A partir de la definición del cemento blanco como un cemento portland de alta resistencia que se distingue por su color, en este artículo se analiza el diseño de mezcla para un concreto de alta resistencia hecho con cemento blanco, tratando de manera específica cada uno de los componentes de la mezcla. También se describe la tecnología de fabricación que se empleó en una construcción que utilizó este tipo de material.
L.
Cassar, C. Pepe, G. P. Tognon, G. F. Guerrini, S. Cangiano y M. Goisis
Lo que da al concreto reforzado mayor dignidad arquitectónica es, sin
duda alguna, su forma, y al concentrarnos en el mejoramiento de su superficie,
podemos también lograr, al mismo tiempo, soluciones a costos reducidos.
Con el uso de cemento blanco, en particular, el concreto resultante no
solamente se convierte en un material expresivo que, al tener una infinita
variedad de tonos de color, intensifica una de sus cualidades estéticas,
sino que además adquiere una validez destacada en términos de cualidades
estructurales debido a su alta resistencia mecánica.
El cemento blanco hoy Gracias a la constante investigación en laboratorio
sobre la estructura química y física de los clinkers blancos industriales,
el cemento blanco ha adquirido una resistencia cada vez más alta y notable.
Además, ahora es posible obtener un excelente grado de blancura y garantizar
su calidad permanente, estudios sobre la influencia de los componentes
menores -los llamados tintes- y, en particular, el tratamiento de calor
recibido por el clinker.
El clinker blanco se produce tomando la precaución de limitar a no más
del 0.15 por ciento el contenido de compuestos ferrosos y otros compuestos
metálicos pesados, cuya presencia da al cemento portland común su color
gris distintivo.
Para lograr esto, se empieza por seleccionar cuidadosamente las materias
primas: únicamente se usan caolines y piedras calizas blancas mineralógicamente
puras.
El control cromático (especialmente en el caso del cemento blanco) toma
la forma de colorimetría de luz reflejada usando materiales altamente
reflectantes tales como el óxido de magnesio o el titanio.
Los resultados de pruebas se ilustran en una cromográfica, de acuerdo
con el sistema ICI (International Commission on Ilumination).
En pocas palabras, la calidad "blanca" del cemento se mide usando tres
parámetros:
l Pureza, es decir, la intensidad del tono. La pureza se mide en porcentaje
de color.
l Longitud de onda dominante, es decir, la tonalidad del tono que acompaña
y caracteriza cada cemento (por esta razón, no todos los cuerpos blancos
son iguales).
La longitud de la onda dominante se encuentra entre el amarillo y el azul.
l Brillantez, es decir, el poder para reflejar la luz incidente (la característica
más importante de los cuerpos blancos), expresada como la diferencia en
porcentaje entre la luz reflejada por una superficie de cemento blanco
y aquella reflejada por una superficie similar de óxido de magnesio, tradicionalmente
considerado el cuerpo blanco ideal.
En cualquier caso, en lo que respecta a los cementos, la característica
colorimétrica puede representarse únicamente mediante dos parámetros:
brillantez y pureza.
El tercer parámetro (es decir, la longitud de onda básica), que normalmente
se requiere para los diferentes polvos en los cementos, permanece básicamente
igual (para cementos ordinarios, l = 577 ± 2 nm; para cementos blancos,
l = 567 ± 2 nm).
La figura 1 muestra la curva brillantez / pureza con los datos colorimétricos
para los diferentes tipos de aglomerantes hidraúlicos: cementos ordinarios,
aglomerantes claros y aglomerantes blancos.
1 Al leer de izquierda a derecha, el componente cromático se incrementa:
entre 8 y 17% para los cementos grises; 5-7% para los cementos ligeros
y 4-5% para los cementos blancos: la brillantez también se incrementa
de 25 a 40, de 50 a 60 y de 80 a 90 respectivamente.
Esta gráfica nos permite comparar la variabilidad en pureza con la variabilidad
de la brillantez.
Vale la pena hacer notar que la inexactitud de la evaluación visual de
la brillantez (al menos en el caso de los cementos blancos) es de aproximadamente
dos puntos.
Para cerrar esta breve exposición sobre el cemento blanco, debemos destacar
que este tipo de cemento es, para todos los efectos y propósitos, un cemento
portland de alta resistencia; la característica esencial que lo distingue
de otros cementos es simplemente el hecho de ser blanco.
Concreto de cemento blanco:
diseño de mezcla El diseño de la mezcla para un concreto hecho con cemento
blanco necesita desarrollarse teniendo en cuenta dos propiedades que tienen
un efecto igual sobre éste:
l La estética o acabado de la superficie
l La resistencia o propiedad estructural
En otras palabras, es necesario elegir los materiales apropiados para
crear un balance delicado entre los componentes de la mezcla y garantizar
el comportamiento reológico de la mezcla resultante.
En el caso de concreto de alta resistencia (CAR), las materias primas
son: agua, cemento y agregado (lo mismo que en la mezcla de cemento ordinario),
a los que se pueden añadir aditivos minerales y superfluidificantes, según
se requiera.
Como resultado, el CAR tiene una microestructura que difiere significativamente
de la de los concretos ordinarios: más compacta, con un sistema de poros
capilares mucho más pequeños y una adherencia interfacial mucho más intensa
de las capas que llevan a macropropiedades diferentes en términos de resistencia
y durabilidad.2, 3, 4, 5
Veamos ahora cada uno de estos componentes de la mezcla, uno por uno.
Agua
La cantidad de agua está, ante todo, directamente ligada a la reología
de la mezcla, y, finalmente a la microestructura del concreto.
