Avances en la tecnología del concreto
P. Kumar Mehta
El concreto 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 de concreto, así como también al bajo costo del mantenimiento. Por lo tanto, no es sorprendente que muchos avances en la tecnología del concreto hayan ocurrido como resultado de dos fuerzas impulsoras, específicamente la velocidad de construcción y la durabilidad del concreto.
Durante el periodo de 1940 a 1970, la disponibilidad de los cementos portland de alta resistencia temprana permitieron el uso de alto contenido de agua en las mezclas de concreto que eran fáciles de manejar. Este enfoque, sin embargo, condujo a serios problemas en la durabilidad de las estructuras, especialmente en aquellas sometidas a exposiciones ambientales severas. 1
Entre los avances recientes, el más notable es el desarrollo de mezclas de concreto superfluidificado, que dan muy alta fluidez a contenidos de agua relativamente bajos. Debido a su baja porosidad, el concreto endurecido se caracteriza generalmente por la alta resistencia y gran durabilidad. Los cementos libres de macrodefectos y las cerámicas químicamente adheridas son ejemplos de métodos tecnológicos alternativos para obtener baja porosidad y alta resistencia. Para el propósito específico del aumento de la vida de servicio de las estructuras de concreto reforzado expuestas a ambientes corrosivos, el uso de aditivos inhibidores de corrosión del acero reforzado recubierto con epóxicos y protección catódica está entre los avances tecnológicos mejor conocidos.
Además de la velocidad de construcción y la durabilidad, ahora existe una tercera fuerza impulsora, a saber, el favorable comportamiento ambiental de los materiales industriales, que cada vez está adquiriendo mayor importancia en la valoración tecnológica para el futuro. En este artículo, se pretende una evaluación crítica de distintas tecnologías, empleando los siguientes tres criterios:
- costo de materiales y construcción,
- durabilidad, y
- buen comportamiento ambiental
No se pretende presentar una revisión exhaustiva de todos los avances recientes en la tecnología del concreto.Sólo se revisan brevemente los desarrollos selectivos de los últimos 30 años que son significativos a juicio del autor.
Aditivos superfluidificadores
Hace17 años, Malhotra hizo la siguiente afirmación:
“Ha habido muy pocos desarrollos importantes en la tecnología del concreto en los años recientes. El concreto de aire incluido en los años cuarenta fue uno de ellos. Revolucionó la tecnología del concreto en Norteamérica. Se cree que el desarrollo de los superfluidificadores es otro avance de gran importancia que tendrá un efecto significativo en la producción y el uso del concreto en los años por venir.» 2
La predicción de Malhotra ha resultado correcta. Esto está apoyado por el desarrollo y uso de una familia cada vez más grande de productos de concreto superfluidificado de alto desempeño, tales como concreto superfluidificado de alta resistencia, concreto superfluidificado de gran durabilidad, concretos superfluidificados con alto volumen de ceniza volante y de escoria, concreto autocompactante superfluidificado, concreto superfluidificado y antideslave bajo el agua y concreto superfluidificado reforzado con fibras. Collepardi, 3 y más recientemente Malhotra 4 y Nagataki 5 han publicado excelentes revisiones sobre el desarrollo de varias tecnologías que incorporan el uso de aditivos superfluidificadores.
Los superfluidificadores, también conocidos como aditivos reductores de agua de alto rango, son reductores de agua muy eficientes. A finales de los años sesenta, se desarrollaron en Japón los productos a base de sulfonatos de naftaleno y, al mismo tiempo, los productos de sulfonato melanina fueron introducidos en Alemania Occidental. Se logró que las moléculas aniónicas de cadenas largas del aditivo llegaran a ser adsorbidas en la superficie de las partículas de cemento, las que son efectivamente dispersadas en el agua a través de la repulsión eléctrica.
De acuerdo con Nagataki, las primeras aplicaciones del concreto superfluidificado en Japón fueron para la producción de pilotes de concreto prefabricado de alta resistencia, el cual podía resistir el agrietamiento durante el proceso de hincado del pilote. 5 En los años setenta, las trabes y las vigas de varios puentes de carreteras y vías férreas en Japón fueron fabricadas con mezclas de concreto superfluidificado de 50 a 80 MPa (500 a 800 kg/cm 2 ), que tenían un revenimiento de bajo a moderado. En Alemania Occidental, donde el objetivo inicial era desarrollar concreto antideslave bajo el agua, los superfluidificadores se usaron para mejorar la fluidez de mezclas rígidas sin alterar la relación de agua a material cementante (a/mc). Puesto que es posible realizar ambos objetivos simultáneamente, ahora los aditivos superfluidificadores se usan en todo el mundo para el propósito de obtener alta resistencia, gran fluidez y gran durabilidad. Las mezclas de concreto superfluidificado que contenían naftaleno, o sulfonatos de melamina, con frecuencia sufrían una rápida pérdida de revenimiento. El problema puede resolverse mediante la introducción de una dosis adicional del superfluidificador en el sitio de la obra. Sin embargo, este método es engorroso y costoso. En 1986 se desarrollaron en Japón los superfluidificadores que retenían el revenimiento, llamados también de «larga vida”. De acuerdo con Yonezawa, un típico superfluidificador de “larga vida” contiene un compuesto insoluble en el agua que comprende sales de ácido carboxílico, amidas y anhídrido carboxílico. 6 La solución alcalina que resulta de la hidratación del cemento portland hidroliza gradualmente el superfluidificador, liberando un dispersante soluble en agua que ayuda a mantener el revenimiento inicial por largo tiempo. Tanaka y otros han descrito el desarrollo de superfluidificadores a base de policarboxilato que contienen un polímero de amarre cruzado que imparte gran fluidez, retención de revenimiento durante largo tiempo y alta resistencia a la segregación. 7 Los superfluidificadores de larga vida a base de naftaleno o polímeros de sulfonato melamina pueden hoy día obtenerse también comercialmente.
