Adam Neville y Pierre-Claude Aïtcin

En los últimos años, la expresión concreto de alto desempeño y la sigla HPC se han puesto de moda. Pero, ¿qué es exactamente lo que significa esto? ¿Es el concreto de alto desempeño un material realmente diferente del "concreto simple"? ¿O se trata de un concreto que es apropiado para una situación particular? El propósito de este estudio es explorar el amplio uso del concreto de alto desempeño y colocar este material en lo que nosotros consideramos una perspectiva apropiada.

Por mucho que los que tienen que ver con el concreto y las estructuras de concreto estén satisfechos con este material y lo manejen satisfactoriamente, es un hecho que, en los últimos 50 años, no se han visto cambios verdaderamente revolucionarios. Es cierto que actualmente utilizamos una gran variedad de aditivos, así como inclusores de aire, y que hemos extendido el rango de materiales cementantes de la mezcla. Sin embargo, los cambios en nada se parecen a los cambios revolucionarios que han tenido lugar en las telecomunicaciones, o inclusive en los motores de los automóviles. Pero este estudio no tiene el propósito de mirar hacia atrás ni de ofrecer una revisión histórica, excepto en lo que respecta al concreto de alta desempeño y su aparición en la escena del concreto. Esto equivale a reconocer que, aproximadamente en los últimos 15 años, han aparecido algunos nuevos conceptos en el campo del concreto y que puede darse por sentado que han llevado al advenimiento del concreto de alto desempeño.

¿Qué es el concreto de alto desempeño?

Empecemos por definir el concreto de alto desempeño. Puede argumentarse que la expresión "concreto de alto desempeño" no es muy afortunada. Es como hacer la publicidad de un nuevo producto, pero en la mayoría de los aspectos, el concreto de alto desempeño no es fundamentalmente diferente del concreto que hemos estado empleando, porque no contiene ningún ingrediente nuevo, y no involucra nuevas prácticas en la obra. De hecho, el concreto de alto desempeño evolucionó gradualmente durante los últimos 15 años, más o menos, principalmente por la producción de concreto con resistencias cada vez más altas: 80, 90 100, 120 MPa, y a veces inclusive mayores. Hoy día, en algunas partes del mundo pueden producirse de manera rutinaria resistencias de 140 MPa, pero el concreto de alto desempeño no es lo mismo que el concreto de alta resistencia. El énfasis ha cambiado de una resistencia muy alta a otras propiedades deseables en algunas circunstancias. Éstas son: alto módulo de elasticidad, alta densidad, baja permeabilidad y resistencia a algunas formas de ataque.

¿Cuál es entonces la diferencia entre el concreto de alto desempeño y el concreto usual? Hemos dicho que los ingredientes son los mismo en ambos casos, pero esto no es enteramente correcto. Primero, el concreto de alto desempeño con frecuencia contiene humo de sílice, mientras que el concreto ordinario por lo regular no lo incluye. Segundo, el concreto de alto desempeño generalmente, aunque no siempre, contiene ceniza volante o escoria de alto horno granulada y molida (o escoria, para abreviar), o ambos materiales. Este agregado debe ser escogido cuidadosamente, y tiene un tamaño máximo más pequeño que en el caso del concreto ordinario: en el concreto de alto desempeño, el tamaño máximo es, por lo regular, de 10 a 14 mm. Existen dos razones para esto. Primero, con un tamaño máximo más pequeño, los esfuerzos diferenciales en la interfase de la pasta agregado-cemento –lo que podría llevar al microagrietamiento– son menores. En segundo lugar, las partículas de agregado más pequeñas son más fuertes que las grandes. Esto se debe al hecho de que la trituración de la roca remueve las imperfecciones más grandes, que son los que controlan la resistencia.

Otro punto acerca de los ingredientes: la baja relación agua/cemento y la inclusión de humo de sílice en la mezcla requieren el uso de un superfluidificador. No es suficiente utilizar cualquier superfluidificador con cualquier cemento portland. El superfluidificador debe ser compatible con el cemento que se está empleando. El problema de la compatibilidad se discute más adelante en este artículo, pero en esta etapa se imponen algunos comentarios generales, desafortunadamente críticos, acerca de la publicidad de los cementos portland.

Es indudable que ciertos fabricantes de cemento tienen un excelente conocimiento de éste, pero algunos de ellos no están bien informados acerca de las necesidades del productor de concreto y del contratista del colado del concreto. Ellos se ven inclinados a decir que el cemento portland es un excelente producto que siempre cumple con los estándares nacionales, que no es asunto del usuario indagar las propiedades físicas y químicas detalladas del cemento. Las únicas excepciones "permitidas" son la clasificación del tipo de acuerdo con el ASTM, o la clasificación de resistencia europea, y también otras características generales tales como alta resistencia temprana, bajo calor de hidratación o bajo contenido de álcalis. Por ejemplo, en el Reino Unido, en el pasado, los precios del cemento eran fijos y el fabricante desanimaba fuertemente al comprador cuando éste quería seleccionar las entregas de una planta particular de cemento. La actitud de mercadeo era: todos nuestros cementos portland ordinarios son igualmente excelentes. Inclusive hoy, en la mayoría de los países, no es rutinariamente posible asegurar que las entregas sucesivas de cemento sean de la misma planta, y mucho menos que sean de la misma dosificación de producción. La única excepción tiene lugar en el caso de grandes entregas en bruto, para proyectos muy grandes, circunstancia en la que es posible la negociación. Por supuesto, desde el punto de vista comercial, esta actitud es comprensible.

