2.1 – Cemento
2.1.1. Generalidades
El cemento se presenta en forma de un polvo finísimo, de color gris que, mezclado con agua, forma una pasta que endurece tanto bajo agua como al aire. Por la primera de estas características y por necesitar agua para su fraguado se le define como un aglomerante hidráulico.
Es obtenido mediante un proceso de fabricación que utiliza principalmente dos materias primas: una caliza, con un alto contenido de cal en forma de óxidos de calcio, y un componente rico en sílice, constituido normalmente por arcilla o eventualmente por una escoria de alto horno.
Estos componentes son mezclados en proporciones adecuadas y sometidos a un proceso de fusión incipiente en un horno rotatorio, del cual se obtiene un material granular denominado clínquer, constituido por cuatro compuestos básicos:
- Silicato tricálcico (3 CaO.SiO2), designado como C3S.
- Silicato bicálcico (2 CaO.SiO2), designado como C2S.
- Aluminato tricálcico (3 CaO.Al2O3), designado como C3A.
- Ferroaluminato tetracálcico (4 CaO.Al2O3.Fe2O3), designado como C4AF.
Estos se presentan en forma de cuatro fases mineralizadas en conjunto con una fase vitrea, integrada por los dos últimos. Estas fases constituyen un 95% del peso total del clínquer, siendo el 5% restante componentes menores, principalmente óxidos de sodio, potasio, titanio, residuos insolubles y otros.
El clínquer es sometido a molienda mediante molinos de bolas hasta convertirlo en el polvo finísimo ya mencionado, adicionándose en esta etapa una proporción de yeso de alrededor de un 5% de su peso, destinado a regular el fraguado de la pasta de cemento, la que de otra manera endurecería en forma casi instantánea. El cemento así obtenido se denomina Cemento Portland.
Durante la molienda se pueden adicionar otros productos naturales o artificiales, constituyendo así los Cementos Portland con Adiciones o Especiales, los que, junto con mantener las propiedades típicas del Portland puro (fraguado y resistencia), poseen, además, otras cualidades especialmente relacionadas con la durabilidad, resistencia química y otras. Entre las adiciones más conocidas y utilizadas están las puzolanas, las cenizas volantes y las escorias básicas granuladas de alto horno.
Estas adiciones presentan una reactividad química potencial, que se activa durante la hidratación del clínquer a temperatura ambiente. Así, las puzolanas y cenizas volantes reaccionan con la cal hidratada liberada durante la hidratación de los componentes activos del clínquer. En cambio, en el caso de las escorias este efecto se produce porque la cal hidratada liberada desencadena la reacción de los componentes de la escoria, similares a los existentes en el clínquer.
2.1.2. Fraguado y endurecimiento de la pasta de cemento
El cemento al ser mezclado con agua forma una pasta, que tiene la propiedad de rigidizarse progresivamente hasta constituir un sólido de creciente dureza y resistencia.
Estas características son causadas por un proceso físico-químico derivado de la reacción química del agua con las fases mineralizadas del clínquer y que en su primera etapa incluye la solución en agua de los compuestos anhidros del cemento, formando compuestos hidratados. Los compuestos del cemento se hidratan a distinta velocidad, iniciándose con el C3A y continuando posteriormente con C4AF, C3S y C2S en ese mismo orden.
A partir de este momento el proceso no es cabalmente conocido, existiendo teorías que suponen la precipitación de los compuestos hidratados, con la formación de cristales entreverados entre sí que desarrollan fuerzas de adherencia, las que producen el endurecimiento de la pasta (teoría cristaloide de Le Chatelier) o alternativamente por el endurecimiento superficial de un gel formado a partir de dichos compuestos hidratados (teoría coloidal de Michaelis), estimándose actualmente que el proceso presenta características mixtas.
