Naturaleza del concreto

Definiciones preliminares

Material cementante
Un material cementante es aquel que posee propiedades adhesivas y cohesivas las cuales hacen posible su ligazón con fragmentos minerales a fin de obtener una masa continua y compacta.

Los principales materiales cementantes son:

• La arcilla
• Los cementos
• El yeso
• Los asfaltos y alquitranes
• La cal
• Los monómeros polimerizados

Aglomerados hidráulicos

Se define  como aglomeración hidráulica a aquellos materiales que endurecen cuando son mezclados con el agua, pero resisten a la acción de la misma manteniendo su forma original. Dentro de esta clasificación se encuentra los cementos hidráulicos.

Propiedad hidráulica

Es la propiedad de un material  de reacción químicamente, fraguar y endurecer en presencia del agua, formando compuestos prácticamente estables.

Cemento

Es un material pulverizado que, cuando es combinado con el agua, forma una pasta capaz de endurecer tanto bajo el agua como el aire.

Clinker de cemento Pórtland

Es un producto artificial obteniendo por calcinación a temperatura elevada de mezclas, adecuadamente dosificada y molidas, de materias primas naturales calizas y arcillosas.

Cemento Pórtland

Producto obtenido por la pulverización del clinker Pórtland con la adición eventual de sulfato de calcio. Se admite la adición de otros productos que no excedan del 1% en peso total siempre que la Norma correspondiente establezca que su inclusión no afecte las propiedades del cemento resultante. Todos los productos adicionados deberán ser pulverizados conjuntamente con el clinker.

Puzolana

Nombre genético con que se designa a  los materiales silíceos o silíco – aluminoso los cuales en el mismo poseen muy pequeño o ningún valor cementante, pero cuando están finalmente pulverizados reaccionan químicamente, en presencia del agua, con el hidróxido de calcio, producido durante la hidratación del cemento para formar compuestos que poseen propiedades cementantes y actúan como aglomerantes hidráulicos.

Propiedad puzolánica

Es la propiedad de un material pulverizado de fijar hidróxido de calcio a la temperatura ambiente, formando en presencia del agua compuestos que poseen propiedades hidráulicas.

Cemento Pórtland puzolánico

Es el cemento Pórtland resultante de la molienda conjunta de clinker, sulfato de calcio y puzolana. Si el porcentaje  de puzolana adicionando es menor del 15% se obtiene el cemento puzolánico Tipo 1PM, y si el porcentaje adicionando varia entre 15% y 45% se obtiene el cemento Pórtland puzolánico Tipo 1P.

Definición del Concreto

El concreto endurecido es un material artificial compuesto, el cual consiste en un medio ligante, denominado pasta, dentro del que se encuentra embebidas partículas de un medio denominado agregado.

La pasta es el resultado de la combinación química del cemento y el agua. Se le considera la fase continua del concreto, ya que siempre está unida con algo de ella misma a través de todo el conjunto.

El agregado es la fase discontinua del concreto, dado que sus diversas partículas no están unidas o en contacto unas con otras, sino se encuentran separadas por espesores diferentes de pasta endurecida.

Las propiedades del concreto están determinadas fundamentalmente por las características físicas y químicas de sus componentes, pudiendo ser mejor comprendidas si se analiza la naturaleza del concreto.

Importancia del Concreto

Actualmente el concreto es el material de construcción de mayor uso. Sin embargo, si bien su calidad final depende en forma muy importante tanto de un profundo conocimiento del material como de la cal9idad profesional del ingeniero, del concreto en general es desconocido en muchos de sus siete grandes aspectos: naturaleza, materiales, propiedades, selección de las proporciones, proceso de puesta en obra, control de calidad e inspección y mantenimiento de los elementos estructurales.

Las posibilidades de empleo del concreto en la construcción son cada día mayores, pudendo en la actualidad ser utilizados para una amplia variedad de propósitos. La única limitación a sus múltiples aplicaciones puede ser el desconocimiento por parte del ingeniero de todos los aspectos ya indicados; así como de l a importancia relativa de los mismos de acuerdo al uso que se pretenda dar al material.

Requisitos de las Mezclas

Las mezclas de concreto deberán cumplir con los siguientes requisitos básicos:

a. La mezcla endurecida deberá tener la Trabajabilidad, consistencia y cohesividad que permitan su adecuada colocación en los encofrados.

Esta mezcla deberá estar libre de segregación y tener una exudación mínima.

b. La mezcla endurecida deberá tener las propiedades especificadas en función con la calidad deseada.

c. El costo de la unidad cúbica de concreto endurecido deberá ser el mínimo compatible de la calidad deseada.

Composición del Concreto

El concreto endurecido se compone de:

• Pasta
• Agregado

La Pasta

Elementos fundamentales

Aquella parte del concreto endurecido conocida como la  pasta comprende a cuatro elementos fundamentales:

a. El gel, nombre en el que se le denomina al producto resultante de la reacción química e hidratación del cemento.

b. Los poros incluidos en ella.

c. El cemento hidratado, si lo hay.

d. Los cristales de hidróxido de calcio, o cal libre, que puedan haberse formado durante la hidratación del cemento.