Concreto y morteros de alta resistencia
El concreto de alta resistencia [> de 40 MPa (>420 kg/cm 2 ) de resistencia a la compresión] se usó por primera vez en edificios de marcos de concreto reforzado con 30 o más pisos. En los edificios altos, el tamaño de las columnas en la tercera parte inferior del edificio es bastante grande cuando se usa concreto convencional. Además de los ahorros en el costo de los materiales, los ingenieros constructores han encontrado que la elección del marco de concreto reforzado en vez del marco de acero en los edificios muy altos permite ahorros adicionales como resultado de mayores velocidades de construcción. 8 Empezando con columnas de concreto de 50 MPa (500 kg/cm 2 ) para la Lake Point Tower en Chicago, construida en 1965, se han construido muchos edificios altos que contienen elementos de concreto de alta resistencia en Norteamérica y en otras partes. El edificio Water Tower Place de 79 pisos en Chicago contiene columnas de concreto de 60 MPa (611 kg/cm 2 ). El edificio Scotia Plaza en Toronto y los dos edificios Union Square en Seattle tienen columnas de concreto con resistencias de 90 y 120 MPa (900 a 1,200 kg/cm 2 ), respectivamente.
A fin de obtener la alta resistencia, la relación a/mc de la mezcla de concreto generalmente se mantiene por debajo de 0.4 con la ayuda de un aditivo superfluidificador. Debido a la baja relación a/mc, una característica importante del concreto de alta resistencia es su baja permeabilidad, que es la clave para la durabilidad a largo plazo en ambientes agresivos. Consecuentemente, se ha empleado mucho más concreto de alta resistencia para aplicaciones en donde la durabilidad, más que la resistencia, era la consideración principal. Las estructuras marinas de concreto –puentes con claros largos, túneles por debajo del mar y plataformas petroleras a poca distancia de las costas– son ejemplos de tales aplicaciones.
La gran fluidez sin segregación es otro factor más que contribuye al crecimiento de la industria del concreto superfluidificado de alta resistencia. La trabajabilidad de las mezclas de concreto superfluidificado puede generalmente mejorarse mediante el uso de aditivos puzolánicos o cementantes tales como humo de sílice, ceniza volante, ceniza de cáscara de arroz y escoria de alto horno granulada molida. La facilidad del bombeo y las mezclas de concreto fáciles de moldear pueden reducir significativamente los costos de construcción en grandes proyectos, edificios de gran altura, estructuras a corta distancia de las costas, por ejemplo. Este es especialmente el caso cuando se fabrican elementos de concreto presforzado y muy reforzado que contienen refuerzo cerradamente espaciado.
Roy y Silsbee han revisado el desarrollo de una nueva familia de productos a base de cemento de alta resistencia que no dependen del uso de superfluidificadores. Las cerámicas químicamente adheridas (CQA) son morteros con poco, o sin, agregado grueso, un contenido muy alto de cemento y una muy baja relación a/mc. Ellos se densifican a alta presión y luego se curan térmicamente para obtener una muy alta resistencia. Los productos que constan típicamente de 50 por ciento de fases anhidro, exhiben propiedades que se aproximan a aquellas de la cerámica a fuego. Los productos de cemento llamados libres de macrodefectos (LMD) están hechos de una pasta de cemento que contiene hasta 7 por ciento en masa de un agente fluidificador soluble en agua, tal como una celulosa hidroxil propilmetilo, poliacrilamida o acetato polivinil hidrolizado. La pasta es sometida a un mezclado de alto cortante y los productos son moldeados bajo presión, y finalmente curados en calor, a temperaturas de hasta 80 o C. Las resistencias a la compresión del orden de 150 MPa (1,540 kg/cm 2 ) se obtienen con cementos portland, y se llega hasta 300 MPa (3,100 kg/cm 2 ) con cementos de aluminato de calcio. Los estudios han demostrado que la humedad tiene un efecto adverso sobre las propiedades mecánicas de los productos de cemento LMD. Los productos densificados con pequeñas partículas (DPP) contienen de 20 a 25 por ciento de partículas de humo de sílice que son densamente empaquetadas en una pasta de cemento portland superfluidificado ( 0.12 a 0.22 a/mc). Se lograron resistencias a la compresión de hasta 270 MPa (2,700 kg/cm 2 ) y módulos de Young de hasta 80 GPa (8,275 kg/cm 2 ) mediante compactación mecánica. 9 Tomando en cuenta su naturaleza quebradiza, el uso de CQA, LMD y DPP está limitado a aplicaciones no estructurales.
