El hormigón armado , también llamado hormigón armado , es un material compuesto en el que la resistencia a la tracción y la ductilidad relativamente bajas del hormigón se compensan mediante la inclusión de refuerzo que tiene una mayor resistencia a la tracción o ductilidad. El refuerzo suele ser, aunque no necesariamente, barras de acero ( barra de refuerzo ) y suele estar incrustado pasivamente en el hormigón antes de que fragüe. Sin embargo, el postensado también se emplea como técnica para reforzar el hormigón. En términos de volumen utilizado anualmente, es uno de los materiales de ingeniería más comunes. [1] [2] En términos de ingeniería de corrosión , cuando se diseña correctamente, la alcalinidad del hormigón protege la barra de acero de la corrosión . [3]
Los esquemas de refuerzo generalmente están diseñados para resistir tensiones de tracción en regiones particulares del concreto que podrían causar grietas inaceptables y/o fallas estructurales. El hormigón armado moderno puede contener diversos materiales de refuerzo hechos de acero, polímeros o material compuesto alternativo junto con barras de refuerzo o no. El hormigón armado también puede estar sometido a esfuerzos permanentes (hormigón a compresión, armadura a tracción), para mejorar el comportamiento de la estructura final bajo cargas de trabajo. En los Estados Unidos , los métodos más comunes para hacer esto se conocen como pretensado y postensado .
Para una construcción resistente, dúctil y duradera , el refuerzo debe tener al menos las siguientes propiedades:
François Coignet utilizó el hormigón armado como técnica para construir estructuras de edificios. [4] En 1853, Coignet construyó la primera estructura de hormigón armado con hierro, una casa de cuatro pisos en el 72 de la rue Charles Michels, en las afueras de París. [4] Las descripciones de Coignet sobre el hormigón de refuerzo sugieren que no lo hizo para añadir resistencia al hormigón, sino para evitar que los muros en construcciones monolíticas se vuelquen. [5] El edificio Pippen en Brooklyn es un testimonio de su técnica. En 1854, el constructor inglés William B. Wilkinson reforzó el techo y los pisos de concreto de la casa de dos pisos que estaba construyendo. Su posicionamiento del refuerzo demostró que, a diferencia de sus predecesores, conocía las tensiones de tracción. [6] [7] [8]
Joseph Monier , jardinero francés del siglo XIX, fue pionero en el desarrollo del hormigón estructural, prefabricado y armado, al no estar satisfecho con los materiales existentes disponibles para fabricar maceteros duraderos. [9] Se le concedió una patente para reforzar maceteros de hormigón mezclando una malla de alambre y una capa de mortero. En 1877, Monier recibió otra patente para una técnica más avanzada de refuerzo de columnas y vigas de hormigón, utilizando varillas de hierro colocadas en forma de rejilla. Aunque Monier indudablemente sabía que reforzar el hormigón mejoraría su cohesión interna, no está claro si sabía siquiera en qué medida el refuerzo mejoraba la resistencia a la tracción del hormigón. [10]
Antes de la década de 1870, el uso de la construcción con hormigón, aunque se remontaba al Imperio Romano y había sido reintroducido a principios del siglo XIX, aún no era una tecnología científica probada. Thaddeus Hyatt , publicó un informe titulado Un relato de algunos experimentos con cemento Portland y hormigón combinado con hierro como material de construcción, con referencia a la economía del metal en la construcción y a la seguridad contra incendios en la fabricación de techos, pisos y superficies para caminar. , en el que informó sobre sus experimentos sobre el comportamiento del hormigón armado. Su trabajo jugó un papel importante en la evolución de la construcción con hormigón como una ciencia probada y estudiada. Sin el trabajo de Hyatt, se podría haber dependido de métodos de prueba y error más peligrosos para el avance de la tecnología. [5] [11]
Ernest L. Ransome , ingeniero de origen inglés, fue uno de los primeros innovadores de las técnicas del hormigón armado a finales del siglo XIX. Utilizando el conocimiento del hormigón armado desarrollado durante los 50 años anteriores, Ransome mejoró casi todos los estilos y técnicas de los anteriores inventores del hormigón armado. La principal innovación de Ransome fue torcer la barra de acero de refuerzo, mejorando así su unión con el hormigón. [12] Ganando cada vez más fama por sus edificios construidos con hormigón, Ransome pudo construir dos de los primeros puentes de hormigón armado en América del Norte. [13] Uno de sus puentes todavía se encuentra en Shelter Island en el East End de Nueva York. Uno de los primeros edificios de hormigón construidos en los Estados Unidos fue una casa privada diseñada por William Ward , terminada en 1876. La casa fue diseñada especialmente para ser a prueba de fuego. .
