El hormigón tiene una resistencia a la compresión relativamente alta (resistencia a la rotura cuando se comprime), pero una resistencia a la tracción significativamente menor (resistencia a la rotura cuando se separa). La resistencia a la compresión se controla normalmente con la proporción de agua y cemento al formar el hormigón, y la resistencia a la tracción se aumenta con aditivos, normalmente acero, para crear hormigón armado. En otras palabras, podemos decir que el hormigón está formado por arena (que es un agregado fino), balasto (que es un agregado grueso), cemento (que puede denominarse aglutinante) y agua (que es un aditivo).
El hormigón tiene una resistencia a la compresión relativamente alta , pero una resistencia a la tracción significativamente menor . Como resultado, sin compensación, el hormigón casi siempre fallaría por tensiones de tracción incluso cuando se carga en compresión. La implicación práctica de esto es que los elementos de hormigón sometidos a tensiones de tracción deben reforzarse con materiales que sean fuertes en tensión (a menudo acero). La elasticidad del hormigón es relativamente constante a niveles bajos de tensión, pero comienza a disminuir a niveles de tensión más altos a medida que se desarrolla el agrietamiento de la matriz. El hormigón tiene un coeficiente de expansión térmica muy bajo y, a medida que madura, el hormigón se contrae. Todas las estructuras de hormigón se agrietarán en cierta medida, debido a la contracción y la tensión. El hormigón que está sometido a fuerzas de larga duración es propenso a la fluencia . La densidad del hormigón varía, pero es de alrededor de 2400 kilogramos por metro cúbico (150 lb/pie cúbico). [1]
El hormigón armado es la forma más común de hormigón. El refuerzo suele ser de varillas de acero (malla, espiral, barras y otras formas). Hay fibras estructurales de diversos materiales disponibles. El hormigón también se puede pretensar (reduciendo la tensión de tracción ) utilizando cables de acero internos (tendones), lo que permite construir vigas o losas con una longitud mayor que la que se puede conseguir con hormigón armado solo. La inspección de estructuras de hormigón existentes puede ser no destructiva si se lleva a cabo con equipos como un martillo Schmidt , que a veces se utiliza para estimar la resistencia relativa del hormigón en el campo. [ cita requerida ]
La resistencia última del hormigón está influenciada por la relación agua-cemento (a/cm) , los componentes de diseño y los métodos de mezcla, colocación y curado empleados. En igualdad de condiciones, el hormigón con una relación agua-cemento (cemento) menor produce un hormigón más fuerte que aquel con una relación mayor. [2] La cantidad total de materiales cementantes ( cemento Portland , cemento de escoria , puzolanas ) puede afectar la resistencia, la demanda de agua, la contracción, la resistencia a la abrasión y la densidad. Todo hormigón se agrietará independientemente de si tiene o no suficiente resistencia a la compresión. De hecho, las mezclas con alto contenido de cemento Portland pueden agrietarse más fácilmente debido al aumento de la tasa de hidratación. A medida que el hormigón se transforma de su estado plástico, hidratándose a un sólido, el material sufre una contracción. Las grietas por contracción plástica pueden ocurrir poco después de la colocación, pero si la tasa de evaporación es alta, a menudo pueden ocurrir durante las operaciones de acabado, por ejemplo, en un clima cálido o en un día ventoso.
En mezclas de hormigón de muy alta resistencia (superior a 70 MPa), la resistencia al aplastamiento de los áridos puede ser un factor limitante de la resistencia máxima a la compresión. En hormigones pobres (con una alta relación agua-cemento), la resistencia al aplastamiento de los áridos no es tan significativa. Las fuerzas internas en formas comunes de estructura, como arcos , bóvedas , columnas y muros, son predominantemente fuerzas de compresión, y los suelos y pavimentos están sujetos a fuerzas de tracción. La resistencia a la compresión se utiliza ampliamente para los requisitos de especificación y el control de calidad del hormigón. Los ingenieros conocen sus requisitos de tracción (flexión) objetivo y los expresarán en términos de resistencia a la compresión.
