El cemento portland mezclado con agua y agregados, o inclusive con tierra, se puede combinar de muchas maneras, desde suelo-cemento, hasta concreto con arena/grava y concreto de granos finos, es decir, mortero. El arenacreto no es una simple mezcla de cemento, agua y arena, sino una mezcla en la cual una combinación de cemento y relleno reemplaza al cemento simple. El relleno es un material inerte o casi inerte, o puzolánico, y su finura es del orden de magnitud de la finura del cemento, de 200 a 400 m²/kg. El contenido de cemento portland de tal mezcla no se diferencia grandemente del contenido usual de cemento C del concreto ordinario, variando de 300 a 400 kg/m³, pero sí se diferencia del contenido de cemento del mortero C': de acuerdo a Faury: C' = C(D/D')^0.20 con C = 300 kg/m³ para un concreto con grava (grava 5/^D) con D = 20 mm, para un mortero con D' = 5.0 mm, C' = 545 kg/m³.¹ Con el arenacreto, una combinación de 300 kg/m³ del mismo cemento y de 245 kg/m³ del relleno producirá una mezcla de la misma consistencia, y si el relleno proporciona algún efecto cementante, la mezcla tendrá una resistencia casi equivalente a la del concreto de 300 kg/m³ con grava de 0/20 mm.
 

Antecedentes históricos

El primer ingeniero que utilizó concreto sin agregado grueso para estructuras altas fue probablemente François Coignet: en su torre del faro de Puerto Said, de 52 m de alto, construido en 1869, utilizó arena de playa, y la estructura aún está en servicio.² Después de la segunda guerra mundial, en la antigua URSS, en las vastas áreas donde sólo podía encontrarse arena, los pavimentos de carreteras y aeropuertos, y toda clase de construcciones, fueron reconstruidos con arenacreto.³ En Francia, donde la extracción intensiva de arena y grava de los valles de los ríos es cada vez más limitada, se está desarrollando el empleo de la piedra triturada, pero en algunas regiones, existen sin utilizarse grandes depósitos de arena, particularmente en el sur de Burdeos. En 1968 se echó a andar un proyecto nacional de investigación bajo el nombre de MATERLOC, con el objetivo de "usar de manera óptima los materiales locales". Una sección de este proyecto, bajo el nombre de SABLOCRETE, probó las arenas y las mezclas de cemento/relleno/arena de varios orígenes (arena de naturaleza y granulometría variadas; rellenos de piedra caliza triturada, cuarzo triturado, ceniza volante, escoria triturada) con y sin aditivos químicos, y, al final del programa de seis años, presentó sus conclusiones y recomendaciones en un libro de 237 páginas publicado en noviembre de 1994.⁴
 

Diseño de mezclas de arenacreto

El método de diseño recomendado empieza con la ley de Caquot, que relaciona el contenido de vacíos de una combinación granular con su expansión, de d a D mm,: v = v (d/D)^0.20. Aplicando esta ley, donde D < 5.0 mm y tomando en cuenta el número de pruebas, el contenido óptimo de finos de una mezcla de arenacreto, (finos = cemento V + relleno F), es, por volumen, muy cercano a : (C = v) = 0.38 (0.08/D)^0.20 para una arena de 0.08/D. El correspondiente contenido de agua más aire atrapado está relacionado con una expansión más ancha de D a d de la combinación: cemento/relleno/arena (C/F/S) por peso); para la finura usual de la combinación C/F, d es cercano a 0.020 mm, pero cuando se utiliza una amplia variedad de aditivos reductores de agua, d, varía de 0.005 a 0.007 mm, inversamente proporcional a la finura media de la combinación C/F y a su peso específico.

Las mezclas del cuadro 1 han sido diseñadas con este método. La resistencia a la compresión a 28 días de cilindros de 16/32 cm, (o con mayor frecuencia de 11/22 cm), se ha calculado por medio de la fórmula de Féret:

donde Rc es la resistencia ISO del cemento portland de gravedad específica de 3.15 g/cm³, y C y F, en kg/m³, son el contenido de cemento y relleno (la diferencia entre el peso específico del cemento y del relleno se considera nula) con la resistencia promedio a 28 días del cemento, siendo igual a 55 MPa para el grado 42.5 y 65 MPa para el grado europeo de 52.5.