GA Wayss fue un ingeniero civil alemán y pionero de la construcción de hormigón armado y acero. En 1879, Wayss compró los derechos alemanes de las patentes de Monier y, en 1884, su empresa, Wayss & Freytag, hizo el primer uso comercial del hormigón armado. Hasta la década de 1890, Wayss y su empresa contribuyeron en gran medida al avance del sistema de refuerzo de Monier y lo establecieron como una tecnología científica bien desarrollada. [10]
Uno de los primeros rascacielos construidos con hormigón armado fue el edificio Ingalls de 16 pisos en Cincinnati, construido en 1904. [8]
El primer edificio de hormigón armado en el sur de California fue el Anexo Laughlin en el centro de Los Ángeles , construido en 1905. [14] [15] En 1906, se informó que se emitieron 16 permisos de construcción para edificios de hormigón armado en la ciudad de Los Ángeles, incluido el Templo. Auditorio y Hotel Hayward de 8 pisos. [16] [17]
En 1906, un colapso parcial del Hotel Bixby en Long Beach mató a 10 trabajadores durante la construcción cuando se retiró prematuramente el apuntalamiento. Ese evento impulsó un escrutinio de las prácticas de construcción de concreto y las inspecciones de edificios. La estructura se construyó con pórticos de hormigón armado con piso nervado de tejas huecas de barro y paredes de relleno de tejas huecas de barro. Esa práctica fue fuertemente cuestionada por los expertos y se hicieron recomendaciones para la construcción con hormigón “puro”, utilizando hormigón armado para los pisos y paredes, así como los marcos. [18]
En abril de 1904, Julia Morgan , arquitecta e ingeniera estadounidense, pionera en el uso estético del hormigón armado, completó su primera estructura de hormigón armado, El Campanil, un campanario de 22 m (72 pies) en Mills College , [19] que Está ubicado frente a la bahía de San Francisco . Dos años más tarde, El Campanil sobrevivió al terremoto de San Francisco de 1906 sin ningún daño, [20] lo que ayudó a construir su reputación y lanzar su prolífica carrera. [21] El terremoto de 1906 también cambió la resistencia inicial del público al hormigón armado como material de construcción, que había sido criticado por su percepción de falta de brillo. En 1908, la Junta de Supervisores de San Francisco cambió los códigos de construcción de la ciudad para permitir un uso más amplio del hormigón armado. [22]
En 1906, la Asociación Nacional de Usuarios de Cemento (NACU) publicó la Norma N° 1 [23] y, en 1910, el Reglamento Estándar de Construcción para el Uso de Hormigón Armado . [24]
Se pueden construir muchos tipos diferentes de estructuras y componentes de estructuras utilizando elementos de hormigón armado, incluidas losas , muros , vigas , columnas , cimientos , marcos y más.
El hormigón armado se puede clasificar en hormigón prefabricado o colado in situ .
Diseñar e implementar el sistema de piso más eficiente es clave para crear estructuras de construcción óptimas. Pequeños cambios en el diseño de un sistema de piso pueden tener un impacto significativo en los costos de materiales, el cronograma de construcción, la resistencia máxima, los costos operativos, los niveles de ocupación y el uso final de un edificio.
Sin refuerzo, no sería posible construir estructuras modernas con material de hormigón.
Cuando se utilizan elementos de hormigón armado en la construcción, estos elementos de hormigón armado exhiben un comportamiento básico cuando se someten a cargas externas . Los elementos de hormigón armado pueden estar sujetos a tensión , compresión , flexión , corte y/o torsión . [26]
El hormigón es una mezcla de áridos gruesos (astillas de piedra o ladrillo) y finos (generalmente arena y/o piedra triturada) con una pasta de material aglutinante (normalmente cemento Portland ) y agua. Cuando el cemento se mezcla con una pequeña cantidad de agua, se hidrata para formar redes cristalinas microscópicas opacas que encapsulan y bloquean el agregado en una forma rígida. [27] [28] Los agregados utilizados para fabricar concreto deben estar libres de sustancias nocivas como impurezas orgánicas, limo, arcilla, lignito, etc. Las mezclas de concreto típicas tienen una alta resistencia a las tensiones de compresión (aproximadamente 4000 psi (28 MPa)); sin embargo, cualquier tensión apreciable ( por ejemplo, debido a la flexión ) romperá la red microscópica rígida, lo que provocará agrietamiento y separación del hormigón. Por esta razón, el hormigón típico no reforzado debe estar bien soportado para evitar el desarrollo de tensiones.
Si se coloca en hormigón un material con alta resistencia a la tracción, como el acero , entonces el material compuesto, el hormigón armado, resiste no sólo la compresión sino también la flexión y otras acciones de tracción directa. Una sección compuesta donde el hormigón resiste la compresión y las " barras de refuerzo " de refuerzo resisten la tensión se puede fabricar en casi cualquier forma y tamaño para la industria de la construcción.
