Concreto de baja densidadpara edificación*

I I

Con limitadas oportunidade:para delegar el trabajl

pesado a otros, los primero:constructores deben habe

reconocido la ventaja de usapiedra de baja densidad, poejemplo pómez 0 escoria, erlugar de piedras densas tale:como caliza y granito, par-i

construir sus vivienda:

EI hecho de que “el ser pesado noconstituye und virtud para un material deconstrucción” debe haber sido l d primeralección que aprendieron los antiguosconstructores. Tal como lo muestran losmuros que rodedn lds modernas residen-cids en Coyoacán, en Id ciudad deMéxico, estas piedras vesiculaes o ex-pandidas son no sólo ligeras, sino quetambién tienen und textura superficial pia-centera d Id vistd, que red& Id sobriedadde este rumbo de l d ciudad.

Nuestra experiencia en el ujo de agre-gados naturales de baja densidad parahacer concreto se remonta, di menos, d

230 años A.C. cuando los romanosusaban agregados de piedra pómez pardhacer al y concreto con aglutinante pu-zolánico para construii lo que, en esetiempo, erd un puerto importante enCOSd, en Id COStd occidental itdlidnd, d

poas millas dl norte de donde el Tibervierte sus aguas en el Mediterráneo. Estaestructura marina permanece hoy en dídcomo un tributo d l d durabilidad de susmdteridles. En Id Mesoamérica antigua, se

tienen otros ejemplos similares del uso deagregddos de baja densidad, y esto só-Idmente ahora empiezd d ser apreciado’.

Desde entonces y durante muchos añoshemos Identificado mucha ventajas de losmateriales porosos o veslculdres cuandose usdn pdra construccrón Es bien sdbidoque cuando los materiales se expanden ydesdrrolldn mdyor porosidad, l d resslsten-cid y rigidez disminuyen d und velocldddexponencial. Por rdzones que serán expll-cddas más adeldnte, se puede permitir undreducaón sustancial en l d densidad delagregado, antes de que l d resistencla delconcreto se ved deteriorada Simi~drmen-te, los agregados son mucho más Imper-medbles que l d mdtriz de l d pata de ce-mento , y SÓIO cuando se iiegd d dbs

grados de expansión de los agregados se

incrementd significdtwdmente Id imper-meabilidad del concreto”. De este modo,toda lds propledddes Intrínseca del con-creto se conservan, y dl mismo tiempo, sereconocen plenamente los benefiaos del d densidad disminuida y la reducción aso-ciada en acero de refuerzo, tamaños decolumnas, apoyos de cimientos, y lds fuer-zds laterales y vertic& debidas d sismos.

*Conferencia presentada en la Semana Internac¡*

nal CONCRETO’96, organizada por el IMCYC,

septiembre de 1996.

**Profesor de Ingeniería Civil, Universidad de New

Brunswick, Fredericton, NB, Canadá E3B 5A3

A mayor veslcularizatión se obtiene mayorresistenaa térmicd. Este Incremento en re-sistencia térmica es de particular interéspdrd ld gente que tiene que bdtdlldr concondiciones de clima extremoso; este in-cremento en Id resistencia térmica se logra

con un material aislante no combustible, yque no daña dl medio ambiente.

En términos de eficiencia estructural,und expansión del dgregddo de aproxi-madamente 40 % pdrece ser lo ópti-mo. Este grado óptimo de expansión apa-rentemente erd conocido por eI Sr. Step-hen Hayde, quien en 19 18 patentó unmétodo para obtener esquisto expandi-do, drcilld y pizarra producidos en un hor-no rotatorio. Esto contribuyó enormemen-te dl éxito de ld moderna industria delconcreto de agregado ligero, ld cudl uti-lizd principalmente este mismo grado deexpdnsión del agregado pdrd concreto es-tructural. Cuando ld eficiencia estructurdl tie-

ne que ceder d otras demandas tdk comoresistencia térmica y densidad reducida paraminimizar los costos de transportación y lasfue-rzds sísmicds, es entonces necesario obtenerund reducción todavÍa m6s grande en ld den-

sidad. Para obtener esto se deswollaon vd-rias otras forma de concreto de baja densi-dad, y que serAn el objetivo de este estudio.

NATURALEZA DEL CONCRETODE BAJA DENSIDAD

Por medio de und variedad de méto-dos, es posible generar und estructura ve-sicular o porosd en un agregado. Al in-crementarse Id vesiculdrizdción, se tieneund reducción en Id resistencia y rigidez.Afortunadamente, los agregados ordinariosdensos son demasiado resistentes y rígidospdrd actuar de mdnerd óptima en el concre-to, ya que Id matriz de ld pasta de cementotiene dproximdddmente un tercio de ld re-sistencia y rigidez de los dgregados.

