CONCRETOS ESPECIALES

-INGENIERIA CIVIL-

CONCRETOS ESPECIALES

POR: José Antonio Gamarra Amaro

1.- DEFINICION

Los concretos especiales son aquellos cuyas características especiales no son las del concreto ordinariamente concebido,  ya sea por algún tipo especial de insumos, o por la tecnología de producción y/o aplicación.

El propósito de este artículo es dar a conocer algunos de los tipos de concretos especiales que se utilizan comúnmente. Los nombres de muchos de ellos nos describen el uso, propiedades o condición del concreto. Es notable el desarrollo de concretos que no utilizan cemento PORTLAND como elemento cementante.

La siguiente relación tomada en parte del convite ACI 1168-78 (Cement and Concrete Terminology); muestra algunos tipos de concretos especiales, poniendo énfasis en los concretos de alto rendimiento.

ALGUNOS TIPOS DE CONCRETOS ESPECIALES

CONCRETOS ESPECIALES FABRICADOS CON CEMENTO PORTLAND

CONCRETOS ESPECIALES FABRICADOS CON CEMENTO PORTLAND
C. con aire incluido C. arquitectónico  C. colado centrifugado C. coloreado C. con densidad controlada C. ciclópeo C. con epóxico C. con agreg. Expuesto      Ferrocemento C. reforzado con fibras C.  fluído C. cenizas volantes C. tipo grounting	C.pesado C. con alta resist. Temprana C. con aislante C. con latex-modoficado C. con beta densidad C. masivo C. mano con resistencia moderada c/s slump C. modificado con polímero C. poroso C. pusolámico C. precolado C. con graduaciones discontinuas en la contracción de fragua C. perforable	C. pretensado C. rolado compactado C. protegido C. Shotcrete C. microsílica Suelo cemento C. liviano estructural C. con superplastificante C. terrero C. blanco C. con cero slump C. compensado
CONCRETOS ESPECIALES SIN USO DE CEMENTO PORTLAND
c. acrílico C. asfáltico C. aluminio y calcio C. epóxico	C. con látex	C. poliéster C. polímero C. silicato y potasio C. sodio y potasio C. sulfuroso

1.1      CONCRETO LIVIANO

Este concreto es similar  al concreto standart excepto que es te tiene una baja densidad. Este concreto es preparado con agregados ligeros o una combinación de estos y los agregados standart.

La densidad del concreto liviano normalmente está entre 1365 y 1850 kg/m3 y  y una resistencia a la compresión a los 28 días de aproximadamente 175kg/m2.  Este concreto es usado primordialmente para reducir el peso propio en elementos de concreto tales como losas de entrepisos en edificios altos.

1.2      CONCRETO PESADO

Este concreto es producido con agregados pesados especiales, lográndose una densidad por encima de los 6400 kg/m3.  El concreto pesado es usado generalmente como una pantalla contra la radiación, pero es también empleado como contrapeso y otras aplicaciones donde la alta densidad es importante.

Como una pantalla, el concreto pesado proporciona protección adecuada a los efectos de rayos X, rayos gamma y la radiación de neutrones. La selección del concreto pesado como pantalla anti-radiactiva está basada en los requerimientos de espacio y en la intensidad y tipo de la radiación. Donde los requerimientos de espacio no es importante, el concreto estándar generalmente proporciona la solución más económica; sin embargo si la disponibilidad de espacio es limitada, el concreto pesado reduce notablemente el espesor de la pantalla sin sacrificar la eficiencia.

Agregados de alta densidad tales como barita, ferrofosforo, geotita, hematita, ilmetita, limonita, magnetita, y escoria de acero son usados para producir concreto pesado.

Las propiedades del concreto pesado en estado fresco y endurecido pueden estar condicionadas para darle a este trabajabilidad adecuada y los requisitos necesarios para su uso, mediante una selección cuidadosa de materiales y diseños. Excepto por la densidad, las propiedades físicas del concreto pesado son similares a los concretos estándar.

1.3      CONCRETO DE ALTA-RESISTENCIA TEMPRANA

Como su nombre lo indica, este concreto adquiere a edad temprana una resistencia especificada mayor que la que se obtendría a la misma edad con un concreto estándar. El periodo de tiempo en el que se desea que el concreto adquiera una determinada resistencia muestra un rango muy amplio: va desde unas pocas horas hasta algunos días. Para lograr un concreto con estas características se puede usar los materiales y las mismas prácticas de diseño.  Una alta resistencia  temprana puede ser obtenida usando una o una combinación de los siguientes materiales dependiendo de la edad necesaria y de las condiciones de trabajo que las especificaciones lo requieran:

-          Cemento Tipo III (Alta –resistencia temprana)

-          Alto contenido de cemento (360 a 600 kg/m3)