Además del efecto reductor del superfluidificador, la dosis real de agua
debe estar entre un límite inferior ligado al fraguado del colado y un
límite superior ligado a
l la fluidez excesiva de la matriz que conduce a fenóme nos de exudación;
l la formación de porosidad capilar discontinua.
En la práctica, el límite superior se alcanza únicamente de manera ocasional
debido a que el cemento blanco es extremadamente fino y esto tiene que
ver con la viscosidad de la mezcla de cemento, lo que significa que nosotros
normalmente podemos lograr la trabajabilidad requerida agregando cantidades
mucho más pequeñas de agua que las correspondientes al principio de exudación.
1 En el concreto de alta resistencia, la dosis de agua está drásticamente
limitada por la acción del fluidificador, y una vez que se añade a la
mezcla es atribuida y está relacionada no solamente con la cantidad de
cemento (relación agua/cemento), sino también con la combinación de cementos
y agregados (relación agua/aglomerante) que están siempre presentes y
que no son tan reactivos como el cemento mismo.
La razón de esto es estrictamente funcional, puesto que las propiedades
del concreto brevemente curado están básicamente ligadas a su relación
agua/cemento, mientras que las del concreto completamente curado están
ligadas a la relación agua/aglomerante.
Debemos agregar que la cantidad real de agua necesaria, notablemente reducida
gracias a la acción del aditivo, cae en un área de dosis muy bajas en
la que cualquier variación, inclusive en un ligero porcentaje (4-5 litros/m3),
tendrá un efecto sustancial en las propiedades finales del concreto, tanto
cuando todavía está fresco como cuando se ha endurecido.
Tales efectos son menos notables cuando, como en el caso del concreto
normal, la cantidad de agua requerida es relativamente alta y la curva
que relaciona el agua con la reología y la resistencia del concreto, deja
de aumentar acentuadamente y tiende a ser plana.
Cemento
En general, los cementos blancos que pertenecen a la clase 52.5 (es decir,
que se caracterizan por un fraguado rápido y alta resistencia final y
que también son apropiados para concreto de alto desempeño con un Ømáx.
15-25 mm) están dosificados a 300-400 kg/m3.
A medida que el Ømáx. se reduce, una práctica que se ha adoptado recientemente
en esta clase de concretos, tal como se explica más adelante, la dosificación
mínima inicial puede evaluarse usando la expresión empírica: Cmín. kg/m3
= 800-145 ln de Ømáx.
Nótese que, en realidad, las mezcladoras de concreto (Ømáx.~ 6 mm) requieren
un promedio de 600 - 700 kg de cemento (o aglomerante) por m3.6
Para el concreto de tan alto desempeño, que además es sensible a pequeñas
variaciones en sus componentes, la elección de la dosificación óptima
requiere que se lleve a cabo, de antemano, una serie de pruebas, en las
cuales el aglomerante (cemento + aditivo mineral) se haga de modo que
varíe entre 400 y 600 kg/m3 en mezclas de proporciones normales de la
misma consistencia y agregando la cantidad apropiada de agua.
Debe hacerse notar que el rendimiento óptimo del cemento (máxima resistencia
con la dosis mínima) para cada nivel de resistencia varía inversamente
con el Ømáx. del agregado.
Agregados
Al decidir sobre la combinación de los agregados -arena y agregados gruesos-
hay que tener presentes los requisitos básicos para nuestro concreto.
1 En el primer caso -la estética- la elección del agregado grueso, y por
lo tanto, su color, es de la mayor importancia para las superficies abiertas
trabajadas (por ejemplo, martelinado, sopleteado con arena y lavado),
mientras que la elección del agregado fino es decisiva para la coloración
de las superficies abiertas sin ningún tratamiento posterior después de
la remoción de las cimbras.
Se requiere arena muy ligera si queremos específicamente una superficie
perfectamente blanca, mientras que es suficiente una arena coloreada (con
frecuencia una arena común) si se requiere un tono más particular.
En ambos casos, el uso de cemento blanco en el concreto "abierto" nos
permite tener un mortero mucho más brillante, en contraste con el color
del agregado, resaltándolo de este modo si las superficies son "trabajadas"
y haciendo que los colados sean más brillantes si las superficies se dejan
"tal cual".
En mayor detalle, en comparación con la arena inicial, la superficie de
un mortero endurecido obtenido con cemento blanco
l adquiere mayor brillantez mientras menos brillante es la arena;
l asume un tono cada vez menos rosado y más azulado que el de las arenas.
De hecho, la longitud de onda de los materiales sueltos es más grande
que la de las superficies endurecidas, como podemos ver en la figura 2;
l pierde porcentaje de color (el color es más débil); por lo tanto, el
uso de arenas coloreadas no es suficiente por sí mismo para obtener un
concreto con superficies clara mente coloreadas (véase la figura 3).
Los resultados de los experimentos con colores de arena/mortero muestran
que no es necesario usar arenas particularmente blancas, las que con frecuencia
son difíciles de encontrar, para crear un concreto con cemento blanco:
felizmente, podemos usar bastante bien las arenas normales.
La "pérdida de color", o más bien los tonos obtenidos al pasar de la arena
al mortero, puede tener un efecto crómatico muy placentero, con frecuencia
preferible al blanco puro.
Sin embargo, cuando el diseñador quiere obtener un color brillante y definido,
él cambia el color de la superficie agregando un mortero del color pertinente
capaz de acentuar la coloración y de dar la longitud de onda dominante
requerida.
De este modo es posible obtener un espectro virtualmente infinito de tonos
de color, como puede verse en la figura 4.
Para obtener concreto de alta resistencia, la granulometría del agregado
fino no es crítica, pero son importantes la forma y la textura de las
partículas debido a que tienen mucho que ver con la cantidad de agua necesaria
para el mezclado.