El requisito de alta ductilidad para uso estructural de los productos de alta resistencia a base de cemento puede lograrse mediante la incorporación de microfibras de acero. Los productos de concreto con poder de reacción (CPR) desarrollados por Richard y Cheyrezy, 10 son en realidad morteros de cemento superfluidificado que comprenden comúnmente 1,000 kg/m 3 de cemento portland, de 900 a 1,000 kg/m 3 de arena fina y cuarzo pulverizado, 230 kg/m 3 de humo de sílice, de 150 a 180 kg/m 3 de agua, y hasta 630 kg/m 3 de microfibras. Las muestras mecánicamente prensadas tratadas al calor a 400 o C mostraron hasta 680 MPa (6,900 kg/cm 2 ) de resistencia a la compresión, 100 MPa (1,050 kg/cm 2 ) de resistencia a la flexión y 75 GPa (7,680 kg/cm 2 ) de módulo de Young. Es demasiado pronto para predecir el futuro del CPR. A pesar del costo inicial muy grande y una tecnología compleja de procesamiento, el material puede tener un nicho en la industria de la construcción, especialmente para aplicaciones en ambientes altamente corrosivos. La presencia de un gran volumen de microfibras aumenta la capacidad de resistencia a grietas del material, preservando con ello su impermeabilidad al agua.
Concretos de alto desempeño
El término concreto de alto desempeño (CAD) (en inglés High Performance Concrete –HPC) fue usado por primera vez por Mehta y Aïtcin para describir mezclas de concreto que poseían tres características: muy buena trabajabilidad, alta resistencia y gran durabilidad. 11 Así pues, una distinción principal entre concreto de alta resistencia y concreto de alto desempeño fue el requisito obligatorio de gran durabilidad en el caso del CAD. Puesto que no puede obtenerse una gran durabilidad en condiciones ambientales severas a menos que la estructura permanezca libre de grietas durante su vida de servicio, la mezcla de concreto debe diseñarse para gran estabilidad dimensional. Por lo tanto, para reducir el agrietamiento debido a deformaciones por contracción térmica y por secado, es necesario limitar el contenido de pasta de cemento de la mezcla de concreto.
Mehta y Aïtcin propusieron un método para proporcionar mezclas de CAD que limita el contenido total de pasta de cemento a un tercio por volumen de concreto. 11 Este método también permite una sustitución parcial del cemento portland por un aditivo puzolánico o cementante. Recientemente, Aïtcin ha revisado el arte y la ciencia del concreto de alto desempeño. 12 El autor prevé un uso cada vez mayor de combinaciones ternarias de cemento que contiene escoria, ceniza volante, humo de sílice, metacaolín, ceniza de cáscara de arroz y polvo de piedra caliza para aprovechar el efecto sinergético en el mejoramiento de las propiedades, tanto del concreto fresco como del endurecido, además de hacer más económico el CAD.
En 1993, un subcomité del Comité de Actividades Técnicas del Instituto Americano del Concreto propuso una nueva definición del CAD como “un concreto que satisface requisitos especiales de desempeño que puede involucrar el mejoramiento de la colocación y compac-tación sin segregación, resistencia a edad temprana, tenacidad, estabilidad volumétrica o vida de servicio en un ambiente severo”. De acuerdo con esta definición, la durabilidad no es indispensable para el alto desempeño. Esto ha alentado el desarrollo de mezclas de concreto que califican para ser clasificadas como CAD, pero que pueden no ser durables en severas condiciones ambientales.
Por ejemplo, para el uso en estructuras de carreteras, Goodspeed y otros 13 propusieron varias mezclas de CAD hechas comúnmente con un cemento de alta resistencia temprana y contenidos de cemento del orden de 400 kg/m 3 o más. Por lo tanto, a menos que se tomen medidas especiales, tales mezclas de concreto serían vulnerables al agrietamiento debido a esfuerzos de contracción por secado autógenos y térmicos. 14 Evidentemente, se puede poner en riesgo la vida de servicio de una estructura de concreto si se deja uno llevar solamente por el tiempo de los programas de construcción. Por lo tanto, en el diseño estructural es aconsejable considerar el costo del ciclo de vida más que el costo inicial de la estructura. Además, existe la necesidad de reexaminar la cuestión de si deben comercializarse o no las mezclas de concreto de cuestionable durabilidad a largo plazo como productos de alto desempeño.
