Capítulo 1. Comportamiento del Concreto

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Caracterización Básica del Concreto

1.1. El Concreto como Material

El término concreto, proviene del verbo latino concretus, que significa crecer juntos. Algunos sinónimos de este material como hormigón, se utilizan en España y algunos países de Sudamérica. En el resto de países Europeos se conoce con la palabra genérica de betong a excepción de aquellos países de habla Inglesa que le llaman concrete, y castellanizado como concreto como se le conoce en nuestro País, Centroamérica y Brasil.

El concreto es un material compuesto, integrado por material granular (agregado y/o filler) aglutinado en una matriz endurecida de material (el cemento o conglomerante) que rellena los espacios entre las partículas del agregado y las pega o aglutina. La Fig. 1.1 muestra distintas fases que utilizan cemento.

Fig. 1.1. Fases, incluyendo al concreto utilizando cemento.

El concreto es un material predominante. Compite directamente con otros materiales como el acero, la madera, el asfalto, roca, etc.

Ventajas:

 Habilidad para moldearse  Económico

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2

 Resistente al fuego  Energéticamente eficiente  Fabricado en el lugar  Estético

Desventajas:

 Baja resistencia a la tensión  Baja ductilidad

 Inestabilidad volumétrica  Baja relación Resistencia/Peso

Las propiedades típicas del concreto son:  Resistencia a la compresión = 35 MPa  Resistencia a la flexión = 6 MPa  Resistencia a la tensión = 3 MPa  Módulo de elasticidad = 28 GPa  Relación de Poisson = 0.18

 Deformación por tensión a la falla 0.001  Coeficiente de expansión térmica = 10-5/ºC  Deformación última por contracción = 0.05 – 1.0%  Densidad = 2400 kg/m3

1.1.1. Desarrollo histórico del cemento y el concreto

Los cementos no-hidráulicos

Los primeros materiales calcáreos utilizados como cementos en morteros fueron yeso y cal. Se cree que los egipcios utilizaron morteros de yeso en la construcción de la pirámide de Keops (~3000 a.C.); que se preparaba calcinando yeso impuro, que mezclado con agua, produce el fraguado de este material que es debido a la recombinación del yeso calcinado con el agua de cristalización que había sido separada durante el proceso de calentamiento:

1.1

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

1.2

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

O 3H O 1/2H 2CaSO O

2H

2CaSO4 2 130 C 4 2  2

2 C

1000

3 CaO CO

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3 mezclado. Una reacción secundaria es entonces la carbonatación subsecuente:

1.3

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

Cales hidráulicas

Los griegos y romanos también produjeron cales hidráulicas, calcinando calizas conteniendo impurezas de arcilla. Además sabían que ciertos depósitos orgánicos cuando eran molidos finamente y mezclados con cal y arena daban unos morteros que no sólo eran más fuertes que los morteros de cal ordinarios, sino también resistentes al agua. Los griegos utilizaron una ceniza de la isla de Santorín. Los romanos utilizaron una similar encontrada en los alrededores de la bahía de Nápoles, que se generalizó llamándola pozzolana (puzolana), la mejor variedad encontrada cerca de la villa de Pozzoli, cerca del monte Vesubio.

De esa forma, los morteros a base de cal-puzolana se utilizaron bastante en estructuras hidráulicas, como revestimientos, acueductos, cisternas, pilas y muros de contención marítimos. Los romanos sabían que si no había disponibilidad de conseguir puzolanas naturales, se obtenía un efecto similar moliendo finamente ladrillo recocido. Los romanos usaron estos morteros hidráulicos para fabricar una forma de concreto. Quizás el edificio antiguo más preservado hasta nuestros días es el Pantheon, que data del Siglo II a.C., que fue construido con concreto. El domo de tal edificio tiene 44 m de diámetro.

La calidad de los materiales cementantes declinó en la edad media. Se perdió casi por completo el arte de quemar cal y puzolanas. Los morteros de buena calidad no volvieron a aparecer sino hasta el Siglo XIV d.C. en la cual se reintrodujo el uso de las puzolanas. No fue sino hasta el Siglo XVIII que se comenzó a comprender la naturaleza de estos materiales cementantes. En 1756 John Smeaton fue comisionado para reconstruir el Faro “Eddystone” sobre la costa de Cornwall, Inglaterra. Smeaton utilizó un mortero preparado con cal hidráulica mezclada con puzolana importada de Italia. Tal Faro permaneció 126 años antes de reemplazarse por una estructura más moderna.

