Deterioro Concreto: Reactividad Álcali-Agregado .

La reactividad álcali-agregado es un tipo de deterioro que ocurre cuando los constituyentes minerales activos de algunos agregados reaccionan con los hidróxidos de álcalis en el concreto. La reactividad es potencialmente peligrosa sólo cuando produce expansión considerable. La reactividad álcali-agregado ocurre de dos formas – reacción álcalisílice (RAS) y reacción álcali-carbonato (RAC). La reacción álcali-sílice es más preocupante que la reacción álcalicarbonato pues es más común la ocurrencia de agregados conteniendo minerales de sílice.

Las indicaciones de la presencia de reactividad álcali- agregado son red de agrietamiento, juntas cerradas o lascadas o dislocación de diferentes partes de la estructura (Fig.1-27). Como el deterioro por reactividad álcali-agregado es un proceso lento, el riesgo de rotura catastrófica es bajo. La reacción álcali-agregado puede causar problemas de utilización (servicio, funcionalidad) y empeorar otros mecanismos de deterioración, como aquellos de la exposición a congelamiento, anticongelantes o sulfatos.

Las prácticas corrientes para el control de la reacción álcali-sílice incluyen el uso de materiales cementantes suplementarios o cementos adicionados. Estos materiales han sido verificados y comprobadamente pueden controlar la reacción álcali-sílice. Los materiales cementantes suplementarios incluyen cenizas volantes, escoria granulada de alto horno, sílice activa (humo de sílice, microsílice) y puzolanas naturales (Fig. 1-28).

Los cementos adicionados también contienen estos materiales para el control de la reactividad álcali-sílice. 

Esta práctica permite el uso de agregados y materiales cementantes disponibles en la región. La reducción del contenido de álcalis en el concreto también puede controlar la reacción.

 

Fig. 1-27. La fisuración, el cerramiento de las juntas yladislocación lateral fueron causados por la severa reactividad álcali-agregado en este muro de parapeto.

El uso de materiales cementantes suplementarios o de cementos adicionados no controla la reacción álcali-carbonato. Felizmente, esta reacción es rara. Si los ensayos de los agregados indican que un agregado está susceptible a la reacción álcali-carbonato, la reacción se puede controlar a través del uso de mezcla de agregados, reducción del tamaño máximo del agregado o uso de agentes inhibidores de la reacción.

Para más informaciones sobre las reacciones álcalisílice y álcali-carbonate, consulte Farny y Kosmatka (1997).

Fig. 1-28. Algunas cenizas volantes cuando usadas en la proporción adecuada pueden controlar la reactividad álcaliagregado.

Resistencia al Congelamiento y Deshielo del Concreto.

Se espera que el concreto empleado en estructuras y pavimentos tenga una vida larga y poco mantenimiento. 

El concreto debe tener una buena durabilidad para resistir a condiciones de exposición anticipadas. El factor de intemperismo potencialmente más destructivo es la congelación y deshielo (hielo-deshielo) mientras el concreto está húmedo, principalmente en la presencia de anticongelantes (descongelantes). El deterioro es causado por la congelación del agua y su posterior expansión en la pasta, agregado o ambos.

 

Fig. 1-25. El concreto con aire incluido (barra de abajo) es muy resistente a ciclos repetidos de congelamiento y deshielo. (P25542)

Con el empleo de aire incluido, el concreto es altamente resistente a este tipo de deterioración, como se puede observar en la Figura 1-25. Durante la congelación, el agua desplazada por la formación de hielo en la pasta se acomoda, no siendo perjudicial; las burbujas microscópicas de aire en la pasta ofrecen cámaras para que el agua entre y entonces alivíese la presión hidráulica generada.

Cuando la congelación ocurre en el concreto que contiene agregado saturado, presiones hidráulicas perjudiciales se pueden crear también en el agregado. El agua, desplazada de las partículas de agregado durante la formación del hielo, no se puede escapar hacia la pasta circundante suficientemente rápido para el alivio de presión. Sin embargo, para la mayoría de las condiciones de exposición, una pasta de buena calidad (baja relación agua-cemento) va a prevenir la saturación de la mayoría de los agregados.

Si la pasta contiene aire incluido, ella va a acomodar la pequeña cantidad de agua en exceso que se pueda expeler  de los agregados, protegiendo así el concreto contra el daño del congelamiento y deshielo.

La Figura 1-26 enseña, para una serie de relaciones agua-cemento, que (1) el concreto con aire incluido es más resistente a los ciclos de congelamiento y deshielo que un concreto sin aire incluido, (2) el concreto con baja relación agua-cemento es más durable que un concreto con alta relación agua-cemento y (3) un periodo de secado antes de la exposición a la congelación y deshielo beneficia grande- mente la resistencia al congelamiento y deshielo del concreto con aire incluido. El concreto con aire incluido y baja relación agua-cemento, con un contenido de aire del 5% al 8% va a resistir a un gran número de ciclos de congelación y deshielo sin presentar fallas.

La durabilidad al congelamiento y deshielo se puede determinar a través de ensayos de laboratorio como la ASTM C 666, Standard Test Method for Resistance of Concrete to Rapid Freezing and Thawing (AASHTO 161) (Norma de método de ensayo acelerado para la resistencia a congelamiento y deshielo), IRAM 1661 (Hormigones. Método de ensayo de resistencia a la congelación en aire y deshielo en agua), NCh2185 of 1992 (Hormigón y mortero - Método de ensayo – Determinación de la resistencia a la congelación y el deshielo) y NMX-C-205-79 (Determinación de la resistencia del concreto a la congelación y deshielo acelerados). Através del ensayo de la ASTM se calcula un factor de durabilidad que refleja el número de ciclos de congelación y deshielo necesario para producir una cierta cantidad de deterioro. La resistencia al descascaramiento por anticongelantes puede ser determinada por la ASTM C

672, Norma de método de ensayo para resistencia al descascaramiento de superficies de concreto expuestas a anticongelantes (Standard Test Method for Scaling Resistance of Concrete Surfaces Exponed to Deicing Chemicals).

 

 Fig. 1-26. Relación entre la resistencia al congelamiento y deshielo, relación agua-cemento y desecación de concretos con aire incluido y concretos sin aire incluido, confeccionados con cemento tipo 1 (ASTM). La alta resistencia a congelamiento y deshielo es asociado al aire incluido, baja relación agua-cemento y desecación antes de la exposición al congelamiento y deshielo (Backstrom y otros 1955).

Concreto: Durabilidad.

La durabilidad del concreto se puede definir como la habilidad del concreto en resistir a la acción del ambiente, al ataque químico y a la abrasión, manteniendo sus propiedades de ingeniería. Los diferentes tipos de concreto necesitan de diferentes durabilidades, dependiendo de la exposición del ambiente y de las propiedades deseables. Los componentes del concreto, la proporción de éstos, la interacción entre los mismos y los métodos de colocación y curado determinan la durabilidad final y la vida útil del concreto.

Control de Fisuras en el Concreto mediante Juntas.

Las juntas son el método más eficiente para el control de las fisuras. Si no se permite el movimiento del concreto (muros, losas, pavimentos) a través de juntas adecuadamente espaciadas para que la contracción por secado y la retracción por temperatura sean acomodadas, la formación de fisuras aleatorias va a ocurrir.

Juntas de contracción (juntas de control de retracción) son ranuradas, formadas o serradas en los paseos (calzadas, caminos, andenes, veredas), pavimentos, pisos y muros para que el agrietamiento ocurra en estas juntas y no de manera aleatoria. Las juntas de contracción permiten el movimiento en el plano de la losa o del muro. Estas juntas se extienden hasta una profundidad aproximada de 1⁄4 del espesor del concreto.

Juntas de aislamiento separan una parte del concreto de otras partes de la estructura y permiten movimientos horizontales y verticales. Estas juntas deben ser usadas en la unión de pisos con muros, columnas, bases y otros puntos donde pueda ocurrir restricción. Estas juntas se extienden por todo el espesor de la losa y deben incluir relleno premoldeado de junta.

