Efectos de los Aditivos en el Concreto.

Es muy importante el considerar que el uso de los aditivos no es una panacea, la mayoría de ellos tienen efectos colaterales que deben ser bien comprobados y entendidos, pues pueden ser motivo de errores en la construcción. La Tabla 10.1 muestra algunos tipos de aditivos y sus efectos primarios y secundarios, este tipo de tablas son proporcionadas por los fabricantes y deben ser motivo de investigación cuidadosa para delimitar el alcance de los efectos previstos por ellos.

Como se puede observar en la Tabla 10.1, casi todos los aditivos presentan más de un efecto secundario, lo cual puede parecer muy problemático, sin embargo no lo es tanto si se tiene la precaución de investigar previamente la dosificación de estas sustancias. Generalmente los fabricantes  de  aditivos  recomiendan dosis para  usos  normales,  por  lo  que  no  resulta  muy complicado determinar las cantidades adecuadas para el trabajo en cuestión considerando una determinada  marca.  Como  los  aditivos  producen  los  efectos  deseados  reaccionando  con  el cemento y el agua de mezcla (se supone que los agregados deben ser inertes), es conveniente considerar el efecto que se puede tener con un cambio en el tipo y marca del cemento a usar, puede ser que se logren óptimos resultados revisando estos factores, o también que se detecte alguna incompatibilidad. A continuación se describen separadamente algunos de los aditivos más comunes en la construcción.

Usos de los Aditivos en el Concreto.

Los aditivos se han empleado en el concreto y en los morteros desde hace mucho tiempo, sin embargo cada día surgen nuevos productos a medida que se presentan avances tecnológicos en la química de estas sustancias, por lo que cualquier clasificación de aditivos pudiera quedar obsoleta con el paso del tiempo. Al emplearse un aditivo se debe tomar en cuenta los efectos colaterales  que  puede  generar,  los  efectos colaterales  pueden  ser  no  deseables,  aunque  en ocasiones pueden aprovecharse correctamente si se está prevenido. La siguiente es una lista sugerida por el ACI, incluye algunos de los usos que han tenido los aditivos en la industria de la construcción de estructuras de concreto:

1. Mejorar la trabajabilidad de las mezclas de concreto.- El objetivo general es lograr que el  concreto  pueda  ser  transportado,  colocado,  vibrado  y  acabado  sin  problemas  de segregación.

2. Acelerar la ganancia en resistencia a edades tempranas.- Cualquiera que sea el motivo de carácter constructivo (descimbrado rápido por escasez de cimbra, urgencia por poner la obra en servicio, etc.), se busca en este caso lograr que el concreto gane resistencia rápidamente.

3. Aumentar la resistencia. Generalmente esto se logra   reduciendo la relación agua- cemento (menos agua), sin detrimento en la consistencia de la mezcla.

4. Retardar o acelerar el fraguado inicial.- Especialmente en climas extremosos resulta benéfico el retrasar (clima caluroso), o acelerar (clima frío) el fraguado inicial para dar el tiempo adecuado en los trabajos de colocación y acabado del concreto.

5. Retardar o reducir el calor de hidratación.- Especialmente cuando las condiciones climáticas pueden incidir en la generación de un exagerado calor de hidratación y de un agrietamiento nocivo.

6. Modificación del tiempo de sangrado o la capacidad de sangrado. Los beneficios que se  buscan  están  estrechamente  relacionados  con  las  técnicas  de  acabado  y/o  la uniformidad         que se busca en la capa superficial de concreto.

7. Aumentar la durabilidad.- Se busca en este caso que el concreto resista sin deterioro las inclemencias del tiempo (resistencia al intemperismo), esta protección se debe dar a

los concretos que estarán al aire libre.

8. Control de la expansión producida por la reacción álcali-agregado.

9. Disminuir el flujo capilar del agua en el concreto.

10. Mejorar la impermeabilidad del concreto.

11. Fabricación de concreto celular. El aditivo favorece la creación de una estructura celular (porosa) que disminuye notablemente el peso volumétrico del material, reduce consecuentemente la resistencia del concreto.

12. Favorecer la bombeabilidad del concreto, la penetración en cavidades y la reducción del problema de segregación en los morteros para relleno (grouts).

