Cementos recomendables por sus efectos en el
concreto
Las condiciones que deben tomarse en
cuenta para especificar el concreto idóneo y seleccionar el cemento adecuado
para una obra, pueden determinarse por la indagación oportuna de dos aspectos
principales:
1) las características propias de la
estructura y de los equipos y procedimientos previstos para construirla.
2) las condiciones de exposición y
servicio del concreto, dadas por las características del medio ambiente y del
medio de contacto y por los efectos previsibles resultantes del uso destinado a
la estructura.
Existen diversos aspectos del
comportamiento del concreto en estado fresco o endurecido, que pueden ser
modificados mediante el empleo de un cemento apropiado, para adecuar los a los
requerimientos específicos dados por las condiciones de la obra. Las
principales características y propiedades del concreto que pueden ser influidas
y modificadas por los diferentes tipos y clases de cemento, son las siguientes:
Ø Cohesión
y manejabilidad
Ø Concreto
Pérdida de revenimiento fresco
Ø Asentamiento
y sangrado
Ø Tiempo
de fraguado
Ø Adquisición
de resistencia mecánica
Ø Concreto
Generación de calor endurecido
Ø Resistencia
al ataque de los sulfatos
Ø Estabilidad
dimensional (cambios volumétricos)
Ø Estabilidad
química (reacciones cemento-agregados)
En algunos aspectos la influencia del
cemento es fundamental, en tanto que en otros resulta de poca importancia
porque existen otros factores que también influyen y cuyos efectos son más
notables. No obstante, es conveniente conocer y tomar en cuenta todos los
efectos previsibles en el concreto, cuando se trata de seleccionar el cemento
apropiado para una obra determinada.
Cohesión y manejabilidad
La
cohesión y manejabilidad de las mezclas de concreto son características que
contribuyen a evitar la segregación y facilitar el manejo previo y durante su
colocación en las cimbras. Consecuentemente, son aspectos del comportamiento
del concreto fresco que adquieren relevancia en obras donde se requiere
manipular extraordinariamente el concreto, o donde las condiciones de
colocación son difíciles y hacen necesario el uso de bomba o el vaciado por
gravedad.
Prácticamente,
la finura es la única característica del cemento que puede aportar beneficio a
la cohesión y la manejabilidad de las mezclas de concreto, por tanto, los
cementos de mayor finura como el portland tipo III o los portland-puzolana
serían recomendables en este aspecto. Sin embargo, existen otros factores con
efectos más decisivos para evitar que las mezclas de concreto segreguen durante
su manejo y
colocación.
Entre tales factores puede mencionarse la composición granulométrica y el
tamaño máximo del agregado, el consumo unitario de cementante, los aditivos
inclusores de aire y el diseño de la mezcla de concreto.
Pérdida de revenimiento
Este es
un término que se acostumbra usar para describir la disminución de
consistencia, o aumento de rigidez, que una mezcla de concreto experimenta
desde que sale de la mezcladora hasta que termina colocada y compactada en la
estructura. Lo ideal en este aspecto sería que la mezcla de concreto conservara
su consistencia (o revenimiento) original durante todo este proceso, pero
usualmente no es así y ocurre una pérdida gradual cuya evolución puede ser
alterada por varios factores extrínsecos, entre los que destacan la temperatura
ambiente, la presencia de sol y viento, y la manera de transportar el concreto
desde la mezcladora hasta el lugar de colado, todos los cuales son aspectos que
configuran las condiciones de trabajo en obra.
Para
unas condiciones de trabajo dadas, la evolución de la pérdida de revenimiento
también puede resultar influida por factores intrínsecos de la mezcla de
concreto, tales como la consistencia o fluidez inicial de ésta, la humedad de
los agregados, el uso de ciertos aditivos y las características y contenido
unitario del cemento. La eventual contribución de estos factores intrínsecos,
en el sentido de incrementar
la
pérdida normal de revenimiento del concreto en el lapso inmediato posterior al
mezclado, es como se indica:
1) Las
mezclas de consistencia más fluida tienden a perder revenimiento con mayor
rapidez, debido a la evaporación del exceso de agua que contienen.