El endurecimiento de la pasta de cemento muestra particularidades que son de interés para el desarrollo de obras de ingeniería:
- La reacción química producida es exotérmica, con desprendimiento de calor, especialmente en los primeros días.
- Durante su desarrollo se producen variaciones de volumen, de dilatación si el ambiente tiene un alto contenido de humedad o de contracción si éste es bajo.
- El proceso producido es dependiente de las características del cemento, principalmente de su composición y de su finura, los cuales condicionan en especial la velocidad de su generación.
2.1.3. Clasificación de los cementos fabricados en Chile
La Norma NCh 148 clasifica a los cementos nacionales según su composición y resistencia en la forma que se indica en las Tablas siguientes :
- Tabla 2.1 Clasificación de los cementos según su composición
| Denominacion | Clinquer | Puzolana | Escoria |
|---|---|---|---|
| Portland | 100% | – | – |
| Portland Puzolanico | ≥70% | ≤30% | – |
| Portland Siderurgico | ≥70% | – | ≤30% |
| Puzolanico | 50-70% | 30-50% | – |
| Siderurgico | 25-70% | – | 30-75% |
- Tabla 2.2 Características Especificadas para los Cementos Nacionales
En casos eventuales, puede ser necesario determinar directamente las características del cemento que se va a emplear en obra. Para este objeto debe recurrirse a efectuar ensayos normalizados.
En la Tabla 2.3 que se inserta a continuación se indican las características de mayor importancia y los ensayos respectivos, con la correspondiente Norma chilena o extranjera en caso de no existir la primera.
- Tabla 2.3 Características de los Cementos y Ensayos Normalizados
- CC: Cemento Corriente
- CAR: Cemento Alta Resistencia
- La Norma no especifica valores
- La Norma ASTM especifica la medición del calor de hidratación mediante un ensayo por disolución en ácido fluorhídrico. Existe un ensayo alternativo (Botella Thermos), no normalizado, que mide directamente el calor desprendido en un ambiente de temperatura constante y que es más aplicable a los cementos nacionales, en especial si contienen agregado de puzolana o escoria. En este último ensayo, los valores que se obtienen oscilan generalmente alrededor de 60 a 70 cal/g para los cementos corrientes, 70 a 80 cal/g para los de alta resistencia y sobre 80 para los cementos Portland puros. Los primeros deben ser preferidos para obras masivas.
2.2 Áridos
2.2.1. Generalidades
Por razones económicas y de estabilidad físico-química, es conveniente que la pasta de cemento sea sustentada por un esqueleto inerte. Este papel es desempeñado por un árido, el que constituye normalmente alrededor de 65 a un 75% del volumen total del hormigón y el cual está integrado por partículas granulares de material pétreo de tamaño variable. Estas partículas se originan por fragmentación de las rocas de la corteza terrestre, ya sea en forma natural o artificial. Generalmente el árido se constituye mediante el aporte de varias fracciones distintas, conteniendo cada una distintos tamaños de partículas.
2.2.2. Condiciones de los Áridos
Para su integración en el hormigón, los áridos deben cumplir ciertas condiciones, las cuales pueden resumirse en tres grupos principales:
a. Condición de docilidad: La condición de docilidad puede definirse como el conjunto de características necesarias para que los áridos al ser incorporados al hormigón le confieran una docilidad adecuada para su uso en obra en estado fresco. Puede subdividirse en:
- a1. Condición de granulometría
- a2. Condición de contenido de granos finos
- a3. Condición de forma de los granos
- a4. Condición de porosidad de los áridos
Su cumplimiento debe ser analizado previamente al empleo de los áridos para confeccionar hormigones en la forma que se resume en los párrafos que siguen.
a1. Condición de granulometría.
