Tecnología del concreto premezclado
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PRESENTACIÓN: Luego de exponer las causas de los principales deterioros que puede sufrir
el concreto premezclado y señalar la manera de evitarlas al diseñar el
material, el autor hace hincapié en la necesidad de que las empresas
productoras investiguen la manera de resolver los problemas intrínsecos
del concreto y da a conocer algunos desarrollos realizados en el Cidetec,
el centro de investigación de Cemex.
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Ingeniero César Constaín Van-Reck En
las últimas décadas se ha estado dando un fenómeno migratorio de la
población rural hacia las ciudades en todo el mundo. En 19501
había 83 aglomeraciones urbanas con más de un millón de habitantes;
para 1970 la cifra era de 165, en 1996 creció aún a 336 y se espera que
en el año 2015 haya 527 aglomeraciones urbanas con más de un millón de
habitantes. De éstas, 16 tienen más de 10 millones de habitantes.
En 1998, la población mundial
alcanzaba la cifra de 5,900 millones de humanos y se espera que en el año
2050 la población sea de 8,900 millones. Así mismo, en 1996, 46 por
ciento de la población mundial vivía en zonas urbanas y se estima que en
el año 2030 esta cifra ascenderá a 61 por ciento.
México no está exento de esto;
en 1950, 42 por ciento de la población1 era urbana, mientras
que en 1990 este valor ascendió a 64 por ciento y se espera que en 2010
la población urbana representará 82 por ciento del total.
Actualmente, 25 por ciento de la
población de México está concentrada en 2 por ciento del territorio
nacional, representado por las zonas conurbadas de Monterrey, Guadalajara
y el Distrito Federal.
Como se puede ver en las cifras
anteriores, los problemas en la calidad del servicio serán cada vez más
y más importantes en la industria del concreto premezclado. Para poder
seguir siendo competitivas, las compañías productoras de concreto tienen
y tendrán que recurrir al uso de sistemas que les permitan mantener un
nivel efectivo en el suministro de sus productos.
Actualmente, el grupo Cementos
Mexicanos ha organizado su flotilla de camiones revolvedor bajo el control
de una central; de forma tal que cada unidad moto-revolvedora está
equipada con una computadora enlazada vía satélite con los sistemas de
comunicación, permitiendo a los conductores informar constantemente su
ubicación y estatus.
Estas unidades revolvedoras están
conectadas con el centro de operaciones, diseñado para hacerse cargo
inmediatamente de los pedidos de concreto. Este sistema, operado por
despachadores centrales, elige la combinación óptima de camiones
revolvedores y plantas dosificadoras para atender cada pedido, con base en
un constante flujo de información en tiempo real acerca de las
condiciones de tránsito, unidades y plantas disponibles, localización de
la obra, especificaciones del pedido y el historial del suministro del
pedido.
Adicionalmente al logro de la
lealtad de los clientes, con el apoyo de los empleados, el nuevo sistema
ha elevado la eficiencia al punto de incrementar la productividad del
equipo móvil en 30 por ciento.
Otro de los aspectos que sin
duda están cobrando un papel muy importante en la industria del concreto
premezclado, al igual que en otras áreas del quehacer humano, es el tema
ecológico. Cada vez son más estrictos los controles que se requieren
implementar con objeto de prevenir daños al medio ambiente.
Dentro del grupo Cementos
Mexicanos se difunden los temas ecológicos en las publicaciones internas.
Con el fin de remarcar la importancia de cuidar el medio ambiente y crear
una cultura ecológica, en las plantas dosificadoras se han implementado
diversos sistemas que permiten controlar los aspectos que pueden
significar daño para los empleados, la comunidad y el medio ambiente.