Desarrollo del cemento Portland

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

O H CaCO Ca(OH)

O H

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4

hidráulica calcinando mezclas sinterizadas de caliza y arcilla. James Frost introdujo el mismo principio en 1822 en Inglaterra.

Finalmente, en 1824, Joseph Aspdin sacó una patente de cemento Portland. El nombre de Portland fue llamado por Aspdin debido a la similitud del cemento endurecido a una caliza de la isla de Portland utilizada en los Siglos XVIII y XIX en los edificios del sur de Inglaterra. El cemento de Aspdin se preparaba calcinando algo de caliza finamente molida, mezclada después con arcilla y calcinando la mezcla en un horno hasta que el CO2 era liberado. Parece improbable que el cemento Portland haya podido fabricarse

de acuerdo a la patente de Aspdin debido a que las temperaturas no eran lo suficientemente altas para lograr un clinkerizado real. Isaac Johnson reclamo el haber calcinado materiales de caliza y arcillas a la temperatura de clinkerizado en 1845 para producir cemento Portland moderno.

El uso de cementos Portland se expandió rápidamente en Europa y Norteamérica. Los cementos naturales se fabrican calcinando calizas arcillosas. Se hicieron grandes avances en equipo para la producción de cemento Portland. Originalmente los hornos verticales se utilizaban para tal fin, pero presentaban desventajas. Las contribuciones de Ransome en Inglaterra en 1886 y Thomas A. Edison en EE. UU (quien tuvo por mucho tiempo una fábrica de cemento) en 1909 en la introducción de hornos horizontales se tuvo gran repercusión. Fue en EE. UU. Donde se utilizó el yeso por primera vez para incrementar el tiempo de fraguado.

Con la producción de cemento Portland, se intensificó el trabajo en el ensayo de pruebas y caracterización del material. Los primeros ensayos sistemáticos se elaboraron en Alemania en 1836. Después de muchos ensayos de experimentación en muchos países las pruebas para cemento comenzaron a estandarizarse en 1900.

1.1.2. Cementos

Se denomina cemento a un conglomerante hidráulico que, mezclado con agregados pétreos (agregado grueso y fino) y agua, crea una mezcla uniforme, maleable y plástica que fragua y se endurece al reaccionar con el agua, adquiriendo consistencia pétrea.

Se pueden establecer dos tipos básicos de cementos:

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

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

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

Composición

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

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

Fase Fórmula clásica Notación

abreviada Porciento en peso

Silicato tricálcico 3CaO·SiO2 C3S 55

Silicato dicálcico 2CaO·SiO2 C2S 18

Aluminato tricálcico 3CaO·Al2O3 C3A 10

Aluminoferrato

tetracálcico 4CaO·Al2O3·Fe2O3 C4AF 8

Sulfato cálcico

dihidratado CaSO4·2H2O CSH2 6

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

Óxido Notación

abreviada Nombre común Porcentaje en peso

CaO C Cal 64.67

SiO2 S Sílice 21.03

Al2O3 A Alúmina 6.16

Fe2O3 F Óxido férrico 2.58

MgO M Magnesio 2.62

K2O K Álcali 0.61

Na2O N Álcali 0.34

SO3 S Trióxido sulfúrico 2.03

CO2 C Dióxido de carbono —

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6

Clasificaciones ASTM

Hidratación del cemento

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

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

Compuestos Índice de

reacción Calor liberado

Contribución al cemento

Resistencia Calor liberado

C3S Moderado Moderado Alta Alto

C2S Bajo Bajo Bajo inicial,

alto final Bajo

C3A+CSH2 Rápido Muy alto Bajo Muy alto

C4AF+CSH2 Moderado Moderado Bajo Moderado

El C3A y el C3S son los compuestos más reactivos mientras el C2S reacciona

lentamente. La presencia de yeso disminuye el alto índice inicial de hidratación del C3A. La reacción del C4AF+yeso+agua, es un poco más bajo que el C3S, y la

hidratación del C4AF sin yeso es rápido.

