El hormigón es un material compuesto compuesto por agregados unidos con un cemento fluido que cura con el tiempo. El hormigón es la segunda sustancia más utilizada en el mundo después del agua [1] y es el material de construcción más utilizado. [2] Su uso en todo el mundo, tonelada por tonelada, es el doble que el del acero, la madera, los plásticos y el aluminio combinados. [3]
Cuando el agregado se mezcla con cemento Portland seco y agua , la mezcla forma una lechada fluida que se vierte y moldea fácilmente. El cemento reacciona con el agua a través de un proceso llamado hidratación del concreto [4] que lo endurece durante varias horas para formar una matriz dura que une los materiales en un material duradero similar a la piedra que tiene muchos usos. [5] Este tiempo permite no solo moldear el concreto, sino también realizar una variedad de procesos de mecanizado. El proceso de hidratación es exotérmico , lo que significa que la temperatura ambiente juega un papel importante en el tiempo que tarda el hormigón en fraguar. A menudo, se incluyen aditivos (como puzolanas o superplastificantes ) en la mezcla para mejorar las propiedades físicas de la mezcla húmeda, retrasar o acelerar el tiempo de curado o cambiar de otro modo el material terminado. La mayor parte del hormigón se vierte con materiales de refuerzo (como barras de acero ) incrustados para proporcionar resistencia a la tracción , lo que produce hormigón armado .
En el pasado, a menudo se usaban aglutinantes de cemento a base de cal , como la masilla de cal, pero a veces con otros cementos hidráulicos (resistentes al agua), como cemento de aluminato de calcio o con cemento Portland para formar concreto de cemento Portland (llamado así por su parecido visual con Piedra de Portland ). [6] [7] Existen muchos otros tipos de concreto no cementantes con otros métodos para unir agregados, incluido el concreto asfáltico con un aglutinante bituminoso , que se usa frecuentemente para superficies de carreteras , y concretos poliméricos que usan polímeros como aglutinante. El hormigón es distinto del mortero . Mientras que el hormigón es en sí mismo un material de construcción, el mortero es un agente adhesivo que normalmente mantiene unidos los ladrillos , las tejas y otras unidades de mampostería. [8] La lechada es otro material asociado con el hormigón y el cemento. No contiene áridos gruesos y suele ser vertible o tixotrópico , y se utiliza para rellenar huecos entre componentes de mampostería o áridos gruesos ya colocados. Algunos métodos de fabricación y reparación de hormigón implican bombear lechada en los huecos para formar una masa sólida in situ .
La palabra concreto proviene del vocablo latino " concretus " (que significa compacto o condensado), [9] el participio perfecto pasivo de " concrescere ", de " con -" (juntos) y " crescere " (crecer).
Se encontraron pisos de concreto en el palacio real de Tirinto , Grecia, que data aproximadamente del 1400-1200 a.C. [10] [11] Los morteros de cal se utilizaban en Grecia, como en Creta y Chipre, en el año 800 a.C. El acueducto asirio Jerwan (688 a. C.) utilizó hormigón impermeable . [12] El hormigón se utilizó para la construcción de muchas estructuras antiguas. [13]
Se hace referencia al hormigón maya en las ruinas de Uxmal (850-925 d.C.) en Incidentes de viajes en Yucatán de John L. Stephens . "El techo es plano y lo habían cubierto con cemento". "Los pisos eran de cemento, en algunos lugares duros, pero debido a la exposición prolongada, se rompieron y ahora se desmoronan bajo los pies". "Pero toda la pared era sólida y estaba formada por grandes piedras incrustadas en mortero, casi tan duras como la roca".
La producción a pequeña escala de materiales similares al hormigón fue iniciada por los comerciantes nabateos que ocuparon y controlaron una serie de oasis y desarrollaron un pequeño imperio en las regiones del sur de Siria y el norte de Jordania desde el siglo IV a.C. Descubrieron las ventajas de la cal hidráulica , con algunas propiedades autocementantes, hacia el año 700 a.C. Construyeron hornos para suministrar mortero para la construcción de casas de mampostería , pisos de concreto y cisternas subterráneas impermeables . Mantuvieron las cisternas en secreto, ya que permitían a los nabateos prosperar en el desierto. [14] Algunas de estas estructuras sobreviven hasta el día de hoy. [14]
En la época del Antiguo Egipto y posteriormente de la Roma , los constructores descubrieron que agregar ceniza volcánica a la cal permitía que la mezcla se endureciera bajo el agua. Descubrieron la reacción puzolánica .