Estos sistemas incluyen fosas de
lavado y decantación en donde se trata de evitar que toda el agua
sobrante del proceso de elaboración del concreto contamine el medio
ambiente; captadores de polvo, los cuales impiden que las partículas que
se generan en el proceso rebasen los límites de la planta, e inclusive
dentro de las propias instalaciones se evita tener partículas
suspendidas. Así mismo, para lograr que el ruido no sea perjudicial, las
instalaciones se crean con las dimensiones necesarias y se establecen
sistemas para impedir su propagación al exterior. Paradigmas Por
décadas el parámetro para la evaluación del concreto en estado
endurecido ha sido la resistencia a la compresión;sin embargo, los
resultados de esto han sido que actualmente se estime en 13 mil millones
de pesos el monto necesario cada año para la reparación de estructuras
de concreto en México.2 Es importante mencionar que, en la
gran mayoría de estas estructuras dañadas, los concretos empleados
cumplieron con las especificaciones en cuanto a la resistencia a la
compresión. Esto nos ha mostrado que la resistencia a la compresión no
es el único requisito que se le debe pedir al concreto; por cierto, es sólo
el requisito mínimo. Junto con su cumplimiento se debe dar también la
uniformidad del concreto, ya que éste puede estar cumpliendo con la
resistencia a la compresión especificada pero con una gran variabilidad,
lo cual no es deseable por los problemas constructivos y de
comportarniento estructural que nos puede provocar el tener en una misma
estructura concretos con diferentes resistencias a la compresión, con la
única caracteristica de tener una resistencia mínima especificada. Mas
alli del f‘c Durante
muchos ahos, y aún en la actualidad, se ha considerado que el concreto es
un material que mantiene sus propiedades durante toda su vida útil. Así
mismo, se consideraba que los agregados eran inertes, es decir, que no
reaccionaban química y físicamente ante ningún compuesto o materia. Sin
embargo, la experiencia ha mostrado que esto no es así.
Típicamente, el único
requerimiento que se exige a los agregados es que su granulometría esté
dentro de las curvas especificadas en las normas de calidad. Por ello, en
ocasiones es posible Ilegar a tener agregados que, a pesar de cumplir con
este requisito, presenten picos en su granulometria, lo cual puede
contribuir a tener concretos con características físicas que, en estado
fresco, contribuyan a la segregación y el sangrado, y en estado
endurecido, a la alta permeabilidad. Sanidad Otro
factor importante es el grado de alteración de las características físicas
y químicas del agregado debido a procesos de erosión e intemperismo.
Estas alteraciones provocan un daño en la dureza, densidad, porosidad y
composición mineralógica de los agregados, entre otras características,
lo cual repercute en la calidad final del concreto.
Por tal motivo, se debe Ilevar a
cabo un estricto control de calidad sobre la sanidad de los agregados.
Dicha sanidad tiene que ser evaluada mediante pruebas, tales como las
indicadas en las referencias NOM C-75, ASTIM C-331, ASTM C-142, ASTM
C-535, ASTM C-131 y ASTM C-295, entre otras.
Esto es necesario porque, en
ocasiones, se puede tener un agregado que esté libre de materiales
contaminantes, con una adecuada granulometría, pero cuyo uso no sea
recomendable para la fabricación de concreto ya que tarde o temprano
provocaría algún daño en la estructura de concreto, por ejemplo, pop-out, reacciones quimicas entre la pasta y el agregado, etcétera. Reacción
álcali-sílice La
combinación del cemento con el agua en el seno del concreto genera un
medio altamente alcalino donde las partículas de agregado se encuentran
inmersas. En estas condiciones, algunos agregados reaccionan químicamente
con el medio de contacto, dando lugar a la formación de un gel que, al
absorber agua, se expande y crea presiones capaces de desintegrar el
concreto. Estas reacciones químicas, denominadas genéricamente álcali-agregado,
han sido causa del deterioro prematuro de importantes estructuras de
concreto en diversas partes del mundo.3
La reacción álcali-sílice,
que es un tipo de reacción álcali-agregado, inicia cuando los hidróxidos
alcalinos (NaOH, KOH) presentes en el fluido de poro del concreto atacan
la superficie de los minerales silicios en el agregado, formando un gel y
ocasionando una alteración de la superficie del agregado, conocida como
borde de reacción. El gel resultante tiene una gran afinidad con el agua
y, consecuentemente, una tendencia a incrementar su volumen. El gel
expandido ejerce una presión interna que es suficiente para fracturar el
concreto.4 A estos
factores se suma un tercero, representado por la humedad, que más bien
funge como un agente catalizador de la reacción. También hay que tomar
en cuenta las proporciones en que se hallan los elementos participantes.