2) El
empleo de agregados porosos en condición seca tiende a reducir pronto la
consistencia inicial, por efecto de su alta capacidad para absorber agua de la
mezcla.
3) El
uso de algunos aditivos reductores de agua y superfluidificantes acelera la
pérdida de revenimiento, como consecuencia de reacciones indeseables con
algunos cementos.
4) El
empleo de cementos portland-puzolana cuyo componente puzolánico es de
naturaleza porosa y se muele muy finamente, puede acelerar notablemente la
pérdida de revenimiento del concreto recién mezclado al producirse un
resecamiento prematuro provocado por la avidez de agua de la puzolana.
En
relación con esos dos últimos factores, lo conveniente es verificar
oportunamente que exista compatibilidad entre el aditivo y el cemento de uso
previsto y, en el caso del cemento portland-puzolana, realizar pruebas
comparativas de pérdida de revenimiento con un cemento portland simple de uso
alternativo.
Es
importante no confundir la pérdida normal de revenimiento que toda mezcla de
concreto exhibe en la primera media hora subsecuente al mezclado, con la rápida
rigidizaci6n que se produce en pocos minutos como consecuencia del fenómeno de
falso fraguado en el cemento. Para evitar esto último, es recomendable
seleccionar un cemento que en pruebas de laboratorio demuestre la inexistencia
de falso fraguado (NOM C 132), o bien especificar al fabricante el requisito
opcional de que el cemento no presente falso fraguado, tal como se halla
previsto en las NOM C-l y NOM C-2.
Asentamiento y sangrado
En
cuanto el concreto queda en reposo, después de colocarlo y compactarlo dentro
del espacio cimbrado, se inicia un proceso natural mediante el cual los
componentes más pesados (cemento y agregados) tienden a descender en tanto que
el agua, componente menos denso, tiende a subir. A estos fenómenos simultáneos
se les llama respectivamente asentamiento y sangrado, y cuando se producen en
exceso se les considera indeseables porque provocan cierta estratificación en
la masa de concreto, según la cual se forma en la superficie superior una capa
menos resistente y durable por su mayor concentración de agua. Esta
circunstancia resulta particularmente inconveniente en el caso de pavimentos de
concreto y de algunas estructuras hidráulicas cuya capa superior debe ser apta
para resistir los efectos de la abrasión mecánica e hidráulica.
Los
principales factores que influyen en el asentamiento y el sangrado del concreto
son de orden intrínseco, y se relacionan con exceso de fluidez en las mezclas,
características deficientes de forma, textura superficial y granulometría en
los agregados (particularmente falta de finos en la arena) y reducido consumo
unitario y/o baja finura en el cementante. Consecuentemente, las medidas
aplicables para moderar el asentamiento y el sangrado consisten en inhibir la
presencia de dichos factores, para lo cual es pertinente:
1)
Emplear mezclas de concreto con la consistencia menos fluida que pueda
colocarse satisfactoriamente en la estructura, y que posea el menor contenido
unitario de agua que sea posible, inclusive utilizando aditivos reductores de
agua si es necesario.
2)
Utilizar agregados con buena forma y textura superficial y con adecuada
composición granulométrica; en especial, con un contenido de finos en la arena
que cumpla especificaciones en la materia.
3)
Ensayar el uso de un aditivo inclusor de aire, particularmente cuando no sea
factible cumplir con la medida anterior.
4)
Incrementar el consumo unitario de cemento y/o utilizar un cemento de mayor
finura, como el portland tipo III o los portland-puzolana. En relación con esta
última medida, es un hecho bien conocido la manera como se reduce la velocidad
de sangrado de la pasta al aumentar la superficie específica del cemento.
