Les presentamos una guía para la especificación sobre los Materiales en el concreto.

1.1.    CONCRETO

El concreto es un conglomerado pétreo artificial, que se prepara mezclando una pasta de cemento y agua, con arena y piedra triturada, grava, u otro material inerte.  La sustancia químicamente activa de la mezcla es el cemento, el agua se une física y químicamente con el agua y, al endurecerse, liga los agregados, para formar una masa sólida semejante a una piedra.

Una propiedad particular del concreto es que puede dársele cualquier forma; la mezcla húmeda se coloca en estado plástico en formas o cimbras de madera, plástico, cartón o metal, donde se endurece o fragua.  El concreto adecuadamente proporcionado es un material duro y durable; es fuerte bajo compresión, pero quebradizo y casi inútil parra resistir refuerzos de tensión.  En miembros estructurales sometidos a otros esfuerzos, que no son de compresión, se agrega un refuerzo de acero, que se introduce, principalmente para soportar los esfuerzos de tensión y corte.

En estructuras donde los esfuerzos son caso totalmente de compresión, como presas, muelles o ciertos tipos de zapatas, puede utilizarse concreto sin reforzar; éste se conoce como concreto simple o masivo.  A veces, por economía, se colocan piedras de gran tamaño en el concreto, reduciendo así las cantidades de arena y cemento.  El término agregado de boleos se aplica a piedras duras y durables, cuyo peso individual de cada una no sea mayor de 45 kg; si éstas exceden dicho peso, el agregado se denomina agregado ciclópeo.  Se llama concreto reforzado a aquél que, además del refuerzo por contracción y cambios de temperatura, contiene otro refuerzo, dispuesto de tal manera que los dos materiales actúan juntos para resistir la fuerzas exteriores.

1.2.    AGUA

El agua utilizada en la fabricación del concreto debe estar limpia y exenta de cantidades nocivas de aceites, ácidos, álcalis, materias orgánicas u otras substancias perjudiciales.  Debe evitarse la utilización de agua de mar.  Puesto que sólo cierta cantidad del agua se combina con el cemento, un exceso de ésta diluye la pasta, y da como resultado un concreto de resistencia, impermeabilidad y durabilidad reducidas.  Vemos entonces que es imperativo prestar una atención particular al proporcionamiento adecuado del agua y el cemento; véase el artículo 2 – 10.

1.3.    CEMENTO

Entre todos los distintos tipos, el cemento Pórtland normal es el que se utiliza más ampliamente en la construcción de edificios.  En pocas palabras, se fabrica mezclando y sometiendo dos materiales a fusión incipiente, uno de ellos compuesto principalmente de cal y el otro, un material arcilloso con contenido de silicio, aluminio y hierro.  Después de la fusión, se pulveriza el material resultante o escoria de cemento, llamada en ocasiones clinker.  En comparación con el cemento natural, el Pórtland fragua más lentamente, pero es mucho más resistente y de calidad más uniforme. Al especificarlo, se acostumbra exigir que cumpla con las Especificaciones para Cemento Pórtland (ASTM C 150) o con la Especificaciones para Cemento Pórtland con Inclusión de Aire (ASTM C 175) de la American Society for Testing Materiales.

El cemento Pórtland de alta resistencia rápida tiene gran ventaja cuando es necesario obtener rápidamente un concreto de alta resistencia, como en el caso de caminos, o en la construcción de edificios durante épocas de bajas temperaturas.  En general, el concreto de alta resistencia rápida tiene las mismas resistencias a los 3 y 7 días, que las del concreto normal a los 7 y 28 días de edad.  Al adquirir su resistencia de manera tan rápida, se desarrolla en el concreto considerable cantidad de calor, la cual tiende a impedir congelamiento bajo condiciones climáticas adversas.

1.4.    ARENAS

Los materiales unidos entre sí por la pasta de cemento y agua son los agregados; son materiales inertes, como arena natural, piedra triturada, guijarros, cenizas sinterizadas, escorias, etc.  Los materiales con diámetros menores de 3/8 de pulgada (1 cm aproximado) se llaman agregados finos; deben consistir de arena natural, o de materiales inertes con características similares, con granos limpios, duros y durables, libres de materia orgánica o lodos.  El tamaño y la graduación de los agregados finos se determinan mediante cribas de alambre estándar y es conveniente contar con una mezcla de granos finos y gruesos, ya que un agregado bien graduado producirá un concreto más compacto y, por lo tanto, más fuerte.  Una especificación común para la graduación del agregado fino requiere que no menos del 95 al 100% pase por la malla número 4 y que no m+as del 30% ni menos del 10% pase por la malla número 50.

