorias sí exhiben propiedades cementantes. c) Cemento Portland con escorias de alto horno: Se obtiene por enfriamiento brusco en agua de la ganga fundida procedente de procesos siderúrgicos. Dado su contenido en cal combinada, la escoria no es una simple puzolana, sino que tiene de por si propiedades hidráulicas, es decir, que es un verdadero cemento, fragua y endurece muy lentamente, por lo que debe ser acelerada por la presencia de algo que libere cal, como el clínker de Portland (Calleja 1983).
Estos cementos presentan poca retracción y un débil calor de hidratación, por lo que pueden ser utilizados sin riesgo en grandes macizos. A cambio y por la misma razón, son muy sensibles a las bajas temperaturas, que retardan apreciablemente su endurecimiento, por lo que no deben utilizarse por debajo de los + 5 ºC (UCLM 2008).
d) Cemento puzolánico: endurecen más lentamente, en especial en ambiente frío, y requieren en general más agua de amasado que el Portland normal; pero a largo plazo llegan a superar las resistencias de este, confiere al hormigón una elevada densidad, disminuyendo su porosidad y haciéndolo más compacto, lo que aumenta su resistencia química. Todo ello lo hace recomendable para gran número de obras (canales, pavimentos. obras en aguas muy puras o ambientes medianamente agresivos, hormigonados bajo agua, obras marítimas, etc.) (Becker 2001).
Cemento compuesto: Estos cementos consisten en mezclas, que se muelen juntas, de clínker y ceniza muy fina, puzolana natural o calcinada, o bien, escoria, dentro de los límites en porcentaje especificados de los
17 componentes. También pueden consistir en mezclas de cal de escoria y cal de puzolana. En general, pero no necesariamente, estos cementos dan lugar a una resistencia mayor a la reacción álcali-agregado, al ataque por sulfato y al ataque del agua de mar, pero requieren un curado de mayor duración y tienden a ser menos resistentes a los daños por la sal para deshelar y descongelar. Dan lugar a una menor liberación de calor y es posible que ganen resistencia con mayor lentitud, en especial a bajas temperaturas (UNE 2000).
1.2 Cementos puzolánicos
Las puzolanas pueden usarse de dos formas fundamentales, en las llamadas mezclas cal-puzolana o como adiciones al cemento Portland o al clínquer de cemento Portland. Las mezclas de puzolanas con cemento Portland reciben el nombre de cementos puzolánicos. En este caso, debe destacarse que la cal con la que reaccionan las puzolanas es la denominada cal de hidrólisis, procedente de la hidratación de la alita y la belita (Betancourt Rodríguez 2013).
La incorporación de puzolanas a las mezclas con Portland se puede realizar en distintos momentos. Desde la propia fabricación del cemento hasta durante la elaboración de los morteros y hormigones. La cantidad de puzolana a añadir no debe exceder el 30% de sustitución por cemento y depende de las propiedades físicas y químicas y de las características del cemento utilizado (Betancourt Rodríguez 2013).
1.2.1 Propiedades de los cementos puzolánicos
Poseen una mayor lentitud en el desarrollo de su resistencia en comparación con sus semejantes sin sustitución, alcanzando valores similares e incluso superiores viéndose reflejado con mayor evidencia en las mezclas pobres. Para el curado es necesario de un ambiente húmedo si se quiere lograr una correcta hidratación. Ofrece una alta resistencia a los sulfatos debido a la disminución de la proporción de aluminato tricálsico (C3A) en el cemento, lo que conlleva también al control del
18 Los hormigones elaborados son más resistentes a la corrosión provocadas por las aguas blandas a partir de las reacciones ocurridas entre las puzolanas y la cal derivada de las reacciones de hidratación del cemento (C3S y C2S) (Becker 2001).
El uso de una puzolana de buena calidad asegura, no solamente una menor cantidad de cal libre en la pasta de cemento, sino que además se obtiene un mayor volumen de productos sílico-calcáreos-hidratados, por lo cual se obtiene, a igual relación a/c, una menor porosidad de la pasta debido a un refinamiento de poros y,
consecuentemente, menor permeabilidad respecto del cemento pórtland normal producido a partir del mismo clínker pórtland. Esto significa la obtención de una pasta de cemento más compacta, resistente y durable (Donatello, Tyrer et al. 2010). Propiedades en estado fresco
Las propiedades del hormigón en estado fresco dependen fundamentalmente de las características de los materiales componentes y las proporciones utilizadas, destacándose la influencia de los agregados (forma, tamaño y distribución) que suelen ocupar más del 70 % del volumen del hormigón. El cemento pórtland puzolánico (CPP) (400 m2/kg < Blaine < 500 m2/kg) es más fino que el cemento pórtland normal (CPN) (300 m2/kg < Blaine < 350 m2/kg) debido a su alta molturabilidad, lo que se suele traducir en una mayor demanda de agua. La experiencia indica que utilizando similares materiales componentes y proporciones, para obtener el mismo asentamiento se necesita incrementar el contenido de agua de la mezcla en alrededor de 12 a 20 litros/m3 cuando se utiliza CPP respecto del CPN. Por consiguiente, se recomienda el uso de aditivos plastificantes, o adaptar su dosis, de manera de mantener una cierta relación a/c sin necesidad de incrementar o minimizando el aumento del CUC (contenido unitario de cemento). De esta manera, puede ser aprovechada al máximo la alta capacidad de retención de agua que poseen los hormigones elaborados con CPP, minimizando la exudación que junto al curado son los parámetros fundamentales para obtener un hormigón de recubrimiento de calidad adecuada (Becker 2001).
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Fig. 1 “Hormigón en estado fresco” Fuente elaboración propia
Propiedades en estado endurecido
Los hormigones elaborados a partir de CPP son conocidos por su alta resistencia final, baja permeabilidad, reducido calor de hidratación y gran durabilidad.
