3. Propiedades del hormigón

3.1 Propiedades del hormigón

El hormigón es una piedra de conglomerado artificial hecha esencialmente de cemento Portland, agua y agregados. Cuando se mezcla por primera vez, el agua y el cemento constituyen una pasta que rodea todas las piezas individuales de agregado para hacer una mezcla de plástico. Una reacción química llamada hidratación tiene lugar entre el agua y el cemento, y el hormigón normalmente cambia de un plástico a un estado sólido en aproximadamente 2 horas. A partir de entonces, el concreto continúa ganando fuerza a medida que se cura. En la figura 1 se muestra una curva típica de fuerza-ganancia. La industria ha adoptado la resistencia de 28 días como punto de referencia, y las especificaciones a menudo se refieren a pruebas de compresión de cilindros de concreto que se trituran 28 días después de su fabricación. La resistencia resultante recibe la designación f’c

Durante la primera semana a los 10 días de curado, es importante que no se permita que el concreto se congele o se seque, ya que cualquiera de estos casos sería muy perjudicial para el desarrollo de resistencia del concreto. Teóricamente, si se mantiene en un ambiente húmedo, el concreto ganará fuerza para siempre, sin embargo, en términos prácticos, aproximadamente el 90% de su fuerza se gana en los primeros 28 días.

El concreto casi no tiene resistencia a la tracción (generalmente se mide entre el 10 y el 15% de su resistencia a la compresión), y por esta razón casi nunca se usa sin alguna forma de refuerzo. Su resistencia a la compresión depende de muchos factores, incluida la calidad y las propiedades de los ingredientes y el entorno de curado. El indicador de resistencia más importante es la proporción de agua utilizada en comparación con la cantidad de cemento.Básicamente, cuanto menor sea esta relación, mayor será la resistencia final del concreto. (Este concepto fue desarrollado por Duff Abrams de la Asociación de Cemento Portland a principios de la década de 1920 y se usa en todo el mundo hoy en día.) Es necesaria una relación w/c mínima (relación agua / cemento) de aproximadamente 0,3 en peso para garantizar que el agua entre en contacto con todas las piezas de cemento (asegurando así una hidratación completa). En términos prácticos, los valores típicos están entre 0,4 y 0.6 para lograr una consistencia viable para que el hormigón fresco pueda colocarse en las formas y alrededor de barras de refuerzo muy espaciadas.

En la Figura 2 se muestran las curvas de esfuerzo-deformación típicas para varias resistencias de hormigón. La mayoría de los hormigones estructurales tienen valores f’c en el rango de 3000 a 5000 psi. Sin embargo, las columnas de pisos inferiores de edificios de gran altura a veces utilizan hormigones de 12,000 o 15,000 psi para reducir las dimensiones de las columnas que de otro modo serían excesivamente grandes. A pesar de que la figura 2 indica que la tensión máxima que el hormigón puede soportar antes de aplastarse varía inversamente con la resistencia, generalmente se toma un valor de 0,003 (como una medida simplificadora) para su uso en el desarrollo de ecuaciones de diseño.

Debido a que el concreto no tiene una porción lineal en su curva de esfuerzo-deformación, es difícil medir un valor de módulo de elasticidad adecuado. Para hormigones de hasta aproximadamente 6000 psi, se puede aproximar como

(1)

donde w es el peso unitario (pcf), f’c es la resistencia del cilindro (psi).(Es importante que las unidades de f’c ser expresada en psi y no ksi siempre que el squareroot se toma). La densidad de peso del hormigón armado con arena y piedras normales es de aproximadamente 150 pcf. Si se permiten 5 pcf de esto para el acero y w se toma como 145 en la ecuación (1), entonces

(2)

