Download Unidad 1 - GENERALIDADES SOBRE EL HORMIGON

UNIVERSIDAD TECNOLOGICA NACIONAL
Facultad Regional Santa Fe
Cátedra: Tecnología del Hormigón - Ingeniería Civil
Profesor: Ing. Ma. Fernanda Carrasco
UNIDAD 1. GENERALIDADES SOBRE EL HORMIGON
Ventajas en el empleo del hormigón en la construcción
El hormigón de cemento portland es el material manufacturado más ampliamente utilizado, y
por sus características propias (elaboración in-situ, uso de materiales locales, métodos
simples de manufactura, variaciones inevitables de las características de sus componentes),
plantea en el ingeniero la necesidad de un mayor conocimiento en cuanto a su estructura,
sus materiales componentes y a sus propiedades mecánicas y durables. Posee adecuadas
propiedades a bajo costo, combinados con beneficios en ahorro de energía y ecológicos. A
excepción del agua, el hombre no consume otro material tanto como el hormigón. En muchos
países la relación entre el consumo del hormigón al acero es de 10 a 1. El acero se fabrica
en condiciones cuidadosamente controladas, sus propiedades se determinan en un
laboratorio y se describen en el certificado del fabricante. Por lo tanto, el proyectista necesita
tan sólo especificar el tipo de acero con respecto a una norma adecuada y el ingeniero
supervisor se limita a verificar la efectividad de la mano de obra de las conexiones entre
miembros individuales de acero.
El campo de aplicación del hormigón es muy amplio, desde pequeñas viviendas hasta
centrales nucleares, incluyendo barcos, durmientes, obras de infraestructura, estructuras offshore, etc., es decir que el desarrollo de la civilización moderna es decididamente
dependiente del hormigón.
En la Argentina durante el año 2011 se consumieron 11.363.000 toneladas de cemento.
Considerando en promedio un valor de 375 kg de cemento por metro cúbico de hormigón, se
han elaborado 30.301.333 m³ de hormigón, es decir 0.75 m³/habitante. El mayor consumo
desde el año 1950 se obtuvo en el año 1980, con un valor de 0.754 m³/h. El record de
consumo de hormigón por habitante a nivel mundial, en el año 1991, fue para Italia con 2.2
m³/h. Para Brasil y estados Unidos el consumo fue de 0.46 y 0.83 m³/h.
Este material presenta ventajas y desventajas que se deben evaluar en el momento de
decidir el material a utilizar en una obra determinada:
VENTAJAS
DESVENTAJAS
Durable
Resistente
Económico
Ecológico
Moldeable – Versátil
Propiedades estéticas
Resistente al fuego
Fabricación in situ
Baja resistencia a tracción
Baja ductilidad
Inestabilidad volumétrica
Baja relación “resistencia / peso”
No resiste el ataque ácido
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Material durable
La durabilidad es la propiedad más importante de los materiales. Este concepto implica tener
en cuenta los siguientes aspectos: resistencia a la corrosión, composición, resistencia
mecánica, estabilidad volumétrica, medio al que estará expuesto, condiciones de servicio,
etc. Para obtener “obras civiles durables”, además de usar un material durable, se deben
tener en cuenta: el proyecto y diseño de la estructura, la calidad de la mano de obra y el
control de la ejecución, los recubrimientos adecuados, el curado, el mantenimiento posterior,
uso adecuado, etc.
Principalmente, el hormigón es elegido por su durabilidad frente al agua, es un material que
se puede emplear en obras de almacenaje, control y transporte de agua. Los romanos lo
utilizaron hace dos mil años en sus acueductos que aún perduran. Elementos estructurales
expuestos a la humedad, como pilotes, fundaciones, pisos, vigas, columnas, pavimentos, etc.
se construyen generalmente con hormigón. El acero y la madera no son materiales
resistentes a la acción del agua, por este motivo también, el hormigón resulta competitivo.
Versatilidad y propiedades estéticas
Con el hormigón se pueden realizar elementos de variadas formas y tamaños. En el estado
fresco permite rellenar y moldear diferentes tipos y formas de encofrados y moldes. Horas
después, los encofrados pueden ser removidos para su reutilización, cuando el hormigón se
ha solidificado y endurecido. Las formas, colores y texturas diferentes son elementos que
permiten una amplia gama de posibilidades en el orden estético de las construcciones.
Material económico
La economía del empleo del hormigón en la construcción se basa en los siguientes aspectos:
• Empleo en su elaboración de materias primas generalmente abundantes.
• Menor cantidad de energía para su fabricación.
• Empleo de mano de obra no altamente calificada.
• Estructuras que necesitan poco mantenimiento.
• Es más económico que otros materiales, p.e. el acero.
Otro aspecto importante en la diferencia de costos es el consumo de energía para la
obtención de los materiales. Para fabricar acero y aluminio, la energía necesaria es de 300 y
380 GJ/m³, respectivamente, en cambio para el cemento es de 22 GJ/m³.
Un análisis sencillo de costos de una viga y de una columna, nos permite establecer el
beneficio económico de construir con hormigón respecto de hacerlo con acero. En el
presente estudio no se tiene en cuenta los costos de mano de obra. Los valores de
dimensiones corresponden a elementos de un edificio corriente.
