CAPITULO 1

El concreto - generalidades

IntroduccinDurante el curso del presente siglo, el concreto se

ha convertido en el material de construccin msampliamente utilizado en todo el mundo debido a suextraordinaria versatilidad en cuanto a forma (se pue-de moldear), funcin (uso estructural y no estructural)y economa, ya que la tecnologa desarrollada a sualrededor hace posible su competencia no slo con lasconstrucciones de piedra y madera, sino tambin conlas de acero.

Su desarrollo se ha visto estrechamente vinculadoal del "concreto armado", debido a que inicialmente sele concibi para fines estructurales, pues la asociacinde concreto propiamente dicho y armaduras o varillasde acero forman un slido nico desde el punto de vistamecnico.

El concreto ofrece, como las piedras naturales, unaresistencia muy grande a los esfuerzos de compresiny muy escasa a los de traccin (por lo general, suresistencia a la traccin es del orden de un 10% de suresistencia a la compresin); por lo tanto, es inadecua-do para formar piezas que han de resistir tracciones oflexones. Pero al disponer varillas de acero en laszonas de traccin, se suple esta deficiencia, teniendo

entonces una pieza resistente a la flexin. De maneraque, el "concreto armado" es una piedra artificial quepuede resistir esfuerzos de compresin, traccin yflexin, circunstancia que no se da en las piedrasnaturales.

Por tal motivo, las propiedades y caracteristicas delconcreto se estudian con el fin de determinar el diseode mezcla adecuado (proporcionamiento de sus ingre-dientes) para las condiciones especificadas en unproyecto dado.

Definicin

En trminos generales, el concreto u hormignpuede definirse como la mezcla de un material agluti-nante (Cemento Portland Hidrulico), un material derelleno (agregados o ridos), agua y eventualmenteaditivos, que al endurecerse forma un todo compacto(piedra artificial) y despus de cierto tiempo es capazde soportar grandes esfuerzos de compresin.

Resea histrica

Probablemente la historia de lbs cementantes estan antigua como la propia humanidad. Su empleo se

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remonta a las pocas en que el hombre se vio en lanecesidad de construir su propia habitacin utilizandoarcilla o una mezcla de cal y arena para mantenerjuntas las piedras o ladrillos de sta. No hay forma deaveriguar cundo se descubri por primera vez un ma-terial aglomerante, pero seguramente fue despus delprimer uso inteligente del fuego. Uno puede imaginar-se al hombre primtivo encendiendo su fuego en unhoyo rodeado de piedras de caliza y yeso; el calordescarbonata o deshidrata una parte de las piedras,que caen convertidas en polvo entre las restantes. Unaligera lluvia por la noche moja este polvo y los trozosde piedra quedan slidamente unidos, formndose laprimera mamposteria.

Tal vez el dato ms exacto de empleo de materialescementantes se remonta hacia el ao 2690 A. c., cuan-do los egipcios construyeron la pirmide de Gizeh, endonde los bloques de piedra de esta obra de cuarentapisos fueron pegados con un mortero hecho de yesocalcinado impuro y arena; a esta obra siguieron las quean hoy en da se encuentran a lo largo del ro Nilo.

Ms tarde en Grecia y Roma se produjeron morte-ros hechos a base de pasta de caliza calcinada (cal vi-va) yagua, a la cual se adicionaba arena, para unir lasestructuras de piedra y ladrillo. Posteriormente a estasmezclas se incorporaron piedra triturada, tejas rotas oladrillo, dando origen al primer concreto de la historia.

Debido a que los morteros de cal viva no resistanmuy bien la accin del agua durante periodos largos,se presume que a esta mezcla se incorporaron todaclase de agregados en una u otra poca y pronto sedescubri que la arena proveniente de ciertas rocasvolcnicas tena mayor resistencia y duracin tanto enaguas dulces como saladas. Igualmente sucedi con laarcilla quemada que era finamente triturada e incorpo-rada al mortero. Por ejemplo, los griegos emplearonuna toba volcnica extrada de la isla de Santorin y losromanos usaron un material similar que se encuentraen gran cantidad alrededor de la baha de Npoles, elcual fue conocido como cemento puzolnico debido a

que se le encontr por primera vez en las cercanas delpueblo de Pozzuoli, cerca del Vesubio.

