Los variados materiales que se encuentran detrás de la palabra concreto son objeto de consideración en este artículo, cuyo propósito es mostrar la riqueza tecnológica que encierra el concepto mediante la explicación de los diferentes tipos no convencionales de concreto y la presentación de las propiedades de cada uno.

El concreto, hoy día uno de los dos materiales de construcción básicos, es la agrupación o concreción (de ahí su denominación anglosajona concrete) de partículas de piedra por medio de un aglomerante, constituyendo una especie de piedra artificial de elevada resistencia a la compresión, aunque baja a la tensión. En su preparación hay una fase plástica, que va desde el mezclado hasta el fraguado, teniendo por ello la propiedad de ser formáceo: de poderse colar en una cimbra de la forma deseada (en nuestro idioma, hormigón, se deriva de formicus‑formáceo).

   Con esta definición podemos encontrar materiales de construcción utilizados por diversos pueblos bastantes siglos antes de nuestra era. Así,¹ los asirios y babilonios fueron, con toda probabilidad, los primeros en mezclar cal, arcilla y agua, y los fenicios mezclaban cal con ladrillo más de 700 años antes de nuestra era y de la aparición de la civilización romana, de lo que nos han llegado bastantes ejemplos.

   Los romanos, sin embargo, marcaron un hito histórico en relación con el desarrollo de este material puesto que, de alguna manera, recogieron y documentaron su fabricación y método constructivo.² Utilizaron principalmente como componentes, además de la piedra triturada, la cal y la ceniza volcánica, que constituyeron una especie de primer tipo de cemento hidráulico. No solamente establecieron el material, sino también una tipología y técnicas de construcción a través de múltiples tipos de obras: palacios, edificios, puentes y acueductos, puertos y carreteras.

   A lo largo de los siglos hasta nuestra época, dicho cemento romano ha dado resistencia a buena parte de nuestras construcciones con materiales de la naturaleza descrita, en concurrencia poco diferenciada con las cales aéreas o hidráulicas. Pero la definición moderna de aquel aglomerante hidráulico que nos ha llegado a lo largo de tres mil años fue la patente del cemento portland en 1824 y, sobre todo, el descubrimiento del armado con acero del conglomerado, para proporcionar resistencia frente a los esfuerzos de tensión que aparecen en las construcciones.

   Este descubrimiento del mortero o concreto armado a mediados del siglo pasado condujo, a finales del mismo, a diversas patentes:³ Monier, Blanc, Ribera, Hennebique, con las que se construyó gran número de obras, a caballo entre los dos siglos. Otro paso adelante lo constituyó el desarrollo del concreto pretensado, Freyssinet, hacia 1930.

   Ha pasado bastante tiempo desde estos trascendentales descubrimientos, se han desarrollado enormemente sus planteamientos teóricos y, tanto el concreto armado como el pretensado, han alcanzado un alto grado de madurez. Sin embargo, en cierta manera, existe la percepción de que la sociedad no valora justamente el nivel de la técnica involucrada en esta tecnología de construcción, quizás por las apariencias comunes con la construcción más tradicional e, incluso en el mundo científico, da la sensación, a veces, de que se la considera una tecnología "menor" frente a los temas habituales "prioritarios", como son las tecnologías de la información, los "nuevos" materiales o el medio ambiente.

   Estimamos que dichas opiniones no hacen justicia a las tecnologías del concreto y que, a lo largo del tiempo, estamos asistiendo a un esfuerzo en todo lo que respecta al desarrollo de concretos y armaduras especiales, juntamente con una abundante investigación teórica y experimental, apareciendo en el mercado materiales con propiedades especiales, todavía poco utilizados, pero con futuro prometedor.

   El presente artículo pretende hacer una exposición conjunta sobre los principales tipos de concretos especiales: ligeros, poliméricos, con fibras y de alta resistencia, haciendo una sucinta presentación de su naturaleza y propiedades, leyes de funcionamiento y aplicaciones.

Concreto ligero

El concreto normal presenta el inconveniente de su elevada densidad que penaliza los pesos propios de la estructura. Por ello, en distintas épocas se ha buscado hacerlo más ligero, con la utilización de agregados ligeros, naturales o artificiales.