Las juntas de construcción ocurren donde se ha concluido la jornada de trabajo; estas juntas separan áreas en el concreto coladas en diferentes días. En las losas sobre el terreno, las juntas de construcción normalmente se alinean con las juntas de aislamiento y tienen también esta función. Las juntas pueden necesitar de armadura para la  transferencia de carga.

Control de Fisuras en el Concreto mediante Juntas.

Las juntas son el método más eficiente para el control de las fisuras. Si no se permite el movimiento del concreto (muros, losas, pavimentos) a través de juntas adecuadamente espaciadas para que la contracción por secado y la retracción por temperatura sean acomodadas, la formación de fisuras aleatorias va a ocurrir.

Juntas de contracción (juntas de control de retracción) son ranuradas, formadas o serradas en los paseos (calzadas, caminos, andenes, veredas), pavimentos, pisos y muros para que el agrietamiento ocurra en estas juntas y no de manera aleatoria. Las juntas de contracción permiten el movimiento en el plano de la losa o del muro. Estas juntas se extienden hasta una profundidad aproximada de 1⁄4 del espesor del concreto.

Juntas de aislamiento separan una parte del concreto de otras partes de la estructura y permiten movimientos horizontales y verticales. Estas juntas deben ser usadas en la unión de pisos con muros, columnas, bases y otros puntos donde pueda ocurrir restricción. Estas juntas se extienden por todo el espesor de la losa y deben incluir relleno premoldeado de junta.

Las juntas de construcción ocurren donde se ha concluido la jornada de trabajo; estas juntas separan áreas en el concreto coladas en diferentes días. En las losas sobre el terreno, las juntas de construcción normalmente se alinean con las juntas de aislamiento y tienen también esta función. Las juntas pueden necesitar de armadura para la  transferencia de carga.

Estabilidad de Volumen y Control de Fisuración del Concreto (Agrietamiento).

El concreto endurecido cambia de volumen con los cambios de temperatura, humedad y tensiones. Este cambio de volumen o de longitud puede variar del 0.01% al 0.08%. Los cambios de volumen por temperatura en el concreto endurecido son similares a los de acero.

El concreto bajo tensión se deforma elásticamente. Si se mantiene la tensión (esfuerzo), va a ocurrir una deformación adicional llamada fluencia (deformación diferida, flujo plástico). La tasa de la fluencia (deformación por unidad de tiempo) disminuye con el tiempo.

El concreto mantenido continuadamente húmedo se expande (dilata) ligeramente. Pero cuando se permite su secado, el concreto se retrae. El factor que más influye en la magnitud de la contracción por secado es el contenido de agua en el concreto recién mezclado. La retracción por secado aumenta directamente con el aumento del contenido de agua. La magnitud de la contracción también depende de muchos otros factores, tales como: (1) la cantidad de agregado usado; (2) propiedades del agregado; (3) el tamaño y la forma del miembro de concreto; (4) la humedad relativa y la temperatura del medio ambiente; (5) el método de curado; (6) el grado de hidratación y (7) tiempo.

Las dos causas básicas de la fisuración en el concreto son: (1)las tensiones por la aplicación de carga y (2) las tensiones resultantes de la contracción por secado o cambios de la temperatura cuando el concreto tiene alguna restricción (coacción, sujeción, fijeza).

La contracción por desecación es una propiedad inherente del concreto y que no se puede evitar, pero se usa la armadura adecuadamente posicionada para reducirse el largor de las grietas o entonces se usan juntas para predeterminar y controlar la localización de las fisuras. Las tensiones térmicas debidas a fluctuaciones de la temperatura del medio ambiente también causan agrietamiento, particularmente a edades tempranas.

Las grietas (fisuras) por retracción en el concreto pueden ocurrir por la restricción.

Cuando la contracción  por secado ocurre y no hay sujeción, el concreto no se fisura. La restricción se puede causar por varios factores. La contracción por secado es normalmente mayor cerca de la superficie del concreto; la humedad de las partes más internas restringe el concreto más cerca de la superficie, lo que causa agrietamiento. Otras fuentes de restricción son la armadura embebida en el concreto, las partes de la estructura interconectadas entre sí y el atrito (fricción) de la subrasante en la cual el concreto es colocado.

Resistencia a la Abrasión del Concreto.

Los pisos, pavimentos y estructuras hidráulicas son expuestos a abrasión o al desgaste, por lo que en estas aplicaciones el concreto necesita tener alta resistencia a abrasión. Los resultados de los ensayos indican que la resistencia a abrasión está fuertemente relacionada con la resistencia a compresión del concreto. Un concreto con mayor resistencia a compresión tiene más resistencia a abrasión que el concreto con menor resistencia a compresión. Como la resistencia a compresión depende de la relación agua-cemento y curado, una relación agua- cemento baja y el curado adecuado se hacen necesarios para la resistencia a abrasión. El tipo de agregado y el acabado de la superficie o el tratamiento usado también tienen gran influencia sobre la resistencia a abrasión. Un agregado duro es más resistente a abrasión que un agregado más blando y una superficie acabada con llana de metal resiste mejor al desgaste que una superficie que no ha sido alisada.

Fig. 1-22. Efecto de la resistencia a compresión y del tipo deagregado sobre la resistencia a abrasión del concreto (ASTM C 1138). El concreto de alta resistencia confeccionado con agregado duro es bastante resistente a abrasión (Liu 1981).

La Figura 1-22 muestra los resultados de ensayos de resistencia a abrasión en concretos con diferentes resistencias a compresión y diferentes tipos de agregados.

La Figura 1-23 ilustra el efecto en la resistencia a abrasión del alisamiento con llana de metal y de los tratamientos de la superficie, tales como los endurecedores de superficie de agregado metálicos o minerales. 

 

 Fig. 1-23. Efecto del alisamiento y del tratamiento de la superficie sobre la resistencia a abrasión del concreto(ASTM C 779). La resistencia a compresión de la losa de la base era de 40 MPa (6000 lb/pulg2) a los 28 días. Todas las losas fueron alisadas con llanas de acero (Brinkerhoff 1970)

Fig. 1-24. Aparato de prueba para medir la resistencia aabrasión del concreto. La máquina se puede ajustar para eluso de ambos discos o ruedas de afilar. En una máquina diferente, las pelotas de acero bajo presión se rodan encima de la superficie de la probeta. Los ensayos se describen en la ASTM C 779. (44015)

Los ensayos de abrasión se pueden realizar por la rotación de pelotas de acero, ruedas de afilar o discos bajo presión sobre la superficie (ASTM C 779). Uno de los aparatos de ensayo se presenta en la Figura 1-24. Otros tipos de ensayos de abrasión también están disponibles (ASTM C 418 y C 944 y NMX-C-196, NTP 400.019, UNIT-NM 51).

Concreto: Permeabilidad y Estanquidad.

El concreto usado en estructuras de retención de agua o expuestas a condiciones del tiempo u otras condiciones severas de exposición deben ser casi impermeables o estancas. La estanquidad (hermeticidad) es normalmente conocida como la habilidad del concreto en retener el agua sin escurrimiento o escape visible. 

La permeabilidad es la cantidad de agua que migra a través del concreto, mientras que el agua está bajo presión o la habilidad del concreto en resistir a la penetración del agua u otra sustancia (líquidos, gases o iones). Generalmente, la misma propiedad que hace el concreto menos permeable también lo hace más estanco.

La permeabilidad total del concreto al agua es función de: (1)la permeabilidad de la pasta; (2) la permeabilidad y la granulometría del agregado; (3) la calidad de la pasta y de la zona de transición del agregado y (4) la proporción relativa de pasta y agregado. La disminución de la permeabilidad aumenta la resistencia al congelamiento y deshielo del concreto, restauración, penetración de sulfatos y de iones cloruro y otros ataques químicos.

La permeabilidad de la pasta es particularmente importante pues la pasta cubre todos los componentes en el concreto. La permeabilidad es afectada por la relación agua-cemento, grado de hidratación del cemento y periodo del curado húmedo. Un concreto de baja permeabilidad requiere una relación agua-cemento baja y un periodo de curado adecuado. El aire incluido ayuda la estanquidad, pero tiene poco efecto sobre la permeabilidad. La permeabilidad aumenta con el secado.