Tres características físicas confieren al hormigón armado sus propiedades especiales:
Como regla general, sólo para dar una idea de los órdenes de magnitud, el acero está protegido a un pH superior a ~11 pero comienza a corroerse por debajo de ~10 dependiendo de las características del acero y las condiciones fisicoquímicas locales cuando el hormigón se carbonata. La carbonatación del hormigón junto con la entrada de cloruros se encuentran entre las principales razones del fallo de las barras de refuerzo del hormigón.
El área de la sección transversal relativa del acero requerida para el hormigón armado típico suele ser bastante pequeña y varía del 1% para la mayoría de las vigas y losas al 6% para algunas columnas. Las barras de refuerzo normalmente tienen una sección transversal redonda y varían en diámetro. Las estructuras de hormigón armado a veces tienen disposiciones como núcleos huecos ventilados para controlar la humedad.
La distribución de las características de resistencia del hormigón (a pesar del refuerzo) a lo largo de la sección transversal de elementos verticales de hormigón armado no es homogénea. [29]
El refuerzo en una estructura RC, como una barra de acero, debe sufrir la misma tensión o deformación que el hormigón circundante para evitar la discontinuidad, el deslizamiento o la separación de los dos materiales bajo carga. Mantener la acción compuesta requiere la transferencia de carga entre el hormigón y el acero. La tensión directa se transfiere desde el hormigón a la interfaz de la barra para cambiar la tensión de tracción en la barra de refuerzo a lo largo de su longitud. Esta transferencia de carga se logra mediante unión (anclaje) y se idealiza como un campo de tensiones continuo que se desarrolla en las proximidades de la interfaz acero-hormigón. Las razones por las que los dos componentes materiales diferentes, hormigón y acero, pueden trabajar juntos son las siguientes: (1) El refuerzo puede estar bien adherido al hormigón, por lo que pueden resistir conjuntamente cargas externas y deformarse. (2) Los coeficientes de expansión térmica del hormigón y el acero son tan cercanos (1,0 × 10 −5 a1,5 × 10 −5 para hormigón y1,2 × 10 −5 para acero) que se puede evitar el daño inducido por la tensión térmica a la unión entre los dos componentes. (3) El hormigón puede proteger el acero incrustado de la corrosión y del ablandamiento inducido por las altas temperaturas.
Debido a que la tensión de unión real varía a lo largo de una barra anclada en una zona de tensión, los códigos de especificaciones internacionales actuales utilizan el concepto de longitud de desarrollo en lugar de tensión de unión. El principal requisito para la seguridad contra la falla de la adherencia es proporcionar una extensión suficiente de la longitud de la barra más allá del punto donde se requiere que el acero desarrolle su límite elástico y esta longitud debe ser al menos igual a su longitud de desarrollo. Sin embargo, si la longitud real disponible es inadecuada para un desarrollo completo, se deben proporcionar anclajes especiales, como dientes o ganchos o placas finales mecánicas. El mismo concepto se aplica a la longitud del empalme por traslapo mencionado en los códigos donde los empalmes (traslapados) se realizan entre dos barras adyacentes para mantener la continuidad requerida de tensión en la zona de empalme.
En climas húmedos y fríos, el hormigón armado para carreteras, puentes, estructuras de estacionamiento y otras estructuras que puedan estar expuestas a la sal deshielo puede beneficiarse del uso de refuerzos resistentes a la corrosión, como los sin recubrimiento, con bajo contenido de carbono/cromo (microcompuesto), con recubrimiento de epoxi. , varillas de refuerzo galvanizadas en caliente o de acero inoxidable . Un buen diseño y una mezcla de concreto bien elegida brindarán protección adicional para muchas aplicaciones. Las barras de refuerzo sin recubrimiento con bajo contenido de carbono/cromo se parecen a las barras de refuerzo de acero al carbono estándar debido a su falta de recubrimiento; sus características altamente resistentes a la corrosión son inherentes a la microestructura del acero. Puede identificarse por la marca única especificada por ASTM en su acabado liso y oscuro de carbón. Las barras de refuerzo recubiertas de epoxi se pueden identificar fácilmente por el color verde claro de su revestimiento de epoxi. Las barras de refuerzo galvanizadas en caliente pueden ser de color gris brillante o opaco dependiendo de la duración de la exposición, y las barras de refuerzo de acero inoxidable exhiben un brillo metálico blanco típico que se distingue fácilmente de las barras de refuerzo de acero al carbono. Consulte las especificaciones estándar ASTM A1035/A1035M Especificación estándar para barras de acero de cromo, bajas en carbono, deformadas y lisas para refuerzo de concreto, Especificación estándar A767 para barras de refuerzo galvanizadas por inmersión en caliente, Especificación estándar A775 para barras de refuerzo de acero recubiertas de epoxi y Especificación estándar A955 para barras deformadas y barras lisas de acero inoxidable para refuerzo de hormigón.
