Dosificación del Concreto.

La  dosificación  del  concreto  o  diseño  de  mezclas  considera  en  forma  general  e independientemente del método elegido los siguientes aspectos: la relación agua- cemento (a/c), la resistencia requerida, el revenimiento, el tamaño máximo del agregado, el contenido de aire en caso de ser necesario, las condiciones de exposición del concreto y las condiciones de colocación. Existen muchos métodos de dosificación, todos ellos requieren de ajustes en las proporciones de los ingredientes hasta lograr los resultados deseados, es decir, ninguno de ellos debe considerarse como preciso, pues generalmente las tablas o curvas de diseño se basan en mezclas  reales  donde  se  involucran  las  propiedades  de  los  materiales  empleados  en  la experimentación correspondiente, y es de esperarse discrepancias que incidan en los resultados. Uno  de  los  métodos  de  proporcionamiento  de  mezclas  de  concreto  más  conocido  es  el recomendado por el comité ACI 211.1 “Práctica Recomendada para el Diseño de Concretos de Peso Normal, Pesado y Masivo”, sin embargo por su sencillez, lo cual va de la mano con una mejor  comprensión  del  proceso  se presenta  a  continuación  el  Método  de  la  Asociación Canadiense de Cemento Portland.

El método canadiense requiere conocer: la relación agua-cemento (a/c en decimal), el tamaño máximo del agregado grueso (mm), el módulo de finura de la arena, especificar si el concreto tendrá aire introducido o no, y el revenimiento deseado (mm). El proceso de diseño se hace con base en intentos, los pasos que se acostumbra seguir son como sigue:

1.  Elegir una cantidad de cemento de cemento requerido para elaborar digamos tres cilindros de concreto, con dimensiones estándar de 15 x 30 cm. En este caso 10 Kg son suficientes.

2. Determinar la cantidad de agua, multiplicando la cantidad de cemento por la relación agua- cemento, por ejemplo sí la relación a/c=0.40.

agua = 10 x 0.40 = 4 Kg

3. Estimar la masa del agregado requerido (ver Figura 9.6), supóngase que el tamaño máximo del agregado es 20 mm, y que el concreto no tendrá aire introducido.

masa total del agregado = 8.1 x 4 = 32.4 Kg

4. Obtener las masas tanto de la arena como de la grava (ver Tabla 9.5), supóngase que el módulo de finura de la arena es 2.5, por lo tanto de la tabla el 35% será arena, y su complemento grava.

arena = 0.35 x 32.4 = 11.34 Kg grava = 0.65 x 32.4 = 21.06 Kg

Se aconseja pesar un 20% más de arena y de grava para posibles ajustes, con el fin de lograr la consistencia y trabajabilidad deseadas.

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concreto sin aire introducido

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concreto con aire introducido

Nota: Para concretos con revenimientos bajos (25-50 mm), aumentar los agregados en 8%. Para       concretos   de   revenimientos   altos, disminuir los agregados en 6%.

Figura 9.6. Cantidad Aproximada de Agregado por  Cantidad  de  Agua  en  un  Concreto  de Consistencia Media (Revenimiento de 75-100 mm).

Tabla 9.5. Cantidad de Arena como Porcentaje del Total de Agregado.

5. Mézclese el cemento y el agua, adicionando la arena y la grava hasta que la mezcla sea trabajable con la cuchara de albañil. Mida el revenimiento de la mezcla y determine si la mezcla es  arenosa,  gravosa  o  tiene una  buena  trabajabilidad,  si  la  mezcla  hubiera  sido  con  aire introducido, a estas alturas se haría la prueba correspondiente para determinar el contenido de aire.

6. Obténgase la densidad de la mezcla entendiéndose esto como la relación entre la masa y el volumen que ocupa en un recipiente de volumen conocido, en ingeniería se conoce esto como el peso volumétrico, aceptando que intercambiamos sin ningún problema los términos masa y peso (no desconocer sus diferencias en aplicaciones reales).