   Hay precedentes históricos como la cúpula del Panteón, en Roma, del siglo II a.c., de 44 m de diámetro, en donde se empleó piedra pómez como agregado de la mezcla.

   Pasando a nuestra época, en 1917 ya se produjeron en Estados Unidos agregados ligeros en hornos rotatorios por expansión de arcillas y pizarras que, entre otras cosas, se emplearon en calzadas de puentes y cascos de buque, experimentando dicha tecnología un fuerte desarrollo en los años cincuenta, debido a la construcción de rascacielos.

   El desarrollo en Europa de la fabricación de agregado ligero ha sido más lento aunque, en estos momentos, alcanza cotas de importancia.⁴

   Aunque los agregados ligeros pueden ser naturales, los concretos ligeros se basan en agregados fabricados industrialmente, por expansión, en hornos de arcilla o pizarra, en general, con lo que se logran unas propiedades definidas y fiables.

   La expansión crea un agregado que encierra cantidades variables de aire en su interior y que proporciona ligereza (densidades aparentes entre 300 y 800 kg/m³) y elevados valores de aislamiento térmico y acústico. La ligereza de los agregados se traduce en la del concreto con ellos fabricado, que oscila entre 1,000 y 2,000 kg/m³ para el concreto ligero estructural, alcanzando, sin embargo, resistencias elevadas que permiten el pretensado e incluso su calificación de concreto de alta resistencia (> 50 MPa).

   La fabricación de estos concretos precisa tener en cuenta, en lo que a dosificación respecta, los fenómenos de desecación por absorción de agua durante el mezclado, transporte y vertido, que afectarían la docilidad, aunque un exceso de agua perjudicaría el aislamiento térmico y podría permitir la flotación del agregado grueso, más ligero, debido a la vibración. El bombeo también es un tema para estudiar, debido a que la presión introduce agua de la mezcla en el agregado, secándola, con el peligro de que se forme una obstrucción en la tubería. Se necesita un curado más intenso que con el concreto normal, ya que el calentamiento de fraguado es mayor, debido a la menor masa presente y menor conductividad térmica.

   En cuanto al cálculo, en estos momentos se dispone de un Documento del Eurocódigo 2, la parte 1-4, titulada "Reglas generales. Hormigón de árido ligero de textura cerrada", que admite densidades entre 1,000 y 2,000 kg/m³ y considera resistencias entre 12 y 50 Mpa.⁵

   En general, se sigue la metodología de cálculo habitual del concreto, utilizando parámetros de características dadas especialmente para este material, con la posibilidad de utilizar un diagrama tensión-deformación bilineal.

Concretos poliméricos

La construcción en nuestros días viene exigiendo materiales que superen las propiedades habituales y las limitaciones existentes. En el dominio de los concretos que estamos tratando se persigue, desde hace tiempo, el lograr con rapidez resistencia altas y muy altas, sobre todo para prefabricados, a fin de disminuir tamaños, espesores y peso propio, siendo muy importante el disponer de una relación tensión/compresión más alta que en los concretos habituales.

   Además de la resistencia, la durabilidad es otra propiedad cada vez más valorada, hoy que observamos cierta vejez prematura de abundantes estructuras de concreto, construidas, ciertamente, con una tecnología incipiente y con defectos de calidad en muchos casos, pero que no permite olvidar cierta debilidad del concreto frente a ambientes agresivos.

   Teniendo en cuenta lo anterior, la utilización de polímeros en el concreto, que comenzó en los años 1950 en forma de adiciones para mejorar la adherencia y resistencia al desgaste de morteros o la fabricación de mármol artificial, ha dado paso, en los últimos 25 años, a un amplio reconocimiento de los concretos fabricados o modificados con polímeros como material de construcción. Dentro del campo de la tecnología de polímeros, en asociación con el concreto, se pueden distinguir tres tipos de materiales, de acuerdo con sus condiciones de fabricación.⁶

   El concreto modificado con polímeros se logra adicionando la resina en el mezclado de cemento y agregados, con lo que la matriz ligante queda constituida por cemento y polímero. El concreto impregnado con polímeros se fabrica por introducción de un monómero o polímero en la red de poros del concreto –ya endurecido– y posterior polimerización in situ, lo que provoca un taponamiento de los canales de contacto del concreto convencional con el exterior. Por último, la denominación de concreto polimérico se refiere al material que resulta del mezclado de los agregados con resinas como único aglomerante.