Tipos ASTM

Existen cinco distintos tipos de cemento Portland reconocidos por la ASTM (American Society for Testing of Materials), que difieren sólo de las cantidades relativas de los compuestos del cemento y el grado de finura. La descripción de las composiciones se muestran en la Tabla 1.4.

El cemento tipo I es el más común, donde no se requiere de propiedades especiales. Sin embargo, si se requiere de una alta ganancia de resistencia como en un concreto prefabricado o cuando existe en riesgo de congelación, se puede especificar el tipo III. La cantidad de resistencia ganada por el tipo III en 24 horas es del doble del tipo I.

El problema de agrietamiento puede resolverse utilizando un cemento de bajo calor de hidratación, como el tipo IV; Puesto que los compuestos de C3S y C2S liberan mucho

calor, la reducción en su porcentaje, reduce en gran medida la liberación de calor.

El ataque por sulfatos recae en la interacción de los productos de hidratación formados a partir del C3A. Reduciendo el contenido de C3A, convirtiéndolo a C4AF, se puede

combatir el ataque por sulfatos. Manteniendo el C3A abajo el 5 % en peso, como se

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7 hasta de un 8% en peso puede tolerar pequeñas cantidades de sulfatos. El tipo IV es un cemento moderadamente resistente a los sulfatos, sin embargo, tiene un bajo índice de ganancia de resistencia. El tipo II tiene un contenido de C3S mayor que el tipo IV y

por tanto mayor desarrollo de resistencia pero mayor calor de hidratación. El tipo II es similar en resistencia que el tipo V, excepto por su baja resistencia a los sulfatos. El tipo II también se utiliza cuando se requiere un bajo calor de hidratación, pero un índice de ganancia de resistencia normal.

Los tipos de cementos de la ASTM, que aunque mantienen los mismos compuestos, pero en diferente proporción, se podría esperar que las propiedades en el concreto endurecido fuesen similares. En todos los cinco tipos, la suma total del C3S y del C2S

es aproximadamente el mismo: 75% por peso. De esa forma, las resistencias últimas de los concretos y morteros deberían ser similares aun cuando los índices de ganancia de resistencia fuesen diferentes. Este parece ser el caso como se muestra en la Fig. 1.2, aunque aquellos cementos que ganan resistencia lentamente, por lo general, tienen resistencias más altas a largo plazo.

Cementos Portland modificados

Los cementos Portland especiales son los cementos que se obtienen de la misma forma que el Portland, pero conteniendo diferentes porcentajes en los componentes. La norma ASTM tiene designaciones especiales, que aquí no se nombran. En lugar de ello se describe sólo su nombre genérico.

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

I II III IV V

C3S 55 55 55 42 55

C2S 18 19 17 32 22

C3A 10 6 10 4 4

C4AF 8 11 8 15 12

CSH2 6 5 6 4 4

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

Resistencia a

compresión a 1 día, MPa 15 14 24 4 12

Calor de hidratación a 7

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

Cementos combinados

Los cementos Portland pueden combinarse con puzolanas o escorias de alto horno para mejorar la durabilidad y otras propiedades no controladas por los cinco tipos ASTM descritos.

Cementos expansivos y cementos auto generadores de esfuerzos

El aluminato cálcico reemplaza el C3A en el cemento y el silicato cálcico continuará controlando las propiedades a largo plazo. Tres variantes, K, M y S se producen dependiendo de la naturaleza del compuesto de alumina usado para generar etringita.

etringita H

S cálcico

Aluminato    1.4

Cementos de calcio-sulfoaluminato

Antes de la adición de la mezcla al horno para el proceso de producción de cemento, se agrega a la mezcla C4A3S. Este es el mismo compuesto que la variante K de los

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Cementos de calcio-fluoraluminato

En este cemento el C3A se reemplaza por el calcio fluoraluminato, C11A7CaF2 (No es

posible expresar el fluoruro cálcico en términos de formulación de óxidos), que es aún más reactivo con el agua que el C3A. El desarrollo de resistencia ocurre muy rápido,

con valores de hasta 7 MPa en una hora después del fraguado. Si la temperatura en concreto fresco es de 4ºC no podrá ocurrir un rápido desarrollo de resistencia.

Cementos misceláneos

Cementos de fraguado y endurecimiento rápidos

Se puede usar el Tipo III con una alta finura (700 a 900 m2/kg) ó mezclado con un aditivo acelerante o ambos. Una formación prematura de etringita se usa también para producir un cemento de resistencia alta temprana. Las mezclas de cemento Portland Tipo I con yeso son comunes. También los cementos de magnesio y fosfato son también para este fin.

