Resistencia del Concreto al Fuego y Propiedades Térmicas.

La resistencia al fuego y las propiedades térmicas del concreto – conductividad, difusibilidad y coeficiente térmico de expansión – dependen hasta un cierto punto de los constituyentes minerales de los agregados empleados.

Los agregados ligeros manufacturados y algunos de los naturales son más resistentes al fuego que los agregados de peso normal debido a sus propiedades aislantes y su estabilidad en temperaturas elevadas. Los concretos que contienen agregado grueso calcáreo tienen un comportamiento mejor, bajo la exposición al fuego, que los concretos que contienen cuarzo o agregados silíceos, tales como los granitos y cuarcita. Aaproximadamente 590°C (1060°F), el cuarzo expande 0.85%, causando una expansión perjudicial (ACI 216 y ACI 221). El coeficiente térmico de expansión de los agregados varía de 0.55 x 10-6 por °C a 5 x 10-6 por °C (1 x 10-6 por °F a 9 x 10-6 por °F). Para más información sobre cambios de volumen inducidos por la temperatura, consulte

el Capítulo 15 y para conductividad térmica y consideraciones sobre el concreto masivo.

Resistencia del Concreto a Ácidos y Otras Sustancias Corrosivas.

El concreto de cemento portland es durable en la mayoría de los ambientes naturales, pero, sin embargo, el concreto se puede exponer ocasionalmente a sustancias que lo atacarán.

La mayoría de las soluciones ácidas se desintegran lenta o rápidamente en concreto de cemento portland, dependiendo del tipo y la concentración del ácido. Ciertos ácidos, tales como el ácido oxálico, son inofensivos. Las soluciones débiles de algunos ácidos tienen efectos insignificantes. Apesar de que normalmente los ácidos atacan y lixivian los compuestos de calcio de la pasta de cemento, pueden no atacar fácilmente ciertos agregados, como los agregados silíceos. Los agregados calcáreos frecuentemente reaccionan rápidamente con los ácidos. Sin embargo, el efecto de sacrificio del agregado calcáreo es normalmente benéfico comparándose con el agregado silíceo en un ambiente de exposición a ácidos suaves o en áreas donde no haya agua fluyendo.

Con los agregados calcáreos, el ácido ataca uniformemente toda la superficie expuesta del concreto, reduciendo la tasa de ataque de la pasta y previniendo la pérdida de las partículas de agregados en la superficie. Los agregados calcáreos también tienden a neutralizar al ácido, especialmente en sitios estancados. 

Los ácidos también pueden decolorar el concreto. Se deben evitar los agregados silíceos cuando soluciones fuertes de hidróxido de sodio estén presentes, pues estas soluciones atacan este tipo de agregado.

La lluvia ácida (frecuentemente con pH de 4 a 4.5) puede marcar levemente la superficie del concreto, normalmente sin afectar el desempeño de las estructuras de concreto expuestas. La lluvia extremamente ácida o condiciones con agua muy ácida pueden justificar diseños o precauciones especiales para el concreto, especialmente en áreas sumergidas. El abastecimiento continuo de ácido con pH de menos de 4, como ocurre en tuberías, se considera altamente agresivo y suficiente para quemar el concreto (Scanlon 1987). El concreto continuadamente expuesto a líquidos con pH menor que 3 se debe proteger de manera similar al concreto expuesto a soluciones ácidas diluidas

(ACI 515.1R).

Las aguas naturales normalmente tienen un pH mayor que 7 y raramente menor que 6.

Las aguas con pH mayor que 6.5 pueden ser agresivas si contienen bicarbonatos. Las soluciones de ácido carbónico con concentraciones entre 0.9 y 3 partes por millón se consideran destructivas al concreto (ACI 515.1R y Kerkhoff 2001).

Una relación agua-cemento baja, baja permeabilidad y un contenido de cemento de bajo a moderado pueden aumentar la resistencia a ácidos o la resistencia a corrosión del concreto. Una baja permeabilidad que resulte de una baja relación agua-cemento o el uso de humo de sílice u otras puzolanas, ayudan a evitar la penetración del agente corrosivo en el concreto. El contenido de cemento de bajo a moderado resulta en menos pasta susceptible al ataque. El uso de agregados calcáreos de sacrificio se debe considerar donde sea necesario.

Ciertos ácidos, gases, sales y otras sustancias que no se mencionaron aquí también pueden desintegrar el concreto.

Se debe evitar el contacto del concreto con ácidos y otros productos químicos que atacan severamente el concreto a través de recubrimientos protectivos (Kerkhoff 2001).

Resistencia y Contracción del Agregado.

La resistencia del agregado raramente se ensaya y, generalmente, no influye en la resistencia del concreto convencional tanto cuanto la resistencia de la pasta y de la adherencia pasta-agregado. Sin embargo, la resistencia del agregado se vuelve importante en el concreto de alta resistencia. Los niveles de esfuerzos (tensiones) en el agregado son, frecuentemente, mucho mayores que la tensión promedia en toda la sección del concreto. Las resistencias a tensión (tracción) de los agregados varían de 20 a 150 kg/cm2 o de 2 a 15 MPa (300 a 2300 lb/pulg2) y la resistencia a compresión varía de 660 a 2750 kg/cm2 o de 65 a 270 MPa (10,000 a 40,000 lb/pulg2). La resistencia se puede medir de acuerdo con la ASTM C 170.