Material ecológico
Los desechos o subproductos industriales representan un problema de contaminación
ambiental. El hormigón y especialmente, el cemento permiten emplear en su fabricación
subproductos, tales como cenizas volantes, escorias, en volúmenes no despreciables.
Además, el hormigón se emplea para almacenar residuos contaminantes.
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ESTRUCTURA SOMETIDA A FLEXIÓN
Material de la estructura:
Luz de la viga (m)
Separación entre vigas (m)
Carga de peso propio losa (kg/m²)
Sobrecarga (kg/m²)
Peso propio viga (kg/m)
Carga total (kg/m)
Momento máximo [q.l²/8] (kg/m)
H° A°
6
4
200
200
380
1980
8910
Acero
6
4
200
200
60
1660
7470
25 x 60
152 kg
15 kg
8 kg
10
193
0.90
PNI 300
----------------325
-----
1363
727
3250
-----
2090
(100 %)
3250
(155 %)
ESTRUCTURA SOMETIDA A COMPRESIÓN
Material de la estructura:
N° de pisos
Carga por piso (kg)
Peso propio de columnas (kg)
Carga total (kg)
H° A°
5
29700
2500
32200
Acero
5
24900
125
25025
Sección adoptada (cm x cm)
Armadura longitudinal (4 ∅ 12)
Estribos (1 ∅ 6 c/20 cm)
% de desperdicio
Cantidad total de acero (kg)
Cantidad total de hormigón (m³)
25 x 25
11 kg
4 kg
10
15
0.20
PNI 100
------------62
-----
106
162
620
-----
268
(100 %)
620
(231 %)
Sección adoptada (cm x cm)
Armadura inferior (4 ∅ 16)
Armadura superior (2 ∅ 10)
Estribos (1 ∅ 6 c/25 cm)
% de desperdicio
Cantidad total de acero (kg)
Cantidad total de hormigón (m³)
Costo total de acero ($)
Costo total de hormigón ($)
COSTO TOTAL EN FLEXIÓN ($)
Costo total de acero ($)
Costo total de hormigón ($)
COSTO TOTAL EN FLEXIÓN ($)
Historia del cemento y el hormigón
A modo de ejemplo se presenta hechos importantes en la historia del hormigón y el cemento:
12.000.000 AC Reacciones entre la caliza y aceite de esquistos durante la combustión
espontánea ocurrida en Israel para formar un depósito natural de compuestos de cemento.
3000 AC Los Egipcios usaron barro mezclado con paja para unir ladrillos secos. También
ayudaron al descubrimiento del mortero a la cal y de yeso como una agente ligante para la
construcción de las Pirámides.
3000 AC Se usaron materiales cementicios para unir al bambú en los botes y en la Gran
Muralla.
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300 AC Los Romanos emplearon caliza en escamas con una ceniza volcánica denominada
puzolana, encontrada cerca de Pozzuoli en la bahía de Nápoles. Emplearon caliza como un
material cementicio. Pliny informó acerca de una mezcla de mortero de 1 parte de caliza con
4 partes de arena. Vitruvio informó una de 2 partes de puzolana con 1 parte de caliza. Se
emplearon grasa animal, leche, y sangre como aditivos.
Aquí aparece el vocablo CEMENTO, que proviene del latín CAEMENTUM, que es una
contracción de CAEDIMENTUM, que a su vez se relaciona con CAEDERE, que significa
CORTAR, DIVIDIR.
CAEMENTUM era un conjunto de fragmentos de piedra, de mármol, rocas y otros materiales,
obtenidos por CORTE o DIVISION. Al mezclarlos con cal y puzolana, se producía su
solidificación, digna de ser admirada, según dice Vitruvio, “efficit res admirandas”. A este
conjunto ya endurecido se lo seguía llamando “CAEMENTUM” (como si se dijera cascajo)
aún cuando era una parte de la unidad total y no era el ligante, que fue siempre la puzolana.
Existe también una especie de polvo que por su naturaleza produce cosas dignas de ser
admiradas. Se produce en las regiones de Buias, en los campos de los municipios que están
alrededor del Monte Vesubio; polvo el cual, mezclado con cal y cascajo (piedra partida), no
sólo da firmeza a todo edificio, sino que también cuando se erigen moles en el mar,
endurecen bajo el agua.
Del mismo modo que, siglos más tarde a la adición de materiales obtenida por acción
mecánica dentro de un recipiente llamado “mortero”, se le llamaría “mortero”.
193 AC l Aemelia PorticuHouse hecho de huesos ligados para formar hormigón.
200 DC El Panteón Romano.
Después de 400 DC El arte del Hormigón se perdió de la Caída del Imperio Romano.
1678 Joseph Moron escribió acerca del fuego escondido en la cal calcinada que aparece
luego del agregado de agua.