Sin embargo, con los cambios en el ambiente económico, las actitudes se han modificado. A pesar de ello, muchos fabricantes de cemento todavía exhiben un excesivo desinterés por las necesidades específicas del usuario del concreto. Se admite que la mención de los aditivos ya no provoca la respuesta: “el mejor aditivo es más cemento portland”. Sin embargo, el desinterés habitual de muchos fabricantes de cemento no ayuda mucho cuando el productor de concreto desea hacer concreto de alto desempeño: él compra cemento portland de una fuente y el superfluidificador de otra. La unión de estos dos puede ser muy desafortunada.

Proporciones de mezcla del concreto de alto desempeño

Puede ser útil dar una idea de las proporciones típicas de la mezcla del concreto de alto desempeño. Usualmente, se emplea cemento del tipo I (en la clasificación del ASTM), pero si se requiere alta resistencia temprana, puede utilizarse el cemento tipo III. Además, ya hemos dicho que también se incluyen otros materiales cementantes en la mezcla. El contenido total de los materiales cementantes es muy alto: 400 a 550 kg/m3. La masa del humo de sílice, cuando se utiliza, representa de 5 a 15 por ciento de la masa total del material cementante, siendo 10 por ciento lo más típico. La dosis del superfluidificador es de 5 a 15 l/m3 de concreto. La dosis real requerida depende del contenido de los sólidos activos en el superfluidificador líquido, de la "reactividad" del cemento, la cual, a su vez, es una función del contenido de C3A y su forma polimorfa, y de la cantidad de sulfatos de álcalis, así como de algunos otros factores. Esta dosis permite una reducción del contenido de agua de 45 a 75 litros por metro cúbico de concreto. El valor de la relación de la masa del agua con la masa total del material cementante se ubica, generalmente, entre 0.35 y 0.25, pero se ha empleado inclusive un valor tan bajo como 0.22.

En la práctica, las proporciones de la mezcla varían, dependiendo de las propiedades de los ingredientes individuales y de las propiedades deseadas del concreto en servicio. En el tabla 1 se muestran los detalles de algunas mezclas reales utilizadas en el pasado. Las propiedades de los ingredientes de la mezcla se tratan más adelante.

Como ya se dijo, el agregado no debe tener un tamaño máximo muy grande. El agregado grueso tiene que tener cierto número de características: debe ser fuerte y estar absolutamente limpio, es decir, libre de arcilla o polvo adherido. No debe contener sílice reactivo y tiene que ser equidimensional en su forma, es decir, ni rajuelado ni alargado. Con muy pocas excepciones, se utiliza agregado triturado. En cuanto al agregado fino, debe tener una granulometría gruesa, preferentemente con un módulo de finura de 2.7 a 3.0. Vale la pena recordar que, a fin de alcanzar el buen empacamiento de las partículas finas en la mezcla, a medida que el contenido de cemento se incrementa, el agregado fino tiene que hacerse más grueso.

Consideremos ahora la inclusión de ceniza volante y escoria en la mezcla. Antes que nada, estos materiales generalmente son más baratos que el cemento portland. En segundo lugar, se hidratan o reaccionan químicamente un poco más tarde que aquél. En consecuencia, desarrollan más lentamente el calor de hidratación. Esto significa que la elevación muy temprana de la temperatura del concreto es un poco menor. Inclusive una pequeña reducción en la temperatura máxima es importante, ya que con los contenidos de cemento verdaderamente empleados en el concreto de alto desempeño, la elevación de la temperatura en el centro de una sección masiva puede ser de 50 °C o inclusive mayor. Lo que importa, por supuesto, no es la temperatura máxima como tal, sino el gradiente de temperatura entre el centro y la superficie del elemento de concreto, el cual se da generalmente a una temperatura moderada. Se ha sugerido1 que si el gradiente de temperatura no excede los 20 °C por metro, entonces no ocurrirá agrietamiento térmico debido al enfriamiento diferencial.