El mayor riesgo de que se
produzca una reacción deletérea ocurre cuando se reúnen tres
condiciones en el concreto:3 1.
El uso de
un cemento portland de alto contenido de álcalis (más de 0,60 por ciento
expresado como Na2O); particularmente si el contenido de álcalis
en el concreto excede los 3 kg/m3. 2.
El empleo
de agregados que contengan rocas y minerales reactivos con los álcalis en
las proporciones que resulten críticas para cada tipo de roca o mineral. 3.
La exposición de la estructura de concreto en servicio a un medio
de contacto húmedo; principalmente cuando se producen alteraciones de
humedecimiento y secado, o disipación de humedad a través del concreto.
Debido a que en ocasiones es
imposible sustituir el agregado reactivo porque con frecuencia no resulta
económico, es necesario someter a prueba los agregados seleccionados para
producir concreto. Se recomiendan los análisis y estudios siguientes para
identificar y verificar el carácter reactivo de los agregados con los álcalis: 2.
Análisis
petrográfico. 3.
Determinación de la reactividad álcali-agregado mediante el Método
Químico ASTM C 289. 4.
Determinación de la reactividad álcali-agregado mediante el Método
de Barras de Mortero ASTM C 227. 5.
Procedimiento de Prueba acelerados como el Método ASTM C 1260.
Una vez conocido el carácter
reactivo de los agregados, es importante tomar medidas preventivas contra
este tipo de reacción en el concreto:4 •
Si existe la posibilidad, utilizar agregados no reactivos. •
Emplear cemento de bajo contenido de álcalis. •
Limitar el contenido de álcalis en la mezcla de concreto. •
Utilizar materiales cementantes suplementarios. Fatiga La
fatiga se refiere al caso de elementos estructurales, por ejemplo losas de
puentes, pavimentos, de concreto hidráulico y durmientes de ferrocarril
de concreto presforzado, que constantemente trabajan sometidos a la acción
de cargas repetidas que les producen variaciones cíclicas en los niveles
de esfuerzos. En esta condición, se provoca paulatinamente en el concreto
un estado según el cual, después de cada ciclo de carga y descarga, se
acumula una deformación adicional permanente, de modo que al cabo de
cierto número de ciclos, que depende del intervalo de fluctuación de los
esfuerzos aplicados, se Ilega al estado de deformación crítico en que
sobreviene la falla del concreto. A este tipo de falla, que depende del
tiempo requerido para acumular el número necesario de ciclos, de acuerdo
con la fluencia de éstos, se le llama falla por fatiga. Flujo
plástico El
flujo plástico se define como el incremento de la deformación del
concreto sujeto a un esfuerzo constante con el transcurso del tiempo. El
flujo plástico es particularmente importante en las estructuras de
concreto presforzado, el cual se emplea típicamente en puentes, losas de
grandes claros, elementos prefabricados, así como en columnas de
edificios, las cuales están sometidas a cargas por largo tiempo. Cuando
en el diseño estructural no se considera el flujo plástico del concreto,
las estructuras pueden Ilegar a la falla.
Existen muchos factores que
influyen en el flujo plástico del concreto, entre los que podemos
mencionar los siguientes: •
Relativos al concreto: relación agregado-cemento, relación agua-cemento,
tipo de agregado y su graduación, composición y finura del cemento,
contenido de humedad y edad al momento de la carga. •
Relativos a la estructura: intensidad y duración de la carga, humedad
ambiental y tamaño del elemento estructural. •
Relativos al agregado: menor flujo plástico a mayor tamaño máximo de
agregado: Los concretos que emplean agregados de origen andesítico, por
ejemplo en la ciudad de México, presentan mayores valores de flujo plástico
que aquellos que usan agregados de origen calizo. •
Relativos a la resistencia a la compresión del concreto: cuanto mayor sea
la resistencia a la compresión, menor será el valor de flujo plástico
del concreto, considerando la misma intensidad de carga y condiciones geométricas
de la estructura y del ambiente.