7. Colar o moldear los cilindros para las pruebas de resistencia a la compresión.

8. Calcular las proporciones de la mezcla por m3. Considérese hipotéticamente que la mezcla con las cantidades 11.34 Kg de arena y 21.06 Kg de grava salió bien, y que el peso que se acomodó en un recipiente de 0.01 m3 correspondió a 22 Kg, entonces:

peso volumétrico = 2,200 Kg/ m3

Las cantidades empleadas se resumen a continuación:

cemento = 10.00 Kg 

agua =   4.00 arena = 11.34

grava = 21.06

total = 46.40 Kg

Para calcular las cantidades por m3 se realizan las siguientes operaciones:

cemento = 474 Kg/ m3 

agua = 190 Kg/ m3 

arena = 538 Kg/ m3 

grava =  999 Kg/ m3

La mezcla consumirá 9.5 sacos de cemento (1 saco = 50 Kg) por metro cúbico de concreto aproximadamente. Con  la  resistencia  promedio  obtenida  de  los  cilindros  y  las apreciaciones de la mezcla de ensayo, se repite todo el proceso hasta obtener la mezcla más adecuada, la elección debe considerar varios ensayos como se indica a continuación:

Ensayo No    Revenimiento    Peso Volumétrico    Consumo de Cemento    Resistencia    Trabajabilidad

Naturalmente que se debe contar con alguna ayuda en el momento de elegir la relación agua-cemento, ya que ésta influye en la resistencia que se obtendrá en la mezcla de ensaye, para este  fin  existen  tablas  como  la  recomendada  por  el  comité  ACI  211.1  que  se  presenta  a continuación en la Tabla 9.6.

Tabla 9.6. Resistencias Promedio Estimadas para Concreto.

Las cantidades en peso por m3 obtenidas del método empírico de proporcionamiento de la
mezcla se pueden relacionar con los volúmenes respectivos (fracciones de m3) de acuerdo a la siguiente ecuación:

donde:

volumen total = 1 m3

agua = peso del agua en Kg

cemento = peso del cemento en Kg grava = peso de la grava en Kg arena = peso de la arena en Kg

aire = volumen del aire atrapado o introducido, según el caso

γc   = peso específico del cemento

γg  , γa  son los pesos específicos de la grava y de la arena respectivamente, en condición saturada

y  superficialmente seca para ambos casos

Control de Calidad del Concreto

La Figura 9.5 muestra algunos elementos de la distribución normal aplicables.

Figura 9.5. El Parámetro Resistencia a la Compresión y su Distribución Normal.

En la figura  X representa la resistencia promedio cuya posición coincide con la del origen para la variable estandarizada Z, otros puntos de la variable resistencia están expresados en función de la desviación estándar (s ), ésta desviación estándar se calcula de un número de resultados lo suficientemente grande para estimar adecuadamente el parámetro poblacional. Las áreas bajo la curva normal indican probabilidades de ocurrencia. Cuando se diseñan las mezclas de concreto se debe ejercer un buen control de calidad sobre los factores que inciden en el comportamiento de la variable resistencia. Otro parámetro muy empleado en el control de calidad del concreto es el coeficiente de variación, generalmente representado por V (por facilidad se representará el parámetro como V), éste parámetro se calcula dividiendo la desviación estándar entre la resistencia promedio y se multiplica por cien, es decir, se expresa en porcentaje.

Existen normas que permiten evaluar la calidad del concreto, por ejemplo el Comité ACI 214-77 sugiere los siguientes valores mostrados en la Tabla 9.2.

Tabla 9.2. Normas para el Control de Calidad del Concreto.

Para  ilustrar  la  aplicabilidad  de  estos  conceptos  se  citarán  algunas  especificaciones contenidas en la NMX-C-155, “Concreto Hidráulico-Especificaciones”, norma que siguen los premezcladores    (compañías    que    venden    el    concreto    premezclado).    Normalmente    los premezcladores manejan dos tipos de concretos, el Clase A y el Clase B, los cuales deben cumplir con las siguientes características:

Clase A

a) Se acepta que no más del 20% del número de pruebas de resistencia a compresión tengan valor inferior a la resistencia especificada f’c. Se requiere un mínimo de 30 pruebas.
b) No más del 1% de los promedios de 7 pruebas de resistencia a compresión consecutiva será inferior  a  la  resistencia  especificada.  Además  se  debe  cumplir  con  todos  los  promedios consecutivos de las muestras anotadas en la Tabla 9.3.