1756 John Smeaton, Ingeniero inglés, redescubrió el cemento hidráulico a través de los
ensayos repetidos del mortero en agua salada y agua corriente.
1779 Bry Higgins emitió una patente para el cemento hidráulico (stucco) para el uso en
recubrimiento exterior.
1796 James Parker de Inglaterra patentó un cemento hidráulico natural, calcinando nódulos
de caliza impura que contenía arcilla, llamado Cemento Parker o Cemento Romano.
1812-1813 Louis Vicat, de Francia, preparó cal hidráulica artificial calcinando mezclas
sintéticas de caliza y arcilla.
1822 James Frost, de Inglaterra, preparó cal hidráulica artificial como Vicat, y lo denominó
Cemento Británico.
1828 I.K.Brunel es tenido como el primer ingeniero en aplicar el cemento portland, que se
usó para llenar una brecha en el Túnel del Támesis.
1850 Jean – Louis Lambot fue el primero en emplear armaduras en los botes.
1859-1867 Se empleó cemento portland en la construcción del sistema de desagües de
Londres.
1850-1880 Francois Coignet, un constructor francés, es el responsable del primer uso
amplio del hormigón en edificios.
1887 Henri Le Chatelier, de Francia, estableció las relaciones entre los óxidos para preparar
la cantidad adecuada de cal para producir cemento portland. Denominó a los componentes:
Alita (silicato tricálcico), Belita (silicato dicálcico), y Celita (aluminatoferrito tetracálcico).
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Propuso que el endurecimiento es causado por la formación de los productos cristalinos de la
reacción entre el cemento y el agua.
1870 Francois Hennebique patentó el sistema Hennebique. Fue responsable de la amplia
aceptación del hormigón armado.
1902 Thomas Edison fue el pionero en el ulterior desarrollo del horno rotatorio.
1902 August Perre convierte al hormigón en un material arquitectónico aceptable. Construyó
el Teatro de los Campos Elíseos.
1917 El US Bureau of Standards y la ASTM establecieron una fórmula normalizada para el
cemento portland.
1927 Eugene Freyssinet desarrolla exitosamente el hormigón pretensado.
1930 Eduardo Torroja, diseña en primer techo de cáscara delgado en Algeciras.
1931 Le Corbusier construye la Villa Saboya.
1935 Eduardo Torroja diseña el Hipódromo de Madrid.
1935 Pier Luigi Nervi construye los hangares para la Fuerza Aérea Italiana empleando la
construcción de cáscaras delgadas.
1935 Se construyen las primeras represas importantes de hormigón, Hoover Dam y Grand
Coulee Dam.
1936 Frank Lloyd Wright fue uno de los primeros en explotar la viga cantilever en
Fallingwater.
1940 Los Construction Technology Laboratories perfeccionan el hormigón con aire
incorporado.
1956 Se construye el Museo Guggenheim con hormigón reforzado.
1956 Le Courbusier construye Ronchamp.
1956 Félix Candela domina la cáscara de hormigón.
1956 Le Corbusier construye La Tourette.
1961 Le Corbusier construye el complejo gubernamental en Chandigara, India. Las Torres
Gemelas de Bertrand Goldberg en Marina City marcaron el comienzo del empleo del
hormigón reforzado en modernos rascacielos y fijaron el récord de 180 m de altura. Se
emplea por primera vez hormigón de 40 MPa en las columnas más bajas. Primer estructura
de deportes en hormigón en forma de domo. Lake Point Towers, 70 pisos, 200m de altura,
hormigón de 50 MPa.
1970 Se introduce el refuerzo con fibras en el hormigón.
1975
Water Tower Place, 265m de altura, hormigón de 60 MPa, empleando
superplastificantes.
1985 El hormigón de la mayor resistencia se usó en el edificio de Union Plaza en Seattle,
Washington.
1989 Scotia Plaza Building, Toronto, 280 m de altura.
1989 Two Prudential Plaza, en Chicago, de 280 m de altura.
1996 Petronas Twin Towers, 450 m de altura.
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El hormigón como material compuesto
Cuando se calcula una estructura de hormigón se lo hace bajo la hipótesis de estar
frente a un material homogéneo con propiedades mecánicas uniformes; se asumen entonces
valores únicos de resistencia, módulo de elasticidad, fluencia, etc. Sin embargo la simple
observación de un corte de hormigón pone en evidencia que se está en presencia de un
material compuesto, en el que una matriz continua rodea un conjunto de inclusiones de
forma y tamaño variados. En este nivel puede ser considerado como constituido por
agregados gruesos embebidos en una matriz de mortero.
Pero el carácter compuesto de este material también se manifiesta para otros niveles
de observación. En una escala más fina, el mismo mortero aparece constituido por partículas
de arena rodeadas por una matriz de pasta de cemento hidratado. A escala microscópica la
pasta de cemento consiste fundamentalmente en silicatos de calcio hidratados (S-C-H) e
hidróxido de calcio (CH) con una extensa red de poros capilares y algunos granos de
cemento anhidro. Más aún, a escala submicroscópica el mismo S-C-H está compuesto por
partículas pobremente cristalizadas de diversas formas y composición química, rodeadas por
un sistema más o menos continuo de poros.
