FACTORES DETERMINANTES DE LA RESISTENCIA A COMPRESIÓN DEL CONCRETO Amanda Sepúlveda Bello 1 1 Ingeniera civil Universidad Nacional de Colombia. Especialista en Geotecnia y Pavimentos. MSc Ingeniería Civil con énfasis en geotecnia. Correspondencia: amanda.sepulveda@javeriana.edu.co Resumen El concreto es un material creado por el hombre y ampliamente utilizado en la construcción de obras civiles, se analizan los factores que influyen en la resistencia a compresión, desde el punto de vista macroscópico tradicional, pero también se analiza la micro-estructura del concreto en función de la resistencia, determinando a este nivel los factores que influyen en la mayor o menor resistencia a compresión. Palabras Claves: Concreto, resistencia a compresión, microestructura, pasta de cemento, NSC, HSC, UHSC. Abstract Concrete is a material made by man and widely used in the construction of civil works, analyzes the factors that influence the compressive strength from the traditional macroscopic point of view, but also discusses the concrete microstructure depending on resistance at this level determining factors influencing the degree of compressive strength Keywords: Concrete compressive strength, microstructure. NSC, HSC, UHSC. 1. Metodología Se plantean inicialmente los aspectos tradicionalmente conocidos que influyen en la resistencia a compresión del concreto, para después profundizar en los aspectos microestructurales relacionados. 2. Introducción El concreto ha sido tradicionalmente estudiado desde un punto de vista macroscópico y se conoce que se compone de dos fases que corresponden a partículas de áridos dispersas en una matriz de pasta de cemento endurecida (Ver fotografía 1). A nivel microscópico, la complejidad del sistema aumenta, porque ambas fases no están distribuidas homogéneamente una respecto a la otra, ni son homogéneas en sí mismas; profundizar en el conocimiento de este aspecto es fundamental, porque el progreso alcanzado en los últimos tiempos en el campo de los materiales ha sido precisamente el resultado de reconocer que las propiedades de un material derivan de su microestructura. Figura 1.- Macroestructura del hormigon en la que se distinguen claramente dos fases: los aridos de varios tamanos y formas, en medio del cementante, que consiste en una masa incoherente de pasta de cemento hidratada. Fuente: Concrete: Microstructure, Properties, and Materials. En el presente trabajo, se pretende mostrar un estado del conocimiento de los factores que inciden en la resistencia del concreto, desde un enfoque microestructural para concretos con diferentes niveles de resistencia.
2. Factores que influyen en la resistencia Relación agua-cemento: Al reducir la relación a/c de la pasta de cemento hidratada, las partículas de cemento se acercan entre sí, produciéndose menos porosidad capilar y menos espacios libres para que se desarrollen los compuestos de hidratación que cristalizan en los espacios de agua fuera de las partículas de cemento. Cuando las partículas de cemento están cercanas y se enlazan con rapidez, el movimiento del agua se dificulta, lo que favorece la formación de compuestos de hidratación más compactos que se desarrollan entre las partículas de cemento. Por esto, una menor relación a/c genera resistencias mayores. De acuerdo con Kumar (2006): Para relaciones agua-cemento menores de 0,3, se pueden obtener muy altos incrementos en la resistencia a la compresión con muy pequeñas reducciones en la relación agua-cemento. El fenómeno se atribuye principalmente a una mejora significativa en la resistencia de la zona de transición interfacial con proporciones muy bajas de agua-cemento. En la figura 2 se puede observar la resistencia del concreto. Influencia de la relación agua-cemento y el tiempo de curado en la Figura 2. Influencia de la relación agua-cemento y el tiempo de curado en la resistencia del hormigón. Fuente: Diseño y Control de Mezclas de Concreto, 13 ed., Asociación de Cemento Portland.. Agregado Grueso: La resistencia a la compresión de los agregados no puede ser menor que la resistencia de diseño del concreto que se pretende constituir. El ACI 211 señala que se ha demostrado que los agregados de tamaño máximo nominal más pequeño proporcionan mayor resistencia potencial en el concreto. Si bien tamaños menores de agregados exigen contenidos de agua mayores, esta condición se ve compensada con amplitud, al aumentarse la superficie de contacto entre la zona de transición interfacial de la pasta y los agregados. Esta superficie de contacto, por unidad de volumen del concreto, es tanto mayor mientras menor es el tamaño máximo de los agregados. De allí la conveniencia de usar agregados de tamaño máximo menor, mientras más alta sea la resistencia que se quiere alcanzar. Agregado Fino: La mezcla de arenas naturales de diferentes fuentes permite optimizar su granulometría y conseguir incrementos de resistencia. En las arenas manufacturadas producidas por trituración, la forma de sus partículas y el incremento del área superficial pueden afectar en forma apreciable la demanda de agua, con la correspondiente pérdida de resistencia. Cementos.- En la medida en que se quiera incrementar la resistencia del concreto, La selección de los cementos a usarse resistencia es mucho más rigurosa. Diferentes cementos Pórtland, que cumplan con todas las normas y sean esencialmente similares, pueden comportarse de una manera diferente, cuando las relaciones aguacemento, de los hormigones en que se utilizan, son más bajas que lo usual. 3. Microestructura en concretos de diferentes resistencias a la compresión En la práctica, el concreto con una resistencia a la compresión menor que 50 MPa es considerado como Concreto de resistencia Normal (NSC), mientras que el concreto de alta resistencia (HSC),puede definirse como