Los valores E así calculados han demostrado ser aceptables para su uso en cálculos de desviación.
A medida que el hormigón se cura, se encoge porque el agua no utilizada para la hidratación se evapora gradualmente de la mezcla endurecida. En el caso de elementos continuos de gran tamaño, dicha contracción puede provocar el desarrollo de un exceso de tensión a la tracción, especialmente si un alto contenido de agua provoca una gran contracción. El hormigón, como todos los materiales, también sufre cambios de volumen debido a los efectos térmicos, y en climas cálidos el calor del proceso de hidratación exotérmica se suma a este problema. Dado que el hormigón es débil en tensión, a menudo desarrollará grietas debido a tales cambios de tensión y temperatura. Por ejemplo, cuando un concreto recién colocado se expande a ras de suelo debido al cambio de temperatura, desarrolla tensiones de compresión internas al superar la fricción entre él y la superficie del suelo. Más tarde, cuando las cunas de hormigón se encogen a medida que se endurecen) y tratan de contraerse, no es lo suficientemente fuerte como para resistir las mismas fuerzas de fricción. Por esta razón, las juntas de contracción a menudo se utilizan para controlar la ubicación de las grietas que inevitablemente ocurren y el llamado refuerzo de temperatura y frenado se coloca en direcciones donde el refuerzo no se ha especificado ya por otras razones. El propósito de este refuerzo es acomodar las tensiones de tracción resultantes y minimizar el ancho de las grietas que se desarrollan.

Además de las deformaciones causadas por la contracción y los efectos térmicos, el hormigón también se deforma debido a la fluencia. La fluencia es una deformación creciente que tiene lugar cuando un material soporta un alto nivel de tensión durante un período de tiempo prolongado. Siempre que las cargas aplicadas constantemente (como las cargas muertas) causen tensiones de compresión significativas, el resultado será la fluencia. En una viga, por ejemplo, la deflexión adicional a largo plazo debida a la fluencia puede ser hasta el doble de la deflexión elástica inicial.La forma de evitar este aumento de la deformación es mantener las tensiones debidas a cargas sostenidas a un nivel bajo. Esto generalmente se hace agregando acero de compresión.

3.2 Proporciones de mezcla

Los ingredientes del hormigón pueden proporcionarse en peso o volumen. El objetivo es proporcionar la resistencia y la trabajabilidad deseadas a un costo mínimo. A veces hay requisitos especiales, como resistencia a la abrasión, durabilidad en climas hostiles o permeabilidad al agua, pero estas propiedades generalmente están relacionadas con la resistencia. A veces se especifican hormigones de mayor resistencia, aunque un valor f’c inferior habría cumplido todos los requisitos estructurales.

Como se mencionó anteriormente, se necesita una baja relación agua-cemento para lograr un hormigón fuerte. Por lo tanto, parecería que simplemente manteniendo el contenido de cemento alto, uno podría usar suficiente agua para una buena trabajabilidad y aún así tener una baja relación w/c. El problema es que el cemento es el más costoso de los ingredientes básicos. El dilema se ve fácilmente en los gráficos temáticos de la Figura 3.

Dado que los tamaños de agregado más grandes tienen áreas de superficie relativamente más pequeñas (para que la pasta de cemento cubra) y que menos agua significa menos cemento, a menudo se dice que se debe usar el mayor tamaño de agregado práctico y la mezcla práctica más rígida. (La mayoría de los elementos de construcción están construidos con un tamaño máximo de agregado de 3/4 a 1 pulgada, los tamaños más grandes están prohibidos por la cercanía de las barras de refuerzo.)

Una buena indicación del contenido de agua de una mezcla de tierra, por lo tanto, la trabajabilidad) Se puede obtener de una prueba de depresión estándar. En esta prueba, un cono de metal de 12 pulgadas de altura se llena con hormigón fresco de una manera específica. Cuando se levanta el cono, la masa de hormigón”cae” hacia abajo (Figura 4) y la caída vertical se conoce como la caída.La mayoría de las mezclas de concreto tienen caídas en el rango de 2 a 5 pulgadas.