Diversos modelos han sido y continúan siendo desarrollados para alcanzar una mejor
comprensión del comportamiento del hormigón. En cada caso es necesario situarse en un
determinado nivel de observación. Para un mejor ordenamiento y evaluación de tales
estudios es posible subdividir la estructura del hormigón fundamentalmente en tres niveles:
micronivel, mesonivel y macronivel. Los diferentes niveles, los aspectos característicos
presentes en cada uno de ellos y el tipo de análisis aplicado se resumen en la Tabla 1. De
todos modos cualquier modelo o tipo de clasificación siempre posee como propósito final la
caracterización del comportamiento macroscópico de un material de la forma más realista y
generalizada posible.
Los estudios en el micronivel se centran en el análisis de la estructura de la pasta de
cemento. Si bien un estudio pormenorizado de la misma escapa al propósito de estas clases,
es importante puntualizar algunos aspectos básicos. En la Tabla 2 se resumen las
principales características de los productos de hidratación del cemento y en la Figura 1 se
indican sus dimensiones aproximadas. El S-C-H está compuesto por microcristales, tan
pequeños que no permiten definir su morfología. Se dispone como fibras delgadas, formando
cadenas laminares. Presenta una estructura asimilable a la de las arcillas pero, al poseer una
pobre cristalización, ésta no es ordenada sino que es una estructura laminar desordenada lo
que define la aparición de poros de tamaños muy variables.
Tabla 1 – Estructura del hormigón como material compuesto
Nivel estructural
Micronivel
Mesonivel
Macronivel
Aspectos característicos
Estructura de la pasta de cemento
Tipo de modelo
Ciencia de los materiales
Ing. de los materiales
Poros, fisuras, inclusiones, interfaces
modelos mecánicos y numéricos
Geometría de elementos estructurales Ing. estructural y leyes del material
Tabla 2 – Productos de hidratación del cemento
Compuesto
Est. Crist.
S-C-H
Muy pobre
CH
Muy bueno
Ettringita
Bueno
Monosulfato
Pobre a Bueno
aluminato
SEM: Microscopía Electrónica;
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Morfología
Fibras delgadas (no
resuelta)
Prismas hexag.
No poroso
Agujas largas y
delgadas prism.
Placas delgadas
hexag. Rosetas.
Dimensión típica
1 x 0,1 ųm;
esp. < 0.01 ųm
Método
10 x 100 ųm
MO - SEM
10 x 0,5 ųm
MO - SEM
1 x 1 x 0,1 ųm
SEM
SEM
MO: Microscopía Óptica
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Figura 1 – Rango dimensional de sólidos y poros en una pasta de cemento hidratada
La pasta en sí también posee distintos tipos de poros (además de los propios del S-CH) en los que puede haber o no presencia de agua. En consecuencia la pasta de cemento
portland está compuesta por sólidos, líquidos y vacíos en las proporciones que se indican en
la Tabla 3.
Pero el comportamiento observado en el hormigón no puede ser definido
completamente a partir de los mecanismos microestructurales dado que existen factores
adicionales dentro del propio sistema estructural que interfieren. En el hormigón los factores
más importantes son la existencia de poros, fisuras e inclusiones. Estos aspectos del
material compuesto son considerados en el mesonivel. En este nivel se considera al
hormigón compuesto por una matriz porosa que rodea a un conjunto de inclusiones de
diferentes tamaños y rigidez. El comportamiento está íntimamente ligado a las características
de estas fases componentes y su interacción en las zonas de transición (interfaces). En este
nivel aparecen trabajos que analizan el sistema pasta de cemento-agregados y, en
consecuencia la interfaz pasta-agregado y otros que lo hacen en base al sistema morteroagregado grueso e interfaces mortero-agregado grueso.
El comportamiento macroscópico del hormigón se encuentra estrechamente asociado
a la presencia y propagación de fisuras. Estas se originan en las interfaces y luego se
introducen en la matriz hasta provocar un cuadro de fisuración múltiple que finalmente
conduce a la fractura del material.
En el mesonivel es posible estudiar los factores que modifican los parámetros
mecánicos del material (resistencia, tenacidad, rigidez, etc.) que serán luego aplicados para
el diseño estructural. El conocimiento adquirido en este nivel ha permitido también optimizar
las propiedades del material en lo que respecta a su capacidad resistente, durabilidad, etc.
En el macronivel se utiliza la información obtenida de los dos niveles previos para
describir el comportamiento del material de forma tal que pueda ser aplicado directamente en
el diseño estructural.