Resistencia Mecánica
El desarrollo de resistencia depende, entre otros aspectos, de la velocidad de hidratación de las partículas de clínker pórtland, donde intervienen fundamentalmente su composición química y tamaño, y tipo, contenido y finura de la puzolana. Generalmente, el uso de CPP supone un desarrollo de resistencia más “lento” que el CPN debido a que la puzolana se hidrata en forma retardada con respecto al clínker (Dopico, Hernández et al. 2008).
20 Desarrollo de la temperatura
Cuando se construyen estructuras de hormigón masivo (bases, grandes plateas de fundación, diques, presas, etc.) resulta fundamental limitar la temperatura que adquirirá ese hormigón durante las primeras edades, como manera de limitar las deformaciones y tensiones que se producirán en la estructura por efectos térmicos y su consecuente riesgo de fisuración. También se puede trabajar limitando el contenido unitario de cemento y el calor de hidratación del cemento pórtland. Sin duda las estructuras masivas más exigidas son las presas, diques de hormigón simple donde se utilizan cementos de bajo calor de hidratación y/o se utilizan importantes contenidos de adiciones minerales, en general algún tipo de puzolana o escoria granulada de alto horno. La obtención de un cemento pórtland normal de bajo calor de hidratación, implica necesariamente la fabricación de un clínker portland “especial”, alto contenido de C2S y bajo C3S bastante diferente del clínker que se produce habitualmente para hacer otros tipos de cemento, lo que incrementa su costo considerablemente. El uso del cemento portland puzolánico de bajo calor de hidratación, mejora sensiblemente los costos a similares valores de calor de hidratación lo que sin duda resulta una clara ventaja y explica la altísima participación del CPP en obras de hormigón masivo (Rahhal, Donza et al. 2008). Permeabilidad
Evidentemente la permeabilidad del hormigón depende, además de los agregados, de la calidad de la pasta de cemento, destacándose la influencia de la relación agua-cemento. En un segundo orden de magnitud, existe cierta influencia del tipo de cemento portland utilizado. Resulta evidente que, en general, a igual relación a/c, los hormigones elaborados con portland puzolánico presentan un mayor volumen de gel SCH produciéndose un refinamiento de poros que se traduce en una menor permeabilidad, destacándose el excelente comportamiento que presentan los hormigones elaborados con este cemento ante el ataque del agua de mar debido a su menor permeabilidad al agua y a los cloruros (Jiménez Montoya, García Meseguer et al. 2010).
21 Resistencia a los sulfatos
Los cementos con adiciones minerales (puzolanas naturales o artificiales y escoria granulada de alto horno) son preferidos ante el ataque fuerte por sulfatos debido a su menor permeabilidad y capacidad de reducción de expansión por sulfatos incluso al utilizar clínker pórtland de contenido relativamente alto de AC3.
Tendencia a la fisuración
La tendencia a fisuración de un hormigón depende fundamentalmente de la dosificación utilizada, las dimensiones del elemento estructural y las condiciones de protección y curado. Evidentemente las losas (de edificios, pisos o pavimentos) son los elementos más sensibles a la fisuración por retracción plástica, alabeo térmico y contracción por secado, mientras que los elementos masivos están expuestos a la fisuración térmica como se explicó anteriormente.
El uso de cemento Portland Puzolánico hace que los hormigones tiendan a una baja velocidad de exudación, aumentándose relativamente la tendencia a la fisuración por retracción plástica (Fig. 3). No obstante, la ejecución de una adecuada protección y curado minimizan o eliminan la posibilidad de este tipo de fisuras (Oss and Padovani 2002).
La contracción por secado del hormigón depende de los productos de hidratación del cemento pórtland, el contenido de pasta y, fundamentalmente, del contenido de agua de la mezcla. El uso de Cemento Portland Puzolánico no implica una diferencia significativa de comportamiento respecto del Portland Ordinario, sin embargo, aquellos hormigones que demanden mayor cantidad de agua tienden a sufrir una mayor contracción por lo cual se recomienda, particularmente en el caso de los puzolánicos, el uso de aditivos plastificantes para aquellos elementos estructurales susceptibles a este tipo de fisuras (Joisel 1981).
22
Fig. 3 “Fisuración en el hormigón” Fuente elaboración propia
1.2 Hidratación del cemento
La hidratación del cemento es el proceso mediante el cual este material, al mezclarse con el agua, reacciona y empieza a generar enlaces o estructuras cristalinas, que lo convierten en un material aglutinante. Los componentes principales del Clinker son: el silicato tricálsico (C3S), silicato dicálsico (C2S), aluminato tricálsico (C3A), ferro aluminato tetracálsico (C4AF), oxido de magnesio (MgO), Cal libre (CAO) y sulfatos de Álcalis.
La composición anteriormente relacionada va en orden de mayor a menor proporción dentro del clínker. Todos ellos se pulverizan conjuntamente con el yeso y otras adiciones que le proporcionan características particulares en cuanto a su color, fraguado y progreso en las resistencias a la compresión. Cada uno de los constituyentes tiene diferentes comportamientos en cuanto a generación de calor de hidratación, fraguado y su reacción ante la presencia de agua (Aite 2010).
1.2.1 Procesos de hidratación
La reacción química inicial la efectúa el C3S, también denominada fase Alita, que
además de aportar la mayor resistencia mecánica desarrolla un mayor calor de hidratación, fragua rápido y afecta la resistencia inicial.
El C2S, denominada fase belita desarrolla su resistencia lentamente con la acción
23 compresión se empieza a desarrollar a los 7 días. El aporte en cuanto a resistencia mecánica de los otros componentes del clínker, como el aluminato tricálsico y el ferro aluminato tetracálsico es relativamente poco significativo.