TaI como se señdló previamente, expdn-

diendo los agregados en dproximdddmen-

te 40 % tal como se hace en un hornorotatorio, Id rigidez del dgregado se em-parejja aproximadamente con ld rigidez deld matriz, y ocurre und distribución unifor-me de esfuerzo d nivel microscópico. De-bido d que lds concentraciones de esfuerzose han reducido, los esfuerzos de adherenciainterfdcidl se reducen entre el agregado y Idmatriz de ld pasta de cemento, reduciendoasí el dgrietdmiento interfdcidl y el microdgrie-

tdmiento de ld matriz, que tienden d reducirapreciablemente ld permeabilidad del con-creto regular.

Con algunos agregados manufacturados

con densidades relativas de menos de1 .5 los agregados actúan como zonds dedebilidad, y entonces empezará el dgrie-

tamiento en sus polos en donde ld grietaparte los agregddos en dos en un planoparalelo dl esfuerzo de compresión prin-cipal. En este cao, el concreto de bajddensidad se hace más efectivo como unmaterial estructural, aunque sigue siendoefectivo como material aislante.

Con el concreto de agregddo ligero,tanto Id matriz continua del mortero comolos agregados expandldos actúan juntospdrd formar und bdrrerd dl flujo de g a s y

de líquidos. Debido d ld cantidad redu-

cida de microagrietamiento en eI concretode baja densidad, este concreto tiended ser más imrjermedble que el concreto depeso normal. Los agregados tienen unsistema de vacío notablemente interco-nectado sólo cuando se expanden, demodo que teggan und densidad relativamenor de aproximadamente 0.9, en

cuyo punto Id matriz dCtúd como id bd-

rrerd primaria dl flujo.Tanto eI concreto celular como d de-

reddo en autoclave se comportan más

como un mortero que como un concreto,ya que no contienen agregddos gruesos.Ellos son esencialmente como un plásticoespumoso, en el sentido de que Id matrizestá expandida por m’idio de un gas ex-pedido que enfría y extiende o dilata lamdsd durante el endurecimiento o el pro-ceso de curado. La mayoria de Ids espu-mds plásticas son del tipo de célula abiertamientras que, esencialmente, todos losconcretos de muy bajd densidad son denaturaleza de célula cerrddd. Esto se lograagregando agentes estabilizadores d Id

pdStd de Cemento, pdrd evitar CI COldpSO

de lds paredes de células. No obstante,

el transporte de gases y de líquidos esobstaculizado únicamente por Id matriz,

y d medida que se dihtd y que Id paredde célula se hace más delgada, se incre-menta el flujo d través de un grosor uni-tario del material. Por esd rdzón, el aceroque normalmente está bien protegido porconcreto ordinario y por concreto ligeroestructural, podría encontrarse en riesgocon concreto celuldr y aereado en duto-

cldve, d menos que se apliquen capas

protectoras dl dcero.

NECESIDAD DECONCRETO MUY LIGERO

Las ventajas intrínsecas de concretos demuy bajd densidad ejercen und gran atrac-ción para Id construcción en lugares endonde lds temperaturas son ex-tremosas. En el Canadá, debi-do dl frío, es grande l d necesi-dad de un aislante no combus-tible. Dasafortunadamente, enclimas fríos, ocurre flujo de hu-meddad y condensasión dentrode Ids paredes y l d estructuradel techo, y cuando viene Idcongelación, puede cdusdr re-sultados dessastrozos si no setomdn Ids medidas adecuad&

Actualmente se está usando

extensivamente y se comienzan aapreciar su facilidad de uso,

propiedades aislantes y economrá

con u n d

en usar los depósitos locales de piedrapómez y escorid. En Armenia, dondepueden obtenerse fácilmente, han sido Idelección de agregado para conc!eto pormás de 1 OO años. Los depósttos deArmenia son uniformes respecto d Id den-sidad en cualquier depósito, y los másdensos se utilizan para producir concretode grado estructural. En Colombia Britd-nica, Canadá, y en ei Valle del Rhur,Alemania, los depósitos similares se hanagotado. Existen extensos depósitos enCicilid y en Greaa, y estos agregados seenvían dl Remo Unido y d l d costa orientalde los Estados Unidos para hacer unida-des de mampostería de concreto.