   Los polímeros empleados son variados, dependiendo del tipo de concreto, pero, en el caso de los citados últimamente (concretos poliméricos), las resinas más utilizadas son las epoxi, las de poliester insaturado y las de metacrilato.

   El hormigón polimérico es, en esencia, una mezcla constituida por dos fases: una continua, que es la resina, y otra dispersa, que es el agregado.

   Las características del material dependerán, fundamentalmente, de estos dos constituyentes , pudiéndose controlar para posibilitar la fabricación de un material "hecho a medida", de forma que tengan un amplio espectro de aplicación.

   En sus propiedades más elevadas puede obtenerse:

·         ‑Muy alta resistencia a la compresión, 100/150 MPa.

·         ‑Muy alta resistencia a la tensión, 30/40 MPa.

·         ‑Muy alta relación de las resistencias a la tracción y a la compresión, 1:4, frente al 1:10 del concreto normal.

·         ‑Gran rapidez de endurecimiento (horas).

·         ‑Excelente durabilidad frente a agentes químicos agresivos.

·         ‑Curva carga-deformación del tipo usual en concretos.

   Los principales problemas provienen de las propiedades viscoelásticas del polímero, lo que significa un módulo de elasticidad no demasiado alto, fluencia más acusada y susceptibilidad a la temperatura, que no podrá pasar de niveles del orden de los 100 °C.

   Hay que cuidar el valor de la tensión para cargas mantenidas, pues, por efecto de la fluencia, se llega a la rotura a niveles tensionales a veces sustancialmente menores que la carga de rotura. Para muchos concretos poliméricos comunes puede ser peligroso el mantenimiento de 50 por ciento de la carga de rotura.

   El manejo de estos concretos es el normal en cuanto a equipos de mezclado y compactación, pero debe estudiarse previamente el tiempo de polimerización que permita la colocación, sobre todo en grandes cantidades, que puede reducirse por efecto del calor desprendido, y prever posibles deformaciones residuales al endurecer, máxime cuando hay armaduras internas, que siempre es recomendable que se coloquen aunque el material presente una importante resistencia a la tensión. Otras precauciones deben dirigirse a la protección de los operarios y frente a incendio, debido a los volátiles que se producen, y a la limpieza de todos los útiles después del trabajo.

   Además del moldeado normal, es posible producir elementos por inyección, de espesores de 20 mm y menores, no teniendo las piezas por qué estar en los moldes más de 30 minutos. La prefabricación es un sector de gran potencial para una posible expansión de este tipo de productos. A las ventajas genéricas de los morteros y concretos poliméricos se unen, para este tipo de productos, las posibilidades de adhesión, fijación con insertos metálicos, color, textura superficial, etc. Además, la ligereza de las piezas frente a las de concreto tradicional las puede hacer competitivas, compensando el mayor precio con menores costos de transporte y de colocación.

   Un campo de utilización importante es el de la reparación de estructuras de concreto, gracias a las altas resistencias específicas, la posibilidad de pequeños espesores, la fuerte adhesión a los substratos y la impermeabilidad frente a agentes agresivos.

   Desde el punto de vista del cálculo,⁷ no hay todavía un código establecido, pero se obtienen buenos resultados con la metodología del concreto armado tradicional, adaptando el diagrama carga-deformación, de acuerdo con las propiedades específicas del material, a la forma parábola-rectángulo, rectángulo o triángulo-rectángulo, siendo esta última la que hemos tenido ocasión de comprobar.⁸

Concreto reforzado con fibras

Aunque se esté considerando un material moderno, las fibras se han utilizado históricamente para reforzar materiales frágiles: la paja, para los ladrillos de arcilla cocidos al sol; el pelo de caballo, para las molduras de yeso; el asbesto (hoy prohibido), para fabricados de cemento.

