2 - COMPONENTES DEL CONCRETO HIDRÁULICO. Los componentes del concreto pueden dividirse en dos grandes grupos: Activos e inertes. Los componentes activos son aquellos que producen al mezclarse la reacción química responsable del endurecimiento del concreto. Los componentes inertes son aquellos que dan volumen al concreto abaratándolo. Los componentes activos son el agua y el cemento Portland, que al unirse forman una mezcla a al que se llama aglutinante. La grava y la arena son los elementos inertes del concreto que llamamos agregados.
2.1 - CEMENTO. El cemento portland fue patentado por Joseph Aspdin, en 1824. El nombre es debido a que su color era muy similar a la piedra de una cantera ubicada en la isla de Portland. Él hizo su cemento combinando ciertas cantidades de arcilla y piedra caliza pulverizadas y quemadas en una estufa, para posteriormente moler la escoria resultante y obtener un polvo fino. En un principio este cemento se utilizó principalmente como estuco (recubrimiento ornamental para paredes y techos). Fue en 1845 cuando Isaac Johnson, obtuvo el prototipo del cemento moderno, con una mezcla de caliza y arcilla calcinada a alta temperatura. Posteriormente, en 1850, fue utilizado para la fabricación de una embarcación con alambres o barras paralelas (concreto reforzado) y para la fabricación de receptáculos de cemento con malla de alambre. Entre 1867 y 1881, surgieron varias patentes para losas, arcos y durmientes para diversas estructuras como puentes peatonales o edificios. Fue hasta 1875 que se construyó el primer edificio usando concreto reforzado en Estados Unidos y hasta 1877 que se hizo un análisis correcto y detallado de los esfuerzos que se producían en una viga de concreto reforzado.
Fabricación del Cemento. El cemento es el ingrediente más importante de los concretos hidráulicos, ya que entrar en contacto con el agua produce una reacción química exotérmica que es la responsable del endurecimiento; y es el elemento más caro del mismo. Los componentes principales del cemento son: caliza, arcilla, yeso, arena y mineral de hierro. Los cuales pueden ser extraídos de canteras y minas. El proceso de producción del cemento se divide en cuatro etapas bien diferenciadas: extracción, homogeneización, producción del Clinker y molienda. Para la extracción se utilizan diversos métodos, maquinaria y sistemas de explotación dependiendo de la ubicación del material y la dureza del mismo. Posteriormente, la materia prima es triturada a tamaños que puedan ser procesados por los hornos y mezclada en una solución acuosa para ser llevada a los tanques de homogeneización. En la etapa de homogeneización por vía húmeda, el material previamente triturado y mezclado (arcilla lavada y piedra caliza), es transportado a grandes tanques en los que la suspensión es continuamente agitada para evitar el asentamiento del material.
Desde los tanques de alimentación se alimentan los hornos con la suspensión que proviene del proceso de homogeneización. Estos hornos consisten en grandes cilindros inclinados que giran sobre su eje, es dentro de estos cilindros que la suspensión es calentada gradualmente mientras viaja hasta alcanzar los 1500 °C produciéndose una reacción química que forma el Clinker del cemento. El proceso termina cuando el Clinker pasa a la última etapa de, en la cual gracias a un molino de bolas es pulverizado y se le agrega una pequeña proporción de yeso. Tras todas estas etapas el cemento está finalmente listo para usarse y es enviado a silos para venderlo a granel o embolsarlo. Durante la fabricación del clinker de cemento portland, en el proceso de calcinación, el calcio se combina con otros componentes de la mezcla cruda para formar cuatro compuestos principales que corresponden al 90% de la masa de cemento. En la molienda, se añade yeso (del 4% al 6%) u otra fuente de sulfato de calcio y otros auxiliadores de molienda.
Tipos de cemento. La composición química media del cemento portland, está formada por un 62.5% cal combinada (CaO), un 21% de sílice (SiO2), un 6.5% de alúmina (Al2O3), un 2.5% de hierro (Fe2O3) y otros menores proporciones. Estos cuatro componentes son los principales del cemento, de carácter básico la cal y de carácter ácido los otros tres. Estos componentes no se encuentran libres en el cemento, sino combinados formando silicatos, aluminatos y ferritos cálcicos, que son los componentes hidráulicos del mismo o componentes potenciales. Aunque básicamente todos los tipos de cemento tienen los mismos componentes, las variaciones en la dosificación modifican las propiedades finales del concreto. En México la clasificación de los tipos de cemento está proporcionada por la norma NMX-C-414-ONNCCE-1999, la cual establece lo siguiente:
De acuerdo a su composición, éstos pueden ser: CPO
Cemento Portland Ordinario.
