El hormigón tiene una resistencia a la compresión relativamente alta (resistencia a romperse cuando se aprieta), pero una resistencia a la tracción significativamente menor (resistencia a romperse cuando se separa). La resistencia a la compresión generalmente se controla con la proporción de agua y cemento al formar el concreto, y la resistencia a la tracción se aumenta mediante aditivos, generalmente acero, para crear concreto reforzado. En otras palabras, podemos decir que el hormigón se compone de arena (que es un agregado fino), lastre (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 debido a tensiones de tracción , incluso cuando se carga en compresión. La implicación práctica de esto es que los elementos de hormigón sujetos a tensiones de tracción deben reforzarse con materiales resistentes a la tracción (a menudo acero). La elasticidad del hormigón es relativamente constante a niveles de tensión bajos, 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, se contrae. Todas las estructuras de hormigón se agrietarán hasta cierto punto debido a la contracción y la tensión. El hormigón sometido a fuerzas de larga duración es propenso a deslizarse . La densidad del hormigón varía, pero ronda los 2.400 kilogramos por metro cúbico (150 lb/pie cúbico). [1]
El hormigón armado es la forma más común de hormigón. El refuerzo suele ser varillas de acero (mallas, espirales, barras y otras formas). Se encuentran disponibles fibras estructurales de diversos materiales. El hormigón también se puede pretensar (reduciendo la tensión de tracción ) utilizando cables de acero internos (tendones), lo que permite vigas o losas con una luz más larga de lo que es práctico solo con hormigón armado. 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 las resistencias relativas del hormigón en el campo. [ cita necesaria ]
La resistencia última del hormigón está influenciada por la relación agua-cemento (w/cm) , los componentes del diseño y los métodos de mezclado, colocación y curado empleados. En igualdad de condiciones, el hormigón con una relación agua-cemento (cemento) más baja produce un hormigón más resistente que el que tiene una relación más alta. [2] La cantidad total de materiales cementantes ( cemento Pórtland , cemento de escoria , puzolanas ) puede afectar la resistencia, la demanda de agua, la contracción, la resistencia a la abrasión y la densidad. Todo el 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 desde su estado plástico, hidratándose, hasta convertirse en 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 climas cálidos o en un día ventoso.
En mezclas de hormigón de muy alta resistencia (más de 70 MPa), la resistencia al aplastamiento del agregado puede ser un factor limitante de la resistencia última a la compresión. En hormigones magros (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, con pisos y pavimentos 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.
Wired.com informó el 13 de abril de 2007 que un equipo de la Universidad de Teherán , compitiendo 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 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 a 140 MPa o 15 000 a 20 000 psi). El hormigón en polvo reactivo, también conocido como hormigón de ultra alto rendimiento, puede ser incluso más resistente, con resistencias de hasta 800 MPa (116 000 PSI). [4] Estos se obtienen eliminando por completo los agregados grandes, controlando cuidadosamente el tamaño de los agregados finos para garantizar el mejor empaquetamiento posible e incorporando fibras de acero (a veces producidas triturando lana de acero) en la matriz. Los hormigones en polvo reactivo también pueden utilizar humo de sílice como agregado fino. Los concretos en polvo reactivos comerciales están disponibles en el rango de resistencia de 17 a 21 MPa (2500 a 3000 psi).
El módulo de elasticidad del hormigón es 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 de tensión bajos, pero comienza a disminuir a niveles de tensión más altos 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 de los agregados de aproximadamente 45 a 85 GPa. El compuesto de hormigón se encuentra entonces en el intervalo 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 teoría. Tenga en cuenta que el valor de E c encontrado está en unidades de psi. Para concreto de peso normal (definido como concreto con una w c de 150 lb/ft 3 y restando 5 lb/ft 3 para el acero), se permite tomar E c como .