Cementos blancos

Estos contienen por lo tanto un porcentaje bajísimo de Fe2O3. EI color blanco es

debido a la falta del hierro que le da una tonalidad grisácea al Portland normal y un gris más obscuro al cemento férrico. La reducción del Fe2O3 es compensada con el

agregado de fluorita (CaF2) y de criolita (Na3AlF6), necesarios en la fase de fabricación

en el horno.

Cemento Portland férrico

Este cemento es muy rico en hierro que se obtiene introduciendo cenizas de pirita o minerales de hierro en polvo. Por lo tanto se tiene una mayor presencia de Fe2O3 y una

menor presencia de 3CaOAl2O3 cuya hidratación es la que desarrolla más calor. Por

este motivo estos cementos son particularmente apropiados para ser utilizados en climas cálidos. Los mejores cementos férricos son los que contienen una menor cantidad de 3CaOSiO2, produciendo la menor cantidad de cal libre (Ca(OH)2). Puesto

que la cal libre es el componente mayormente atacable por las aguas agresivas, estos cementos, son más resistentes a éstas.

Cementos de mezclas

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

Cemento puzolánico

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Mezclada con cal (en la relación de 2 a 1) se comporta como el cemento puzolánico, y permite la preparación de una buena mezcla en grado de fraguar incluso bajo agua.

Esta propiedad permite el empleo innovador del concreto, como ya habían entendido los romanos: El antiguo puerto de Cosa fue construido con puzolana mezclada con cal apenas antes de su uso y colada bajo agua, probablemente utilizando un tubo, para depositarla en el fondo sin que se diluyese en el agua de mar. Los tres muelles son visibles todavía, con la parte sumergida en buenas condiciones después de 2100 años.

La puzolana es una piedra de naturaleza ácida, muy reactiva, al ser muy porosa y puede obtenerse a bajo precio. Un cemento puzolánico contiene aproximadamente: 55-70% de clinker Portland, 30-45% de puzolana y 2-4% de yeso

Cemento siderúrgico

La puzolana ha sido sustituida en muchos casos por la ceniza de carbón proveniente de las centrales termoeléctricas, escoria de fundiciones o residuos obtenidos calentando el cuarzo. Estos componentes son introducidos entre el 35 hasta el 80%. El porcentaje de estos materiales puede ser particularmente elevado, siendo que se origina a partir de silicatos, es un material potencialmente hidráulico. Esta debe sin embargo ser activada en un ambiente alcalino, es decir en presencia de iones OH-. Es por este motivo que debe estar presente por lo menos un 20 % de cemento Portland normal. Por los mismos motivos que el cemento puzolánico, el cemento siderúrgico también tiene buena resistencia a las aguas agresivas y desarrolla menos calor durante el fraguado. Otra característica de estos cementos es su elevada alcalinidad natural, que lo hace particularmente resistente a la corrosión atmosférica causada por los sulfatos.

Cemento de fraguado rápido

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

Cemento aluminoso

El cemento aluminoso se produce a partir principalmente de la bauxita con impurezas de óxido de hierro (Fe2O3), óxido de titanio (TiO2) y óxido de silicio (SiO2).

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

1.1.3. Aditivos químicos

Históricamente, el uso de aditivos ha sido tan antiguo como el concreto mismo. Se sabe que los romanos utilizaban grasa animal, leche o sangre para mejorar sus concretos. Aunque estos aditivos se utilizaban para mejorar la trabajabilidad, la sangre es un agente efectivo incluso de aire que pudo también haber mejorado la durabilidad.

El estudio sistemático de los aditivos comenzó con la introducción de los inclusores de aire allá en 1930. Los romanos usaron ceniza volcánica en sus cales hidráulicas. En nuestros días la ceniza volante y la escoria de alto horno se utilizan de manera similar para mejorar el desempeño del concreto. Muchos ó más concretos contienen aditivos en sus formulaciones.