La hidratación del cemento, por lo tanto, es un proceso físico-químico que cambia a medida que pasa el tiempo. Comienza cuando el cemento entra en contacto con el agua y se distinguen cuatro etapas:
Etapa 1
Cuando el cemento entra en contacto con el agua, se produce una rápida disolución de los minerales del clínker (principalmente C3S y C3A), así como de los sulfatos presentes en el cemento. Las especies iónicas pasan a la fase líquida, produciéndose, por lo tanto, un aumento de la concentración de AlO54-, SiO44- y (Ca)2+ y los iones (SO4) 2- procedentes del yeso y los sulfatos alcalinos. En los primeros minutos se produce una hidratación inicial del C3S, así como la formación de etringita por reacción del C3A con el yeso y el agua.
Etapa 2
A medida que la hidratación evoluciona, la velocidad de la misma disminuye de manera significativa durante unas horas. En este periodo, la concentración de iones (Ca)2+ en la fase líquida alcanza la sobresaturación y se inicia la nucleación y crecimiento del gel C-S-H y la formación y precipitación de portlandita, Ca (OH)2. La concentración de iones (SO4)2- permanece constante, ya que la fracción consumida en la formación de etringita es reemplazada por la disolución progresiva de los sulfatos cálcicos.
Etapa 3
Comienza el fraguado. El proceso de hidratación se acelera de nuevo y es controlado por la nucleación y crecimiento de los productos de hidratación. Se forman grandes cantidades de gel C-S-H, y la portlandita continúa precipitando, produciéndose un descenso de la concentración de iones (Ca)2+ en la disolución, lo que provoca una nueva aceleración en la velocidad de disolución del C3S. Debido a la formación masiva de etringita, la concentración de iones (SO4)2- empieza a descender.
24 Etapa 4
La pasta ya ha fraguado, comienza a endurecer. Se produce una disminución de las velocidades de reacción y la etringita puede transformarse en monosulfoaluminato cálcico hidratado como consecuencia del descenso de iones sulfato en disolución. En este periodo de desaceleración, la hidratación del C2S puede empezar a ser significativa. En esta última etapa, las partículas anhidras de los silicatos están rodeadas por una densa capa de hidratos y, por lo tanto, la velocidad de reacción pasa a estar controlada por la difusión de los iones a través de dicha capa. Se produce en esta etapa la condensación y densificación del gel C-S-H (Orcasitas 2015).
Fig. 4 “Etapas de hidratación” Fuente (Silva 2017)
1.2.2 Hidratación de los cementos puzolánicos
Las interacciones que producen las puzolanas sobre las reacciones de hidratación de los componentes mineralógicos del clínker Portland y su regulación de fraguado, en los sistemas puzolana-silicato tricálsico (C3S) y puzolana-aluminato tricálsico
(C3A), aceleran la reactividad de los componentes. Además, dichas interacciones
resultan estimuladas por la elevación de la temperatura y por el aumento de la relación cal/puzolana. No obstante, con la variación del porcentaje de adición
25 puzolánica se ha determinado que la misma se ha comportado para los menores porcentajes de incorporación, como estimuladora de las reacciones de hidratación, y para los mayores, a modo de focos de disipación de calor. Por otra parte, se ha determinado también que, en coincidencia con la disminución del calor de hidratación al aumentar el porcentaje de reemplazo, han aumentado los tiempos de fraguado, disminuyendo la trabajabilidad y la resistencia mecánica a las primeras edades (Soria 1972).
1.3 Hormigón. Efecto de los cementos.
El hormigón es un material constituido por la mezcla de cemento, árido fino, árido grueso y agua, con o sin la incorporación de aditivos o adiciones, que desarrolla sus propiedades al hidratarse el cemento.
Las propiedades de los hormigones se ven afectadas a gran escala por la utilización del tipo de cemento debido a que su aporte en cuanto a resistencia y durabilidad puede ser en mayor o menor medida de acuerdo al medio al que estén expuestas las obras estructurales.
1.3.1 Clasificación de los hormigones. Por su Densidad
Los hormigones estructurales pueden clasificarse por su densidad en:
Ligeros...de 1.200 a 2.000 kg/m3. Normales...de 2.000 a 2.800 kg/m3 Pesados...más de 2.800kg/m3.
Por su composición
Hormigón ordinario: Confeccionado con áridos pétreos (naturales y de machaqueo) con una curva granulométrica continua, teniendo áridos gruesos y finos, en proporciones adecuadas.
Hormigón sin finos: Son hormigones en los que no existe el árido fino o las fracciones más finas de este. Son porosos y filtran el agua.
Hormigón Ciclópeo: Es hormigón ordinario al que se le añaden, durante su puesta en obra, áridos de un tamaño mayor de 30 cm de diámetro. Vertido en proporciones
26 que no se pierda la compacidad aceptada. Se utiliza en cimentaciones, cuando estas son excesivamente profundas.
Hormigón Unimodular: Es un hormigón donde el árido es de un único tamaño, dando hormigones muy porosos.
Hormigón ligero: Hormigón donde el árido grueso es de baja densidad (pumita, escorias granuladas, arcillas expandidas, etc.).
Hormigón pesado: compuesto de conglomerante y árido de alta densidad. Se usa para estructuras o muros para impedir radiaciones.
Hormigón Refractario: Hormigón que resiste altas temperaturas, así como la abrasión en caliente. Se fabrica con cemento de aluminato de calcio y áridos refractarios.
En función de su Armado
Hormigón en masa: Es un sistema constructivo, estructural o no, que emplea hormigón sin armadura o con esta en cantidad y disposición muy pequeña. Es apto para resistir compresiones.