El Cemento Portland Ordinario es excelente para construcciones en general, zapatas, columnas, trabes, castillos, dalas, muros, losas, pisos, pavimentos, guarniciones, banquetas, muebles municipales (Bancas, mesas, fuentes, escaleras), etc. Ideal para la elaboración de productos prefabricados (Tabicones, adoquines, bloques, postes de luz, lavaderos, etc).
CPP
Cemento Portland Puzolánico.
Su hidratación es más lenta, por lo que genera menor calor de hidratación. Ideal para la construcción de zapatas, pisos, columnas, castillos, dalas, muros, losas, pavimentos, guarniciones, banquetas, muebles municipales (Bancas, mesas, fuentes, escaleras), etc. Especialmente diseñado para la construcción sobre suelos salinos. El mejor para obras expuestas a ambientes químicamente agresivos. Alta durabilidad en prefabricados para alcantarillados como brocales para pozos de visita, coladeras pluviales, registros y tubería para drenaje. Es especialmente recomendado cuando se requieran propiedades especiales de durabilidad como ataque de sulfatos, bajo calor de hidratación, inhibición de la reacción álcali - agregado, impermeabilidad, etc
CPEG Cemento Portland con Escoria Granulada de alto horno Es un cemento con contenido de escoria "moderado" ya que presenta mayor contenido que el cemento portland normal y menor que el cemento de escoria de alto horno. Puede utilizarse para cualquier tipo de construcción y es especialmente recomendado cuando se tiene ataque moderado de sulfatos, posibilidad de utilización de agregados reactivos (previo ensayo) o se requieren buenas condiciones de impermeabilidad del hormigón.
CPC
Cemento Portland Compuesto.
Presenta excelente durabilidad en prefabricados para alcantarillados y a los concretos les proporciona una mayor resistencia química y menor desprendimiento de calor. Este cemento es compatible con todos los materiales de construcción convencionales como arenas, gravas, piedras, cantera, mármol, etc.; así como con los pigmentos (preferentemente los que resisten la acción solar) y aditivos, siempre que se usen con los cuidados y dosificaciones que recomienden sus fabricantes.
CPS
Cemento Portland con humo de sílice.
Resulta especialmente adecuado para su aplicación en hormigón pretensado, hormigón que contiene áridos reactivos, hormigón proyectado u hormigón para desencofrado y descimbrado rápido.
CEG
Cemento con Escoria Granulada de alto horno.
Este cemento, que en la norma pierde la denominación "portland", posee un alto contenido de una adición activa como lo es la escoria granulada de alto horno. Es muy utilizado en obras de ingeniería donde interesa fundamentalmente el bajo calor de hidratación y una buena resistencia a sulfatos en caso de una exposición a aguas o suelos sulfatados y/o a la reacción álcali - agregado en caso de utilizarse agregados potencialmente reactivos. Desarrolla resistencia más lento que el cemento normal debido a la escoria granulada.
Escoria granulada de alto horno. Es el subproducto no metálico de la industria siderúrgica constituido esencialmente por silicatos y aluminosilicatos cálcicos, que se obtienen por el enfriamiento brusco con agua o vapor y aire, del residuo que se produce simultáneamente con la fusión de minerales de fierro en el alto horno.
Humo de sílice. Es un material puzolánico muy fino, compuesto principalmente de sílice amorfa, que es un subproducto de la fabricación de silicio o aleaciones de ferro - silicio con arco eléctrico (también conocido como humo de sílice condensado o microsílice).
De acuerdo a sus características especiales, los cementos pueden ser:
Nomenclatura RS BRA BCH B
Característica Resistente a los sulfatos Baja reactividad álcali agregado Bajo calor de hidratación Blanco
Por su resistencia se clasifican en: Tipo
Resistencia mínima a los 28 días (kg/cm2)
20 30 40 30 R 40 R
+ 200 kg/cm2 + 300 kg/cm2 + 400 kg/cm2 + 200 kg/cm2 + 300 kg/cm2
Resistencia mínima a los 3 días (kg/cm2) ---+ 300 kg/cm2 + 400 kg/cm2
Ejemplos:
Cemento CPO 40 R Esta clasificación indica que se trata de un cemento Pórtland ordinario, con alta resistencia inicial.