Una arena natural es preferible a la arena triturada, ya que esta última
requiere más agua y no se ve compensada en términos de mayor resistencia,
gracias a la adherencia interfacial mejorada.
En este concreto, el contenido de agregado fino generalmente es muy alto,
y es una razón para un contenido incrementado de cemento.
Se obtienen algunos beneficios limitando el agregado fino, especialmente
si la cantidad de arena por volumen es menor de 0.80 veces su masa específica
aparente y si el volumen de la mezcla es al menos 20 por ciento mayor
que el índice de vacío de la arena no compactada.
En este caso, la contracción total no se verá obstruida por las partículas
que llegan a estar en contacto una con otra, dando así motivo a grietas.
6 Ya que estamos considerando el agregado grueso, su color llega a tener
importancia solamente cuando deseamos construir una estructura con superficies
trabajadas.
Sin embargo, este material -junto con sus características específicas-
es el componente decisivo en términos de concreto de alta resistencia.
La razón de esto es que el agregado grueso rara vez limita la resistencia
de un concreto normal; sin embargo, en este concreto particular, con su
relación de agua/cemento entre 0.4 y 0.7, la matriz del cemento es el
eslabón más débil, y por eso mismo también la adherencia interfacial,
y no únicamente el agregado grueso.
Por otro lado, cuando tenemos una relación de agua/cemento drásticamente
reducida (0.2-0.3), la matriz de cemento se convierte en el elemento más
fuerte en el concreto, o al menos de igual resistencia que el agregado
grueso, alrededor del cual ha desaparecido el área de transición.
En este caso, el agregado grueso es el responsable de la limitación de
la resistencia, ya que en un concreto cargado, mientras más grande es
el diámetro, mayor es el esfuerzo de tensión generado en su región ecuatorial.
De ahí la elección de un Ømáx.reducido en el agregado (6-8 mm) de un concreto
de alta resistencia.7, 8, 9, 10.
Materiales aditivos finos (Aditivos minerales)
En las mezclas de alta resistencia, el uso generalizado (y necesario)
de materiales finos adicionales se deriva de la necesidad de saturar los
espacios que hay entre las partículas en la matriz del cemento con sólidos,
más que con agua de mezclado.
Existen ciertas limitaciones involucradas en la compactación de la matriz
de cemento, la cual sólo es posible reduciendo la relación a/c. Aun cuando
"cortemos" la cantidad de agua, el concreto continúa pareciéndose al concreto
ordinario en la mayoría de los aspectos, particularmente en términos del
desarrollo de su resistencia y el calor de hidratación, pero especialmente
mantiene una microestructura que es rica en C-H y C-S-H, con un efecto
obvio sobre la durabilidad de este tipo de concreto.
Además, a fin de garantizar que la mezcla sea suficientemente trabajable,
es necesario aumentar la cantidad de cemento usado, con mayores consecuencias
sobre el calor y la contracción térmica.
Otro cambio importante en la microestructura de este concreto es la adición
de materiales minerales finos en la mezcla, mejorando así tanto las características
físicas como las químicas del concreto.
5 De hecho, las partículas muy finas en la mezcla se endurecen para bloquear
los poros entrelazados, bloqueando así la conexión de la red capilar e
incrementando los sitios nucleares con la precipitación de los productos
de hidratación.
El efecto de todo esto es acelerar el proceso de hidratación y reducir
el tamaño de los capilares.
Finalmente, la reacción puzolánica produce una compactación más intensa
en el área interfacial mezcla/agregado, con la acumulación de una cantidad
más pequeña de C-H aquí que en la misma área en los concretos normales.
Además, puesto que el cemento recoge rápidamente la piedra caliza a medida
que se hidrata, ya no se permite la formación de macrocristales (y en
caso de formarse, son extremadamente pequeños).
En el caso de los concretos de cemento blanco, es claro que los materiales
puzolánicos finos deben ser blancos y que de todos los materiales concurrentes
disponibles (tales como humo de sílice, escoria de alto horno, ceniza
volante, cáscara de arroz y metacaolín), solamente puede considerarse
este último.11, 12, 13
De hecho, el humo de sílice -el material más comúnmente empleado en el
concreto de alta resistencia- colorea la mezcla aun cuando sea particularmente
ligero en el color.
Por esta razón, debe ser excluido junto con los otros materiales arriba
mencionados, a menos que se pueda aceptar la apariencia de sus tonos particulares
en el colado abierto.
El metacaolín es, por su naturaleza, blanco y altamente reactivo, y es
por eso una alternativa válida para el humo de sílice.
Este es un silicato de aluminio obtenido a través de la calcinación de
caolín puro dentro de un rango de temperatura establecido.
El tamaño promedio de las partículas es de 1.5 micrones (el del cemento
portland es de 10 micrones).
El metacaolín actúa de tres maneras:
l como un rellenador con acción inmediata;
l acelerando la hidratación a una intensidad mayor dentro de las primeras
24 horas;
l por medio de una reacción puzolánica con el C-H entre el séptimo y el
vigesimoctavo día.
Adición de dióxido de titanio para lograr durabilidad estética
Una nueva e interesante idea, algo aventurada, en el campo de los concretos
blancos, y que está ligada a los movimientos amplios para reducir la contaminación
ambiental a través del uso de materiales específicos de construcción,
es el desarrollo de un aglomerante blanco con un aditivo especial de dióxido
de titanio,14 en su mayor parte en forma de amatasa.