Hormigón armado: Es un sistema constructivo generalmente estructural, donde el hormigón lleva incorporado armaduras metálicas a base de redondos de acero corrugado, con la misión de resistir los esfuerzos de tracción y flexión. De este modo se consigue un material resistente tanto a los esfuerzos de compresión como a los de tracción. Los esfuerzos de compresión son soportados por el hormigón. Los esfuerzos de tracción se resisten gracias a la armadura. La obtención de estructuras de hormigón armado se lleva a cabo del modo siguiente: se dispone un encofrado o molde con la forma del elemento de construcción que se desea conseguir, se introduce en él la armadura de acero y se vierte el hormigón fresco en el interior del encofrado, de modo que recubra y envuelva la armadura. Cuando el hormigón ha fraguado, se retira el encofrado y se obtiene el elemento. Así, en el caso de una viga, la armadura se sitúa en la zona inferior del elemento, que está sometida a esfuerzos de tracción, mientras que la masa del hormigón se acumula en la zona superior, sometida a esfuerzos de compresión. De este modo, las vigas soportan bien los esfuerzos de flexión, que, como se sabe, son el resultado de la combinación de esfuerzos de compresión y de tracción. Por otra parte, el recubrimiento del
27 hormigón, una vez fraguado, garantiza la impermeabilidad de la estructura y, por lo tanto, la inoxidabilidad de la armadura de acero. Como la unión entre el hormigón y el acero es puramente mecánica, es conveniente que las barras de refuerzo estén retorcidas o posean salientes superficiales, con el fin de incrementar la adherencia y evitar el deslizamiento. El hormigón armado se emplea en todas las estructuras realizadas con hormigón tales como cimentaciones, de zapatas o de zanjas, arriostramiento o zunchos, pilares, jácenas, vigas y viguetas, etc.
Hormigón pretensado: Si los esfuerzos de tracción a los que se somete el hormigón armado son muy grandes, las barras de las armaduras pueden experimentar dilatación elástica, con lo que el hormigón que las recubre se rompe. Para mejorar la resistencia del hormigón a grandes esfuerzos de tracción, se tensan previamente las barras de acero con el fin de compensar la dilatación que pudieran experimentar. Así se obtiene el hormigón pretensado. El hormigón pretensado es una variedad de hormigón armado cuyas varillas han sido tensadas antes de que se produzca el fraguado del hormigón. Posteriormente se desarrolló el hormigón postensado, en el que las varillas se introducen en el hormigón y se tensan después de que éste ha fraguado. Sin embargo, la denominación de hormigón pretensado se ha generalizado para ambas técnicas.
1.3.2 Propiedades de los hormigones
El hormigón hidráulico se presenta de una forma más o menos plástica al ser mezclados sus componentes en las primeras horas de manera que permite moldearse (Hormigón fresco). Mientras pasa el tiempo y se produce la hidratación del cemento la masa plástica pasa a ser un material sólido con características pétreas (Hormigón endurecido). Las propiedades del hormigón en estado fresco influyen grandemente en las propiedades del hormigón endurecido.
28 Propiedades del hormigón en estado fresco
Consistencia
La consistencia es la capacidad de deformación que tiene la masa de hormigón en estado fresco (Montoya, Meseguer et al. 1987). En ella influyen fundamentalmente la forma de los áridos, la granulometría, la cantidad de agua de amasado, los aditivos utilizados, entre otros.
Muchos son los factores que modifican la consistencia del hormigón, sin embargo, es indudable que el más importante de ellos es el contenido de agua en la masa del material.
Laborabilidad
Una propiedad indispensable de toda mezcla de hormigón en estado fresco es su laborabilidad (o docilidad), entendiéndose como tal la aptitud del material para dejarse fabricar, transportar, colocar y compactar, sin que se presenten afectaciones notables en dichas actividades (Betancourt Rodríguez 2013).
Esta propiedad depende de dos factores fundamentales: las condiciones de fabricación y puesta en obra y las características de los elementos. El primero se refiere a las condiciones tecnológicas que se tienen para el amasado, la transportación, la colocación y fundamentalmente para la compactación del hormigón. El segundo se refiere a las características de los elementos a que son destinados los hormigones, tales como la configuración y dimensiones de los moldes utilizados y la cantidad y distribución del acero de refuerzo. Un mismo hormigón puede ser considerado laborable para la fabricación de un elemento bajo las condiciones de mezclado, transportación, colocación y compactación y no ser laborables bajo otras condiciones.
Exudación
El fenómeno conocido como exudación ocurre cuando durante la colocación y compactación de la mezcla de hormigón dentro de los encofrados, las partículas componentes del material se van re-acomodando gracias a la lubricación de la pasta de mortero de cemento y a la energía que se le aplica. De esta manera, ya asentadas las partículas más gruesas, una parte del agua “en exceso” es forzada a ascender dentro del volumen del material, logrando parte de ella salir a la superficie
29 y formar una película de agua visible, en los elementos recién hormigonados. Otra parte del agua migra dentro de la masa de hormigón, pero al ser obstaculizado su movimiento queda atrapada bajo las partículas de los áridos, mayormente bajo las partículas planas alargadas y las barras de refuerzo en el hormigón (Betancourt Rodríguez 2013).
La exudación influye negativamente en las propiedades del hormigón endurecido; al evacuarse el agua hacia la superficie crea a su paso poros capilares que dejan abierta una puerta a los agentes agresivos. Los hormigones que tuvieron mucha exudación generalmente son menos durables. Los principales factores que influyen en este fenómeno son la relación agua/cemento y el contenido de finos en la mezcla. Tiempo de fraguado
El tiempo de fraguado del hormigón es de gran importancia al acometer trabajos de hormigonado; indica el margen que se tiene para terminar el proceso constructivo. No debe confundirse con el tiempo de fraguado del cemento, ya que intervienen factores como las diferentes relaciones agua/cemento, la presencia de áridos y las condiciones ambientales.
Temperatura del hormigón
La temperatura del hormigón depende de factores estrechamente ligados a características propias de la mezcla (cantidad y tipo de cemento y tiempo de contacto del agua con el cemento), a condiciones ambientales (Temperatura de los áridos, cemento y del medio ambiente) y a la forma y dimensiones de los elementos a hormigonar.
Las elevadas temperaturas que se generan en los hormigones en el período de fraguado traen consigo influencias negativas traducidas en rápidas evaporaciones del agua, pérdida de asentamiento, disminución de los tiempos de fraguado y aparición de fisuras prematuras (Gómez 2012).