Los romanos utilizaron mucho el hormigón desde el 300 a. C. hasta el 476 d. C. [16] Durante el Imperio Romano, el hormigón romano (u opus caementicium ) se elaboraba a partir de cal viva , puzolana y un agregado de piedra pómez . Su uso generalizado en muchas estructuras romanas , un acontecimiento clave en la historia de la arquitectura denominado revolución arquitectónica romana , liberó a la construcción romana de las restricciones de los materiales de piedra y ladrillo. Permitió nuevos diseños revolucionarios en términos de complejidad estructural y dimensión. [17] El Coliseo de Roma fue construido en gran parte con hormigón, y el Panteón tiene la cúpula de hormigón no reforzado más grande del mundo. [18]
El hormigón, tal como lo conocían los romanos, era un material nuevo y revolucionario. Dispuesto en forma de arcos , bóvedas y cúpulas , rápidamente se endureció hasta convertirse en una masa rígida, libre de muchos de los empujes y tensiones internos que preocupaban a los constructores de estructuras similares en piedra o ladrillo. [19]
Las pruebas modernas muestran que el opus caementicium tenía tanta resistencia a la compresión como el hormigón de cemento Portland moderno (aprox. 200 kg/cm 2 [20 MPa; 2800 psi]). [20] Sin embargo, debido a la ausencia de refuerzo, su resistencia a la tracción era mucho menor que la del hormigón armado moderno , y su modo de aplicación también difería: [21]
El hormigón estructural moderno se diferencia del hormigón romano en dos detalles importantes. En primer lugar, la consistencia de su mezcla es fluida y homogénea, lo que permite verterla en moldes en lugar de requerir capas manuales junto con la colocación de agregado, que, en la práctica romana, a menudo consistía en escombros . En segundo lugar, el acero de refuerzo integral proporciona a los conjuntos de hormigón modernos una gran resistencia a la tensión, mientras que el hormigón romano sólo podía depender de la resistencia de la unión del hormigón para resistir la tensión. [22]
Se ha descubierto que la durabilidad a largo plazo de las estructuras de hormigón romanas se debe al uso de rocas y cenizas piroclásticas (volcánicas), por lo que la cristalización de strätlingita (un hidrato de aluminosilicato de calcio específico y complejo) [23] y la coalescencia de esta y Aglutinantes cementantes similares de silicato de calcio, aluminio e hidrato ayudaron a darle al concreto un mayor grado de resistencia a la fractura incluso en ambientes sísmicamente activos. [24] El hormigón romano es significativamente más resistente a la erosión por el agua de mar que el hormigón moderno; utilizó materiales piroclásticos que reaccionan con el agua de mar para formar cristales de altobermorita con el tiempo. [25] [26] Se cree que el uso de mezcla en caliente y la presencia de clastos de cal le dan al concreto una capacidad de autocuración, donde las grietas que se forman se llenan de calcita que evita que la grieta se propague. [27] [28]
El uso generalizado de hormigón en muchas estructuras romanas aseguró que muchas sobrevivieran hasta nuestros días. Las Termas de Caracalla en Roma son sólo un ejemplo. Muchos acueductos y puentes romanos , como el magnífico Pont du Gard en el sur de Francia, tienen un revestimiento de mampostería sobre un núcleo de hormigón, al igual que la cúpula del Panteón .
Después del Imperio Romano, el uso de cal quemada y puzolana se redujo considerablemente. Las bajas temperaturas del horno durante la quema de cal, la falta de puzolana y la mala mezcla contribuyeron a una disminución de la calidad del hormigón y el mortero. A partir del siglo XI, el mayor uso de piedra en la construcción de iglesias y castillos provocó una mayor demanda de mortero. La calidad comenzó a mejorar en el siglo XII mediante una mejor molienda y tamizado. Los morteros y hormigones de cal medievales no eran hidráulicos y se utilizaban para unir mampostería, "corazón" (unir núcleos de mampostería de escombros ) y cimientos. Bartholomaeus Anglicus en su De proprietatibus rerum (1240) describe la fabricación de mortero. En una traducción al inglés de 1397, se lee "lyme... es una piedra brent; mezclándola con una sonda y se obtiene cemento de agua". A partir del siglo XIV la calidad del mortero volvió a ser excelente, pero sólo a partir del siglo XVII se añadió comúnmente puzolana. [29]
El Canal du Midi fue construido con hormigón en 1670. [30]
Quizás el mayor paso adelante en el uso moderno del hormigón fue la Torre Smeaton , construida por el ingeniero británico John Smeaton en Devon , Inglaterra, entre 1756 y 1759. Este tercer faro de Eddystone fue pionero en el uso de cal hidráulica en el hormigón, utilizando guijarros y ladrillos en polvo como agregar. [31]
Un método para producir cemento Portland fue desarrollado en Inglaterra y patentado por Joseph Aspdin en 1824. [32] Aspdin eligió el nombre por su similitud con la piedra Portland , que se extraía en la isla de Portland en Dorset , Inglaterra. Su hijo William continuó el desarrollo hasta la década de 1840, lo que le valió el reconocimiento por el desarrollo del cemento Portland "moderno". [33]
El hormigón armado fue inventado en 1849 por Joseph Monier . [34] y la primera casa de hormigón armado fue construida por François Coignet [35] en 1853. El primer puente de hormigón armado fue diseñado y construido por Joseph Monier en 1875. [36]
El hormigón pretensado y el hormigón postensado fueron iniciados por Eugène Freyssinet , un ingeniero civil y estructural francés . Los componentes o estructuras de hormigón se comprimen mediante cables tendones durante o después de su fabricación para reforzarlos contra las fuerzas de tracción que se desarrollan durante la puesta en servicio. Freyssinet patentó la técnica el 2 de octubre de 1928. [37]
El hormigón es un material compuesto artificial , que comprende una matriz de aglutinante cementoso (normalmente pasta de cemento Portland o asfalto ) y una fase dispersa o "relleno" de agregado (normalmente un material rocoso, piedras sueltas y arena). El aglutinante "pega" el relleno para formar un conglomerado sintético . [38] Hay muchos tipos de concreto disponibles, determinados por las formulaciones de los aglutinantes y los tipos de agregados utilizados para adaptarse a la aplicación del material de ingeniería. Estas variables determinan la resistencia y la densidad, así como la resistencia química y térmica del producto terminado.
Los agregados de construcción consisten en grandes trozos de material en una mezcla de concreto, generalmente grava gruesa o rocas trituradas como piedra caliza o granito , junto con materiales más finos como arena .
