Posibilidades del concreto

CONCRETO AUTOCOMPACTABLE

Calificación de concretos autocompactables

El Concreto Autocompactable (CAC) no necesita medios de compactación externos para su correcta ejecución durante su puesta en obra. Siguiendo esta filosofía, se debe lograr un concreto que en estado fresco posea un bajo grado de fricción entre sus partículas, adecuado para darle una fluidez elevada. Sin embargo, también debe estar dotado de la viscosidad necesaria para asegurar la cohesión y evitar la segregación. Por tanto, es la reología del concreto en el estado fresco la que determina su cualidad de autocompactable. La fluidez elevada y la viscosidad adecuada se alcanzan utilizando aditivos superfluidificantes, adiciones de elevada finura y en algunos casos agentes que aumentan la viscosidad.

El comportamiento reológico de un concreto está fuertemente marcado por la reología de la pasta; es decir, la mezcla de agua, cemento Portland y las adiciones de material de granulometría más fina. Para describir ese comportamiento se han utilizado hasta el momento diversos modelos que relacionan la velocidad de deformación con el esfuerzo de cortante aplicado. El más comúnmente empleado es el modelo de Bingham, que aunque simple, ofrece una acertada idea del comportamiento básico del material. En general, este modelo propone que al intentar poner en movimiento el concreto es necesario vencer la resistencia resultante del rozamiento entre las partículas. Una vez iniciado el movimiento, se requiere seguir aumentando la fuerza aplicada al fluido para conseguir “acelerarlo”, debido a la cohesión que existe entre las partículas. Esta resistencia posterior se mide a través de la viscosidad.

El CAC, respecto al concreto convencional presenta un esfuerzo inicial de flujo inferior, similar al que presentan los concretos fluidos; pero a diferencia de éstos –en los que la viscosidad es menor que la de un concreto convencional– la viscosidad del CAC es mayor incluso que la de los convencionales, asegurando la cohesión. Es necesario destacar que aunque un bajo esfuerzo inicial de flujo es un objetivo común en cualquier aplicación con CAC, la viscosidad puede variar de forma considerable dependiendo de la técnica de producción y de la aplicación.

La estimación directa de los parámetros reológicos es complicada; es verificada mediante un equipamiento costoso (reómetros) y poco práctico. Con el objetivo de superar esta dificultad, se han desarrollado nuevos métodos de estimación indirecta de los dos parámetros principales que caracterizan a un fluido Bingham: el esfuerzo de inicio de flujo y la viscosidad, con los que se pretende caracterizar las propiedades del concreto en estado fresco. Uno de los ensayos más comunes realizados a los concretos autocompactables es el de escurrimiento, usando el mismo cono de Abrams que se emplea para medir el asentamiento de los concretos convencionales. En este caso los valores representativos del ensayo son el diámetro final del concreto una vez que ha alcanzado el equilibrio; que es una medida indirecta del esfuerzo inicial de flujo y el tiempo que tarda en alcanzar un diámetro de 50 cm (T50), lo que mide además indirectamente la viscosidad. Se supone que un CAC adquiere las propiedades reológicas adecuadas, según la literatura, cuando se extiende mÁs allá de un diámetro mínimo de 65.0 cm, y T50 está también por encima de un valor específico para asegurar que la viscosidad sea lo suficientemente alta. Sin embargo, la verificación de la viscosidad es más complicada ya que el concreto fluye tan rápido que el tiempo que se requiere medir para la estimación del parámetro está casi fuera de la resolución de la medida.

A fin de solucionar este problema, se han desarrollado aditamentos complementarios para estimar otros parámetros de tiempo por medio de los cuales sea posible determinar la viscosidad en función del diferencial de nivel que pueda llegar a alcanzar la mezcla estudiada; una vez que se haya hecho pasar por alguno de los aditamentos de referencia, mismos que incluso ya consideran la simulación del acero de refuerzo. De acuerdo a lo anterior se concluye que la fluidez es fácil de determinar mediante el ensayo del escurrimiento, ya que la medida es clara y directamente relacionada con la característica reológica de tensión de inicio de flujo. Sin embargo, los métodos indirectos para la medida de la viscosidad son complicados de interpretar en ausencia de otros ensayos, de lo que se desprende que la verificación de las propiedades reológicas del concreto autocompactable exige de la realización de un conjunto de ensayos, y no uno aislado.

Referencia: Gallo, E. (Instituto de Tecnología, San Martín, Buenos Aires; Revuelta, D. (Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja, Madrid, España), “Verificación de las propiedades reológicas del hormigón sin vibrado”, en Boletín de la Sociedad Española de Cerámica y Vidrio, vol. 43 (2)-2004.