Cuando se realizan procesos de hormigonados en países tropicales como Cuba, es necesario mantener un estricto control de la temperatura y tomar medidas de prevención para evitar la fisuración prematura del hormigón y otros efectos negativos, como la pérdida de asentamiento y disminución de los tiempos de fraguado.
30 Se recomienda que la temperatura del cemento en el momento de su uso no exceda los 50°C según la NC 120:2007 “Hormigón hidráulico. Especificaciones”. En el caso de los hormigones en estado fresco la temperatura indicada por la NC 354: 2004 “Hormigón fresco. Determinación de la temperatura” no debe sobrepasar los 35°C. Hay un número de opciones para controlar la temperatura del hormigón, que incluye el ajuste de la temperatura de los materiales constituyentes y/o el enfriamiento de la mezcla (Aquitectuba 2009). La temperatura de la mezcla de hormigón depende en su mayoría de la temperatura de sus materiales componentes (cemento, áridos y agua), que en el caso de los áridos por constituir del 75 al 80% del volumen, representan el mayor aporte.
Contenido de aire y peso unitario
Cuando normalmente se efectúa la colocación y compactación de un hormigón en los moldes, siempre queda una cierta cantidad de aire “atrapado”. Bajo condiciones normales, la cantidad de aire atrapado es de alrededor de un 2 % (unos 20 litros/m3). Desde luego que una compactación deficiente dejará la masa de hormigón menos compacta, y pueden quedar coqueras adicionales al aire atrapado, pero en este caso se refiere al aire que queda en un hormigón “compactado”. Claro que el peso unitario de un hormigón dependerá de su grado de compactación, contenido de aire atrapado y del peso específico de los materiales constituyentes (en sus cantidades respectivas) (Betancourt Rodríguez 2013).
Propiedades del hormigón en estado endurecido Durabilidad
La durabilidad de un hormigón hidráulico es la capacidad que tiene de resistir a lo largo del tiempo los efectos del medio ambiente y los agentes agresivos que tienden a destruirlo.
Entre los factores que determinan la durabilidad se encuentran: la calidad del hormigón (materiales componentes, dosificación idónea y proceso de fabricación) y la naturaleza del medio ambiente que rodea el material (agentes y procesos que tienden a destruirlo).
31 Para garantizar la durabilidad del hormigón y la protección de las armaduras frente a la corrosión es importante realizar un hormigón con una permeabilidad reducida, realizando una mezcla con una relación a/c baja, una compactación idónea, un peso en cemento adecuado y la hidratación suficiente de éste añadiendo agua de curado para completarlo (Gómez 2012).
Las propiedades que a continuación se hace referencia tienen gran influencia en la durabilidad del hormigón hidráulico.
Permeabilidad
La permeabilidad es la capacidad que tiene el hormigón de permitir el paso a su interior de materiales en disolución, por lo que es una propiedad de importancia en la durabilidad del material.
La permeabilidad del hormigón está determinada mayormente por la permeabilidad del mortero y la pasta de cemento endurecida, ya que en ellas se encuentran los poros permeables capaces de permitir el paso de sustancias a su través, mediante distintos fenómenos (Betancourt Rodríguez 2013).
Resistencia a la compresión
El hormigón es un material que resiste a las solicitaciones de compresión, tracción y flexión. La resistencia que presenta frente a los esfuerzos de compresión es la más elevada de todas, cifrándose en unas 10 veces la de tracción, y es la que más interés presenta en su determinación, dado que en la mayor parte de las aplicaciones del hormigón se hace uso de esa capacidad resistente y a que, por otra parte, la resistencia a compresión es un índice de la magnitud de otras muchas propiedades del mismo (Blázquez 2010).
A diferencia de otros materiales pétreos, en el hormigón, muchas de sus propiedades estructurales dependen de la edad de fabricación y de las condiciones de curado. A menos que se especifique otra cosa, la resistencia a compresión del hormigón se determina sobre probetas ensayadas a los 28 días de edad y condiciones de curado normalizadas. Bajo determinadas circunstancias es posible que se especifique la resistencia a compresión a otras edades diferentes a los 28 días (Betancourt Rodríguez 2013).
32 Los factores que afectan la resistencia a compresión del hormigón son: la relación agua/cemento, las características del cemento, edad, calidad de los áridos, proporciones de la mezcla, grado de compactación, temperatura y condiciones del ambiente de curado y las condiciones de ensayo.
Adherencia
La adherencia es una propiedad de particular importancia en el trabajo del hormigón armado, ya que el mismo está basado precisamente en la perfecta unión entre el hormigón y el acero de refuerzo, resistiendo bien el primero los esfuerzos de compresión y el segundo los esfuerzos a tracción (EHE 1999).
Retracción
La retracción es un fenómeno producto de la desecación que se genera en el hormigón, donde es mayor en las partes exteriores que en las interiores, en los elementos masivos se generan tensiones internas de tracción a causa de la retracción desigual, lo cual conduce a la formación de fisuras en la masa del hormigón, particularmente en la interface árido-pasta (Betancourt Rodríguez 2013). Los hormigones después de su confección contienen una cantidad de agua que se encuentra normalmente muy por encima de la cantidad de agua necesaria para la reacción del cemento. Este exceso es necesario para asegurar la laborabilidad suficiente para su manipulación y compactación, así como asegurar que haya agua suficiente para el fraguado y el endurecimiento del cemento, que depende de la reacción del cemento con el agua y puede demorarse por numerosos meses. En la mayoría de los casos la pieza de hormigón está en contacto con la atmósfera (la cual no está saturada de agua) provocando la evaporación del agua, que unida a la que se va combinando con el cemento, provocan una más o menos lenta disminución del agua libre en el hormigón (Acevedo 1985).
