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 %.

Mezclado en la Elaboración de los Morteros.

El  mezclado  es  una  etapa  muy  importante  en  la  elaboración  de  los  morteros, frecuentemente esta etapa se maneja descuidadamente pensando que no influye en la calidad del producto final, cuando resulta exactamente lo contrario. Es común observar que los morteros se elaboran directamente sobre el suelo, lo que contamina el material y causa una baja en resistencia. Cuando los morteros se mezclan a mano, el trabajo se debe hacer sobre plataformas impermeables o sobre charolas grandes cuando la consistencia de la mezcla es aguada. Preferentemente se deben emplear mezcladoras mecánicas para garantizar una uniformidad en el mezclado y evitar que el agua o la lechada se pueda perder. En el laboratorio es común emplear en la elaboración de morteros una mezcladora como la mostrada en la Figura 8.8, con la cual se realizan mezclas de prueba hasta obtener la mezcla con las propiedades físicas y mecánicas adecuadas para el trabajo.

Posteriormente la mezcla seleccionada se ajusta a las condiciones de campo, y normalmente se emplea para el caso una mezcladora adecuada tanto en capacidad como en potencia. La Figura 8.9 muestra una mezcladora con eje horizontal, del eje salen unas paletas metálicas que giran en el sentido indicado por las flechas para proporcionar un mezclado intenso al mortero. Cuando se tiene la posibilidad de comprar el mortero premezclado, los problemas potenciales se disminuyen aún más, y los cuidados se reducen a disponer los arreglos necesarios para recibir el mortero y distribuirlo con cuidado dentro de la obra.

 Figura 8.8. Mezcladora de Laboratorio para Mortero Hidráulico.

Figura 8.9. Mezcladora de Aspas para Mortero Hidráulico.

Dosificación de Morteros.

Los morteros pueden dosificarse por peso o por volumen, debiéndose conciliar una gran cantidad de factores que hacen verdaderamente imposible definir un método de diseño de mezclas con validez universal, ya que si el método proviene de datos estadísticos generados con mezclas de ensaye, no existe ninguna garantía de que los materiales usados en dichos ensayos sean similares  a  los  que  el  usuario  del  método  tendrá  a  su alcance.  Por  otro  lado  los  métodos eminentemente teóricos tampoco son aplicables pues carecen de validez real. Lo más aconsejable es generar mezclas representativas por medio de ensayes de laboratorio, para esto se deben emplear los materiales disponibles pero adecuados para el trabajo, también se debe tratar de simular las condiciones ambientales que regirán en la obra, y finalmente, se deben realizar los ajustes de campo necesarios para controlar la calidad del producto final.

Algunos principios fundamentales en la dosificación de morteros incluyen lo siguiente:

•          Morteros con altos consumos de cemento generan altas resistencias pero también pueden

agrietarse excesivamente durante el secado. Este tipo de morteros fraguan muy rápido, son

muy densos, durables e impermeables y poseen una gran capacidad de adherencia.

•          Los morteros con bajo contenido de cemento son muy estables a los cambios volumétricos,

pero poseen muy baja adherencia, también son muy absorbentes y por su baja resistencia son

menos durables y rigidizan menos a estructuras como la mampostería de tabique.

•          Los morteros con altos contenidos de arena son más económicos y más estables a los cambios

volumétricos, siempre y cuando cumplan con la resistencia deseada.

•          La  granulometría,  textura  y  forma  de  los  granos  de  arena  son  muy  importantes  en  el

comportamiento de los morteros en estado fresco y tienen que ver tanto en el consumo de pasta de cemento como en la resistencia final del producto. Los morteros hechos con arenas bien graduadas y angulosas desarrollan una mejor adherencia y mayor resistencia pero son ásperas y difíciles de trabajar en estado fresco. Las arenas bien graduadas pero redondeadas producen morteros muy trabajables en estado fresco, pero generan menor adhesión y menor resistencia. Las arenas ligeras consumen mucha agua de mezcla, son difíciles de trabajar, generan bajas resistencias, son muy permeables y menos durables, pero son excelentes para lograr superficies antiderrapantes.