Es obvio, a partir de la figura 1(a), que los mejores resultados se obtienen con arena de río bien graduada, de 0.08 /5.0; sin embargo, la arena de duna (0.08/1.25) también se usa cuando no se dispone de las otras, pero con mezclas más ricas en cemento. Cuando puede conseguirse, resulta también más económico usar ceniza volante; (el factor de equivalencia cementante de FA para combinaciones de 60/40 es de aproximadamente 0.30 y, por la experiencia francesa, es de 0.15 o más, para combinaciones 60/40 de rellenos de piedra caliza.

La misma resistencia de 25 MPa se puede obtener con una mezcla de grava de 20 mm con el mismo cemento y el aditivo HRWR, con 280 kg/m³ de CEM 42.5 únicamente. Mientras se disponga de grava, inclusive a precios ligeramente más altos que la arena, en la actualidad las mezclas de arenacreto no son económicas para las necesidades usuales de construcción, salvo cuando se requieren propiedades especiales.

Cuando se "carguen" con grava, una relación de grava/(arena + grava) < 0.30 preservará las propiedades especiales del arenacreto: se ha obtenido alta bombeabilidad, sin segregación, excelente relleno alrededor del refuerzo congestionado o en miembros de secciones delgadas,¹ excelente acababilidad, mayor resistencia y un módulo de elasticidad mayor. Tal fue el caso con las vigas de arenacreto pretensadas del proyecto habitacional de Burdeos-Mériadec [figura 1(b)].

Usos típicos del arenacreto: Colocación de concreto bajo el agua

Se usaron exitosamente arenacretos de clases de resistencia de C15 a C25 MPa en el sudeste de Francia para reforzar las subestructuras de puentes de ríos o rompeolas de rocas.⁴ Algo de los 390,000 m³ de tal mezcla se bombeó para llenar el intervalo circunferencial entre el extradós de los segmentos de Transmanche y la parte francesa del túnel. La mezcla básica contenía, para los 1,200 kg/m³ de arena de 0/4, 120 kg/m³ de cemento portland, 50 kg/m³ de cal hidráulica, y 230 kg/m³ de ceniza volante, con varios aditivos químicos, siendo de solamente 5 MPa la resistencia requerida.⁵ Pilas de concreto reforzado colado en el lugar para la calzada de un puente cerca de Lille: en vez de un concreto de grava convencional C25 MPa con 400 kg/m³ de CEM 32.5, se colocó arenacreto: 1,440 kg/m³ de piedra caliza triturada de 0.5, 370 kg/m³ de cemento CEM 32.5 y 160 kg/m³ de ceniza volante: la resistencia a 28 días obtenida fue de 36 MPa y el módulo de elasticidad de 24,000 MPa.⁶

Usos típicos: Bloques de defensa no reforzados
 

Se está probando la durabilidad y la abrasión de los acrópodos en el nuevo rompeolas del puerto de Saint Denise d'Oléron: 12 acrópodos de arenacreto (figura 2) fueron colocados entre acrópodos de concreto convencional. Después de varios años de severa exposición a las olas, y al desplazamiento de arena, su comportamiento no es diferente al de los otros. Para 1,550 kg/m³ de arena de playa de 0/2 mm (no lavada), había 350 kg/m³ de cemento, 200 kg/m³ de relleno de piedra caliza, 175 l/m³ de agua total, 0.15 l de agente inclusor de aire y 9 l de aditivo HRWR. La resistencia de los corazones variaba de 29 a 32 MPa, con una peso específico de 2.22 a 2.19 t/m³. Comparado con el peso específico de 2.58 de los tetrapodos convencionales, usando roca triturada de 31.5 mm, y acrópodos de 2.20 t/m³ para el rompeolas, hubiera llevado a la adopción de una pendiente más suave. Tales diseños son inaceptables si, como en el caso de la mayor parte de la costa del África Occidental, la roca sacada de las canteras tiene que ser importada, habiendo gran cantidad de arena de playa.⁷
 