Como el proceso de la difusión de la humedad del interior del hormigón hacia su superficie es muy lento, la superficie se seca más rápidamente que el interior y, por tanto, la contracción “libre” tiende a desarrollarse principalmente en la periferia de la sección. La distribución irregular de esta contracción “libre” y la deformación plana necesaria, provocan esfuerzos de tensión en las fibras exteriores y de compresión en las fibras interiores. La contracción “aparente” uniforme es el resultado
33 combinado de la contracción “libre” y las deformaciones instantáneas y lentas, producidas por los esfuerzos inducidos. Así, sólo es posible que se produzca contracción sin restricciones en secciones delgadas de hormigón es decir en placas, cuerpo limitado por dos planos, a distancia pequeña en comparación con las otras dimensiones (Gómez 2012).
Al continuar el secado se elimina el agua absorbida y el cambio en el volumen de la lechada de cemento en esa etapa es aproximadamente igual a la pérdida de una película de agua cuyo espesor es el de una molécula de la superficie de todas las partículas de gel. Como el “espesor” de una molécula de agua es aproximadamente 1% del tamaño de una partícula de gel, se suponía que el cambio lineal de dimensiones de la lechada de cemento al secado completo también era del orden de 1%. En la realidad se han observado valores hasta de 0.4%, pero el cambio global en el volumen del concreto en proceso de secamiento es menor que el volumen de agua extraída (Aquitectuba 2009).
1.4 Fenómeno de la Retracción en el hormigón. 1.4.1 Tipos de retracción
Retracción plástica: Cuando la pasta de cemento es plástica experimenta una retracción volumétrica, cuya magnitud es del orden de 1% del volumen total del cemento seco. Esta reducción se conoce como retracción plástica, porque se presenta mientras el hormigón está todavía en estado plástico, la pérdida de agua por evaporación de la superficie del hormigón agrava la retracción plástica y puede llevar a un agrietamiento superficial. Sin embargo, si se evita por completo la evaporación inmediatamente después de la colocación del hormigón, se elimina el agrietamiento. Por el lado de los materiales, se ha encontrado que la retracción plástica aumenta junto con el contenido de componentes finos en la mezcla de hormigón, de esta forma si agregamos más cemento en la mezcla, si se usa cemento fino o se incorpora polvo de sílice incrementa la tendencia del hormigón a tener fisuras por retracción plástica. El efecto del polvo de sílice fue establecido por Bloom y Bentur en 1995. Dentro de las primeras 2 horas de edad, la contracción superficial del hormigón está restringida por el resto del hormigón que aún se
34 mantiene estable dimensionalmente. Esta restricción genera tensiones de tracción que el hormigón no puede soportar ya que está en estado fraguado y se fisura (Henríquez 2011).
Retracción por secado: se produce por la pérdida de agua en poros y capilares en el hormigón. Este fenómeno puede ocasionar en la pasta de cemento retracción de volumen de hasta un 1%. No obstante, los áridos agregados reducen estas deformaciones a valores cercanos a los 0.06%, haciendo menos grave este efecto en elementos de hormigón. Una pasta de cemento saturada no permanecerá dimensionalmente estable cuando se expone a humedad ambiental por debajo de la saturación, principalmente porque la pérdida del agua físicamente absorbida del H-S-C (fase hidrato de silicato de calcio), resulta en deformaciones por retracción. En resumen, la retracción por secado está principalmente relacionada con la remoción de agua absorbida de la pasta de cemento hidratada. La humedad relativa diferencial entre el hormigón y la del medio ambiente es la fuerza conductora de este fenómeno (Munizaga 2009).
Retracción autógena: Aun después del fraguado ocurren cambios de volumen en forma de retracción o dilatación. Una continua hidratación puede llevar a una expansión, sin embargo, cuando no se permite el movimiento de humedad, ya sea hacia adentro o fuera del hormigón, se produce una retracción. La retracción de tal sistema se conoce como retracción autógena, en la práctica esto se produce en el interior de una gran masa de hormigón. La magnitud del movimiento está entre 40x10-6 a la edad de un mes, y de 100x10-6, después de 5 años (medido como deformación unitaria lineal). Por lo tanto, la retracción es relativamente pequeña y en la práctica (excepto en grandes estructuras de hormigón masivo) no es necesario tomarla en cuenta como factor separado de la retracción por secado que normalmente incluye aquella retracción causada por cambios autógenos. Es más importante cuando la razón agua-cemento es baja (menor a 0,40) (Sant 2009). Retracción química: Durante el proceso de hidratación del cemento ocurren cambios de volúmenes en los sólidos y líquidos de la mezcla de hormigón que se conocen como retracción química. Los productos hidratados constituyen solo una parte del volumen total de cemento y agua al inicio del proceso. La retracción
35 química continúa ocurriendo en una escala microscópica mientras dura la hidratación del cemento, aunque después del fraguado inicial la pasta no se deforma tanto como cuando estaba en una condición plástica. Un aumento en la hidratación y por consiguiente en la retracción es compensado por la formación de vacíos en la microestructura. La mayor parte de este cambio de volumen es interno y significativamente no cambia las dimensiones externas visibles de un elemento. La expansión que produce el calor generado por las reacciones de hidratación del cemento provocan tensiones en las zonas a temperaturas más frías del mismo elemento, por estar en contacto con el ambiente, o con volúmenes de hormigón puestos en obra con anterioridad que van impidiendo su libre movimiento de retracción inicial. Debido a la retracción química se forman poros permeables que contribuyen a una depresión de la humedad relativa interna (Herrera 2014).