1.5.    PIEDRA TRITURADA

Todo el material mayor de 3/8 de pulgada de diámetro se llama agregado grueso; éste incluye piedra triturada, grava, escorias, u otros materiales inertes.  Como el agregado fino, el grueso debe variar también en tamaño; en general, los tamaños varían de ¼ a 3 pulgadas (6 mm a 7.6 cm), siendo el máximo para concreto reforzado de 1 ó 1 ½ pulgadas (2.5 ó 3.8 cm).  Algunos reglamentos de construcción limitan el tamaño del agregado grueso para concreto reforzado, a las tres cuartas partes del espacio libre mínimo entre varillas de refuerzo y no mayor que un quinto de la distancia más corta entre dos costados de las cimbras en las cuales se coloca el concreto.  Cuando los miembros son pequeños y hay necesidad de espaciar poco las varillas, el agregado grueso se gradúa por lo general de ¼ a ¾ de pulgada (0.6 a 1.9 cm).  Puede utilizarse como agregado grueso cualquier roca triturada de calidad durable y fuerte, o bien grava limpia y dura.  Los cantos rodados son de los mejores agregados; el granito y la piedra caliza dura son útiles también, pero ciertos tipos de arenisca se consideran inadecuados.

No existen reglas fijas para el proporcionamiento de los agregados finos y gruesos, pero la práctica usual es utilizar para el agregado grueso el doble del volumen del agregado fino; por ejemplo, una proporción usual es de 2 de agregado fino por 4 de agregado grueso, escribiéndose 2:4, 2 ½: 5 ó 3:6.  En general, un buen concreto debe tener la mayor densidad posible.  Esta resulta, en parte, de una cuidadosa graduación del agregado y, en parte, del  picado o vibrado del concreto al colocarlo en las cimbras.

1.6.    CENIZAS SINTERIZADAS

El concreto de cenizas se utiliza a veces en losas reforzadas de pisos o de techos de cloros cortos, o para protección contra el fuego.  Como es un material poroso, nunca debe utilizarse como protección del acero en exteriores, ni debajo del nivel del piso cuando existe humedad.  La mayoría de los ingenieros prefieren las cenizas obtenidas de la combustión del carbón de antracita; las cenizas deben ser duras, bien quemadas y relativamente libres de sulfatos, carbón sin quemar y materias extrañas.

1.7.    ESCORIAS

Con escorias de altos hornos se hacen un concreto ligero adecuado.  Ya que el peso de las escorias trituradas varía considerablemente, sólo deben utilizarse materiales que pesen de 1,000 a 1,200 kg/m³. cuando se desea utilizar escorias como agregado grueso, debe determinarse el contenido de azufre, ya que un exceso de éste puede dañar al acero de refuerzo.

1.8.    AGREGADOS LIGEROS

Además de las cenizas sinterizadas y las escorias, pueden obtenerse diversos agregados ligeros; por ejemplo, la haydita se obtiene quemando los esquistos o pizarras.  Frecuentemente se utiliza un proceso de aireación para producir un agregado ligero poroso; con los materiales de este tipo se obtiene un concreto de resistencia adecuada y se reduce bastante la carga muerta, en comparación con la del concreto pétreo.  En general, el peso del agregado ligero no debe exceder 1,100 kg/m³, para un fino u 880 kg/m³ para el grueso.

1.9.    ADITIVOS

Las substancias que se agregan al concreto par mejorar su trabajabilidad, acelerar su fraguado, endurecer su superficie o aumentar sus propiedades de impermeabilidad, etc, se conocen con el nombre de aditivos.  Muchos de los compuestos comerciales contiene cal hidratada, cloruro de calcio y caolín; el cloruro de calcio y el oxicloruro de calcio se utilizan generalmente como aceleradores.  Debe tenerse cuidado al usar aditivos, especialmente aquellos cuya composición se desconoce; aunque el fabricante atribuya cualidades superiores a su producto, es mejor utilizar solamente materiales de valor comprobado.

