El arrastre de aire en el hormigón es la creación intencional de pequeñas burbujas de aire en un lote mediante la adición de un agente incorporador de aire durante el mezclado. Una forma de tensioactivo (una sustancia tensioactiva que, en este caso, reduce la tensión superficial entre el agua y los sólidos) permite que se formen burbujas del tamaño deseado. Estos se crean durante el mezclado del concreto (mientras la lechada está en estado líquido), y la mayoría sobrevive para seguir siendo parte de ella cuando se endurece.
El arrastre de aire hace que el concreto sea más trabajable [1] durante su colocación y aumenta su durabilidad cuando se endurece, particularmente en climas sujetos a ciclos de congelación y descongelación . [2] También mejora la trabajabilidad del hormigón. [2]
A diferencia del hormigón celular , que se fabrica mediante la introducción de burbujas de aire estables mediante el uso de un agente espumante, que es liviano (tiene menor densidad) y se usa comúnmente para aislar o rellenar huecos, el concreto con aire incorporado tiene pequeñas cantidades distribuidas uniformemente. Se introducen huecos de aire a través de aditivos para mejorar la durabilidad, trabajabilidad y resistencia a los ciclos de congelación y descongelación sin reducir significativamente su densidad general y sin impacto negativo en sus propiedades mecánicas, lo que permite su uso en objetos como puentes [3] o carreteras construidas con Hormigón compactado con rodillo. [4] Otra diferencia es el proceso de fabricación: el hormigón celular implica la creación de una mezcla de espuma por separado, que luego se mezcla con cemento, arena y agua para formar el producto final, mientras que el hormigón con aire incluido se produce añadiendo directamente aditivos o aditivos especializados. en la mezcla de concreto durante el mezclado para crear pequeñas burbujas de aire en toda la mezcla. [5]
Aproximadamente el 85% de la fabricación de hormigón en los Estados Unidos contiene agentes inclusores de aire, que se consideran el quinto ingrediente en la tecnología de fabricación del hormigón. [6]
La incorporación de aire es beneficiosa para las propiedades tanto del hormigón fresco como del endurecido. [7] En el hormigón fresco, el arrastre de aire mejora la trabajabilidad y facilita su manipulación y bombeo. También ayuda a prevenir el sangrado y la segregación, procesos no deseados que pueden ocurrir durante la mezcla. En el hormigón endurecido, el arrastre de aire fortalece el material haciéndolo más capaz de resistir los ciclos de congelación y descongelación. [8] [9] También aumenta su resistencia al agrietamiento, mejora la durabilidad contra daños por fuego y mejora la resistencia general. Por lo tanto, agregar aire al concreto cuando se fabrica hace que sea más fácil de manejar al principio, pero luego ayuda a que se mantenga fuerte incluso en condiciones difíciles como temperaturas bajo cero o exposición al fuego. [10]
Pequeñas burbujas de aire en el hormigón con aire incorporado actúan como amortiguación interna, absorbiendo energía durante el impacto y aumentando la resistencia a fuerzas físicas como golpes o vibraciones. Esta resistencia mejorada al impacto ayuda a minimizar el daño a la superficie y prevenir la propagación de grietas o roturas, aumentando así la durabilidad general. Además, los huecos de aire, que actúan como zonas de alivio de presión, permiten la expansión del agua o la humedad durante los ciclos de congelación y descongelación sin causar tensiones internas y grietas posteriores. [2] [8]
Aunque el hormigón endurecido aparece como un sólido compacto, en realidad es muy poroso ( porosidad típica del hormigón : ~ 6 – 12 vol.%), y tiene pequeños capilares resultantes de la evaporación del agua más allá de lo necesario para la reacción de hidratación . Se requiere una proporción de agua a cemento (w/c) de aproximadamente 0,38 (esto significa 38 libras de agua por cada 100 libras de cemento) para que todas las partículas de cemento se hidraten. El agua adicional es excedente y se utiliza para hacer que el hormigón plástico sea más trabajable, fluya fácilmente o sea menos viscoso. Para lograr un asentamiento adecuado para que sea trabajable, la mayoría del concreto tiene una aw/c de 0,45 a 0,60 en el momento de su colocación, lo que significa que hay un exceso sustancial de agua que no reaccionará con el cemento. Cuando el exceso de agua se evapora deja pequeños poros en su lugar. El agua ambiental puede posteriormente llenar estos vacíos mediante acción capilar . Durante los ciclos de congelación y descongelación , el agua que ocupa esos poros se expande y crea tensiones de tracción que provocan pequeñas grietas. Estas grietas permiten que entre más agua en el concreto y las grietas se agrandan. Con el tiempo, el hormigón se astilla y se rompen trozos. La falla del hormigón armado se debe con mayor frecuencia a este ciclo, que se acelera cuando la humedad llega al acero de refuerzo, provocando que se oxide , se expanda, cree más grietas, deje entrar más agua y agrave el ciclo de descomposición.