Retracción por carbonatación: Se presenta cuando queda cierta proporción de material cementante sin hidratar, susceptible de reaccionar con el dióxido carbónico del aire, produciendo carbonato de calcio, combinación química que tiene un carácter contractivo, por lo cual el espesor de hormigón afectado por él, disminuye su volumen inicial, generándose la denominada retracción por carbonatación. Las deformaciones por retracción de carbonatación son muy pequeñas y despreciables, en general, el espesor afectado es pequeño, alcanzando sólo un par de milímetros en la zona cercana a la superficie en contacto con el aire. Sin embargo, por el confinamiento que produce el hormigón interior adyacente, esa capa queda sometida a tensiones de tracción, pudiendo presentarse fisuración. El punto al cual el hormigón puede reaccionar con el CO2 es una función de la humedad relativa, a altas humedades relativas los poros cercanos a la superficie son principalmente llenos con agua, previniendo el ingreso de CO2 y limitando la reacción (Días 2014). 1.4.2 Factores que influyen la retracción por gradiente de humedad
relativa:
La retracción por gradiente de humedad relativa se ve influenciada por:
Condiciones ambientales: la temperatura ambiente, la humedad relativa y la velocidad del viento las cuales provocan la pérdida de la humedad de la
36 superficie. La combinación de estos factores conduce a una retracción por secado del hormigón ya que ocasiona la evaporación. También la diferencia de temperatura en ambos lados del elemento conlleva a una retracción por secado. El encogimiento por secado es superior cuando aumenta la temperatura, disminuye la humedad relativa y se incrementa la velocidad del viento (Henríquez 2011).
La geometría: los elementos más grandes y de gran espesor secan con más rapidez que los pequeños, lo que produce para un mismo período de secado mayor retracción por secado. El efecto de la geometría se representa en la mayoría de los códigos y normas por un espesor teórico que se define como dos veces el área de la sección transversal dividido por el perímetro. Un espesor teórico más grande provocará una menor retracción por secado (Herrera 2014).
Tipo de cemento: la composición del cemento puede afectar el encogimiento por secado, aunque este efecto no está determinado completamente. El aluminato tricálsico (C3A) y la cantidad total de álcalis tienen un cierto efecto, así como el contenido de sulfatos en el cemento. La utilización de Materiales Cementicios Suplementarios (MCS) como en el caso cubano las tobas zeolíticas, podría ayudar a hacer más tortuoso el sistema de poros del hormigón, y de esta forma disminuir el movimiento de agua en el sistema, lo que contribuiría a reducir la retracción por gradiente de HR (Henríquez 2011).
Contenido de áridos: estos restringen el encogimiento por secado en los hormigones. Cuanto más rígido sea el agregado más efectivo será para reducir la retracción por secado. La retracción por secado disminuye con el aumento de la relación árido-cemento. Adicionalmente la granulometría, el tamaño máximo, la forma y la textura de los áridos tienen una marcada influencia (Joisel 1981).
Relación agua-cemento: el encogimiento por gradiente de HR (secado) se incrementa al aumentar la relación agua–cemento, debido a que se incrementa el volumen de poros capilares en la matriz de hormigón, y muchas
37 veces su grosor. La variación del encogimiento en este caso se explica por la pérdida de agua durante el endurecimiento del hormigón (Munizaga Román 2009).
Práctica constructiva: la colocación, compactación y curado constituyen factores de gran importancia para minimizar el encogimiento por gradiente de HR en los hormigones. Añadir agua a la mezcla en la obra para lograr una mejor laborabilidad aumentará la relación agua/cemento, e induce una mayor porosidad. La correcta compactación y curado dan como resultado un hormigón más denso, con menos vasos capilares y más discontinuos, lo que garantiza mantener la humedad del hormigón y por tanto reducir el encogimiento por secado (Sant 2009).
Tiempo: la evolución de la retracción con el tiempo responde a una escala logarítmica, y tiene un aumento muy considerable en las primeras horas e incluso días, debido a que el hormigón no ha adquirido la resistencia necesaria, finalmente tiende a estabilizarse y no crece indefinidamente (Henríquez 2011).
1.6 Durabilidad en el hormigón
El hormigón durable es aquel que puede resistir de forma satisfactoria las condiciones de servicio a que estará sujeto, tales como: la meteorización, la acción química y el desgaste.
Es indispensable que el hormigón resista, sin deteriorarse con el tiempo, las condiciones para las cuales se ha proyectado. La falta de durabilidad puede deberse al medio al que está expuesto el concreto, o a causas internas del concreto mismo. Las causas externas pueden ser físicas, químicas o mecánicas; originadas por condiciones atmosféricas, temperaturas extremas, abrasión, acción electrolítica, ataques por líquidos y gases de origen natural o industrial. El grado de deterioro producido por estos agentes dependerá principalmente de la calidad del concreto, aunque en condiciones extremas cualquier concreto mal protegido se daña. Las causas internas son: la reacción álcali-agregado, cambios de volumen debidos a
38 diferencias entre las propiedades térmicas del agregado y de la pasta de cemento y sobre todo la permeabilidad del concreto ante los agentes externos y por ello un concreto durable debe ser relativamente permeable (Montejo Fonseca, Montejo Piratova et al. 2013).
1.4.3 Permeabilidad
La penetración de materiales en solución puede afectar adversamente la durabilidad del concreto, como por ejemplo cuando esas soluciones lixivian Ca(OH)2 o cuando
se efectúan ataques de líquidos agresivos (lixiviación: remoción de materiales solubles por el agua). Esta penetración depende de la permeabilidad del concreto y está determinada por la facilidad relativa con que el concreto puede saturarse de agua, por lo tanto, la permeabilidad se asocia mucho con la vulnerabilidad del concreto a la congelación. Además, en el caso del hormigón reforzado, el acceso de la humedad y del aire tiene como resultado la corrosión del acero de refuerzo, que a su vez causa un aumento en el volumen del acero, lo cual puede dar origen a grietas y descascaramientos del concreto y a pérdida de adherencia entre el acero y el hormigón (Mattio 2014).
La permeabilidad del hormigón es importante también en relación a lo hermético de las estructuras que retienen líquidos. Además, la penetración de humedad en el concreto afecta sus propiedades de aislamiento térmico.