13. Provocar ligeras expansiones compensadoras en el concreto, especialmente cuando se aplica en morteros que se emplean para el relleno de ductos en concreto preesforzado, en morteros para asentamiento y nivelación de maquinaria, o en todo tipo de rellenos de huecos en el concreto endurecido.

14. Aumento de adherencia entre el concreto y el acero de refuerzo.

15. Aumento de adherencia entre el concreto viejo y el concreto nuevo.

16. Dar color al concreto o al mortero.

17. Inhibir la corrosión del acero de refuerzo.

18. Controlar el agrietamiento.

19. Favorecer los trabajos de acabado o texturizado en el concreto.

Aditivos para Concreto.

Un   aditivo   se   define   como   cualquier   sustancia   diferente   a   los   ingredientes convencionales del concreto, como son: el agua, los agregados y el cemento. El aditivo puede tener  forma  líquida  o  en  polvo y puede  ser  orgánico  o  inorgánico,  la  sustancia  se  agrega normalmente un poco antes del mezclado o durante el mezclado del concreto. Los aditivos se pueden emplear para propósitos muy diversos, sin embargo generalmente se emplean para hacer al concreto más manejable en su estado fresco, para modificar las etapas de hidratación, o para resaltar alguna propiedad en el estado endurecido. Generalmente el uso de aditivos encarece el producto final, por lo que es recomendable que antes de emplear un aditivo se verifique primero si con  un  cambio  en  las  proporciones  de  los  ingredientes  convencionales  se  obtienen  los resultados deseados. También es recomendable que cuando se haya decidido emplear aditivos, estos  no  se usen directamente  en  la  obra  sin  antes  haber  realizado  ensayes,  puede  resultar desastroso para la obra el descubrir que los aditivos no lograron los efectos deseados, los aditivos al igual que otros materiales son susceptibles de variaciones.

Deformación Progresiva (Creep) del Concreto.

Cuando el concreto es sometido a un estado de esfuerzos sostenido, éste se deforma progresivamente en función del tiempo, la deformación se puede concebir como un acortamiento del elemento. La deformación final del concreto depende del tiempo, pero está integrada por dos partes, una, la que corresponde a la deformación elástica, la otra, corresponde a la deformación progresiva propiamente dicha (creep), la Figura 9.17 ilustra este concepto.

Figura 9.17. Deformación Progresiva del Concreto en Compresión.

Algunas de las causas que se presentan ya sean en forma aislada o conjunta y que influyen en la deformación progresiva del concreto simple son:

1. La deformación (flujo) de los agregados empleados en el concreto, esto depende del tipo de  roca original, por ejemplo los agregados provenientes de areniscas y los que poseen mica son    susceptibles de provocar deformaciones progresivas mayores.

2. La deformación o flujo de la pasta de cemento que rodea los agregados. Cuando los agregados son muy  estables como  es el caso de las calizas densas o el cuarzo, las deformaciones se deben fundamentalmente a la calidad de la pasta de cemento. Pastas
con    relaciones agua-cemento altas favorecen deformaciones mayores.

3. La expulsión del agua de gel debido a las cargas externas favorece las deformaciones.

4. Disminución de la porosidad del concreto.

5. La edad del concreto, los concretos jóvenes que no han desarrollado su máxima resistencia    tienden a presentar un flujo mayor.

6. Las condiciones climáticas, un ambiente húmedo tiende a disminuir la deformación progresiva en el  concreto.

Modelos Se han ideado modelos, por medio de los cuales se pretende evaluar la magnitud de la deformación final producida por el fenómeno, esto debido a que es poco práctico el elaborar pruebas en las que se tenga que esperar por años para conocer los resultados. Uno de estos modelos es el de D. Mc Henry cuya ecuación se presenta enseguida:

El  comité  ACI-209  sugiere  que  la deformación progresiva se puede calcular con la fórmula:

Por otro lado el coeficiente de contracción diferida se debe calcular con la expresión:

El modelo sugerido por el ACI-209 resulta ser muy práctico para predecir el nivel de deformación progresiva que se puede esperar en el concreto simple. El creep o deformación progresiva resulta de vital importancia en el concreto presforzado, para estimar las pérdidas de presfuerzo que se pueden presentar debido el fenómeno, también es de importancia en otros tipos de construcciones como presas y cimentaciones industriales.

