Posibilidades del concreto

C O M P O R T A M I E N T O_ D E L_ C O N C R E T O

Deformaciones en el concreto

El concreto endurecido –como cualquier roca– cambia de volumen. Estos cambios dimensionales pueden ser de origen mecánico (cargas que actúan sobre el material), térmico (el calor expande el concreto y el frío lo retrae), o químico (inherentes a la hidratación del concreto o a la evolución de la composición de su pasta). En términos generales, la comunidad de ingenieros, arquitectos y constructores conocen la existencia de estos fenómenos, así como la necesidad de hacer juntas que los controlen. Sin embargo, en muchos casos no existe un claro dimensionamiento de las magnitudes, ni cuándo y a qué velocidad ocurren estos cambios dimensionales. Veamos rápidamente cada uno de estos tipos de deformaciones y sus magnitudes.
Las deformaciones mecánicas o generadas por cargas externas del material, las predice una expresión lineal inspirada en el comportamiento de un resorte, aunque hay que confesar que en el concreto no hay nada lineal. Dicha expresión es conocida como Ley de Young, que establece que el resorte se deformará dependiendo de su rigidez y de la carga que se le impone. Las deformaciones mecánicas de compresión o tensión son fáciles de calcular conociendo simplemente la carga aplicada (esfuerzo) y la rigidez del material (módulo elástico).
Las deformaciones de origen térmico también siguen un principio muy simple que los ingenieros invocan cuando quieren predecirlas. En este caso se acude de igual manera, a otra expresión lineal que define que un cambio de temperatura en un cuerpo genera un cambio directamente proporcional a la longitud del mismo. Como se puede observar, el calcular estas deformaciones no tiene mayor complicación; sin embargo las deformaciones causadas por reacciones químicas propias del material, como la contracción del concreto, tienen más de tres variables involucradas que no son lineales y que sin duda son deformaciones más complejas de modelar. La contracción del concreto está relacionada, entre otras cosas, con la composición del material, con la humedad relativa del medio y con la geometría del elemento.
En las formulas que predicen esta tendencia del concreto a contraerse, se incluyen al menos 8 variables. Cuando una fórmula exige tantos datos de entrada, muchas veces resulta más fácil no intentar predecir el fenómeno; sino medirlo directamente de manera experimental. El interés por conocer la contracción del material radica en evitar o prevenir la fisuración de los elementos de concreto, modular correctamente las juntas de un piso o un pavimento y determinar el ancho necesario para dichas juntas.
Igualmente, conocer la contracción del concreto es una condición para el cálculo de los esfuerzos a aplicar en puentes atirantados y en elementos presforzados. Si la modelación de este fenómeno reviste cierta complejidad, el ensayo para determinar la retracción esta lleno de sutilezas. Muchas obras de concreto especifican valores máximos de retracción y por ello es necesario medir correctamente este fenómeno, y efectuar dicha medición de una manera tan rutinaria como la falla de un cilindro. Así, la medición de la contracción por secado se basa en la norma ASTM C 157, que en general se concentra en la medición de los cambios dimensionales en una viga de concreto de 10.0 x 10.0 x 28.5 cm, que inicialmente se cura por inmersión durante 28 días. Posteriormente, una vez medida lo longitud o el cambio de volumen, la viga es almacenada al aire; bajo condiciones atmosféricas y de evaporación controlada. Durante el tiempo de almacenamiento se van midiendo las longitudes de la viga en las edades de interés, lo que define la tendencia del concreto a ir perdiendo longitud según se seca.
Mucha de la literatura que al respecto existe, demuestra que los niveles de esfuerzos que se generan debido a las contracciones por secado, en varias ocasiones pueden superar a los que se generan debido a las deformaciones térmicas o mecánicas. De lo anterior, la importancia de siempre caracterizar adecuadamente los posibles niveles de contracción por secado de la mezcla a usar; considerando por supuesto las condiciones reales de colocación de la misma.