La permeabilidad del hormigón no es solamente función de su porosidad, sino que depende también del tamaño, la distribución y la continuidad de los poros. La permeabilidad del concreto se ve afectada por las propiedades del cemento. Para una misma relación agua/cemento, el cemento grueso tiende a producir una pasta de más porosidad que un cemento fino. La composición del cemento afecta la permeabilidad en cuanto a su influencia sobre la rapidez de hidratación, pero el grado final de porosidad y de permeabilidad no se afecta (Oss and Padovani 2002). Un concreto con baja relación agua/cemento (con mínimo contenido de agua), buena gradación de los agregados, manejable y bien compactado es casi impermeable, por lo tanto, muy durable.
39 1.4.4 Acción química
El daño del concreto puede ser debido a reacciones químicas expansivas entre los álcalis del cemento y ciertos agregados que contienen sílice (ópalo, calcedonia, tridimita, cristobalita) y ciertas rocas volcánicas (riolita, andesita, dacita). Un agregado que contenga estos materiales en cantidades tan pequeñas como 1%, puede ser perjudicial para el concreto. La ASTM C-150 recomienda que el contenido de Na2O + 0,658 K2O del cemento no debe ser mayor de 0,6% cuando se utilicen
agregados que puedan reaccionar con los álcalis.
Las formas más comunes de la agresión química son: la lixiviación del cemento, la acción del agua de mar, la acción de los sulfatos y la de aguas naturales ligeramente ácidas.
La lixiviación o lavado de compuestos de calcio, conduce en algunas circunstancias a la formación de depósitos salinos en la superficie del concreto conocidas como eflorescencias; El carbonato de calcio formado por la reacción del Ca(OH)2 con el
CO2 queda después en forma de un deposito blanco, se encuentran también
depósitos de sulfato de calcio. Las eflorescencias pueden deberse también al empleo de agregados de arena de playa sin lavar; la capa salina en la superficie de las partículas del agregado puede formar un depósito blanco en la superficie del concreto. El yeso y los álcalis en el agregado producen un efecto semejante. Además de la lixiviación, la eflorescencia tiene importancia solamente con respecto a la apariencia del concreto (Provis 2017).
1.4.5 Desgaste
Las principales causas de erosión en las superficies del concreto son:
a) Movimiento de materiales desgastadores por medio del agua en movimiento.
b) Acción del tráfico en pavimentos.
c) Cavitación (formación, movimiento y colapso de burbujas de agua en obstrucciones o cambios de alineamiento en estructuras hidráulicas). Para que un concreto sea resistente al desgaste debe tener una relación agua/cemento baja, un mínimo contenido de agua y un curado adecuado. La resistencia del agregado grueso debe ser compatible con la de la matriz ligante. Un
40 método usado normalmente para evaluar la dureza de un agregado consiste en determinar la resistencia al desgaste en la máquina de los ángeles (normas NTC 93 y 98). El porcentaje de pérdida de dicho ensayo no debe ser mayor de 40%.
La resistencia del concreto a la abrasión puede determinarse por varios métodos, cada uno de los cuales intenta simular una forma de abrasión basada en la práctica. En todas las pruebas, la pérdida de masa de la muestra se emplea como medida de la abrasión.
No es fácil simular las condiciones reales de desgaste y la principal dificultad en la prueba de abrasión reside en asegurar que el resultado de una prueba represente la resistencia comparativa del concreto a un tipo de desgaste determinado (Técnica 2007).
1.5 Conclusiones parciales
1. Durante la hidratación del cemento cada uno de los constituyentes tiene diferentes comportamientos en cuanto a generación de calor de hidratación, fraguado y su reacción ante la presencia de agua.
2. La magnitud de la retracción, solo disminuye con un buen diseño del hormigón que se adapte a las condiciones a que será expuesto, utilizando el mayor tamaño máximo y volumen posible de áridos en la mezcla, un contenido mínimo de cemento y agua y de vital importancia una correcta compactación y un prolongado curado.
3. La durabilidad de los elementos estructurales se verá afectada por las reacciones químicas que ocurren debido a su exposición en ambientes marinos agresivos.
FLUIDOS DE
35M
PA.
41
Capítulo II. Acción del Cemento Portland Puzolánico PP35 en
hormigones fluidos de 35Mpa.
2.1 Introducción
Se expone en este capítulo, el diseño experimental para la evaluación de las propiedades reológicas y físico-mecánicas de hormigones fabricados en la ECOT “Cayo Santa María” con destino a los elementos estructurales de las instalaciones hoteleras de la cayería norte de Villa Clara.
Para lograr mayor nivel de detalle, se decide evaluar la consistencia, el tiempo de fraguado, el contenido de aire, los cambios volumétricos, le permeabilidad al aire, la absorción de agua por capilaridad y la resistencia a compresión a escala de laboratorio variando el tipo de cemento (cemento puzolánico y cemento ordinario). Además de evaluar la influencia de los componentes del hormigón en sus propiedades, se elaboran muestras con un aditivo químico reductor de agua de rango medio de alta eficiencia y con permanencia de trabajabilidad libre de cloruros. Diseño del plan experimental
El plan experimental consta de tres etapas; donde se comienza por la evaluación de las materias primas a utilizar y un estudio de las dosificaciones de las mezclas, pasando a una segunda etapa donde se realizan los ensayos a las muestras en estado fresco y en estado endurecido variando el tipo y cantidad de cemento y la relación agua-cemento.
FLUIDOS DE
35M
PA.
42
Figura 2.1 “Diseño experimental” -Fuente Elaboración Propia
Declaración de las variables independientes
Para el desarrollo de la investigación se declara como variable independiente el tipo de cemento utilizándose para las muestras cemento portland ordinario (P35) y cemento portland puzolánico (PP35), de este último se toman muestras con un contenido de 380 kg/m3 y 420 kg/m3. También se toma como variable independiente
la relación agua cemento (Ra/c) utilizándose los valores de 0,4 y 0,43. Declaración de las variables dependientes
Tiempo de fraguado Consistencia Retracción Resistencia mecánica Permeabilidad Absorción Capilar