Clase B

a) Se acepta que no más del 10% del número de pruebas de resistencia a la compresión tengan valores inferiores a la resistencia especificada. Se requiere un mínimo de 30 pruebas.
b) No más del 1% de los promedios de 3 pruebas de resistencia a compresión consecutiva será inferior  a  la  resistencia  especificada.  Además  se  debe  cumplir  con  todos  los  promedios consecutivos de las muestras anotadas en la Tabla 9.3.

Tabla 9.3. Valores Mínimos en Pruebas de Resistencia a Compresión.

Se recomienda emplear concreto clase A cuando se diseñe por el método de esfuerzos de

trabajo, en pavimentos y en usos generales. El concreto clase B se recomienda cuando se diseñe por el método de resistencia última, para concreto preesforzado y para estructuras especiales. Cuando el número de pruebas es menor de 30 se considera que la información es insuficiente, y según la calidad del concreto todos los promedios de pruebas consecutivas posibles de resultados obtenidos deben ser igual o mayor que las cantidades indicadas en la Tabla 9.3.

Las plantas premezcladoras que cumplan con los requisitos de resistencia deben tener un buen control de calidad que se refleja en una desviación estándar lo suficientemente baja como para  eliminar  la ocurrencia de resultados  excesivamente  bajos.  La  mayoría  de  las  plantas premezcladoras que cumplan con la norma NMX-C-155, deben tener valores para la desviación estándar de alrededor de 25 a 40 kg/cm2 (entre menor el valor, mejor el control de calidad).

La resistencia real del concreto debe ser tal que exceda a la resistencia de proyecto f’c, ¿qué tanto debe sobrepasar f’c?, El exceso de resistencia a considerar en las mezclas de concreto está  en función  de  la variabilidad  esperada.  El  comité  ACI-214  recomienda  las  siguientes expresiones, dependiendo si se usa la desviación estándar o el coeficiente de variación.

Donde:

fcr = resistencia requerida en promedio

f ' c = resistencia de diseño especificada

t= constante que depende de la proporción de pruebas que pueden caer abajo de

(Tabla 9.4)

V = coeficiente de variación de pronóstico, expresada en decimal

σ = desviación estándar de pronóstico

 Tabla 9.4. Valores de t .

Resistencia del Concreto.

Cuando se habla de la resistencia del concreto, generalmente se hace referencia a la resistencia  a  compresión  del  concreto  endurecido,  la  etapa  de  endurecimiento  inicia  con  el fraguado final del concreto y prosigue en el tiempo dependiendo totalmente de las condiciones de curado del material.

Normalmente la resistencia del concreto se evalúa a los 28 días, sin embargo esta  evaluación  se  puede  hacer  a  diferentes  edades  según  la  conveniencia  de  monitorear  la ganancia en resistencia. Para evaluar la resistencia del concreto se emplean cilindros de concreto de 15 cm de diámetro por 30 cm de altura, en la fabricación de los cilindros se sigue la norma NMX-C-160 y en el ensaye de los cilindros se sigue la norma NMX-C-083. Antes de someterse los cilindros al ensaye de compresión se deben cabecear de acuerdo a la norma NMX-C-109, el cabeceo consiste en moldear regularmente con un compuesto de azufre fundido los extremos del cilindro, dejando en cada extremo una capa lo suficientemente delgada y resistente que garantice que  los  planos  de  apoyo  del  cilindro  sean  perfectamente  paralelos  entre  ellos  y  a  la  vez perpendiculares al eje del cilindro (se acepta una desviación no mayor de 0.5°). El compuesto de azufre debe aplicarse al menos 2 horas antes del ensaye.

La Figura 9.4 muestra un cilindro y las partes que hacen contacto con él en una máquina de ensayes, a un lado del conjunto se muestran algunos croquis de las diversas formas de falla que se pueden observar en un cilindro ensayado, a un lado de los resultados del ensaye se acostumbra dibujar la forma de falla del espécimen probado. El significado de las formas de falla de acuerdo a la numeración mostrada en la Figura 9.4 se describe a continuación:

1.  Este patrón se observa cuando se logra una carga de compresión correcta sobre un espécimen bien preparado.
2.  Este patrón se observa comúnmente cuando las caras de aplicación de la carga se encuentran en el límite de tolerancia especificada o excediendo a ésta.
3.  Este patrón se observa en especímenes que presentan una superficie de carga convexa y/o por deficiencia  del  material  de  cabeceo  o  también  por  concavidad  del  material  de  cabeceo; también por concavidad del plato de cabeceo o por convexidad en una de las placas de carga.
4.  Este patrón se presenta en especímenes que tienen una de las caras de aplicación de carga en forma cóncava y/o por deficiencias del material de cabeceo o también por concavidad de una de las placas de carga.
5.  Este  patrón  se  observa  cuando  se  producen  concentraciones  de  esfuerzo  en  puntos sobresalientes de las caras de aplicación de carga por deficiencia del material de cabeceo o rugosidades en el plato de cabeceo o en las placas de carga.
6.  Este patrón se observa en especímenes que presentan una cara de aplicación de carga convexa y/o por deficiencias del material de cabeceo o del plato del cabeceador.
7.  Este patrón se observa cuando las caras de aplicación de carga del espécimen se desvían ligeramente de las tolerancias de paralelismo establecido o por ligeras desviaciones al centrar el espécimen en la placa inferior de la máquina de ensayes.

 Figura 9.4. Elementos de Carga en una Prueba de Compresión.

La  resistencia  obtenida  del  ensaye  de  cilindros  permiten  estimar  la  resistencia  del concreto depositado en las cimbras, sin embargo de ninguna manera se debe considerar como idéntica a la resistencia que tiene el elemento estructural, el cual de entrada tiene una forma geométrica  y  un  confinamiento  diferentes. Los  ensayes  de compresión  son  muy  útiles  para evaluar la calidad de un concreto, permiten investigar también la influencia de un gran número de factores  en  esta  propiedad.  La  resistencia  a  compresión  del  concreto  es  quizás  una  de  las propiedades más estudiadas, a tal grado que se ha determinado que esta variable presenta una distribución de tipo normal.

Colocación del Concreto Fresco.

Una vez que el concreto ha sido aprobado para su colocación en las cimbras, se debe tener mucho cuidado en la etapa constructiva, pues su colocación, compactación y curado, son muy importantes para que el concreto endurecido cumpla con todos los requisitos impuestos. La colocación consiste en hacer llegar el concreto hasta la cimbra, la colocación debe hacerse de tal manera que el concreto fluya hasta descansar en la cimbra sin dejarlo caer o que golpee las paredes de la cimbra. La colocación se puede hacer con la ayuda de carretillas y palas, por medio de botes, por medio de bandas transportadoras, por medio de bombeo y en muchos casos se emplean vertedores especiales que evitan la caída directa del concreto.

La colocación debe hacerse por capas, en espesores de 15 a 30 cm en concreto reforzado, con el objeto de dar tiempo a compactar bien el concreto alrededor de las varillas, en concretos con poco refuerzo las capas pueden ser hasta de 60 cm de altura. Cada capa de concreto debe ser perfectamente compactada por medio de vibradores, la eficiencia de los vibradores depende de las características mecánicas de estos aparatos y de la manera en que el operador los trabaje. El trabajo de vibrado consiste en introducir el vibrador de manera vertical en la capa de concreto sin tocar el fondo, se debe consumir un tiempo entre 5 y 15 segundos en todo el proceso, moviéndose a otro lugar lo suficientemente cercano para que las áreas de influencia del vibrado se traslapen. El vibrador no se debe usar para empujar o tratar de acomodar el concreto. La eficiencia de los vibradores de inmersión depende de:  sus dimensiones, el número de revoluciones por minuto (rpm) o frecuencia de vibración y la amplitud de vibración. De tal manera que se debe seleccionar aquel equipo que realice el mejor trabajo según el tipo de concreto a compactar. En general entre más alta es la frecuencia de vibrado, el tiempo necesario para consolidar el concreto es menor (en el proceso de consolidación o compactación se busca expulsar el exceso de aire y sin excederse en el vibrado se pretende lograr una masa de concreto homogénea y  sin segregación). Las frecuencias de vibrado comunes pueden variar entre 3,000 y 6,000 rpm.