Concreto: Módulo de Poisson.

El módulo de Poisson del concreto representa la relación entre la deformación unitaria transversal y la deformación unitaria longitudinal o axial de algún elemento, este parámetro se determina normalmente de acuerdo a la norma ASTM C-469 durante una prueba de compresión de un cilindro estándar. La instrumentación que se emplea en esta prueba queda ilustrada también con la Figura 9.16, donde además de medidor LVDT para medir la deformación axial, se emplean como se aprecia en la figura galgas eléctricas (sólo se observa una de ellas) colocadas a la mitad transversal, los valores que se emplean en el cálculo del módulo de Poisson corresponden a la zona elástica sugerida para el módulo de elasticidad, por esta razón generalmente se determinan ambos en una misma prueba. Los valores del módulo o relación de Poisson varia entre 0.15 y 0.20, pero la mayoría de los investigadores están de acuerdo en que este parámetro no es muy consistente y es posible observar valores fuera del intervalo mencionado. Cabe mencionar que tanto el módulo de elasticidad del concreto como el módulo de Poisson son parámetros que dependen de un gran número de factores entre los que se cuentan los ingredientes del concreto, las condiciones climáticas de los ensayes y los métodos de prueba, por lo que se debe tener mucho cuidado en su determinación y uso.

Concreto: Módulo de Elasticidad.

El concreto no es un material eminentemente elástico, esto se puede observar fácilmente si se somete a un espécimen a esfuerzos de compresión crecientes hasta llevarlo a la falla, si para cada nivel de esfuerzo se registra la deformación unitaria del material, se podría dibujar la curva que relaciona estos parámetros, la Figura 9.15 muestra la curva esfuerzo-deformación  (expresada en ocasiones como la curva).

Figura 9.15. Curva Típica Esfuerzo-Deformación para el Concreto Bajo Compresión, y Puntos para Definir el Módulo de Elasticidad según ASTM C-469.

De la Figura 9.15, y de acuerdo a la norma ASTM C-469, el módulo de elasticidad (Ec) se obtiene calculando la pendiente del segmento de recta que pasa por los puntos A y B, para lo cual es necesario obtener del trazo de la curva (o en el transcurso de la prueba) la ordenada correspondiente a las 50 microdeformaciones y la abscisa correspondiente al esfuerzo 0.40f’c. De la figura se observa también que la deformación que corresponde a la resistencia del concreto es 0.002 cm/cm, que corresponde a 2,000 microdeformaciones. Aún después de que el concreto alcanza su resistencia máxima, y si la carga se sostiene (el esfuerzo disminuye) hasta lograr la falla total (el concreto truena), se puede medir la deformación última que soporta el material, ésta deformación es de 0.035 cm/cm.
Pruebas como la del módulo de elasticidad del concreto son bastante tediosas si se realizan con instrumentaciones anticuadas, ya que el factor humano es determinante para la toma secuencial de lecturas tanto de carga como de deformaciones, por ese motivo se aconseja emplear una instrumentación adecuada como la mostrada en la Figura 9.16, donde se observa que se han conectado  al  cilindro  de  prueba  un  medidor  de  deformaciones  electrónico  conocido  LVDT (Linear Variable Differential Transformer) con el cual se miden las deformaciones verticales, estas deformaciones se registran automáticamente por medio de una computadora conectada al medidor, y por medio de un programa se puede graficar la curva  σ -ε y calcular al mismo tiempo el módulo de elasticidad.

Figura 9.16. Determinación del Módulo de Elasticidad del Concreto.