que tiene una resistencia a la compresión mayor o igual a 50 MPa. Hormigones de resistencia a la compresión de más de 200 MPa se definen como de muy alta resistencia (UHPC). De acuerdo con Büyüköztürk y Lau (2009): La microestructura de concreto se puede describir en tres aspectos, a saber: la composición de la pasta de cemento hidratado, la estructura de poros y la zona de transición de la interfaz. La pasta de cemento hidratado es el producto de la hidratación formada cuando el cemento reacciona con el agua. La estructura de poros se refiere a: los poros del gel, poros capilares y vacios, así como sus conexiones dentro del concreto endurecido. La zona de transición de la interfaz se refiere a los límites entre la pasta de cemento y los agregados o partículas de aditivos. La composición del concreto de desempeño normal NSC es relativamente simple, consta de cemento, áridos y agua. La figura 4 muestra la microestructura de NSC (Concreto de desempeño normal). Figure 3: Microestructura del NSC (Concreto de Resistencia normal). Fuente: High Performance Concrete: Fundamentals and Application. Young (2000) menciona que : La pasta de cemento hidratado se conoce como silicato de calcio hidratado (gel CSH), es el principal producto de hidratación del cemento y el agua. La pasta de cemento hidratada NSC, está dominada por gel amorfo CSH (no cristalino), que es intrínsecamente poroso. La porosidad en el concreto se debe a poros del gel, poros capilares y vacios. Por lo tanto, el gel CSH es la fase de baja densidad que llena espacios, pero disminuye la resistencia a compresión. Para el concreto con resistencias por debajo de 50 MPa, el incremento de la resistencia se alcanza principalmente mediante la reducción de la porosidad capilar. Sin embargo, sólo la reducción de la porosidad capilar no es suficiente para generar una resistencia del concreto mayor que 50 MPa. La porosidad del gel también debe reducirse junto con los poros capilares de manera que hay una reducción sustancial en la porosidad total del concreto. Otras reducciones en gel de porosidad requieren un cambio en la química para convertir el CSH a fases más cristalinas, lo que finalmente conduce a la producción de HPC. Mientras que la porosidad total de la matriz de pasta de cemento tiene una gran influencia en la resistencia del concreto, la estructura de poros y su conectividad tienen un impacto significativo sobre la permeabilidad. Una alta permeabilidad por lo general significa baja durabilidad ya que la parte interior del concreto es más susceptible a ser atacada por los productos químicos que le rodean. Sin embargo, con una alta permeabilidad, el concreto puede obtener una resistencia inicial más alta, usando el proceso de curado adecuado, debido a la hidratación continua que puede llevarse a cabo dentro de la red de poros. La porosidad y conectividad de poros de un concreto NSC, son por lo general más altas que la de el concreto HPC, debido a la ausencia de partículas finas; en el concreto de mayor resistencia se emplean entre otros aditivos, humo de silice, para que los vacios no se interconecten entre sí, disminuyendo grandemente la porosidad (véase la Figura 5).
Figure 4: Porosidad y conectividad de poros en (a) NSC (Concreto de resistencia normal) y (b) HSC (Concreto de alta resistencia). Fuente: High Performance Concrete: Fundamentals and Application. En el concreto, la zona de pasta de cemento adyacente a la superficie de los agregados y las fibras de acero, tiene una estructura modificada en comparación con gel CSH. Se le conoce como la zona de transición interfacial, corresponde a la interfaz pasta agregado. Normalmente el agregado grueso ejerce un efecto de pared en la mezcla, lo que ocasiona que parte del agua de exudación se acumule alrededor de él, aumentando considerablemente la relación agua cemento de la pasta que se encuentra alrededor del agregado, en comparación con la pasta en la matriz. Esto ocasiona una discontinuidad en el material que afecta seriamente a la resistencia. Por lo anterior, esta zona se caracteriza por una porosidad más alta y está sometida a acumulaciones de agua que conducen a una relación agua-cemento localmente más alto. Por lo tanto, la zona de transición interfacial en el NSC puede ser más débil que otras regiones en el concreto. Las zonas de transición interfaciales pueden afectar negativamente a la permeabilidad del material. Como resultado, la zona de transición interfacial en el concreto de resistencia normal puede fisurarse bajo carga externa. Con el fin de mejorar la resistencia del concreto es necesario optimizar los