La tecnología del CAD está siendo exitosamente utilizada para la construcción de numerosas estructuras a poca distancia de las costas y puentes de claro largo en todo el mundo. 15 Langley y otros describen otros tipos de mezclas de CAD usadas en la construcción de elementos estructurales para el puente Northumberland Strait de 12.9 km de largo, en Canadá. La mezcla de concreto para las trabes principales, los fustes de pilares y las bases de pilares contenían 450 kg/m 3 de cemento combinado con humo de sílice, 153 l/m 3 de agua, 160 ml/m 3 de agente inclusor de aire, y 3 l/m 3 de superfluidificador. Comúnmente, las mezclas de concreto fresco mostraron un revenimiento de 20 cm y contenían 6.1 por ciento de aire. Las resistencias a la compresión de las muestras de concreto endurecido a 1, 3 y 28 días fueron de 35, 52 y 82 MPa (360, 530, y 830 kg/cm 2 ) respectivamente. Para los cimientos de los pilares de aproximación y otros elementos masivos de concreto, el CAD contenía una mezcla de 307 kg/m 3 , de cemento combinado con humo de sílice y 133 kg/m 3 de ceniza volante. A un contenido similar de agua (159 ml/m 3 ), pero a dosis considerablemente reducidas de agente inclusor de aire (88 ml/m 3 ) y superfluidificador (1.05 l/m 3) ), la mezcla de concreto fresco dio un revenimiento de 18.5 cm y 7 por ciento de contenido de aire. Las resistencias a la compresión del concreto endurecido a 1, 3, 28 y 90 días fueron de 10, 20, 50 y 76 MPa (101, 203, 513 y 773 kg/cm 2 ) respectivamente. Ambas mezclas de concreto mostraron permeabilidad extremadamente baja medida según la Prueba de Permeabilidad al Agua de CANMET y la Prueba Rápida de Permeabilidad a Cloruros de la AASHTO T 277. Con las estructuras CAD, Langley y otros pusieron gran énfasis en las pruebas de laboratorio en el sitio y el aseguramiento de la calidad. 16
Otro desarrollo en el campo del CAD es el concreto ligero de alto desempeño (CLAD). En relación con el acero, la eficiencia estructural del concreto normal es bastante baja cuando se juzga del punto de vista de la relación resistencia/peso. Esta relación se eleva considerablemente en el caso de mezclas de concreto superfluidificado de alta resistencia, y puede ser realzada todavía más por el reemplazo total o parcial de agregados de peso normal con partículas de agregado microporosas y ligeras. Dependiendo de la calidad del agregado, se ha producido comercialmente CLAD con una densidad de 2,000 kg/m 3 y resistencias a compresión en el rango de 70 a 80 MPa (700 y 840 kg/cm 2 ) para uso en elementos estructurales. De acuerdo con Bremmer y Holm, el CLAD se ha usado en plataformas flotantes y fijas a poca distancia de las costas, en Australia, Canadá, Japón, Noruega y Estados Unidos. 17 Además, de acuerdo con los autores, debido a la alta resistencia de adherencia interfacial entre la pasta de cemento y el agregado, el CLAD permanece virtualmente impermeable a fluidos y es, por lo tanto, altamente durable en ambientes agresivos.
La calidad adhesiva superior del concreto superfluidificado hecho con combinaciones de cemento que contienen de 10 a 15 por ciento, o inclusive un contenido mayor, de humo de sílice, los hace muy apropiados para la reparación y rehabilitación de estructuras de concreto mediante el proceso de concreto lanzado en mezclas húmedas. Esta es otra área de las aplicaciones crecientes del CAD. Morgan ha revisado los nuevos desarrollos en el concreto lanzado con varios ejemplos de reparación con concreto lanzado de infraestructuras en Norteamérica. 18
Concreto autocompactante
La escasez de mano de obra y los ahorros en el tiempo de construcción fueron las razones principales detrás del desarrollo y uso cada vez mayor del concreto autocompactante en Japón. La composición, las propiedades y las aplicaciones de las mezclas de concreto superfluidificado autocompactante se describen en varios documentos japoneses recientemente publicados. 19-23 Nótese que algunos autores prefieren el uso del término ”concreto autonivelante” en vez de concreto autocompactante.
De acuerdo con Nagataki, el desarrollo exitoso de las mezclas de concreto superfluidificado antideslave bajo el agua en Alemania Occidental durante los años setenta, proporcionó el impulso para el desarrollo subsecuente del concreto autocompactante de gran fluidez en Japón en los años ochenta. 5 En ambos casos, la alta fluidez y la resistencia a la segregación se obtuvieron mediante el uso simultáneo de un aditivo superfluidificador y un aditivo que aumentaba la viscosidad. Nótese que la celulosa y los polímeros acrílicos solubles al agua son ampliamente usados como los componentes principales de aditivos que incrementan la viscosidad. La viscosidad de las mezclas de concreto autocompactante se ve grandemente influida por el contenido de polvo. Un alto contenido de cemento puede causar agrietamiento térmico en algunas estructuras. Por lo tanto, es una práctica común usar cantidades sustanciales de aditivos minerales tales como ceniza volante, escoria de alto horno granulada y molida o polvo de piedra caliza. Nagatiaki informó que se usaron 290,000 m 3 de una mezcla de concreto autocompactante que contenía 150 kg/m 3 de polvo de piedra caliza y un aditivo superfluidificador para la construcción de dos cuerpos de anclaje del sistema de puentes Akashi-Kaikyo en Japón. El anclaje consistía en un marco de refuerzo densamente arreglado y cables congestionados con acero. En otra aplicación, se usó concreto de gran fluidez con una relación extremadamente baja de a/mc para el colado del concreto de abajo hacia arriba, en una columna de acero rellena de concreto sin compactación. 6
En Francia, la industria del concreto premezclado está usando concreto autocompactante como un producto libre de ruido que puede usarse las 24 horas en áreas urbanas. Debido a la reducción del ruido, el ahorro en la mano de obra y la vida más larga de los moldes de acero, la industria de los productos de concreto prefabricado está también investigando el uso del material.