El entretenimiento aéreo es un proceso que debe controlarse estrictamente para evitar el entretenimiento natural, lo que significa la presencia involuntaria o indeseable de huecos de aire en el concreto, causados por factores como una mezcla inadecuada o una consolidación insuficiente, que puede conducir a una resistencia y durabilidad reducidas debido a tamaños y ubicación inconsistentes de los huecos de aire, lo que lo hace menos deseable para lograr propiedades de desempeño específicas del concreto. [11]
Varios materiales pueden afectar las propiedades del aditivo inclusor de aire de varias maneras.
Las cenizas volantes, un material cementoso complementario, mejoran el empaquetamiento de la pasta debido a sus partículas más pequeñas, lo que resulta en un mejor flujo y acabado del concreto. La gravedad específica más baja de las cenizas volantes aumenta el contenido de pasta para una determinada proporción de agua a material cementante (w/cm) en comparación con el cemento Portland ordinario. Los diferentes tipos de cenizas volantes requieren ajustes en la dosis del aditivo inclusor de aire debido a variaciones en sus composiciones químicas y características de pérdida de aire. Las cenizas volantes de Clase F generalmente exigen niveles más altos de mezcla para mantener los niveles deseados de aire arrastrado en comparación con las cenizas volantes de Clase C. [12]
El humo de sílice es otro material que influye en el hormigón con aire incorporado. Su fino tamaño de partícula y su suavidad requieren dosis más altas de aditivo inclusor de aire que los concretos tradicionales sin humo de sílice. [12]
El cemento de escoria contribuye a un mejor empaque y a una mayor fracción de volumen de pasta debido a su menor gravedad específica que el cemento Portland ordinario. [12]
La inclusión de puzolanas naturales como la ceniza de cáscara de arroz o el metacaolín afecta la finura y la composición, lo que influye aún más en la dosis requerida de aditivos inclusores de aire en los hormigones mezclados que contienen estos materiales. [12]
Las burbujas de aire suelen tener un diámetro de 10 a 500 micrómetros (0,0004 a 0,02 pulgadas ) y están muy espaciadas. Los huecos que crean se pueden comprimir un poco, actuando para reducir o absorber las tensiones provocadas por la congelación. La incorporación de aire se introdujo en la década de 1930 y la mayoría del hormigón moderno, especialmente si se somete a temperaturas bajo cero, incorpora aire. Las burbujas contribuyen a la trabajabilidad al actuar como una especie de lubricante para todos los agregados y partículas grandes de arena en una mezcla de concreto.
Además del aire arrastrado intencionalmente, el hormigón endurecido también suele contener cierta cantidad de aire atrapado. Se trata de burbujas más grandes que crean huecos más grandes, conocidos como "panalidad", y generalmente están distribuidas de manera menos uniforme que el aire arrastrado. La colocación adecuada del concreto, que a menudo incluye vibración para asentarlo en su lugar y expulsar el aire atrapado, particularmente en los muros, es esencial para minimizar el aire atrapado nocivo.