De tal manera que de una mezcla de este materialcon cal y piedras estn construidas algunas estructu-ras como el Panten Romano, el Coliseo, la Baslica deConstantino, el Puente de Gard, cerca de Nimes, al surde Francia, y otras estructuras que han llegado hastanuestros das y han resistido notablemente los emba-tes del tiempo.

Igualmente, a nivel latinoamericano hay muestrasde desarrollo de materiales cementantes y estructurasimponentes como las ciudades construidas por losmayas y los aztecas en Mxico o las construcciones deMachu Picchu en el Per, entre otras.

Por otra parte, la mala calidad de los morteros usa-dos en la Edad Media parece ser debida a una coccinincompleta de la cal, descuido en la mano de obra ycarencia de tobas volcnicas. Despus del siglo XII .mejor la calidad y de nuevo se not que esto ibaacompaado de una perfecta calcinacin de la cal y deluso de algn material similar en propiedades a las to-bas volcnicas anteriormente mencionadas. El Trassde Andernach, junto al Rhin, cerca de Coblenza, era unmaterial de este tipo.

Durante los siglos posteriores, los avances fueronpocos hasta el punto de que slo lleg a producirse unmortero dbil hecho nicamente de cal y arena. A prin-cipios de la edad moderna se present no slo una dis-minucin general en calidad, sino que la fabricacin yuso del cemento se acab. Solamente hacia el sigloXVIII,en el cual se desarroll un desmesurado afn porla investigacin, el ingeniero ingls John Smeaton, aquien se le encomend construir el faro de Eddyston,en la Costa de Cornwall (Inglaterra) en 1756, decidiadelantar una serie de estudios tendientes a encontrarel mejor mortero para que el faro pudiera soportar elazote casi continuo del agua y de estos estudios dedujoque la cal hidrulica (resistente a la accin del agua)

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slo poda obtenerse de una caliza que tuviera un altocontenido de impurezas de tipo arcilloso.

En los aos siguientes a este hallazgo se desarrolla-ron muchos tipos de cementos hidrulicos y a partir deese momento mejora la calidad de los morteros y co-mienza el desarrollo del concreto, gracias a los adelan-tos conseguidos en el conocimiento de los cementos.As, en 1824 Joseph Aspdin, un constructor de Leeds(Inglaterra), calcin en un horno una mezcla de trespartes de piedra caliza por una de arcilla, la cual moliy pulveriz, obteniendo la patente del cemento Portland,que debe su nombre a unas piedras calizas extradasde la regin de PortIand, al sur de Inglaterra (en la can-tera de Dorset), ya que al fraguar y endurecer tomabaun aspecto parecido en color y calidad a estas piedras.

A Aspdin se le reconoce como el actual inventordel cemento Portland, aunque su mtodo de fabrica-cin fue conservado con mucho secreto. Su patentefue escrita en forma tan confusa y oscura, que nadiefue capaz de imitar a pesar de los esfuerzos hechos.

Unicamente hasta 1845, el ingls Isaac Johnsonlogr con xito perfeccionar y fabricar este productoquemando una mezcla de caliza y arcilla hasta la for-macindel dinker, el cual despus fue pulverizado ob-teniendo un compuesto fuertemente cementante. John-son encontr que la temperatura de calcinacin debaelevarse hasta el mximo que pudiera lograrse con losmtodos de ese tiempo y describi sus experimentosms explcitamente que Aspdin.

Tomando como base los experimentos de Johnson,la fabricacin de cemento Portland se inici en variasfactoras, no slo en Inglaterra, sino tambin en todaEuropa. La cantidad producida fue muy pequea.Unicamente hasta el ao 1900, aproximadamente,empez el crecimiento notable de la industria delcemento, debido fundamentalmente a dos factores.

En primer lugar, los experimentos realizados porlos qumicos franceses Vicat y Le Chatelier y el alemn

Michalis, con los cuales se logr producir cemento deuna calidad uniforme, de modo que pudiera ser usadoen la industria de la construccin. En segundo lugar,dos invenciones mecnicas muy importantes se hicie-ron al principio del siglo: los homos rotatorios para lacalcinacin y el molino tubular para la molienda. Conestas dos mquinas pudo entonces producirse el ce-mento Portland en cantidades comerciales. A partir deeste momento se desarrolla el rpido crecimiento deesta industria que hoy en da produce un material deconstruccin imprescindible dentro del actual sistemade vida.