El producto de cemento hecho con este tipo de aglomerante, gracias al
efecto fotocatalítico del dióxido de titanio, logra mantener inalterada
su vista original durante mucho tiempo sin que aparezcan moteados en la
superficie expuesta. 15
Las pruebas sobre la formulación de este elemento "autolimpiador," además
de las investigaciones más cuidadosas que se están haciendo, especialmente
en Japón, confirman que la actividad fotocatalítica del TiO2 a través
de la oxidación en presencia de la luz y el oxígeno atmosférico en los
enyesados, morteros y concretos compuestos preparados en el laboratorio
logra reducir significativamente los varios tipos de contaminantes (subestratos
orgánicos tales como componentes aromáticos de fenantroquinone y policondensados).
Se ha demostrado que la durabilidad estética del producto (es decir, su
capacidad para mantener su color inalterado durante mucho tiempo) no tiene
efectos adversos sobre la resistencia del material.
Aditivos reductores de agua
Puesto que los concretos de alta resistencia demandan niveles de agua
con una relación de agua/aglomerante de 0.20-0.35, la tecnología para
el concreto de alta resistencia recurre al uso de la nueva generación
de aditivos tales como los acrílicos, más que a los condensados, sulfonatos
de melamina -formaldeído o naftaleno- formaldeído.
Sin embargo, existe un problema causado por la incompatibilidad de estos
aditivos con muchos elementos, y con los cementos blancos en particular.
Esta incompatibilidad (conocida desde hace algún tiempo), es particularmente
común en las mezclas de concreto de alta resistencia: de hecho, las pruebas
de la reología de la mezcla con, por ejemplo, una trabajabilidad inicial
de 200 mm por al menos una hora o más después del mezclado, muy difíciles
cuando no imposibles.4,5
La investigación sobre la interacción entre el cemento y los superflidificadores
está todavía por ofrecer una explicación suficientemente buena para este
fenómeno, aunque se han identificado algunos factores de incompatibilidad.
En el caso de los cementos: el contenido C3A y su reactividad ligada a
la morfología; el contenido de C4AF y la forma final del yeso en el cemento.
En el caso de los superfluidificadores: la longitud de la cadena molecular
y la posición del grupo sulfonato en la cadena, el tipo de cationes y
la presencia de sulfatos residuales que influyen en las propiedades de
defloculación del cemento.
Tampoco se trata de la cinética de la hidratación inicial del cemento,
ya que el espesamiento rápido de la mezcla con el aditivo ocurre tanto
cuando la relación agua/cemento es de aproximadamente 0.3 (cuando las
distancias entre las partículas de la mezcla son cortas y el número de
iones que puede entrar en la solución es también bajo), como cuando la
relación agua/cemento es mayor de 0.5, como en el caso de los concretos
normales.
Los factores señalados aquí forman la base de nuestra experiencia, y de
ninguna manera son exhaustivos.
Es muy posible que, a medida que continúen los estudios de investigación,
podamos encontrar la respuesta encontrando el aditivo específico sin tener
que modificar la composición mineralógica del cemento (una tarea tecnológicamente
difícil pero no imposible).
El problema se resolvió recientemente usando un sistema de aditivos con
dos componentes: fórmula A (agente de compatibilidad), libre de agua y
que no puede mezclarse con agua, premezclado cuando está seco con el cemento
o alicuota (master) del material fino agregado (metacaolín), y fórmula
B, un acrílico que se agrega en el momento del mezclado.16
Las "veletas" de la Iglesia del Año 2000
Para concluir y completar este estudio, pensamos que sería interesante
y útil dar una descripción somera de la tecnología de fabricación empleada
para una construcción con concreto de cemento blanco de alta resistencia,
y que interesa, no sólo por el alto nivel estético y cualidades de resistencia
requeridas de él, sino también por los problemas que surgen debido a los
factores de temperatura y humedad resueltos durante la primera etapa de
endurecimiento.17, 18, 19
Se vieron afectados por este problema algunos módulos de paneles prefabricados
(3.0 × 2.0 × 8.8 m) de diferente tamaño y doble curvatura, fabricados
para emplearse en el ensamble de las tres veletas en la Iglesia del Año
2000, en Roma, diseñada por el arquitecto norteamericano Richard Meier
y calculada por Genaro Guala en el grupo Italcement-CTG (figura 5).
Estos paneles tenían que ser "abiertos", con ambas caras curvas coladas
verticalmente. Su enorme masa (figura 6), de poco menos de 5 m3 de concreto,
la baja relación superficie / volumen (3.5 m2/m3) y la presencia de un
marco interno reforzado resistente, son factores que requirieron el desarrollo
de una tecnología especial que cubría todas las etapas, desde el diseño
de la mezcla hasta el almacenamiento y transportación de los paneles.
No hay necesidad de mencionar los problemas involucrados en el sistema
especial subsiguiente de ensamblaje.
La vista de las dos superficies ahusadas que medían 6 m3 cada una exigía,
ante todo, la elección de una combinación muy estrecha de propiedades
reológicas en la mezcla y los métodos y tiempos del sistema de instalación.
El enorme incremento de calor en el interior de una cantidad tan grande
de concreto colado se controló desde el momento en que se quitaron las
cimbras hasta el momento en que la temperatura y la humedad se igualaron
con los de la atmósfera circundante.
La resistencia del concreto estaba ligada no solamente al diseño de la
mezcla, sino también a las características estéticas de la estructura
mencionadas antes.
Composición del concreto
Gracias a la posibilidad de permanecer cerca de una relación agua/aglomerante
de aproximadamente 0.35 y a la técnica del doble aditivo (agente de compatibilidad
+ superfluidificador acrílico), la cantidad real de cemento blanco con
un aditivo especial de bióxido de titanio que se necesitó fue bastante
baja (350 kg/m3), y la trabajabilidad del concreto fue alta.
Puesto que esta estructura tenía que ser completamente blanca, se seleccionó
un agregado de mármol blanco Apuan (del área de Carrara).