El módulo de elasticidad es un parámetro muy importante en el análisis de las estructuras de concreto ya que se emplea en el cálculo de la rigidez de los elementos estructurales, en algunos lugares como en la ciudad de México y a raíz de los terremotos de 1985, se han echo cambios en el Reglamento de construcciones del Distrito Federal, estos cambios demandan valores mínimos para el módulo de elasticidad dependiendo del tipo de concreto que se emplee en la obra, por lo tanto ahora, además de la f’c se debe garantizar Ec. En algunos estructuristas existe la tendencia a suponer valores de Ec, para lo cual emplean fórmulas sugeridas por diversas instituciones, por ejemplo el Comité Aci-318 sugiere en su reglamento la siguiente ecuación para concretos de 90 a 155 lb/pie3:

Cualquiera que sea la expresión que se use, no se debe perder de vista que el valor que se obtenga es útil solamente a nivel de anteproyecto, para el proyecto final de una obra se debe emplear el módulo de elasticidad del concreto que realmente estará en la obra, esto sólo es posible si el estructurista tiene el cuidado de recabar la información del productor local del concreto, o en su defecto se deben cotizar las pruebas respectivas con cargo al trabajo de análisis y diseño. Es muy peligroso para la seguridad de la estructura emplear indiscriminadamente fórmulas cuando se desconocen las características elásticas del concreto que se puede fabricar en la zona donde se construirá la obra.

Concreto: Resistencia al Intemperismo.

Cuando  el  concreto  va  a  estar  expuesto  a  la  intemperie,  particularmente  en  climas extremosos   (mucho   calor   y/o   mucho   frío),   este   sufre   cambios   volumétricos   cíclicos (contracciones y expansiones) que van minando poco a poco la resistencia del concreto, los efectos de desgaste se acentúan aún más cuando el material se humedece y se seca. Para proteger al   concreto   contra   los   efectos   del   intemperismo   se   acostumbra   a   introducirle   aire intencionalmente con ayuda de aditivos, el aire introducido, a manera de pequeñas burbujas de 0.025 a 0.1 mm en diámetro espaciadas uniformemente en la masa de concreto brindan una excelente protección contra los agentes de deterioro (las burbujas no se interconectan). En lugares donde el concreto se humedece y la temperatura baja hasta el punto de congelación se debe usar concreto con aire introducido. Las pequeñas burbujas en el concreto con aire introducido actúan como espacios disponibles para aliviar las fuerzas destructivas que se producen cuando el agua de los poros se congela (al congelarse el agua aumenta su volumen en un 10% aproximadamente).

La cantidad de aire necesaria para brindarle protección al concreto contra el deterioro provocado por el congelamiento y el deshielo varía entre 4 y 6% por volumen, este tipo de protección se debe dar al concreto en climas muy fríos durante el invierno, como el norte de Estados Unidos, parte de Canadá y algunos países europeos. La ASTM ha normalizado algunas pruebas para evaluar la resistencia del concreto al congelamiento y deshielo, las pruebas aunque no necesariamente se correlacionan bien con las condiciones reales de las estructuras de concreto, si permiten calificar de una manera rigorista la durabilidad del material, las pruebas normalizadas a las que se hará referencia son la ASTM C-666 Método A “Congelamiento y Descongelamiento en agua” y la ASTM C-666 Método B “Congelamiento al Aire y Descongelamiento en Agua”. En ambos casos el concreto se debe saturar en agua antes de proceder a bajar la temperatura hasta -
17.8 °C posteriormente y de acuerdo a la norma y para las condiciones de cada caso se va aumentando la temperatura en forma gradual hasta lograr 4.4 °C, descongelándose el material. Lo anterior  constituiría  un  ciclo  de  prueba,  se  considera  que  el  material  tiene  una  excelente durabilidad cuando resiste 300 ciclos sin mostrar una baja menor al 60% en el módulo de elasticidad dinámico. Las Figuras 9.13 y 9.14 muestran el equipo empleado en las pruebas y el daño causado por las pruebas en vigas moldeadas especialmente para este tipo de ensayes.

 Figura 9.13. Equipo Empleado en los Ensayos de Congelemiento-Deshielo.

Arriba se muestra un Refrigerador, Abajo la Prueba para checar la Reducción en el Módulo de

Elasticidad Dinámico.

Figura 9.14. Concretos Sometidos a Ciclos de Congelamiento-Deshielo ASTM C-666
Método.

Arriba un Concreto sin Aire Introducido (resistió 166 ciclos), Abajo un Concreto con Aire Introducido Después de 300 ciclos.