Otra forma más económica de proteger las barras de refuerzo es recubrirlas con fosfato de zinc . [30] El fosfato de zinc reacciona lentamente con los cationes de calcio y los aniones hidroxilo presentes en el agua de los poros del cemento y forma una capa estable de hidroxiapatita .
Los selladores penetrantes generalmente deben aplicarse algún tiempo después del curado. Los selladores incluyen pintura, espumas plásticas, películas y papel de aluminio , fieltros o esteras de tela selladas con alquitrán y capas de arcilla bentonita , que a veces se utilizan para sellar firmes de carreteras.
También se pueden agregar inhibidores de corrosión , como nitrito de calcio [Ca(NO 2 ) 2 ], a la mezcla de agua antes de verter el concreto. Generalmente, 1-2 peso. Se necesita un % de [Ca(NO 2 ) 2 ] con respecto al peso del cemento para evitar la corrosión de las barras de refuerzo. El anión nitrito es un oxidante suave que oxida los iones ferrosos móviles y solubles (Fe 2+ ) presentes en la superficie del acero corroído y hace que precipiten como un hidróxido férrico insoluble (Fe (OH) 3 ). Esto provoca la pasivación del acero en los sitios de oxidación anódica . El nitrito es un inhibidor de la corrosión mucho más activo que el nitrato , que es un oxidante menos potente del hierro divalente.
Una viga se dobla bajo un momento flector , lo que produce una pequeña curvatura. En la cara exterior (cara de tracción) de la curvatura el hormigón experimenta tensión de tracción, mientras que en la cara interior (cara de compresión) experimenta tensión de compresión.
Una viga simplemente reforzada es aquella en la que el elemento de hormigón sólo está reforzado cerca de la cara de tracción y el refuerzo, llamado acero de tracción, está diseñado para resistir la tensión.
Una viga doblemente reforzada es la sección en la que, además del refuerzo de tracción, el elemento de hormigón también se refuerza cerca de la cara de compresión para ayudar al hormigón a resistir la compresión y soportar tensiones. Este último refuerzo se llama acero de compresión. Cuando la zona de compresión de un hormigón es inadecuada para resistir el momento de compresión (momento positivo), se debe proporcionar refuerzo adicional si el arquitecto limita las dimensiones de la sección.
Una viga poco reforzada es aquella en la que la capacidad de tracción del refuerzo de tracción es menor que la capacidad de compresión combinada del hormigón y el acero de compresión (poco reforzada en la cara de tracción). Cuando el elemento de hormigón armado está sujeto a un momento flector creciente, el acero en tensión cede mientras el hormigón no alcanza su condición última de falla. A medida que el acero en tensión cede y se estira, un hormigón "pobre armado" también cede de manera dúctil, exhibiendo una gran deformación y advertencia antes de su falla final. En este caso, el límite elástico del acero gobierna el diseño.
Una viga sobrerreforzada es aquella en la que la capacidad de tracción del acero en tensión es mayor que la capacidad de compresión combinada del hormigón y el acero a compresión (sobrerreforzada en la cara de tracción). Así, la viga de "hormigón sobre-armado" falla por aplastamiento del hormigón de la zona de compresión y antes de que el acero de la zona de tensión ceda, lo que no proporciona ninguna advertencia antes de la falla ya que la falla es instantánea.
Una viga reforzada equilibrada es aquella en la que tanto la zona de compresión como la de tracción alcanzan la fluencia con la misma carga impuesta sobre la viga, y el hormigón se aplastará y el acero de tracción cederá al mismo tiempo. Sin embargo, este criterio de diseño es tan riesgoso como el hormigón sobre-armado, porque la falla es repentina ya que el concreto se aplasta al mismo tiempo que el acero de tracción cede, lo que da muy poca advertencia de deterioro en caso de falla por tensión. [31]
Los elementos portadores de momento de hormigón armado con acero normalmente deben diseñarse para que no estén suficientemente reforzados, de modo que los usuarios de la estructura reciban advertencias sobre un colapso inminente.
La resistencia característica es la resistencia de un material donde menos del 5% de la muestra muestra una resistencia menor.
La resistencia de diseño o resistencia nominal es la resistencia de un material, incluido un factor de seguridad del material. El valor del factor de seguridad generalmente oscila entre 0,75 y 0,85 en el diseño de esfuerzos permisibles .
El estado límite último es el punto de falla teórico con una cierta probabilidad. Se indica en cargas mayoradas y resistencias mayoradas.