La escond proveniente de industrias me-talúrgicas se puede expandir vtrtlendo Idescond fundrda en un tambor con dietasrotando r;pldamente, el cudl dwentd Idescond fundlda dl are cuando se soltdlflcay cde en forma de partículas esféricas. Esta

“Escoria Grdnulizddd” tiende d serpesada, con und denstddd relatwade 1 .8. Un método desdrrollddopor los rusos involucrd Id introduc-ción de l d escorid en un tubo deVenturi, en donde eI agud y eIdire d presiones dltdS hacen que Idescorid se rompa en pequeños grd-

nos y se enfríe rápidamente en elflujo turbulento que ocurre endpdrdtos pareados d cdrburddo-

concreto de baja densidad más

“C se expande para formar un matenalceIuIdr con und densidad de dproximddd-

mente 1 20 kg/m3. Se usd pnnclpalmentepara Id protección del dcero contra elfuego. Al Igual que con id vermlculitd, Id

perlita no puede obtenerse en muchosIugdres, y los costos de trdnsportacrónIlmltan su aplicabilidad.

Escoria Expandida

bdrrerd contra l d humedad3. Aunque losingenieros escdndmdvos fueron capaces

de resolver este problema tecnológico,los ingenieros canadienses en algunos cd-sos fueron incapaces de hacerlo. El con-creto de baja densidad parece ser ideal-mente adecuado para climas cálidos y re-sulta sorprendente que los desarrollos ini-ciales en concretos de muy baja densidadbasados en cemento Portland se redlizd-rdn en lds partes más fría de Europa y noen las partes más cálidas del mundo.

DIVERSAS FORMAS DECONCRETO DE BAJA DENSIDAD

Cuando Id mica se calienta, se expandepor medio de delaminación y producevermiculita. Este agregado de muy bajddensidad puede usarse en el mortero y sepuede dlidndr d mdno para producir unmortero de baja densidad o se puedeaplicar por rociado para proporcionarprotección térmica d lis estructuras dedcero. También se aplica por rociado enId parte superior de un aislante de uretanopara dcturdr como protección contra elfuego. La densidad es generalmente deaproximadamente 400 ks/m3 y no seconsidera ddecuddo para aplicacionesdonde se tengan que soportar cargas.

Piedra pómez y escoria Perlita

El método más económico para fabricar La perlita es und focd densa vidriosa queconcreto de muy baja densidad consiste dl ca lentarse d aproximadamente 1 800

Vermiculita res. Agregando piedra cdllzd molida dldgud se puede reducir l d denslddd relatwad menos de 1 .4. El producto puedeproducirse en und planta con un equipoespecidl para limpiar el dire, y que esen-cialmente elimina los gases sulfurosos nor-mdlmente dsocidd.os con I a solldlficaciónde l a escorid en Ids instalaciones metalúr-glcas. Estd tecnología rusd est2 disponiblepara usarse con base en derechos de pa-tente, y se puede soliatar d und firmacanadiense que tiene un contrato de res-go compartido con los desarrolladores ru-sos de esta tecnología.

Concretos Aereados en Autoclave

A fin de lograr muy baja densidad, escomún usar mortero en vez de concreto,y para expandir el mortero toddvíd fresco

es común usar un agente especial inclusorde aire. Después, cuando el cemento sehidrata y forma und matriz endureccidd, seconserva ld forma distendidd4. Aunquelds planta que producen este material hanestado comercialmente en operación enEuropa dura tne 7 0 dños, su uso en Amé-ricd del Norte y del Sur parece estalimitado d dos nueva plantas en los Es-tados Unidos y und en México. Estasplanta producen unidades de mampos-tería (bloques) y muros prefabricados,losds pdrd pisos y techos que requierencurado en autoclave (presión y temperd-turds altas) y que comúnmente se conocecomo Concreto Aereddo en Autoclave(CAA). Se espera und mayor utilizaciónde este material en América d medida quesu éxito en Europa se conoce mejor.

Concreto Celular

Aunque el CAA tiene todavía quelograr un amplio uso en América, el Con-

creto Celular (CC) producido en el sitioha gozado de ld preferencia durante variasdécadas, para edificios residenciales y co-merciales. El concreto celular se hace pormedio de ld adición generosa de un agen-te especidl inclusor de aire que se agregadirectamente d los otros ingredientes oinyectando und espuma preformada en unmortero ya mezclado, y después, doblan-dolo cuidadosamente en el mortero plás-tico en una mezcladora de tambor hori-zontal. Aunque generalmente se elaboraen Id obrd, puede ser prefabricado, yrequiere de curado d temperatura y pre-sión ambientales. Su uso más común hasido para tdpds de desgaste de techosd¡SIddOSj no obstante, ahora está empe-zando d usdrse para rellenos de cdrreterasde baja densidad de tráfico y pard repa-raciones de emergen& en autopistas. Losdesarollos más recientes efectuados prin-cipalmente en Inglaterra han dado comoresultado que esta última dpticdción sed

perfeccionada con nuevos agentes espu-mosos y con equipo simplificado pad for-~mdr espuma.