Tabla 3 – Composición aproximada de la pasta de cemento (% en volumen)
SÓLIDOS
S-C-H
CH
SACH
LIQUIDOS
Agua
Capilar
Adsorbida
De Cristalización
Capilares 0,01 a 10 ųm
POROS
del S-C-H
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2,5 a 10 nm: p. pequeños
0,5 a 2,5 nm: microporos
< 0,5 nm: esp. intercapas
40 a 60%
20 a 25%
10 a 15%
----------12% (en peso)
25% (en peso)
26%
= cte
30 a 40%
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Las zonas de transición
Los primeros estudios de importancia sobre las interfaces entre la pasta de cemento y
los agregados datan de los años ’50. A partir de entonces se intensifican los trabajos sobre el
tema que llegaron al descubrimiento de una zona de transición entre agregados y matriz. La
misma resulta del “efecto de pared” del agregado que conduce a la existencia de un
gradiente inicial en la razón agua / cemento y, en consecuencia, de la porosidad, y de la
diferencia de movilidad de los iones. Por ello esta zona es rica en compuestos resultantes de
la mayor movilidad de los iones (ettringita e hidróxido de calcio) y se caracteriza por
presentar cristales más grandes y mejor formados, y una porosidad que, para todas las
edades, es mayor que la del centro de la pasta o de la masa de la matriz.
Figura 2 – Fotografía de una zona de transición en el hormigón
Como resultado de lo expuesto, la zona de transición constituye el vínculo más débil
del compuesto, siendo el lugar por donde se inicia el desarrollo de fisuras y una vía
preferencial de difusión de sustancias agresivas. Cuando se emplean agregados porosos
cambian las características de las interfaces. A su vez cuando se incorporan aditivos o
adiciones ultrafinas se puede modificar el desarrollo de la zona de transición, en cuyo caso
ya no presenta las características adversas tan marcadas.
En las décadas del ’70 y del ’80 se han intensificado los estudios de las zonas de
transición a través del análisis de su microestructura, de los factores que modifican la
adherencia y el estudio del efecto de los fenómenos que se desarrollan a nivel de interfaces
sobre las propiedades del hormigón.
De lo antes expuesto surge que las interfaces o zonas de transición no están
constituidas por una línea de contacto entre matriz y agregados, sino que consisten en una
zona, un espacio, una capa, a través de la cual se desarrolla la interacción entre las fases.
Dicha zona está formada por una película de agregado y una película de matriz, ambas con
propiedades diferentes al resto del agregado y de la matriz. No es posible establecer un
espesor exacto para la zona de transición pero la misma oscila aproximadamente entre 10 y
50 µm. No obstante en algunos casos puede ser más extensa.
Naturaleza de la adherencia
Las fuerzas que unen los agregados a la matriz pueden ser solamente físicas,
debidas a la adhesión y al entrecruzamiento mecánico, o químicas debidas al desarrollo de
nuevos productos de reacción superficial. Sin embargo tal diferenciación no es frecuente en
la práctica dado que existe una superposición de ambos fenómenos.
En la Figura 3 se esquematiza la zona de transición entre matriz y agregados
conforme los mecanismos de interacción. En el caso de un agregado “inerte” (interacción
exclusivamente “física”) las interfaces están constituidas por una zona de matriz alterada. En
este caso la adherencia se encuentra sumamente afectada por la textura superficial de las
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inclusiones, dado que la misma define el mayor o menor peso del entrecruzamiento
mecánico. El desarrollo de este último fenómeno está condicionado al tipo de solicitación
aplicada, por ejemplo para una textura irregular el “camino de fisuras” bajo solicitaciones de
tracción se desarrolla a través de las interfaces y en menor grado internándose en la matriz
mientras que bajo solicitaciones cortantes es probable encontrar superficies de fractura que
incluyan interfaces, zonas de matriz y zonas de agregado (Fig. 4).
Zona de interacción
Interacción físico-química
Interacción física
Fig. 3. Esquema de la interacción entre matriz y agregados
a. Rotura por tracción
b. Rotura por corte
Fig. 4. Esquema de las superficies de fractura
Para algún tipo de agregado se ha verificado además la existencia de una interacción
“química” importante a través de la formación de nuevos productos de reacción a partir del
cemento y los mismos agregados. En experiencias con agregados de textura semejante y
diferente naturaleza se han medido diferencias de adherencia del 200%.
En general no es posible establecer una diferenciación categórica entre interacción
“física” o “química”, ya que al modificar la naturaleza (petrografía) del agregado varían
también sus características físicas; para una dada matriz la textura superficial y/o la
porosidad del agregado definen en gran medida la adherencia de interfaces.
Características de la microestructura interfacial
La principal característica de las interfaces es la presencia de una zona más porosa
que el interior de la matriz. El “efecto pared” provocado por los agregados limita el
crecimiento del
S-C-H. En el hormigón se suma además un posible incremento en la
cantidad de agua por fenómenos de exudación, o, simplemente, por adsorción sobre el
agregado.
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El gran espacio disponible brinda la posibilidad de crecimiento a los productos de
mayor cristalinidad (principalmente hidróxido de calcio) y de menor aporte resistente,
conduciendo a una mayor concentración de tal producto con formación de grandes cristales.