-          Baja relación agua/cemento (0.2 a 0.45)

-          Aditivos químicos

-          Microsílica

El concreto de alta-resistencia-temprana es usado para concreto pretensado, concreto premezclado para una rápida producción de elementos, construcciones rápidas, construcciones en climas fríos, pavimentación para uso inmediato y otros usos. En pavimentos en uso de mezclas de alta-resistencia –temprana permiten abrir el tráfico a las 24 horas después del vaceado. Los resultados de resistencia para un slump de 1 ½ pulg. Son:

EDAD               (días)	Resistencia a compresión                 (kg/cm2)	Resistencia a flexión                   (kg/cm2)
4 hr.                6 hr.                8 hr.              12 hr.              18 hr.              24 hr.               7 d.             14 d.             28 d.	17.6                      71.4                    131.8                    178.2                    204.4                    242.7                   347.7                   370.7                   413.0	8.8                   20.1                   27.5                   34.6                   40.2                   42.3                   50.5                   57.8                   58.1

1.4.- CONCRETO MASIVO

Concreto masivo es definido por ACI 116 como “cualquier volumen grande de concreto situado en un área específica con dimensiones suficientemente extensas que requiere control de la generación del calor de hidratación y el cambio de volumen con la mínima fisuración”

El concreto masivo incluye no solo el bajo contenido de cemento como en el concreto que usa en presas, diques, y otras estructuras macizas, sino también el uso moderado de concreto que incluye un alto contenido de cemento en algunos miembros estructurales que requieren considerar el manejo de calor de hidratación y el aumento de temperatura.

En el concreto masivo el aumento de la temperatura es causado como ya se dijo; por el calor de hidratación que trae como consecuencia una diferencia de temperatura entre la parte interior y la superficie, gradiente que ocasiona esfuerzos de tensión y rajaduras en la superficie del concreto; el ancho y la profundidad de las fracturas depende precisamente del gradiente de temperatura.

1.5.- CONCRETO SIN SLUMP

Este concreto es definido también por ACI 116 como: concreto con una consistencia correspondiente a un slump de ¼ pulg. O menos.

Este concreto en estado normal (seco), debe ser lo suficientemente trabajable para ser colocado y consolidado con el equipo que va a ser usado en el trabajo. 

Muchas de las reglas básicas que gobiernan las propiedades del concreto estándar son aplicables a este concreto; sin embargo,  la medida de la consistencia del concreto estándar difiere de la utilizada en éstos,  pues la prueba del cono de Abrams no es práctico para dar un parámetro de éstas características.

1.6.- CONCRETO ROLADO-COMPACTADO

Este es un concreto sin slump, y seco que esw compactado mediante un rodillo vibratorio un equipo en forma de una platea de compactación.  Este concreto es una mezcla de agregado, cemento y agua;  ocasionalmente materiales cementantes como el Fly Ash también puede ser usado. El contenido de cemento varía desde 60 a 360 kg/m3.  La mezcla puede ser hrecha con una mezcladora tradicional, o en algunas ocasiones con camiones mezcladores o mixer. Este concreto-rolado-compactado está considerado como el mas rápido y económico  método de construcción en presas de gravedad, pavimentos, aeropuertos, caminos rurales, y como sub-bases para caminos y avenidas que luego serán pavimentadas.

Una resistencia a la compresión de 70 a 315 kg/m2 pueden ser obtenidas para concreto-rolado-compactado en proyectos de presas. Los proyectos de pavimentos sin embargo requieren de un diseño a la compresión de aproximadamente 350 kg/cm2.

El concreto -rolado-compactado debe reunir algunas condiciones para su colocación, por ejemplo, tener suficiente espesor para que la compactación sea uniforme y completa con los equipos usados. Una medida optima del espesor puede ser de 8 a 12 pulg. Cuando va ser colocado y consolidado con equipo convencional de movimiento de tierra o equipos de pavimentos.

1.7.- SUELO-CEMENTO

El suelo-cemento es una mezcla de suelo pulverizado o material granular, cemento y agua. La mezcla es compactada para lograr alta densidad y ocurre la reacción de hidratación del cemento que liga los agregados proporcionando la fragua y la durabilidad.

El suelo-cemento es primordialmente usado como una base para caminos, calles, aeropuertos y áreas de parqueo. Elementos bituminosos o concreto de cemento portland son usados luego sobre la base. El suelo-cemento es también usado como una sub-base para pavimentos de concreto, como protección para presas de tierra y embarcaderos, reservorios y la estabilización de fundaciones.

1.8.- SHOTCRETE

Shotcrete es un mortero de concreto que es lanzado neumáticamente sobre una superficie a alta velocidad.  La relativamente seca mezcla es consolidada por la fuerza de impacto y puede ser colocada sobre superficies verticales u horizontales sin ocurrir disgregación.