La mejor manera que disminuir el
flujo plástico del concreto es mediante el uso de agregados de excelentes
propiedades mecánicas, bajas relaciones agua/cemento y concretos de alta
resistencia, los cuales, se ha visto, tienen menores valores de flujo plástico
que los concretos de menor resistencia. Sulfatos Los
sulfatos (S04) son componentes químicos presentes en suelos y
agua, los cuales atacan al concreto. El agua de mar contiene cantidades
altas de sulfatos, generalmente en el orden de tres mil partes por millón
(3 mg/l). El contenido de sulfatos en suelos varía ampliamente, pudiéndose
encontrar contenidos en el orden de 0.1 a 2 por ciento en peso o mayores.5 El
mecanismo de ataque se inicia con la difusión de los sulfatos a través
de los poros del concreto; dicha difusión depende principalmente de la
permeabilidad del material. Una vez dentro del concreto, los sulfatos
pueden reaccionar con el hidróxido de calcio formado durante la hidratación
de los componentes del cemento, produciéndose sulfato de calcio, que es
un compuesto expansivo. Adicionalmente, el sulfato de calcio reacciona
también con el monosulfoaluminato, el cual se produce durante la
hidratación del cemento, y el producto final será la formación de
ettringita, que es así mismo un compuesto altamente expansivo.
El ataque de sulfatos (sulfato
de sodio y magnesio) al concreto resulta en pérdida de resistencia y
agrietamiento de las estructuras, reduciendo su periodo de vida útil e
incrementándose los costos de mantenimiento y, finalmente, poniendo en
riesgo la integridad de la estructura de concreto. A continuación, se
muestra una tabla con los diferentes grados de ataque de los sulfatos. Tabla
1. Grados de ataque de los sulfatos al concreto6 Grado
de
% en peso de S04 en suelos
Ppm de S04 en muestras de ataque
agua Despreciable
0.00-0.10 0.0-150 Moderado
0.10-0.20 150-1,500 Severo
0.20-2.0
1,500-10,000 Muy
severo
2.0 o más
Mayor a 10,000
En las estructuras que se determine que van a estar sometidas a
ataque por sulfatos, el concreto se debe diseñar de acuerdo con el grado
del ataque. Los puntos clave por considerar son los siguientes: ·
Permeabilidad:
podemos considerar que un concreto tiene una baja permeabilidad7
cuando k (coeficiente de
permeabilidad) es menor a 1 × 10–11 m/seg; una mediana
permeabilidad cuando k = 5 × 10–11
m/seg, y una alta permeabilidad cuando k
= 1 × 10–10 m/seg. ·
Relación
agua/cemento: de acuerdo con las condiciones del ataque, pueden requerirse
relaciones agua/cemento de hasta 0.35. ·
Tipo de
cemento: típicamente se ha recomendado el uso de cementos tipo II y V;
sin embargo, se ha encontrado que ésta no es la única opción,8,9
pues hay exitosas experiencias del uso de cementos puzolánicos e incluso
del tipo I, en conjunto con las otras medidas aquí mencionadas. ·
Aditivos
minerales: en ocasiones se puede requerir el uso de fly ash, microsílice o escoria de alto horno, en proporciones
diversas según se establezca el grado de ataque a que se verá sometida
la estructura. Carbonatación Uno
de los graves problemas que tienen las ciudades y áreas industriales en
la actualidad es la generación de C02, un gas que se produce
debido a procesos de combustión y también en procesos naturales tales
como las erupciones volcánicas. Este compuesto ataca las estructuras de
concreto; el ataque se genera al reaccionar el C02 presente en
el ambiente con el hidróxido de calcio producido en el concreto durante
la hidratación del cemento, dando lugar a la formación de carbonato de
calcio, el que provoca una disminución en la alcalinidad del concreto (pH).