Usos típicos: Losas secundarias de carreteras

Durante el programa SABLOCRETE, se colaron siete franjas de 55/14.8 m de pistas de maniobras de un grosor de 0.20 m en el aeropuerto militar de Dijon, con arenacreto líquido cargado o descargado. La resistencia de los corazones a 28 días fue, respectivamente, de 42 y de 34 MPa, y el módulo de elasticidad de 26.070 y 19.230 MPa. Ambas mezclas tenían un revenimiento de 20 cm. Las dos tenían aire incluido y estaban superplastificadas:

Futuro del arenacreto

La producción de agregados de concreto de depósitos aluviales cayó entre 1983 y 1993 del 62 al 51 por ciento de la producción total. Debido a las actuales restricciones sobre la mayor explotación de los lechos de los ríos, probablemente representará no más del 30 por ciento en el año 2003. La producción de agregados dragados del mar se está elevando, pero consiste principalmente en arena. Actualmente se ordena arenacreto sólo cuando sus propiedades especiales hacen que se considere necesario. Para concretos de resistencia media o baja, todavía no es económicamente atractivo, pero sí puede serlo en el futuro cercano. En el área de París, la tendencia es manifiesta: hace 20 años, la relación de arena/arena + grava) variaba de 0.35 a 0.40, y actualmente, la industria de concreto premezclado emplea relaciones de 0.50 a 0.60.

Referencias

1. Stamenkovic, H., "Prevention and repair of voids around congested reinforcement", ACI Journal, enero-febrero de 1984.

2. Poitevin, P., "Sand concrete, yesterday and today", FIP notes, 1986-1982.

3. Chauvin, J.J., "Le béton de sable en Union Soviétique", Bulletin de liaison des labos P. et Ch. 174, julio-agosto de 1991, ref. 3589.

4. Billhouet, H. P. Delude y otros: Bétons de sable, caractéristiques et pratiques d'utilisation, Presses de l' ENPC, París, 1994.

Poitevin, P., "Channel tunnel: concrete lining, segmental and non-segmental", Int. Conf. Concrete across borders Odensee, 1994.

6. Kittel, D., "Propriétés d'usage du béton de sable, béton de sable pour pieux d'ouvrages d'art, Laboratoire Régional Nord/Pas de Calais, 1991.

7. Projet National SABLOCRETE, "Expérimentation de blocs ACCROPODES en béton de sable, Rapport, 1991.

Cuadro 1. Mezclas teóricas de arenacreto (sin aire incluido). La resistencia a compresión a 28 días en cilindros de 11/22 cm: 25 MPa cuando se utiliza cemento portland de grado europeo igual a 42.5, 30 MPa con grado 52.5 (resistencia mínima a 28 días ISO), FL: relleno de piedra caliza (Blaine 250/350 m²/kg), FA: ceniza volante tipo F ASTM)
 

0/08/D mm arena, D: mm 1.25 2.5 R.0

Tipo de relleno FL FA FL FA FL FA

Contenido de cemento kg/m³ 380 355 330 305 290 265

Contenido de relleno kg/m³ 270 250 230 215 200 190

Contenido total de agua (l) 1/m³ 237 237 206 206 180 180

Contenido de aire atrapado 1/m³ 47 47 41 41 35 35

Contenido de arena seca kg/m³ 1,315 1,315 1,490 1,490 1,640 1,640

Densidad del arenacreto mojado kg/m³ 2,200 2,155 2,260 2,220 2,350 2,310

(Pies de figuras:)
 

Figura 1. Mezclas de arenacreto ordinario. Contenido de cemento portland en relación con el diámetro máximo de la arena.
 

(Textos interiores:)

(a) revenimiento

(b) c/relleno de piedra caliza 60/40 por volumen

(c) ceniza volante

(d) 60/40 por volumen

(e) mallas AFNOR
 

Resumen:

La conveniencia de utilizar los materiales existentes en la región para la fabricación del concreto es una de las razones que impulsan la experimentación de nuevas mezclas. Este artículo informa sobre algunos trabajos realizados en Francia con una combinación que aprovecha la arena y que, según el autor, tiene posibilidades de desarrollo.