3.1 Hormigones y morteros.

El hormigón es un importante material de ingeniería utilizado en la construcción de estructuras, en el diseño y construcción de puentes, edificios, presas, muros de retención y como solado en edificios y carreteras. Como material de construcción, el hormigón ofrece muchas ventajas, pues posee flexibilidad de diseño, ya que es posible verterlo, es económico, tiene dureza, resistencia al fuego, apariencia estética y la posibilidad de ser fabricado en el sitio. Las desventajas del hormigón desde un punto de vista de ingeniería es su escasa resistencia a tracción, baja ductilidad y elevado nivel de contracción.
El hormigón es un material compuesto de naturaleza cerámica formado por un material de agregación, grava y arena, encajado en una matriz dura de una pasta de cemento, el aglutinante, que está normalmente hecha de cemento portland y agua, figura 14.8. Tal como observamos en la figura, el cemento actúa como un pegamento para mantener unidas las partículas del agregado.

Figura 14.8. Esquema de la constitución de un hormigón.

 

El cemento portland, inicialmente, es una mezcla de alrededor de un 75% de caliza, CaCO3, y un 25% de arcilla, principalmente silicoaluminosa, pero con contenidos significativos de Fe2O3 y óxidos alcalinos. Estos componentes se combinan apropiadamente para producir los diversos tipos de cemento portland. Las materias primas seleccionadas, se muelen y mezclan en las proporciones adecuadas, manteniéndose en un horno rotativo a temperaturas entre 1400 y 1650°C con lo que se convierte en clinker, que se deja enfriar y pulveriza. Para controlar el tiempo de endurecimiento del hormigón, se añade al cemento una pequeña cantidad de yeso, CaSO4·2H2O.
Los constituyentes del cemento son minerales correspondientes a soluciones sólidas multicomponentes. Las impurezas que se contienen son muy importantes por el efecto que estas tienen en la estructura cristalina y en la reactividad de los minerales. Por esto usualmente se denomina a los principales constituyentes del cemento de manera resumida como si de una mezcla de óxidos se tratara, tal como se expone en la tabla 14.1, en la que se indica igualmente el porcentaje en peso de cada constituyente que forma el cemento portland ordinario.

 

Tabla 14.1. Constituyentes del cemento portland.

Cuando se añade agua al cemento o a la mezcla que constituirá el hormigón, suceden dos cosas: La primera es que la mezcla se convierte en una pasta; esto es, adquiere consistencia y rigidez, pero es moldeable y puede verterse. Al mismo tiempo se desprende una gran cantidad de calor. Esto constituye lo que denominamos cemento u hormigón fresco, durante el cual podemos trabajarlo y conformarlo siendo esta etapa de vital importancia para las propiedades finales del conjunto.
Estos cambios son debidos a las reacciones que tienen lugar por el efecto del agua que actúa como medio solvente y que conduce a la reacción:

2 SiO4^4- ® Si2O7^6- + O^2- (14.1)

que inicia la formación de una cadena polimérica por la unión de los tetraedros de sílice por uno de sus vértices, tal como se recoge en la figura 14.9. De esta forma el cemento va adquiriendo consisten-cia y endurece. Estas reacciones de hidratación, esquematizadas, son bastante complejas y aún hoy día no están suficientemente comprendidas, ya que implican la hidratación de los constituyentes del cemento, principalmente los silicatos di y tricálcico que constituyen el 75% del mismo. Estos componentes reaccionan con el agua, durante el endurecimiento del cemento, dando como producto principal el silicato tricálcico hidratado. Material este formado por partículas extremadamente pequeñas, menores de 1mm, en estado gel. Como producto secundario de esta hidratación se obtiene el hidróxido de calcio, como material cristalino. Estas reacciones son:

2 C3S + 6 H2O ® C3S2·3H2O + 3 Ca(OH)2 (14.2)
2 C2S + 4 H2O ® C3S2·3H2O + Ca(OH)2 (14.3)

Figura 14.9. Representación esquemática de la polimerización de los tetraedros de sílice.

 

El silicato tricálcico, C3S, se endurece rápidamente y es el principal responsable de la resistencia prematura del cemento portland, figura 14.10. La mayor parte de la hidratación del C3S tiene lugar en aproximadamente dos días, es por ello que los cementos rápidos contienen grandes cantidades de C3S.