Sin
embargo, existe el efecto opuesto ya mencionado en el sentido de que un aumento
de finura en el cemento tiende a incrementar el requerimiento de agua de
mezclado en el concreto. Por tal motivo, es preferible aplicar esta medida
limitadamente seleccionando el cemento apropiado por otras razones más
imperiosas y, si se presenta problema de sangrado en el concreto, tratar de
corregirlo por los otros medios señalados, dejando el cambio de cemento por
otro más fino como última posibilidad.
Para
fines constructivos se considera que el tiempo medido desde que se mezcla el
concreto hasta que adquiere el fraguado inicial, es el lapso disponible para
realizar todas las operaciones inherentes al colado hasta dejar el concreto
colocado y compactado dentro del espacio cimbrado. De esta manera, este lapso
previo al fraguado inicial adquiere importancia práctica pues debe ser
suficientemente amplio para permitir la ejecución de esas operaciones en las
condiciones del trabajo en obra, pero no tan amplio como para que el concreto
ya colocado permanezca demasiado tiempo sin fraguar, ya que esto acarrearía
dificultades de orden técnico y económico.
La
duración del tiempo de fraguado del concreto depende de diversos factores
extrínsecos dados por las condiciones de trabajo en obra, entre los que destaca
por sus efectos la temperatura. En condiciones fijas de temperatura, el tiempo
de fraguado puede experimentar variaciones de menor cuantía derivadas del
contenido unitario, la clase y la finura del cemento. Así, por ejemplo, tienden
a fraguar un poco más rápido:
a) las
mezclas de concreto de alto consumo de cemento que las de bajo consumo.
b) las
mezclas de concreto de cemento portland simple que las de cemento
portland-puzolana las mezclas de concreto de cemento portland tipo III que las
de portland tipo II.
Sin
embargo, normalmente estas variaciones en el tiempo de fraguado son de poca
significación práctica y no justifican hacer un cambio de cemento por este solo
concepto.
Influencia
del cambio de cemento en el proceso de fraguado de la seguido por medio de su
resistencia eléctrica. Otro aspecto relacionado con la influencia del cemento
sobre el tiempo de fraguado del concreto, se refiere al uso que frecuentemente
se hace de aditivos con el fin de alargar ese tiempo en situaciones que lo
requieren, como es el caso de los colados de grandes volúmenes de concreto,
particularmente cuando se realizan en condiciones de alta temperatura
ambiental. Hay antecedentes en el sentido de que algunos aditivos retardadores
del fraguado pueden reaccionar adversamente con ciertos compuestos del cemento,
ocasionando una rigidez prematura en la mezcla que dificulta su manejo. Para
prevenir este inconveniente, es recomendable verificar mediante pruebas
efectuadas anticipadamente, el comportamiento del concreto elaborado con el
cemento y el aditivo propuestos.
Efectos en el concreto endurecido
Adquisición de resistencia mecánica
Conforme
se expuso previamente, la velocidad de hidratación y adquisición de resistencia
de los diversos tipos de cemento portland depende básicamente de la composición
química del clinker y de la finura de molienda. De esta manera, un cemento con
alto contenido de silicato tricálcico (C3S) y elevada finura puede producir
mayor resistencia a corto plazo, y tal es el caso del cemento tipo III de alta
resistencia rápida. En el extremo opuesto, un cemento con alto contenido de
silicato dicálcico (C2S) y finura moderada debe hacer más lenta la adquisición
inicial de resistencia y consecuente generación de calor en el concreto, siendo
este el caso del cemento tipo IV. Dentro de estos limites de comportamiento, en
cuanto a la forma de adquirir resistencia, se ubican los otros tipos de cemento
portland.
En
cuanto a los cementos portland-puzolana, su adquisición inicial de resistencia
suele ser un tanto lenta debido a que las puzolanas no aportan prácticamente
resistencia a edad temprana. Por otra parte, resulta difícil predecir la
evolución de resistencia de estos cementos porque hay varios factores que
influyen y no siempre se conocen, como son el tipo de clinker con que se
elaboran y la naturaleza, calidad y proporción de su componente puzolánico.