Referencia: Hermida, G., “Polémica en expansión: La retracción del Concreto”, en Noticreto, La Revista de la Técnica y la Construcción, núm. 84. Agosto-Octubre 2007.

C A R B O N A T A C I Ó N _C O N C R E T O

Uso de películas barrera

El concreto reforzado es el material de construcción más utilizado universalmente. Su versatilidad, economía y alcance lo hace un material singular; sin embargo se deteriora al exponerse al medio ambiente, siendo la corrosión del acero de refuerzo la principal causa.
La carbonatación es el principal mecanismo de corrosión en el concreto reforzado en ambientes tropicales no marinos. En una investigación desarrollada en la Universidad Autónoma de Yucatán, se evaluaron los resultados de un estudio para determinar la eficiencia de las principales pinturas existentes en el mercado (alquidálica, acrílica, vinil-acrílica y vinílica), como controladoras de la velocidad de carbonatación.
Una opción para corregir la corrosión por carbonatación, es el uso de las llamadas Películas barrera, que consisten en la formación de una película semiflexible y continua actuando como barrera física de baja permeabilidad a los agentes agresivos. Las de mejor desempeño han sido las que contienen acrílicos, epóxicos y poliuretanos, aunque deben aplicarse a estructuras nuevas. Éstas sólo se usarán en reparaciones cuando se haya garantizado la remoción del concreto carbonatado.
En el estudio de referencia, se elaboraron especímenes de concreto simple de 7.5 cm de longitud y 7.5 cm de diámetro, usando relaciones aguacemento (a/c) de 0.80, 0.70 y 0.62, equivalentes a resistencias a la compresión (f’c) de 15, 20 y 25 MPa. Por cada relación a/c y tipo de pintura a estudiar se utilizaron ocho cilindros, ocho como control dentro de la cámara y cuatro para control externo. Se dispuso de Cemento Portland Compuesto (CPC) como material cementante, y caliza triturada como agregado grueso y fino; eligiéndose las pinturas a partir de dos marcas existentes en el mercado. Para la primera se estudiaron las dos calidades principales: esmalte alquidálico y 100% acrílica; la primera base solvente (alquidálica) y la segunda base agua (100% acrílica). Para la segunda marca se estudiaron tres calidades económicas: vinil-acrílica, vinílica y alquidálica.
Se realizaron dos colados: a/c de 0.80, 0.70 y 0.62 en el primero y a/c de 0.80 y 0.62 en el segundo. El curado de los especímenes se realizó por inmersión durante 28 días. Al final del período de acondicionamiento, los especímenes se pesaron para estimar el diferencial de masa debido al secado del concreto. Posteriormente, los especímenes se colocaron en una cámara al 4% de CO₂ con el fin de acelerar el proceso de carbonatación. Asimismo, se calculó la cantidad de CO₂ que en promedio consume la totalidad de cemento dentro de la cámara de carbonatación por semana, para que se mantuviera constante el 4% de CO₂ en el medio ambiente de la cámara. Luego se determinaron las profundidades de carbonatación.
Los resultados obtenidos evidenciaron que el desempeño del recubrimiento como película barrera anticarbonatación no sólo depende de la calidad de dicha película, sino también de la calidad del concreto utilizado; para un mismo recubrimiento, cuanto mayor sea la relación a/c, mayor será la profundidad de carbonatación. Adicionalmente, se demuestra que las distintas calidades de pinturas empleadas se correlacionan inversamente con los coeficientes de carbonatación del concreto; en general la mejor calidad de pintura está asociada al más bajo coeficiente de carbonatación. Otra conclusión importante es que el empleo de recubrimientos alquidálicos no es recomendable para obras nuevas por su débil adherencia al concreto y su alta alcalinidad, pudiéndose utilizar como método preventivo en elementos antiguos que tengan una capa carbonatada, cuyo frente de carbonatación no sea mayor que el recubrimiento del acero de refuerzo. Por otra parte, el uso de pinturas acrílicas para concretos expuestos a ambientes tropicales no marinos, es recomendable tanto para obras nuevas como para reparaciones, ya que en general reducen la velocidad de carbonatación.