Las estructuras de hormigón armado normalmente se diseñan de acuerdo con normas y reglamentos o recomendaciones de un código como ACI-318, CEB, Eurocódigo 2 o similares. Los métodos WSD, USD o LRFD se utilizan en el diseño de miembros estructurales RC. El análisis y diseño de miembros RC se puede llevar a cabo utilizando enfoques lineales o no lineales. Al aplicar factores de seguridad, los códigos de construcción normalmente proponen enfoques lineales, pero en algunos casos enfoques no lineales. Para ver los ejemplos de simulación y cálculo numérico no lineal visite las referencias: [32] [33]
El hormigón pretensado es una técnica que aumenta considerablemente la resistencia portante de las vigas de hormigón. El acero de refuerzo en la parte inferior de la viga, que estará sujeto a fuerzas de tracción cuando esté en servicio, se pone en tensión antes de verter el hormigón a su alrededor. Una vez que el hormigón se ha endurecido, se libera la tensión sobre el acero de refuerzo, lo que genera una fuerza de compresión incorporada sobre el hormigón. Cuando se aplican cargas, el acero de refuerzo asume más tensión y la fuerza de compresión en el hormigón se reduce, pero no se convierte en una fuerza de tracción. Dado que el hormigón siempre está bajo compresión, está menos expuesto a agrietarse y fallar. [34]
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El hormigón armado puede fallar debido a una resistencia inadecuada, provocando fallos mecánicos o debido a una reducción de su durabilidad. La corrosión y los ciclos de congelación/descongelación pueden dañar el hormigón armado mal diseñado o construido. Cuando las barras de refuerzo se corroen, los productos de oxidación ( óxido ) se expanden y tienden a descascararse, agrietando el concreto y despegando las barras de refuerzo del concreto. A continuación se analizan los mecanismos típicos que conducen a problemas de durabilidad.
Es casi imposible prevenir el agrietamiento de la sección de concreto; sin embargo, el tamaño y la ubicación de las grietas pueden limitarse y controlarse mediante el refuerzo adecuado, juntas de control, metodología de curado y diseño de la mezcla de concreto. El agrietamiento puede permitir que la humedad penetre y corroa el refuerzo. Esta es una falla de servicio en el diseño de estados límite . El agrietamiento normalmente es el resultado de una cantidad inadecuada de barras de refuerzo o de barras espaciadas a una distancia demasiado grande. El hormigón se agrieta ya sea bajo carga excesiva o debido a efectos internos, como la contracción térmica temprana, mientras cura.
La falla final que conduce al colapso puede ser causada por aplastamiento del concreto, que ocurre cuando las tensiones de compresión exceden su resistencia, por fluencia o falla de la barra de refuerzo cuando las tensiones de flexión o corte exceden la resistencia del refuerzo, o por falla de la unión entre el concreto y el barra de refuerzo. [35]
La carbonatación, o neutralización, es una reacción química entre el dióxido de carbono del aire y el hidróxido de calcio y el silicato de calcio hidratado del hormigón.
Cuando se diseña una estructura de hormigón, es habitual especificar el recubrimiento de hormigón de la barra de refuerzo (la profundidad de la barra de refuerzo dentro del objeto). El recubrimiento mínimo de hormigón normalmente está regulado por códigos de diseño o construcción . Si el refuerzo está demasiado cerca de la superficie, puede ocurrir una falla temprana debido a la corrosión. La profundidad del recubrimiento de hormigón se puede medir con un medidor de recubrimiento . Sin embargo, el hormigón carbonatado incurre en un problema de durabilidad sólo cuando también hay suficiente humedad y oxígeno para causar corrosión electropotencial del acero de refuerzo.
Un método para probar la carbonatación de una estructura es perforar un agujero nuevo en la superficie y luego tratar la superficie cortada con una solución indicadora de fenolftaleína . Esta solución se vuelve rosada cuando entra en contacto con el hormigón alcalino, lo que permite ver la profundidad de la carbonatación. Usar un agujero existente no es suficiente porque la superficie expuesta ya estará carbonatada.
Los cloruros pueden promover la corrosión de las barras de refuerzo incrustadas si están presentes en una concentración suficientemente alta. Los aniones cloruro inducen tanto corrosión localizada ( corrosión por picaduras ) como corrosión generalizada de los refuerzos de acero. Por esta razón, para mezclar el hormigón sólo se debe utilizar agua dulce o agua potable y asegurarse de que los áridos gruesos y finos no contengan cloruros, en lugar de aditivos que puedan contener cloruros.
Alguna vez fue común usar cloruro de calcio como aditivo para promover un rápido fraguado del concreto. También se creía erróneamente que evitaría la congelación. Sin embargo, esta práctica cayó en desgracia una vez que se conocieron los efectos nocivos de los cloruros. Debe evitarse siempre que sea posible.