Los aditivos químicos o simplemente aditivos son aquellos ingredientes diferentes al cemento Portland, agua y agregados que se agregan a la mezcla inmediatamente antes o durante el mezclado. Los aditivos pueden clasificarse en función de lo siguiente:

 Aditivos inclusores de aire  Aditivos reductores de agua  Plastificantes

 Aditivos acelerantes  Aditivos retardantes

 Aditivos de control de hidratación  Inhibidores de corrosión

 Aditivos reductores de retracción  Inhibidores de reacción álcali-sílice  Aditivos colorantes

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

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

 Reducir el costo de la construcción con concreto

 Lograr conseguir del concreto otras propiedades de una más forma fácil  Mantener la calidad del concreto durante el proceso de mezclado, transporte,

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 Dar solución inmediata a emergencias que se puedan presentar

Figura 1.3. Aditivos líquidos para diversos usos.

Aditivos inclusores de aire (AIA)

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

Aditivos reductores de agua (ARA)

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

Aditivos reductores de agua de rango medio (ARARM)

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

Aditivos reductores de agua de rango alto (ARARA)

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

Superplastificantes (SP)

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13 a/c normales a bajos para hacer un concreto de cono alto. Por lo general, el concreto con SP se puede colocar en obra sin compactación. Los SP son por lo general más efectivos que los ARR o los ARARM en producir con concreto fluido. La efectividad del SP está asociada al incremento en el contenido de cemento y finos.

Aditivos retardantes (AR)

Se utilizan para retrasar el índice de fraguado del concreto. Un concreto sujeto a una temperatura mayor de 30°C por lo general es la causa del incremento en el índice de rigidez que dificulta la colocación y acabado. Es por ello que los AR son efectivos en aplazar el tiempo de fraguado y además también se usan en recortar la pérdida de cono y aplazar el tiempo de trabajabilidad, en especial antes de la colocación a temperaturas elevadas. Por lo general una reducción en la resistencia a los primeros días de edad es causa del uso de AR.

Aditivos de control de hidratación (ACH)

Consisten en un sistema químico de dos partes: un estabilizador o retardante que detiene la hidratación del cemento hasta por 72 horas y un activador, que reestablece la hidratación y fraguado cuando se adiciona al concreto estabilizado. Este aditivo hace posible el reutilizar el concreto ya sea para guardarse entre un fin de jornada y un comienzo de otra o para ser transportado a largos viajes.

Aditivos acelerantes (AA)

Se utilizan para acelerar el índice de hidratación y desarrollo de resistencia del concreto a cortas edades. El compuesto químico del AA puede ser el cloruro cálcico (CaCl2), en especial para concreto sin refuerzo de acero. Además acelerar la ganancia

de resistencia, el cloruro cálcico causa un incremento en la retracción por secado, corrosión, decoloración y un incremento en el desarrollo potencial de agrietamiento superficial. Sin embargo, existen además algunos AA no corrosivos, sin la base de cloruros, pero en algunos casos no resultan ser tan efectivos. Algunos AA sin base de cloruros son formulados especialmente para usarse en climas fríos con temperaturas de hasta -7°C.

Inhibidores de corrosión (IC)

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Aditivos reductores de retracción (ARR) .

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

Aditivos inhibidores de reacción álcali-sílice (AIRAS)

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

Aditivos colorantes (AC)

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

Aditivos reductores de humedad (ARH)

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

Aditivos reductores de permeabilidad (ARP)

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

Aditivos para bombeo (AB)

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

Aditivos adhesivos (AdA) y agentes adhesivos (AgA)

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

Aditivos de lechada (AL)

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

Aditivos formadores de gas (AFG)

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

Aditivos bloqueadores de aire (ABA)

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

Aditivos fungicidas, germicidas e insecticidas (AFGI)

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

Aditivos antimarcas (AAm)

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

1.1.4. Adiciones minerales

La ceniza volante, escoria de alto horno, humo de sílice y puzolanas naturales como la pizarra y arcilla calcinada o el metacaolín son materiales que cuando se usan junto con un cemento Portland o Portland compuesto, contribuyen a las propiedades del concreto endurecido a través de actividad hidráulica o puzolánica o ambas. La Fig. 1.4 muestra algunos de estos materiales.

Los materiales cementantes suplementarios se agregan al concreto formando parte del sistema cementante total. Se puede utilizar como adición o como reemplazo parcial de cemento Portland o Portland compuesto. El fin de las adiciones es mejorar alguna propiedad particular del concreto tal como la resistencia a la reacción álcali-agregado.