Tecnologías para prolongar la vida de servicio
La corrosión del acero de refuerzo está implicada en la mayoría de las estructuras de concreto deterioradas. Además del CAD descrito previamente, existen varias tecnologías desarrolladas recientemente que se siguen estudiando para tratar este problema. Es decir, el uso de aditivos inhibidores de corrosión, acero de refuerzo con revestimiento epóxico, protección catódica y la aplicación de capas protectoras sobre la superficie del concreto. Estas tecnologías se revisan brevemente a continuación.
Aditivos inhibidores de corrosión. Berke y Weil presentaron una revisión exhaustiva de los aditivos inhibidores de corrosión en el concreto. 24 Gaidis y Rosemberg mostraron que la adición de 2 por ciento de nitrito de calcio en masa elevaba la concentración umbral de cloruro a niveles que eran lo suficientemente altos para inhibir la corrosión del acero. 25 Los inhibidores anódicos, tales como el nitrito de calcio, funcionan minimizando la reacción anódica promovida por los iones de cloruro. Esta es la razón por la que la cantidad de iones de nitrito presentes relativa a la cantidad de iones de cloruro en la vecindad de la superficie del acero determina si habrá de lograrse la protección contra la corrosión o no. Se propuso que la protección contra la corrosión se obtiene si la relación cloruro/nitrito no excede 1.5. Nmai y otros creen que esta es una limitación seria de los inhibidores anódicos que incluyen el nitrito de calcio. 26 Los autores investigaron un aminoéster que ofrece protección al formar una película protectora en la superficie del acero, además de reducir el ingreso de iones de cloruro en el recubrimiento de concreto. En una investigación preliminar sobre vigas de concreto preagrietadas bañadas con una solución de 6 por ciento de NaCl, el aminoéster que contiene el aditivo en dosis de 5 l/m 3 de concreto dio una mejor protección contra la corrosión que el inhibidor de nitrito de calcio en una dosis de 20 l/m 3 . Parece ser que se necesita mayor investigación para establecer claramente las limitaciones y la efectividad a largo plazo de varios aditivos inhibidores de corrosión.
Acero de refuerzo revestido de epóxicos. En Estados Unidos, el refuerzo revestido de epóxicos (RRE) se usó en tableros de puentes durante los años setenta, y en rampas de estacionamientos durante los años ochenta. Se estima que Estados Unidos tiene aproximadamente 27 mil tableros de puentes con RRE, la mayoría localizados en regiones en donde se usaron químicos descongelantes. En algunos casos, por ejemplo, el puente Seven Mile en Key West, Florida, se informó acerca del comportamiento insatisfactorio del concreto RRE. Los problemas con las primeras estructuras de concreto RRE se atribuyeron por lo regular a revestimiento de epóxicos inapropiado, falta de adherencia del epóxico, recubrimiento inadecuado y otros errores de construcción. Una encuesta en 1993 de tableros de puente de RRE de 18 a 20 años de edad en 14 estados, en la que las estructuras fueron expuestas a ciclos de congelación y deshielo, mostró que era necesario poco mantenimiento, o que no lo era, desde la instalación de las estructuras. 27 Sin embargo, una encuesta de 1996 sobre los estacionamientos que contenían refuerzo revestido de epóxicos en concreto mostró que únicamente 70 por ciento de los encuestados indicaron que el comportamiento había sido como se esperaba. 28 De acuerdo con el Instituto del Acero de Refuerzo para el Concreto, los usuarios de la industria sienten que el uso del acero revestido de epóxico en garajes de estacionamiento agrega de 10 a 15 años de protección antes de que comience la corrosión. Aparentemente es demasiado pronto para responder la pregunta sobre si el uso de RRE ofrece o no protección a largo plazo contra la corrosión de una manera rentable.
Protección catódica del concreto reforzado. Las técnicas de protección catódica involucran la supresión del flujo de corriente en la celda galvánica, ya sea por la provisión externa de corriente en la dirección opuesta o por el uso de ánodos sacrificatorios. El método de la corriente externamente aplicada se usa comúnmente para la protección contra la corrosión en estructuras de concreto reforzado, contaminado con cloruros. Los investigadores, incluyendo a Rasheduzzafar, han informado sobre la degradación de la adherencia entre el acero y el concreto, probablemente debido a la acumulación de iones de sodio y potasio, lo que da como resultado el ablandamiento del concreto en la interface acero-concreto. 28 Se encontró que la degradación de la adherencia acero-concreto se incrementaba al aumentar la densidad de corriente impresa y el contenido de cloruro del concreto.
Recubrimientos de superficie. De acuerdo con Swamy y Takinawa, cuando se aplican recubrimientos de superficie o de barrera a la superficie de concreto para protegerlo contra el ataque externo, tienen una larga historia de efectividad, pero con altibajos. 29 Esto se debe a la disponibilidad de un amplio rango de recubrimientos de barrera y al hecho de que los recubrimientos de tipos genéricos similares pueden variar considerablemente en cuanto a las características de difusión. Los autores utilizaron un recubrimiento ahulado acrílico altamente elástico que mostró excelentes propiedades técnicas y un coeficiente de difusión muy bajo. La efectividad de este recubrimiento para preservar la durabilidad del concreto, incluyendo el control de la expansión dañina álcali-sílice en el concreto, quedó claramente demostrada. Se necesita mayor investigación para establecer el desempeño a largo plazo y la rentabilidad de los recubrimientos de superficie.