Figura 14.10. Resistencia a compresión de los componentes del cemento en función del tiempo de curado.

 

El silicato dicálcico C2S, que tiene por el contrario una lenta reacción de hidratación, es el responsable del aumento de la resistencia más allá de la primera semana. El aluminato tricálcico, C3A se hidrata rápidamente con un alto porcentaje de liberación de calor, contribuyendo ligeramente al aumento de la resistencia prematura, pero resiste mal a los sulfatos, por lo que se mantiene en niveles bajos. La aluminoferrita de tetracalcio, C4AF se adiciona al cemento para reducir la temperatura de formación del clinker durante su fabricación, sin influencias posteriores.
Debemos considerar en este punto que la resistencia del hormigón, o el cemento en su caso, aumenta con el tiempo de curado, pero siempre que se mantenga durante este periodo una cantidad de agua en la masa, previniendo por lo tanto su evaporación. Aunque casi todas las aguas pueden utilizarse en la fabricación del hormigón, si su contenido en impurezas alcanza ciertos niveles, debe ensayarse su efecto previamente. Los otros componentes importantes de los hormigones, tal como se ha enunciado anteriormente son los agregados que constituyen del 60 al 80% del volumen final y afectan por lo tanto en gran medida a sus propiedades. Estos agregados se clasifican en gruesos y finos. Los gruesos, grava, son aquellos cuyas partículas son retenidas en un tamiz con una abertura de 1,18 mm, mientras los finos lo constituyen partículas de arena de hasta 6 mm de diámetro, de este modo existe un solapamiento en el tamaño de las partículas de los agregados.
Otro constituyente final del cemento y el hormigón lo constituye el aire ocluido, que en principio podemos indicar que es perjudicial y disminuye las propiedades resistentes al formar los poros, pero que producidos de forma controlada, al utilizar aditivos que formen poros de pequeño tamaño, menor de 0.1 mm, mejora la resistencia del hormigón a las congelaciones y deshielos.
El hormigón, que es básicamente un material compuesto de cerámicos, tiene una resistencia a compresión muy superior a su resistencia a tracción, por lo que la carga del hormigón se realizará a compresión. La resistencia a tracción puede aumentarse reforzando el hormigón con barras de acero, lo que constituye el hormigón armado, que no es objeto de nuestro estudio. La resistencia de un hormigón es función del tiempo puesto que su resistencia se desarrolla mediante reacciones de hidratación que precisan de tiempo para completarse. Esta resistencia, depende en gran manera de la relación entre el agua y cemento, que disminuirá cuando aumenta ésta, figura 14.11, existiendo un compromiso entre la mayor resistencia y la fácil trabajabilidad del hormigón junto a la colabilidad o posibilidad de rellenar huecos del mismo.

Figura 14.11. Efecto de la relación agua-cemento en las curvas tensión-deformación.

 

El diseño de las mezclas de hormigón deben incluir la consideración de los siguientes factores:

1.	Capacidad para trabajar el hormigón. El hormigón debe ser capaz de fluir o ser compactado con la forma del recipiente en que se vierta.
2.	Resistencia y durabilidad, adecuadas a la aplicación específica.
3.	Economía de producción, ya que en muchas de sus aplicaciones el coste es un factor muy importante, de ahí el que deba ser considerado.

Los métodos modernos de diseño de la mezcla del hormigón han evolucionado desde el método volumétrico que indicaba una relación 1:2:4 para las proporciones de cemento, arena y grava, a métodos de peso y volumen absoluto, tal como se refleja en la figura 14.12, aunque en este caso su fabricación es algo más complicada. El hormigón normal, sin oclusión de aire, posee en volumen del 7 al 15% de cemento, del 25 al 30% de arenas, del 31 al 1% de gravas, y del 16 al 21% de agua. El contenido en aire de estos hormigones, después de sometidos a vibración, varía del 0.5 al 3%. La proporción entre el agua y el cemento, muy importante como se ha expuesto anteriormente, superior al 0.4 disminuye significativamente la resistencia a compresión del hormigón.

Figura 14.12. Ejemplos de rangos de proporciones de componentes por volumen absoluto en hormigón.