De
acuerdo con las tendencias mostradas puede considerarse que, para obtener el
beneficio adecuado de resistencia de cada tipo y clase de cemento en función de
sus características, lo conveniente es especificar la resistencia de proyecto
del concreto a edades que sean congruentes con dichas características.
Consecuentemente, estas edades pueden ser como sigue:
Tipo de
cemento que se Edad recomendable para especificar emplea en el concreto la
resistencia de proyecto
Portland
III 14 ó 28 días
Portland
I, II y V 28 ó 90 días
Portland-puzolana
90 días, o más
En
ausencia de cemento tipo III, cuya disponibilidad en el mercado local es
limitada, puede emplearse cemento tipo I junto con un aditivo acelerante,
previa verificación de su compatibilidad y efectos en el concreto, tanto en lo
que se refiere a su adquisición de resistencia como a la durabilidad potencial
de la estructura. También es posible adelantar la obtención de la resistencia
deseada en el concreto, proporcionando la mezcla para una resistencia potencial
más alta, ya sea aumentando el consumo unitario de cemento, o empleando un
aditivo reductor de agua para disminuir la relación agua/cemento.
Generación de calor
En el
curso de la reacción del cemento con el agua, o hidratación del cemento, se
produce desprendimiento de calor porque se trata de una reacción de carácter
exotérmico. Si el calor que se genera en el seno de la masa de concreto no se
disipa con la misma rapidez con que se produce, queda un remanente que al acumularse
incrementa la temperatura de la masa.
El
calentamiento del concreto lo expande, de manera que posteriormente al
enfriarse sufre una contracción, normalmente restringida, que genera esfuerzos
de tensión capaces de agrietarlo. La posibilidad de que esto ocurra tiende a
ser mayor a medida que aumenta la cantidad y velocidad de generación de calor y
que disminuyen las facilidades para su pronta disipación. Es decir, el riesgo
de agrietamiento de origen térmico se incrementa cuando se emplea un cemento de
alta y rápida hidratación, como el tipo III, y las estructuras tienen gran
espesor. Obviamente, la simultaneidad de ambos factores representa las
condiciones pésimas en este aspecto.
Consecuentemente
con lo anterior, una de las medidas recomendables cuando se trata de construir
estructuras voluminosas de concreto consiste en utilizar cementos que
comparativamente generen menos calor de hidratación. En la Tabla 1.6 se
reproducen datos del Informe ACI 225 R(16) relativos al calor de hidratación
calculado para diversos tipos de cementos portland actuales.
En lo
referente a los cementos portland-puzolana, su calor de hidratación depende del
tipo de clinker que contiene y de la actividad y proporción de su componente
puzolánico. De manera general se dice que una puzolana aporta aproximadamente
la mitad del calor que genera una cantidad equivalente de cemento. Por
consiguiente, cuando se comparan en este aspecto dos cementos, uno portland y
otro portland-puzolana elaborados con el mismo clinker, puede esperarse en el
segundo una disminución del calor de hidratación por una cantidad del orden de
la mitad del que produciría el clinker sustituido por la puzolana, si bien es
recomendable verificarlo mediante prueba directa porque hay casos en que tal
disminución es menor de lo previsto(16).
Para
establecer un criterio de clasificación de los cementos portland en cuanto a
generación de calor, es pertinente definir ciertos limites. Así, haciendo
referencia al calor de hidratación a 7 días de edad, en el portland tipo IV que
por definición es de bajo calor puede suponer se alrededor de 60 cal/g; en el
extremo opuesto se ubica el portland tipo III con un calor del orden de 100
cal/g, ya medio intervalo se sitúa el
portland
tipo II sin requisitos especiales con un calor cercano a 80 cal/g, y al cual se
le considera de moderado calor de hidratación.
En las
condiciones actuales de la producción local, solamente es factible disponer de
los cementos portland tipo II y portland-puzolana, para las estructuras de
concreto en que se requiere moderar el calor producido por la hidratación del
cemento. Sobre esta base, y considerando dos grados de moderación.