El uso de sales descongelantes en las carreteras, utilizadas para reducir el punto de congelación del agua, es probablemente una de las principales causas de fallas prematuras de tableros de puentes, carreteras y estacionamientos de concreto reforzado o pretensado. El uso de barras de refuerzo recubiertas de epoxi y la aplicación de protección catódica han mitigado este problema hasta cierto punto. También se sabe que las barras de refuerzo de FRP (polímero reforzado con fibra) son menos susceptibles a los cloruros. Las mezclas de concreto diseñadas adecuadamente a las que se les ha permitido curar adecuadamente son efectivamente impermeables a los efectos de los descongelantes.
Otra fuente importante de iones cloruro es el agua de mar . El agua de mar contiene en peso aproximadamente un 3,5% de sales. Estas sales incluyen cloruro de sodio , sulfato de magnesio , sulfato de calcio y bicarbonatos . En el agua estas sales se disocian en iones libres (Na + , Mg 2+ , Cl − , SO2-4
, HCO−
3) y migran con el agua a los capilares del hormigón. Los iones cloruro, que constituyen aproximadamente el 50% de estos iones, son particularmente agresivos como causantes de corrosión de las barras de refuerzo de acero al carbono.
En las décadas de 1960 y 1970 también era relativamente común que la magnesita , un mineral de carbonato rico en cloruro , se utilizara como material para cubrir pisos. Esto se hizo principalmente como capa niveladora y atenuante del sonido. Sin embargo, ahora se sabe que cuando estos materiales entran en contacto con la humedad producen una solución débil de ácido clorhídrico debido a la presencia de cloruros en la magnesita. Durante un período de tiempo (normalmente décadas), la solución provoca la corrosión de las barras de refuerzo incrustadas . Esto se encontró con mayor frecuencia en áreas húmedas o expuestas repetidamente a la humedad.
Se trata de una reacción de sílice amorfa ( calcedonia , pedernal , piedra caliza silícea ) a veces presente en los agregados con los iones hidroxilo (OH − ) de la solución de los poros del cemento. La sílice pobremente cristalizada (SiO 2 ) se disuelve y disocia a un pH alto (12,5 - 13,5) en agua alcalina. El ácido silícico disociado soluble reacciona en el agua intersticial con el hidróxido de calcio ( portlandita ) presente en la pasta de cemento para formar un hidrato de silicato de calcio expansivo (CSH). La reacción álcali-sílice (ASR) provoca una hinchazón localizada responsable de la tensión de tracción y el agrietamiento . Las condiciones requeridas para la reacción de sílice alcalina son tres: (1) agregado que contiene un constituyente reactivo alcalino (sílice amorfa), (2) disponibilidad suficiente de iones hidroxilo (OH − ) y (3) humedad suficiente, por encima del 75 % de humedad relativa. (RH) dentro del concreto. [36] [37] Este fenómeno a veces se denomina popularmente " cáncer concreto ". Esta reacción ocurre independientemente de la presencia de barras de refuerzo; Las estructuras masivas de hormigón, como las presas, pueden verse afectadas.
Resistente a ácidos débiles y especialmente a sulfatos, este cemento cura rápidamente y tiene una durabilidad y resistencia muy altas. Se utilizó frecuentemente después de la Segunda Guerra Mundial para fabricar objetos prefabricados de hormigón. Sin embargo, puede perder fuerza con el calor o el tiempo (conversión), especialmente si no se cura adecuadamente. Tras el derrumbe de tres tejados hechos de vigas de hormigón pretensado utilizando cemento con alto contenido de alúmina, este cemento fue prohibido en el Reino Unido en 1976. Investigaciones posteriores sobre el asunto demostraron que las vigas estaban fabricadas incorrectamente, pero la prohibición se mantuvo. [38]
Los sulfatos (SO 4 ) en el suelo o en el agua subterránea, en concentración suficiente, pueden reaccionar con el cemento Portland en el concreto causando la formación de productos expansivos, por ejemplo, etringita o taumasita , que pueden conducir a una falla temprana de la estructura. El ataque más típico de este tipo se produce en losas de hormigón y muros de cimentación en grados donde el ión sulfato, mediante humectación y secado alternos, puede aumentar su concentración. A medida que aumenta la concentración, puede comenzar el ataque al cemento Portland. Para estructuras enterradas como tuberías, este tipo de ataque es mucho más raro, especialmente en el este de Estados Unidos. La concentración de iones sulfato aumenta mucho más lentamente en la masa del suelo y depende especialmente de la cantidad inicial de sulfatos en el suelo nativo. Durante la fase de diseño de cualquier proyecto que involucre concreto en contacto con el suelo nativo, se debe realizar un análisis químico de las perforaciones del suelo para verificar la presencia de sulfatos. Si las concentraciones resultan agresivas, se pueden aplicar varias capas protectoras. Además, en los EE. UU. se puede utilizar cemento Portland ASTM C150 tipo 5 en la mezcla. Este tipo de cemento está diseñado para ser particularmente resistente al ataque de sulfatos.