Este es un agregado triturado que consiste de una piedra caliza metamórfica
con una estructura de grano fino de sacaroide compacto y uniforme.
Aunque la forma tiende a ser como la de una aguja o una hoja, este agregado
ha probado ser ideal para la producción de concreto de alta calidad.
Su tamaño de partícula tiende a producir una curva continua (Füller).
Por esta razón, el tamaño máximo de la partícula estaba limitado a 20
mm para asegurar que el concreto pudiera fluir a través del refuerzo y
los espacios para recubrimientos (40 mm), y al mismo tiempo contener,
o al menos reducir grandemente, los defectos superficiales (huecos por
falata de compactación, acumulaciones de grava, etc.) ligados también
al elevado volumen del agregado debido al efecto pared.
Con respecto al tamaño total de las partículas de los agregados, se prestó
atención especial al contenido fino para satisfacer la cantidad definida
por el patrón de distribución de Füller.
De hecho, el contenido < 0.2 mm (~ 10%), en relación con los tamaños más
grandes de 2 mm (~ 32%), asegura que haya una cantidad adecuada de aglomerante
con la densidad correcta para reducir la rapidez a la cual el agregado
grueso disminuye, y, por lo tanto, también la oxidación.
El contenido apropiado de agregados finos < 0.2 mm también hace más fácil
obtener caras abiertas con niveles aceptables de defecto.
Se agregó metacaolín con actividad puzolánica, por las razones ya mencionadas
en la sección general y, más específicamente, para obtener las siguientes
propiedades en el concreto:
l resistencia incrementada a mediano y largo plazo; l reducida permeabilidad
al agua;
l fijación de la mayor parte de hidrólisis de la piedra caliza para evitar
eflorescencia ;
l contracción higrométrica disminuida;
l adherencia mejorada entre la pasta de cemento.
El progreso reológico de la mezcla fue tal, que ofreció un tiempo bastante
amplio para trabajar, tal como se muestra en la tabla 1.
Fraguado del colado
La geometría del producto, la geometría del refuerzo ahogado y la necesidad
de obtener superficies estéticamente perfectas, virtualmente libres de
hoyos por deficiente compactación, significaban que había que permitir
que el concreto fraguara en moldes específicos con el uso de vibradores
fijos, con frecuencia de vibración ajustable aplicados al exterior de
dichos moldes, y vibradores internos con penetración controlada.
Los tiempos de vibración eran bastante largos (10-20 min.), debido a la
estructura sólida del producto (relación superficie unitaria/grosor =
1.25) y a una Ømáx.= 20 mm del agregado, algo limitado para reducir los
efectos superficiales debidos al efecto pared.
Por otro lado, los tiempos de vibración se redujeron a medida que se incrementaban
la frecuencia de los vibradores y la plasticidad de la mezcla.
En cualquier caso, las operaciones de fraguado fueron continuas hasta
que la matriz de cemento fluyó a la superficie del colado.
Características después de endurecido
Resistencias mecánicas y módulo de elasticidad.
La tabla 2 muestra la resistencia a la compresión variable del concreto
en diferentes etapas del proceso de curado.
La resistencia a la compresión a 28 días es de más de 80 MPa, y por lo
tanto, éste puede clasificarse como un concreto de alta resistencia. l
Resistencia a la flexión a 7 días = 7.0 MPa; a 28 días = 10.40 MPa l Resistencia
a la tensión indirecta (brasileña) a 14 días = 5.30 MPa; a 28 días = 7.00
MPa Deformación higronométrica (contracción).
La contracción hidráulica o contracción por secado, dada la baja cantidad
de agua en la mezcla, fue relativamente baja (figura 7) y, en todo caso,
las tensiones resultantes fueron contrarrestadas por las altas resistencias
del concreto, justo después de un corto periodo de curado.
Sin embargo, el curado húmedo que tuvo lugar inmediatamente después de
remover los moldes, obviamente protegió la estructura contra la irrupción
del agrietamiento.
No tiene caso hablar aquí acerca de la contracción plástica, ya que no
existen condiciones ligadas a la geometría del producto o a su exposición
durante el periodo inmediatamente anterior al fraguado.
A menos que haya un retardo en la protección contra la pérdida de agua,
la única superficie libre es la superficie colada.
Con el concreto de alta resistencia es importante evitar las dramáticas
consecuencias de la contracción autógena o de autosecado: éstas empiezan
cuando se bloquea la continuidad del sistema capilar particularmente fino.
De hecho, los fenómenos de meniscos que se forman rápidamente en la red
capilar generan un enorme esfuerzo de tensión.
Así pues, el curado húmedo es la respuesta garantizada, en primer lugar,
por el sellado ofrecido en los moldes, y luego, inmediatamente después
de remover estos moldes, por el rociado constante del agua.
Por lo tanto, esto significa que el periodo crucial para este proyecto
se extendió más allá de la terminación del colado, hasta por tres días.
Esto fue básicamente un corto periodo durante el cual se había garantizado
el curado húmedo para el concreto de alta resistencia, en contraste con
el periodo de curado mucho más largo requerido para el concreto normal.20
Sin embargo, cuando se usó para un producto algo masivo, como fue el caso
aquí, también se requirió curado húmedo para evitar la formación de grietas
debido a la expansión térmica y a la contracción del concreto.
La expansión térmica ocurre a través de la dispersión muy lenta del calor
que se desarrolla dentro del producto, debido a la baja difusividad del
material.
Como resultado, la temperatura dentro de la estructura puede incrementarse
hasta temperaturas de 60-70 °C en un periodo de tiempo muy corto, como
puede verse cuando el DT= calor de hidratación se calcula después de periodos
de curado de 1,3,7 y 28 días, adoptando los valores de prueba que se muestran
en la tabla 4 para el calor de hidratación del cemento.