La pasta de cemento, generalmente hecha de cemento Portland , es el tipo de aglomerante de hormigón más frecuente. Para los aglutinantes cementosos, el agua se mezcla con el polvo de cemento seco y el agregado, lo que produce una lechada (pasta) semilíquida a la que se le puede dar forma, generalmente vertiéndola en un molde. El hormigón se solidifica y endurece mediante un proceso químico llamado hidratación . El agua reacciona con el cemento, que une los demás componentes, creando un material robusto parecido a la piedra. A veces se agregan otros materiales cementantes, como cenizas volantes y cemento de escoria , ya sea premezclados con el cemento o directamente como componente del concreto, y se convierten en parte del aglutinante del agregado. [39] Las cenizas volantes y la escoria pueden mejorar algunas propiedades del hormigón, como las propiedades de frescura y la durabilidad. [39] Alternativamente, también se pueden utilizar otros materiales como aglutinante del hormigón: el sustituto más frecuente es el asfalto , que se utiliza como aglutinante en el hormigón asfáltico .
Se añaden aditivos para modificar la velocidad de curado o las propiedades del material. Los aditivos minerales utilizan materiales reciclados como ingredientes del hormigón. Los materiales llamativos incluyen cenizas volantes , un subproducto de las centrales eléctricas alimentadas con carbón ; escoria granulada molida de alto horno , subproducto de la fabricación de acero ; y humo de sílice , un subproducto de los hornos de arco eléctrico industriales .
Las estructuras que emplean concreto de cemento Portland generalmente incluyen refuerzo de acero porque este tipo de concreto puede formularse con alta resistencia a la compresión , pero siempre tiene una menor resistencia a la tracción . Por lo tanto, suele reforzarse con materiales resistentes a la tensión, normalmente barras de refuerzo de acero .
El diseño de la mezcla depende del tipo de estructura que se construye, cómo se mezcla y entrega el concreto y cómo se coloca para formar la estructura.
El cemento Portland es el tipo de cemento más común de uso general. Es un ingrediente básico del hormigón, el mortero y muchos revoques . [40] Consiste en una mezcla de silicatos de calcio ( alita , belita ), aluminatos y ferritas , compuestos que reaccionarán con el agua. El cemento Portland y materiales similares se elaboran calentando piedra caliza (una fuente de calcio) con arcilla o esquisto (una fuente de silicio, aluminio y hierro) y moliendo este producto (llamado clinker ) con una fuente de sulfato (más comúnmente yeso ).
Los hornos de cemento son instalaciones industriales extremadamente grandes, complejas e inherentemente polvorientas. De los diversos ingredientes utilizados para producir una determinada cantidad de hormigón, el cemento es el más caro desde el punto de vista energético. Incluso los hornos complejos y eficientes requieren de 3,3 a 3,6 gigajulios de energía para producir una tonelada de clínker y luego molerlo para convertirlo en cemento . Muchos hornos pueden alimentarse con desechos difíciles de eliminar, siendo los más comunes los neumáticos usados. Las temperaturas extremadamente altas y los largos períodos de tiempo a esas temperaturas permiten que los hornos de cemento quemen de manera eficiente y completa incluso combustibles difíciles de usar. [41] Los cinco compuestos principales de silicatos y aluminatos de calcio que componen el cemento Portland varían del 5 al 50% en peso.
La combinación de agua con un material cementoso forma una pasta de cemento mediante el proceso de hidratación. La pasta de cemento pega el agregado, llena los huecos que contiene y hace que fluya más libremente. [42]
Como lo establece la ley de Abrams , una relación agua-cemento más baja produce un concreto más fuerte y duradero , mientras que más agua da un concreto que fluye más libremente y tiene un mayor asentamiento . [43] La hidratación del cemento implica muchas reacciones concurrentes. El proceso implica la polimerización , la interconexión de los componentes de silicatos y aluminatos, así como su unión a partículas de arena y grava para formar una masa sólida. [44] Una conversión ilustrativa es la hidratación del silicato tricálcico:
La hidratación (curado) del cemento es irreversible. [45]
Los agregados finos y gruesos constituyen la mayor parte de una mezcla de concreto. Para este fin se utilizan principalmente arena , grava natural y piedra triturada . Los áridos reciclados (provenientes de residuos de construcción, demolición y excavación) se utilizan cada vez más como sustitutos parciales de los áridos naturales, mientras que también se permiten varios áridos manufacturados, incluidas la escoria de alto horno enfriada por aire y las cenizas de fondo .
La distribución del tamaño del agregado determina la cantidad de aglutinante que se requiere. Los agregados con una distribución de tamaño muy uniforme tienen los espacios más grandes, mientras que agregar agregados con partículas más pequeñas tiende a llenar estos espacios. El aglutinante debe llenar los espacios entre el agregado y unir las superficies del agregado, y suele ser el componente más costoso. Por tanto, la variación en el tamaño del agregado reduce el costo del concreto. [46] El agregado es casi siempre más fuerte que el aglutinante, por lo que su uso no afecta negativamente la resistencia del concreto.
La redistribución de los agregados después de la compactación a menudo crea una falta de homogeneidad debido a la influencia de la vibración. Esto puede provocar gradientes de fuerza. [47]
A veces se añaden piedras decorativas como cuarcita , pequeñas piedras de río o vidrio triturado a la superficie del hormigón para obtener un acabado decorativo de "agregado expuesto", popular entre los paisajistas.