Tal como se indicó, los áridos se utilizan separados en fracciones cada una de las cuales contiene una gama distinta de tamaños de partículas. La distribución de los porcentajes en peso para cada tamaño de partícula se denomina granulometría del árido. Dado que no es posible determinar en forma práctica su porcentaje de participación para cada tamaño, ésta se determina haciendo pasar una muestra representativa del árido por una serie de tamices ordenados, de abertura decreciente. Los pesos retenidos en cada tamiz se expresan como porcentajes del peso total de la muestra y, finalmente, la granulometría del árido se acostumbra expresarla en porcentajes acumulados que pasan por las mallas de la serie utilizada.
Los tamices para áridos están normalizados en NCh 165 y se denominan por su abertura en mm. Sin embargo, los más usados en la práctica corresponden a la serie normalizada por ASTM E 11, debido a que éstos se encuentran disponibles en el mercado.
En la Tabla 2.4 puede observarse la correspondencia entre las dos series de tamices mencionadas. Por su parte, la granulometría de los áridos está normalizada por NCh 163, cuyos requisitos se resumen en las Tabla 2.5 y en la Figura 2.1 anexas. De acuerdo a la definición de la mencionada Norma, se designa como arena al árido que pasa en por lo menos un 95% por el tamiz de abertura nominal de 5 mm y grava al árido que es retenido en un 95% por dicha malla.
La granulometría de un árido puede ser englobada en números índices, que la representan en forma resumida. De ellos, el más utilizado es el Módulo de Finura, que se determina sumando los porcentajes retenidos acumulados correspondientes a las mallas 3″, 11/2″, 3/4″, 3/8″, #4, #8, #16, #30, #50, #100 de la serie ASTM.
- Tabla 2.4 Correspondencia entre tamices NCh y ASTM
a2. Condición de Contenido de Granos Finos
El hormigón necesita de un cierto contenido de granos muy finos, de un tamaño inferior a 80μ (0.080 mm), para que tenga una adecuada trabajabilidad.
Parcialmente este aporte es efectuado por el cemento, el que está normalmente constituido en su casi totalidad por partículas menores de ese tamaño, pero, especialmente en hormigones con bajas dosis de cemento, se requiere que también los áridos aporten parte de esas partículas.
- TABLA 2.5 Requisitos granulométricos según NCh 163
a2. Condición de Contenido de Granos Finos.
El hormigón necesita de un cierto contenido de granos muy finos, de un tamaño inferior a 80µ (0.080 mm), para que tenga una adecuada trabajabilidad.
Parcialmente este aporte es efectuado por el cemento, el que está normalmente constituido en su casi totalidad por partículas menores de ese tamaño, pero, especialmente en hormigones con bajas dosis de cemento, se requiere que también los áridos aporten parte de esas partículas.
Sin embargo, un contenido excesivo de ellas puede ser desfavorable, pues obligan a un mayor empleo de agua, interfieren en el proceso de cristalización de la pasta de cemento y dañan la adherencia entre árido y pasta.
Aun cuando, por las razones expuestas, el contenido de granos finos debería analizarse globalmente, se acostumbra a limitar el aporte proveniente de los áridos.
Si la determinación del contenido de granos muy finos se efectúa en la forma señalada por NCh 1223, los valores aceptables para este objeto deben ser los establecidos en NCh 163 y pueden resumirse como se indica en la Tabla siguiente:
- TABLA 2.6 Contenido de Finos según NCh 163
a3. Condición de Forma de los Granos.
Una forma regular de los granos de un árido favorece la trabajabilidad del hormigón. Para medir esta condición existen numerosos índices, algunos de los cuales son los siguientes:
NCh 163 establece para este último coeficiente los valores aceptables que se señalan en la
- Tabla 2.7; el ensayo se efectúa según NCh 1511.
a4. Condición de Porosidad.
La porosidad de un árido está relacionada con la absorción de agua. Una alta porosidad es una característica desfavorable, pues está normalmente asociada a alterabilidad por parte de los agentes atmosféricos; además, introduce un factor de variabilidad en el hormigón al dificultar el control de la dosis de agua, debido a que la cantidad de agua absorbida por el árido resulta dependiente de las condiciones de empleo del hormigón en obra, en particular de los tiempos de espera que se producen desde la elaboración hasta la puesta en obra del hormigón.