Los diferentes tipos de agregados tienen compresibilidad, módulo de elasticidad, propiedades de contracción relacionada con humedad diferentes que pueden afectar las mismas propiedades del concreto. Los agregados con absorción elevada pueden tener alta contracción por secado. Los agregados de cuarzo y feldespato, además de calizas, dolomitas y granitos, se consideran como agregados de baja retracción, mientras que los agregados con arenisca, pizarra, hornblenda y grauvaca frecuentemente están asociados con una alta contracción del concreto (Fig. 5-17).

Fig. 5-17. Concretos conteniendo arenisca o pizarra
presentan alta contracción. Granito, calizas y cuarzo son
agregados que producen concretos con baja contracción.

Abrasión y Resistencia al Derrapamiento de Agregado.

La resistencia a la abrasión (desgaste) de un agregado frecuentemente se usa como un índice general de su calidad. La resistencia a la abrasión es esencial cuando el agregado se usará en un concreto sujeto al desgaste, como en los pisos para servicio pesado o pavimentos. La baja resistencia al desgaste de un agregado puede aumentar la cantidad de finos en el concreto durante el mezclado y, consecuentemente, puede haber un aumento en la demanda de agua, requiriéndose ajustes de la relación agua-cemento.

El ensayo más común de resistencia a la abrasión es el ensayo de abrasión Los Angeles (método del tambor giratorio) realizado de acuerdo con la ASTM C 131 (AASHTO T 96), COVENIN 0266-77, IRAM 1532, NCh1369.Of1978, NMX-C-196, NTP400.019, UNIT-NM 51 o ASTM C 535, COVENIN 0267-78, IRAM 1532, NCh1369, NMX-C-196, NTP400.020, UNIT-NM 51. En este ensayo, una cantidad especificada de agregado se coloca en un tambor de acero que contiene pelotas de acero, se gira el tambor y se mide el porcentaje de material desgastado. Las especificaciones normalmente establecen un límite máximo de pérdida de masa. Sin embargo, una comparación de los resultados de los ensayos de abrasión con la resistencia a abrasión de un concreto producido con el mismo agregado, generalmente no muestra una clara relación. La pérdida de masa resultante del impacto en el tambor, frecuentemente, es comparable con aquélla por abrasión. La resistencia al desgaste del concreto se determina más precisamente por la abrasión del propio concreto (véase el Capítulo 1).

Para fornecer una buena resistencia al derramamiento (resbalón) en los pavimentos, el contenido de partículas silíceas del agregado fino debe ser, por lo menos, 25%. Para propósitos de especificación, el contenido de partículas silíceas se considera igual al residuo insoluble, después del tratamiento en ácido clorhídrico bajo condiciones normalizadas (ASTM D 3042). Algunas arenas manufacturadas producen superficies deslizadizas de pavimentos y se las debe investigar para aceptación antes de su uso.

Durabilidad del Agregado: Propiedades de Humedecimiento .

El intemperismo debido al humedecimiento y secado puede afectar la durabilidad del agregado. Los coeficientes de expansión y contracción de las rocas varían con la temperatura y el contenido de humedad. En algunos agregados, pueden ocurrir deformaciones elevadas si ocurren humedecimientos y secados alternos y, en el caso de algunos tipos de rocas, esto puede causar un aumento permanente de volumen y su eventual ruptura. Los terrones de arcilla y otras partículas friables se pueden degradar rápidamente con el humedecimiento y secado repetidos. También se pueden desarrollar erupciones, resultantes de las características de hinchazón por la humedad, de algunos agregados, principalmente en arcillas y esquistos. A pesar de que no existen ensayos específicos para determinar esta tendencia, un petrógrafo experimentado puede frecuentemente ayudar a determinar el potencial de falla.

Resistencia a Congelación y Deshielo del Agregado.

La resistencia a la congelación de un agregado, que es una característica importante para el concreto que se aplique exteriormente, se relaciona con su porosidad, absorción, permeabilidad y estructura de los poros. Una partícula de agregado puede absorber tanta agua (hasta la saturación crítica) que no puede soportar la expansión y la presiónhidráulica que ocurren durante al congelamiento del agua.

Si hay una cantidad suficiente de partículas afectadas, puede haber una expansión del agregado y una posible desintegración del concreto. Si una única partícula problemática está cerca de la superficie del concreto, puede ocurrir una erupción. Las erupciones generalmente aparecen con fragmentos cónicos que se desprenden de la superficie del concreto. En este caso, la partícula de agregado afectada se encuentra en el fondo del hueco. Normalmente son las partículas del agregado grueso, más que del fino, que presentan valores más elevados de porosidad y poros con tamaños medianos (0.1 a 5 µm), las que más fácilmente se saturan y causan la deterioración del concreto y el aparecimiento de erupciones. Los poros más grandes normalmente no se saturan o causan fallas en el concreto y el agua en los poros más finos tal vez no se congele fácilmente. En cualquier velocidad de congelamiento, puede haber un tamaño de partícula crítico que al superar la partícula fallará cuando estuviera críticamente saturada.