La publicación utilizada por los ingenieros de puentes estructurales es el Manual de diseño de factores de carga y resistencia de la AASHTO , o "LRFD". De la LRFD, apartado 5.4.2.4, E c viene determinada por:
dónde
Para hormigón de peso normal ( wc = 0,145 kips por pie cúbico), Ec puede tomarse como:
El hormigón tiene un coeficiente de expansión térmica muy bajo . Sin embargo, si no se prevé la expansión, se pueden crear fuerzas muy grandes, provocando 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 otros materiales de construcción como la madera, y es un mal aislante.
Con frecuencia se utiliza una capa de hormigón para proteger contra incendios las estructuras de acero. Sin embargo, el término a prueba de fuego es inapropiado, ya que los incendios a altas temperaturas pueden ser lo suficientemente calientes como para inducir cambios químicos en el concreto, que en casos extremos pueden causar daños estructurales considerables al concreto.
A medida que el concreto madura, continúa contrayéndose, debido a la reacción en curso que tiene lugar en el material, aunque la tasa de contracción cae relativamente rápido y sigue reduciéndose con el tiempo (para todos los propósitos prácticos, generalmente se considera que el concreto no se contrae más debido a la hidratación después de 30 años). La relativa contracción y expansión del hormigón y el ladrillo requieren una adaptación cuidadosa cuando las dos formas de construcción interactúan.
Todas las estructuras de hormigón se agrietarán hasta cierto punto. Uno de los primeros diseñadores de hormigón armado, Robert Maillart , empleó hormigón armado en varios puentes arqueados. Su primer puente fue sencillo y utilizó 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 claramente funcionaba. Sus diseños posteriores simplemente eliminaron las áreas agrietadas, dejando arcos de hormigón esbeltos y hermosos. El Puente Salginatobel es un ejemplo de ello.
Grietas en el concreto debido a esfuerzos de tracción inducidos por contracción o tensiones que ocurren durante el fraguado o uso. Se utilizan varios medios para superar esto. El hormigón reforzado con fibra utiliza fibras finas distribuidas por toda la mezcla o metal más grande u otros elementos de refuerzo para limitar el tamaño y la extensión de las grietas. En muchas estructuras grandes, se colocan juntas o cortes de sierra ocultos en el concreto a medida que fragua para hacer que se produzcan grietas inevitables donde se puedan manejar y fuera de la vista. Los tanques de agua y las carreteras son ejemplos de estructuras que requieren control de grietas.
Las grietas por contracción ocurren cuando los miembros de concreto sufren cambios volumétricos restringidos (contracción) como resultado del secado, la contracción autógena o efectos térmicos. La restricción se proporciona externamente (es decir, soportes, paredes y otras condiciones límite) o internamente (contracción por secado diferencial, refuerzo). Una vez que se excede la resistencia a la tracción del concreto, se desarrollará una grieta. El número y ancho de las fisuras por contracción que se desarrollan están influenciados por la cantidad de contracción que ocurre, la cantidad de restricción presente y la cantidad y el espaciamiento del refuerzo proporcionado. Éstas son indicaciones menores y no tienen ningún impacto estructural real en el miembro de concreto.
Las grietas por contracción del plástico son evidentes de inmediato y 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 ocurre cuando el concreto es bastante joven y resulta de la reducción de volumen resultante de la reacción química del cemento Portland.
Los elementos de hormigón pueden ponerse en tensión mediante cargas aplicadas. Esto es más común en vigas de concreto donde una carga aplicada transversalmente comprimirá una superficie y tensará la superficie opuesta debido a la flexión inducida . La parte de la viga que está en tensión puede agrietarse. El tamaño y la longitud de las fisuras dependen de la magnitud del momento flector y del diseño del refuerzo de la viga en el punto considerado. Las vigas de hormigón armado están diseñadas para agrietarse por tensión en lugar de por compresión. Esto se logra proporcionando acero de refuerzo que cede antes de que ocurra la falla del concreto en compresión y permitiendo la remediación, reparación o, si es necesario, la evacuación de un área insegura.