El procedimiento para determinar la porosidad de los áridos está definida por NCh 1239 y por NCh 1117 para la arena y la grava respectivamente.
Por su parte, NCh 163 establece los siguientes límites máximos:
- Arena 3%
- Grava 2%
Debe señalarse que este último valor es aceptable cuando se utiliza una sola grava con granulometría integral a partir de 5 mm, pero puede resultar excesivo si se aplica individualmente a cada una de las fracciones de una grava separada en varias fracciones.
b. Condición de Resistencia Propia.
El árido debe ser capaz de resistir los efectos ambientales y las tensiones internas que le producen las solicitaciones aplicadas sobre el elemento del cual forma parte. Esta última condición es más importante si se considera que, debido a su forma irregular, pueden producirse concentraciones de dichas tensiones internas en torno al árido.
La resistencia de un árido no resulta fácil de medir en forma directa, por lo que se recurre a ensayos indirectos tales como el ensayo de abrasión, cuya ejecución por el Método de Desgaste de la Máquina de Los Angeles está definida por NCh 1369.
Los valores definidos como aceptables para el primero son los siguientes:
- Abrasión máxima 40 % para hormigones sometidos a desgaste
- 50 % para hormigones normales
Un ensayo alternativo del anterior es el de trituración, el cual consiste en someter el árido a presión en una cámara confinada y ver como varía su granulometría con respecto a la que tenía originalmente. Este ensayo no ha sido normalizado en nuestro país.
Las Normas regulan también la cantidad de partículas blandas, desmenuzables por presión de los dedos, que puede contener un árido. La determinación respectiva está regulada por NCh 1327 y los valores máximos admisibles por NCh 163, de acuerdo a la siguiente pauta:
- Grava 5%
- Arena 3%
Los áridos nacionales, en general, presentan buenas características de resistencia propia, pues en su mayoría provienen de rocas ígneas de alta dureza, principalmente rocas graníticas. Sin embargo, este aspecto no puede ser descuidado cuando, como sucede con frecuencia en la zona norte de nuestro país, los áridos se obtienen de rocas que han experimentado un cierto grado de alteración.
c. Condición de Estabilidad Físico – Química.
Un árido debe ser capaz de resistir las acciones físico-químicas generadas por las condiciones ambientales en las que debe subsistir y de las internas derivadas de su incorporación en el hormigón, en la forma que se describe a continuación.
c1. Estabilidad química.
Para la estabilidad química de un árido deben considerarse básicamente los dos aspectos que se señalan en los párrafos que siguen,
Materiales para el Hormigón
c1.1. Inalterabilidad ante los compuestos producidos durante el proceso de fraguado de la pasta de cemento.
Los áridos pueden contener componentes combinables con los compuestos producidos durante el fraguado de la pasta de cemento.
De estos componentes, son potencialmente más peligrosos aquellos que en su constitución contienen sílice amorfa, tales como el ópalo, la calcedonia y los vidrios volcánicos, los sulfatos y sulfuros de calcio y fierro, las calizas dolomíticas y las arcillas expansivas, los cuales al reaccionar forman compuestos expansivos, que pueden llegar a desintegrar el hormigón.
De este tipo de reacciones la más estudiada ha sido la denominada reacción álcali – árido, que se produce en los áridos con contenido de sílice amorfa, la cual reacciona con los álcalis desprendidos durante el fraguado de la pasta, produciendo un gel expansivo.
El procedimiento para estudiar este tipo de reacción ha sido regulado por las Normas ASTM, las que consideran tres etapas básicas, que se efectúan en forma sucesiva si se obtiene resultados desfavorables en cada una de ellas:
- Análisis petrográfico según ASTM C 295, destinado a detectar la presencia de compuestos reactivos. El ensayo es desfavorable si se detectan compuestos potencialmente reactivos.