Concretos con altos volúmenes de ceniza volante y escoria
Actualmente, la producción anual de ceniza volante en el mundo es del orden de 450 millones de toneladas. Únicamente cerca de 25 millones de toneladas, es decir, 6 por ciento del total de ceniza volante disponible, se está usando como una puzolana en cementos portland combinados o en mezclas de concreto. El favorable comportamiento ambiental del concreto puede realzarse considerablemente si la tasa de utilización de ceniza volante por parte de la industria del concreto se acelera en los países productores de ceniza. Los países en donde se dispone de grandes cantidades de escoria de alto horno como un subproducto, pueden igualmente beneficiarse con el uso de grandes volúmenes de escoria granulada, ya sea como un aditivo del concreto o como un aditivo en la manufactura de cementos portland con escoria. Se dan a continuación ejemplos de concretos con alto volumen de ceniza volante y escoria.
Concreto estructural. Los estudios hechos por Malhotra 30 con mezclas de concreto superfluidificado han mostrado que cuando se limita la relación a/mc a 0.3 o menos, puede reemplazarse hasta 60 por ciento de cemento con ceniza volante clase F o clase C (ASTM C 618 ) para obtener excelentes características de resistencia y durabilidad. Por ejemplo, una mezcla de prueba conteniendo 150 kg/m 3 de cemento tipo 1 según ASTM, 200 kg/m 3 de ceniza volante clase F según ASTM, 102 kg/m 3 de agua, 1,220 kg/m 3 de agregado grueso, 810 kg/m 3 , de agregado fino y 7 l/m 3 de superfluidificador dio 8, 55 y 80 MPa ( 84, 580 y 843 kg/cm 2 ) de resistencia a la compresión a 1, 28 y 182 días, respectivamente. A partir de extensas pruebas de laboratorio, 30,31 se llegó a la conclusión de que las características del módulo de elasticidad de Young, fluencia, contracción por secado, y congelación y deshielo del concreto con alto volumen de ceniza volante (AVCV), son comparables a las del concreto de cemento portland normal. Es notable que el concreto con altos volúmenes de ceniza volante mostrara resistencia excepcionalmente alta a la permeación de agua y penetración de iones de cloruro. Estos descubrimientos son de considerable importancia desde el punto de vista de la durabilidad de las estructuras, incluyendo el control de corrosión del acero de refuerzo en el concreto expuesto a ambientes de cloruros. Por lo tanto, el uso del concreto superfluidificado AVCV puede, a fin de cuentas, tener el mejor valor agregado de la ceniza volante en la industria de la construcción.
Presas de concreto compactado con rodillo. Desde los años ochenta, el concreto compactado con rodillos (CCR) se ha aceptado en todo el mundo como el método más rápido y económico para la construcción de presas de mediana altura. De acuerdo con Dunstan, hasta finales de 1992 se habían construido aproximadamente cien presas CCR en 17 países diferentes. 32 Las mezclas con un alto contenido de pasta CCR contienen habitualmente 250 kg/m 3 de material cementante, del cual 70 u 80 por ciento es una puzolana. La ceniza volante se ha usado como una puzolana en la mayoría de las presas CCR. La presa Upper Still Water en Estados Unidos requirió 1.24 millones de metros cúbicos de concreto que contenía 79 kg/m 3 de cemento portland y 173 kg/m 3 de ceniza volante. En total, se utilizaron más de 200 mil toneladas de ceniza volante con bajo contenido de calcio en seis diferentes plantas de generación de energía eléctrica. Se necesitaron grandes volúmenes de materiales puzolánicos para la presa Zungeru en Japón, que contiene 5 millones de metros cúbicos de CCR, y la presa Longton, de 217 m de altura, en China, contendrá 7.5 millones de metros cúbicos de CCR. Todavía más, de acuerdo con Dunstan, incluso la ceniza volante no estándar está siendo usada exitosamente como un componente de las mezclas CCR. 32 Por ejemplo, la mezcla CCR para la construcción de la presa Platanovrissi, de 95 m de altura, en Grecia, contiene 35 kg/m 3 de cemento portland y 250 kg/m 3 de una ceniza volante que tiene un contenido inusualmente alto de calcio (42 por ciento de CaO en total). La ceniza volante se genera en las estaciones termoeléctricas que usan lignito como combustible, y que fue pretratado (pulverizado e hidratado) antes de usarse.
Pavimentos de concreto para carreteras. De acuerdo con Golden, aproximadamente 70 por ciento de las carreteras con bajo volumen y las carreteras de acceso local en Estados Unidos requieren ser mejoradas. Considerando los ahorros en costo que resultan del reemplazo del cemento con grandes volúmenes de ceniza volante, el Instituto de Investigación de Energía Eléctrica (EPRI = Electric Power Research Institute) financió varios proyectos de demostración. En Dakota del Norte, durante los veranos de 1988 y 1989, se construyeron 20 mil m 3 de pavimento de concreto de 20 cm de espesor con “pozocreto”, que es una mezcla de concreto con aire incluido que tiene una relación de 0.43 de a/mc, y un contenido de 100 kg/m 3 de cemento portland y 220 kg/m 3 de ceniza volante con alto contenido de calcio. Los proyectos de demostración en Kansas han usado exitosamente ceniza volante, tanto con bajo como con alto contenido de calcio, en mezclas para pavimento de concreto (de 10 a 20 por ciento de ceniza volante por masa del concreto). Una característica innovadora de este proyecto fue la utilización de concreto triturado proveniente de los pavimentos viejos como una fuente de agregado grueso en la mezcla de concreto para el nuevo pavimento.