El tamaño crítico depende de la velocidad de congelación y de la porosidad, permeabilidad y resistencia a la tensión (tracción) de la partícula. En los agregados de granos finos con baja permeabilidad (por ejemplo, chert), el tamaño crítico de las partículas puede estar dentro del rango de tamaños normales del agregado. El tamaño crítico es mayor para los agregados con granos más gruesos o para aquéllos con un sistema de capilaridad interrumpido por muchos macroporos (vacíos tan grandes que no mantienen la humedad por acción capilar). Para estos agregados, el tamaño crítico de partícula puede ser suficientemente grande para que no tenga ninguna consecuencia, aunque la absorción sea elevada. Si se utilizan agregados potencialmente vulnerables en el concreto que se mantenga permanentemente seco, estos agregados pueden nunca volverse suficientemente saturados para que causen daños al concreto.

El agrietamiento (fisuración) de los pavimentos, causado por el deterioro por congelación-deshielo del agregado en el concreto, se llama de agrietamiento en D. Este tipo de fisuras se ha observado en algunos pavimentos después de tres o más años de servicio. El concreto con fisuras en D se parece al concreto dañado por el congelamiento que causa la deterioración de la pasta. Las grietas en D son fisuras poco espaciadas y paralelas a las juntas transversal y longitudinal que posteriormente se multiplican desde las juntas hacia el centro del panel del pavimento (Fig. 5-15). El agrietamiento en D es función de las propiedades de los poros de ciertos tipos de agregados y del ambiente de exposición del pavimento. Debido a la acumulación natural de agua bajo los pavimentos en las capas de subbase y base, los agregados eventualmente se pueden volver saturados. Entonces, con los ciclos de congelación y deshielo, el agrietamiento del concreto empieza en los agregados saturados (Fig. 5-16), en el fondo de la losa y se propaga hacia arriba hasta que alcance la superficie. Este problema se puede reducir o con la elección de los agregados con mejor desempeño en los ciclos de congelación-deshielo o, cuando se deben utilizar agregados susceptibles a daños por congelamiento, con la reducción del tamaño máximo de las partículas. Además, la instalación de bases permeables o de un sistema de drenaje meficiente que retire el agua de abajo del pavimento, puede ser útil (Harrigan 2002).

El comportamiento de los agregados expuestos a congelamiento y deshielo se puede evaluar de dos maneras: (1 desempeño anterior en campo y (2) ensayos de laboratorio en probetas de concreto. Si los agregados de una misma fuente presentaron un comportamiento en servicio satisfactorio cuando usados en el concreto, se los podría considerar adecuados. Los agregados que no tengan un registro de servicio se pueden considerar aceptables si tuvieran un comportamiento satisfactorio en el ensayo de congelación deshielo ASTM C 666 (AASHTO T 161), COVENIN 1601 NCh2185, NMX-C-205. En este ensayo, probetas de concreto producidas con el agregado en cuestión se someten a ciclos alternados de congelación y deshielo en agua. El deterioro se mide por: (1) la reducción en el módulo de elasticidad dinámico, (2) expansión lineal y (3) pérdida de masa de espécimen. Muchos departamentos de autopistas de los

Estados Unidos usan el criterio de la falla cuando se atinge una expansión de 0.035% en 350 ciclos o menos para ayudar a indicar si un agregado es susceptible al agrietamiento en D. Los diferentes tipos de agregados pueden cambiar los niveles del criterio y las correlaciones empíricas de los ensayos de laboratorio de congelación-deshielo. Se deben hacer registros de servicio de campo para elegirse el criterio adecuado (Vogler y Grove 1989).

Fig. 5-15. Agrietamiento tipo D a lo largo de la junta trans-
versal, causado por la falla del agregado grueso de carbo-
nato (Stark 1976).

Fig. 5-16. Partícula fracturada de agregado de carbonato
como una fuente de falla en el agrietamiento tipo D
(aumento de 2.5X) (Stark 1976).

Las especificaciones pueden requerir que la resistencia al intemperismo se demuestre a través de ensayos con sulfato de sodio y sulfato de magnesio (ASTM C 88 o AASHTO T 104, COVENIN 0271, IRAM 1525, NCh1328, NMX-C-075-1997- ONNCCE, NTC 126, NTP400.016). El ensayo consiste en un número ciclos de inmersiones del agregado en una solución de sulfato, pues la presión interna que se cría con el crecimiento de los cristales de sal en los poros de los agregados se asemeja con aquélla producida por el congelamiento del agua. Entonces, se seca la muestra en el horno y se calcula el porcentaje de pérdida de masa.

Infelizmente, este ensayo, algunas veces, es engañoso. Los agregados que se comportan de manera satisfactoria en este ensayo pueden producir concretos con baja resistencia a

congelación-deshielo y, por el contrario, agregados con un desempeño pobre pueden producir concretos con la resistencia adecuada. Esto se atribuye, al menos en parte, a que los agregados en el ensayo no están confinados por la pasta de cemento (como estarían en el concreto) y los mecanismos de ataque no son los mismos de la congelación-deshielo. El ensayo es más confiable para rocas estratificadas con capas porosas o planos de estratificación.

Un ensayo adicional, que se puede utilizar en la evaluación del agregado cuanto al aparecimiento potencial de fisuras en D, es el método de liberación rápida de presión. El agregado se coloca en una cámara presurizada y, entonces, se libera la presión rápidamente causando la fractura del sistema de poros dudoso (Jansen y Zinder 1994). El grado de fisuración indica el potencial de agrietamiento en D.