Existe otra razón de la conveniencia del uso de ceniza volante, y esto tiene que ver con la pérdida de revenimiento del concreto fresco. Puesto que estos materiales reaccionan sólo muy poco durante las primeras horas, no contribuyen a la pérdida de revenimiento, de modo que se necesita utilizar menos superfluidificador. En otras palabras, la cantidad de superfluidificador necesaria para asegurar una trabajabilidad adecuada está regida sólo por el contenido de cemento portland. Por otro lado, las mezclas que tienen más ceniza volante o más escoria desarrollan una resistencia menor, digamos, entre las 12 y 24 horas, que cuando todo el material cementante es cemento portland. Pero esto puede compensarse reduciendo la relación entre la masa de agua y la masa total de los materiales cementantes. De aquí se sigue que, antes de decidir sobre el uso de estos materiales, el diseñador estructural debe establecer la edad a la cual es necesaria una resistencia dada. Debe estar también familiarizado con la tecnología del concreto.2

La cuestión del uso de fluidificadores es importante en su conjunto, porque son un ingrediente muy caro en la mezcla, y sin embargo, deben incluirse en la misma. El humo de sílice es también muy caro. En muchos países, un kilogramo de humo de sílice cuesta tanto como 10 kg de cemento portland. Así pues, consideremos si es necesario o no el humo de sílice.

Al decidir si hay que utilizar o no humo de sílice, nosotros nos guiamos por la experiencia:3 se encontró que mezclas sin humo de sílice alcanzaban una resistencia a la compresión a 28 días de hasta aproximadamente 90 MPa, si bien con alguna dificultad. Para obtener una resistencia más alta, debe incluirse humo de sílice en la mezcla. Como ya se dijo antes, el contenido óptimo de humo de sílice es de aproximadamente 10 por ciento de la masa de cemento.

De lo anterior se desprende que, si en vez de hacer el concreto de 90 MPa, lo hacemos de 100 MPa, tenemos que utilizar humo de sílice. Debido al precio 10 veces más alto de este último, la adición de 10 por ciento de humo de sílice a la mezcla duplica el costo del material cementante. Esto representa un incremento muy grande del precio del concreto.

Sin embargo, debemos recordar los beneficios que se obtienen al emplear humo de sílice. No solamente es un material con alto contenido puzolánico, sino también es un polvo extremadamente fino, cuyas partículas son aproximadamente cien veces más pequeñas que las del cemento. Las partículas del humo de sílice se empacan apretadamente contra la superficie del agregado, y se acomodan entre las partículas de cemento, mejorando así grandemente el empaquetado. De aquí se sigue que si hay muy poco humo de sílice, digamos menos de aproximadamente 5 por ciento, éste no es muy efectivo. Ahora bien, si hay demasiado, digamos más de 15 por ciento, no existe espacio entre las partículas de cemento para acomodar todo el humo de sílice, y algo de éste se malgasta. Malgastar un material tan caro no es una buena práctica en ingeniería.

Puesto que las partículas extremadamente finas de humo de sílice reducen el tamaño y volumen de los vacíos cerca de la superficie del agregado, la llamada zona de interfase (también conocida como zona de transición) tiene propiedades mejoradas con respecto al microagrietamiento y la permeabilidad. La adherencia entre el agregado y la pasta de cemento mejora, permitiendo que el agregado participe mejor en la transferencia de esfuerzo.4

No debemos dejar el tema de las proporciones de la mezcla del concreto de alta resistencia sin considerar la relación agua/cemento. Existen, de hecho, dos significados de esta palabra. Nosotros hemos sabido durante 80 años que la relación agua/cemento es el factor que controla la resistencia, debido a que el volumen relativo del espacio originalmente ocupado por el agua determina el volumen total de la materia sólida en el concreto endurecido. En términos muy generales, mientras más alto sea el volumen del material sólido, mayor será la resistencia a la compresión. De ahí se sigue que, en el concreto de alto desempeño, al igual que en el concreto ordinario, la resistencia a, digamos, 28 días, es una función de la relación agua/cemento. Para este tiempo, la escoria habrá reaccionado en un grado significativo, y la ceniza volante aproximadamente un poco menos. Sin embargo, el alcance de la reacción de la ceniza volante es muy sensible a la efectividad del curado.

¿Pero cuál es la situación a 24 horas, o a dos o tres días? La ceniza volante y, en menor medida, la escoria ocupan sólo el volumen representado por su forma original, es decir, de polvo seco. De esto se sigue que la relación agua/cemento pertinente a la resistencia muy temprana es sólo aproximadamente la relación de la masa de agua respecto al cemento portland. Esta relación es mucho más alta que la relación de la masa de agua respecto a la masa de todos los materiales cementantes tomados en conjunto. Por esta razón, la inclusión de ceniza volante o escoria, a un contenido de agua dado en la mezcla, conduce a una menor resistencia muy temprana. La afirmación anterior es verdadera, no sólo para el concreto de alto desempeño, sino para todas las mezclas de concreto.

Compatibilidad entre el cemento portland y el superfluidificador

Al principio del artículo, dijimos que el concreto de alto desempeño no requiere un cemento especial, y que generalmente se emplea cemento portland tipo I. El problema es que el cemento y el superfluidificador deben adaptarse uno al otro, es decir, que no debe haber incompatibilidad entre los dos materiales. Esto requiere una explicación de cierta amplitud.