   En 1950 aparecen estudios y patentes de aglomerados de cemento con fibras distribuidas al azar, y en los años sesenta diversos científicos publican artículos que despiertan el interés de la investigación académica e industrial sobre el tema. A partir de ese momento ha existido una actividad muy intensa de investigación sobre estos materiales, a la vez que se ha construido con dichos productos.⁹

   Los materiales de cemento hidráulico reforzados con fibras suponen una amplia familia de productos. El comportamiento de estos materiales depende de la composición de la matriz, mortero o concreto, y del material de la fibra, su geometría, su distribución, orientación y concentración. Por ello, hay que admitir diferentes leyes de comportamiento dentro de los mismos.

   A continuación nos referiremos, fundamentalmente, a los concretos, dentro de la comparación que estamos haciendo.

   Las fibras pueden ser de acero, vidrio, sintéticas (acrílicas, aramida, carbono, nylon, poliester, polietileno, polipropileno) y naturales (coco, sisal, bagase). Si exceptuamos las fibras de acero, que pueden llegar a tener hasta medio milímetro de diámetro, las otras se mueven en diámetros de 10 a 100 micras. Sus resistencias oscilan entre 0,3 y 3,5 GPa, es decir, alcanzan valores hasta 10 veces el del acero corriente.

   Un parámetro característico de las fibras es, precisamente, el que define su esbeltez o aspecto (longitud dividida por diámetro equivalente), que para longitudes de fibras entre 6 y 75 mm tiene valores entre 30 y 150. Otra magnitud que influye en el comportamiento es el espaciamiento, que es función del porcentaje de fibra y de su diámetro o volumen.¹⁰

   El concreto reforzado con fibras tiene un mecanismo de comportamiento respecto al material en masa tal que la primera grieta se forma para cargas superiores, tanto más cuanto menor es el espaciamiento, estableciéndose, después de esa primera grieta, un periodo dúctil tras alcanzarse una resistencia máxima, que depende del volumen, del aspecto y de la adherencia de las fibras.

   Para las cantidades de fibra usuales, aumenta poco la resistencia en lo que respecta a la primera grieta, pero mucho, sin embargo, en lo referente a la resistencia última. La armadura a que equivalen las fibras es menor que con un armado tradicional unidireccional, pero en cambio ello mejora mucho la tenacidad de las piezas, por la dispersión de las orientaciones en todas las direcciones.

   Con fibras de acero hasta 4,5 por ciento de volumen, por ejemplo, se obtienen hasta 2,5 veces mayores resistencias a la flexión. La resistencia a la compresión aumenta sólo ligeramente, pero la tenacidad, energía necesaria para la fractura completa del material, se incrementa hasta valores del orden de 40 veces el correspondiente al concreto sin fibras. También es muy interesante la resistencia al impacto, la menor fluencia del material bajo carga mantenida y la gran mejora de la resistencia a la fatiga.

   La ejecución de estos materiales se hace normalmente por mezclado o por proyección. En el mezclado se presentan dificultades por la posible segregación y, sobre todo, por la formación de bolas y erizos, lo que puede paliarse utilizando agregado de tamaño máximo reducido, del orden de 10 mm. Eso lleva también a la utilización de agitadores para dispersar las fibras y alimentadores a continuación del paso por un tamiz. Se puede bombear con éxito, siempre que no se emplee un volumen muy alto de fibra y se utilicen tuberías mayores que las habituales. Hay que tener en cuenta que eso se hace, habitualmente, con el concreto lanzado por vía húmeda.

   La mejora generalizada que la fibra dispersa proporciona en resistencia a la tensión y tenacidad hace que se emplee bastante en losas de aeropuertos y carreteras, en la reparación de piezas con problemas de cavitación, en depósitos, bancadas y cimentaciones de máquinas que producen choques y vibraciones, muelles y rompeolas, etcétera.

Concreto de alta resistencia

El concepto de Concreto de Alta Resistencia (CAR) presenta cierto grado de arbitrariedad y ha variado con el tiempo. Así, en los años cincuenta, se llamaba alta resistencia a los 35 MPa, en los sesenta a los 40-50 MPa. Actualmente, la definición del CEB-FIP sirve de guía, indicando que son CAR los concretos cuya resistencia a la compresión está comprendida entre el límite superior que al respecto establecen actualmente las normas nacionales (alrededor de 60 MPa) y los 130 MPa, valor máximo que, en la práctica, puede alcanzarse con agregados convencionales.