FIBRAS ESTRUCTURALES
Aspectos generales

Las fibras estructurales son fibras de polipropileno de elevada resistencia y alto módulo elástico. Se presentan con diferentes dimensiones y características. Durante el mezclado sufren un proceso de “fibrilación” que les permite mejorar la adherencia con el concreto. Estas fibras son muy diferentes a las microfibras además de que su uso tampoco es el mismo pues la microfibra se utiliza para el control de la fisuración en estado plástico, perdiendo toda utilidad en el estado endurecido del concreto. El diámetro de las microfibras es similar al de un cabello y tiene una longitud de aproximadamente 2 cm. En cambio, en las fibras estructurales el tamaño es de aproximadamente 5 cm de largo, 2 mm de ancho y 0,19 mm de espesor. La fibra estructural ayuda a contrarrestar la fisuración plástica, aunque no es su función principal. Éstas trabajan cuando el concreto está sometido a cargas.

Está comprobado que el concreto convencional, cuando alcanza un determinado valor de deformación, pierde totalmente su capacidad resistente; situación que se visualiza con la caída abrupta de la curva que relaciona esfuerzos con deformaciones, lo que evidencia una rotura frágil no deseada del material.

La adición de fibras le permite al concreto fisurarse e ir perdiendo su capacidad de tomar cargas de a poco, “avisando” mediante la aparición de estas fisuras. Por otra parte, el que se agregue fibras a la mezcla hará que se mejore la tenacidad del concreto de modo de extender la capacidad de deformación una vez alcanzado el esfuerzo de cálculo.

Usos, aplicaciones y consideraciones sobre la mezcla

La adición de fibras sintéticas en la matriz del concreto le confiere a éste una mejora en el comportamiento a flexotracción y al impacto. En general se utilizan como reemplazo directo de las fibras de acero e incluso de varias armaduras secundarias. Es de destacar que no deben ser utilizadas como armadura principal en elementos estructurales.

La utilización de fibras requiere de pequeñas modificaciones en el diseño de la mezcla, debido a que en igualdad de condiciones se pierde trabajabilidad (en este caso, sinónimo de revenimiento), como resultado de que la superficie de la fibra demanda un poco de la fracción de mortero; lo que puede hacer que la mezcla de concreto se haga “gravosa”.También existe una pérdida de revenimiento producto de la trabazón que generan las fibras entre los agregados y la matriz del concreto. Es esperable perder hasta dos centímetros de revenimiento por cada 1.5 Kgs de fibra adicionada.

Entre las modificaciones que deben ejecutarse a la dosificación puede citarse básicamente el aumento de la relación entre agregados finos y gruesos; lo cual puede incidir en que se demande, adicionalmente, una pequeña cantidad de cemento. El bajo revenimiento (medido por el procedimiento de la Norma ASTM C 995) puede ser revertido incorporando a la mezcla aditivos superfluidificantes. Por su parte, respecto al orden de adición, las fibras estructurales pueden ser incorporadas a la mezcla de los materiales en cualquier etapa, incluso después de terminado el ciclo de carga; pero se obtiene la mejor dispersión de fibras en la mezcla, si se incorpora al camión previo a la carga de los demás materiales. De todos modos, se recomienda que al cargar el camión, se ejecuten por lo menos 5 minutos de mezclado ó 70 revoluciones y 30 vueltas más del trompo antes de la descarga en la obra, para asegurar el correcto fibrilado y una distribución uniforme de las fibras.

Referencia: Persico, Juan, (Grace Argentina SA), “Hormigón elaborado con Fibras Estructurales”, en Hormigonar, Revista de la Asociación Argentina del Hormigón Elaborado, núm. 13, diciembre de 2007.

QUÍMICA DEL CONCRETO
Reacciones químicas del cemento

El Cemento Portland contiene silicatos y aluminatos de calcio formados mediante una secuencia de procesos térmicos y químicos, incluyendo la descomposición de la caliza, la reacción con otros materiales de cantera tales como la arcilla, el mineral de hierro y la arena. La fusión parcial de estos componentes da origen a la formación de nódulos duros, redondeados denominados clínker. Todo esto ocurre a la temperatura de 1, 450 °C en un horno rotatorio de una planta de cemento. Después del enfriamiento, el clínker se muele junto con aproximadamente 5 % de yeso (sulfato de calcio dihidratado) hasta una finura tipo harina, produciendo el producto final: Cemento Portland. Cabe recordar que el actual conocimiento de la composición química del Cemento Portland y lo que le sucede con él cuando se le mezcla con agua, fue primero revelado en 1887 por el químico francés Henry Le Chatelier; quien en su tesis doctoral identificó correctamente los minerales importantes del cemento (silicato tricálcico, silicato dicálcico y aluminato tricálcico).

Reacciones de hidratación normal

La reacción más rápida que ocurre cuando se mezclan cemento y agua es la hidratación del aluminato tricálcico (C3A). Sólo el C3A y el agua formarán rápidamente hidratos de aluminato tricálcico. La reacción anterior puede ocurrir tan rápidamente que el concreto se puede volver espeso al cabo de unos pocos minutos y volverse completamente intrabajable debido al calor emitido; condición que se denomina como falso fraguado. En el siglo XIX, cuando el cemento desarrollaba lentamente su resistencia debido a que era molido en partículas grandes y reaccionaba imperfectamente, el falso fraguado era un problema; sin embargo este problema se eliminó posteriormente con la introducción de hornos rotatorios, el empleo de dosificaciones más científicas de las materias primas, las moliendas más finas del clínker, así como con la adición de yeso al cemento.