La fluencia es el movimiento o deformación permanente de un material para aliviar las tensiones dentro del material. El hormigón sometido a fuerzas de larga duración es propenso a deslizarse. Las fuerzas de corta duración (como el viento o los terremotos) no provocan fluencia. La fluencia a veces puede reducir la cantidad de grietas que se producen en una estructura o elemento de concreto, pero también debe controlarse. La cantidad de refuerzo primario y secundario en las estructuras de hormigón contribuye a una reducción en la cantidad de contracción, fluencia y agrietamiento. [7]
El hormigón de cemento Portland retiene agua. [8] Sin embargo, algunos tipos de hormigón (como el hormigón permeable ) dejan pasar el 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 expresa como resistencia a la compresión de 28 días en megapascales (MPa) o libras por pulgada cuadrada (psi). Veintiocho días es una espera larga 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 concreto a los 28 días. A menudo se observa un aumento de resistencia del 25% entre 7 y 28 días con mezclas de 100% OPC (cemento Portland ordinario), y se puede lograr un aumento de resistencia de entre 25% y 40% con la inclusión de puzolanas como cenizas volantes y materiales cementosos suplementarios. SCM) como el cemento de escoria. La ganancia de resistencia depende del tipo de mezcla, sus componentes, el uso de curado estándar, pruebas adecuadas realizadas por técnicos certificados y el cuidado de los cilindros durante el transporte. Por consideraciones prácticas inmediatas, corresponde probar con precisión las propiedades fundamentales del hormigón en su estado fresco y plástico.
Por lo general, se toman muestras del concreto mientras se coloca, y los protocolos de prueba requieren que las muestras de prueba se curen en condiciones de laboratorio (curado estándar). Se pueden curar en el campo muestras adicionales (no estándar) con el fin de obtener resistencias tempranas de "desmontaje", es decir, eliminación de forma, evaluación del curado, etc., pero los cilindros curados estándar comprenden 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 concreto (resistencia al hielo y deshielo), las propiedades de trabajabilidad (hundimiento/flujo), temperatura, densidad y edad se monitorean para garantizar la producción y colocación de concreto de "calidad". Dependiendo de 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 concreto entregado y colocado, es imperativo que los técnicos que realizan pruebas de concreto estén certificados para hacerlo de acuerdo con estos estándares. El diseño estructural , el diseño del material de hormigón y las propiedades a menudo se especifican de acuerdo con 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 rastreables al Laboratorio de Referencia de Cemento y Concreto (CCRL) del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) en los EE. UU. o equivalentes regionales. internacionalmente. 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 fallar. Las pruebas de resistencia a la tracción se realizan ya sea mediante flexión en tres puntos de una muestra de viga prismática o por compresión a lo largo de los lados de una muestra cilíndrica estándar. Estas pruebas destructivas no deben equipararse con 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 concretos comparativos en el campo. [10]
Las temperaturas elevadas por encima de 300 °C (572 °F) degradan las propiedades mecánicas del hormigón, incluida la resistencia a la compresión, la resistencia a la fractura, la resistencia a la tracción y el módulo elástico, con respecto al efecto nocivo sobre sus cambios estructurales. [11]
A temperatura elevada, el hormigón perderá su producto de hidratación debido a la evaporación del agua. Por lo tanto, su resistencia al flujo de humedad del concreto disminuye y el número de granos de cemento sin hidratar aumenta con la pérdida de agua químicamente unida, lo que resulta en 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 del cemento por contracción. Además, cuando las temperaturas alcanzan los 573 °C (1063 °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 temperatura elevada 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 a 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 movimiento adicional de vapor hacia la masa del concreto. Si la velocidad de condensación del vapor es mucho más rápida que la velocidad de escape del vapor fuera del concreto debido a una velocidad de calentamiento suficientemente alta o a una estructura de poros suficientemente densa, una presión de poros grande 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 ocurre cuando la tensión de compresión excede la tensión de tracción. [dieciséis]
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