La permeabilidad de una pasta de cemento endurecida, mantenida continuadamente húmeda, varía de 0.1 x 10-12 hasta 120 x 10-12 cm por segundo, con relaciones agua cemento que varían de 0.3 hasta 0.7 (Powers y otros 1954).

La permeabilidad de la roca comúnmente usada como agregado para concreto varía de aproximadamente 1.7 x 10-9 hasta 3.5 x 10-13 cm por segundo. La permeabilidad de un concreto maduro, de buena calidad es aproximadamente 1 x 10-10 cm por segundo.

En la Figura 1-19 se enseña la dependencia entre permeabilidad, relación agua-cemento y curado inicial de cilindros de concreto con 100 x 200 (4 x 8 pulgadas), ensayados después de 90días de secado al aire y sujetos a 200 kg/cm2 o 20 MPa (3000lb/pulg2) de presión. A pesar de que los valores de permeabilidad serían diferentes para otros líquidos y gases, la dependencia entre relación agua- cemento, periodo de curado y permeabilidad sería similar.

 

 

Fig. 1-19. Relación entre permeabilidad al agua, relación agua-cemento y curado inicial de la probeta de concreto (Whiting 1989).

La Figura 1-20 presenta los resultados obtenidos de las pruebas sometiéndose discos de mortero sin aire incluido con 25 mm (1 pulg.) de espesor a 1.4 kg/cm2 o 140 kPa (20lb/pulg2) de presión de agua. En estos ensayos, no hubo escurrimiento a través de los discos de mortero con relación agua-cemento de 0.50 o menor, los cuales fueron curados con humedad por siete días. Cuando el escurrimiento ocurrió, fue mayor en los discos de mortero con relaciones agua-cemento mayores. También, para cada relación agua-cemento, el escurrimiento fue menor para periodos de curado mayores. En los discos con relación agua-cemento de 0.80, el mortero permitía escurrimiento incluso cuando el concreto había sido curado con humedad por un mes. Los resultados muestran claramente que baja relación agua-cemento y periodo de curado húmedo adecuado reducen grandemente la permeabilidad.

 

 

Fig. 1-20. Efecto de la relación agua-cemento y duración de curado sobre la permeabilidad del mortero. Observe que hay una disminución del escurrimiento con la reducción de la relación agua-cemento y con el aumento del periodo de curado (McMillian y Lyse 1929 y PCAMajor Series 227).

La Figura 1-21 ilustra el efecto de diferentes relaciones agua-cemento sobre la resistencia del concreto a la penetración de los iones de cloruro, como indicado por conductancia eléctrica. La carga total en coulombs ha sido considerablemente reducida con una baja relación agua cemento. Los resultados también muestran que una carga más baja pasó cuando el concreto contenía mayor cantidad de aire incluido. 

 

 

Fig. 1-21. Carga total en el final del ensayo acelerado de permeabilidad a los cloruros en función de la relación agua- cemento (Pinto y Hover 2001).

Una baja relación agua-cemento también reduce la segregación y el sangrado (exudación), además de contribuir para la estanquidad. Evidentemente, el concreto estanco no debe tener fisuras, huecos y vacíos visibles grandes.

Ocasionalmente, el concreto poroso concreto sin finos que permite el pasaje del agua – se diseña para aplicaciones especiales. En estos concretos, la cantidad de agregado fino es muy reducida o eliminada completamente, produciendo un gran volumen de vacíos de aire. El concreto poroso ha sido usado en pistas (canchas) de tenis, pavimentos, aparcamientos, invernaderos y estructuras de drenaje. El concreto poroso también ha sido empleado en edificios debido a sus propiedades de aislamiento térmico.

Peso Unitario(Densidad del Concreto)

El concreto convencional, normalmente usado en pavimentos, edificios y otras estructuras, tiene un peso específico (densidad, peso volumétrico, masa unitaria) que varíade 2200 hasta 2400 kg/m3 (137 hasta 150 libras/piés3). La densidad del concreto varía dependiendo de la cantidad y la densidad del agregado, la cantidad de aire atrapado (ocluido) o intencionalmente incluido y las cantidades de agua y cemento. Por otro lado, el tamaño máximo del agegado influye en las cantidades de agua y cemento. Al reducirse la cantidad de pasta (aumentándose la cantidad de agregado), se aumenta la densidad. Algunos valores de densidad para el concreto fresco se presentan en la Tabla 1-1. En el diseño del concreto armado (reforzado), el peso unitario de la combinación del concreto con la armadura normalmente se considera 2400 kg/m3 (150 libras/piés3). 

 

TABLA 1-1.   Promedio de las Densidades Observadas para el Concreto Fresco.

El peso del concreto seco es igual al peso de los ingredientes del concreto fresco menos el peso del agua de mezclado evaporable. Parte del agua de la mezcla combina químicamente con el cemento durante el proceso de hidratación, transformando el cemento en un gel de cemento.

Además, parte del agua permanece fuertemente retenida en los poros y en los capilares y no se evapora bajo las condiciones normales. La cantidad del agua de mezclado que se evaporará del concreto expuesto en un medio ambiente con humedad relativa del 50% es cerca del 1⁄2% al 3% del peso del concreto; la cantidad real depende del contenido inicial de agua, de las características de absorción de los agregados y del tamaño y forma de los miembros del concreto.

Aparte del concreto convencional, hay una gran cantidad de concretos especiales para atender a las más variadas necesidades, los cuales varían de concretos aislantes ligeros (livianos) con densidad de 240 kg/m3 (15 libras por yardas cúbicas) hasta los concretos pesados con pesos unitarios de 6000 kg/m3 (375 libras por yardas cúbicas), usados como contrapesos o blindajes contra radiación.

Resistencia a la Compresión del Concreto - Parte II.

Para una cierta trabajabilidad y un contenido de cemento, el concreto con aire incluido (incorporado) requiere menos agua de mezclado (amasamiento) que un concreto sin aire incluido. La posibilidad de empleo de relaciones agua-cemento menores en el concreto con aire incluido compensa las resistencias menores en estos concretos, especialmente en mezclas pobres o con medio contenido de cemento.

La determinación de la resistencia a compresión se da a través de ensayos (experimentación, prueba) en probetas (muestras de prueba, muestras de ensayo, especimenes) de concreto o mortero. En los EE.UU., a menos que especifi- cado de manera diferente, los ensayos en mortero se hacen en cubos de 50 mm (2pulg.), mientras que los ensayos en concreto se realizan en cilindros de 150mm (6 pulg.) de diámetro y 300 mm (12pulg.) de altura (Fig.1-18).

Cilindros menores 100 x 200 mm (4 x 8 pulg.) también se pueden usar para el concreto.

La resistencia a compresión es una propiedad principalmente física y frecuentemente usada en los cálculos para diseño de puentes, edificios y otras estructuras. Los concretos para uso general tienen una resistencia a compresión entre 200 y 400 kg/cm2 o 20 y 40 MPa (3000 y 6000 lb/pulg2). Concretos con resistencias a compresión de 700 y 1400 kg/cm2 o 70 a 140 MPa (10,000 a 20,000 lb/pulg2) han sido empleados en puentes especiales y edificios altos.

La resistencia a flexión o el módulo de ruptura (rotura) se usa en el diseño de pavimentos u otras losas (pisos, placas) sobre el terreno. La resistencia a compresión, la cual es más fácil de ser medida que la resistencia a flexión, se puede usar como un índice de resistencia a flexión, una vez que la relación empírica entre ambas ha sido establecida para los materiales y los tamaños de los elementos involucrados. La resistencia a flexión de concretos de peso normal es normalmente de 0.7 a 0.8 veces la raíz cuadrada de la resistencia a compresión en megapascales o de 1.99 a 2.65 veces la raíz cuadrada de la resistencia a compresión en kilogramos por centímetros cuadrados (7.5 a 10 veces la raíz cuadrada de la resistencia a compresión en libras por pulgadas cuadradas). Wood (1992) presenta la relación entre resistencia a flexión y resistencia a compresión para concretos expuestos a curado húmedo, curado al aire y exposición al aire libre.