PRODUCCION DE CONCRETODE BAJA DENSIDAD

Piedra Pómez y Escoria

l-d naturaleza nos da el mejor ejemplode una estructura vesicular en forma depiedra pómez y escoria que resulta de Idactividad volcánica. El magma fundidoexpulsado por los volcanes puede tenergases disueltos dentro de ellos, de modoque cuando se libera ld presión en eImomento que el magma sale del vol&nlos gases se expanden para formar vesícu-lds o bolsas dentro de Id matriz vidriosa,y cuando el magma se enfríd se retiene ldforma abukdda. El enfriamiento subse-cuente da como resultado ld fisuración dellecho con resultados tales como, porejemplo, que en Ids formdciones dustrdlid-nds un cargador sobre neumáticos puede

escdrbdr simplemente el mdteridt, y por y cantidad de ld expansión se puede con-medio de un simple proceso de cernido trola para hacer und unidad fabricada conse produce und variedad de productos ld estructura vesicular deseada. El agentevendibles que esencialmente no requieren expansivo comúnmente usado es el polvode trituración. Los granda bloques se de aluminio.pueden cldsificdr mdnudlmente para usos El polvo de aluminio reacciona con Idarquitectónicos tal como se hizo pdrd los cdl para generar gas hidrógeno, que actúamuros en CoyoacJn, usándose el resto como el agente expansivo de ld siguientecomo agregados de concreto. El material manera :

muy .fik puede actuar como und especiede aditivo puzolánico para mezclds de *Al + 3Cd (’ H ) * + 6Hs0 jconcreto cuando los agregados regulares +3CdO. Aln03 .6t-ip0 + 3H9

son deficientes en finos. En los estadosoccidentales de los Estados Unidos la

donde

formaciones no están bien fisurddds y se 2Al = Polvo deAluminio

requiere de trituración extensiva que da 3Cd ( 0 H ) 1 = Cal Hidratadacomo resultado un exceso de producciónde finos que no pueden venderse.

3 Cd 0 . Al e O3 .6 H o O= Aluminatotricálcico hidratado

. La producción de concreto de pesoligero usando piedra pómez y escorid se

3 H e = Hidrógeno

trata en el ACI 2 1 3, Guía para ld Buena El proceso invoiucrd ld adición de polvo

Práctica del Concreto Ligero, y no será de aluminio d und lechada compuesta de

tratado a q u í .cemento, al, relleno de silicio y agua. Siel cemento es bajo en dlcdlis, se agrega

Concreto Aereado en Autoclavesoda cáustica. Se usdn también un agentehumectante y OtrOS mdteridhs para estd-

Con ld introducción de un agente ga- bilizar lds celdas.

seos0 que forma espumd, en und pasta El proceso parece engañosamente sim-de cemento Portland o en und mezcla de ple pero ld producción comercial ha sidomortero de cemento portland, el tamaño lograda por sólo algunos productores,

uno de los cudles tiene und planta enMonterrey, México. Se prefiere que elproducto sed conocido como ConcretoAereddo en Autoclave en vez de Con-creto Cehidr, y s u proceso de autoche

garantiza que se hace uso óptimo deladherente. Es posible reemplaza el polvode aluminio con peróxido de hidrógenoy un polvo blanqueador para generar gasoxígeno como el agente de soplado,como sigue:

C~CI(OCI)+H~OQ+C~CI~+O~+H~O

Cd C I(0 C 1) = Polvo Bldnqueddor

HeO9 = Hidrógeno

Cd c 14 = CdkiO

Oe = Oxígeno

Además, el curado con vdpor d ditapresión (autoclave) se puede reempldzdrcon curado con vapor dtmosférico para

unidades producidas en fábrica; sin em-bargo, aparentemente ningund de estados variantes del proceso parecen habertenido éxito en ld producción comercial.La mayoría de lds firmas usdn mdteridk y

mdtodos patentados para producir suproducto.

Además, generalmente proporcionanun amplio servicio de diseño de modoque se produce esencialmente un produc-to “llave en mdno” que sólo puede reque-rir de parte del propietario ld colocacióny el junteo de las unidades con mortero.