Densidad Relativa (Densidad Absoluta, Gravedad Específica) del Agregado.

La densidad relativa (densidad absoluta, gravedad específica) de un agregado es la relación entre su masa y la masa de agua con el mismo volumen absoluto. Se la usa en algunos cálculos de proporcionamiento y del control de la mezcla, tales como el volumen ocupado por el agregado en el método del volumen absoluto de diseño de mezcla.

Normalmente no se la usa como una medida de la calidad del agregado, aunque algunos agregados porosos que exhiben deterioro acelerado por congelación-deshielo presentan baja gravedad específica. La mayoría de los agregados naturales tiene densidades relativas que varían de 2.4 a 2.9, con densidad correspondiente de las partículas de 2400 a 2900 kg/m3 (150 y 181 lb/pie3).

Los métodos de ensayo para la determinación de la densidad relativa de los agregados fino y grueso se describen en las normas ASTM C 127 (AASHTO T 85), COVENIN 0269, IRAM 1533, NCh1117, NMX-C-164, NTC 176, NTP400.021, UNIT-NM 30, UNIT-NM 53 y ASTM C 128 (AASHTO T 84), COVENIN 0268, IRAM 1520, NCh1239, NMX-C-165, NTC 237, NTP400.022, UNIT-NM 64, UNIT-NM 52, respectivamente. La densidad relativa de un agregado se puede determinar en la condición seca al horno o saturada con superficie seca. Ambas densidades se pueden utilizar en los cálculos del proporcionamiento del concreto. Los agregados secos al horno no contienen ninguna agua absorbida ni tampoco agua libre. Se las seca en un horno hasta la constancia de masa. Los agregados saturados con superficie seca son aquéllos cuyos poros de cada partícula de agregado están llenos de agua, pero no hay exceso de agua en la superficie de las partículas.

Densidad Aparente del Concreto.

La densidad aparente del cemento se define como el peso de las partículas de cemento más el aire entre las partículas por unidad devolumen. La densidad aparente del cemento puede variar considerablemente, dependiendo de como se manosea y almacena el cemento. Si el cemento portland está muy suelto, puede pesar sólo  830 kg/m3 (52 4 lb/pies3), mientras que cuando se consolida el cemento a través de vibración, el mismo cemento puede pesar tanto como 1650 kg/m3 (103 4 lb/pies3) (Toler 1963). Por esta razón, las buenas prácticas indican que se debe medir el cemento en masa y no en volumen (Fig. 2-48).

Tabla 2-20. Normas para la Determinación del Peso Específico y de la Densidad

Fig. 2-48. Los dos recipientes contienen 500 gramos de
polvo de cemento seco. Ala izquierda, el cemento ha sido
solamente colocado en el recipiente. Ala derecha, el
cemento ha sido ligeramente vibrado  – imitando la
consolidación durante el transporte o la compactación
mientras que se lo almacena en los silos. La diferencia del
20% del volumen aparente enseña la necesidad de medirse
el cemento por su peso y no por su volumen, cuando de la
mezcla del concreto.

Peso Específico (Densidad) y Densidad Relativa (Densidad Absoluta, Gravedad Específica) del Concreto.

El peso específico del cemento (densidad, peso volumétrico, peso unitario, masa unitaria) se define como el peso de cemento por unidad de volumen de los sólidos o partículas, excluyéndose el aire entre las partículas. La masa específica se presenta en megagramos por metro cúbico o gramos por centímetro cúbico (el valor numérico es el mismo en las dos unidades). El peso específico del cemento varía de 3.10 hasta 3.25, con promedio de 3.15 Mg/m3. El cemento portland de alto horno y el portland puzolánico tienen pesos específicos que varían de 2.90 hasta 3.15, con promedio de 3.05 Mg/m3. El peso específico del cemento (Tabla 2-20) no es una indicación de la calidad  del cemento, su principal uso es en los cálculos de las proporciones de la mezcla.

Fig. 2-47. La densidad del cemento (peso específico) se
puede determinar por (izquierda) el uso del frasco vo-
lumétrico de Le Chatelier y queroseno (kerosene) o por
(derecha) el uso de un picnómetro de helio 

Para el proporcionamiento de la mezcla, puede ser más útil expresar la densidad como densidad relativa, también llamada de gravedad específica o densidad absoluta. La densidad relativa es un número adimensional determinado por la división de la densidad del cemento por la densidad del agua a 4°C, la cual es 1.0 Mg/m3 (1.0 g/cm3, 1000 kg/m3 o 62.4 lb/pies3).

Se supone la densidad relativa del cemento portland como siendo 3.15 para su uso en los cálculos volumétricos del proporcionamiento de la mezcla de concreto. Como las proporciones de la mezcla traen las cantidades de los ingredientes del concreto en kilogramos o libras, se debe multiplicar la densidad relativa por la densidad del agua a 4°C, establecida como 1000 kg/m3 (62.4 lb/pies3), para la determinación de la densidad o el peso específico de las partículas de cemento en kg/m3 o lb/pies3.

Pérdida por Calcinación (Pérdida por Ignición, Pérdida al Fuego).