El desarrollo del concreto propiamente dicho, comomaterial de construccin, empez hacia principios delsiglo pasado poco despus de la obtencin de lapatente del "Cemento Portland" (1824) y posterior-mente se afianz con la invencin del concreto armadoque se atribuye al jardinero parisiense Jack Monier,quien, hacia el ao 1861, fabric un jarrn de morterode cemento, reforzado con un enrejado de alambre. Es-te material se vino a conocer como ferrocemento, unsiglo ms tarde. La verdad es que antes de esta fechaya se haban construido diversos objetos aplicando lamisma idea, pero sin que tuvieran trascendencia en laindustria ni en la construccin. As, por ejemplo, Lambotconstruy en 1850 una barca de cemento reforzadacon hierro, que pudo verse en la Exposicin Universalde Pars del ao 1855 y que an se exhibe en el parqueMiraval.

En el mismo ao de 1861, el ingeniero francsCoignet estableci normas para fabricar bvedas, vi-gas, tubos, etc., con este novedoso material, del cualpresent, asociado con Monier, algunos ejemplares enla misma exposicin del ao 1867. En este mismo ao,Monier obtuvo sus primeras patentes para hacer estoselementos.

Posteriormente, en manos de los ingenieros y demltiples investigadores, la tecnologa del concretonaci en los albores del presente siglo y alcanz para-lelamente al estudio del concreto reforzado la impor-

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tancia trascendental que tiene en la tcnica construc-tiva de la civilizacin industrializada que hoy conoce-mos. Por tal motivo, es llamado la piedra del siglo XX.

Composicin y definicin de trminos

De acuerdo con lo descrito en la definicin de con-creto, en la figura 1.1 se esquematizan las proporcio-nes, por volumen, de cada uno de los materiales que loconstituyen, con el objeto de dar una idea acerca de laincidencia que tienen las caractersticas y funciones destos, dentro de la masa, as como definir algunostrminos que son de uso comn.

Pasta o pegante

El trmino pasta se refiere a la mezcla de cemento,agua, aire (naturalmente atrapado o intencional menteincluido) y aditivos (cuando son aadidos).

Mortero

Este trmino, que ya ha sido mencionado conanterioridad, se refiere a la mezcla de pasta y agregadofino (arena), la cual es muy utilizada en la pega deladrillos para hacer muros de mampostera o en elrecubrimiento de stos ltimos, caso en el cual se leconoce como paete, repello o revoque.

Concreto

El mortero mezclado con agregado grueso (pie-dra), da como resultado el concreto u hormign.Adicionalmente, cuando al concreto se agregan pie-dras de gran tamao (piedrabola, rajn, mediazonga,etc.) cuyo dimetro es del orden de 20 cm o ms, se leconoce con el nombre de concreto de agregadoprecolocado, y ms comnmente en nuestro mediocomo concreto ciclpeo.

Figura 1.1 Componentes del concreto (1.8)

Concreto conaire incluido

Concreto sinaire incluido

Caractersticas y funciones de loscomponentes

Cemento

El cemento que se utiliza, como ya se mencion, escemento portland hidrulico, el cual tiene propiedadestanto adhesivas como cohesivas, que le dan capacidadde aglutinar los agregados o ridos para conformar elconcreto. Estas propiedades dependen de su compo-sicin qumica, el grado de hidratacin, la finura de laspartculas, la velocidad de fraguado, el calor dehidratacin y la resistencia mecnica que es capaz dedesarrollar.

Agua

La razn de que los cementos sean hidrulicos esque stos tienen la propiedad de fraguar y endurecercon el agua, en virtud de que experimentan una reac-cin qumica con ella, de tal manera que el agua comomaterial dentro del concreto es el elemento que hidratalas partculas de cemento y hace que stas desarrollensus propiedades aglutinantes.

Almezclarse el agua con el cemento se produce lapasta, la cual puede ser ms o menos diluida, segn la

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cantidad de agua que se agregue. Al endurecer lapasta, como consecuencia del fraguado, parte delagua queda fija (agua de hidratacin) en la estructurargida de la pasta y el resto queda como agua evapo-rabIe.