Los mismos se encuentran orientados en forma paralela constituyendo planos preferenciales
de clivaje (de debilidad por deslizamiento).
Para el estudio de la formación y orientación de productos en las interfaces se ha
definido una “aureola de transición” caracterizada principalmente por la cantidad y
disposición de los cristales de hidróxido de calcio. Se ha verificado que la extensión de la
misma se modifica con el tiempo, el espacio disponible (porosidad), la presencia de sulfatos,
etc.
La mayor porosidad sumada al tipo de productos existentes en las zonas de
interfaces conducen a que las mismas constituyan las zonas de mayor debilidad del material,
las más propensas para el inicio y desarrollo de los procesos de fisuración.
Métodos de estudio
Distintos métodos se han propuesto para la evaluación de la resistencia mecánica de
las interfaces; entre ellos pueden citarse ensayos de flexión, comprensión diametral, corte,
etc.
Fig. 5. Métodos propuestos para la evaluación de la resistencia mecánica de las interfaces
La Fig. 5 muestra algunas formas de evaluar la resistencia de las interfaces. Se obtienen
valores comparativos que no necesariamente coinciden con los esfuerzos desarrollados en el
interior del hormigón, pero que permiten analizar de qué forma se ve afectado el desarrollo
de adherencia de interfaces por diversas variables.
Muchos de los últimos trabajos sobre el tema se centran en la realización de
observaciones con microscopio electrónico y análisis por difracción de rayos X de los
componentes formados en las interfaces. Tales experiencias han contribuido notablemente
para el conocimiento de las morfologías de los productos de hidratación. La interpretación de
las modificaciones en las interfaces por la incorporación de adiciones minerales se ha visto
favorecida en gran medida por el empleo de estas técnicas.
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En general la adherencia ha sido medida sobre interfaces constituidas por pasta de
cemento y agregado. No obstante las interfaces del hormigón donde pueden existir mayores
problemas son las existentes entre agregado grueso y mortero. Por otra parte, el hecho de
trabajar con morteros permite emplear razones agua / cemento mayores, (más parecidas a
las del hormigón) y facilita el uso de aditivos, eliminando problemas de sedimentación.
En lo que sigue se analizarán los diversos factores que influyen sobre el desarrollo de
resistencia en las interfaces. En la mayoría de las experiencias aquí citadas se adopta como
forma de evaluación la realización de ensayos de flexión con carga centrada sobre probetas
constituidas por una mitad de roca y otra de matriz (Fig. 5.a).
Factores que modifican la adherencia matriz – agregado
Propios de los agregados
La rotura en las interfaces posee características frágiles. En dicho proceso aparece
una única fisura, en general sin ramificaciones. En el caso de agregados de superficies lisas
la fractura se produce sobre la superficie de los mismos quedando esta última con
características similares a las de la roca original. Cuando los agregados poseen texturas
superficiales más rugosas, las fisuras se pueden desarrollar a través de la matriz y en
algunos casos incluir granos del agregado. A medida que la resistencia crece existe mayor
probabilidad de que esto suceda.
La textura superficial de los agregados es uno de los factores de mayor relevancia
sobre la adherencia no sólo por el incremento en el área resistente sino porque genera el
desarrollo de entrecruzamiento mecánico. Las superficies fracturadas poseen en general
mayor adherencia que las cortadas aunque sus valores relativos varían ampliamente
conforme el tipo de roca empleada. En algunos casos se ha encontrado que las superficies
fracturadas presentaron valores menores de adherencia, hecho atribuido a la presencia de
microfisuras que provocaron el desprendimiento de granos de roca.
Las diferencias de adherencia originadas por el cambio de la textura superficial de un
mismo agregado pueden resultar mayores que las medidas entre distintos agregados. En
consecuencia, es muy difícil evaluar la influencia de la petrografía sobre la adherencia, ya
que ambos efectos se superponen.
A modo de ejemplo en la Tabla 4 se presentan algunos valores de adherencia
medidos sobre diversos tipos de rocas con tres tipos de texturas superficiales:
-
C: superficies cortadas (sierra con disco diamantado),
A: rugosas (con textura semejante a la de la piedra triturada utilizada en el
hormigón; la misma se obtuvo por arenado de una roca cortada)
F: fracturadas (resultantes de un ensayo de flexión de prismas de roca)
En la tabla se incluyen matrices con diferentes niveles resistentes, fluidez, materiales
componentes, etc. En todos los casos se observa que los valores de adherencia pueden
modificarse substancialmente cuando cambia la textura superficial de la roca.
Como ya fuera dicho, con algunos agregados se han verificado diferencias de
comportamiento que pueden ser atribuidas a la formación de nuevos productos a partir del
cemento y los mismos agregados.
La porosidad que presentan las rocas y / o agregados influye sobre su capacidad de
desarrollar adherencia. En algunas experiencias con agregados muy porosos se han
observado significativos incrementos de la resistencia de interfaces.