La pérdida por calcinación (pérdida por ignición) del cemento portland se determina por el calentamiento de una muestra de cemento con masa conocida a una temperatura de 900°C a 1000°C, hasta que se obtenga la constancia de masa. Se determina entonces la pérdida de masa de la muestra. Normalmente, una gran pérdida por ignición es una indicación de prehidratación y carbonatación, las cuales pueden ser resultantes del almacenamiento prolongado o de manera incorrecta, o de la adulteración durante el transporte. El ensayo de pérdida por calcinación se realiza de acuerdo con las normas de ASTM C 114 (AASHTO T 105), COVENIN 0109, IRAM 1504, NCh147, NGO 41003 h18, NMX-C-151-ONNCCE, NTC 184, NTE 0160, NTP334.086 y UNIT-NM 18 (Figura 2-46).

 Fig. 2-46. Ensayo de pérdida por ignición del cemento.

Calor de Hidratación del Concreto.

El calor de hidratación es el calor que se genera por la reacción entre el cemento y el agua. La cantidad de calor generado depende, primariamente, de la composición química del cemento, siendo el C3Ay el C3S los compuestos más importantes para la evolución de calor. Relación agua-cemento, finura del cemento y temperatura de curado también son factores que intervienen. Un aumento de la finura, del contenido de cemento y de la temperatura de curado aumentan el calor de hidratación. Apesar del cemento portland poder liberar calor por muchos años, la tasa de generación de calor es mayor en las edades tempranas. Se genera una gran cantidad de calor en los tres primeros días, con la mayor tasa de liberación de calor normalmente ocurriendo a lo largo de las primeras 24 horas (Copeland y otros 1960). El calor de hidratación se ensaya según las normas ASTM C 186, COVENIN 0495, IRAM 1617, IRAM 1852, NMX-C-151-ONNCCE, NTC 117, NTE 0199, NTP334.064, UNIT 326 o por calorímetro de conducción (Fig. 2-44).

Fig. 2-44. El calor de hidratación se puede determinar por (izquierda) ASTM C 186 y por (derecha) calorímetro de conducción.

Tabla 2-19. Calor de Hidratación de Cementos Portland de los EE.UU. Seleccionados de la Década de 90,según la Norma ASTM C 186, en kJ/kg*

 

Para la mayoría de los elementos de concreto, tales como losas, el calor generado no trae preocupación porque el calor se disipa rápidamente en el ambiente. Sin embargo, en estructuras de grandes volúmenes, con espesor mayor que un metro (yarda), la tasa y la cantidad de calor generado son importantes. Si este calor no se disipa rápidamente, puede ocurrir un aumento considerable de la temperatura del concreto. Este aumento de temperatura puede ser indeseable, pues después del endurecimiento a altas temperaturas, el enfriamiento no uniforme de la masa de concreto hasta la temperatura ambiente puede crear tensiones de tracción (esfuerzos de tensión) indeseables.

Por otro lado, el aumento de la temperatura en el concreto causado por el calor de hidratación es frecuentemente beneficioso en clima frío, pues ayuda a mantener las temperaturas favorables para el curado.

La Tabla 2.19 presenta valores de calor de hidratación para varios tipos de cemento portland. Estos datos limitados muestran que el cemento tipo III (ASTM C 150) tiene calor de hidratación más alto que los otros tipos de cemento, mientras que el tipo IV (ASTM C 150) tiene el calor más bajo. También se debe observar la diferencia en la generación de calor entre el tipo II (ASTM C 150) normal y el moderado calor de hidratación tipo II (ASTM C 150).

Los cementos no generan calor a una tasa constante. La producción de calor durante la hidratación de un cemento portland tipo I (ASTM C 150) se presenta en la Figura 2-45.

El primer pico presentado en el perfil de calor se debe a la liberación de calor por las reacciones iniciales de los compuestos del cemento, tales como aluminato tricálcico.

Algunas veces llamado de calor de mojado, este primer pico de calor se sigue por un periodo de baja reactividad conocido como periodo de incubación o inducción.

Después de algunas horas, aparece un segundo pico atribuido a la hidratación del silicato tricálcico, señalizando el comienzo del proceso de endurecimiento de la pasta.

Finalmente, hay un tercer pico debido a la reacción renovada del aluminato tricálcico; su intensidad y localización dependen normalmente de la cantidad de aluminato tricálcico y de sulfato en el cemento. En el ensayo de calorimetría, las primeras medidas de calor se obtienen aproximadamente 7 minutos después de la mezcla de la pasta; como resultado, sólo se puede observar la inclinación descendente del primer pico

(Etapa 1, Fig. 2-45). El segundo pico (pico de C3S) normalmente ocurre entre 6 y 12 horas. El tercer pico (pico de C3Arenovado en la conversión de AFt para AFM) ocurre entre 12 y 90 horas. Esta información puede ser útil en el control del aumento de temperatura en el concreto masivo (Tang 1992).

Cuando es necesario minimizar la generación de calor en el concreto, los diseñadores deben escoger un cemento con más bajo calor, tales como el cemento portland tipo II (ASTM C 150, AASHTO M 85), con la opción de los requisitos de moderado calor de hidratación. Como ni todos los cementos tipo II se fabrican para el desarrollo de un nivel moderado de calor, la opción de moderado calor de hidratación se debe solicitar especialmente. El cemento de bajo calor de hidratación se puede utilizar para el control de la subida de la temperatura, pero raramente está disponible.