Aire

Cuando el concreto se encuentra en proceso demezclado, es normal que quede aire incluido dentro dela masa (aire naturalmente atrapado), el cual poste-riormente es liberado por los procesos de cornpactacina que es sometido el concreto una vez ha sido coloca-do. Sin embargo, como la compactacln no es perfec-ta, queda siempre un aire residual dentro de la masaendurecida. Por otra parte, en algunas ocasiones seincluyen burbujas de aire, por medio de aditivos, confines especficos, como se ver ms adelante.

Funciones de la pasta de cemento

Cuando la mezcla se encuentra en estado plstico,la pasta acta como lubricante de los agregados, co-municando fluidez a la mezcla, lo cual permite que lacolocacin y consolidacin del concreto sean adecua-das, ya que un alto grado de confinamiento conduce auna mayor resistencia.

Cuando la mezcla se encuentra en estado slido, lapasta de cemento obtura los espacios que hay entre laspartculas al aglutinarse, reduciendo la permeabilidaddel concreto y evitando el desplazamiento de aguadentro de la masa endurecida, lo cual es crtico en es-tructuras hidrulicas o en concretos que estn expues-tos a la accin de aguas agresivas que eventualmentepuede degradar la estructura de la masa hacindoleperder resistencia.

Adicionalmente, la pasta fraguada y endurecida enunin de los agregados contribuye a suministrar laresistencia mecnica caracterstica a la compresin, locual depende la llamada interfase agregado-pasta, oagregado matriz.

Agregados o ridos

Como agregados o ridos para concreto puedentomarse en consideracin todos aquellos materialesque, poseyendo una resistencia propia suficiente (re-sistencia del grano), no perturban ni afectan el procesode endurecimiento del cemento hidrulico, es decirque son inertes y garantizan una adherencia suficientecon la pasta de cemento endurecida. Estos materialespueden ser naturales o artificiales, dependiendo de suoriqen,

Funciones de los agregados

La razn principal de la utilizacin de agregadosdentro de una mezcla de concreto, es que stos actancomo material de relleno, haciendo ms econmica lamezcla.

Los agregados, en combinacin con la pasta fra-guada, tambin proporcionan parte de la resistenciamecnica caracterstica a la compresin, debido a que,como se mencion anteriormente, stos tienen unaresistencia propia que aportar al concreto como masaendurecida.

Cuando la mezcla de concreto pasa del estadoplstico al estado endurecido durante el proceso defraguado, los agregados controlan los cambios volum-trlcos de la pasta, evitando que se generen agrie-tamientos por retraccin plstica que puedan afectarla resistencia del concreto.

Aditivos

Desde mediados del presente siglo se ha desarro-llado toda una tecnologa sobre la utilizacin de losaditivos, que son materiales distintos del agua, losagregados y el cemento hidrulico que se utilizancomo ingredientes en concretos y morteros y se aa-den a la mezcla inmediatamente antes o durante sumezclado. En trminos de su funcin, stos pueden serreductores de agua, retardantes o acelerantes. Hay

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algunos otros, como los inclusores de aire, laspuzolanas, los colorantes, etc.

Funciones de los aditivos

Pueden ser utilizados para modificar las propieda-des del concreto de manera que lo hagan ms adecua-do para las condiciones de trabajo. Pero, tambin pue-den ser usados por razones de orden econmico, yaque permiten, en algunos casos, reducir los costos defabricacin del concreto.

Conceptos bsicos

Como se ha visto, el concreto est compuestoprincipalmente de cemento, agregados yagua. Contie-ne asimismo alguna cantidad de aire atrapado y puedecontener aire incluido intencional mente mediante eluso de un aditivo o un cemento inclusor de aire.

Las propiedades del concreto y del mortero seestudian primordialmente con la finalidad de determi-nar el diseo de la mezcla, el cual se define como el

proceso para seleccionar los ingredientes adecuados ydeterminar sus cantidades relativas, con el objeto deproducir, tan econmicamente como sea posible, unconcreto o un mortero con un mnimo de ciertaspropiedades. De tal manera que los factores bsicos en~Idiseo de una mezcla de concreto o de mortero sonlos siguientes:

EconomaFacilidad de colocacin y consolidacinVelocidad del fraguadoResistenciaDurabilidadImpermeabilidadPeso unitarioEstabilidad de volumenAparencia adecuada

Estos factores o caractersticas requeridas estndeterminados por el uso al que estar destinado el-concreto y por las condiciones esperadas en el mo-mento de su colocacin.

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