La resistencia a la tensión (resistencia a tracción, resistencia en tracción) directa del concreto es aproximadamente de 8% a 12% de la resistencia a compresión y se estima normalmente como siendo de 0.4 a 0.7 veces la raíz cuadrada de la resistencia a compresión en megapascales o de 1.3 a 2.2 veces la raíz cuadrada de la resistencia a compresión en kilogramos por centímetros cúbicos (5 a 7.5 veces la raíz cuadrada de la resistencia a compresión en libras por pulgada cuadrada).La resistencia a esfuerzos por cisallamiento (cortante, corte o cizalladura) es del 8% al 14% de la resistencia a compresión (Hanson 1968).

Fig. 1-18. Ensayo a compresión de cilindro de concreto de 150 x 300-mm (6 x 12pulg.). La carga en el ensayo es registrada en la carátula. (68959)

La resistencia a tensión por cisallamiento en función del tiempo es presentada por Lange (1994).

La resistencia a torsión en el concreto está relacionada con el módulo de ruptura y las dimensiones de los miembros de concreto. Hsu (1968) presenta correlaciones para la resistencia a torsión.

Las correlaciones entre resistencia al cortante y resistencia a compresión se discuten en el ACI 318 código de construcción. La correlación entre resistencia a compresión y resistencia a flexión, tensión, torsión y cortante varía con los componentes del concreto y el medio ambiente.

El módulo de elasticidad, denotado por el símbolo E, se puede definir como la razón entre el esfuerzo normal a una deformación correspondiente para el esfuerzo de tensión o compresión abajo del límite de proporcionalidad del material. En concretos de peso normal, el E varía de 140,000 a 420,000 kg/cm2 o de 14,000 a 41,000 MPa (2 a 6 millones de lb/pulg2) y puede ser aproximado a 15,500 veces la raíz cuadrada de la resistencia a compresión en kilogramos por centímetros cuadrados o 5,000 veces la raíz cuadrada de la resistencia a compresión en megapascales (57,000 veces la raíz cuadrada de la resistencia a compresión en libras por pulgada cuadrada). Como en otras relaciones de resistencia, la relación entre el módulo de elasticidad y la resistencia a compresión es específica para una mezcla de ingredientes y se la debe verificar en el laboratorio (Word 1992).

Resistencia a la Compresión del Concreto - Parte I.

La resistencia a compresión se puede definir como la medida máxima de la resistencia a carga axial de especimenes de concreto. Normalmente, se expresa en kilogramos por centímetros cuadrados (kg/cm2), megapascales (MPa) o en libras por pulgadas cuadradas (lb/pulg2 o psi) a una edad de 28 días. Un megapascal equivale a la fuerza de un newton por milímetro cuadrado (N/mm2) o 10.2 kilogramos-fuerza por centímetro cuadrado. Se pueden usar otras edades para las pruebas, pero es importante saber la relación entre la resistencia a los 28 días y la resistencia en otras edades. La resistencia a los 7 días normalmente se estima como 75% de la resistencia a los 28 días y las resistencias a los 56 y 90 días son aproximadamente 10% y 15% mayores que la resistencia a los 28 días, como se puede observar en la Figura 1-16. La resistencia a compresión especificada se designa con el símbolo fc y la resistencia a compresión real del concreto  fc debe excederla.

La resistencia a compresión que el concreto logra, fc, es función de la relación agua-cemento (o relación agua-mate- riales cementantes), cuanto la hidratación ha progresado, el curado, las condiciones ambientales y la edad del concreto.

 

Fig. 1-16. Desarrollo de la resistencia a compresión devarios concretos, expreso como porcentaje de la resistenciaa los 28 días (Lange 1994).

La correspondencia entre resistencia y la relación agua-cemento ha sido estudiada desde el final del siglo XIX y principio del siglo XX (Feret 1897 y Abrams 1918). La Figura 1-17 presenta las resistencias a compresión para una gran variedad de mezclas de concreto y relaciones agua cemento a los 28 días de edad. Observe que las resistencias aumentan con la disminución de la relación agua-cemento.

Estos factores también afectan la resistencia a flexión y la tracción y la adherencia entre concreto y acero.

La correspondencia entre relación agua-cemento y resistencia a compresión en la Figura 1-17 son valores típicos para concretos sin aire incluido. Cuando valores más precisos son necesarios, se deben desarrollar gráficos para materiales y proporciones de mezcla específicos para que sean usados en la obra.

 

 Fig. 1-17. Variación de resistencias típicas para relaciones agua-cemento de concreto de cemento portland basadas en más de 100 diferentes mezclas de concreto moldeadas entre 1985 y 1999.

Velocidad de Secado del Concreto - Cemento Humedad para Hidratarse.

El concreto no se endurece o se cura con el secado. El concreto (o más precisamente el cemento en él) necesita de humedad para hidratarse y endurecerse. Cuando el concreto se seca, la resistencia para de crecer; el hecho es que el secado no indica que haya ocurrido suficiente hidratación para que se obtengan las propiedades físicas deseables.

El conocimiento de la velocidad de desecación (tasa de secado) es útil para el entendimiento de las propiedades o condiciones físicas del concreto. Por ejemplo, como mencionado, el concreto necesita tener suficiente humedad durante el periodo de curado para que el concreto se hidrate hasta que se puedan lograr las propiedades deseables.

Los concretos recién colocados normalmente tienen abundancia de agua, pero a medida que el secado progresa de la superficie para el interior del concreto, el aumento de resistencia continúa solo hasta cada profundidad, desde que la humedad relativa en aquella profundidad permanezca arriba de los 80%.

Un buen ejemplo de esto es la superficie de los pisos en concreto que no tuvo suficiente curado húmedo. Como se ha secado rápidamente, el concreto en la superficie es flaco y el tráfico en él crea polvo. Así también, al secarse, el concreto se retrae por la pérdida de agua (Fig. 1-15), de la misma manera que ocurre con la madera y la arcilla (pero no tanto). La retracción por secado es la principal causa de fisuración y el ancho de las fisuras (grietas, rajaduras) es función del grado de desecación, espaciamiento y frecuencia de las fisuras y edad del aparecimiento de las fisuras.

 

Fig. 1-15. Distribución de la humedad relativa, retracción (contracción, encogimiento) por secado (desecación) y pérdida de masa de cilindros de 150 x 300-mm (6 x 12-pulg.) sometidos a curado húmedo por 7 días y posteriormente a desecación al aire del laboratorio a 23°C (73°F) (Hanson 1968).

Mientras que la superficie del elemento de concreto se seca rápidamente, mucho más tiempo es necesario para el secado de su interior. La Figura 1-15 (superior) muestra la tasa de secado en varias profundidades en cilindros de concreto expuestos al ambiente de laboratorio. Los miembros de concreto en el campo tendrían perfiles de desecación distintos debido a las condiciones ambientales, los efectos del tamaño y las propiedades del concreto.

La cantidad de humedad en el concreto depende de sus componentes, cantidad original de agua, condiciones de secado y el tamaño del miembro de concreto

(Hedenblad 1997 y 1998). Después de varios meses de secado al aire con humedad relativa del 50% al 90%, la cantidad de humedad es cerca del 1% al 2% del peso del concreto. La Figura 1-15 enseña la pérdida de humedad y la contracción resultante.

El tamaño y la forma de los miembros de concreto desempeñan un papel importante en la velocidad de secado. Los elementos con área superficial grande con relación a su volumen (como en los pisos) se secan mucho más rápidamente que los miembros con gran volumen de concreto y relativamente pequeñas áreas superficiales (como en los estribos de los puentes).