 El shotcrete es usado tanto para una nueva construcción como para reparaciones.  Su aplicación es particularmente importante en estructuras abovedadas o en la construcción de túneles para la estabilización de fragmentos de roca suelta y expuesta.

Las propiedades del shotcrete endurecido son muy dependientes del operador. Shotcrete tiene un peso específico y una resistencia a la compresión similar a un concreto estándar y uno de alta resistencia respectivamente.  Agregados con tamaño máximo de ¾ pulg. Pueden ser usados.

Shotcrete puede ser producidos  mediante un proceso seco o húmedo. 

En el proceso seco se hace un pre-mezclado del cemento y los agregados; luego ésta mezcla, supuesta homogénea es impulsada por una compresora de aire hacia la boquilla. El agua es adicionada a la mezcla en la boquilla a la salida mezclándose íntimamente, para que inmediatamente sea lanzada, proyectada sobre la superficie.

En el proceso húmedo, todos los ingredientes son pre-mezclados y luego lanzados sobre la superficie. Si se adiciona al final de la boquilla una compresora de aire, se incrementa la velocidad del lanzamiento de la mezcla sobre la superficie.

1.9.- CONCRETO BLANCO, CONCRETO COLOREADO

1.9.1.- CONCRETO BLANCO.-El cemento blanco portland es usado para producir concretos blancos. Es un material usado ampliamente como material arquitectónico. El cemento blanco es fabricado de acuerdo a ASTM C150. Este concreto es producido con agregados y agua que no contengan materiales que puedan modificar la coloración del concreto.

1.9.2.- CONCRETO COLOREADO.-  Este concreto, puede ser producido usando agregados coloreados, añadiendo pigmentos de colores o ambos.  Cuando son usados los agregados de colores ellos deberán ser expuestos en la superficie del concreto.

2.- CONCRETO DE ALTO RENDIMIENTO USO DE LA MICROSILICA

2.1.- Introducción

            Históricamente, el rendimiento (performance) del concreto fue especificado y evaluados en términos de resistencia, a mayor resistencia, mejor expectativa de rendimiento. La experiencia sin embargo, muestra que aquellas estructuras diseñadas para servicio de larga vida: puentes, pistas, estructuras marinas, plantas de tratamiento, están fallando en medio ambientes hostiles debido al problema de durabilidad y no a deficiencias de resistencia. Para ser durable, el concreto tiene que resistir intemperismo, ataques químicos, abrasión y otros procesos de deterioro. La resistencia a estos procesos está relacionada a estabilidad dimensional y permeabilidad.

El término concreto de alto rendimiento (High Performance Concrete – HPC) fue acuñado para describir un material no solo con alta resistencia, sino también con un significativamente alto módulo de elasticidad, mínimo cambio volumétrico y baja permeabilidad.

El concreto de alto rendimiento debe cumplir los siguientes requerimientos:

-          Permeabilidad: como un indicador de su durabilidad no deberá exceder de 500 coulomb en un test de permeabilidad del ion cloro AASHTO 227. Este requerimiento lo haría prácticamente impermeable.

-          Estabilidad dimensional: medido en un alto módulo de elasticidad, baja contracción y deformación, y bajo valor de hidratación. Estas características son indispensables para evitar cualquier efecto de esfuerzos indeseables en las est5ructuras.

-          Otras características de resistencia y trabajabilidad pueden ser añadidas dependiendo del uso final.

Los diseñadores deben darse cuenta que el HPC no es una extensión simple del concreto estándar, por lo que los códigos de diseño existentes solo pueden aplicarse en determinados casos.

Los concretos convencionales de alta resistencia pueden ser incompatibles con los diseños HPC. Por esto la selección de materiales componentes: cementos, agua, agregados, aditivos, requieren de una cuidadosa selección en función a su propia durabilidad y también a la interacción entre ellos. El solo hecho de bajar la relación Agua/Cemento no produce HPC. El uso de aditivos especializados y la cuidadosa selección de agregados puede influir en forma significativa en las propiedades,  por ello la secuencia de mezclado,  eficiencia de la mezcladora, el manejo y el curado del concreto que son importantes en concreto normal,  son aún más importantes en el HPC.  Las pruebas muestran el efecto de  factores tales como el orden en que los materiales son añadidos, la energía de la mezcladora, y lo mas importante,  el adecuado curado del concreto.  El manejo de este tipo de concreto en obra es también determinante.

Los altos requerimientos de calidad convierten en mandatario un estricto control de calidad. El control para HPC puede exceder la capacidad de la mayoría de las máquinas de prueba usadas por laboratorios uy algunas de sus características innovadoras tales como baja permeabilidad y estabilidad dimensional  requieren de aparatos de medición sumamente sensibles difícilmente disponibles en los laboratorios estándar.