   Otras definiciones del CAR se basan en aspectos distintos a la resistencia como el que utiliza humo de sílice o aquél en el que el mortero es tan resistente como el agregado. Últimamente se suele referir a este tipo de concretos con el apelativo de Concretos de Alto Desempeño (CAD) significando que las características de composición inherentes a los concretos de alta resistencia implican la existencia de otras propiedades adicionales muy importantes: facilidad de compactación, resistencia a agentes agresivos y mayor durabilidad, entre otras.

   Los elementos fundamentales que concurren en un CAR son:^{11, 12}

-          Elevado contenido de cemento 400-500 kg/m³, procurando que sea de bajo contenido de adiciones para mayor actividad puzolánica, regularidad en su composición y bajo calor de hidratación. Son factores limitadores de la dosificación la posible falta de dispersión del cemento en la mezcla y la máxima temperatura admisible en el fraguado.

-          Muy bajo contenido en agua, relación a/c de 0,25-0,4, con elevada trabajabilidad, que permita colocar el concreto en zonas de alta densidad de las armaduras, lo que se logra mediante la utilización de reductores de agua de alto rango (superfluidificantes), cuya compatibilidad con el cemento debe ser comprobada y que en dosificaciones excesivas pueden generar problemas de pegajosidad de la mezcla.

-          Acción cementante y reducción de huecos por adición de partículas sólidas como la microsílice o las cenizas volantes.

      La microsílice o humo de sílice, que se obtiene como subproducto de la fabricación del

      ferrosilicio, consiste en pequeñísimas esferas de SiO₂ de 0, 1-0.2 micras de diámetro, lo que

      afina, por una parte, el sistema de poros y, por otra, se combina con la cal libre del fraguado del

      cemento, produciendo silicatos de calcio hidratados. Se emplea, en general, en proporciones de

      5 a 10 por ciento del peso del cemento.

      Las cenizas volantes se utilizan por su acción puzolánica, que es menos activa y más lenta que

      la de la microsílice. Son porcentajes normales 15-25 por ciento del peso del cemento.

-          Agregados de calidad que permitan el desarrollo de elevada resistencia, siendo generalmente su tamaño máximo reducido 12-14 mm, puesto que dan lugar a menores concentraciones de tensiones en la zona de transición entre los agregados y la matriz del concreto.

   Aun cuando los CAR son materiales de la misma familia de los concretos habituales, sus propiedades y magnitudes que deben introducirse en los cálculos no pueden obtenerse simplemente por extrapolación de los concretos normales, por lo que estamos asistiendo a una gran actividad de investigación sobre el tema.

   Como es de esperar, la fabricación de los CAR tiene sus peculiaridades. Al ser la mezcla muy seca, existen problemas en su homogeneización, en especial que el superfluidificante se distribuya por igual en la pasta, siendo, entre otras cosas, el tiempo de mezclado 50 por ciento mayor que para los concretos normales, estimándose conveniente un mezclado más enérgico que el de un concreto convencional. El muy alto contenido de cemento y el bajo tamaño de agregado lo hacen especialmente apto para el bombeo.

   Con los niveles de resistencia que se pretende, es fundamental la precisión en la dosificación de los componentes y el aseguramiento de la calidad de los mismos.

   Desde el punto de vista de las propiedades y de las diferencias con los concretos habituales, la más significativa es el diagrama tensión-deformación, que resulta notablemente diferente del concreto convencional. Se caracteriza por:

-          Una rama, prácticamente lineal hasta la tensión máxima, debido a que la microfisuración de la interfase pasta-agregado se produce a 90 por ciento de la rotura. Dichas roturas son frágiles y explosivas.

-          La deformación para la tensión máxima es algo superior a la habitual, pero la deformación última es inferior, tanto menor cuanto mayor es la resistencia.

-          La curva de caída de resistencia a partir de la rotura presenta mayor pendiente.