•          Los  morteros  que  poseen  aire  introducido  son  muy  trabajables  y  son  más  durables  al

intemperismo. El aire se introduce por medio de aditivos (líquidos), los cuales durante el mezclado  del  mortero  producen  burbujas  de  aire  que  quedan  atrapadas  en  el  mortero endurecido, las burbujas se alojan en la pasta de cemento. El porcentaje de aire introducido depende de la aplicación, ya que no necesariamente se pone aire para protección contra el intemperismo, también se puede poner aire para producir un material ligero o poroso, el aire introducido puede variar desde un 2% a un 20% en volumen. Si se desea dar una protección contra  el  intemperismo  normalmente  se  introduce  entre  un  3  y  un  9  % de aire,  estos porcentajes disminuyen un poco la resistencia con respecto al mortero que no lleva aditivo, pero esa  pérdida  se  compensa  con  la  protección  que  proporcionan.  Cada  aumento  en porcentaje de aire disminuye la resistencia a la compresión del mortero, por lo que si no se controla la dosificación del aditivo checando al mismo tiempo la resistencia de la mezcla, se pueden tener muchos problemas. A los morteros con altos contenidos de aire se les conoce también como mezclas celulares (algunos les llaman concretos celulares inapropiadamente puesto que no llevan agregados gruesos), estas mezclas llegan a tener hasta un 30% de aire en volumen y  son excelentes materiales aislantes. Como ilustración de la presencia del aire introducido, se presenta la Figura 8.7 en la cual se observan dos fotografías, una de ellas muestra una incipiente formación de burbujas (bajo porcentaje de aire) y la otra presenta una gran cantidad de burbujas alojadas en la pasta del mortero (alto contenido de aire), cabe hacer la aclaración que las mezclas son muy secas, esto se puede observar por la proximidad de las arenas y la poca pasta que las separa.

•          Los morteros pueden proporcionarse con la incorporación de una gran variedad de aditivos

(sustancias diferentes al cemento, el agua y la arena) según las propiedades que se requieran de él, ya sea en estado fresco o en estado endurecido. Algunas de las sustancias extras pueden ser la cal, los materiales plásticos y los aditivos empleados en el concreto. A continuación se mencionan algunas de las bondades de estos productos:

La cal se caracteriza por impartir una mayor plasticidad a las mezclas favoreciendo que el       agua se retenga en la mezcla y evitando que el mortero pierda humedad al hacer contacto con  los tabiques absorbentes, esta cualidad de la cal incorporada al mortero permite una buena       hidratación del cemento y disminuye el peligro de obtener morteros de baja resistencia y baja  adhesividad.

Los materiales plásticos, entre los que se encuentran las fibras de polipropileno y los polímeros látex son productos que mejoran tremendamente algunas de las propiedades de

los   morteros.  Las  fibras  permiten  desarrollar  una  gran  resistencia  al  agrietamiento  pues actúan como elementos de refuerzo a tensión, no imparten una ganancia significativa en la  resistencia a tensión del mortero, sin embargo ésta se mejora lo suficiente para disminuir notablemente la cantidad de microgrietas que suelen aparecer por contracción de secado o

por cambios volumétricos, en morteros se puede emplear de 1 a 2.5 kg. de fibra por m3de mezcla.  Los  polímeros  látex  son  sustancias  que  modifican  el  comportamiento  del cemento aumentando la resistencia a compresión del mortero, la capacidad a flexión, la adherencia  y la impermeabilidad, las cantidades de látex pueden variar entre 10 y 25% por peso del cemento.

 Figura 8.7. Morteros con Bajo y Alto Contenido de aire Introducido.

Por costumbres prácticas, muchas gentes emplean proporciones sencillas en la elaboración de morteros, la Tabla 8.1 resume algunas de esas prácticas. En la tabla no se indica la cantidad de agua aconsejable en las mezclas, el agua debe ser ajustada en el campo. Para seleccionar la cantidad de agua a emplear en la mezcla debe tomarse en cuenta que al menos se requiere tener un 23% de agua por peso del cemento para garantizar la hidratación, el resto del agua de mezcla estará destinada a facilitar la colocación del mortero. Evidentemente, el alcance de tablas de ayuda como, la presente, es muy limitado ya que como se ha visto los parámetros que influyen en la proporción de los morteros de cemento hidráulico son casi imposibles de prefijar.

Tabla 8.1. Proporciones Empíricas de Morteros Hidráulicos.