Concreto Celular

El progreso más grande en concretos demuy bajd densidad se ha logrado en el6rea de concreto cekk. Normdknente,un mortero poroso o celular se hace enalguna de lds dos maneras siguientes. Elmétodo más común es usa un agenteporoso orgánico 0 resinoso (sintético)para generar und espuma que luego seintroduce en und mezcladora de concreto0 mortero que ya contiene cemento, agua

y agregado fino.

La espuma puede generarse bombean-do ld solución usando und bomba desucción movida por aire comprimido; allíse mezcla con aire comprimido y se soplad través de und cdmd de bolitas paraformar und espuma rígida con und densi-dad de aproximadamente 20 ks/m3.

Un mdtodo alternativo consiste en agre-gar un agente resinoso (sintético) inclusorde aire en forma líquida (o en forma deun huevo) d und mezcla de mortero o dun camión de premezdado. El primerotiene el potencial de generar concreto demuy bajd densidad, mientras que el últi-mo, tal como se usd actualmente paraRellenos.de Baja Densidad para autopis-ta, tiene und densidad de concreto dedproximdddmente 1600 ks/m3 (5).

La tecnología puede extenderse agre-gando bolitas de poliestireno pre-ex-pandido d ld mezila de cemento, dgud,drend, y espuma para producir un con-creto espumoso con agregado de po-liestireno. se pueden usar también pó-mez, escorid, agregddos ligeros produci-dos en hornos rotatorios, y agregddos demuy bajd densidad hechos de vidrio dedesecho, como expansores de peso ligeropdrd concreto espumoso.

El rdleno de baja densidad ha dewrolla-do un gran merado, primero en Inglaterray ahora en los Estados Unidos. Gracias dsu conveniencia y d ld facilidad de trdnspor-tdción dl sitio, tiene un gran potencialpara ld construcción de edificios, d con-dición de que su densidad pueda redu-cirse sustancialmente por debajo de apro-ximadamente 1600 kg/m3.

Posiblemente se requiera de mis tra-bajo para incrementdr su reSiStenCid, yaque el material actualmente está formu-lado para tener resistencia suficiente-mente baja en el sitio, de modo que sepueda excava fácilmente si hay quereparar los servicios que se encuentrendebajo de la carretera.

Se han realizado amplias investigdcio-nes sobre el concreto celular en sus mu-chas formas en ld antigua unión Sovié-ticd, y ahora se empieza ,d obtener in-formación en algunos lugdk tdles comoEslovenia, que formaron parte de laUnión, en donde el Concreto Celularse usd dmplidmente.

Se puede obtener amplia informaciónsobre el uso de concreto celular en laspublicaciones del Instituto Americano delConcreto, tales como el ACI 523.1 R-92 - “Guía del Concreto Celular Cola-do en Obra”, ACI 523.2R87 - “Guídpara Pisos, Techos y Unidades de Murosde Concreto Celular”, y ACI 523.3R-93 - “Guíd de Concretos Celularespor Encima de 800 kgIm3”.

CONCLUSION

Actualmente se está usando concretode baja densidad más extensivamente queen el pasado, y se comienzdn d dpreC¡dr

su facilidad de uso, propiedades aislantesy economía.

Su variedad de formas parecen ser idedl-mente ddecuddds para México, y podríadlcdnzdr su verdadero potencial en estepaís y servir como ejemplo pdrd el restodel mundo.REFERENCIAS

’ Rivera Vil larreal, Raymundo and Krayer, Step

han, “Ancient Structural Concrete in Mewameri-

ca*, Concrete International, ACI, val. 18, No. 6,

June 1996, pp. 67-71

’ Short, A. and Kinniburgh, W., Yightweigbt Con-

crete”, Third Edition, Applied Sciie Publishers,

Ripple Road, Barking, Essex, London

3 Stoll, T.M. and Evstratov, G.I., ‘Building in Hot

Climate”, MIR Publishers, Moscow Englìsh Trans-

lation, 1987

4 Autoclaved Aerated concrete, Mositure and Pro-

perties, Proceedings of the RILEM Intemational

Synposium on Autoclaved Aerated &nurete, ed.

Falker H. Witbnann, Elsevier Sciehtific PublishingCompany, Amsterdam, Tbe Netherlands,l983

’ Wimpenny, .D.E., “Some Aspects of the Design

and Production of Foamed Concrete’, in Concretein the Service of Mankind - Applied Concrete Te-

chnology, Ed. R.K. Dhir and M.J. McCarthy, E¿?FN

Spon, 2-6 Boundry Row, London SE1 8HN, UK,

1996. 0,