Mamposterías base y terraplenes. La aplicación de grandes volúmenes de ceniza volante y de ceniza en la base de pavimentos de carreteras puede incluir la estabilización del suelo, mamposterías base para pavimento, terraplenes y bordes de carretera. De acuerdo con Golden, en 1989 se usaron más de 350 mil toneladas de ceniza volante para la construcción de un terraplén en una autopista de Pennsilvania. 33 En Georgia se han usado mezclas de cemento tratadas con ceniza volante como mampostería base en secciones de prueba de carreteras. En Michigan se está usando la ceniza volante con alto contenido de carbón a una tasa de 300 mil toneladas por año para la construcción de mampostería base y bordes de carreteras.
Cemento con altos volúmenes de escoria. Cada año se producen aproximadamente 100 millones de toneladas de escoria de alto horno en el mundo. Su tasa de utilización como material cementante es bastante baja debido a que en muchos países únicamente una pequeña porción de la escoria está disponible en la forma granulada, que es cementante. Aunque se permiten cementos portland combinados que contengan hasta 65 por ciento de escoria, de acuerdo con las especificaciones estándar del ASTM, generalmente el contenido de escoria de los cementos comerciales no excede de 50 por ciento.
Un trabajo reciente de Lang y Geisler sobre un cemento de escoria de alto horno alemán (405 m 2 /kg de superficie específica) que contenía 77.8% de escoria, mostró que se obtuvieron excelentes características mecánicas y de durabilidad en mezclas de concreto superfluidificado con 455 kg/m 3 de contenido de cemento y una relación de a/mc de 0.28. 34 La resistencia a la compresión a edades de 1, 2, 7 y 28 días fue de 13, 37, 58 y 91 MPa (133, 379, 590 y 914 kg/cm 2 ) respectivamente. El concreto mostró buena resistencia a la carbonatación, penetración de líquidos orgánicos, ciclos de congelación y deshielo (sin aire incluido) y descascaramiento por sales.
Agregado de concreto reciclado
Por varias razones, el reuso del desecho de concreto por la industria de la construcción está adquiriendo cada vez mayor importancia. Esto se refleja en varios documentos de investigación de diferentes países que estuvieron presentes en una sesión especial sobre concreto para el mejoramiento ambiental, en una reciente conferencia internacional, “Concreto al Servicio de la Humanidad», que se llevó a cabo en Dundee, Escocia. Además de la protección ambiental, la conservación de recursos de agregados naturales, la carencia de tierra para la eliminación de desechos y el costo cada vez mayor del tratamiento de desechos antes de su eliminación, son los principales factores responsables del interés creciente en el reciclado de concreto de desecho como agregado.
De acuerdo con Hendriks, actualmente los países de la Unión Europea producen 200 millones de toneladas de desechos de edificios y de demoliciones cada año y se espera que esta cantidad se duplique en 10 años. 35 En los Países Bajos, donde el reciclado de desechos se ha convertido en una gran industria desde los años setenta, 60 por ciento de los desechos de demolición se reusa. Uchikawa y Hanehera estimaron que 29 millones de toneladas, que representan un tercio de los 86 millones de toneladas de desechos de construcción producidos en Japón en 1992, consistían de escombros de concreto. 36 Doce millones de toneladas fueron recicladas como agregado para la base de carreteras, y el resto fue eliminado. Saeki y Shimura informaron sobre el comportamiento satisfactorio de agregado de concreto reciclado como material para base de carreteras en las regiones frías. 37 En Estados Unidos, en 1983, se trituró el concreto deteriorado del pavimento de una supercarretera de 9 km de largo en Michigan, y el cascajo se usó como agregado para el concreto que se necesitaba para la construcción del nuevo pavimento. 8
El uso final del agregado recuperado del desecho de concreto depende de su limpieza y sanidad, las cuales se controlan por la fuente de origen de los escombros y la tecnología de procesamiento. El agregado recuperado del concreto premezclado sobrante en los patios de premoldeado y en las plantas de concreto premezclado generalmente está limpio y es similar en propiedades al agregado virgen. Los escombros del concreto provenientes de la demolición de pavimentos de carreteras y estructuras hidráulicas requieren ser tamizados para remover los finos. Muchos estudios de laboratorio y de campo han mostrado que la fracción de tamaño del escombro de concreto que corresponde al agregado grueso puede emplearse satisfactoriamente como un sustituto del agregado natural. Una comparación de las propiedades del concreto a partir de agregados naturales y a partir de concreto reciclado muestra que los últimos darían, al menos, dos tercios de la resistencia a la compresión y del módulo de elasticidad del agregado natural. 8
Los escombros de demolición de edificios son más difíciles de manejar. Por lo regular, el concreto está contaminado con constituyentes perjudiciales tales como madera, metales, vidrio, yeso, papel, plástico y pintura. En combinación con la demolición selectiva de componentes de edificios, tales desechos pueden manejarse de una manera rentable procesándolos en diversos subflujos que se pueden reciclar separadamente. Es evidente que, debido al costo del procesamiento, a veces el agregado de concreto reciclado de los escombros de edificios puede ser más caro que el agregado natural. Sin embargo, esta situación cambiará rápidamente a medida que las fuentes naturales de agregados de calidad lleguen a escasear y los costos alternativos de la eliminación de desechos se incluyan en el análisis económico.