Fig. 2-45. Evolución del calor como función del tiempo para
pasta de cemento. La etapa 1 es el calor de humedecimiento
o de la hidrólisis inicial (hidratación del C3Ay del C3S). La
etapa 2 es el período de incubación relacionado al tiempo
de fraguado inicial. La etapa 3 es una reacción acelerada de
los productos de hidratación que determina la tasa de
endurecimiento y el tiempo de fraguado final. En la etapa 4
hay una desaceleración de la formación de los productos de
hidratación y determina la tasa de aumento de resistencia
inicial. La etapa 5 es lenta, caracterizada por la formación
estable de productos de hidratación, estabilizando la tasa
de aumento de resistencia a edades avanzadas.

Los cementos de moderado calor y bajo calor también están disponibles en las especificaciones de la ASTM C 595 (AASHTO M 240) y C 1157. El empleo de los materiales cementantes suplementarios es también una opción para reducir la subida de temperatura.

La ASTM C 150 (AASHTO M 85), la COVENIN 28, la NCR40, NTP334.009, NTP334.090 tienen tanto un enfoque químico como físico para el control del calor de hidratación. Se puede especificar cualquiera de los enfoques, pero no ambos. La ASTM C 595 (AASHTO M 240) y C 1157, IRAM 50001, NMX–C–414–ONNCCE y NTP 334.082 usan límites físicos. Para más informaciones,consulte PCA(1997).

Resistencia a Compresión del Concreto.

La resistencia a compresión es aquélla obtenida por la prueba, por ejemplo, de cubos o cilindros de mortero de acuerdo con las normas nacionales de la Tabla 2.18. La Figura 2-41 enseña el ensayo según la norma ASTM C 109. Se debe preparar y curar los especimenes de acuerdo con la prescripción de la norma y con el uso de arena estándar.

El tipo de cemento, o más precisamente, la composición de los compuestos y la finura del cemento influyen fuertemente la resistencia a compresión. Algunas normas como, por ejemplo, la ASTM C 1157, la IRAM 50000, la MNX-C-414-ONNCCE y la NTP334.082, traen los requisitos de ambas resistencias, la mínima y la máxima, mientras que la ASTM C 150 y la ASTM C 595 (AASHTO M 85 y M 240), bien como la mayoría de las normas de los países Latinoamericanos, presentan solamente los requisitos de resistencia mínima. Los requisitos de resistencia mínima de las especificaciones de cemento se cumplen por la mayoría de los fabricantes de cemento. 

Fig. 2-41. Se hacen cubos de 50 mm (2 pulg.) (izquierda) y se
los prensan para la determinación de las características de
resistencia del cemento. 

Tabla 2.18. Normas para la Determinación de la Resistencia del Cemento

Fig. 2-42. Desarrollo relativo de la resistencia de cubos de
morteros de cemento como un porcentaje de la resistencia
a los 28 días. Los promedios fueron adaptados de Gebhardt
1995.

Fig. 2-43. Desarrollo de resistencia de cubos de mortero de cemento portland de varias estadísticas combinadas. La línea rayada representa los valores promedios y el área rayada, la gama de valores (adaptado de Gebhardt 1995).

Pero, no se debe asumir que dos tipos de cemento que tengan los mismos requisitos de resistencia van a producir morteros o concretos con la misma resistencia, sin que se hagan modificaciones de las proporciones de la mezcla.

En general, la resistencia del cemento (basada en ensayos en cubos de mortero) no se la puede usar para el pronóstico de la resistencia del concreto con un alto grado de precisión, debido a las muchas variables en las características de los agregados, mezclado del concreto, procedimientos de construcción y condiciones del medioambiente en la obra (Weaver, Isabelle y Williamson 1970 y Dehayes 1990). Las Figuras 2-42 y 2-43 ilustran el desarrollo de la resistencia en morteros estándares, preparados con varios tipos de cemento portland. Word (1992) presenta las resistencias a largo plazo de morteros y concretos preparados con cemento portland y cemento adicionado. La uniformidad de la resistencia del cemento de una única fuente se puede determinar de acuerdo con los procedimientos, por ejemplo, de la ASTM C 917.

Agarrotamiento Prematuro (Falso Fraguado y Fraguado Rápido) .

El agarrotamiento prematuro (endurecimiento rápido) es el desarrollo temprano de la rigidez en las características de trabajabilidad o plasticidad de la pasta, mortero concreto de cemento. Esto incluye ambos fraguados, el falso y el rápido.

El falso fraguado se evidencia por la pérdida considerable de plasticidad, inmediatamente después del mezclado, sin ninguna evolución de calor. Desde el punto de vista de la colocación y manoseo, las tendencias de fraguado falso en el cemento no van a causar problemas, si se mezcla el concreto por un tiempo más largo que el usual o si el concreto es remezclado sin añadirle agua adicional antes de su transporte y colocación. El falso fraguado ocurre cuando una gran cantidad de sulfatos se deshidrata en el molino de cemento formando yeso. La causa del endurecimiento prematuro es la rápida cristalización o el entrelazamiento de las estructuras en forma de aguja con el yeso secundario. El mezclado complementario sin la adición del agua rompe estos cristales y restablece la trabajabilidad. La precipitación de etringita también puede contribuir para el falso fraguado.