El 13 de abril de 2007, Wired.com informó que un equipo de la Universidad de Teherán , que competía en un concurso patrocinado por el American Concrete Institute , demostró varios bloques de hormigón con resistencias a la compresión anormalmente altas, entre 340 y 410 MPa (49 000 y 59 000 psi) a los 28 días. [3] Los bloques parecían utilizar un agregado de fibras de acero y cuarzo , un mineral con una resistencia a la compresión de 1100 MPa, mucho más alta que los agregados típicos de alta resistencia, como el granito (100-140 MPa o 15 000-20 000 psi). El hormigón en polvo reactivo, también conocido como hormigón de ultra alto rendimiento, puede ser incluso más fuerte, con resistencias de hasta 800 MPa (116 000 PSI). [4] Estos se fabrican eliminando por completo los agregados grandes, controlando cuidadosamente el tamaño de los agregados finos para asegurar el mejor empaquetamiento posible e incorporando fibras de acero (a veces producidas al moler lana de acero) en la matriz. Los hormigones en polvo reactivo también pueden utilizar humo de sílice como agregado fino. Los hormigones en polvo reactivo comerciales están disponibles en el rango de resistencia de 17 a 21 MPa (2500 a 3000 psi).
El módulo de elasticidad del hormigón es una función del módulo de elasticidad de los áridos y de la matriz de cemento y de sus proporciones relativas. El módulo de elasticidad del hormigón es relativamente constante a niveles bajos de tensión, pero comienza a disminuir a niveles más altos de tensión a medida que se desarrolla el agrietamiento de la matriz. El módulo elástico de la pasta endurecida puede ser del orden de 10-30 GPa y el de los áridos de alrededor de 45 a 85 GPa. El compuesto de hormigón se encuentra entonces en el rango de 30 a 50 GPa.
El American Concrete Institute permite calcular el módulo de elasticidad utilizando la siguiente ecuación: [5]
dónde
Esta ecuación es completamente empírica y no se basa en la teoría. Nótese que el valor de E c encontrado está en unidades de psi. Para el hormigón de peso normal (definido como hormigón con una resistencia al agua de 150 lb/ft 3 y restando 5 lb/ft 3 para el acero), se permite tomar E c como .
La publicación que utilizan los ingenieros de puentes estructurales es el Manual de diseño de factores de carga y resistencia de AASHTO , o "LRFD". Según el LRFD, sección 5.4.2.4, E c se determina mediante:
dónde
Para hormigón de peso normal ( w c = 0,145 kips por pie cúbico), E c puede tomarse como:
El hormigón tiene un coeficiente de expansión térmica muy bajo . Sin embargo, si no se toman medidas para evitar la expansión, se pueden generar fuerzas muy grandes, causando grietas en partes de la estructura que no son capaces de soportar la fuerza o los ciclos repetidos de expansión y contracción . El coeficiente de expansión térmica del hormigón de cemento Portland es de 0,000009 a 0,000012 (por grado Celsius) (8 a 12 microdeformaciones/°C) (8-12 1/MK). [6]
El hormigón tiene una conductividad térmica moderada , mucho menor que la de los metales, pero significativamente mayor que la de otros materiales de construcción como la madera, y es un mal aislante.
Con frecuencia se utiliza una capa de hormigón para "proteger del fuego" las estructuras de acero. Sin embargo, el término "proteger del fuego" es inadecuado, ya que los incendios a altas temperaturas pueden ser lo suficientemente intensos como para inducir cambios químicos en el hormigón, que en casos extremos pueden causar daños estructurales considerables al hormigón.
A medida que el hormigón madura, continúa encogiéndose debido a la reacción que se produce en el material, aunque la tasa de contracción disminuye con relativa rapidez y sigue reduciéndose con el tiempo (a efectos prácticos, se considera que el hormigón no se encoge más debido a la hidratación después de 30 años). La contracción y la expansión relativas del hormigón y el ladrillo requieren una adaptación cuidadosa cuando las dos formas de construcción interactúan.
Todas las estructuras de hormigón se agrietan en cierta medida. Uno de los primeros diseñadores de hormigón armado, Robert Maillart , empleó hormigón armado en varios puentes arqueados. Su primer puente era sencillo, ya que utilizaba un gran volumen de hormigón. Luego se dio cuenta de que gran parte del hormigón estaba muy agrietado y no podía formar parte de la estructura bajo cargas de compresión, pero la estructura funcionaba claramente. Sus diseños posteriores simplemente eliminaron las áreas agrietadas, dejando arcos de hormigón esbeltos y hermosos. El puente Salginatobel es un ejemplo de esto.