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

Fig. 1.4. Materiales cementantes suplementarios diversos.

Ceniza volante (CV)

Es el material suplementario más utilizado en el concreto como subproducto de la combustión de carbón pulverizado de plantas generadoras de corriente. Muchas de las partículas de la CV son esféricas y sólidas, otras pocas huecas (cenósferas) y otras esferas conteniendo pequeñas esferas (plerósferas). La Fig. 1.5 muestra una imagen amplificada de la CV.

Los tamaños de partícula de la CV varían de 1 a 100 micras. La superficie específica es típicamente de 300 a 500 m2/kg y se encuentran algunas hasta de 700 m2/kg. La densidad de la CV sin compactar es de 540 a 860 kg/m3 y compactada es de 1120 a 1500 kg/m3.

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

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Escoria de alto horno (EAH)

También llamada cemento de escoria, está compuesta de escoria de alto horno de hierro. Es un cementante hidráulico no-metálico consistiendo en silicatos y aluminosilicatos de calcio. El material es molido hasta 45 micras y tiene una superficie específica de 400 a 600 m2/kg. La densidad relativa es de 2.85 a 2.95. La densidad varía de 1050 a 1375 kg/m3. En presencia de agua y NaOH o CaOH, ambos proporcionados por el cemento Portland, hidrata y fragua de manera similar que el cemento Portland. Por lo general constituye del 30 al 45% de material cementante en la mezcla. La Fig. 1.6 muestra una micrografía de la EAH.

Fig. 1.6. Micrografía de EAH a 2100X.

Humo de sílice (HS)

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

Su superficie específica es de 20000 m2/kg (por comparación, el humo del tabaco es aproximadamente 10000 m2/kg). Su densidad relativa es de 2.2 a 2.5. Su densidad es de 130 a 430 kg/m3. Se utiliza en un 5 a un 10% en peso para necesidades como altos grados de impermeabilidad y concretos de alta resistencia. La Fig.1.7 muestra una micrografía del HS.

Puzolanas naturales (PN)

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18

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

Las arcillas calcinadas se pueden usar como reemplazo del cemento en un rango de 15 a 35%. Mejoran la resistencia al ataque por sulfatos, controlar la reacción álcali-sílice y reducir permeabilidad. Las arcillas calcinadas tienen una densidad relativa de 2.4 a 2.6 y una superficie específica de 650 a 1350 m2/kg. La pizarra calcinada puede contener de un 5 a un 10% de calcio, propiedad cementante o hidráulica

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

1.1.5. Agua

El agua que es potable, que no tiene un sabor u olor fuertes se puede utilizar como agua de mezclado en el concreto. Posibles impurezas en exceso en el agua de mezclado, no solo afectarán la resistencia del concreto, sino que puede causar efloresencia, manchado, corrosión del refuerzo, inestabilidad volumétrica y reducción de durabilidad. Por esa razón, se debe limitar el contenido de cloruros, sulfatos, álcalis y sólidos en el agua de mezclado. Algunas impurezas pueden tener poco efecto en la resistencia y tiempo de fraguado.

Las aguas conteniendo menos de 2000 partes por millón (ppm) de sólidos totales disueltos pueden usarse satisfactoriamente para fabricar concreto. Aquellas aguas con valores mayores a 2000 ppm deberán de probarse para efectos de resistencia y tiempo de fraguado.

A continuación, se presenta una síntesis de los efectos de ciertas impurezas en el agua de mezclado en concreto:

Carbonatos de álcali y bicarbonatos

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

Cloruros

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

El reglamento del A.C.I. 318 limita el ión cloruro soluble en agua en el concreto reforzado a los siguientes porcentajes en masa de cemento:

 Concreto presforzado, 0.06%

 Concreto reforzado expuesto a cloruro en servicio, 0.15%

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

 Otras construcciones de concreto reforzado, 0.30%

Sulfatos

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

Otras sales comunes

Los carbonatos de calcio y magnesio no son muy solubles en agua y por lo general se encuentran en suficiente concentración para afectar la resistencia del concreto. La concentración de estas sales de hasta 400 ppm no se consideran peligrosos.

Los sulfatos de magnesio y cloruros de magnesio pueden presentarse en altas concentraciones sin efectos adversos en la resistencia con concentraciones de hasta 40000 ppm de cloruro de magnesio. Las concentraciones de sulfato de magnesio deberán ser menores que 25000 ppm.