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Propios de la matriz
Si bien como idea general la adherencia está íntimamente ligada a la resistencia
propia de la matriz, como se verá, existen variables que modifican una u otra en grado
diferente. Las principales son la relación agua / cemento y la presencia de aditivos químicos
y adiciones minerales activas.
Tabla 4. Efecto de la textura superficial sobre la adherencia matriz – agregado
ROCA
F
CUARCITA 1
MÁRMOL
GRANITO 1
GRANITO 2
BASALTO 1
BASALTO 2
BASALTO 3
0.40
0.30
0.46
0.52
0.61
0.62
0.62
CUARCITA 2
CALCAREO
GRANITO 3
BASALTO 4
0.67
0.36
0.32
0.49
IMR / MMR
A
C
Matriz: pasta de cemento
-0.32
0.33
0.20
0.35
0.20
0.52
0.22
0.25
0.12
0.16
0.13
0.26
0.20
Matriz: mortero
0.77
0.61
0.52
0.42
0.56
-0.46
0.42
C/F
C/A
.80
0.67
0.43
0.43
0.20
0.21
0.32
-0.61
0.57
0.43
0.48
0.81
0.77
0.92
1.17
-0.86
0.79
0.81
-0.91
Para el estudio de las características de la matriz que modifican la adherencia se
adoptó una única textura superficial obtenida mediante arenado de una superficie cortada.
Se logra así una rugosidad semejante a la de las superficies fracturadas pero sin los granos
sueltos o las alteraciones de aquellas, las que normalmente se eliminan en los agregados en
su procesamiento, transporte o manipuleo.
Relación agua / cemento:
Como era de esperar la adherencia matriz – agregado decrece con la relación a / c.
En la Figura 6, se representa la variación de las resistencias de interfaces (IMR) y matriz
(pasta de cemento) (MMR) con la relación a / c. Es importante destacar que la resistencia de
la matriz es más sensible a los cambios de la razón a / c que la adherencia. En consecuencia
la relación IMR / MMR tiende a acrecentarse a medida que crece la porosidad del material.
Fig. 6. Variación de la resistencia de las interfases (IMR) y de la matriz (MMR) con la relación a/c
Tecnología del hormigón
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Adiciones minerales activas:
La incorporación de adiciones minerales activas produce importantes cambios en las
interfaces.
Generalmente cuando se incorporan adiciones minerales activas se producen
incrementos de adherencia debido a que en las zonas de interfaces existe originalmente
mayor porosidad y, en consecuencia, mayor espacio disponible para el crecimiento de los
productos de la reacción puzolánica. Sumado a ello, sobre la superficie de los agregados
existe mayor concentración de cristales de hidróxido de calcio que constituyen planos
preferenciales de clivaje, los que disminuyen la resistencia. En el caso de las mezclas con
adiciones activas, a medida que avanza la reacción se reduce la concentración de hidróxido
de calcio formando nuevos silicatos hidratados y reduciendo dichos planos de clivaje.
Asimismo, la presencia de partículas ultrafinas en las interfaces genera un crecimiento
desordenado del hidróxido de calcio, contribuyendo de esta forma a la disminución de los
planos orientados. Todo esto favorece el desarrollo de la adherencia.
Importantes mejoras en las interfaces también se producen cuando se emplean
adiciones de muy alta calidad como la microsílice.
Otros factores.
Existen diferencias de comportamiento entre matriz e interfaces en lo que se refiere a
la evolución de resistencia con la edad.
En la zona de interfaces se produce una mayor evolución en el transcurso del tiempo.
Esto se debe al mayor espacio disponible para el crecimiento de los productos de hidratación
del cemento pues, como ya fuera explicado, el volumen y tamaño de vacíos es mayor en las
interfaces que en la matriz. A modo de ejemplo en la Fig. 7 se representa el desarrollo de
resistencia con la edad en interfaces y pastas elaboradas con distintos cementos. La
ganancia de resistencia en las interfaces se produce durante un período de tiempo más
prolongado, y en un porcentaje también mayor que en las pastas. Un comportamiento similar
se verifica en morteros.
Otro factor importante en lo que se refiere a la calidad de las interfaces lo constituye
su orientación. Debido a los fenómenos de sedimentación y exudación la interfaz horizontal
inferior es en general más porosa que la lateral, la que a su vez es más débil que la
horizontal superior, con diferencias de magnitud variables según el tipo de matriz utilizada
(cohesión, fluidez, relación agua / finos, etc.).
Hasta el momento hemos discutido factores que modifican la adherencia de interfaces
consideradas éstas en forma aislada. Al analizar su comportamiento dentro del hormigón,
aparecen además otros factores. Por ejemplo la contracción por secado conduce a un
debilitamiento del conjunto con acumulación de microfisuras en las zonas de interfaces que
obviamente hacen disminuir la adherencia. Al mismo tiempo la aplicación de cargas externas
genera, a causa de la rigidez diferencial entre las fases componentes, concentraciones de
deformaciones dentro del material, principalmente en las interfaces. Se han medido
deformaciones localizadas de 2 a 3 veces mayores que las deformaciones medias del
material compuesto.