Cemento CPEG 30 RS Esta clasificación indica un cemento con adición de escoria, con una resistencia normal y resistente a los sulfatos.
Cemento CPP 30 BRA / BCH Esta clasificación indica un cemento pórtland puzolánico, con una resistencia normal, de baja reactividad álcali agregado y de bajo calor de hidratación.
2.2 - AGREGADOS. El término agregados se refiere a las arenas, gravas, rocas trituradas, etc., que se mezclan con el cemento y agua para formar concreto. La selección adecuada de los agregados es importante en el proceso de fabricación de concreto, ya que aunque no son los elementos más caros de la mezcla llegan a ser el 85 % del volumen final del concreto. Los agregados se dividen principalmente en dos grupos cuando se habla de concreto normal, agregados finos y gruesos. El agregado fino es la arena, mientras que el grueso es la grava que se utiliza en las mezclas de concreto. Un buen concreto se forma combinando tres o cuatro tamaños distintos de agregados de tal manera que se obtenga una granulometría óptima. Durante la selección de los agregados pétreos debe tenerse especial cuidado en los siguientes puntos:
Deben estar libres de polvo, arcilla o impurezas que impidan la cohesión apropiada de los materiales. La resistencia a la compresión de estos debe ser mínimamente igual a la de la mezcla de agua – cemento. Deben ser duraderos e inertes. No deben presentar contaminación orgánica, ya que esta puede afectar el proceso de fraguado del concreto. No deben contener sales que puedan afectar el refuerzo de acero o absorban agua.
Tamaño A menos que específicamente se indique lo contrario, el tamaño máximo del agregado que deberá usarse en las diferentes partes de la obra será:
Tamaño máximo 51 mm (2") 38 mm (1½") 19 mm (3/4”)
Uso general Estructuras de concreto en masa: muros, losas y pilares de más de 1 m de espesor. Muros, losas, vigas, pilares, etc., de 30 cm a 1 m de espesor. Muros delgados, losas, alcantarillas, etc., de menos de 30 cm de espesor.
Forma de los granos.
La forma de los granos es importante debido a que una mejor compactación de los granos nos producirá un concreto igualmente más compacto y en el cual la pasta de cemento debe cubrir una menor superficie de los granos. Por esto es preferible usar arenas de formas redondeadas, forman concretos más compactos, manejables y de mejores resistencias (siempre y cuando tengan la resistencia indicada). Deben evitarse siempre las arenas con partículas en formas de astillas o escamas planas.
Tamaño de los granos. La correcta granulometría de los agregados es importante en la elaboración de concreto. Una buena distribución en el tamaño de los granos es aquella que incluye agregados finos, medianos y gruesos, de tal modo que los granos finos ocupen el lugar entre los medianos, y estos ocupen el lugar entre los granos gruesos para conseguir la máxima compacidad. Las arenas deben tener un tamaño comprendido entre los 2 y los 5 milímetros (mallas #4 y #8 respectivamente) y la grava entre los 5 y los 19 milímetros (malla #4 y ¾”) debido al límite que usualmente marca la distancia libre entre el acero de refuerzo. TAMAÑO DE LA PARTÍCULA EN mm Pasante del tamiz N° 200 inferior a 0.002 mm, Entre 0.002 - 0.074 mm Pasante del tamiz N° 4 y retenido en el tamiz N° 200, Entre 4.76 mm y 0.074 mm Retenido en el tamiz N° 4 Entre 4.76 mm y 19.1 mm (N° 4 y 3/4") Entre 19.1 y 50.8 mm (3/4" y 2") Entre 50.8 mm y 152.4 mm (2" y 6") Superior a 152.4 mm (6")
DENOMINACIÓN CLASIFICACIÓN CORRIENTE Arcilla Fracción fina o finos Limo Agregado fino Arena Agregado grueso Gravilla Grava Piedra Rajón, Piedra bola
ARENA Las arenas naturales está formada por granos sueltos que provienen de la desintegración y disgregación de las rocas, esta desintegración puede deberse a fenómenos físicos o químicos. La arena artificial es obtenida de la trituración y molido de rocas por medios artificiales. Por su origen se pueden dividir en arenas sílicas o cuarzosas, calizas o graníticas. Las arenas calizas solo deben utilizarse cuando provienen de rocas duras y las arenas graníticas deben evitarse a menos que tengan un alto contenido de cuarzo. Dependiendo de su procedencia, se distinguen los siguientes tipos: Arena de río. Generalmente formada por partículas redondeadas debido al acarreo que han sufrido. Pueden tener altos contenidos de arcilla. Arena de mina. Depositadas en el interior de la tierra, están formadas por granos más angulosos. Contienen arcilla y materia orgánica. Arena de playa o duna. Debido a que contiene sales alcalinas que absorben humedad, solo pueden ser utilizadas si tienen el tamaño adecuado y son lavadas en agua dulce previamente. Arena Artificial. Provenientes de un proceso de trituración son arenas que tienen un bajo contenido de arcilla y polvo, además de tener formas más angulosas y superficies rugosas. Son aptas para fabricar concreto siempre que sus aristas no sean demasiado angulosas.