Las grietas en el hormigón se deben a la tensión de tracción inducida por la contracción o las tensiones que se producen durante el fraguado o el uso. Se utilizan diversos medios para superar esto. El hormigón reforzado con fibras utiliza fibras finas distribuidas por toda la mezcla o elementos de refuerzo metálicos u otros elementos de mayor tamaño para limitar el tamaño y la extensión de las grietas. En muchas estructuras grandes, se colocan juntas o cortes de sierra ocultos en el hormigón a medida que fragua para que las inevitables grietas se produzcan en un lugar donde se puedan controlar y no se vean. Los tanques de agua y las carreteras son ejemplos de estructuras que requieren control de grietas.
Las grietas por contracción se producen cuando los elementos de hormigón sufren cambios volumétricos restringidos (contracción) como resultado del secado, la contracción autógena o los efectos térmicos. La restricción se proporciona externamente (es decir, soportes, paredes y otras condiciones de contorno) o internamente (contracción diferencial por secado, refuerzo). Una vez que se excede la resistencia a la tracción del hormigón, se desarrollará una grieta. La cantidad y el ancho de las grietas por contracción que se desarrollan están influenciados por la cantidad de contracción que se produce, la cantidad de restricción presente y la cantidad y el espaciamiento del refuerzo proporcionado. Estas son indicaciones menores y no tienen un impacto estructural real en el elemento de hormigón.
Las grietas por contracción plástica son inmediatamente visibles entre 0 y 2 días después de la colocación, mientras que las grietas por contracción por secado se desarrollan con el tiempo. La contracción autógena también se produce cuando el hormigón es bastante joven y es el resultado de la reducción de volumen resultante de la reacción química del cemento Portland.
Los elementos de hormigón pueden ponerse en tensión mediante la aplicación de cargas. Esto es más común en vigas de hormigón , donde una carga aplicada transversalmente pondrá una superficie en compresión y la superficie opuesta en tensión debido a la flexión inducida . La parte de la viga que está en tensión puede agrietarse. El tamaño y la longitud de las grietas dependen de la magnitud del momento de flexión y del diseño del refuerzo en la viga en el punto en consideración. Las vigas de hormigón armado están diseñadas para agrietarse en tensión en lugar de en compresión. Esto se logra proporcionando acero de refuerzo que ceda antes de que se produzca la falla del hormigón en compresión y que permita la remediación, reparación o, si es necesario, la evacuación de un área insegura.
La fluencia es el movimiento o deformación permanente de un material con el fin de aliviar las tensiones que sufre. El hormigón sometido a fuerzas de larga duración es propenso a la fluencia. Las fuerzas de corta duración (como el viento o los terremotos) no la provocan. La fluencia a veces puede reducir la cantidad de grietas que se producen en una estructura o elemento de hormigón, pero también debe controlarse. La cantidad de refuerzo primario y secundario en las estructuras de hormigón contribuye a reducir la cantidad de contracción, fluencia y grietas. [7]
El hormigón de cemento Portland retiene el agua. [8] Sin embargo, algunos tipos de hormigón (como el hormigón permeable ) permiten el paso del agua, siendo por lo tanto alternativas perfectas a las carreteras de macadán , ya que no necesitan estar equipadas con desagües pluviales . [9]
Los ingenieros suelen especificar la resistencia a la compresión requerida del hormigón, que normalmente se da como la resistencia a la compresión de 28 días en megapascales (MPa) o libras por pulgada cuadrada (psi). Veintiocho días es una larga espera para determinar si se van a obtener las resistencias deseadas, por lo que las resistencias de tres y siete días pueden ser útiles para predecir la resistencia a la compresión final del hormigón a los 28 días. A menudo se observa una ganancia de resistencia del 25% entre 7 y 28 días con mezclas 100% de OPC (cemento Portland ordinario), y se puede lograr una ganancia de resistencia de entre el 25% y el 40% con la inclusión de puzolanas como cenizas volantes y materiales cementantes complementarios (SCM) como cemento de escoria. La ganancia de resistencia depende del tipo de mezcla, sus componentes, el uso de curado estándar, pruebas adecuadas por parte de técnicos certificados y el cuidado de los cilindros durante el transporte. Para consideraciones prácticas inmediatas, es necesario probar con precisión las propiedades fundamentales del hormigón en su estado fresco y plástico.