Sales de Hierro

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

Sales inorgánicas misceláneas

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20

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

Agua de mar

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

Aguas ácidas

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

Aguas alcalinas

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

Aguas de lavado

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

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

Químico o tipo de construcción Concentración máxima en ppm

Cloruro en:

Concreto presforzado 500

Otras estructuras de concreto 1000

Sulfatos 3000

Álcalis 600

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21

Aguas de desecho industrial

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

Aguas de drenaje

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

Impurezas orgánicas

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

Azúcar

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

Partículas suspendidas

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

Aceites

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

Algas

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

Interacción con los aditivos

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22

1.1.6. Agregados

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

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

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

Requisitos del agregado para el diseño de mezclas

Forma y textura

La forma y textura del agregado afecta la trabajabilidad del concreto fresco por la influencia de los requisitos de la pasta. Se debe contar con suficiente cantidad de pasta para cubrir los agregados y dar lubricación a las partículas del agregado durante el mezclado. Para una buena trabajabilidad, la partícula ideal del agregado deberá ser lo más cercano a la forma esférica (bien redondeada y compacta) con una superficie relativamente suave (ver Fig. 1.9). Muchas arenas y gravas se acercan a esta idealización.

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

Propiedad del concreto Propiedad relevante del agregado

Resistencia hielo-deshielo

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

Resistencia humedad-secado Estructura de poro, módulo de elasticidad Resistencia calor-frio Coeficiente de expansión térmica Resistencia a la abrasión Dureza

Resistencia reacción álcali-sílice

Presencia de constituyentes silíceos

Resistencia, textura superficial, pureza, forma de la partícula, tamaño máximo

Retracción y fluencia

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

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

Conductividad térmica Conductividad térmica Calor específico Calor específico

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

Módulo de elasticidad Módulo de elasticidad, relación de Poisson Resistencia al desgaste superficial Tendencia al pulido

Economía

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

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

Graduación

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24

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

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

Análisis por mallas

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

Tamaño máximo de agregado

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

Graduación del agregado fino

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

Otros requisitos de la ASTM C33 son:

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25  El módulo de finura no deberá ser menor de 2.3 ni mayor de 3.1. sin variar más

de 0.2 del valor típico de la fuente del agregado. Si se excede esta valor, se deberá de rechazar el material a menos que se haga el debido ajuste

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

Módulo de finura (MF)

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

Graduación del agregado grueso

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

1.2. Caracterización del Concreto Fresco

Las primeras 48 horas de vida del concreto son esenciales para su buen desempeño a lo largo de su vida. Es necesario caracterizar desde el estado fresco las propiedades del concreto por ser éstas un reflejo del desempeño.

Las propiedades del concreto fresco son de importancia fundamental por la razón del equipo necesario para su manejo y consolidación y porque pueden afectar las propiedades del concreto endurecido. Se deben considerar los siguientes criterios en la elaboración de concreto:

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

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

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

 Debe ser mezclado y transportado con facilidad  Debe ser uniforme entre tandas de mezclados  Debe tener propiedades de fluidez

 Debe tener propiedades de compactación

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26

1.2.1. Trabajabilidad

Trabajabilidad

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

Principios básicos de reología

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

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

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

γ τ viscosidad de

e Coeficient

dY dV cortante de

Índice γ

A F cortante Esfuerzo

τ : donde

ηγ τ

  

 

1.5

(27)

27 Fig. 1.11. Modelos reológicos: a) Fluido Newtoniano; b) Modelo de

Bingham; c) Tixotropía.

Por lo tanto, si el concreto se aproximara a un fluido Newtoniano, una simple medición de un par de valores correspondientes de τ y γ servirían para definir la línea. En otras palabras, un método basado en un punto para determinar la trabajabilidad sería suficiente.