Se midieron incrementos similares en la temperatura del concreto en cuestión,
en el laboratorio, durante una prueba adiabática (figura 8).
Estos descubrimientos se confirmaron observando el mapa de temperaturas
registradas dentro del colado en el sitio de la obra (figura 9).
Al remover los moldes, el contacto directo con el medio ambiente hace
que la parte exterior del producto se enfríe rápidamente.
La nueva condición de temperatura hace que el núcleo interior se dilate,
en contraste con la contracción del casco externo, y de este modo da lugar
a un posible agrietamiento.
Durante el proceso de enfriamiento, si la contracción térmica en conexión
con otros elementos de la estructura a diferentes temperaturas fuera bloqueada,
causaría todavía más grietas debido a la contracción térmica.
cámara de curado con la pulverización de agua a temperaturas establecidas,
para garantizar que la atmósfera estuviera constantemente saturada para
adecuarse a la humedad y temperatura del producto, a medida que éstas
cambiaban gradualmente.
El agua pulverizada en la cámara de curado tenía inicialmente una temperatura
justo por debajo de la de los paneles, y luego, a intervalos regulares
de tiempo, su temperatura se redujo todavía más en intervalos de 10-15
°C cada vez, hasta alcanzar la temperatura ambiente real (figura 10).
Los paneles permanecieron en esta cámara durante tres días antes de ser
enviados para almacenarse.
Resistencia a la congelación y el deshielo.
Se llevaron a cabo pruebas para evaluar la resistencia del concreto a
ciclos de congelación/deshielo, de acuerdo con el estándar italiano (UNI
7087-72).
Se midieron la masa y la frecuencia de resonancia fundamental de flexión
de los especímenes después del número de ciclos prescrito (figura 11).
Las mediciones se llevaron a cabo hasta 300 ciclos, de acuerdo con UNI
7087.
El daño al concreto se expresó en términos de factor de deterioro, tal
como lo describe el nuevo proyecto de estándar italiano sobre el método
de prueba de congelación-deshielo del concreto.
De acuerdo con este proyecto, el factor de deterioro del espécimen de
prueba p-ésimo, sometido a n ciclos de congelación-deshielo, está dado
por la siguiente expresión:
en donde:
n = número de ciclos de congelación-deshielo (n = 26….)
mpn = masa del espécimen de prueba p-ésimo, sometido a n ciclos de congelación-deshielo
fpd = frecuencia de resonancia fundamental por flexión, del espécimen
de prueba p-ésimo, sometido a n ciclos de congelación-deshielo; mnr1 =
masa del espécimen de prueba referencia r1 (r2), medida a la edad correspondiente
al final del ciclo n-ésimo; fr1n= frecuencia fundamental de resonancia
por flexión del espécimen de referencia r1 (r2), medida a la edad correspondiente
al final del ciclo n-ésimo.
Fpd ,0= factor de normalización calculado de acuerdo a la siguiente expresión:
Esta expresión se refiere a los mismos especímenes de prueba, inmediatamente
antes de la prueba de congelación/deshielo; los símbolos tienen el mismo
significado que aquellos usados en la expresión anterior.
En la figura 12 se muestran los valores del factor de deterioro detectados
al final de los números de ciclos prescritos.
La relación entre el valor medio del módulo de elasticidad dinámico (MED)
medido al final de la prueba y el MED medido al principio de la prueba
es 0.940; este valor es más alto que el valor límite (0.4) indicado por
el estándar UNI, más allá del cual el material se considera sensible a
la congelación. Fluencia.
Después del curado con agua a temperatura ambiente (20 ± 2 °C) durante
28 días, los especímenes de prueba cilíndricos (Ø = 100 mm,
h = 200 mm) fueron esmerilados, y luego fueron almacenados en un cuarto
acondicionado (20 °C, 50% U.R) hasta una masa constante (± 1 g).
Las pruebas de fluencia se llevaron a cabo en el mismo cuarto acondicionado,
por medio de dos máquinas de prueba que tenían un solo pistón de acción
y suministradas por una sola planta eléctrica de gasolina.
La presión de entrada de la gasolina se mantuvo constante (± 5%) mediante
un sistema de control PID (Proportional Integral Derivative = Derivada
Integral Proporcional).
Los dos especímenes de prueba fueron cargados respectivamente a 320 kN
y 192 kN, correspondiendo a un esfuerzo axial de compresión de 40.7 MPa
y 24.4 MPa (respectivamente a 50% y a 30% de la resistencia a la compresión
a 28 días).
En la fase inicial de transición de la prueba, la carga se incrementó
monótonicamente a fin de evitar la inestabilidad en los especímenes de
prueba.
En la fase estable de la prueba, la presión se mantuvo constante durante
la duración completa de la prueba.
Durante la etapa inicial de la fase estable de la prueba, se llevaron
a cabo frecuentemente las mediciones de deformación, y después de este
periodo inicial, la frecuencia de las mediciones de deformación se redujo
progresivamente.
Las mediciones de las deformaciones se realizaron por medio de dos transductores
de desplazamiento de resistencia de puente completo del tipo DDI (HBM),
teniendo una longitud base de 50 mm y un rango de ± 2.5 mm.
Las lecturas de deformación se llevaron a cabo por medio de una unidad
amplificadora de barrido (Vishay- Measurement Group).
En la tabla 5 se muestran los valores característicos de fluencia correspondientes
a dos niveles de esfuerzo (eo).