Muchas otras propiedades del concreto endurecido también son afectadas por la cantidad de humedad, tales como elasticidad, fluencia (flujo plástico, deformación deferida), valor de aislamiento, resistencia al fuego, resistencia a abrasión, conductividad eléctrica, resistencia al congelamiento (congelación), resistencia al descascaramiento (descascarillado, astilladura, desonchadura, despostilladura, engalletamiento y desmoronamiento) y resistencia a reactividad álcali-agregado.

Concreto Endurecido.

El aumento de la resistencia con la edad continúa desde que (1) el cemento no hidratado aún esté presente, (2) el concreto permanezca húmedo o la humedad relativa del aire esté arriba de aproximadamente 80% (Powers 1948), (3) la temperatura del concreto permanezca favorable y (4) haya suficiente espacio para la formación de los productos de los productos) de hidratación. Cuando la humedad relativa dentro del concreto baja para cerca de 80% o la temperatura del concreto baja para menos del cero, la hidratación y el gano de resistencia se interrumpen. La Figura 1-12 enseña la relación entre incremento de resistencia y curado húmedo, mientras que la Figura 1-13 muestra la relación entre el aumento de resistencia y la temperatura del curado.

 Fig. 1-12. La resistencia del concreto aumenta con la edad, desde que haya adecuada humedad y temperatura favorable para la hidratación del cemento (Gonnerman y Shuman 1928).

Fig. 1-13. Efecto de la temperatura de colocación y de curado sobre el desarrollo de la resistencia. Observe que las temperaturas más frías resultan en resistencias tempranas menores y resistencias mayores a altas edades.

Si se vuelve a saturar el concreto después del periodo de secado (desecación), la hidratación empieza nuevamente y la resistencia vuelve a aumentar. Sin embargo, es mucho mejor que el curado húmedo sea aplicado continuamente desde el momento de la colocación hasta que el concreto haya alcanzado la calidad deseada; una vez que el concreto se haya secado completamente, es muy difícil volver a saturarlo. La Figura 1-14 ilustra el aumento de resistencia de un concreto expuesto al aire libre por un periodo largo de tiempo. 

La exposición al aire libre normalmente proporciona humedad a través del contacto con el suelo y la lluvia. 

Los concretos en ambientes internos normalmente secan completamente después del curado y no continúan a desarrollar resistencia (Fig.1-12).

Fig. 1-14. Desarrollo de la resistencia del concreto a lo largo del tiempo de exposición al aire libre. El concreto continúa a desarrollar resistencia por muchos años siempre que la humedad sea fornecida por la lluvia u otras fuentes medioambientales (Wood 1992).

Hidratación, Tiempo de Fraguado y Endurecimiento del Concreto.

La calidad de unión (adhesión) de la pasta de cemento portland se debe a las reacciones químicas entre el cemento y el agua, conocidas como hidratación.

El cemento portland no es un compuesto químico sencillo, es una mezcla de muchos compuestos. Cuatro de ellos totalizan 90% o más del peso del cemento portland: silicato tricálcico, silicato dicálcico, aluminato tricálcico y ferroaluminato tetracálcico (alumino ferrito tetracálcico).

Además de estos compuestos principales, muchos otros desempeñan un papel importante en el proceso de hidra tación. Cada tipo de cemento portland contiene los mismos cuatro compuestos principales, pero en proporciones diferentes.

Cuando se examina el clínker (clinquer) (el producto del horno que se muele para fabricar el cemento portland) al microscopio, la mayoría de sus compuestos individuales se puede identificar y sus cantidades se pueden determinar. Sin embargo, los granos más pequeños no se pueden detectar visualmente. El promedio del diámetro de las partículas de un cemento típico es aproximadamente 15 micrómetros. Si todas las partículas tuviesen este diámetro promedio, el cemento portland contendría aproximada- mente 300 billones de partículas por kilogramo, pero en realidad, existen unos 16,000 billones de partículas por kilogramo, debido a la amplia variación del tamaño de las partículas. Las partículas en un kilogramo de cemento portland tienen un área superficial de aproximadamente 400 metros cuadrados.

Los dos silicatos de calcio, los cuales constituyen 75% del peso del cemento portland, reaccionan con el agua para formar dos compuestos: hidróxido de calcio y silicato de calcio hidrato (hidrato de silicato de calcio). Este último es, sin duda, el más importante compuesto del concreto. Las propiedades de ingeniería del concreto – fraguado y endurecimiento, resistencia y estabilidad dimensional dependen principalmente del silicato de calcio hidratado.

Éste es el corazón del concreto.

La composición química del silicato de calcio hidratado es un tanto variable, pero contiene cal (CaO) y dióxido de silicio (SiO2) en una proporción de 3 para 2. El área superficial del silicato de calcio hidratado es unos 300 metros cuadrados por gramo. En pastas endurecidas de cemento, el silicato de calcio hidratado forma un vínculo denso entre las otras fases cristalinas y los granos de cemento aún no hidratados; también se adhiere a los granos de arena y a los agregados gruesos, cementándolo todo junto (Copeland y Schulz, 1962).

Mientras el concreto se endurece, su volumen bruto permanece casi inalterado, pero el concreto endurecido contiene poros llenos de agua y aire, los cuales no tienen resistencia. La resistencia está en las partes sólidas de la pasta, sobre todo en el silicato de calcio hidratado y en los compuestos cristalinos.

Cuanto menos porosa es la pasta de cemento, más resistente es el concreto. Por lo tanto, al mezclarse el concreto, no se debe usar más agua que aquélla estricta- mente necesaria para obtenerse un concreto plástico y trabajable. Incluso, la cantidad de agua usada es normalmente mayor que la necesaria para la hidratación completa del cemento.

Aproximadamente se necesitan 0.4 gramos de agua por gramo de cemento para la hidratación completa del cemento (Powers 1948 y 1949). Sin embargo, la hidratación completa es rara en los concretos de las obras, debido a una falta de humedad y al largo periodo de tiempo (décadas) que se requiere para obtener la hidratación total.

El conocimiento de la cantidad de calor liberado por la hidratación del cemento puede ser útil para el planeamiento de la construcción. En invierno, el calor de hidratación va a ayudar a proteger el concreto contra los daños causados por las temperaturas muy bajas.

Sin embargo, el calor puede ser perjudicial, como por ejemplo en estructuras masivas, tales como las presas, pues puede producir temperaturas diferenciales indeseables.

El conocimiento de la velocidad de reacción entre el cemento y el agua es importante porque determina el tiempo de fraguado y endurecimiento. La reacción inicial debe ser suficientemente lenta para que haya tiempo para transportar y colocar el concreto. Una vez que el concreto ha sido colocado y acabado, es deseable un endurecimiento rápido.

El yeso, que se añade en el molino de cemento cuando al molerse el clínker, actúa como un regulador del fraguado inicial del cemento portland. La finura del cemento, aditivos, cantidad de agua adicionada y temperatura de los materiales en el momento de la mezcla son otros factores que influyen la tasa de hidratación. La Figura 1-11 muestra las propiedades de fraguado de mezclas de concreto en diferentes temperaturas.

 Fig. 1-11. Tiempo de inicio y fin de fraguado para una mezcla de concreto en diferentes temperaturas (Burg 1996).

Consolidación del Concreto.

La vibración mueve las partículas del concreto recién mezclado, reduce el rozamiento (fricción) entre ellas y les da la movilidad de un fluido denso. La acción vibratoria permite el uso de mezclas más rígidas con mayores proporciones de agregado grueso y menores proporciones de agregados finos. Si el agregado es bien graduado, cuanto mayor es su tamaño máximo, menor es el volumen para llenarse por la pasta y menor es el área superficial para ser cubierta por la pasta, así menos agua y cemento son necesarios. El concreto con la granulometría óptima del agregado es más fácil de consolidarse y colocarse (Fig. 1-8, izquierda). La consolidación del agregado grueso, bien como de mezclas más rígidas mejoran la calidad y la economía. Por otro lado, la mala consolidación puede resultar en un concreto poroso y débil (Fig. 1-9) con poca durabilidad (Fig. 1-8, derecha).