Esta disminución conduce a que la protección que brindaba el concreto al
acero de refuerzo se pierda, de tal manera que el acero queda vulnerable
al ataque de diferentes sustancias presentes en el concreto o en el
ambiente.
En forma general, se puede
considerar que el proceso de carbonatación ha iniciado cuando el pH del
concreto tienen un valor inferior a 12.5.
A pesar de que la carbonatación
se presenta y causa graves daños en las estructuras de concreto en todo
el país, muchas veces no se considera en el proceso de diseño del
concreto, lo que causa costos adicionales para la reparación de las
estructuras.
En las estructuras que se
determine que van a estar expuestas al contacto del C02, se
deberán diseñar los concretos considerando los siguientes aspectos: •
Permeabilidad: para que se dé el proceso de carbonatación se
requiere que el C02 ingrese a la masa del concreto, por lo que,
dependiendo del grado de exposición, se debe disehar un concreto con la
permeabilidad requerida. •
Relación agua/cemento: de acuerdo con las condiciones del ataque
pueden requerirse relaciones agua/cemento de hasta 0.35. •
Tipo de cemento: se pueden emplear cementos tipo I en conjunto con
aditivos minerales, o bien un cemento puzolánico con el fin de hacer
reaccionar el hidróxido de calcio disponible para crear fases cementantes
más estables. Corrosión La
corrosión del acero de refuerzo es un problema de magnitud considerable.
La exposición a un medio con presencia de cloruros causa el deterioro
acelerado de las estructuras de concreto, por ejemplo, las que se
encuentran en ambientes marinos. Cuando no se toman las medidas de
prevención acorde con el grado de exposición, los resultados no se hacen
esperar, Ilegándose a un daño prematuro en 10 o 15 años. De acuerdo con
información de la Federal Highway Administration de Estados Unidos, el
costo de reparación y mantenimiento de puentes en el sistema interestatal
fue en 1996 de 2.6 miles de millones de dólares.
Por otra parte, la misma fuente
informa que 50 por ciento de los 575 mil puentes existentes presentan daños
de consideración y 20 por ciento están estructuralmente dañados.
El mecanismo por el cual los
cloruros inician la corrosión es el rompimiento de la capa de pasivación
que se forma sobre el acero de refuerzo que tienen cuando están en un
ambiente alcalino. El rompimiento de esta capa sucede cuando la
concentración de cloruros alcanza alrededor de 0.8 kg por m3
de concreto. En un estado de pasivación, el acero se corroe a una
velocidad insignificante del orden de 0.1 micrómetro por año.
La prevención es la mejor
medida para evitar el daño causado por cloruros. Existen dos áreas en
las que podemos actuar cuando diseñamos el ciclo de vida de un concreto: ·
La
calidad del concreto, que implica aspectos de diseño, curado,
permeabilidad, tipos de cemento y uso de materiales puzolánicos. Todo lo
anterior se relaciona con el coeficiente de difusión y la estimación de
las características de permeabilidad a los cloruros, de acuerdo con
pruebas de campo o con resultados de la prueba rápida de permeabilidad a
cloruros. ·
El
tratarniento químico al acero de refuerzo. Mediante la investigación de
diversos compuestos químicos se puede lograr la mejor selección, de
manera que, incorporados al concreto, le permitan una protección
apreciable contra los cloruros. Algunos de estos compuestos químicos actúan
sobre el acero de refuerzo formando una capa que eleva el nivel de
protección y otros actúan internamente en el cuerpo del concreto,
retardando el paso de los iones cloruros. Investigación
y desarrollo De
lo expuesto anteriormente, se desprende la necesidad que tienen las
empresas productoras de concreto de crear centros de investigación que se
enfoquen al desarrollo de productos y servicios orientados a resolver las
problemáticas intrínsecas del concreto, pero que a la vez consideren los
problemas logísticos y ecológicos del entorno.