Antes que nada, debemos volver a exponer cómo un superfluidificador actúa para dar al concreto su alta trabajabilidad. Los superfluidificadores tienen moléculas grandes y pesadas, que se envuelven a sí mismas alrededor de las partículas de cemento y les dan una carga eléctrica altamente negativa, de modo que se repelen unas a otras. Esto da como resultado la defloculación y dispersión de las partículas de cemento y , por lo tanto, una mejor trabajabilidad de la mezcla. La estructura fundamental de la pasta de cemento hidratado no se ve afectada, pero los superfluidificadores interactúan con aluminato tricálcico (C3A) en el cemento portland. Debemos recordar que el C3A es el primer componente del cemento que se hidrata, y esta reacción es controlada por el yeso agregado en la fabricación del cemento portland.

Así pues, tenemos la situación de que tanto el superfluidificador como el yeso pueden reaccionar con C3A. Aunque se requiere cierta cantidad de superfluidificador durante el mezclado a fin de lograr una trabajabilidad adecuada, es esencial que no todo el superfluidificador llegue a fijarse por el C3A. Tal fijación ocurriría si el yeso no liberara los iones de sulfato lo suficientemente rápido para reaccionar con el C3A. Cuando los iones de sulfato se liberan demasiado lentamente, se dice que el cemento portland y el superfluidificador son incompatibles. Así pues, en la práctica, el factor de control es la solubilidad del yeso en el cemento portland dado. El término "yeso" se emplea para describir el sulfato de calcio en el cemento portland, pero este sulfato de calcio puede existir en diversas formas, dependiendo de las materias primas utilizadas en la fabricación del cemento. Éstas pueden ser: yeso, es decir el dihidrato de sulfato de calcio, hemihidrato y anhidrito. Cada uno de éstos tiene una tasa de solubilidad diferente. Además, la solubilidad del anhidrito depende de su estructura y origen. En la práctica, la situación es todavía más complicada. Los estándares nacionales para cemento portland generalmente especifican un contenido máximo de SO3 en el polvo de cemento acabado; por ejemplo, para el cemento tipo I, el Estándar C150-94 del ASTM especifica el contenido máximo de SO3 en 3.0 o 3.5 por ciento, dependiendo del contenido de C3A.

El punto crucial es que no es el yeso agregado durante el molido del clinker, sino el contenido de S03 del cemento, lo que está limitado por la norma del ASTM. Ahora bien, con frecuencia existe otra fuente de SO3 en el cemento, y es precisamente el sulfuro del carbón, o, posiblemente, el aceite utilizado en el horno de cemento. Tal sulfuro está a menudo presente porque el carbón, el coque de petróleo o el aceite, que son más baratos y tienen todos un alto contenido de sulfuro, son los que se utilizan para hacer el cemento. Lo que sucede es que el sulfuro en el combustible reacciona con los óxidos de álcali volátiles en el horno para formar los sulfatos de álcali. Estos sulfatos son altamente solubles.

De lo anterior se desprende que dos cementos portland pueden tener el mismo contenido total de sulfato, pero, dependiendo del origen de éste, habrá disponible más o menos sulfato para reaccionar con C3A en las etapas iniciales. Si hay demasiado poco sulfato soluble disponible, los extremos del sulfonato del superfluidificador llegan a estar fijos y no hay superfluidificador disponible para mejorar la trabajabilidad de la mezcla. Esta es la razón de que, con frecuencia, se agregue algo del superfluidificador después de la operación inicial de mezclado, pero esto puede no ser suficiente, además de que complica el proceso de mezclado.

El problema de la compatibilidad puede resolverse rápidamente, porque se ha establecido que para cada cemento portland existe una cantidad óptima de álcalis solubles (es decir, los que existen como sulfatos de álcalis) que asegura la compatibilidad con un superfluidificador dado. Es de esperarse que la práctica de comprar el cemento portland como un artículo y el superfluidificador como un segundo artículo independiente termine pronto; la armonización de parejas de cemento y superfluidificador estará más disponible, reduciendo así las pruebas laboriosas antes de su empleo.

El problema de la incompatibilidad que acaba de describirse puede existir también en el concreto ordinario, pero es mucho más agudo en el concreto de alto desempeño. Existen dos razones para esto. Primero, en el concreto de alto desempeño, la relación agua/cemento es muy baja, de modo que hay menos agua disponible para aceptar los iones de sulfato. En segundo lugar, debido a que el contenido de cemento portland por metro cúbico de concreto es muy alto, hay mayor presencia de C3A, cuya reacción debe ser controlada para asegurar la trabajabilidad deseada.

Hay un punto que debe destacarse: el comportamiento del cemento a una relación agua/cemento alta no nos dice lo suficiente acerca de su comportamiento a relaciones muy bajas de agua/cemento. La mayor parte de las pruebas estándar, por lo tanto, no son lo suficientemente buenas para asegurar un comportamiento satisfactorio del cemento en el concreto de alto desempeño. Por esto es que se requieren pruebas especiales de compatibilidad. Pueden requerirse también pruebas especiales para valorar el comportamiento del concreto con relaciones de agua/cemento de 0.35 o inclusive más bajas, y éstas son las relaciones de agua/cemento utilizadas en el concreto de alto desempeño.