Referencia: Serrano, I.; Moreno, E., “Películas barrera: Una opción contra la carbonatación del concreto reforzado”, en Ingeniería, revista académica de la FI-UADY, 10-2, pp. 37-45, ISSN: 1665-529X, junio de 2006.

D U R A B I L I D A D _D E L_C O N C R E T O

Influencia de las puzolanas naturales

La durabilidad de las estructuras de concreto es afectada por la corrosión del acero de refuerzo, siendo el principal problema que preocupa seriamente al sector de la construcción en el mundo. El concreto es el material de construcción más utilizado porque la durabilidad de estas estructuras es asegurada por la protección, tanto química como física, que el concreto le confiere al acero contra la corrosión. Para prolongar la durabilidad, se ha propuesto la utilización de materiales cementantes, tales como las puzolanas naturales como reemplazo del cemento Portland ordinario.
En general, las reacciones de hidratación del cemento producen una solución intersticial con un pH elevado, mayor a 13; que genera óptimas condiciones para la estabilidad casi permanente del acero embebido en el concreto. También funciona como una capa física protectora impidiendo o retardando el ingreso de agentes agresivos que pueden “despasivar” el acero e iniciar su corrosión.
Sin embargo, como el concreto es un material poroso, solamente aísla al acero de las sustancias agresivas del medio exterior. Esta barrera física depende mucho de la calidad del concreto y de los cuidados que este haya recibido durante su puesta en servicio.
En la Facultad de Ingeniería Civil de la Universidad Autónoma de Nuevo León, se ha desarrollado una investigación en que se analiza el efecto de la utilización de un tipo de puzolana natural mexicana en un mortero reforzado sometido a un proceso acelerado de corrosión. En la investigación de referencia, se desarrollaron diferentes pruebas de laboratorio a cilindros de 5.0 cm de diámetro por 13.0 cm de altura; a los cuales se les dejó embebido una varilla de acero de 3/8 de pulgada, con una longitud de 17.0 cm, colocada al centro. Los cilindros fueron elaborados con diferentes cantidades de puzolana (0, 10 y 20 %) como reemplazo del cemento Portland convencional. Para evaluar el proceso de corrosión se hicieron pruebas de potencial del electrodo de acero, de resistencia de polarización y de resistividad del mortero. Adicionalmente se obtuvo la resistencia a la compresión y el contenido de cloruro del mortero.
La utilización de puzolanas naturales mexicanas en sustitución parcial de cemento Portland tiene un efecto en el comportamiento de la corrosión del acero de refuerzo. En este caso se incrementa la resistividad eléctrica del mortero. Una sustitución del 20% de cemento por puzolana prolonga el tiempo de inducción de la corrosión y reduce la velocidad de degradación por corrosión de manera significativa, lo cual fue verificado con el estado superficial del acero durante la inspección visual. Asimismo, los ciclos de inmersión y secado en una solución de
35 g/L NaCl muestran claramente que la utilización de puzolana ofrece una mejor protección al acero embebido en comparación con los especímenes fabricados con cementos comerciales y ordinarios. Por otra parte, la disminución de la resistencia a la compresión en los morteros fabricados con puzolana es razonable, y dado la reducción del contenido de cloruros, la puzolana puede ser utilizada en concretos con resistencias convencionales sin ningún efecto adverso.

Referencia: Pacheco, J.; Fajardo, G.; Valdez, P.; Badillo, A., (Universidad Autónoma de Nuevo León), “El rol de las puzolanas naturales en el mejoramiento de la durabilidad del concreto reforzado”, en Ciencia FIC, Revista de Divulgación Cinética y Tecnológica, Facultad de Ingeniería Civil UANL, núm. 1, eneroabril
de 2007.