El uso de cenizas volantes, un subproducto de la combustión del carbón, como aditivo en la producción de hormigón, es una práctica común debido a sus beneficios medioambientales y económicos. Aún así, el carbono residual en las cenizas volantes puede interferir con los aditivos inclusores de aire (AEA) [13] agregados para mejorar el arrastre de aire en el concreto para mejorar la trabajabilidad y la resistencia contra las condiciones de congelación y descongelación. [14] Este problema se ha vuelto más pronunciado con la implementación de tecnologías de combustión bajas en NOx. Existen mecanismos detrás de las interacciones entre los AEA y las cenizas volantes en las mezclas de concreto, relacionados con los efectos del carbono residual. La cantidad de carbono y sus propiedades, como el tamaño de las partículas y la química de la superficie, afectan la capacidad de adsorción de los AEA. El tipo de combustible utilizado durante la combustión afecta tanto a la cantidad como a las propiedades del carbono residual presente. Las cenizas volantes derivadas del carbón bituminoso generalmente tienen un mayor contenido de carbono que las producidas a partir de carbón subbituminoso o lignito, pero exhiben una menor capacidad de adsorción de AEA por masa de carbono. Se utilizan diferentes métodos de postratamiento para mejorar la calidad de las cenizas volantes para la utilización del hormigón. Técnicas como la ozonización , el tratamiento térmico y la limpieza física se han mostrado prometedoras para mejorar el rendimiento. [15]
El arrastre de aire fue descubierto por accidente a mediados de la década de 1930. [2] En ese momento, los fabricantes de cemento utilizaban un auxiliar de molienda para mejorar el proceso de molienda del cemento. Este auxiliar de molienda era una mezcla de varios productos químicos, incluidas sales de resina de madera, que se agregaban al cemento durante el proceso de molienda. Durante los experimentos, los investigadores notaron que la adición de esta ayuda para el pulido hacía que el concreto resultante exhibiera propiedades específicas y únicas. En concreto, observaron que el hormigón contenía diminutas burbujas de aire dispersas por toda su estructura, mejorando significativamente su durabilidad y resistencia a la congelación y descongelación. Se llevaron a cabo más investigaciones e investigaciones para comprender este fenómeno, lo que llevó a la conclusión de que la ayuda de molienda era responsable de arrastrar aire al hormigón. Este descubrimiento accidental eventualmente llevó a que la incorporación intencional de aire se convirtiera en una práctica estándar en la producción de concreto. [2] Desde entonces, el hormigón con aire incorporado se ha convertido en una práctica estándar y no en una excepción, especialmente en climas fríos. [16] [17]
Se han desarrollado y estudiado exhaustivamente agentes inclusores de aire (AEA) para mejorar la resistencia contra los daños por congelación y descongelación causados tanto por daños internos como por incrustaciones de sal. [2] [13]
Los polímeros superabsorbentes (SAP) tienen el potencial de reemplazar a los agentes incorporadores de aire (AEA) tradicionales en el concreto, ya que pueden crear sistemas de poros estables que funcionan de manera similar a los huecos de aire introducidos por los AEA. Las partículas de SAP absorben agua durante el mezclado y forman inclusiones estables llenas de agua en el hormigón fresco. A medida que el cemento se hidrata y sufre una contracción química, los poros de la pasta de cemento endurecida vacían su contenido de agua. Luego, las partículas de SAP liberan el agua absorbida para compensar esta contracción, mitigando eficazmente la contracción autógena y reduciendo el riesgo de agrietamiento. Estos poros creados por SAP actúan como huecos similares a los generados por los AEA, lo que mejora la resistencia al congelamiento y el descongelamiento y la durabilidad. A diferencia de los AEA, que pueden perder una parte del aire arrastrado debido a factores como largos períodos de transporte o altas temperaturas ambientales, el sistema de poros de SAP permanece estable independientemente de la consistencia, la adición de superplastificante o el método de colocación. SAP es una alternativa confiable para lograr un arrastre de aire controlado en la construcción de concreto. Al utilizar SAP en lugar de los AEA tradicionales, los profesionales de la construcción pueden mejorar la resistencia al congelamiento y descongelamiento sin preocuparse por perder una porción significativa de las burbujas de aire arrastradas durante los procesos de mezcla o colocación. [18]