Los aditivos son materiales en forma de polvo o fluidos que se agregan al concreto para darle ciertas características que no se pueden obtener con mezclas de concreto simples. Los aditivos se definen como adiciones "realizadas mientras se prepara la mezcla de concreto". [48] Los aditivos más comunes son retardadores y aceleradores. En uso normal, las dosis de aditivo son inferiores al 5% en masa de cemento y se agregan al concreto en el momento de dosificar/mezclar. [49] (Ver § Producción a continuación). Los tipos comunes de aditivos [50] son los siguientes:
Materiales inorgánicos que tienen propiedades puzolánicas o hidráulicas latentes, estos materiales de grano muy fino se agregan a la mezcla de concreto para mejorar las propiedades del concreto (aditivos minerales), [49] o como reemplazo del cemento Portland (cementos mezclados). [55] Se están probando y utilizando productos que incorporan piedra caliza , cenizas volantes , escoria de alto horno y otros materiales útiles con propiedades puzolánicas en la mezcla. Estos desarrollos son cada vez más relevantes para minimizar los impactos causados por el uso de cemento, conocido por ser uno de los mayores productores (entre el 5 y el 10%) de las emisiones globales de gases de efecto invernadero . [56] El uso de materiales alternativos también es capaz de reducir costos, mejorar las propiedades del concreto y reciclar desechos, siendo esto último relevante para los aspectos de economía circular de la industria de la construcción , cuya demanda es cada vez mayor con mayores impactos en la extracción de materias primas, los desechos prácticas de generación y vertedero .
La producción de hormigón es el proceso de mezclar varios ingredientes (agua, agregados, cemento y cualquier aditivo) para producir hormigón. La producción de hormigón es urgente. Una vez que se mezclan los ingredientes, los trabajadores deben colocar el concreto en su lugar antes de que se endurezca. En el uso moderno, la mayor parte de la producción de hormigón se lleva a cabo en un gran tipo de instalación industrial llamada planta de hormigón o, a menudo, planta por lotes. El método habitual de colocación es el encofrado , que mantiene la mezcla en forma hasta que se ha endurecido lo suficiente como para mantener su forma sin ayuda.
Las plantas de concreto vienen en dos tipos principales, plantas de premezclado y plantas de mezcla centrales. Una planta premezclada mezcla todos los ingredientes sólidos, mientras que una mezcla central hace lo mismo pero agrega agua. Una planta de mezcla central ofrece un control más preciso de la calidad del hormigón. Las plantas de mezcla centrales deben estar cercanas al sitio de trabajo donde se utilizará el concreto, ya que la hidratación comienza en la planta.
Una planta de concreto consta de grandes tolvas para el almacenamiento de diversos ingredientes como cemento, almacenamiento de ingredientes a granel como agregados y agua, mecanismos para la adición de diversos aditivos y enmiendas, maquinaria para pesar, mover y mezclar con precisión algunos o todos esos ingredientes. e instalaciones para dispensar el hormigón mezclado, a menudo a un camión hormigonera .
El hormigón moderno suele prepararse como un fluido viscoso para poder verterlo en encofrados. Las formas son contenedores que definen la forma deseada. El encofrado de hormigón se puede preparar de varias formas, como mediante encofrado deslizante y construcción con placas de acero . Alternativamente, el concreto se puede mezclar en formas secas y no fluidas y usarse en fábricas para fabricar productos prefabricados de concreto .
La interrupción en el vertido del hormigón puede hacer que el material colocado inicialmente comience a fraguar antes de que se agregue el siguiente lote encima. Esto crea un plano horizontal de debilidad llamado junta fría entre los dos lotes. [62] Una vez que la mezcla está donde debe estar, el proceso de curado debe controlarse para garantizar que el concreto alcance los atributos deseados. Durante la preparación del hormigón, diversos detalles técnicos pueden afectar la calidad y naturaleza del producto.
Un ingeniero decide las proporciones de mezcla de diseño después de analizar las propiedades de los ingredientes específicos que se utilizan. En lugar de utilizar una 'mezcla nominal' de 1 parte de cemento, 2 partes de arena y 4 partes de agregado (el segundo ejemplo de arriba), un ingeniero civil diseñará a medida una mezcla de concreto para cumplir exactamente con los requisitos del sitio y las condiciones. establecer proporciones de materiales y, a menudo, diseñar un paquete de aditivos para ajustar las propiedades o aumentar el rendimiento de la mezcla. El concreto de mezcla de diseño puede tener especificaciones muy amplias que no se pueden cumplir con mezclas nominales más básicas, pero la participación del ingeniero a menudo aumenta el costo de la mezcla de concreto.
Las mezclas de concreto se dividen principalmente en mezcla nominal, mezcla estándar y mezcla de diseño.
Las proporciones de mezcla nominales se dan en volumen de . Las mezclas nominales son una forma sencilla y rápida de tener una idea básica de las propiedades del hormigón acabado sin tener que realizar pruebas previas.
Varios organismos rectores (como los estándares británicos ) definen las relaciones de mezcla nominales en una serie de grados, que generalmente van desde una resistencia a la compresión más baja hasta una resistencia a la compresión más alta. Las calificaciones suelen indicar la fuerza del cubo de 28 días. [63]
Es esencial mezclar bien para producir concreto uniforme y de alta calidad.