Por todo lo expuesto es fácil inferir que el comportamiento del hormigón, su
mecanismo de deformación y rotura, estará fuertemente afectado por la adherencia
desarrollada a nivel de interfaces. El estudio de este mecanismo y del efecto de la
modificación en las propiedades de las interfaces sobre el comportamiento del material
compuesto constituyen temas centrales del próximo punto.
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Fig. 7. Evolución de resistencia con la edad en interfaces y pastas elaboradas con distintos cementos
Adherencia y resistencia del hormigón
Ya fueron descriptos los principales factores que modifican la resistencia de las
interfaces matriz – agregado consideradas en forma aislada (textura superficial, resistencia
de la matriz, presencia de aditivos o adiciones). En lo que sigue se analizará su relación con
la resistencia del hormigón.
La primera evidencia de la influencia de las interfaces sobre el comportamiento del
material compuesto la constituye el hecho de que la resistencia del hormigón es menor que
la del mortero, pero mayor que la de las interfaces. La adherencia matriz – agregado afecta
principalmente la resistencia a tracción. El efecto resulta cada vez más significativo a medida
que se incrementa el tamaño de los agregados.
La adherencia entre matriz y agregados puede resultar fuertemente afectada por
otros factores internos o externos que actúan sobre el hormigón; entre ellos fenómenos de
exudación, reacciones expansivas, contracciones por secado o térmicas, etc. Entonces
aparecen en el hormigón micro o macrofisuras que reducen la adherencia y modifican las
propiedades del material compuesto.
Por ejemplo en piezas de altura el proceso de exudación produce un debilitamiento
generalizado de la matriz y de la adherencia matriz – agregado, pero específicamente en la
zona superior de la pieza, debajo de los agregados se acumula agua y conduce a la
formación de “fisuras” horizontales. Esto genera un comportamiento anisotrópico
caracterizado por una disminución de la resistencia en la dirección horizontal con respecto a
la vertical en una magnitud que depende de las características del hormigón. En columnas
de 2 m de altura se midieron diferencias de resistencia entre las direcciones vertical y
horizontal superiores al 20% para mezclas con una capacidad de exudación del 8%.
Por otro lado ante la rigidez de los agregados la contracción de la matriz (por secado
o temperatura) genera fisuras de interfaz que luego se propagan en forma aproximadamente
perpendicular hacia la matriz. En hormigones con una resistencia aproximada de 40 Mpa se
midieron pérdidas de resistencia mayores al 25% entre el hormigón saturado y el hormigón
sometido a un proceso de fisuración por secado (secado a 100 C, enfriado lentamente y
luego saturado).
Todos estos conceptos deberán ser tenidos en cuenta al momento de evaluar las
propiedades de los hormigones a utilizar, que se estudiarán en otras unidades de este curso
y de las cuales se presenta un resumen a continuación:
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RESISTENCIA
MECÁNICA
Compresión
Flexión
Tracción
Fatiga
Impacto
Módulo de elasticidad
Extensibilidad
Creep o fluencia lenta
DEFORMACIONES
Contracción
Por secado
Por Carbonatación
Autógena
Térmica
Desgaste superficial
Abrasión
Erosión
Cavitación
Cambios de volumen
Fisuración
DURABILIDAD
Cargas estructurales
Temperaturas
extremas
Gradiente de humedad
Cristalización de sales
Sobrecargas e Impacto
Cargas cíclicas
Congelación y deshielo
Fuego
++
Química
++
Cambios de Catión (Mg , NH4 )
Hidrólisis y lixiviación de la pasta (ácidos, aguas
puras)
Formación de compuestos expansivos (sulfatos,
reacción
álcali-agregado,
corrosión
de
armaduras, agua de mar, cal libre)
Nota:
Para la preparación del presente apunte de cátedra se han tomado como base las siguientes publicaciones:
“Ciencia y Tecnología del Hormigón” Laboratorio de Entrenamiento Multidisciplinario para la Investigación
Tecnológica (LEMIT), Año 2 Nº 3.
“Concrete. Strcuture, Properties and Materials”, P.K. Mehta, P.J.M. Monteiro, Prentice Hall Inc., 1993.
“CONCRETE. A MATERIAL FOR THE NEW STONE AGE. A MAST Module. Materials Science and Technology”,
Beth Chamberlain, Newell Chiesl, Jerald Day, Lesa Dowd, Betty Overocker, Denise Pape, Marcia Petrus, Mary
Swanson, John Toles, University of Illinois at Urbana-Champaign, Urbana, IL, 1995.
“Historia del cemento y el hormigón”, Instituto del Cemento Portland Argentino.
“HORMIGÓN: ESTRUCTURA, PROPIEDADES Y MATERIALES. Unidad 1: INTRODUCCIÓN A LA
TECNOLOGÍA DEL HORMIGÓN”. Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional del Centro de la Provincia
de Buenos Aires.
Santa Fe, marzo 2012.
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