Resistencia al ataque de los sulfatos
El
concreto de cemento portland es susceptible de sufrir daños en distinto grado
al prestar servicio en contacto con diversas substancias químicas de carácter
ácido o alcalino.
Acidos
inorgánicos:
Clorhídrico,
fluorhídrico, nítrico, sulfúrico Rápido
Fosfórico
Moderado
Carbónico
Lento
Acidos
orgánicos:
Acético,
fórmico, lácteo Rápido
Tánico
Moderado
Oxálico,
tartárico Despreciable
Soluciones
alcalinas:*
Hidróxido
de sodio > 20\ Moderado
Hidróxido
de sodio 10-20\, hipoclorito de sodio Lento
Hidróxido
de sodio < 10\, hidróxido de amonio Despreciable
Soluciones
salinas:
Cloruro
de aluminio Rápido
Nitrato
de amonio, sulfato de amonio, sulfato de
sodio,
sulfato de magnesio, sulfato de calcio Moderado
Cloruro
de amonio, cloruro de magnesio, cianuro
de
sodio Lento
Cloruro
de calcio, cloruro de sodio, nitrato de
zinc,
cromato de sodio Despreciable
Diversas:
Bromo
(gas), solución de sulfito Moderado
Cloro
(gas), agua de mar, agua blanda - Lento
Amonio
(liquido) Despreciable
*Las
soluciones alcalinas pueden ocasionar reacciones del tipo álcaliagregado, en
concretos con agregados reactivos con los álcalis.
En
cuanto a la selección del cemento apropiado, se sabe que el aluminato tricálcio
(C3A) es el compuesto del cemento portland que puede reaccionar con los
sulfatos externos para dar Bulfoaluminato de calcio hidratado cuya formación
gradual se acompaña de expansiones que des integran paulatinamente el concreto.
En consecuencia, una manera de inhibir esa reacción consiste en emplear
cementos portland con moderado o bajo contenido de C3A, como los tipos II y V,
seleccionados de acuerdo con el grado de concentración de los sulfatos en el
medio de contacto. Otra posibilidad consiste en utilizar cementos
portland-puzolana de calidad específicamente adecuada para este fin, ya que
existe evidencia que algunas puzolanas como las cenizas volante. clase F son
capaces de mejorar la resistencia a los sulfatos del concreto(21). Hay desde
luego abundante información acerca del buen comportamiento que en este aspecto
manifiestan los cementos de escoria de alto horno y los aluminosos, pero que no
se producen en el país.
Estabilidad volumétrica
Una
característica indeseable del concreto hidráulico es su predisposición a
manifestar cambios volumétricos, particularmente contracciones, que suelen
causar agrietamientos en las estructuras. Para corregir este inconveniente, en
casos que lo ameritan, se han desarrollado los cementos expansivos que se
utilizan en los concretos de contracción compensada(22), pero que todavía no se
producen localmente.
Estabilidad química
De
tiempo atrás se reconoce que ningún arqueado es completamente inerte al
permanecer en contacto con la pasta de cemento, debido a los diversos procesos
y reacciones químicas que en distinto grado suelen producirse entre ambos(16).
Algunas de estas reacciones son benéficas porque , contribuyen a la adhesión
del agregado con la pasta, mejorando las j propiedades mecánicas del concreto,
pero otras son detrimentales porque generan expansiones internas que causan
daño y pueden terminar por destruir al concreto.
Las
principales reacciones químicas que ocurren en el concreto tienen un
participante común representado por los álcalis, óxidos de sodio y de potasio,
que normalmente proceden del cemento pero eventualmente pueden provenir también
de algunos agregados(24). Por tal motivo, estas reacciones se designan
genéricamente como ácali-agregado, y a la fecha se le conocen tres modalidades
que se distinguen por la naturaleza de las rocas y minerales que comparten el
fenómeno:
Reacciones
deletéreas
Alcali-sílice
Alcali-agregado
Alcali-silicato
Alcali-carbonato
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