Las Funciones de la Pasta

La pasta tiene cuatro grandes funciones en el concreto:

a. Contribuir a dar las propiedades requeridas al producto endurecido.

b. Separar las partículas del agregado.

c. Llenar los vacíos entre las partículas de agregado y adherirse fuertemente a ellas.

d. Proporcionar lubricación a la masa cuando ésta aun no ha endurecido.

Propiedades de la Pasta

Las propiedades de la pasta dependen de:

a. Las propiedades físicas y químicas del cemento.

b. Las proporciones relativas del cemento y agua en la mezcla.

c. El grado de hidratación del cemento, dado por la efectividad de la combinación química entre éste y el agua.

Influencia de la Pasta en el Concreto

a. El comportamiento del concreto como material de constricción está directamente influenciado por las características de la pasta y las propiedades finales de las mismas; sin desconocer el papel de agregado en las características finales del concreto.

b. Para un cemento dado,  las características y porosidad de la pasta dependen fundamentalmente de la relaciona agua-cemento y del grado de hidratación del cemento; siendo mejores las propiedades de concreto y menor su porosidad cuanto mas baja es la relación agua-cementos de una mezcla trabajando y cuanto mayor es el grado de hidratación del cemento.

El Gel

Se define como gel a la parte sólida de la pasta, la cual es el resultado de la reacción química del cemento con el agua durante el proceso de hidratación.

Proceso de formación

a. En 1882 el investigador francés Le Chatelier sostuvo que los productos de la hidratación del cemento tenia una solubilidad menor que los compuestos originales, lo que daba lugar a que los hidratos se precipitasen formando una solución sobresaturada que presentaba  cristales elongados y entrelazados, los cuales poseían alta cohesividad y propiedades adhesivas.

b. En 1893 el investigador Michaelis enuncia la teoría coloidal, sosteniendo que el aluminado tricalcico, el sulfoaluminato de calcio y el hidroxilo de calcio dan la resistencia inicial de la pasta y que, a continuación, el agua saturada de cal ataca a los silicatos formando silicatos de calcio hidratado el cual, por ser casi insoluble, forma una masa gelatinosa. Debido a la perdida gradual de agua en la mezcla, ya sea por secado o por hidratación esta masa endurece gradualmente obteniendo cohesión.

c.  A partir de 1960 se acepta que ambas teorías contienen algo de verdad y s no son irreconciliables, en  primer lugar no existen dudas en cuanto que  los coloide, en cuanto a su condición de partículas de gran area superficial, gozan de propiedades diferentes a los sólidos usuales, ello implica que los comportamientos coloidales del esta será esencialmente función del area superficial de la misma y no de la irregularidad de la estructura interna de las partículas.

d. Como consecuencia, en la actualidad se piensa que cuando el cemento se combina con el agua se produce muy rápidamente una solución sobre saturada de hidróxido de calcio, con  concentración de silicato calcio hidratado en condición metastable. De acuerdo a Le Chatelier este hidrato se precipita rápidamente, correspondiendo el endurecimiento posterior a la perdida de agua del material hidratado, tal como lo enuncia Michaeñius.

e. Presentándose el silicato de calcio hidratado en forma de cristales interconectados extremadamente pequeños, los cuales debido a sus dimensiones pueden ser definidos como gel, la aparente divergencia Le Chatelier – Michaelius se reducirá finalmente a terminología en la medida que el producto final es un gel consistente de cristales.

Composición

a.  En su estructura el gel es una aglomeración porosa de articulas sólidamente entrelazadas, en su mayoría escamosas o fibrosas, el conjunto de las cuales forma una red  eslabonada que contiene material mas o menos amorfo.

b.  En su composición el gel comprende:

b.1 La masa cohesiva de cemento hidratado en su estado de pasta más densa.

b.2 Hidróxido de calcio cristalino y

b.3 Poros gel.

Comportamiento

a. El gel desempeña el papel más importante en el comportamiento del concreto, especialmente en su resistencia aun no están claramente comprendidas, pero se acepta que él interviene dos clases de adherencia cohesivas: Atracción física y adherencia química.

b. La atracción física es del tipo Van der Waal entre superficies de sólidos separados únicamente por microscópicos poros gel. Esta adherencia es debida a la gran energía disponible en la superficie de las partículas de gel. Es una característica distintiva de éste el que sus fuerzas internas son pequeñas en comparación con sus fuerzas superficiales.

c. La coherencia química es igualmente una causa importante de cohesión. Dado que el gel tiene capacidad de esponjamiento limitada, debido a que sus partículas no pueden ser dispersadas por adición de agua, es evidente que ellas están unidad por fuerzas químicas, siendo la ligación de los tipos iónico y covalente.

d. Sé bien las fuerzas químicas son más importantes que las de  Van der Waal, la adherencia química actúa únicamente sobre la pequeña fracción que corresponde  a la zona de contacto de las partículas de gel. En cambio, la adherencia física actúa sobre un área mayor, dado que la superficie específica del gel del cemento es de cerca de dos millones de centímetros de cuadrados por gramo. Así, aunque la pasta es un gel del tipo de expansión limitada, la adherencia entre las fibras es lo bastante fuerte para resistir expansiones tixotrópicas ilimitadas.

e. Por lo expuesto, aunque en la actualidad se sigue investigando sobre la importancia de la influencia relativa de las adherencias química y física no existe dudas sobre la importancia de contribución de ambas a la resistencia final de la pasta endurecida.

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