 Fig. 1-8. Una buena consolidación (izquierda) es necesaria para lograrse un concreto denso y durable. Una consolidación pobre (derecha) puede resultar en corrosión temprana de la armadura (refuerzo) y baja resistencia a compresión. (70016, 68806)

Fig. 1-9. Efecto de los vacíos, resultantes de la carencia de consolidación, sobre el módulo de elasticidad, resistencia a compresión y resistencia a flexión del concreto.

La vibración mecánica tiene muchasventajas. Los vibradores permiten una colocación económicamente viable de mezclas queno se pueden consolidar manualmente bajo muchas condiciones.

Por ejemplo, la Figura 1-10 presenta un concreto con consistencia rígida (bajo revenimiento). Este concreto se vibró mecánicamente en las cimbras, contiendo armadura poco espaciada. Para una consolidación con vara manual, sería necesaria una consistencia bien más húmeda.

 

 Fig. 1-10. Concreto con consistencia rígida (bajo asentamiento o bajo revenimiento) en cono de Abrams o cono de revenimiento). (44485)

Concreto - Sangrado o Exudación.

Sangrado (exudación) es el desarrollo de una camada de agua en el tope o en la superficie del concreto recién colocado. Es causada por la sedimentación (asentamiento) de las partículas sólidas (cemento y agregados) y simultáneamente la subida del agua hacia la superficie (Fig. 1-7). El sangrado es normal y no debería disminuir la calidad del concreto adecuadamente colocado, acabado y curado. Un poco de sangrado es útil en el control de la fisuración por retracción plástica. Por otro lado, la excesiva aumenta la relación agua-cemento cerca de la superficie; puede ocurrir una camada superficial débil y con poca durabilidad, particularmente si se hace el acabado cuando el agua de sangrado aún está presente. Los vacíos y bolsas de agua pueden ocurrir, resultantes del acabado prematuro de la superficie.

Después que toda el agua de sangrado (exudación) se evapore, la superficie endurecida va a ser un poco más baja que la superficie recién colocada. Esta disminución de la altura desde el momento de la colocación (puesta, colado) hasta el inicio del fraguado se llama retracción por sedimentación

 

Fig. 1-7. Agua de exudación en la superficie del concreto recién colado en la losa. (P29992).

La tasa de sangrado (exudación) y la capacidad de sangrado (sedimentación total por unidad de peso del concreto original) aumentan con la cantidad inicial de agua, altura del elemento de concreto y presión. El uso de agregados de granulometría adecuada, ciertos aditivos químicos, aire incluido, materiales cementantes suplementarios y cementos más finos reduce el sangrado. El concreto usado para rellenar vacíos, proporcionar soporte o proporcionar impermeabilidad con una buena adhesión debe presentar bajo sangrado para evitar formación de bolsas deagua. Consulte Powers (1939), Steinour (1945) y Kosmatka(1994).

Concreto - Trabajabilidad.

La facilidad de colocación, consolidación y acabado del concreto fresco y el grado que resiste a la segregación se llama trabajabilidad. El concreto debe ser trabajable pero los ingredientes no deben separarse durante el transporte y el manoseo (Fig. 1-5).

El grado de la trabajabilidad que se requiere para una buena colocación del concreto se controla por los métodos de colocación, tipo de consolidación y tipo de concreto. Los diferentes tipos de colocación requieren diferentesniveles de trabajabilidad.

Los factores que influyen en la trabajabilidad del concreto son: (1) el método y la duración del transporte; (2) cantidad y características de los materiales cementantes; (3) consistencia del concreto (asentamiento en cono de Abrams o revenimiento) (4) tamaño, forma y textura superficial de los agregados finos y gruesos (5) aire incluido (aire incorporado); (6) cantidad de agua; (7) temperatura del concreto y del aire y (8) aditivos.

La distribución uniforme de las partículas de agregado y la presencia de aire incorporado ayudan considerablemente en el control de la segregación y en la mejoría de la trabajabilidad. La Figura 1-6 enseña el efecto de la temperatura de colocación sobre la consistencia o asentamiento en cono de Abrams y sobre la trabajabilidad potencial de las mezclas.

Las propiedades relacionadas con la trabajabilidad incluyen consistencia, segregación, movilidad, bombeabilidad, sangrado (exudación) y facilidad de acabado. La consistencia es considerada una buena indicación de trabajabilidad. El asentamiento en cono de Abrams se usa como medida de la consistencia y de la humedad del concreto.

Fig. 1-6. Efecto de la temperatura de colocación (hormigonado o puesta en obra)  en el asentamiento en cono de Abrams (y la trabajabilidad relativa) de dos concretos confeccionados con diferentes cementos. (Burg 1996)

Un concreto de bajo revenimiento tiene una consistencia rígida o seca. Si la consistencia es muy seca y rígida, la colocación y compactación del concreto serán difíciles y las partículas más grandes de agregados pueden separarse de la mezcla. Sin embargo, no debe suponerse que una mezcla más húmeda y fluida es más trabajable. Si la mezcla es muy húmeda, pueden ocurrir segregación y formación de huecos. La consistencia debe ser lo más seca posible para que aún se permita la colocación empleándose los equipos de consolidación disponibles. Véase Powers (1932) y Scanlon (1994).

Especificaciones para la Mezcla del Concreto.

Son necesarios esfuerzo y cuidado para que se asegure que la combinación de estos elementos sea homogénea. La secuencia de carga de los ingredientes en la mezcladora (hormigonera) puede desempeñar un papel importante en la uniformidad del producto acabado.

La secuencia, sin embargo, puede variar y aún producir un concreto de buena calidad. Las diferentes secuencias requieren ajustes en el momento de la adición del agua, el número total de revoluciones del tambor de la mezcladora y la velocidad de la revolución. El volumen del concreto mezclado en relación con el tamaño del tambor de la mezcladora, el tiempo transcurrido entre el proporcionamiento y el mezclado, y el diseño, configuración y condiciones del tambor y de las paletas de la mezcladora son otros factores importantes en el mezclado. Las mezcladoras aprobadas, correctamente operadas y conservadas garantizan un intercambio de materiales de extremo a extremo a través de la acción del rolado, plegado y amasado del volumen del concreto sobre si mismo mientras que el concreto se mezcla.

Concreto Recién Mezclado - Características.

El concreto recién mezclado (amasado) debe ser plástico o semifluido y generalmente capaz de ser moldeado a mano.

Una mezcla de concreto muy húmeda se puede moldear en el sentido de que puede colarse en el molde o cimbras (encofrado), pero no está dentro de la definición de “plástico” – aquél que es flexible y capaz de ser moldeado de la misma manera que un terrón de arcilla para moldear.

En una mezcla plástica de concreto todos los granos de arena y los pedazos de grava o piedra son envueltos y sostenidos en suspensión. Los ingredientes no son propensos a la segregación durante el transporte; y cuando el concreto se endurece, se transforma en una mezcla homogénea de todos los componentes. Durante la colo cación, el concreto de consistencia plástica no se desmorona, mas fluye lentamente sin segregarse.

En la práctica de la construcción, las piezas o elementos muy delgados de concreto y fuertemente armados (reforzados) requieren mezclas trabajables para facilitar su colocación, pero no con consistencia muy fluida. Es necesaria una mezcla plástica para la resistencia y el mantenimiento de la homogeneidad durante el manejo y la colocación.

Como una mezcla plástica es apropiada para la mayoría de las obras en concreto, se pueden usar los aditivos plastificantes (fluidificantes) para que el concreto fluya más fácilmente en elementos delgados y fuertemente reforzados.

Diseño y Control de Mezclas de Concreto - Calidad del Concreto.

La calidad del concreto depende de la calidad de la pasta y del agregado y de la unión entre los dos. En un concreto adecuadamente confeccionado, cada y toda partícula de agregado es completamente cubierta por la pasta y todos los espacios entre las partículas de agregados se llenan totalmente con pasta, como se enseña en la Figura 1-3.