La contracción del concreto de alto desempeño y el curado

El concreto puede sufrir diferentes tipos de contracción, generalmente relacionados6 pero aquí nos interesa específicamente el concreto de alto desempeño. Primero, existe una contracción del concreto mientras aún está en el estado plástico. La magnitud de esta contracción, llamada contracción plástica, se ve afectada por la cantidad de agua perdida por la superficie expuesta del concreto. Si la cantidad perdida por área unitaria excede la cantidad de agua que llega a la superficie por el sangrado, puede ocurrir agrietamiento po contracción plástica. El concreto de alto desempeño tiene un muy bajo contenido de agua (expresado en litros por metro cúbico de concreto), y los poros capilares que se están desarrollando son, consecuentemente, muy pequeños. Por lo tanto, virtualmente no existe sangrado, y esto llevará al agrietamiento por contracción plástica, a menos que pueda evitarse la pérdida de agua de la superficie del concreto. De ahí la necesidad de curado húmedo desde el momento más temprano posible.

El segundo y mejor conocido tipo de contracción es la contracción por secado del concreto endurecido. Es esto lo que se considera simplemente como "contracción". La causa de la contracción por secado es la pérdida de agua por evaporación hacia el exterior del concreto. En el concreto de alto desempeño, hay muy poca contracción por secado, en parte porque los capilares son muy pequeños. Pero existen otras razones; la principal es que gran parte del agua ha dejado ya los capilares debido a la autodesecación. Esto puede causar una contracción autógena. Este es, pues, el tercer tipo de contracción. La contracción autógena es la consecuencia de la hidratación continua del cemento en toda su masa, y no solamente cerca de la superficie. Esta contracción es alentada por la baja relación agua/cemento y, por lo tanto, un número menor y un tamaño más pequeño de los capilares. El humo de sílice, que reacciona muy pronto, agota rápidamente el agua y también contribuye a la autodesecación.

Una consecuencia importante de la contracción autógena en el concreto de alto desempeño es el desarrollo de microagrietamiento interno en toda la masa de concreto, y esto puede y debe evitarse por medio del curado húmedo. Nosotros debemos saber, aun cuando con frecuencia no practiquemos la regla, que es muy importante curar todo el concreto, y más todavía cuando la relación agua/cemento es baja. En el caso del concreto de alto desempeño, es esencial el curado húmedo desde el momento más temprano posible, y debe continuarse hasta que la resistencia a la tensión de la pasta de cemento que se está hidratando sea lo suficientemente alta para resistir el microagrietamiento interno.

Debemos manifestar muy claramente que el curado con membrana no es lo suficientemente bueno en el caso del concreto de alto desempeño. Todo lo que hace el curado con membrana es evitar la pérdida de agua del concreto. Esto es suficientemente bueno cuando la relación agua/cemento es mayor de aproximadamente 0.42, debido a que la cantidad de agua en la mezcla es adecuada para una hidratación total. Sin embargo, a valores muy bajos de relación agua/cemento en el concreto de alto desempeño, es esencial que ingrese agua adicional del exterior hacia el concreto. Se admite en algunos casos que el curado inmediato por niebla o el recubrimiento de la superficie de concreto con agua por medio de inundación puede ser impracticable. Lo que debe hacerse entonces es aplicar temporalmente una membrana, durante algunas horas cuando mucho, o emplear un nuevo tipo de aditivo llamado "retenedor de agua," de modo que evite el desarrollo de agrietamiento por contracción plástica. Pero tan pronto como haya ocurrido hidratación significativa, es esencial que ingrese dentro del concreto agua del exterior. Esto puede hacerse colocando mantas de yute premojadas o geotextiles premojados cubiertos con hojas de plástico, con una manguera perforada debajo del plástico que pueda mantener la manta permanentemente mojada.

La hidratación del cemento en el concreto de alto desempeño es muy rápida y, si se le permite que continúe ininterrumpidamente por medio de un constante suministro de agua de curado, no se formarán meniscos en los poros capilares, y no habrá contracción autógena, por lo menos cerca de la fuente externa de agua, es decir, la zona expuesta de la superficie del miembro de concreto. Así pues, con un curado realmente bueno, no habrá virtualmente contracción autógena ni contracción por secado. Admitimos que, si en una fecha posterior se permite que la superficie de concreto se seque completamente, habrá contracción por secado, pero para entonces, la resistencia a la tensión del concreto será lo suficientemente alta para que no ocurra agrietamiento por contracción. Vale la pena recordar que no es la contracción en sí lo que importa, sino únicamente el agrietamiento por contracción.

