Tecnología del concreto premezclado

 


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.

 

   

Resumen

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.

Instituto Mexicano del Cemento y del Concreto, A.C.
Revista Construcción y Tecnología 
Noviembre 1999
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