En la construcción con placas de acero, los largueros unen placas de acero paralelas. Los conjuntos de placas se fabrican fuera del sitio y se sueldan entre sí para formar paredes de acero conectadas por largueros. Las paredes se convierten en la forma en la que se vierte el hormigón. La construcción con placas de acero acelera la construcción de hormigón armado al eliminar los tediosos pasos manuales en el sitio de atar barras de refuerzo y construir encofrados. El método da como resultado una resistencia excelente porque el acero está en el exterior, donde las fuerzas de tracción suelen ser mayores.
El refuerzo de fibra se utiliza principalmente en hormigón proyectado , pero también se puede utilizar en hormigón normal. El hormigón normal reforzado con fibra se utiliza principalmente para suelos y pavimentos, pero también se puede considerar para una amplia gama de piezas de construcción (vigas, pilares, cimientos, etc.), ya sea solo o con varillas atadas a mano.
El hormigón reforzado con fibras (que suelen ser fibras de acero, vidrio , plástico ) o fibra de polímero de celulosa es menos costoso que las barras de refuerzo atadas a mano. [ cita necesaria ] La forma, dimensión y longitud de la fibra son importantes. Una fibra fina y corta, por ejemplo fibra de vidrio corta en forma de pelo, sólo es eficaz durante las primeras horas después de verter el hormigón (su función es reducir el agrietamiento mientras el hormigón se endurece), pero no aumentará la resistencia a la tracción del hormigón. . Una fibra de tamaño normal para hormigón proyectado europeo (1 mm de diámetro, 45 mm de longitud, acero o plástico) aumentará la resistencia a la tracción del hormigón. El refuerzo de fibra se utiliza con mayor frecuencia para complementar o reemplazar parcialmente las barras de refuerzo primarias y, en algunos casos, puede diseñarse para reemplazarlas por completo. [39]
El acero es la fibra más fuerte comúnmente disponible [ cita necesaria ] y viene en diferentes longitudes (30 a 80 mm en Europa) y formas (ganchos finales). Las fibras de acero sólo se pueden utilizar en superficies que puedan tolerar o evitar la corrosión y las manchas de óxido. En algunos casos, una superficie de fibra de acero se recubre con otros materiales.
La fibra de vidrio es económica y resistente a la corrosión, pero no tan dúctil como el acero. Recientemente, la fibra hilada de basalto , disponible desde hace mucho tiempo en Europa del Este , ahora está disponible en Estados Unidos y Europa Occidental. La fibra de basalto es más resistente y menos costosa que el vidrio, pero históricamente no ha resistido lo suficientemente bien el ambiente alcalino del cemento Portland como para usarse como refuerzo directo. Los nuevos materiales utilizan aglutinantes plásticos para aislar la fibra de basalto del cemento.
Las fibras premium son fibras plásticas reforzadas con grafito , que son casi tan fuertes como el acero, más livianas y resistentes a la corrosión. [ cita necesaria ] Algunos experimentos han tenido resultados iniciales prometedores con nanotubos de carbono , pero el material todavía es demasiado caro para cualquier construcción. [ cita necesaria ]
Existe una considerable superposición entre los temas del refuerzo no metálico y el refuerzo de fibras del hormigón. La introducción del refuerzo del hormigón sin acero es relativamente reciente; toma dos formas principales: varillas de refuerzo no metálicas y fibras no metálicas (generalmente también no metálicas) incorporadas a la matriz de cemento. Por ejemplo, existe un interés creciente en el hormigón reforzado con fibra de vidrio (GFRC) y en diversas aplicaciones de fibras poliméricas incorporadas al hormigón. Aunque actualmente no hay muchos indicios de que dichos materiales reemplacen a las barras de refuerzo metálicas, algunos de ellos tienen importantes ventajas en aplicaciones específicas, y también hay nuevas aplicaciones en las que las barras de refuerzo metálicas simplemente no son una opción. Sin embargo, el diseño y la aplicación de refuerzos que no son de acero está plagado de desafíos. Por un lado, el hormigón es un ambiente altamente alcalino, en el que muchos materiales, incluida la mayoría de los tipos de vidrio, tienen una vida útil deficiente . Además, el comportamiento de tales materiales de refuerzo difiere del comportamiento de los metales, por ejemplo en términos de resistencia al corte, fluencia y elasticidad. [40] [41]
El plástico/polímero reforzado con fibra (FRP) y el plástico reforzado con vidrio (GRP) consisten en fibras de polímero , vidrio, carbono, aramida u otros polímeros o fibras de alta resistencia colocadas en una matriz de resina para formar una varilla de refuerzo o rejilla. o fibra. Estas barras de refuerzo se instalan de forma muy similar a las barras de acero. El coste es mayor pero, adecuadamente aplicadas, las estructuras tienen ventajas, en particular una reducción espectacular de los problemas relacionados con la corrosión , ya sea por la alcalinidad intrínseca del hormigón o por fluidos corrosivos externos que podrían penetrar el hormigón. Estas estructuras pueden ser significativamente más ligeras y normalmente tienen una vida útil más larga . El costo de estos materiales ha disminuido drásticamente desde su adopción generalizada en la industria aeroespacial y el ejército.