En particular se resaltan los valores de la deformación inicial t = -de
las deformaciones retardadas medidas después de 28 días de carga constante,
y los valores calculados con la fórmula de L'Hermite, ligeramente modificada
con la introducción de un parámetro extra de corrección k3
donde: e = deformación a+ [me ];
t' = duración de curado [días] (t´= 28 días)
t = duración de la carga constante [días] k1,k2,k3 = constantes empíricas21
En la tabla 5 se muestran también los valores de la tasa de fluencia (K)
y los valores de los coeficientes de fluencia, de acuerdo con ASTM 512-87.
La duración de las pruebas se limitó intencionalmente, ya que es bien
sabido por el autor que una caracterización completa del comportamiento
viscoso requiere un largo periodo de carga constante (usualmente no menos
de un año).22, 23
Sin embargo, la muy buena correspondencia de los datos experimentales
con la ley de L'Hermite, aun cuando esté ligeramente modificada, nos permite
considerar válidos los resultados obtenidos en este trabajo, únicamente
para propósitos de comparación.
Los datos de fluencia obtenidos en este trabajo se ven confirmados por
los resultados de De Larrand23 que se refieren al gran desempeño del concreto.
A partir de las curvas de fluencia de De Larrand, obtenidas en condiciones
experimentales similares a las obtenidas en este trabajo, es posible obtener
los valores de e28/s1 ~~ 7 me /MPa.
Estos resultados son muy cercanos a los resultados de este trabajo. Bazant
- Wu24 y L'Hermite - Mamillan25 reportaron valores de e28/s1 ~~ 15 °°
20 me/MPa para concretos de resistencia normal y obtenidos en condiciones
experimentales similares a aquellas adoptadas en el presente trabajo.
La comparación entre los datos obtenidos en este trabajo y los datos de
Bazant-Wu y L'Hermite-Mamillan confirma que los valores de fluencia de
los concretos de alta resistencia23 son sustancialmente reducidos con
respecto a aquellos que se refieren a los concretos ordinarios.
Estética de la superficie.
A fin de garantizar que la vista de los paneles cumpla con los estándares
especificados, necesitamos establecer un método de aceptabilidad para
los defectos posibles.
Nosotros adoptamos el sistema de clasificación cualitativa y cuantitativa
contenido en el reporte núm. 24 de CEB: "Acabados de Concreto".
En este reporte, las tablas de tolerancia dividen a las superficies en
cuatro clases:
- Ásperas:
Superficies sin ningún requisito especial de acabado
- Ordinarias: Superficies con buena estética pero que no son de primordial importancia
- Elaboradas: Superficies con requisitos de acabado definidos
- Especiales:
Superficies con altos estándares estéticos
En
nuestro caso, los paneles tuvieron que estar entre la clase "especiales",
es decir, con los estándares de acabado lo más alto posible.
A fin de valorar la estética de los paneles, nosotros medimos la brillantez
de las superficies y su porcentaje de color.
La brillantez valorada como L* (sistema de iluminación D65/10° de la CIELAB,
con geometría esférica de 8°) estaba entre 92 y 94, y nunca bajó por debajo
de 90.
Se tuvo un cuidado especial en asegurar que ninguna sustancia o polvo
motearan las superficies abiertas de los paneles.
Para este propósito, se usó un recubrimiento especial contra calor y contracción.
Sin embargo, nosotros también fuimos más allá de la valoración estrictamente
esquemática, usando mediciones que requerían una valoración total del
acabado de la superficie por un experto, usando un prototipo estándar.
La experiencia obtenida en las pruebas preliminares en el sitio nos enseñó
que nosotros podíamos aceptar un panel:
- sin defectos de
compctación >5-10mm
- sin el moteado
producido por el agente desmoldante, la herrumbre del refuerzo, manchas
de grasa o aceite, etc., líneas de filtraciones o de combado.
- sin grietas
En este punto, es útil tener en cuenta los tipos de grietas, sus posiciones posibles y la manera de evitarlas.
Las grietas pueden encontrarse:
- En la capa superior en el panel, la última que ha de ser colada
Aquí
las grietas son lineales, y posiblemente en una secuencia muy cerrada
sobre el borde horizontal en forma de Y, en una capa vertical por debajo
del borde real.
Estas grietas se generan debido a que la última capa del colado está enriquecida
a través de la vibración con mezcla de cemento, más el hecho de que esta
capa está ligada a las capas que hay por debajo con volúmenes más estables,
y que, por lo tanto, está sometida a esfuerzos diferenciados.
La solución consiste en encontrar un método adecuado y el tiempo más oportuno
de vibración para esta capa final y el curado inmediato de la superficie
libre usando un flujo de agua.
l En los bordes ranurados que actúan como juntas Se pueden detectar las
grietas en los delgados bordes por encima del cuerpo del panel, después
de remover las cimbras, ya que estos bordes son las rutas preferidas para
la evaporación del agua.
Al mismo tiempo, se ven afectadas, por las caídas drásticas de temperatura.
A fin de evitar esto, deben distribuirse algunos refuerzos de acero a
lo largo de los "dientes", y es preciso cambiar el panel a la cámara de
curado húmedo tan pronto como sea posible. l A lo largo de las superficies
reales
Pueden ocurrir grietas lineales sin ramificaciones a lo largo de las superficies
cuando la remoción de los moldes (especialmente si éstos son de metal)
deja de ofrecer suficiente transmisión de calor.
En la sección sólida del panel con un alto DT, es importante asegurar
una velocidad de endurecimiento y una resistencia adecuadas para contrarrestar
el esfuerzo interno: esfuerzo de tensión externo y presión interna (estos
esfuerzos se invierten cuando el elemento se enfría completamente).
La discontinuidad en el trabajo de fraguado crea diferencias en las superficies
de contacto entre las capas, de allí que puede dar origen a posible agrietamiento.