Por ello, el Grupo Cementos
Mexicanos ha creado el Centro de Investigación y Desarrollo Tecnológico
del Concreto (Cidetec), el cual se ha dado a la tarea de investigar los
materiales constituyentes del concreto, el concreto mismo y todos los
componentes presentes en las estructuras que alteren las características
de las estructuras de concreto.
Los desarrollos realizados en el
Cidetec han hecho posible ampliar el campo de aplicación del concreto en
la construcción, de tal manera que actualmente producimos concretos que
cumplen ampliamente desde la función dada a los suelos, hasta concretos
que compiten ventajosamente en las estructuras de acero. Algunos de ellos
son los siguientes: ·
El relleno
fluido, que es un material con grandes ventajas en la construcción de
obras de suelos y de terracerías, por su gran fluidez, bombeabilidad y
muy pequeña contracción. Permite reducir las dimensiones de las zanjas,
con el consecuente ahorro de tiempo y costo en las obras, así como el
mejor control de las características del material de relleno. ·
El concreto
antibacteriano, que inhibe el crecimiento de las bacterias en pisos y
muros de concreto allí donde su proliferación puede ser un riesgo, como
es el caso de los colegios, guarderías, centros de salud, estadios, baños
públicos, etc. O bien en lugares donde es imprescindible la higiene,
tales como granjas de crianza de animales, por ejemplo, en las industrias
avícola, porcícola y ganadera. En el Bajío, desde el año pasado se
utiliza ampliamente en pisos y silos de almacenamiento de granos. ·
El concreto
celular, que por su ligereza, alta fluidez y bajos coeficientes térmico
y acústico hace más eficientes los procesos constructivos y brinda mayor
comodidad en las viviendas. ·
El concreto
durable, que prevé los ataques al concreto en función de las
condiciones de exposición y de servicio a las que estará expuesto, como
pueden ser la temperatura, la humedad, la abrasión, los ataques quimicos
de ácidos, sulfatos, cloruros, la reacción álcali-agregado, la corrosión
del acero de refuerzo, etc. Tenemos desarrollada y sistematizada la
información para encontrar el producto adecuado a cualquier condición de
servicio. ·
El concreto
de alta resistencia, del cual se han definido sus parámetros
estructurales, sus procedimientos de producción y prueba. Lo ofrecemos
para estructuras de edificios de cualquier altura, no solamente por sus
ventajas estructurales sino también por su durabilidad y trabajabilidad. Referencias 1.
United Nations publication (ST/ESA/SER.A/163), Sales núm. E.97.XIII.2. 2.
De castro, Pedro (investigador del CINVESTAV), Excelsior,
1998. 3.
Manual de Tecnologla del Concreto,
CFE, Instituto de Ingenieria, Editorial Limusa. 4.
Langley, W.S., B. Fournier,V.M. Malhotra, Alkali-Aggregate Reactivity in
Nova Scotia, CANMET, 1993. 5.
Franco, Luis, "Concreto resistente a sulfatos", reporte interno;
Centro de Investigación y Desarrollo Tecnológico del Concreto, CEMEX,
mayo de 1999. 6.
U.S. Bureau of Reclamation. 7.
Franco, Luis, "Determinaci6n del coeficiente de permeabilidad (k)
al agua para concretos durables", reporte interno, Centro de
Investigación y Desarrollo Tecnológico del Concreto, CEMEX, mayo de
1998. 8.
Rodríguez, Rosa Elba, "Using natural pozzolans to improve the
sulfate resistance of cement mortar', Proceedings Sixth CANMET / ACI
International Conference, Bangkok, Tailandia, 1998. 9.
Dámazo, Daniel, "Prueba de resistencia al ataque de sulfato de sodio
en el concreto", reporte interno, Dirección Técnica, CEMEX, 1990. Este
artículo reproduce la conferencia magistral que el autor impartió en el
ciclo programado con motivo del 40º aniversario del IMCYC. |
Revista Construcción y
Tecnología Noviembre 1999
INSTITUTO MEXICANO DEL CEMENTO Y DEL CONCRETO, A.C.