GRAVA
La grava es el agregado grueso que se ocupa de ocupar la mayor parte del volumen final del concreto. A un mayor tamaño de la grava se obtienen mezclas de concreto que requieren menos cemento y agua para alcanzar una resistencia dada, aunque se debe tener cuidado debido a que se obtienen concretos menos manejables. La grava debe provenir de rocas con la resistencia adecuada, que debe ser por lo menos tan resistente como la pasta de cemento. El principal factor para determinar el tamaño que tendrá el agregado grueso es la manejabilidad del concreto y la separación libre entre las barras del acero de refuerzo.
2.3 – Agua y aditivos. AGUA. El agua es el componente que sigue en importancia al cemento, a pesar de ser muy económico y el que menor costo representa en la fabricación del concreto. Lo anterior debido a que su correcta dosificación es esencial para obtener un concreto de la resistencia especificada y con la manejabilidad adecuada para un correcto vaciado de los elementos de la estructura. Teóricamente, una relación agua – cemento del 30% es suficiente para el fraguado del concreto, pero es más habitual ver relaciones superiores al 45% debido al requisito de manejabilidad o revenimiento para el colado de las piezas de la estructura. Debe ponerse también cuidado en no dosificar agua en exceso a la mezcla, debido a que el exceso terminará evaporándose y producirá un concreto poroso. En términos generales el agua utilizada, deberá ser potable de manera que se asegure que el agua no contiene impurezas que afecten la resistencia final del concreto.
ADITIVOS. Un aditivo es un material diferente del cemento, los agregados y el agua, que se añaden al concreto durante su mezclado para mejorar sus propiedades o cambiarlas para un uso especial de ese. Los aditivos se clasifican en 5 grupos, los cuales son:
Inclusores de aire. Sirven para mejorar la trabajabilidad del concreto, pero su principal uso es hacerlo resistente a las heladas. Funcionan provocando burbujas diminutas que lo vuelven más manejable y permiten que el agua se expanda durante temporadas de frío.
Aceleradores. Esta clase de aditivos se utilizan para aumentar la resistencia temprana del concreto y permitir un descimbrado temprano de los elementos estructurales. Además es útil cuando se hagan colados a bajas temperaturas ya que producen un aumento en la temperatura de fraguado. El acelerante más conocido es el cloruro de calcio.
Plastificantes. Como su nombre lo indica, sirven para aumentar la trabajabilidad del concreto sin tener que aumentar la dosificación de agua cuando se requieren concretos de alta resistencia. Permiten a los ingenieros conseguir concretos de mayor resistencia sin aumentar la cantidad de cemento.
Retardadores. Los efectos de estos aditivos que usualmente son ácidos, azúcares o derivados de azúcar, son retardar el fraguado del concreto y reducir la temperatura que el proceso produce. Son muy útiles para el transporte del concreto a grandes distancias, permiten un mejor mezclado y adherencia entre coladas sucesivas y reducen drásticamente el incremento de temperatura cuando se vacían grandes cantidades de concreto.
Impermeabilizantes. Usualmente la impermeabilización de superficies de concreto se realiza una vez que este ha fraguado, pero mezclando generalmente algún tipo de jabón o derivado del petróleo durante su elaboración, se ayuda a retardar la penetración del agua en el concreto ya endurecido, especialmente en los porosos.