La condición final que necesita observarse a fin de evitar la formación
de grietas a lo largo de la superficie, es que no debe permitirse que
la diferencia de temperatura entre la superficie del producto y el aire
circundante exceda 20 °C.
Una vez más, el producto debe cambiarse a la cámara de curado húmedo tan
pronto como sea posible.
Bibliografía
1. G.Tognon, "Fair-faced concretes. Mixtures and skin", BIBM 75, 8° Congresso
Int. Del Manufatto del Cemento, Stresa 1975, p.21.
2. M.B. Peterman, R.I. Carasquillo, Production of high stregth concrete,
Noyes Publications, EUA, 1986, p. 278.
3. FIP/CEB, "High strength concrete", Bull. Inf. núm. 197, agosto de 1990.
4. P.C. Aitcin, A. Neville, "High-performance concrete demystified", Concrete
International, enero de 1993, pp. 21-26.
5. P.C. Aitcin, "The art and science of high-performance concrete", Industria
Italiana Cemento, abril de 1998, pp.350-365.
6. G.I., Guerrini, G. Rosati, D. Cian, B. Della Bella, "Calcestruzzi ad
altissime prestazioni fibrorinforzati: dal laboratorio alla pratica",
10° Congresso CTE, Padova 1998, pp. 253-259. 7. P. Richard, M. cheyrezy,
"Les bétons de poudres réactives á ultra haute résistance", Annales núm.
532, marzo-abril de 1995, pp. 85-102.
8. P.C. Aitcin, P.K Mehta, "Effect of coarse-aggregate characteristics
on mechanical properties of high-stregth concrete", ACI Material Journal,
marzo-abril de 1990, pp.103-107.
9. W. BaalbakI, B. Benmokrane, O. Chaallal, P.C. Aitcin, "Influence of
coarse aggregate on elastic properties of high-performance concrete",
ACI Material Journal, septiembre-octubre de 1991, pp. 499-503.
10. G. Giaccio, R. Zerbino, "Concrete as a composite material; effect
of the coarse aggregate and matrix stregth level", Industria Italiana
Cemento, núm.6, 1997, pp. 486-493.
11. Shondeep I., Sarkar, Aimin Xu, "Why use mineral admixtures in high-performance
concrete", Ind. Ital. Cem, núm.10, 1996, pp 714-726.
12. M.A. Caldarone, K.A. Gruber, R.G. Burg, "High-reactivity metakaolin:
a new generation mineral admixtures", Concrete International, noviembre
de 1994, pp. 37-40.
13. S. Wild, J.M. Khathb, A Jones, "Relative strength pozzolanic activity
and cement hydration in superplasticized metakaolin concrete", Cement
and Concrete Research 10 (26), 1996, pp. 1537-1544.
14. L. Cassar, C. Pepe, "Legante idraulico con migLegliorate proprieta
di costanza di colore", Brevetto MP196A001722.
15. L. Cassar; C. Pepe, N. Pimpinelli, R. Amadelli, T. "Materiali cementizi
e fotocatalisi, Matyeriali, Ricerca e Prospettive Tecnologiche alle Soglie
del 2000", Convegno FAST, vol.1, 10-14 de noviembre de 1997, pp. 591-598.
16. M. Goisis, T. de Marco, C. Pepe, L. Cassar, Domanda di Brevetto MI98A000921
17. C. Pepe., G. Tognon, "Progettazione tecnologica di produzione dei
pannelli in calcestruzzo di Italbianco, 'Realizzazione presso la Larco
Aastori di Carvico (BG) di pannelli in seala reale per la Chiesa del 2000'
", Lavoro non pubbicato, Direzione Laboratori, CTG-Italcement Group.
18. C. PEPE, "Chiesa del 2000. Cemento Italbianco Rezzato. Caratterizzazione
meccanica. Prove preliminari di laboratio", Lavoro non pubblicato, Direzione
Laboratori, CTG-Italcementi Group.
19. C.Pepe, G. Tognon, "Chiesa del 2000. Doppia additivazione contro la
perdita di lavorabilitá. Produzione manufatti 'Prima Pietra' ", Lavoro
non pubblicato, Direzione Laboratori, CTG-Italeementi Group.
20. P.C. Aitcin, A.M. Neville, P. Acker, "Interated view of shrinkage
deformation", Concrete International, septiembre de 1997, pp.35-41.
21. S. Cangiano, R. Cucitore, "Chiesa del 2000. Caratterizzazione del
comportamento viscoso di provini in calcestrazzo di cemento TX Millennium
e Italbiance", Lavoro non pubblicato, Direzione Laboratori, CTG-Italcementi
Group
22. ASTM C 512-87 - Confermata nel 1994. 23. F. de Larrard, P. Acker,
Creep in high and very high performance concrete, High Performance Concrete,
Ed. E. & FN SPON, 1992, pp. 115-126.
24. Z.P. Bazant, S.T. WU, "Rate-type creep law of ageing concrete based
on Maxwell chain, Materiaux et Construction 7 (37), 1974, pp. 45-60.
25. R. L'Hermite, R. Mamillan, "Retrait et fluage des bétons", Annales
ITBTP 21 (249), 1968, pp. 1319-1337.
Los autores pertenecen al CIG-Italcementi Group, Departamento de Laboratorios,
Bergamo, Italia, salvo G.P. Tognon, que es consultor.
Este artículo se publicó en lndustia italiana del Cemento, y Feb
2000, y se reproduce con la autorización de la Assocoazione Italiana Tecno
Gemomica del Cemento (AITEC).
Instituto Mexicano del Cemento y del Concreto, A.C.
Revista Construcción y Tecnología
Enero 2001
Todos los derechos reservados