El mezclado de pasta por separado ha demostrado que mezclar cemento y agua en una pasta antes de combinar estos materiales con agregados puede aumentar la resistencia a la compresión del concreto resultante. [64] La pasta generalmente se mezcla en un mezclador de tipo cizalla de alta velocidad a una relación a/c (relación agua-cemento) de 0,30 a 0,45 en masa. La premezcla de pasta de cemento puede incluir aditivos tales como aceleradores o retardadores, superplastificantes , pigmentos o humo de sílice . Luego, la pasta premezclada se mezcla con los agregados y el agua restante del lote y la mezcla final se completa en un equipo mezclador de concreto convencional. [sesenta y cinco]
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La trabajabilidad es la capacidad de una mezcla de concreto fresco (plástico) para llenar el encofrado/molde adecuadamente con el trabajo deseado (vertido, bombeo, esparcimiento, apisonado, vibración) y sin reducir la calidad del concreto. La trabajabilidad depende del contenido de agua, el agregado (distribución de forma y tamaño), el contenido de cemento y la edad (nivel de hidratación ) y puede modificarse agregando aditivos químicos, como superplastificantes. Aumentar el contenido de agua o agregar aditivos químicos aumenta la trabajabilidad del concreto. El exceso de agua provoca un aumento del sangrado o segregación de los áridos (cuando el cemento y los áridos empiezan a separarse), con lo que el hormigón resultante tiene una calidad reducida. Los cambios en la gradación también pueden afectar la trabajabilidad del concreto, aunque se puede utilizar una amplia gama de gradaciones para diversas aplicaciones. [66] [67] Una gradación indeseable puede significar el uso de un agregado grande que es demasiado grande para el tamaño del encofrado, o que tiene muy pocos grados de agregado más pequeños para servir para llenar los espacios entre los grados más grandes, o usar muy poco o demasiada arena por la misma razón, o usar muy poca agua, o demasiado cemento, o incluso usar piedra triturada dentada en lugar de agregados redondos más lisos, como guijarros. Cualquier combinación de estos factores y otros puede dar como resultado una mezcla demasiado dura, es decir, que no fluye ni se extiende suavemente, que es difícil de introducir en el encofrado y cuyo acabado superficial es difícil. [68]
La trabajabilidad se puede medir mediante la prueba de asentamiento del concreto , una medida simple de la plasticidad de un lote fresco de concreto siguiendo las normas de prueba ASTM C 143 o EN 12350-2. El asentamiento normalmente se mide llenando un " cono de Abrams " con una muestra de un lote nuevo de concreto. El cono se coloca con el extremo ancho hacia abajo sobre una superficie nivelada y no absorbente. Luego se rellena en tres capas de igual volumen, y cada capa se apisona con una varilla de acero para consolidar la capa. Cuando se levanta con cuidado el cono, el material encerrado se desploma en cierta medida debido a la gravedad. Una muestra relativamente seca se hunde muy poco, teniendo un valor de asentamiento de una o dos pulgadas (25 o 50 mm) por cada pie (300 mm). Una muestra de concreto relativamente húmeda puede hundirse hasta veinte centímetros. La trabajabilidad también se puede medir mediante la prueba de la tabla de flujo .
El asentamiento se puede aumentar mediante la adición de aditivos químicos como plastificantes o superplastificantes sin cambiar la relación agua-cemento . [69] Algunos otros aditivos, especialmente los aditivos inclusores de aire, pueden aumentar el asentamiento de una mezcla.
El hormigón de alto flujo, al igual que el hormigón autocompactante , se prueba mediante otros métodos de medición de flujo. Uno de estos métodos incluye colocar el cono en el extremo angosto y observar cómo la mezcla fluye a través del cono mientras se levanta gradualmente.
Después de mezclarlo, el concreto es un fluido y puede bombearse al lugar donde sea necesario.
El concreto debe mantenerse húmedo durante el curado para lograr resistencia y durabilidad óptimas . [70] Durante el curado se produce hidratación , lo que permite que se forme hidrato de silicato de calcio (CSH). Por lo general, más del 90 % de la resistencia final de una mezcla se alcanza en cuatro semanas, y el 10 % restante se logra en años o incluso décadas. [71] La conversión del hidróxido de calcio del hormigón en carbonato de calcio a partir de la absorción de CO 2 durante varias décadas fortalece aún más el hormigón y lo hace más resistente a los daños. Sin embargo, esta reacción de carbonatación reduce el pH de la solución de los poros del cemento y puede corroer las barras de refuerzo.
La hidratación y endurecimiento del concreto durante los primeros tres días es fundamental. El secado y la contracción anormalmente rápidos debido a factores como la evaporación del viento durante la colocación pueden provocar un aumento de las tensiones de tracción en un momento en el que aún no ha ganado suficiente resistencia, lo que resulta en un mayor agrietamiento por contracción. La resistencia inicial del hormigón se puede aumentar si se mantiene húmedo durante el proceso de curado. Minimizar la tensión antes del curado minimiza el agrietamiento. El hormigón de alta resistencia inicial está diseñado para hidratarse más rápido, a menudo mediante un mayor uso de cemento que aumenta la contracción y el agrietamiento. La resistencia del hormigón cambia (aumenta) hasta por tres años. Depende de la dimensión de la sección transversal de los elementos y de las condiciones de explotación de la estructura. [72] La adición de fibras poliméricas de corte corto puede mejorar (reducir) las tensiones inducidas por la contracción durante el curado y aumentar la resistencia a la compresión temprana y final. [73]
Un curado adecuado del hormigón aumenta la resistencia y reduce la permeabilidad y evita el agrietamiento cuando la superficie se seca prematuramente. También se debe tener cuidado para evitar la congelación o el sobrecalentamiento debido al fraguado exotérmico del cemento. Un curado inadecuado puede provocar incrustaciones , resistencia reducida, mala resistencia a la abrasión y grietas .
Durante el período de curado, lo ideal es mantener el hormigón a temperatura y humedad controladas. Para garantizar una hidratación total durante el curado, las losas de concreto a menudo se rocían con "compuestos de curado" que crean una película que retiene agua sobre el concreto. Las películas típicas están hechas de cera o compuestos hidrofóbicos relacionados. Después de que el concreto esté suficientemente curado, se permite que la película se desgaste del concreto mediante el uso normal. [74]
Las condiciones tradicionales para el curado implican rociar o encharcar la superficie del concreto con agua. La imagen adyacente muestra una de las muchas formas de lograrlo: el encharcamiento: sumergir el concreto fraguado en agua y envolverlo en plástico para evitar la deshidratación. Los métodos de curado comunes adicionales incluyen arpillera húmeda y láminas de plástico que cubren el concreto fresco.