El fraguado rápido se evidencia por una pérdida rápida de trabajabilidad en la pasta, mortero o concreto a una edad aún temprana. Esto es normalmente acompañado de una evolución considerable de calor, resultante principalmente de la rápida reacción de los aluminatos. Si la cantidad o forma adecuadas de sulfato de calcio no están disponibles para controlar la hidratación del aluminato de calcio, el endurecimiento es aparente. El fraguado rápido no se lo puede disipar, ni tampoco se puede recuperar la plasticidad por el mezclado complementario sin la adición de agua.

El endurecimiento correcto resulta de un equilibrio cuidadoso de los compuestos de sulfato y aluminato, bien como de temperatura y finura adecuadas de los materiales (las cuales controlan la hidratación y la tasa de disolución).

La cantidad de sulfato transformado en yeso tiene un efecto significante. Por ejemplo, con un cemento específico, 2% de yeso permitieron un tiempo de fraguado de 5 horas, mientras que 1% de yeso promovió el fraguado rápido y 3% permitieron el falso fraguado (Helmuth y otros 1995).

Los cementos se ensayan para agarrotamiento prematuro usando las pruebas del método de la pasta: ASTM C 451 (AASHTO T 186), COVENIN 0365, IRAM 1615, NMX-C 132-1997-ONNCCE, NGO 41014 h4, NTC 297, NTE 0875, NTP334.052; o las pruebas del método del mortero: ASTM C 359 (AASHTO T 185), NTC 225, NTE0201, NTP334.053. Sin embargo, estos ensayos no consideran todos los factores relacionados con el mezclado, colocación, temperatura y condiciones de obra que puedan causar endurecimiento temprano. Ellos tampoco consideran el agarrotamiento prematuro causado por las interacciones con los otros ingredientes del concreto. Por ejemplo, concretos mezclados por periodos muy cortos, menos de un minuto, tienden a ser más susceptibles al endurecimiento rápido (ACI 225).

Tiempo de Fraguado del Cemento.

El objetivo del ensayo del tiempo de fraguado es la determinación (1) del tiempo que pasa desde el momento de la adición del agua hasta cuando la pasta deja de tener fluidez y de ser plástica (llamado fraguado inicial) y (2) del tiempo requerido para que la pasta adquiera un cierto grado de endurecimiento (llamado fraguado final).

Para determinar si un cemento se fragua de acuerdo con los límites especificados en las especificaciones de cemento, los ensayos se realizan con el uso del aparato de Vicat (Tabla 2.16) (Fig. 2-38) o la aguja de Gillmore (Tabla 2.17) (Fig. 2-39).

 Fig. 2-38. El ensayo del tiempo
de fraguado en pasta usando la
aguja de Vicat. (23890)

 Fig. 2-39. El tiempo de fraguado determinado por la
aguja de Gillmore. (23892)

El ensayo de Vicat gobierna si no se especifica ningún ensayo por parte del comprador.

El inicio del fraguado de la pasta de cemento no debe ocurrir demasiado temprano y el final del fraguado no debe ocurrir muy tarde. Los tiempos de fraguado indican si la pasta está o no sufriendo reacciones normales de hidratación. El sulfato (del yeso u otras fuentes) en el cemento regula el tiempo del fraguado, pero este tiempo también se afecta por la finura, relación agua-cemento y cualquier aditivo empleado. El tiempo de fraguado del concreto no tiene correlación directa con el de las pastas debido a la pérdida de agua para el aire o substrato (lecho), presencia de agregado y diferencias de temperatura en la obra (en contraste con las temperaturas controladas en el laboratorio).

La Figura 2-40 ilustra los promedios de los tiempos de fraguado para cementos portland.

Tabla 2-16. Ensayos del Tiempo de Fraguado Usando la Aguja de Vicat

 Tabla 2-17. Ensayos del Tiempo de Fraguado Usando la Aguja de Gillmore

  *Promedio de dos valores para el fraguado inicial y un
   valor para el fraguado final
**Promedio de dos valores para el fraguado final

Fig. 2-40. Tiempo de fraguado para cementos portland
(Gebhardt 1995 y PCA1996).

Consistencia del Cemento.

La consistencia se refiere a la movilidad relativa de la mezcla fresca de pasta o mortero de cemento o su habilidad de fluir.

Durante los ensayos de cemento, se mezclan pastas de consistencia normal, definidas como la penetración de 10 ±1 mm de la aguja de Vicat (ASTM C 187, AASHTO T 129, COVENIN 494, IRAM 1612, Nch151, NMX–C–057–1997– ONNCCE, NTC 110, NTE 0157, NTP334.074, UNIT-NM 43) (Fig. 2- 36). Se mezclan los morteros para obtenerse una relación agua-cemento fija o proporcionar una fluidez dentro de un rango prescrito.

La fluidez de los morteros se determina en una mesa de fluidez (mesa de caídas, mesa de sacudidas) como descrito en las normas ASTM C 230, ASTM C 1437, AASHTO M 152, COVENIN 0485, Nch 2257/1, NMX-C- 144, NTC 111, NTP 334.057 (Fig. 2-37). 

Ambos métodos, el de consistencia normal y el de fluidez, se usan para regular la cantidad de agua en las pastas y morteros, respectivamente, para que se los utilice en ensayos subsecuentes. Ambos permiten la comparación de ingredientes distintos con la misma penetrabilidad o fluidez.