3.3 Cemento Portland

Las materias primas del cemento Portland son mineral de hierro, cal, alúmina y sílice, que se utilizan en varias proporciones dependiendo del tipo de cemento que se está fabricando. Estos son molidos y cocidos en un horno para producir un clínker. Después del enfriamiento, el clínker está muy molido (aproximadamente a la textura del polvo de talco) y se agrega una pequeña cantidad de yeso para retrasar el tiempo de fraguado inicial. Hay cinco tipos básicos de cemento Portland en uso hoy en día:

• Tipo I-Uso general

• Tipo II – Resistencia al sulfato, hormigón en contacto con suelos con alto contenido de sulfato

• Tipo III: Alta resistencia temprana, que gana fuerza más rápido que el tipo I, lo que permite que las formas se eliminen antes

• Tipo IV – Calor bajo de hidratación, para uso en construcción masiva

• Tipo V – Resistente al sulfato severo

El tipo I es el menos costoso y se utiliza para la mayoría de las estructuras de hormigón. TypeIII también se emplea con frecuencia porque permite que los formularios se reutilicen rápidamente, lo que permite reducir el tiempo de construcción. Es importante tener en cuenta que, si bien el tipo III gana más fuerza que el Tipo I, no toma su conjunto inicial antes).

3,4 Agregados

El agregado fino (arena) se compone de partículas que pueden pasar a través de un tamiz de 3/8 de pulgada;los agregados gruesos son de más de 3/8 de pulgada de tamaño. Los agregados deben ser limpios, duros y bien clasificados, sin planos de hendidura naturales como los que se producen en pizarra o esquisto.La calidad de los agregados es muy importante, ya que representan aproximadamente del 60 al 75% del volumen del hormigón; es imposible hacer un buen hormigón con agregados pobres. La clasificación de agregados finos y gruesos es muy significativa porque tener un rango completo de tamaños reduce la cantidad de pasta de cemento necesaria. Los agregados bien clasificados tienden a hacer que la mezcla sea más viable también.

El hormigón normal se fabrica con arena y piedras, pero el hormigón ligero se puede fabricar utilizando subproductos industriales como escoria expandida o arcilla como agregados ligeros. Este hormigón pesa solo de 90 a 125 pcf y las altas resistencias son más difíciles de alcanzar debido a los agregados más débiles. Sin embargo, se pueden realizar ahorros considerables en términos de peso propio de la construcción, lo que puede ser muy importante cuando se construye sobre ciertos tipos de suelo. El hormigón aislante está hecho con perlita y vermiculita, pesa solo entre 15 y 40 pcf y no tiene valor estructural.

3.5 Aditivos

Los aditivos son productos químicos que se añaden a la mezcla para lograr fines especiales o para cumplir ciertas condiciones de construcción. Hay básicamente cuatro tipos: agentes de arrastre de aire, agentes de trabajabilidad, agentes retardantes y agentes aceleradores.

En climas donde el concreto estará expuesto a ciclos de congelación y descongelación, el aire se mezcla libremente con el concreto en forma de miles de millones de pequeñas burbujas de aire de aproximadamente 0,004 pulgadas de diámetro. Las burbujas proporcionan vías interconectadas para que el agua cerca de la superficie pueda escapar a medida que se expande debido a las temperaturas bajo cero. Sin arrastre de aire, la superficie del hormigón casi siempre se desprenderá cuando se somete a congelación y a golpes repetidos. (El arrastre de aire también tiene el efecto secundario muy beneficioso de aumentar la capacidad de trabajo sin aumentar el contenido de agua.) El aire arrastrado no debe confundirse con el aire atrapado, que crea vacíos mucho más grandes y es causado por una colocación y consolidación inadecuadas del hormigón. El aire atrapado, a diferencia del aire atrapado, nunca es beneficioso.