El hormigón se muestrea normalmente mientras se coloca, y los protocolos de prueba exigen que las muestras de prueba se curen en condiciones de laboratorio (curado estándar). Se pueden curar muestras adicionales en el campo (no estándar) con el fin de determinar la resistencia de "desmoldeo" temprano, es decir, retirar el encofrado, evaluar el curado, etc., pero los cilindros curados estándar comprenden los criterios de aceptación. Las pruebas de hormigón pueden medir las propiedades "plásticas" (no hidratadas) del hormigón antes y durante la colocación. Como estas propiedades afectan la resistencia a la compresión endurecida y la durabilidad del hormigón (resistencia al congelamiento y descongelamiento), se controlan las propiedades de trabajabilidad (asentamiento/fluidez), temperatura, densidad y edad para garantizar la producción y colocación de hormigón de "calidad". Según la ubicación del proyecto, las pruebas se realizan según ASTM International , el Comité Europeo de Normalización o la Asociación Canadiense de Normas . Como la medición de la calidad debe representar el potencial del material de hormigón entregado y colocado, es imperativo que los técnicos de hormigón que realizan pruebas de hormigón estén certificados para hacerlo de acuerdo con estas normas. El diseño estructural , el diseño del material de hormigón y las propiedades a menudo se especifican de acuerdo con los códigos de diseño nacionales/regionales, como el American Concrete Institute .
Las pruebas de resistencia a la compresión son realizadas por técnicos certificados utilizando un ariete hidráulico instrumentado que ha sido calibrado anualmente con instrumentos trazables al Laboratorio de Referencia de Cemento y Hormigón (CCRL) del Instituto Nacional de Normas y Tecnología (NIST) en los EE. UU., o equivalentes regionales a nivel internacional. Los factores de forma estandarizados son muestras cilíndricas de 6" por 12" o 4" por 8", y algunos laboratorios optan por utilizar muestras cúbicas. Estas muestras se comprimen hasta la falla. Las pruebas de resistencia a la tracción se realizan mediante flexión de tres puntos de una muestra de viga prismática o mediante compresión a lo largo de los lados de una muestra cilíndrica estándar. Estas pruebas destructivas no deben equipararse con las pruebas no destructivas que utilizan un martillo de rebote o sistemas de sonda que son indicadores portátiles, para la resistencia relativa de los primeros milímetros, de hormigones comparativos en el campo. [10]
Las temperaturas elevadas por encima de 300 °C (572 °F) degradan las propiedades mecánicas del hormigón, incluidas la resistencia a la compresión, la resistencia a la fractura, la resistencia a la tracción y el módulo elástico, con respecto al efecto perjudicial sobre sus cambios estructurales. [11]
Con temperaturas elevadas, el hormigón perderá su producto de hidratación debido a la evaporación del agua. Por lo tanto, su resistencia al flujo de humedad del hormigón disminuye y la cantidad de granos de cemento no hidratados aumenta con la pérdida de agua ligada químicamente, lo que da como resultado una menor resistencia a la compresión. [12] Además, la descomposición del hidróxido de calcio en el hormigón forma cal y agua. Cuando la temperatura disminuye, la cal reacciona con el agua y se expande para provocar una reducción de la resistencia. [13]
A temperaturas elevadas, se forman pequeñas grietas que se propagan dentro del hormigón con el aumento de temperatura, posiblemente causadas por coeficientes térmicos diferenciales de expansión dentro de la matriz de cemento. Asimismo, cuando el agua se evapora del hormigón, la pérdida de agua impide la expansión de la matriz de cemento por contracción. Además, cuando las temperaturas alcanzan los 57,3 °C (135,1 °F), los agregados silíceos se transforman de un sistema cristalino hexagonal de fase α a una estructura bcc de fase β, lo que provoca la expansión del hormigón y disminuye la resistencia del material. [14]
El desconchado a temperaturas elevadas es pronunciado, impulsado por la presión de vapor y las tensiones térmicas. [15] Cuando la superficie del hormigón se somete a una temperatura suficientemente alta, el agua cercana a la superficie comienza a salir del hormigón hacia la atmósfera. Sin embargo, con un gradiente de temperatura alto entre la superficie y el interior, el vapor también puede moverse hacia el interior, donde puede condensarse con temperaturas más bajas. Un interior saturado de agua resiste el mayor movimiento del vapor hacia la masa del hormigón. Si la tasa de condensación del vapor es mucho más rápida que la velocidad de escape del vapor fuera del hormigón debido a una tasa de calentamiento suficientemente alta o una estructura de poros adecuadamente densa, una gran presión de poro puede causar desconchado. Al mismo tiempo, la expansión térmica en la superficie generará una tensión de compresión perpendicular que se opone a la tensión de tracción dentro del hormigón. El desconchado se produce cuando la tensión de compresión supera la tensión de tracción. [16]
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