Químicamente el C3A, el yeso y el agua forman un recubrimiento protector al sulfoaluminato de calcio hidratado (etringita) sobre las superficies expuestas de aluminato tricálcico que permanecería durante varias horas. La hidratación del C3A se reactiva a medida que comienza el principio de fraguado, consumiendo el sulfato y formando más etringita. Un cuarto mineral importante en el cemento es la ferrita que contiene hierro y también se hidrata, aunque mucho más lentamente; para formar compuestos químicamente similares (trisulfato y monosulfato), en los que el hierro reemplaza una porción del aluminio.

El desarrollo de la resistencia principal del concreto, sin embargo, resulta de la hidratación de las fases silicato de calcio. Ambos silicatos de calcio se combinan con agua para formar el silicato de calcio tipo gel hidratado.

Referencia:Johansen, Vagn C.; Klemm, Walde-mar; Taylor, Peter, Laboratorio Tecnológico de la Construcción (CTL, por sus siglas en inglés), “Why chemistry matters in concrete”, en Concrete International, marzo de 2002.

REPARACIÓN EN EL CONCRETO
Compuesto cementicio ingenierizado

El material por excelencia para la construcción de edificaciones es el concreto, que ha revolucionado la industria de la construcción en el mundo con su amplia variedad de alternativas; ofreciendo soluciones innovadoras acorde con la necesidad de los constructores y del mercado. El concreto brinda ventajas inigualables como resistencia, economía, durabilidad, eficiencia y estética a todo tipo de proyectos, desde muy pequeños hasta muy grandes. Aun así, el concreto puede presentar fisuras que disminuyen el rendimiento y la durabilidad de las estructuras fabricadas con él. Pueden aparecer en cualquier momento en la vida de servicio de la estructura y pueden tener origen en el aumento de cargas no contempladas en el diseño, en procesos de contracción, en exposición a condiciones ambientales severas o en incorrectos procedimientos de construcción, entre otras causas.

El problema de las fisuras ha sido investigado durante los últimos años. A mediados de la década de 1980 el dr. Víctor Li vio cómo sus colegas bus-caban una herramienta de análisis que anticipara con certeza las fisuras que sufriría el concreto; pero él estaba tras una solución diferente: un material que se curase a si mismo al ocurrir la fisura, para de esta forma evitar expansiones que afectaran la estructura.

Después de 20 años de investigación, el dr. Li exhibe el desarrollo del Compuesto Cementicio Ingenierizado (ECC por sus siglas en inglés), con el cual es posible obtener un concreto flexible con propiedades de autorreparación que parece destinado a revolucionar la Ingeniería Civil y la construcción. Este científico se inspiro en el nácar, el compuesto orgánico-inorgánico que segregan algunos moluscos para formar o reparar su caparazón. El nácar está compuesto por plaquetas de aragonita (cristales de carbonato de calcio), separadas por hojas de biopolímeros elásticos. Li reconoce que este fenómeno natural inspira a muchos especialistas de la comunidad científica vinculada a la Ingeniería Civil que buscan la manera de convertir el concreto frágil o la cerámica dúctil en compuestos que pueden absorber cargas sin tener fallas catastróficas.

El ECC es un tipo especial de fibra de alto rendimiento, con grandes propiedades en cuanto a peso y resistencia. Imprime al concreto características como alta resistencia a tensión y ductilidad, por medio de la inclusión de fibras en una mezcla de concreto convencional; fabricada con agregados gruesos sintéticos. Una particularidad muy importante del ECC es la capacidad de absorber cargas manteniendo constante el ancho de grieta. Cabe decir que la tecnología del concreto ECC permite el control progresivo de las microfisuras, pero no de las fracturas. El dr. Li refiere que microscópicamente el ECC tiene una curva de esfuerzos y deformaciones que se presenta mucho más dúctil que la de un metal; y que en general el ECC aprovecha los granos de cemento deshidratados en él, y junto con el agua y el CO2 en el aire; crea carbonato de calcio que sella las microfisuras. Li compara el funcionamiento del ECC con una herida en el cuerpo humano y refiere: “Es como si usted tiene una pequeña cortadura en la mano: el organismo es capaz de curarse a sí mismo. Pero si la herida es grande, su cuerpo requiere ayuda y puede necesitar puntos de sutura”. La autorreparación es posible en el ECC porque el material está diseñado para doblarse y producir fisuras en líneas irregulares, en vez de producirlas en zonas puntuales y de gran extensión como se presentan comúnmente.

El proceso de autorreparación de fisuras en el concreto ha sido ampliamente investigado, tomando en cuenta los efectos de factores tales como: el ancho de la fisura, la composición del concreto, el pH, la temperatura, la dureza y la concentración de cloruros en el agua de curado. En general, la cristalización del Carbonato de Calcio al interior de la grieta es el principal mecanismo de autorreparación del concreto y el control del ancho de fisura permite evaluar la eficacia del proceso.

Referencia:“Rompiendo Esquemas: Concreto Flexible y Autorreparable”, publicado en Noticreto, núm. 96, octubre de 2009.

 

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