Los agentes de trabajabilidad, que incluyen agentes reductores de agua y plastificantes, sirven para reducir la tendencia de las partículas de cemento a unirse en flóculos y, por lo tanto, escapar de la deshidratación completa. Las cenizas volantes, un subproducto de la quema de carbón que tiene algunas propiedades cementosas, se utilizan a menudo para lograr un propósito similar. Los superplastificantes son aditivos relativamente nuevos que, cuando se agregan a una mezcla, aumentan enormemente la depresión, haciendo que la mezcla esté muy espesa durante un corto tiempo y permitiendo que se coloque fácilmente un hormigón con bajo contenido de agua o, de lo contrario, muy rígido. Los superplastificantes son responsables del reciente desarrollo de hormigones de muy alta resistencia, algunos de más de 15.000 psi porque reducen en gran medida la necesidad de exceso de agua para la trabajabilidad.

Los retardadores se utilizan para ralentizar el conjunto de concreto cuando se deben colocar grandes masas y el hormigón debe permanecer plástico durante un largo período de tiempo para evitar la formación de”juntas frías” entre un lote de concreto y el siguiente. Los aceleradores sirven para aumentar la tasa de ganancia de fuerza y disminuir el tiempo de ajuste inicial. Esto puede ser beneficioso cuando el hormigón debe colocarse en una pendiente pronunciada con una sola forma o cuando es deseable reducir el período de tiempo en el que el hormigón debe protegerse de la congelación. El acelerador más conocido es el cloruro de calcio, que actúa para aumentar el calor de hidratación, lo que hace que el concreto se instale más rápido.

Otros tipos de aditivos químicos están disponibles para una amplia gama de propósitos. Algunos de estos pueden tener efectos secundarios nocivos sobre la ganancia de resistencia, la contracción y otras características del concreto, y los lotes de prueba son recomendables si hay alguna duda sobre el uso de una mezcla en particular.

3.6 El Código ACI

El American Concrete Institute (ACI), con sede en Detroit, Michigan, es una organización de profesionales del diseño, investigadores, productores y constructores. Una de sus funciones es promover el diseño y la construcción seguros y eficientes de estructuras de hormigón. El ACIHA tiene numerosas publicaciones para ayudar a diseñadores y constructores; la más importante de las estructuras de edificios se titula Requisitos del Código de Construcción para Hormigón reforzado y Comentarios. Es producido por el Comité 318 del American Concrete Institute y contiene las directrices básicas para funcionarios del código de construcción, arquitectos,ingenieros y constructores con respecto al uso de concreto reforzado para estructuras de construcción.Se presenta información sobre materiales y prácticas de construcción, pruebas estándar, análisis y diseño, y sistemas estructurales. Este documento ha sido adoptado por la mayoría de las autoridades de códigos de construcción de los Estados Unidos como referencia estándar. Proporciona todas las normas sobre tamaños de refuerzo, fabricación y colocación y es una fuente invalidable tanto para el diseñador como para el detallista.

Se producen actualizaciones periódicas(1956, 1963, 1971, 1977, 1983, y 1989), y este texto hace referencia constante a la edición de 1989, llamándola el Código ACI o simplemente el Código.Documentos y funcionarios también se refieren a ella por su designación numérica, ACI 318-89.

3.7 Referencias

Boethius, A. and Ward1-Perkins, J. B. (1970). Arquitectura etrusca y romana, Penguin Books, Middlesex, Inglaterra. Cassie, W. F. (1965). “El Primer Hormigón Reforzado Estructural”, Hormigón estructural, 2 (10).
Collins, P. (1959). Concrete, La Visión de una Nueva Arquitectura, Faber y Faber, Londres.
Condit, C. W. (1968). American Building, Materials and Techniques From the First Colonial Settlements to the Present, University of Chicago Press. Drexler, A. (1960). Ludwig Miles van der Rohe, George Braziller, Nueva York.
Farebrother, J. E. C. (1962). “Concrete-Past, Present, andFuture”, The structural Engineer, octubre. Mainstone, R, J. (1975). Developments in Structural Form, The MITPress, Cambridge.