Se ha dedicado gran parte de este artículo al tema del curado, pero creemos que esto vale la pena: el uso exitoso del concreto de alto desempeño tiene como condición observar los requisitos simples de curado. No tiene ningún caso usar materiales excelentes y fracasar en el producto final.

Cuándo utilizar concreto de alto desempeño

Al principio de este artículo expresamos el punto de vista de que el concreto de alto desempeño no es un material fundamentalmente distinto del concreto ordinario, sino un concreto adaptado para un propósito dado. Las necesidades específicas son variadas.

La necesidad prioritaria era obtener un concreto de alta resistencia. Esta resistencia puede ser requerida a una edad muy temprana, a fin de poner la estructura en servicio. Con mayor frecuencia, sin embargo, la alta resistencia se requiere a la edad de 28 días o más tarde. Una exigencia relativamente común de alta resistencia es en los miembros a compresión. Aquí, la alta resistencia permite el uso de columnas más delgadas y, por ende, una reducción en el peso, y consecuentemente, una carga menor en los cimientos. Además, una parte pequeña del área horizontal es ocupada por columnas, de modo que hay más espacio de piso económicamente valioso. En miembros a flexión, los beneficios de la alta resistencia son más difíciles de explotar. Una razón para esto es el problema del agrietamiento en la zona de tensión de una viga, debido a que la resistencia a la tensión no se incrementa en proporción a la resistencia a la compresión. Otra dificultad reside en las limitaciones impuestas por los reglamentos de diseño existentes, pero éstos probablemente desaparecerán en el futuro.

Puede también requerirse concreto de alta resistencia, no por sí misma, sino porque el concreto de alta resistencia tiene un módulo de elasticidad más alto. Esto tiene importancia con respecto a la deformación de los miembros estructurales.

Un uso particularmente importante del concreto de alta resistencia es en el aseguramiento de una permeabilidad muy baja del concreto. Esto es esencial en condiciones de exposición severa donde hay peligro de que ingresen al concreto cloruros o sulfatos, u otros agentes agresivos. Estas condiciones existen en muchas partes del mundo donde es común el deterioro rápido del concreto.

Nos gustaría hacer un comentario general acerca del concreto. Las dos condiciones que conducen a mayor daño son el movimiento de agua y el cambio de temperatura. Nos estamos refiriendo al "movimiento de agua" porque, si un miembro de concreto está totalmente inmerso en agua libre de aire, inclusive agua de mar, ocurrirá un daño muy pequeño. Por otro lado, la alternancia de periodos de mojado rápido y secado prolongado es particularmente dañina. Lo mismo puede decirse de un cambio cíclico de temperatura. Existe una sinergia entre ambos: es probable que una combinación de mojado y secado reiterados con una temperatura que se altera frecuentemente cause un daño considerable. El concreto de alta resistencia con una permeabilidad muy baja asegura una larga vida de la estructura expuesta a tales condiciones.

Debemos subrayar el hecho de que la durabilidad es un problema no sólo en condiciones extremas de exposición. El dióxido de carbono está siempre presente en el aire, y más significativamente en las ciudades. La carbonatación resultante del concreto en la zona de recubrimiento puede destruir la pasivación del refuerzo y producir corrosión. A veces hay sales agresivas presentes en el suelo. La superficie del concreto puede estar sometida a abrasión.

El concreto puede, a veces, estar sometido a ciclos repetidos de congelación y deshielo. La autodesecación temprana significa que hay poca agua libre en el interior del concreto, de modo que, por lo regular, no hay formación destructora de hielo.7

Tenemos que admitir, sin embargo, que hay algunas situaciones en donde la muy baja permeabilidad del concreto de alto desempeño es desventajosa. Esto es así en el caso del fuego, el cual da como resultado un incremento rápido de la temperatura del concreto. Debido a la muy baja permeabilidad, nada del agua presente dentro del concreto puede escapar lo suficientemente rápido; la presión de agua resultante puede causar rompimiento de la pasta de cemento y astillamiento del concreto.

Un punto muy importante es que no debemos preocuparnos únicamente por la resistencia del concreto, sino también por su durabilidad: puede decirse que el concreto que es apropiadamente durable es concreto de alto desempeño o simplemente "concreto de buena calidad".

Lecciones generales que se desprenden del concreto de alto desempeño

De acuerdo con nuestra tesis de que el concreto de alto desempeño no es una "especie" distinta de lo que nos gustaría llamar "buen concreto ordinario", se imponen algunos comentarios sobre este último. Gran parte del concreto producido en el mundo no es tan bueno como debería o podría ser. No carecemos del conocimiento para tener buenos resultados en la fabricación del concreto, y no necesitamos ninguna nueva investigación que nos ayude a hacer buen concreto. El concreto malo generalmente puede tener su origen en mano de obra deficiente o en malas prácticas de construcción. Nosotros creemos que el uso de concreto de alto desempeño nos puede enseñar cómo hacer concreto ordinario de buena calidad. Daremos aquí dos ejemplos.