1.10.CONCRETO CON INCLUSIÓN DE AIRE

El cemento Pórtland con inclusión de aire se hace moliendo cantidades pequeñas de una resina jabonosa o de materiales grasos, junto con el clinker del cemento normal; en ocasiones, el agente inclusor de aire se agrega al concreto en la revolvedora.  El objeto de las inclusiones de aire es obtener una mayor resistencia a la acción de las heladas.  Los agentes inclusores producen billones de celdas microscópicas de aire por cada metro cúbico, que se distribuyen uniformemente a través  de toda la masa; estos vacíos  diminutos previenen la acumulación del agua en huecos mayores, que permitirían su expansión, lo cual en condiciones de congelación ocasionaría astillamientos del concreto. Este tipo de concreto se usa ampliamente en pavimentos y construcción de caminos; no sólo ofrece resistencia al congelamiento y a los ciclos de humedecimiento y secado, congelación y deshielo, sino que, además proporciona alta resistencia al descascaramiento que resulta cuando se utilizan ciertos productos químicos para derretir el hielo de pavimento.  Tiene también un alto grado de trabajabilidad y durabilidad.

El cemento con inclusión de aire reduce un poco la resistencia del concreto, por la que deben utilizarse mezclas algo más ricas para obtener la misma resistencia que tendría el cemento Pórtland normal.  Véase la tabla 2 – 1 para las relaciones agua – cemento recomendables.

1.11.REFUERZO

Las varillas de acero para refuerzo del concreto se hacen a partir de acero relaminado y de acero de lingote.  Existen tres grados de este último, que son:  estructural, intermedio y duro; las varillas de grado estructural pueden usarse con esfuerzos unitarios permisibles de 1,265 kg/cm² a tensión y los grados intermedio y duro con esfuerzos de 1,400 ó 1,600 kg/cm².  Aunque el acero relaminado tiene características físicas similares a las del acero duro, es más quebradizo y difícil de doblar.  El grado intermedio del acero de lingote es probablemente el más utilizado para refuerzo.

Una de las suposiciones fundamentales en las que se basa el diseño del concreto reforzado es que el acero y el concreto actúan juntos, como una unidad.  Si se utilizan varillas lisas, la transmisión de esfuerzos depende de la adhesión entre el acero y el concreto; para suministrar una mejor adherencia, las varillas de refuerzo se hacen con salientes o corrugaciones y se conocen entonces como varillas corrugadas.  Estos salientes tienen el propósito de suministrar una adherencia mecánica, independiente de la adhesión entre concreto y acero; por lo tanto se permiten esfuerzos de adherencia más altos cuando se utilizan varillas corrugadas y todo el refuerzo es de este tipo.  Las varillas redondas son las estándar en los EE.UU. y México.  Las varillas número 2 sólo vienen en tipo liso.

TABLA 1 – 1 AREAS Y PERÍMETROS DE VARILLAS REDONDAS

DESIGINACIÓN VARILLA	DIÁMETRO			NÚMERO DE VARILLAS
	pulg	Cm		1	2	3	4
# 2	¼	0.64	Área Perímetro	0.32 2.00	0.64 4.00	0.96 6.00	1.28 8.00
# 3	3/8	0.95	Área Perímetro	0.71 3.00	1.42 6.00	2.13 9.00	2.83 12.00
# 4	½	1.27	Área Perímetro	1.27 4.00	2.53 8.00	3.80 12.00	5.07 16.00
# 5	5/8	1.59	Área Perímetro	1.99 5.00	3.97 10.00	5.96 15.00	7.94 20.00
# 6	¾	1.91	Área Perímetro	2.87 6.00	5.73 12.00	8.60 18.00	11.46 24.00
# 7	7/8	2.22	Área Perímetro	3.87 7.00	7.74 14.00	11.61 21.00	15.48 28.00
# 8	1	2.54	Área Perímetro	5.07 8.00	10.13 16.00	15.20 24.00	20.27 32.00
# 9	1.128	2.86	Área Perímetro	6.42 9.00	12.85 18.00	19.27 27.00	25.70 36.00
# 10	1.270	3.18	Área Perímetro	7.94 10.00	15.88 20.00	23.83 30.00	31.77 40.00
# 11	1.410	3.49	Área Perímetro	9.57 11.00	19.13 22.00	28.70 33.00	38.26 44.00

Los números de las varillas se basan en el número de octavos de pulgada más cercano al diámetro nominal.  Todas las varillas son redondas.

Las varillas número 2 sólo vienen lisas.

Las varillas número 9, 10 y 11 son equivalentes en peso y área transversal a las varillas cuadradas tipo antiguo de 1, 1 1/8 y 1 ¼ pulgadas.