- Análisis químico de reactividad según ASTM C 285, la cual indica cómo verificar la presencia de sílice disuelta (Se) y la reactividad alcalina del árido (Re). El árido es potencialmente reactivo si Re> 70 y Se > Re o si Re< 70 y Se > 35-0.5Rc.
- Medición de la expansión producida en probetas prismáticas de mortero preparadas con el árido en análisis y un cemento de alto contenido de álcalis. Efectuada según ASTM C 227. Se considera que el árido es expansivo si las probetas experimentan un alargamiento superior a 0.05% a 3 meses o 0.10% a 6 meses.
En nuestro país no se han informado situaciones ciertas de existencia de daños en obras causados por reacción álcali – árido. Sin embargo, dada la existencia de partículas de origen volcánico en muchos de ellos, en particular de los obtenidos en el curso alto de los ríos, es conveniente, cuando se desea utilizar áridos no conocidos, verificar la potencial existencia de compuestos nocivos.
c1.2. No Incorporación de Productos Nocivos.
El árido no debe incorporar en el hormigón productos que puedan alterar el proceso de fraguado y endurecimiento de la pasta de cemento. Entre los que pueden producir efectos más perniciosos se cuentan la materia orgánica, contenida principalmente en la arena, y las sales solubles en agua adheridas a los áridos.
La materia orgánica, y en particular el ácido tánico, contenida en ella, producen un efecto retardador del fraguado, que puede afectar la resistencia, especialmente a edades tempranas del hormigón. Por este motivo, es conveniente detectar su existencia, para lo cual se recurre a un ensayo colorimétrico, cuya ejecución está definida en NCh 166 y que consiste en sumergir una muestra de arena durante 24 horas en una solución de hidróxido de sodio y observar la coloración que toma la solución, siendo aceptable sólo si ella mantiene su transparencia o toma una débil coloración amarilla, de acuerdo a patrones de comparación que existen para este objeto.
Por su parte, las sales solubles más perniciosas para el hormigón están constituidas por los sulfatos y sulfuros, cuyo contenido expresado en forma de ión SO4 no debe superar los valores establecidos en NCh 163 y que son las siguientes:
- Sulfatos (ión SO4) 0.60 kg/m³
- Sulfuros (ión SO4) 1.80 kg/m³
Para computar las cantidades anteriores debe sumarse el aporte total de todos los componentes del hormigón, incluidos los aditivos.
Adicionalmente, NCh 163 introduce limitaciones en el contenido de cloruros en los hormigones armados y pretensados y de carbón o lignito, los primeros por inducir o favorecer los procesos de corrosión de las armaduras y los segundos por causar manchas superficiales que afectan la apariencia del hormigón.
Los valores establecidos como máximos admisibles por NCh 163, incluidos los aportados por el cemento, agua y aditivos, para estos compuestos son los siguientes:
- Cloruros (como ión Cl)
- Hormigón armado: 1.20 kg/m³ de hormigón
- Hormigón pretensado: 0.25 kg/m³ de hormigón
- Carbón y lignito
- Hormigón a la vista: 0.5 %
- Otros hormigones: 1.0 %
En nuestro país, la presencia de sales solubles debe necesariamente considerarse en los áridos empleados en el Norte Grande y la de materias orgánicas en los de la zona sur y, eventualmente, en los de la zona central.
c2. Estabilidad física.
El árido debe ser capaz de soportar las condiciones ambientales a que va a estar sometido el hormigón. De estas condiciones, las más nocivas son los ciclos alternados de temperatura o humedad y, dentro de ellas, sin duda los ciclos alternados de temperatura bajo y sobre 0° C. (hielo-deshielo).