factores que inciden en ella. Se consideran los tres aspectos siguientes : ( a) la pasta de cemento hidratado debe reforzarse, ( b ) la porosidad en el concreto se debe reducir, y ( c ) la zona de transición interfacial debe ser endurecida. En primer lugar, la pasta de cemento hidratado se puede reforzar reduciendo la porosidad de gel dentro de la pasta. El cristal CSH gel es de menor porosidad en comparación con gel de CSH amorfo; mediante la adición de aditivos adecuados ( por ejemplo, humo de sílice ), es posible obtener el cristal de CSH. En segundo lugar, la porosidad en el concreto se puede disminuir mediante la adición de materiales adecuados, que pueden llenar el espacio vacío en el interior de concreto. En HPC se incorporan aditivos muy finos, tales como humo de sílice o o cenizas volantes, con los cuales los espacios vacíos dentro de concreto se pueden reducir significativamente. Con dichos aditivos de logra que la conectividad de los poros se reduzca debido a que las partículas muy finas bloquean eficazmente la red capilar como se mostró en la Figura 4. En tercer lugar, la zona de transición de la interfaz puede ser endurecida mediante la reducción de la relación agua-cemento y mejorando el empaquetemiento de las partículas en esta zona. Los superplastificantes se incorporan a la mezcla de concreto para lograr una muy baja relación agua-cemento (menos de 0,2 ). Aditivos finos como el humo de sílice ó las cenizas volantes, se añaden para mejorar el empaquetamiento de las partículas en la zona de transición interfacial. Con el fin de mejorar la resistencia del concreto, es necesario incorporar en la mezcla aditivos para lograr un HPC, cuya microestructura es bastante diferente de la de NSC. La Figura 3 muestra la microestructura de HSC. Tres de los aditivos más importantes son: superplastificante, cenizas volantes y humo de sílice. Figure 5: Microestructura del HSC (Concreto de alta resistencia). Fuente: High Performance Concrete: Fundamentals and Application.
Klobes, Rübner, Hempel y Prinz (2008) realizaron una investigación en la que caracterizan micro mecánicamente hormigones de alta resistencia (100 MPa), de resistencia normal (35 MPa), y de muy alta resistencia (más de 150 Mpa), de la cual se destacan los siguientes resultados: Los concretos de una muy alta resistencia se logran con mayor densidad de empaquetamiento de la matriz de pasta de cemento. El concreto UHPC casi no contiene poros y microgrietas. En contraste con concreto normal y el concreto de alta resistencia, el UHPC cuenta con una microestructura más uniforme y densa asociada con una notable menor porosidad, lo cual se puede observar en las siguientes fotografías: Figura 6. Imágenes ESEM de la matriz de pasta de cemento concreto de resistencia norma (NSC), de alta resistencia concreto (HSC), y muy alta resistencia. Fuente: Investigation on the microstructure of ultra high performance Concrete 4. Conclusiones La zona más importante de la microestructura de la pasta de cemento en el concreto, por su influencia decisiva en la resistencia a compresión, es la región próxima a la superficie de contacto con los áridos. La influencia de esta zona en el comportamiento del concreto es considerable, por lo que es conveniente profundizar en el estudio de la microestructura del concreto, especialmente durante su proceso de hidratación, a fin de tener un conocimiento más detalle de las reacciones que se dan en la formación de esta zona. Al definir al concreto como una cadena compuesta por tres eslabones: agregado grueso, pasta, e interfase, se obtiene que el más débil de todos es la interfase o zona de transición, y la cadena lógicamente romperá por ese eslabón. Los esfuerzos entonces deben encaminarse a la obtención de una zona de transición con características iguales a las de la matriz, para evitar discontinuidades y poder transmitir correctamente las tensiones entre los componentes de la mezcla. 5. Referencias [1] Kumar Mehta, P y Monteiro, Paulo (2006). Concrete: Microstructure, Properties, and Materials. (pp. 54 ) New York: McGraw-Hill. [2]. Kosmatka, Steven H. Kerkhoff, Beatrix. Panarese, William. Tanesi, Jussara. (1985). Design and Control of Concrete Mixtures. Skokie, Illinois. pp, 29-87. [3]. Young, J.F. The Chemical and Microstructural Basis for High Performance Concrete, Proceedings of High Performance Concrete Workability, Strength and Durability, Hong Kong, v 1, 2000, p 87-103 [4]. Büyüköztürk, Oral y Lau, Denvid (2009). High Performance Concrete: Fundamentals and Application. Cambridge, Massachusetts. Department of Civil and Environmental Engineering Massachusetts Institute of Technology [5]. Klobes, Peter.Rübner, Katrin. Hempel, Simone.Prinz, Carsten. Investigation on the microstructure of ultra high performance Concrete. BAM Federal Institute for Materials Research and Testing. Berlin, Germany Technische Universität Dresden, Institute for Construction Materials, Dresden, Germany
[6] Malathy, R. (2003), Role of super fine fly ash on high performance concrete, Role of Concrete in Sustainable Development - Proceedings of the International Symposium dedicated to Professor Surendra Shah - Celebrating Concrete: People and Practice, 2003, p 425-434