En particular, las varillas de FRP son útiles para estructuras donde la presencia de acero no sería aceptable. Por ejemplo, las máquinas de resonancia magnética tienen imanes enormes y, por lo tanto, requieren edificios no magnéticos . Una vez más, las cabinas de peaje que leen etiquetas de radio necesitan hormigón armado que sea transparente a las ondas de radio . Además, cuando la vida útil de diseño de la estructura de concreto es más importante que sus costos iniciales, el refuerzo sin acero a menudo tiene sus ventajas cuando la corrosión del acero de refuerzo es una causa importante de falla. En tales situaciones, el refuerzo resistente a la corrosión puede prolongar sustancialmente la vida útil de una estructura, por ejemplo en la zona intermareal . Las varillas de FRP también pueden ser útiles en situaciones en las que es probable que la estructura de concreto se vea comprometida en el futuro, por ejemplo, los bordes de los balcones cuando se reemplazan las balaustradas y los pisos de baños en construcciones de varios pisos donde la vida útil de la estructura del piso. Es probable que sea muchas veces mayor que la vida útil de la membrana impermeabilizante para construcción.
El refuerzo de plástico suele ser más fuerte , o al menos tiene una mejor relación resistencia-peso que los aceros de refuerzo. Además, debido a que resiste la corrosión, no necesita una cubierta protectora de hormigón tan gruesa como el refuerzo de acero (normalmente de 30 a 50 mm o más). Por lo tanto, las estructuras reforzadas con FRP pueden ser más ligeras y durar más. En consecuencia, para algunas aplicaciones, el coste de toda la vida será competitivo en precio con el del hormigón armado con acero.
Las propiedades materiales de las barras de FRP o GRP difieren notablemente del acero, por lo que existen diferencias en las consideraciones de diseño. Las barras de FRP o GRP tienen una resistencia a la tracción relativamente mayor pero una menor rigidez, por lo que es probable que las deflexiones sean mayores que las de las unidades equivalentes reforzadas con acero. Las estructuras con refuerzo interno de FRP suelen tener una deformabilidad elástica comparable a la deformabilidad plástica (ductilidad) de las estructuras reforzadas con acero. En cualquier caso, es más probable que la falla ocurra por compresión del concreto que por ruptura del refuerzo. La deflexión es siempre una consideración importante en el diseño del hormigón armado. Los límites de deflexión se establecen para garantizar que el ancho de las grietas en el hormigón armado con acero se controle para evitar que el agua, el aire u otras sustancias agresivas lleguen al acero y provoquen corrosión. Para el hormigón armado con FRP, la estética y posiblemente la estanqueidad serán los criterios limitantes para el control del ancho de las fisuras. Las varillas de FRP también tienen resistencias a la compresión relativamente menores que las barras de refuerzo de acero y, en consecuencia, requieren diferentes enfoques de diseño para columnas de hormigón armado .
Una desventaja del uso de refuerzo de FRP es su limitada resistencia al fuego. Cuando se considera la seguridad contra incendios, las estructuras que emplean FRP deben mantener su resistencia y el anclaje de las fuerzas a las temperaturas esperables en caso de incendio. Para fines de ignifugación , es necesario un espesor adecuado de cubierta de hormigón de cemento o revestimiento protector. Se ha demostrado que la adición de 1 kg/m 3 de fibras de polipropileno al hormigón reduce el desconchado durante un incendio simulado. [42] (Se cree que la mejora se debe a la formación de vías a partir de la mayor parte del hormigón, lo que permite que la presión del vapor se disipe. [42] )
Otro problema es la eficacia del refuerzo de corte. Los estribos de varillas de refuerzo de FRP formados por flexión antes del endurecimiento generalmente funcionan relativamente mal en comparación con los estribos de acero o con estructuras con fibras rectas. Cuando se deforma, la zona entre las regiones recta y curva está sujeta a fuertes tensiones de flexión, corte y longitudinales. Se necesitan técnicas de diseño especiales para abordar estos problemas.
Existe un interés creciente en aplicar refuerzo externo a estructuras existentes utilizando materiales avanzados como barras de refuerzo compuestas (fibra de vidrio, basalto, carbono), que pueden impartir una resistencia excepcional. A nivel mundial, existen varias marcas de barras de refuerzo compuestas reconocidas por diferentes países, como Aslan, DACOT, V-rod y ComBar. El número de proyectos que utilizan barras de refuerzo compuestas aumenta día a día en todo el mundo, en países que van desde EE. UU., Rusia y Corea del Sur hasta Alemania.
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