Para aplicaciones de mayor resistencia, se pueden aplicar al concreto técnicas de curado acelerado . Una técnica común consiste en calentar el hormigón vertido con vapor, lo que sirve tanto para mantenerlo húmedo como para elevar la temperatura para que el proceso de hidratación sea más rápido y completo.
El hormigón asfáltico (comúnmente llamado asfalto , [75] asfalto o pavimento en América del Norte, y asfalto , betún macadán o asfalto laminado en el Reino Unido y la República de Irlanda ) es un material compuesto comúnmente utilizado para pavimentar carreteras , estacionamientos , aeropuertos , así como el núcleo de presas de terraplén . [76] Las mezclas asfálticas se han utilizado en la construcción de pavimentos desde principios del siglo XX. [77] Consiste en agregado mineral unido con asfalto , colocado en capas y compactado. El proceso fue refinado y mejorado por el inventor belga e inmigrante estadounidense Edward De Smedt . [78]
Los términos hormigón asfáltico ( o asfáltico ) , hormigón asfáltico bituminoso y mezcla bituminosa se utilizan normalmente sólo en documentos de ingeniería y construcción, que definen el hormigón como cualquier material compuesto compuesto por agregado mineral adherido con un aglutinante. La abreviatura AC se utiliza a veces para hormigón asfáltico , pero también puede indicar contenido de asfalto o cemento asfáltico , en referencia a la porción de asfalto líquido del material compuesto.
Los hormigones mejorados con grafeno son diseños estándar de mezclas de hormigón, excepto que durante el proceso de producción o mezclado del cemento, se añade una pequeña cantidad de grafeno modificado químicamente (normalmente <0,5 % en peso) . [79] [80] Estos hormigones de grafeno mejorado están diseñados en torno a la aplicación del hormigón.
Bacterias como Bacillus pasturii , Bacillus pseudofirmus , Bacillus cohnii , Sporosarcina pasturi y Arthrobacter crystallopoietes aumentan la resistencia a la compresión del hormigón a través de su biomasa. Sin embargo, algunas formas de bacterias también pueden destruir el hormigón. [81] Bacilo sp. CT-5. puede reducir la corrosión del refuerzo en hormigón armado hasta cuatro veces. Sporosarcina pasteuri reduce la permeabilidad al agua y al cloruro. B. pasteurii aumenta la resistencia al ácido. [82] Bacillus pasteurii y B. sphaericus pueden inducir la precipitación de carbonato de calcio en la superficie de las grietas, agregando resistencia a la compresión. [83]
El nanohormigón (también escrito "nanohormigón" o "nanohormigón") es una clase de materiales que contiene partículas de cemento Portland que no superan los 100 μm [84] y partículas de sílice que no superan los 500 μm, que llenan los huecos que de lo contrario ocurriría en el hormigón normal, aumentando así sustancialmente la resistencia del material. [ cita necesaria ] Se usa ampliamente en puentes peatonales y de carreteras donde está indicada una alta resistencia a la flexión y compresión. [83]
El hormigón permeable es una mezcla de agregado grueso especialmente clasificado, cemento, agua y poco o nada de agregado fino. Este hormigón también se conoce como hormigón "sin finos" u hormigón poroso. Mezclar los ingredientes en un proceso cuidadosamente controlado crea una pasta que recubre y une las partículas de agregado. El hormigón endurecido contiene huecos de aire interconectados que suman aproximadamente entre el 15 y el 25 por ciento. El agua corre a través de los huecos del pavimento hasta el suelo que se encuentra debajo. Los aditivos de arrastre de aire se utilizan a menudo en climas de congelación y descongelación para minimizar la posibilidad de daños por heladas. El hormigón permeable también permite que el agua de lluvia se filtre a través de carreteras y estacionamientos, para recargar los acuíferos, en lugar de contribuir a la escorrentía y las inundaciones. [85]
Los hormigones poliméricos son mezclas de agregados y cualquiera de varios polímeros y pueden estar reforzados. El cemento es más caro que los cementos a base de cal, pero los hormigones poliméricos tienen ventajas; Tienen una resistencia a la tracción significativa incluso sin refuerzo y son en gran medida impermeables al agua. Los hormigones poliméricos se utilizan con frecuencia para la reparación y construcción de otras aplicaciones, como drenajes.
El hormigón volcánico sustituye la piedra caliza por roca volcánica que se quema para formar clínker. Consume una cantidad similar de energía, pero no emite carbono directamente como subproducto. [86] Las rocas y cenizas volcánicas se utilizan como materiales cementosos suplementarios en el hormigón para mejorar la resistencia a la reacción de sulfato, cloruro y sílice alcalina debido al refinamiento de los poros. [87] Además, generalmente son rentables en comparación con otros agregados, [88] buenos para hormigones semi y livianos, [88] y buenos para el aislamiento térmico y acústico. [88]
Los materiales piroclásticos, como la piedra pómez, la escoria y las cenizas, se forman a partir del magma que se enfría durante erupciones volcánicas explosivas. Se utilizan como materiales cementantes suplementarios (SCM) o como áridos para cementos y hormigones. [89] Se han utilizado ampliamente desde la antigüedad para producir materiales para aplicaciones de construcción. Por ejemplo, se añadió piedra pómez y otros vidrios volcánicos como material puzolánico natural para morteros y yesos durante la construcción de la Villa San Marco en la época romana (89 a. C. – 79 d. C.), que sigue siendo uno de los otium villae mejor conservados de la Bahía de Nápoles en Italia. [90]
La luz residual es una forma de hormigón modificado con polímeros. La mezcla polimérica específica permite la sustitución de todos los áridos tradicionales (grava, arena, piedra) por cualquier mezcla de materiales de desecho sólidos con un tamaño de grano de 3 a 10 mm para formar una baja resistencia a la compresión (3 a 20 N/mm). 2 ) producto [91] para la construcción de carreteras y edificios. Un metro cúbico de hormigón ligero residual contiene entre 1,1 y 1,3 m 3 de residuos triturados y ningún otro árido.