El modelo Newtoniano no es válido para fluidos con sólidos suspendidos es grande. El concreto fresco puede considerarse una suspensión muy concentrada. Típicamente la relación del volumen de sólidos al volumen de agua debería ser de 4.5:1. Para tales materiales no hay fuerzas actuantes entre las partículas. En particular, el concreto fresco tiene una resistencia al cortante definida, τ0, la cual debe excederse antes de que ocurra el flujo. Una descripción común de materiales que exhiben este tipo de comportamiento está dado por el Modelo de Bingham:

μγ τ

-τ 0 1.6

Donde, τ0 es el esfuerzo de fluencia y μ es la viscosidad plástica. Tal comportamiento

se muestra en la Fig. 1.11b). Para tal material, definido por τ0 y μ se pueden definir τ y

γ para definir la línea recta de la Fig. 1.11b). En base a esto, hay evidencia de que el concreto fresco se aproxima al modelo de Bingham. Así, alguna prueba basada en un solo punto no cuantificaría adecuadamente el comportamiento del material desde el punto de vista de la reología.

Tixotropía

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28

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

Aparatos de medición de las propiedades reológicas

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

Reómetro

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

torque (relacionada con μ de la Fig. 1.11).

Viscómetro de cilindros coaxiales

Un viscosímetro comercial típico se muestra en la Fig. 1.13. El sistema consta básicamente de dos cilindros coaxiales conteniendo entre estos la muestra de material. En tales cilindros, de mide el torque aplicado al cilindro interno (estático) y se grafica vs. la velocidad de rotación aplicada al cilindro externo. Las propiedades reológicas del concreto se pueden obtener en la relación torque vs. velocidad de rotación.

Actualmente, no hay una estandarización para estos métodos cuya compatibilidad frente a otros métodos es regular a lo mucho.

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29 Fig. 1.13. Viscómetro de cilindros coaxiales.

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

Factores que afectan la trabajabilidad

La trabajabilidad del concreto está afectada por los siguientes factores:

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

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

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

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

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30

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

reducen la trabajabilidad con una determinada relación a/c y demandan mucha agua por su alta superficie específica y alta reactividad. Con temperaturas de 60 a 80°C puede ocurrir un fraguado relámpago.

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

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

Segregación y exudación

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

 Tamaños de partículas mayores a 25 mm y proporción de partículas grandes.  Gravedad específica del agregado grueso respecto al agregado fino.

 Cantidad baja de finos

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

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

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

 Incrementando el índice de hidratación del cemento  Inclusión de aire

 Reduciendo el contenido de agua, si es posible

El índice de exudación se puede estimar mediante el procedimiento en la Norma ASTM C232.

Medición de la trabajabilidad

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

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

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

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

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

Mediciones empíricas

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

Revenimiento o cono

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32

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

Fig. 1.15. Método del revenimiento o cono.

El tiempo máximo de la colocación del concreto en el cono hasta el retiro del molde debe ser de 2.5 minutos.

Puede considerarse que la prueba de revenimiento es una medida de la resistencia al cortante del concreto para fluir por su propio peso. Dependiendo de la mezcla, pueden presentarse tres tipos de revenimiento, como lo mostrado en la Fig. 1.15c):

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

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

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

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

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

 Se puede obtener el mismo cono para diferentes consistencias del concreto.  La prueba de cono no puede diferenciar entre diferentes concretos de baja

trabajabilidad (conocidos como de cero cono).

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

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

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

 En general, concretos de cono similar se pueden utilizar para un mismo fin.  La prueba de cono es una prueba de control de calidad apreciada.

Pruebas de compactación

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

Prueba del factor de compactación

La prueba del factor de compactación se desarrolló en la Gran Bretaña en 1947. El aparato se muestra en la Fig. 1.16.

La tolva superior se llena completamente con concreto el cual cae en la tolva inferior y a su vez en el molde cilíndrico. El exceso de concreto se limpia y el factor de compactación se determina por la relación del concreto del cilindro entre el mismo concreto compactado en el cilindro.

Algunas limitaciones son que:

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 Se adhiere mortero a las tolvas, sobre todo en concretos con inclusión de aire.  Mezclas con el mismo factor de compactación no requieren necesariamente la

misma cantidad de trabajo para compactación.

Fig. 1.16. Aparato del factor de compactación.

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

Pruebas de fluidez

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

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35 Fig. 1.17. Aparato del factor de

compactación.

Pruebas de remoldeo

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

Prueba Vebe

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

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

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36

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

Fig. 1.18. Aparato Vebe.

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Mesa de caída Thaulow

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

Pruebas misceláneas

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

Fig. 1.20. Aparato de la prueba de flujo, llamado K-Slump.

Otras pruebas

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

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

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

Figure

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Referencias

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