Fig. 1-3. Sección transversal del concreto endurecido, confeccionado
con grava arredondeada de silicio (izquierda) y calcáreo
triturado (derecha). La pasta de cemento y agua cubre
completamente cada partícula de agregado y llena todos
los espacios entre las partículas. (1051, 1052)

 

Para cualquier grupo de materiales y condiciones de curado, la calidad del concreto endurecido es fuertemente influenciada por la cantidad de agua usada con relación a la cantidad de cemento (Fig. 1-4). Cuando grandes cantidades de agua son innecesariamente empleadas, ellas diluyen la pasta de cemento (la cola o pegamento delconcreto). Las ventajas de la disminución de la cantidad de agua son:

•Aumento de la resistencia a la compresión (resistencia en compresión) y de la resistencia a flexión

•Disminución de la permeabilidad, entonces disminución de la absorción y aumento de la estanquidad (hermeticidad)

•Aumento de la resistencia a las intemperies

•Mejor unión entre concreto y armadura

•Reducción de la retracción (contracción, encogimiento) y de la fisuración (agrietamiento, fisuramiento)

•Menores cambios de volumen causado por la mojadura y el secamiento

 

  

Fig. 1-4. Diez cilindros de pasta de cemento con relaciones agua-cemento 

de 0.25 a 0.70. La faja indica que cada cilindro contiene la misma cantidad de

cemento. El aumento del agua, diluye el efecto de la pasta de

cemento, aumentando el volumen, reduciendo el peso específico

y disminuyendo la resistencia.

 

Cuanto menos agua se usa, mejor es la calidad del concreto, si es que la mezcla se puede consolidar adecuadamente. Menores cantidades de agua de mezcla (mezclado) resultan en mezclas más rígidas (secas); pero, con vibración, aún las mezclas más rígidas pueden ser fácilmente colocadas. Por lo tanto, la consolidación por vibración permite una mejoría de la calidad del concreto.

Tanto las propiedades del concreto fresco (plástico) como del concreto endurecido se pueden cambiar con la adición al concreto de aditivos químicos, normalmente en la forma líquida, durante la dosificación. Los aditivos químicos comúnmente se emplean para (1) el ajuste del tiempo de fraguado o de endurecimiento, (2) la reducción de la demanda de agua, (3) el aumento de la trabajabilidad (manejabilidad, docilidad), (4) la inclusión intencional de aire y (5) el ajuste de otras propiedades del concreto fresco o endurecido.

Después del término del proporcionamiento, dosificación, colocación (hormigonado, puesta, colado), consolidación, acabamiento y curado adecuados, el concreto se endurece, se transforma en un material no-combustible, durable, resistente a la abrasión y impermeable lo cual requiere poca o ninguna conservación (mantenimiento).

Además, el concreto es un excelente material de construcción porque se lo puede moldear en una gran variedad de formas, colores y texturas para ser utilizado en un número ilimitado de aplicaciones

 

Fundamentos de Concreto - Generalidades.

El concreto (hormigón) es básicamente una mezcla de dos componentes: agregados y pasta. La pasta, compuesta de cemento portland y agua, une los agregados, normalmente arena y grava (piedra triturada piedra machacada, pedrejón), creando una masa similar a una roca. Esto ocurre por el endurecimiento de la pasta en consecuencia de la reacción química del cemento con el agua (Fig. 1-1).

 

Otros materiales cementosos (cementantes) y adiciones minerales se pueden incluir en la pasta.

Generalmente los agregados se dividen en dos grupos: finos y gruesos (áridos). Los agregados finos pueden ser arena natural o artificial (manufacturadas) con partículas de hasta 9.5mm (3⁄8 pulg.); agregados gruesos son las partículas retenidas en la malla 1.18 mm (tamiz no.16) y pueden llegar hasta 150 mm (6pulg.). El tamaño máximo del agregado grueso comúnmente empleado es 19 mm o 25

mm (3⁄4 pulg. o 1 pulg.). Un agregado de tamaño intermedio, cerca de 9.5 mm (3⁄8 pulg.) es, algunas veces, adicionado para mejorar la granulometría general del agregado.

La pasta se compone de materiales cementantes, agua y aire atrapado o aire incluido (intencionalmente incorporado). La pasta constituye aproximadamente del 25% hasta

40% del volumen total del concreto. La Figura 1-2 enseña que el volumen absoluto del cemento está normalmente entre 7% y 15% y el volumen del agua está entre 14% y

21%. El contenido de aire atrapado varía del 4% hasta 8% del volumen.

Como los agregados constituyen aproximadamente del 60% al 75% del volumen total del concreto, su selección es muy importante. Los agregados deben componerse de partículas con resistencia mecánica adecuada y con resistencia a las condiciones de exposición y no deben contener materiales que puedan causar deterioración del concreto. La granulometría continua de tamaños de partículas es deseable para el uso eficiente de la pasta. Alo largo de este texto, se asumirá que se usan agregados apropiados, a menos que se señale de otra manera.

 

Fig. 1-1. Componentes del concreto: cemento, agua, agragado fino, a
gregado grueso, son combinados para formar el concreto. (55361)

 

Fig. 1-2. Variación de las proporciones usadas en concreto, 

en volumen absoluto. Las barras 1 y 3  representan mezclas 

ricas con agregados de pequeño tamaño. Las barras 2 y 4

representan mezclas pobres con agregados gruesosgrandes.

 

Consideración de las Deformaciones del Terreno.

En general, no deben colocarse estructuras rígidas en las proximidades de los taludes, ya que las deformaciones del terreno en su entorno suelen ser importantes. A pesar de ello, habrá situaciones en las que será imprescindible construir estructuras en la zona de afección de los taludes.

El cálculo de los movimientos en el entorno de los taludes debe realizarse mediante procedimientos numéricos. Se recomienda la utilización de métodos basados en la teoría de la elasticidad, ya sea lineal o no lineal. Tales procedimientos se consideran tanto más aplicables cuanto mayor sea el coeficiente de seguridad global.

Las deformaciones obtenidas serán, en todo caso, poco precisas por lo que, en general, se supondrá que una situación es aceptable cuando las deformaciones resultantes de la mejor estimación sean, al menos, tres veces menores que las que producen daño en la estructura próxima al talud.

A efectos de mejorar el grado de conocimiento y en aquellos casos en los que el aspecto deformacional sea importante, se recomienda especificar, como medida preventiva, la observación cuidadosa de movimientos durante la construcción, así como incluir las disposiciones contractuales oportunas para poder adaptar la obra en función de los resultados de estas observaciones.

Coeficientes de Seguridad Mínimos Frente a la Pérdida de Estabilidad Global.

Los coeficientes de seguridad mínimos exigibles frente a los Estados Límite Últimos de estabilidad global deberán fijarse oportunamente en las bases de proyecto de cada obra en cuestión, en función de la importancia de la obra y de las consecuencias del fallo.

En términos generales, se considera aceptable que, en obras de ISA (Indice de repercusión social y ambiental) bajo, para la verificación de la seguridad frente al modo de fallo de pérdida de la estabilidad global, analizada con los criterios precedentes, se admitan como coeficientes de seguridad mínimos los incluidos en la Tabla 3.1.

Tabla 3.1  Coeficientes de seguridad mínimos recomendados frente a la pérdida de estabilidad global.

Principios Generales de Cálculo del Coeficiente de Seguridad Frente a la Inestabilidad Global de un Talud en Roca.

Para calcular el coeficiente de seguridad  frente a la inestabilidad global de un talud en roca es preciso tantear cuantos mecanismos de rotura sean imaginables y tengan una cinemática posible.

Cada uno de esos mecanismos está definido por una superficie de rotura que aísla la zona que se movería respecto de la zona que quedaría en reposo. Dentro de la zona que desliza se pueden producir, además, roturas internas con deslizamientos de unas zonas sobre otras.

El coeficiente de seguridad correspondiente a un posible mecanismo de rotura concreto se define como el factor F por el que habría de minorarse la resistencia al corte en la superficie de rotura tanteada, de manera que, en la situación de proyecto que se considera, se cumpliera el equilibrio estricto.