Otro tipo de refuerzo es la malla de alambre, que se utiliza principalmente en losas.  Los alambres más gruesos, que van entre viga y viga, resisten las fuerzas de tensión y se llaman alambres de soporte; mientras que los alambres más ligeros los cruzan y se fijan a ellos enrollándolos, o bien por medio de soldadura.  El metal desplegado se utiliza también para refuerzo de losas.  Al usar éste o la malla de alambre, se obtiene una distribución uniforme de acero, mientras que las varillas individuales requieren de un mayor cuidado en su colocación y puede ser necesario colocar soportes metálicos con separadores, para mantener una distribución adecuada.

En la tabla 1 – 1 se muestran las áreas y los perímetros de las varillas de tamaños estándar; todas son redondas y, por lo general, no se necesitan otros tamaños.  Asimismo, todas son corrugadas, con excepción de la N° 2 y la forma y separación de los salientes de la superficie deben cumplir con la Especificación A.S.T.M. A 305.  Estas varillas, llamadas frecuentemente varillas corrugadas mejoradas, tienen un valore de adherencia tan superior que, si se hacen ganchos en sus extremos, el aumento de resistencia es ya muy poco.

Obsérvese que en la tabla 1 – 1 se ha dado, además de áreas y perímetros para miembros individuales, cantidades para combinaciones de 2, 3 y 4 varillas.  Como ejemplo de la conveniencia de esta tabla, supongamos que se ha encontrado que el área requerida para el refuerzo de tensión de una viga es de 11.3 cm²; al consultar la tabla encontramos, sin necesidad de cálculos, que 3 varillas N° 7 ó 4 varillas N° 6 nos dan el área deseada.

1.12.CIMBRAS

Las construcciones de madera, plástico, cartón o metal utilizadas para mantener el concreto en su lugar hasta que se endurece, se llaman cimbras; éstas deben armarse con exactitud y de acuerdo con dimensiones precisas.  Las cimbras deben ser rígidas y bastante fuertes para soportar el peso del concreto sin deformarse mucho; además, deben ser suficientemente herméticas, para evitar las filtraciones de agua, y de un diseño que permita desarmarlas con facilidad.

La madera que se utiliza en cimbras es generalmente de abeto o pino, recubierta en la superficie que estará en contacto con el concreto; frecuentemente se aceita la madera, con lo cual se eliminan los poros, se reduce la absorción del agua del concreto, se obtienen superficies más lisas y pueden quitarse más fácilmente las tablas; los tablones deben ensamblarse a base de ranuras y lengüetas como en la duela, o bien se harán utilizando madera contrachapada.  Las cimbras metálicas se utilizan ampliamente y tienen como ventaja principal la de poderse utilizar varias veces; con el acero se obtienen superficies más lisas en el concreto, si bien es casi imposible ocultar las juntas.  Para pisos nervurados, se utilizan ampliamente las cimbras y domos metálicos, y las columnas de sección circular se hacen también generalmente con formas metálicas. Para trabajos de concreto ornamental, por lo común las formas se hacen de yeso.

Como la cimbra constituye un concepto considerable en el costo de una estructura de concreto, debe tenerse un gran cuidado en su diseño.  Es conveniente tener una repetición de elementos iguales, de modo que las cimbras puedan utilizarse en lugares diferentes, con un mínimo de mano de obra.

No existen reglas exactas en cuanto al tiempo que deben conservarse las cimbras en su sitio.  Es obvio que no deben quitarse mientras el concreto no esté lo suficientemente fuerte para soportar su propio peso, además de las cargas que se le apliquen.  En ocasiones, las formas laterales de las vigas se quitan antes que las inferiores; al hacer esto, se colocan postes o puntales bajo los miembros inferiores, para suministrar un soporte adicional; esto se llama re-cimbrado o apuntalamiento.  El tiempo de descimbrado depende del tipo de miembro, del tipo de concreto y de las condiciones del tiempo.  El tiempo mínimo para muros es de dos días y para vigas y columnas de siete a once días; una regla sencilla es conservar las formas inferiores en su sitio cuatro días por cada cinco centímetros de espesor del concreto.  El tiempo de descimbrado debe estar de acuerdo con los requisitos del reglamento de construcción correspondiente y deben registrarse y tomarse en cuenta las temperaturas existentes durante el período de curdo, ya que el concreto se mantiene semifluido a temperaturas bajas y fragua más rápidamente a temperaturas altas.  Para propósitos prácticos podemos suponer que el concreto alcanza la resistencia deseada después de 28 días.

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