El curado del concreto consiste en mantener el concreto recién colado en condiciones de humedad adecuadas mientras el cemento se hidrata, esto es, se pretende evitar que se pierda el agua en forma excesiva (ya sea por evaporación o por fugas en el cimbrado defectuoso), en la práctica  es  inevitable  alguna  pérdida  de  agua,  pero  generalmente  se  compensa  porque  los concretos se dosifican dé tal manera que llevan un exceso de agua necesario para lograr la consistencia   de colocación adecuada. Resulta más crítico cuidar el curado en las losas que en otros elementos estructurales, debido a que la superficie expuesta es mayor, en estos casos se acostumbra colocar después del fraguado final, una película de curado a base de jabones, ceras o materiales plásticos, la cual tienen como propósito evitar que el agua se evapore, con esto se favorece el curado del concreto. El curado también se puede hacer por medio de riegos de agua en forma constante u otros medios. El curado se debe prolongar por el tiempo que se requiera para garantizar la resistencia deseada, en trabajos corrientes se especifica al menos siete días.

Contenido de Aire en el Concreto y Peso Volumétrico.

Otras pruebas que se pueden emplear en el control de calidad y que son muy útiles para aceptar o rechazar el concreto fresco son el peso volumétrico (masa volumétrica) y el contenido de  aire.  El  peso  volumétrico  se  expresa  en  kg/m3,  éste  parámetro  sirve  para  verificar  la uniformidad del producto, si el valor cambia mucho, esto indica que alguno o algunos de los ingredientes del concreto  han cambiado en su proporción o características físicas. En general los concretos pueden ser ligeros, de peso normal (2,000-2,400 kg/m3) y pesados. El contenido de aire se verifica especialmente en los concretos donde intencionalmente se ha introducido aire para proteger al concreto contra el intemperismo. El contenido de aire se puede verificar de una manera rápida con el método de presión, según la norma mexicana NMX-C-157 (ASTM C-231), en la prueba se emplea un recipiente con tapa hermética como el mostrado en la Figura 9.3.

 Figura 9.3. Aparato para Medir el Contenido de Aire en el Concreto Fresco.

El recipiente se llena en capas con el concreto fresco, varillando según se especifica, se enrasa el recipiente y se tapa, a continuación se llena con agua el volumen de la tapa hasta purgar el líquido al través de unas válvulas, posteriormente se cierran las válvulas y se bombea aire, la presión que se levanta mueve la aguja de un indicador en la tapa del recipiente, después se libera la presión y se lee el contenido de aire directamente en el indicador. Con esta prueba se puede verificar el peso volumétrico del concreto, basta con pesar el recipiente enrasado antes de colocar la tapa, y puesto que el volumen del recipiente es conocido resulta fácil calcular este parámetro.

Consistencia de la Mezcla de Concreto: Prueba de Revenimiento.

Una vez elaborada la mezcla de concreto, se debe evaluar la consistencia de la misma, esta evaluación consiste en medir que tan aguada es la mezcla, si ésta consistencia es aceptable para el trabajo por realizar se prosigue, de otra manera se deben hacer correcciones antes de emplear la mezcla en la obra. La consistencia del concreto se mide con la prueba del revenimiento, ésta prueba se debe ejecutar de acuerdo a la norma mexicana NMX-C-156 enunciada como “Revenimiento en el concreto fresco- Método de prueba”, o según la norma ASTM C-143. La prueba consiste en llenar de concreto un cono truncado, de 30 cm de altura, como el que se muestra en la Figura 9.2, el llenado se hace en 3 capas, varillando cada capa con 25 golpes de la varilla mostrada en la figura, una vez que se enrasa el cono con la misma varilla, se levanta verticalmente el molde, y se mide la diferencia de altura entre el cono de concreto abatido y la altura del molde, esta diferencia en cm se llama revenimiento del concreto.

Algunos revenimientos considerados como normales en concretos de tipo estructural pueden variar entre 5 y 10 cm, revenimientos altos podrían ser de 10-15 cm, y revenimientos bajos podrían ser menores de 5 cm. El revenimiento, o lo aguado del concreto está en relación directa con el tipo de aplicación y la energía de compactación que se empleará en consolidar el concreto.  Por  ejemplo  en  la  fabricación  de  durmientes  de  concreto  para  ferrocarriles  se acostumbra emplear concretos con revenimiento cero, en este caso se emplea la vibro-compresión para dar forma a las piezas. Algunas instituciones como el ACI recomiendan los revenimientos mostrados en la Tabla 9.1 para un buen número de aplicaciones con la siguiente consideración: el revenimiento máximo se puede aumentar en 2 cm si el concreto no se consolida con vibrador.