 Fig. 2-36. Ensayo de consisten-
cia normal para pastas usando
la aguja de Vicat. (68820)

Fig. 2-37. Ensayo de consis-
tencia para morteros usando la
mesa de fluidez. El mortero se
coloca en un molde de latón cen-
tralizado en la mesa (foto pe-
queña, a la derecha). El técnico
debe usar guantes al manosear
el mortero para la protección de
su piel. Después que se remueve
el molde y se somete la mesa a
una sucesión de caídas, se mide
el diámetro del mortero para
determinarse la consistencia.
(68821, 68822

Sanidad del Cemento.

La sanidad se refiere a la habilidad de la pasta de cemento en mantener su volumen. La falta de sanidad o la expansión destructiva retardada se puede causar por la cantidad excesiva de cal libre o magnesia supercalcinadas. La mayoría de las especificaciones para cemento portland limitan el contenido de magnesia (periclasa) y la expansión máxima que se mide por el ensayo de expansión en auto- clave. Desde la adopción del ensayo de expansión en autoclave en 1943 en los EE.UU. (Tabla 2.15), pocos casos de expansiones se han atribuido a la falta de sanidad (Fig.2-35) (Gonnerman, Lerch y Whiteside 1953).

 Fig. 2-35. En el ensayo de sanidad, las barras con sección
cuadrada de 25 mm son expuestas a altas temperaturas y a
la presión en autoclave para determinarse la estabilidad de
volumen de la pasta de cemento. (23894)

Tabla 2-15. Ensayos de Expansión en Autoclave del Cemento 

Tamaño de las Partículas y Finura del Cemento.

El cemento portland consiste en partículas angulares individuales, con una variedad de tamaños resultantes de la pulverización del clínker en el molino

Aproximadamente 95% de las partículas del cemento son menores que 45 micrómetros, con un promedio de partículas de 15 micrómetros. La distribución total del tamaño de las partículas del cemento se llama “finura”. La finura del cemento afecta el calor liberado y la velocidad de hidratación. La mayor finura del cemento (partículas menores) aumenta la velocidad o tasa de hidratación del cemento y, por lo tanto, acelera el desarrollo de la resistencia. Los efectos de la mayor finura sobre la resistencia de las pastas se manifiestan, principalmente, durante los primeros siete días.

A principio del siglo XX, la finura del cemento se expresaba como masa del cemento por fracción de tamaño (porcentaje de la masa retenida en tamaños de tamices específicos). Hoy en día, la finura normalmente se mide por el ensayo de permeabilidad al aire Blaine  que mide indirectamente el área superficial de las partículas de cemento por unidad de área. Cementos con partículas más finas tienen mayor área superficial en metros cuadrados por kilogramo de cemento. Se han empleado, en el pasado, centímetros cuadrados por gramo, pero, actualmente, se consideran estas medidas arcaicas. A excepción de la AASHTO M 85, la mayoría de las normas de cemento no tienen un límite máximo para la finura, sólo mínimo. Se puede utilizar en los ensayos de finura, el ensayo del turbidímetro de Wagner (Fig. 2-32), el tamiz de 45 micrómetros (No. 325) (Fig.2-33, Tabla 2.14) o los tamices de 150 µm (No. 100) y 75 µm (No. 200) (Tabla 2.14) y el analizador electrónico de tamaño de partículas (Rayos X o láser) (Fig. 2-34). Los datos de la finura Blaine para los cementos Norteamericanos se presentan en la Tabla 2.11

 Fig. 2-32. Aparato del ensayo de Blaine (izquierda) y turbidímetro de Wagner (derecha) para la determinación de la finura del cemento. Los valores de finura de Wagner son un poco mayores que la mitad de los valores de Blaine. (40262, 43815)

Fig. 2-33. Ensayos acelerados (ensayos rápidos), tales como
el lavado de cemento encima de este tamiz de 45
micrómetros, ayudan a controlar la finura del cemento
durante la producción. Se presenta una vista del receptáculo
del tamiz (cedazo). La foto más pequeña, a la derecha,
presenta una vista, de arriba, de una muestra de cemento en
el tamiz antes que sea lavada con  agua (68818, 68819).

Fig. 2-34. Un analizador de partículas a láser  que usa
difracción de láser para determinar la distribución del
tamaño de las partículas en el polvo. La Fig. 2-31 (derecha)
ilustra los valores típicos. (69390)

Resistencia Química del Concreto.

El concreto de cemento portland es resistente a la mayoría de los medio ambientes; sin embargo, el concreto a veces es expuesto a substancias que pueden atacar y causar deterioración. El concreto en la industria química y en las instalaciones de almacenamiento es especialmente propenso al ataque químico. El efecto del sulfato y de los cloruros se discute en este capítulo. En el ataque ácido del concreto hay disolución de la pasta de cemento y de los agregados calcáreos. Además del uso de concreto con baja permeabilidad, los tratamientos de superficie pueden ayudar a evitar que las substancias agresivas entren en contacto con el concreto. Kerkhoff 2001 analiza los efectos de centenas de productos químicos en el concreto y trae una lista de tratamientosque pueden ayudar en el control del ataque químico.

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).

Durabilidad del Concreto.

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.