El hormigón de azufre es un hormigón especial que utiliza azufre como aglutinante y no requiere cemento ni agua.
El hormigón tiene una resistencia a la compresión relativamente alta , pero una resistencia a la tracción mucho menor . [92] Por lo tanto, generalmente se refuerza con materiales que son fuertes en tensión (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 se contrae a medida que madura. Todas las estructuras de hormigón se agrietan hasta cierto punto debido a la contracción y la tensión. El hormigón sometido a fuerzas de larga duración es propenso a deformarse .
Se pueden realizar pruebas para garantizar que las propiedades del concreto corresponden a las especificaciones para la aplicación.
Los ingredientes afectan la resistencia del material. Los valores de resistencia del concreto generalmente se especifican como la resistencia a la compresión del límite inferior de una muestra cilíndrica o cúbica, según lo determinado por procedimientos de prueba estándar.
La resistencia del hormigón viene dictada por su función. Se puede usar concreto de muy baja resistencia (14 MPa (2000 psi) o menos) cuando el concreto debe ser liviano. [93] El hormigón liviano a menudo se logra agregando aire, espumas o agregados livianos, con el efecto secundario de que se reduce la resistencia. Para la mayoría de los usos rutinarios, se suele utilizar hormigón de 20 a 32 MPa (2900 a 4600 psi). El hormigón de 40 MPa (5800 psi) está disponible comercialmente como una opción más duradera, aunque más cara. A menudo se utiliza hormigón de mayor resistencia para proyectos civiles más grandes. [94] Las resistencias superiores a 40 MPa (5800 psi) se utilizan a menudo para elementos de construcción específicos. Por ejemplo, las columnas del piso inferior de edificios de hormigón de gran altura pueden utilizar hormigón de 80 MPa (11.600 psi) o más, para mantener pequeño el tamaño de las columnas. Los puentes pueden utilizar vigas largas de hormigón de alta resistencia para reducir el número de vanos necesarios. [95] [96] Ocasionalmente, otras necesidades estructurales pueden requerir hormigón de alta resistencia. Si una estructura debe ser muy rígida, se puede especificar hormigón de muy alta resistencia, incluso mucho más fuerte de lo necesario para soportar las cargas de servicio. Por estos motivos se han utilizado comercialmente resistencias de hasta 130 MPa (18.900 psi). [95]
El cemento producido para fabricar hormigón representa aproximadamente el 8% de las emisiones mundiales de CO 2 al año (en comparación, por ejemplo , con el 1,9% de la aviación mundial). [97] [98] Las dos fuentes más importantes de CO 2 son producidas por el proceso de fabricación del cemento, y surgen de (1) la reacción de descarbonatación de la piedra caliza en el horno de cemento (T ≈ 950 °C) y (2) de la combustión. de combustible fósil para alcanzar la temperatura de sinterización (T ≈ 1450 °C) del clínker de cemento en el horno. La energía necesaria para extraer, triturar y mezclar las materias primas ( áridos de construcción utilizados en la producción de hormigón, así como piedra caliza y arcilla que alimentan el horno de cemento ) es menor. El requerimiento de energía para el transporte de concreto premezclado también es menor porque se produce cerca del sitio de construcción a partir de recursos locales, generalmente fabricados dentro de un radio de 100 kilómetros del lugar de trabajo. [99] La energía total incorporada del hormigón, de aproximadamente 1 a 1,5 megajulios por kilogramo, es, por lo tanto, menor que la de muchos materiales estructurales y de construcción. [100]
Una vez colocado, el hormigón ofrece una gran eficiencia energética durante la vida útil de un edificio. [101] Las paredes de hormigón pierden aire mucho menos que las hechas con marcos de madera. [102] Las fugas de aire representan un gran porcentaje de la pérdida de energía de un hogar. Las propiedades de masa térmica del hormigón aumentan la eficiencia de los edificios residenciales y comerciales. Al almacenar y liberar la energía necesaria para calentar o enfriar, la masa térmica del concreto ofrece beneficios durante todo el año al reducir los cambios de temperatura en el interior y minimizar los costos de calefacción y refrigeración. [103] Mientras que el aislamiento reduce la pérdida de energía a través de la envolvente del edificio, la masa térmica utiliza las paredes para almacenar y liberar energía. Los sistemas de muros de hormigón modernos utilizan tanto aislamiento externo como masa térmica para crear un edificio energéticamente eficiente. Los encofrados de hormigón aislante (ICF) son bloques o paneles huecos hechos de espuma aislante o rastra que se apilan para dar forma a las paredes de un edificio y luego se rellenan con hormigón armado para crear la estructura.
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Los edificios de hormigón son más resistentes al fuego que los construidos con estructuras de acero, ya que el hormigón tiene una menor conductividad térmica que el acero y, por tanto, puede durar más en las mismas condiciones de incendio. A veces se utiliza hormigón como protección contra incendios para estructuras de acero, con el mismo efecto que el anterior. El hormigón como escudo contra incendios, por ejemplo Fondu fyre , también se puede utilizar en entornos extremos como una plataforma de lanzamiento de misiles.
Las opciones para la construcción no combustible incluyen pisos, techos y tejados de hormigón prefabricado de núcleo hueco y moldeado in situ. Para muros, la tecnología de mampostería de concreto y los encofrados de concreto aislante (ICF) son opciones adicionales. Los ICF son bloques o paneles huecos hechos de espuma aislante ignífuga que se apilan para formar las paredes de un edificio y luego se rellenan con hormigón armado para crear la estructura.