El coeficiente de seguridad frente a la estabilidad global de la obra será el menor de los encontrados tras analizar varias formas de rotura y considerar, dentro de cada forma, distintas variantes de detalle en cuanto a la definición concreta de los planos de rotura.

El cálculo concreto según una determinada línea de rotura se hará de acuerdo con los principios básicos de la mecánica racional. A esos efectos se indican algunas recomendaciones concretas en los apartados que siguen, para cada uno de los tres tipos elementales de inestabilidad de macizos rocosos sanos diaclasados.

a) Deslizamientos planos

En este tipo de situaciones conviene proyectar todas las acciones según dos direcciones, una normal y otra tangente al plano de deslizamiento.

Debe considerarse que en la cabeza del posible deslizamiento puede existir, previamente, una grieta de tracción llena de agua con el correspondiente empuje hidrostático.

La componente normal “N” y la posible subpresión en el plano de deslizamiento “Sw” permitirán evaluar la resistencia al corte:

Resistencia = (N – Sw) tan φ + c A

Donde:

C, tan φ: Parámetros resistentes en el plano de deslizamiento

A :   área donde actúan N y Sw.

Comparando esa resistencia con la componente tangencial “T” de la resultante de las acciones, se obtiene el coeficiente de seguridad: 

b) Vuelco o cabeceo de estratos (Toppling)

El estudio de estos casos, si el problema es de importancia, requiere hacer hipótesis sobre el detalle de los bloques existentes. Existen procedimientos de cálculo específicos que permiten esos estudios de detalle.

En general se considera suficientemente próximo a la realidad y suficientemente seguro calcular, como si de un terreno homogéneo se tratara, el estado tensional en el entorno del punto crítico donde se teme el inicio del vuelco. A esos efectos deberán realizarse tanteos, suponiendo distintas localizaciones de ese punto.

La definición del estado tensional puede requerir la utilización de soluciones publicadas en la literatura técnica o un cálculo numérico previo.

Definido el estado tensional en el punto en cuestión mediante su círculo de

Mohr, tal como se indica en la Fig. 3.11, se puede estimar la solicitación de corte en los planos de las diaclasas y, con estos datos, evaluar el coeficiente de seguridad correspondiente.

El coeficiente de seguridad mínimo  alcanzado en diversas evaluaciones (según distintas litoclasas y en distintas zonas) será asignado como coeficiente de estabilidad del talud correspondiente.

Figura 3.11.  Procedimiento simplificado de evaluación de la seguridad. Taludesrocosos diaclasados

c) Deslizamientos en cuña

Identificada como cinemáticamente  posible una determinada cuña formada por dos planos A y B, el problema mecánico resulta estáticamente determinado cuando se hace alguna hipótesis razonable para repartir las acciones sobre la cuña en las reacciones sobre A y B. A estos efectos es razonable y recomendable suponer que los esfuerzos de corte en las diaclasas son paralelos a la arista de deslizamiento.

Conviene citar que, para aquellos casos en los que no exista ni cohesión ni subpresión en las diaclasas y en los que, además, ambas diaclasas tengan igual rozamiento, el coeficiente de seguridad natural (sin acciones externas ni elementos de sujeción) viene dado por:

donde:

φ = ángulo de rozamiento en las diaclasas
β = pendiente de la arista de deslizamiento
K = factor de cuña

El factor de cuña viene dado por:

donde:

ε = ángulo formado por el plano bisector de  la cuña y el plano vertical de la arista de deslizamiento
α = semiapertura del diedro de la cuña

El significado de estos ángulos se indica en la Fig. 3.10.

Caracterización de la Situación de Proyecto: Estabilidad de Macizos Rocosos.

Los datos necesarios para el estudio de la estabilidad de macizos rocosos diaclasados son los relativos a la geometría, a las acciones y a la resistencia al corte a lo largo de las diaclasas.

a) Definición de los parámetros geométricos

Los parámetros geométricos más importantes, aparte de los necesarios para describir la obra, son los relativos a  la orientación de las discontinuidades de la roca.

Dado el carácter tridimensional del problema, su descripción geométrica suele ser compleja. A efectos de representar, de manera inteligible, la distribución de diaclasas, es preciso utilizar procedimientos especiales. Es, en este caso, recomendable utilizar la proyección estereográfica de igual área para representar las diaclasas medidas en el terreno. Cada diaclasa queda representada en ese diagrama por un punto y, del estudio de las nubes de puntos medidas en campo, se pueden obtener las orientaciones habituales de las distintas familias de diaclasas.

Además, de cada familia de diaclasas, será necesario conocer su continuidad, separación entre diaclasas consecutivas, etc. Es conveniente, en casos complejos o de cierta trascendencia, utilizar descripciones probabilísticas de los diaclasamientos de los macizos rocosos.

Un dato trascendente, en el estudio  de la estabilidad de macizos rocosos diaclasados, es el relativo al estado de agua, ya que será necesario conocer, en las diaclasas que resulten más críticas, la presión del agua, que afectará de manera muy importante a la seguridad de la obra.

Los datos geométricos a adoptar en una determinada situación de proyecto serán una simplificación razonablemente conservadora de la realidad. En esta modelización geométrica se decidirá buena parte de la seguridad y por eso es recomendable, en casos de importancia,  realizar cálculos de sensibilidad frente a las variables geométricas peor conocidas.

b) Definición de las acciones

Aparte del peso propio pueden actuar, en la situación del proyecto considerada, otras acciones tales como sobrecargas, pesos de parte de la estructura, etc. La forma de considerar esas acciones debe cumplir las ideas básicas indicadas en 3.4.2.b).

Los elementos de sujeción o estabilización del talud introducen, en general, uno de los dos tipos de fuerzas siguientes:

a) Elementos activos. Suelen estar formados por anclajes largos y flexibles, colocados con carga inicial importante respecto a su carga de rotura.

b) Elementos pasivos. Suelen estar formados por bulones cortos y rígidos colocados con carga inicial baja respecto a su carga de rotura.

La representación de los elementos activos en los cálculos de seguridad global, según líneas de rotura que los cortan entre la zona de su cabeza y la zona de anclaje en la roca profunda, puede realizarse mediante una fuerza igual a la carga de colocación aplicada en la zona de apoyo de su cabeza contra el talud rocoso. Para líneas de rotura que engloben su zona de anclaje, la presencia del elemento debe ser considerada de efecto nulo.

La presencia de elementos pasivos en los cálculos de estabilidad global quedará representada como una fuerza igual a la resistencia al arranque de la parte del elemento que queda fuera de la zona que puede deslizar.

La diferencia de tratamiento de uno y otro tipo de elemento estriba en la deformación necesaria para movilizar la fuerza resistente. Sería teóricamente infinita para los elementos activos y nula para los pasivos. En caso de requerirse cálculos precisos o en aquellas situaciones en las que existan elementos de tipo intermedio entre los dos citados, se podrá representar la acción debida a su presencia mediante las fuerzas que correspondan a unas deformaciones razonables que el ingeniero habrá de fijar.

c) Definición de las propiedades del terreno

La resistencia de la matriz de la roca sana, salvo en ocasiones muy excepcionales, no interviene en los cálculos de estabilidad global. Es, sin embargo, un índice útil para evaluar indirectamente la resistencia al corte de las diaclasas.

La resistencia al corte de las diaclasas debe determinarse o bien directamente mediante ensayos de laboratorio o de  campo, o bien indirectamente según correlaciones previamente establecidas de acuerdo con la experiencia.

El criterio del ingeniero, en este caso, es primordial. La elección de una u otra correlación, o la decisión de realizar ensayos específicos, dependerá de la importancia del caso y de la experiencia local en temas similares.

En cualquier caso, para hacer una evaluación expresa del coeficiente de seguridad global del macizo rocoso, será necesario definir los parámetros de resistencia al corte según cada una de  las familias de litoclasas diferentes encontradas en las investigaciones de campo.

d) Colaboración de los elementos estructurales

Cuando la superficie de rotura tanteada corte a otros elementos estructurales, la resistencia de éstos será estimada como si de un elemento de sujeción pasivo se tratase y esa resistencia será considerada como una acción externa.