Al principio de este artículo, pusimos gran énfasis en la importancia del buen curado. Establecimos muy claramente que el concreto de alto desempeño que no ha sido curado adecuadamente tendrá una calidad muy pobre. Por lo tanto, cualquier contratista que emplee concreto de alto desempeño tendrá que aprender a seguir los procedimientos de curado apropiados. Cuando, en alguna otra obra de construcción, este contratista esté colocando concreto ordinario, es muy probable que continúe utilizando la buena práctica que ha aprendido. En otras palabras, él aplicará un buen curado. En el caso del concreto ordinario, es decir, concreto con una relación agua/cemento de, digamos, 0.45 o más, el buen curado puede tener algo menos de importancia, pero, sin embargo, mejorará el desempeño y la durabilidad de la estructura de concreto. Por desempeño, queremos significar ausencia de agrietamiento por contracción. Por durabilidad, queremos decir una baja permeabilidad del concreto en la zona del recubrimiento y, por lo tanto, la protección del acero de refuerzo contra la corrosión. En realidad, el agrietamiento por contracción es también dañino para la protección del acero de refuerzo.

En el caso del concreto ordinario, la importancia del buen curado está limitada principalmente al concreto de la zona del recubrimiento, pero las consecuencias de un curado inadecuado son importantes. No tiene caso tener un concreto muy bueno en el interior de un miembro estructural cuando el recubrimiento de concreto del refuerzo es de pobre calidad, de modo que la carbonatación del concreto se extiende rápidamente a través del espesor de la zona de recubrimiento, o los cloruros o sulfatos penetran desde el exterior en el concreto y tienen lugar reacciones destructivas, provocando agrietamiento, astillamiento y delaminación.

La segunda lección que hay que aprender del concreto de alto desempeño es mucho más general. Para hacer concreto de alto desempeño es esencial tener un control de calidad muy estricto de los materiales y procedimientos. Por ejemplo, la dosificación debe ser muy precisa; la cantidad de agua total, y no solamente la agregada, de cada dosificación debe ser la misma. La granulometría final del agregado no debe variar. ¡No es aceptable complacer al operario que coloca el concreto agregando otra cubeta de agua a la mezcla! Así pues, el productor de concreto debe desarrollar un sistema de producción de primera clase. Nuestra argumentación es que él debe (y probablemente lo haga) emplear el mismo sistema cuando esté haciendo concreto ordinario.

La primera reacción a esta propuesta puede ser que tan alto nivel de control de calidad cuesta dinero, pero creemos que no es dinero malgastado. Existen dos razones para apoyar nuestra opinión. Una es que un nivel más alto de control de calidad da como resultado una variabilidad menor de las propiedades del concreto. Por ejemplo, la diferencia entre la resistencia promedio del concreto al ser producido y la resistencia mínima especificada es pequeña. Ahora bien, el precio está basado en la resistencia mínima, pero el costo está relacionado con la resistencia promedio. Para un mínimo dado, el tener un valor más bajo del promedio da como resultado una reducción de costos; esto es dinero que se ahorra en términos de contenido de cemento.

La segunda razón es que un proveedor de concreto que puede producir concreto de alto desempeño tiene una buena reputación, y esto es algo que se justifica, al ser considerado un buen proveedor de concreto. Consecuentemente, puede hacer más negocios con aquellos que se preocupan de la calidad en la construcción, aun si el precio por metro cúbico es un centavo o dos más alto que el de sus competidores, con quienes hay interminables disputas por la calidad de su trabajo. La resolución de estas disputas es costosa.

El futuro del concreto de alto desempeño

Es fácil para la gente de mayor edad "predecir" el futuro. Ellos pueden ser optimistas y escribir acerca del progreso y sobre los maravillosos desarrollos futuros sin correr ningún riesgo. Si al final de cuentas, resulta que se han equivocado, ya no estarán vivos para escuchar reproches. Si resulta que tienen razón, todos lamentarán la muerte de los viejos sabios. Así que nosotros daremos nuestros puntos de vista.

La clase aparte del concreto de alto desempeño desaparecerá, y el concreto de alto desempeño y el concreto ordinario se fundirán simplemente en el "concreto", es decir, concreto de buena calidad. Al mismo tiempo, el actual concreto de calidad deficiente hecho con una relación agua/cemento de 0.6 y más dejará de utilizarse estructuralmente, aunque, por supuesto, será útil para relleno, nivelación o para trabajos de jardinería por parte de personas que gusten del "hágalo usted mismo". Esperamos que la relación máxima de agua respecto al total de los materiales cementantes de la mezcla sea de 0.45 cuando mucho, y mucho más baja cuando la durabilidad sea un criterio importante. Esto no significa que el contenido de cemento portland en el concreto sea muy alto. Por supuesto, será probablemente más bajo que en la actualidad, porque apenas si habrá mezclas que no contengan uno o dos materiales cementantes, así como también humo de sílice o metacaolín y varios tipos de rellenadores. Yo espero que los fabricantes de cemento lleguen a darse cuenta de que ellos tienen un mejor futuro con menos cemento portland por metro cúbico, pero con más metros cubicos de concreto en uso. Su reacción defensiva de oposición al empleo de otros materiales cementantes o rellenadores, o inclusive de aditivos, que aún prosigue en muchos países, no corresponde a su mejor interés, y ciertamente no corresponde al interés de los usuarios del concreto, y eso significa todo el mundo.