 Figura 9.2. Cono para Prueba de Revenimiento Contrastando con la Bola de Kelly.

Tabla 9.1. Revenimientos Recomendados en Diversas Obras de Concreto.

El revenimiento del concreto se fija dependiendo entonces del tipo de elemento a colar y de la trabajabilidad que se requiere. Normalmente se acepta una variación en la medición del revenimiento  ya  sea  en  más  o  en  menos,  por  ejemplo,  la  norma  NMX-C-155  “Concreto hidráulico- Especificaciones”, señala las siguientes tolerancias: ± 1.5 cm si el revenimiento es menor de 5 cm, ± 2.5 cm si el revenimiento se encuentra entre 5 y 10 cm, y ± 3.5 cm si el revenimiento es mayor a 10 cm. El ingeniero debe preocuparse por entender la correlación que tiene la prueba del revenimiento con otras propiedades del concreto, ya que en muchas ocasiones tal prueba será el único recurso inmediato que se tenga para aceptar o rechazar un concreto. El criterio de calificar un concreto con base exclusivamente en la resistencia a compresión  puede ocasionar problemas sin solución, ya que generalmente la verificación de la resistencia se lleva a cabo hasta los 28 días, para entonces la obra ya estará muy avanzada. Más adelante se revisarán otras pruebas que se pueden adoptar para asegurarse de que el concreto que se coloque desarrolle la resistencia esperada.

Estructura del Concreto.

El concreto se constituye aproximadamente de entre 70-80% de agregados (grava y arena) en volumen, el resto es pasta de cemento. La pasta de cemento a su vez se compone de un 30-50% de cemento en volumen y el resto es agua. La Figura 9.1 muestra esquemáticamente la estructura  del  concreto.  Como  se  puede  observar  el  agregado  ocupa  el  mayor  volumen  del concreto,  este  ingrediente  es  uno  de  los  más  abundantes  en  la  corteza  terrestre,  aunque  no necesariamente él  más  barato,  especialmente cuando  se  requiere someterlo a un proceso de trituración, cribado y/o lavado. El cemento, es sin lugar a dudas el ingrediente más caro con el que  se  elabora  el  concreto,  gran  parte  de  los conocimientos que contiene la tecnología del concreto van encaminados hacia el uso racional de este ingrediente. El cemento se debe emplear sólo en las cantidades adecuadas para cumplir con la resistencia y durabilidad concebidas para la aplicación en particular, los excesos generalmente acarrean efectos colaterales ya sea en el estado fresco o en el estado endurecido, además de que encarece las obras. Es una impresión personal del autor, que en México la gran masa de consumidores empíricos de materiales como el cemento y el acero desperdician cada año una gran cantidad de dinero en el uso excesivo (sin control) de estos  dos  materiales  (la  creencia  de  que  más  acero  y  más  cemento  dan  por  resultado  una construcción más fuerte, ha sido y continúa siendo un gran error).

Por otro lado, el agua, la cual también tiene un precio que no hay que subestimar, es un recurso natural cada vez más escaso y difícil de conseguir. El agua potable es más que suficiente para elaborar concreto, sin embargo, por la necesidad tan grande de reservar este preciado recurso para consumo humano, en algunas ciudades como la de México, en el futuro y por ley, algunas industrias como la del concreto premezclado tendrán que emplear el efluente de las plantas de tratamiento de aguas residuales para elaborar su concreto. Esto plantea un gran reto en el control
de la calidad tanto de las aguas tratadas como del concreto elaborado con dicho ingrediente.

Figura 9.1. Estructura del Concreto Hidráulico.

Como parte de la estructura del concreto se debe incluir el aire que se encuentre en la masa. El aire puede ser aquel que se produce en forma natural durante el mezclado y colocación del concreto en las cimbras, en cuyo caso se llama aire atrapado, este aire constituye hasta un 2% en volumen, pero puede ser más, especialmente si la colocación ha sido defectuosa. La forma de las burbujas de aire atrapadas es irregular. Por otro lado cuando se introduce intencionalmente aire en el concreto, generalmente por medio de un aditivo, la forma de las burbujas es esférica. El aire introducido se genera durante el mezclado, este tipo de aire se introduce intencionalmente en el concreto para protegerlo contra los efectos del intemperismo, la cantidad de aire varía entre 4 y 6 %.