En los últimos tiempos, debido al desarrollo de nuevas tecnologías,  implementación de nuevos materiales y mejoramiento del uso de otros que ya se venían utilizando, ha sido posible la obtención de concretos en los que las características de resistencia, durabilidad, trabajabilidad y peso propio ofrecen altos estándares de comportamiento.

Para lograr durabilidad, debemos por consiguiente, lograr un concreto m{as impermeable. La permeabilidad está asociada a la fisuración, microfisuración y densidad o porosidad del concreto.

Todos estos parámetros se pueden controlar mediante:

a.    La optimización del uso del cemento, el cuál intrínsecamente tiene ciertos comportamientos negativos para la masa del concreto, por el cual debe limitarse su uso al mínimo necesario para cumplir los requerimientos de resistencia. En otras palabras un diseño de concreto con mayor contenido de cemento puede no ser un Concreto de Alto Rendimiento,  justamente porque el exceso de cemento afecta la durabilidad del mismo: los efectos térmicos, químicos y de variabilidad volumétrica del cemento producen en su entorno fenómenos y sub productos que afectan negativamente entre otras cosas la permeabilidad del concreto. En algunos casos las sílices de los agregados reaccionan con los álcalis de los cementos provocando la destrucción den los mismos.

b.    Uso de diseño en las cantidades mínimas posibles. Para producir la fragua del cemento, solo se requiere entre 15 y 20% de su peso en agua, todo exceso sirve para dar trabajabilidad al concreto y para la absorción de los agregados en caso de que físicamente lo requieran.

Un diseño estándar, en consecuencia tiene entre 2 y 3 veces mas agua que la requerida para la fragua del cemento y este exceso una vez colocado el concreto,  tiende a salir a la superficie, abriéndose paso a través de conductos que atraviesan la masa del concreto y constituyen los futuros caminos de ingreso para todos los agentes externos.  Parte de ésta agua queda atrapada bajo los agregados y armadura de3 acero haciendo perder la adherencia de estos elementos.

La pérdida de un volumen apreciable de agua causa variación volumétrica en la masa del concreto, en consecuencia un concreto con mayores cantidades de agua tiene mayor posibilidad de sufrir variaciones volumétricas, presentándose la fisuración que es el principio del fin del concreto.

        c.- Los agregados deben tener una textura  y graduación optima de acuerdo al              tamaño máximo y al uso del concreto.   

             La granulometría y textura de los agregados nos determinan en primera instancia el volumen de vacíos que deberá ser rellenada con la lechada de agua-cemento y algún aditivo. Por lo tanto, como un concreto mal graduado tiene una mayor cantidad de vacíos, requerirá de mayores cantidades de agua y cemento con las consecuencias  que ya se han explicado.

          d.- El uso de tecnologías, agentes y/o materiales que nos permitan evitar hasta donde sea posible exceso de consumo de cemento y agua:

Esto incluye cementos adicionados, en los que la adición es un elemento capaz de reaccionar con los sub productos nocivos de la fragua del cemento.  Esta reacción produce a su vez un elemento cementante que contribuye a incrementar la resistencia e impermeabilidad del mismo.

Obviamente mientras mas cerca se llegue a los granos del cemento, el rendimiento de la adición será mejor, de hecho, mientras mas pequeños sean los granos de la adición con respecto al tamaño de los granos del cemento, mayor posibilidad tendrán de acercarse  a éstos y lograr los efectos benéficos.  Las adiciones normales que se han utilizado en primera instancia,  tiene una granulometría similar a la del cemento, en consecuencia,  se pierde mucho del efecto benéfico por lo expuesto líneas arriba.  Actualmente, con la microsílica, es posible obtener el efecto que por mucho tiempo se estaba buscando: en promedio un  grano de cemento puede obtener entre 50,000 y 100,000 granos de microsóilica.  Además, le da continuidad a la Granulometría Global de la mezcla, permitiendo concretos mas densos e impermeables. Todo esto también se refleja en un incremento notable, de las características mecánicas del concreto.

2.2.- ADITIVOS DE ALTO RANGO

Los aditivos de alto rango nos permiten evitar el uso de un porcentaje significativo del agua de los diseños normales de concreto, en consecuencia nos permiten obtener a relaciones agua/cemento adecuadas a las exigencias de concreto de alto rendimiento y adicionalmente el efecto plastificante, permite que la mayor homogeneización mecánico, por ejemplo: es ya conocido que entre dos concretos de igual relación agua/cemento, tiene notoriamente mejores resultados químicos y mecánicos, el concreto plastificado.

JOSE ANTONIO GAMARRA AMARO