El efecto de estos ciclos de hielo y deshielo está muy relacionado con la porosidad del árido, pues se manifiesta a través del importante aumento de volumen que experimenta el agua al congelarse, la cual al estar absorbida por el árido induce en éste tensiones de tracción, que pueden significar su destrucción progresiva al repetirse en forma cíclica.
La calidad resistente de un árido a este efecto puede medirse a través del ensayo de desintegración mediante sulfato de sodio definido por NCh 1328, que consiste en someter a una muestra de granulometría normalizada a ciclos alternados de inmersión en una solución de sulfato de sodio y de secado posterior a 110 ºC. El árido se considera apto si después de cinco de estos ciclos experimenta una pérdida de peso total no superior a 10 % para la grava y 12 % para la arena.
Debe señalarse que este ensayo es exigente y, en consecuencia, un árido que no cumpla los límites señalados no necesariamente es rechazable, en particular si los resultados indican valores cercanos a los admisibles, caso en el cual se acepta que se efectúen ensayos en hormigón sometidos a ciclos de hielo y deshielo.
2.3. Agua
2.3.1. Generalidades.
El agua desempeña dos roles en su calidad de componente del hormigón:
- Participa en el proceso de hidratación del cemento, el cual no puede tener lugar sin su presencia.
- Otorga la trabajabilidad necesaria al hormigón, siendo determinante para definir su fluidez.
Es, en consecuencia, un componente fundamental del hormigón, ya que su presencia condiciona tanto el desarrollo de las propiedades en su estado fresco como en la etapa de su endurecimiento.
2.3.2. Condiciones del Agua
Para su incorporación en el hormigón, el agua debe presentar ciertas características de calidad, las cuales aparecen definidas en NCh 1498, y pueden resumirse en la forma que sigue:
- El uso de agua potable está permitido sin necesidad de verificar su calidad.
- El agua de mar sólo puede utilizarse en la preparación de hormigones de resistencia especificada inferior a H15 (150 Kgf/cm²).
- El agua con contenido de azúcares, en forma de sacarosa o glucosa, no puede ser empleada para la preparación de hormigones.
- Las aguas de origen desconocido deben ser sometidas a análisis químico, debiendo atenerse su composición a los límites señalados en la Tabla 2.8 siguiente:
- TABLA 2.8 Requisitos químicos del agua
Las condiciones señaladas están dirigidas a limitar la presencia de componentes que puedan ser dañinos al hormigón a través de algunos de los siguientes procesos:
- Entrar en reacción con los compuestos del cemento, alterando el proceso de fraguado y endurecimiento de la pasta de cemento, como sucede con las materias orgánicas y los azúcares.
- Producir compuestos expansivos que dañen físicamente al hormigón, como es el caso de los sulfatos.
- Inducir o acelerar procesos de tipo corrosivo en las armaduras de los hormigones armados o pretensados, como sucede con los cloruros.
- Afectar las propiedades físicas del hormigón, como es el caso de los sólidos en suspensión.
Debe señalarse que existen Normas, como las ASTM, que aceptan que, en caso de incumplimiento de las condiciones de calidad, el agua puede ser sometida a un ensayo comparativo de resistencias a 7 días en morteros preparados con el agua en estudio y con agua destilada. Si el resultado obtenido en el primero es igual o superior a un 95% del segundo, el agua se considera apropiada para su empleo en hormigones.
La presencia de compuestos nocivos en las aguas es susceptible de presentarse en nuestro país en condiciones similares a las señaladas para los áridos, es decir, en la zona norte es posible la existencia de sales disueltas y en las zonas sur y central la de materias orgánicas.
2.4. Aditivos
Los aditivos son productos que se emplean, generalmente en pequeñas cantidades, para modificar algunas de las características del hormigón.
Por este motivo, para comprender su empleo es necesario previamente conocer en detalle cómo se establecen normalmente esas características, por lo cual serán analizados posteriormente en el presente texto, al abordar los aspectos relacionados con la dosificación de hormigones.