Algunos de los materiales necesarios para hacer concreto de buena calidad son costosos. Esto es cierto, por ejemplo, si hablamos del humo de sílice. Y sin embargo, el humo de sílice es un producto de desecho de la fabricación de aleaciones de silicón a partir de cuarzo de gran pureza y de carbón en un horno eléctrico de arco sumergido. Se requiere muy poco procesamiento adicional para hacer que el humo de sílice sea utilizable en el concreto. Así pues, el precio del humo de sílice está regido por la demanda, y no por el costo de producción. Tal situación es absolutamente apropiada en nuestro sistema económico, pero esto da margen para materiales alternativos.

Uno de tales materiales es la cáscara de arroz, adecuadamente procesada de modo que produzca un humo muy fino con alto contenido de sílice. La cáscara de arroz existe en abundancia en muchos países, pero en la mayoría de éstos, las instalaciones para la transformación y el procesamiento son deficientes. Por otro lado, la demanda de un material puzolánico de muy buena calidad y muy fino se halla principalmente en los países industrializados. De manera que existe una desproporción. Sin embargo, esto se resolverá probablemente con la transferencia de tecnología, y un fabricante importante de cemento ya está involucrado en el desarrollo de instalaciones apropiadas para el procesamiento de la cáscara de arroz en Asia.

Los superfluidificadores también son caros debido al alto costo de la producción de moléculas grandes y pesadas, pero igualmente en este caso hay posibles maneras de reducir los costos. Por ejemplo, se han diluido superfluidificadores con lignosulfonatos reductores de agua, que son más baratos. Sin embargo, esta situación está cambiando, debido a que las fábricas modernas de papel utilizan una tecnología que no proporciona lignosulfonatos utilizables como un subproducto, o producen lignosulfonatos con tantas impurezas que no pueden emplearse como reductores de agua en el concreto. Sin duda, el ingenio humano encontrará una manera de producir reductores de agua altamente efectivos y a un precio razonable.

Con todo, el costo de lo que hemos llamado "buen concreto" probablemente sea más alto que el costo del concreto actual con una alta relación agua/cemento. Este concreto, sin embargo, no es durable y, consecuentemente, con frecuencia requiere reparaciones y luego reparaciones a las reparaciones, y posiblemente su reemplazo. Todo esto cuesta dinero, aunque el costo inicial y el costo de las reparaciones y el mantenimiento puedan provenir de diferentes fuentes. Es lógico considerar el costo de todo el ciclo de vida, y nosotros estamos empezando a emplear este modo de ver las cosas. Una vez que sea plenamente apreciado el valor del costo del ciclo de vida, nosotros estaremos produciendo, en general, buen concreto.

El concreto, bueno, malo o regular, ha sido el material de construcción principal durante cerca de un siglo. Actualmente, en el mundo se está utilizando a una tasa anual de 1 m3 o 2.5 toneladas per cápita. No existe ningún competidor económicamente viable a la vista. Por lo tanto, podemos esperar que el concreto de alto desempeño, o simplemente el buen concreto, siga sirviendo al mundo durante un largo tiempo más.

Referencias

1. P.B. Bramforth,”In situ measurement of effect of partial portland cement replacement using either fly ash or ground granulated blast furnace slag on the performance of mass concrete”, Proc. Inst. Civ. Engineers, Part 2, septiembre de 1980. pp. 777-800.

2. A.M. Neville, “Concreting technology / an essential element of structural design”, Concrete International (1998).

3. P.C. Aïtcin, High performance concrete, E & FN Spon, 1998.

4. A.M. Neville, “Aggregate bond and modulus of elasticity”, ACI Materials Journal 4 (1), 1997, pp. 71-74.

5. A.M. Neville, Properties of concrete, 4ª. ed., Longman, 1995 y John Wiley, 1996.

6. P. Aïtcin, A.M. Neville y P. Acker, “Integrated view of shrinkage deformation”, Concrete International 19 (9), 1997, pp. 35-41.

7. M. Pigeon y R. Pleau, Durability of concrete in cold climates, E & FN Spoon, 1995.

* HPC corresponde al inglés high performance concrete. (OJO: va al pie de la primera página).

Mayor información acerca de las mezclas: A (Estados Unidos); B (Canadá; (C) Canadá; (D) Estados Unidos; (E) Canadá; (F) Canadá; (G) Marruecos; (H) Francia; (I) Canadá.

*Se sospecha que el alto contenido de agua fue ocasionado por la alta temperatura ambiental en Marruecos

Este artículo fue publicado en Materials and Structures y se reproduce con la autorización de la RILEM