Análisis costo-beneficio
No se ha publicado mucha información sobre materiales y costos de construcción. Los informes no publicados pueden proporcionar algunos datos útiles. Sin embargo, los costos varían considerablemente de un país a otro, e inclusive dentro de un país. Además, debido a la experiencia insuficiente, no existen datos sólidos sobre el análisis costo-beneficio de las tecnologías que se han desarrollado recientemente para el mejoramiento de la vida de servicio de las estructuras de concreto reforzado expuestas a condiciones ambientales agresivas.
Gerwick intentó examinar los aspectos económicos del problema de la durabilidad del concreto. 38 Comparando el costo relativo de las medidas atenuantes comúnmente recomendadas para controlar el deterioro del concreto debido a la corrosión del acero de refuerzo (como un porcentaje del costo primero de la estructura del concreto basado en los precios de 1994, en los países occidentales), puede llegarse a las siguientes conclusiones a partir de los datos de Gerwick:
El uso de la ceniza volante o escoria como un reemplazo parcial del cemento portland no involucra un incremento en los costos. De hecho, puede resultar en costos menores. Al reducir la relación a/mc con un superfluidificador, se incrementa el costo en 2 por ciento. El incremento del costo sería de 5 por ciento si se usara también humo de sílice.
El uso de un aditivo inhibidor de corrosión o un refuerzo revestido de epóxicos incrementa el costo en 8 por ciento. Si se usan ambos, el costo se incrementará en 16 por ciento.
El uso de recubrimientos externos para la protección catódica del concreto de la estructura requiere un aumento del costo de 20 a 30 por ciento.
Evaluación de los avances recientes
Cualquier ejercicio de valoración de la tecnología para juzgar el impacto de los recientes avances tecnológicos sobre la industria del concreto como un todo tendrá que ser subjetivo. El autor ha diseñado un sistema de clasificación arbitrario para evaluar cada avance en las siguientes categorías: complejidad de la tecnología, costo inicial de los materiales y la construcción, costo del ciclo de vida, comportamiento ambiental del producto e impacto futuro sobre la industria del concreto en su conjunto. Se asignan grados relativos de bajo, moderado y alto a cada tecnología en las cinco categorías. A partir de los resultados tabulados que se muestran en la tabla 1, se pueden sacar las siguientes conclusiones:
1. Debido a las complejas tecnologías del procesamiento, los altos costos y el bajo comportamiento ambiental de los productos, parece ser que los cementos libres de macrodefectos, las cerámicas químicamente adheridas y los morteros en polvo reactivo, tendrán un impacto insignificante sobre la industria del concreto como un todo.
2. Las mezclas de concreto superfluidificado con o sin humo de sílice y los concretos autocompactantes, continuarán teniendo un nicho en la industria del concreto. Debido a la cohesividad y a la alta contracción autógena, estos concretos requieren un cuidado especial en el acabado y el curado y, por lo tanto, se espera que tengan únicamente un impacto moderado en la industria.
3. Debido a la simplicidad de la tecnología, el bajo costo inicial, la alta durabilidad y el alto grado de aceptación ambiental del producto, se espera que el concreto superfluidificado con altos volúmenes de ceniza volante o de escoria tenga un alto impacto en la industria del concreto. Se espera también considerable investigación y desarrollo en el área de combinaciones ternarias que contienen cemento portland, humo de sílice o ceniza de cáscara de arroz y grandes volúmenes de ceniza volante o escoria.
4. Es demasiado pronto para predecir el futuro de los inhibidores de corrosión, las varillas de refuerzo recubiertas de epóxicos, los recubrimientos de superficie y tecnología de protección catódica. Cuando se compara con los concretos con altos volúmenes de ceniza volante o escoria, su alto costo y su bajo comportamiento ambiental serán evidentemente una desventaja importante.
Referencias
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Kumar Mehta es miembro del ACI y autor de numerosos estudios sobre las propiedades del concreto y materiales cementantes para la construcción.
Este artículo se publicó en Concrete International y se reproduce con la autorización del American Concrete Institute.
Al revisar los principales desarrollos efectuados durante los últimos 30 años en materia de tecnología del concreto, el autor –un reconocido especialista, por cierto– hace una evaluación crítica de diversas tecnologías a la luz de tres criterios: costo de los materiales y la construcción, durabilidad de las estructuras e incidencia en el ambiente. También pronostica el impacto futuro de cada una en la industria del concreto en su conjunto. Para evaluar la conveniencia de utilizar una u otra herramienta en el acabado de superficies sin correr el riesgo de sellarlas antes de tiempo, en función de evitar el descascaramiento prematuro del concreto exterior, los autores realizaron una serie de pruebas con diferentes concretos y combinaciones de herramientas. En este artículo exponen los resultados a los que llegaron.
Instituto
Mexicano del Cemento y del Concreto, A.C.
Revista Construcción y Tecnología
Octubre 2000
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