   Otras diferencias cualitativas son el menor coeficiente de Poisson (lo que hace que en los CAR sea menos eficaz el zunchado), el más pequeño coeficiente de reducción de resistencia por cargas permanentes, la menor relación resistencia a la tensión/compresión y el aumento de la durabilidad, debido, en general, a su alta compacidad.

   Hoy día hay abundante normativa internacional que proporciona, bien sea como norma específica o como adición a la convencional, parámetros de cálculo para el dimensionamiento.

   En cuanto a la utilización en edificios, es, sobre todo, en los de gran altura donde es más clara e inmediata, por la gran repercusión de los muy altos niveles de resistencia en las columnas en que predomina la compresión, facilitando, asimismo, unos menores plazos de descimbrado por el rápido desarrollo de resistencias a primeras edades. El bombeo facilita la ejecución y se logra una sustancial reducción de la sección transversal, con gran reducción de costos por menor volumen de concreto y costos derivados y aumento de la superficie disponible con el consiguiente margen en la venta.

   En puentes, más que la pura resistencia es el alto desempeño el que motiva de forma creciente su utilización. Mayores claros, menores deformaciones y menores pérdidas de pretensado por fluencia reducida son ventajas que pueden lograrse, junto con una larga vida de servicio garantizada por la mayor durabilidad.

Otros concretos

Se pueden citar también, aunque incipientes, otras tentativas actuales en este campo:

Concretos de polvo reactivo

Son concretos de ultra-alta resistencia reforzados con fibras de acero.¹³ Su resistencia a la compresión se encuentra entre 200 y 800 MPa y la resistencia a la flexión puede alcanzar 140 MPa. Se pueden producir con muy altas dosificaciones de cemento portland (900-1,000 kg/m³), humo de sílice, arena, superfluidificante y fibras metálicas. En su colocación puede utilizarse calor y presión.

Concreto de azufre

Son concretos obtenidos por mezcla en caliente (análogamente a los aglomerados asfálticos) de azufre, agregados, rellenos minerales y adiciones poliméricas.¹⁴ Con excepción de la resistencia al fuego, pueden presentar propiedades de todo orden superiores a los concretos hidráulicos normales, pudiendo ser armados y siendo valorados, sobre todo, donde se necesite excepcional desempeño frente a los ataques químicos, por la rapidez de endurecimiento o la impermeabilidad.

   Y, finalmente, nos podríamos referir a los variados conglomerados que se desarrollan para aprovechamiento de residuos y subproductos en esa tarea ecológica que, por inerte, se le asigna al cemento.^{15, 16, 17} Se hacen concretos que sustituyen parte del agregado por diferentes residuos tales como neumáticos o residuos plásticos, debidamente troceados, arenas y escorias de productos siderúrgicos, ladrillos o concretos reciclados, celulosa, madera o cenizas. Sobre todos estos materiales hay investigaciones en marcha y se obtienen propiedades que, en algún caso, son estructurales, pero en otros, se limitan a aumentar significativamente alguna propiedad específica, como son la ligereza, el aislamiento térmico o acústico, la resistencia al choque, la resistencia a la tensión, el amortiguamiento de vibraciones, la ductilidad o la fisurabilidad.

Conclusión

De todo lo anterior se constata la variedad de propiedades que abarcan los distintos tipos de concretos más utilizados. Aunque todavía queda bastante por investigar, en algunos de ellos existe una gran proporción de aptitudes ‑ya desarrolladas y disponibles‑ siendo, de hecho, los tipos especiales utilizados de forma creciente.

   La idea del concreto como de un material único, de bajo contenido tecnológico y utilizado por mano de obra escasamente calificada, debe rechazarse. El técnico competente dispone para cada tipo de utilización distintos tipos de concreto y de calidades, sin olvidar las variedades de cemento y de aditivos disponibles.

Bibliografía

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Este artículo fue publicado en Informes de la Construcción, vol. 49, núm. 454, y se reproduce con la autorización del Instituto Eduardo Torroja. Para facilidad de nuestros lectores, hemos adaptado la terminología a la acostumbrada en México y por ello hemos sustituido algunas palabras del texto original por su equivalente respectivo.

(Pie de figura:) Diagramas tipo tensión-deformación para diferentes concretos.