C O N C R E T O S _D E _A L T A _R E S I S T E N C I A

Contracción por secado

En este texto están los resultados de un estudio experimental desarrollado en el Instituto Nacional de Tecnología de la India, en donde se evalúa la contracción por secado (CS) en concretos de alta resistencia (CAR), en este caso fabricados con la sustitución parcial del cemento por cenizas volantes y humo de sílice. Para el estudio se utilizaron concretos elaborados con diferentes tipos de agregados gruesos y finos: piedra arenisca y granito con tamaño máximo nominal de 12.5 mm, así como dos tipos de arena provenientes de dos ríos diferentes (Yamuna y Badarpur). La proporción de la mezcla utilizada fue 1:0.8:2.2, con una relación agua cemento (a/c) de 0.30. Para lograr la trabajabilidad necesaria en términos del factor de compactación, se agrega a la mezcla una dosis de aditivo superplastificante, equivalente al 2% del peso del cemento.
Se conoce en la literatura como CS, a la disminución de volumen del concreto con el tiempo, normalmente se expresa como un esfuerzo adimensional (ej. mm/mm). Esta disminución se debe a variaciones en el contenido de humedad en la mezcla, y a los cambios físicoquímicos que ocurren sin esfuerzos atribuibles a acciones externas. Bajo condiciones específicas de humedad relativa y temperatura, la CS es principalmente una función de las características de la pasta y de la dureza del agregado grueso.
Las propiedades de la CS en los CAR se resumen en el comité ACI 363, cuyas conclusiones básicas son:
• La CS no dependen de la relación a/c, pero sí son proporcionales al porcentaje de agua por volumen de concreto.
• La CS en los CAR que contienen aditivos reductores de agua de alto rango, es menor que en los concretos normales (CN).
• Los CAR exhiben una tasa de CS inicial relativamente alta; después de secarse durante 180 días, hay poca diferencia entre la CS en los CAR y en los CN elaborados con agregados dolomiticos o calizos. La reducción del período de curado de 28 a 7 días aumenta ligeramente la CS.
En general, la CS disminuye con el tiempo. Los ensayos indican que la CS que se pueden desarrollar en 20 años, de un 14 a un 30 % ocurre en dos semanas, de un 40 a un 70 % en tres meses y de un 65 a un 80 % en un año. Materiales puzolánicos como el humo de sílice y la ceniza volante, por lo general aumentan la CS. En concretos con puzolanas curados adecuadamente, aumenta el refinamiento de los poros y en general hay un aumento de pasta respecto al volumen de concreto. Las Puzolanas tienen menor peso específico que el cemento
Portland, por lo que reaccionan más lentamente, de ahí que su uso está relacionado con la obtención de niveles de resistencia a la compresión a 28 días y no a edades tempranas. Por otra parte, los concretos elaborados con puzolanas, por lo general tienen menor rigidez en las primeras edades, por lo que también son más susceptibles al desarrollo de contracciones.
En lo que respecta a los aditivos químicos, se refiere que éstos por lo general tienden a aumentar la CS; si se emplean para reducir el contenido de agua evaporada, entonces la contracción se reducirá. En el caso de los aditivos inclusores de aire, se ha demostrado que el efecto sobre la CS es mínimo. Así, de la revisión de la literatura puede resumirse que las propiedades mecánicas de los CAR son función de las propiedades de los materiales que los constituyen. Asimismo, la durabilidad y otras propiedades de los CAR aumentan con el empleo de materiales puzolánicos. Por su parte, del desarrollo de esta investigación se pudo concluir que la CS en los CAR se incrementa con el tiempo, siendo entre el 6 y el 10% mayor, en aquellos concretos en donde se sustituye el 10% de cemento por humo de sílice y ceniza volante. Adicionalmente se encuentra que los niveles de CS son dependientes del tipo de arena, y que tienden a ser menores cuando se usa como agregado grueso granito y no arenisca.

Referencia: Gupta, S. M.; Sehgal, V. K.; Kaushik, S. K., “Shrinkage of high strength concrete”, en World Academy of Science, Engineering and Technology, 2009.