El hormigón también proporciona una buena resistencia contra fuerzas aplicadas externamente, como fuertes vientos, huracanes y tornados, debido a su rigidez lateral, que da como resultado un movimiento horizontal mínimo. Sin embargo, esta rigidez puede funcionar en contra de ciertos tipos de estructuras de hormigón, particularmente cuando se requiere una estructura de flexión relativamente mayor para resistir fuerzas más extremas.
Como se mencionó anteriormente, el concreto es muy resistente a la compresión, pero débil a la tracción. Los terremotos más grandes pueden generar cargas de corte muy grandes en las estructuras. Estas cargas de corte someten la estructura a cargas tanto de tracción como de compresión. Las estructuras de hormigón sin refuerzo, al igual que otras estructuras de mampostería no reforzadas, pueden fallar durante un terremoto severo. Las estructuras de mampostería no reforzadas constituyen uno de los mayores riesgos de terremotos a nivel mundial. [104] Estos riesgos pueden reducirse mediante la modernización sísmica de los edificios en riesgo (por ejemplo, edificios escolares en Estambul, Turquía). [105]
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El hormigón es uno de los materiales de construcción más duraderos. Proporciona una resistencia al fuego superior en comparación con la construcción de madera y gana resistencia con el tiempo. Las estructuras de hormigón pueden tener una larga vida útil. [106] El hormigón se utiliza más que cualquier otro material artificial en el mundo. [107] En 2006, se fabricaban alrededor de 7,5 mil millones de metros cúbicos de hormigón cada año, más de un metro cúbico por cada persona en la Tierra. [108]
El uso de refuerzo, en forma de hierro, fue introducido en la década de 1850 por el industrial francés François Coignet, y no fue hasta la década de 1880 que el ingeniero civil alemán GA Wayss utilizó acero como refuerzo. El hormigón es un material relativamente frágil que es fuerte bajo compresión pero menos bajo tensión. El hormigón simple y no reforzado no es adecuado para muchas estructuras, ya que es relativamente pobre para soportar tensiones inducidas por vibraciones, cargas de viento, etc. Por lo tanto, para aumentar su resistencia general, se pueden incrustar varillas de acero, alambres, mallas o cables en el hormigón antes de fraguar. Este refuerzo, a menudo conocido como barra de refuerzo, resiste fuerzas de tracción. [110]
El hormigón armado (CR) es un compuesto versátil y uno de los materiales más utilizados en la construcción moderna. Está formado por diferentes materiales constituyentes con propiedades muy diferentes que se complementan entre sí. En el caso del hormigón armado, los materiales que lo componen casi siempre son hormigón y acero. Estos dos materiales forman una fuerte unión y son capaces de resistir una variedad de fuerzas aplicadas, actuando efectivamente como un único elemento estructural. [111]
El hormigón armado puede ser hormigón prefabricado o moldeado in situ (in situ) y se utiliza en una amplia gama de aplicaciones como; Construcción de losas, paredes, vigas, columnas, cimientos y marcos. El refuerzo generalmente se coloca en áreas del concreto que probablemente estén sujetas a tensión, como la parte inferior de las vigas. Por lo general, hay un recubrimiento mínimo de 50 mm, tanto por encima como por debajo del refuerzo de acero, para resistir el desconchado y la corrosión que pueden provocar inestabilidad estructural. [110] Otros tipos de refuerzo no metálico, como los hormigones reforzados con fibras, se utilizan para aplicaciones especializadas, principalmente como medio para controlar el agrietamiento. [111]
El hormigón prefabricado es hormigón que se vierte en un lugar para su uso en otro lugar y es un material móvil. La mayor parte de la producción de prefabricados se realiza en obras de proveedores especializados, aunque en algunos casos, por factores económicos y geográficos, escala del producto o dificultad de acceso, los elementos se vierten en la obra o adyacentes a ella. [112] La prefabricación ofrece ventajas considerables porque se lleva a cabo en un ambiente controlado, protegido de los elementos, pero la desventaja es la contribución a las emisiones de gases de efecto invernadero provenientes del transporte hasta el sitio de construcción. [111]
Ventajas que se pueden conseguir empleando elementos prefabricados de hormigón: [112]
Debido a la reacción química exotérmica del cemento durante su fraguado, las grandes estructuras de hormigón, como presas , esclusas de navegación , grandes cimientos de losa y grandes rompeolas , generan calor excesivo durante la hidratación y la expansión asociada. Para mitigar estos efectos, comúnmente se aplica postenfriamiento [113] durante la construcción. Un ejemplo temprano en la presa Hoover utilizó una red de tuberías entre colocaciones verticales de concreto para hacer circular agua de enfriamiento durante el proceso de curado para evitar un sobrecalentamiento dañino. Todavía se utilizan sistemas similares; Dependiendo del volumen del vertido, la mezcla de concreto utilizada y la temperatura del aire ambiente, el proceso de enfriamiento puede durar muchos meses después de colocar el concreto. También se utilizan varios métodos para preenfriar la mezcla de hormigón en estructuras de hormigón en masa. [113]
Otro enfoque para las estructuras de hormigón en masa que minimiza el subproducto térmico del cemento es el uso de hormigón compactado con rodillo , que utiliza una mezcla seca que tiene un requisito de enfriamiento mucho menor que la colocación húmeda convencional. Se deposita en capas gruesas como un material semiseco y luego se compacta con rodillo hasta obtener una masa densa y fuerte.
Las superficies de hormigón en bruto tienden a ser porosas y a tener una apariencia relativamente poco interesante. Se pueden aplicar muchos acabados para mejorar la apariencia y preservar la superficie contra manchas, penetración de agua y congelación.
Ejemplos de apariencia mejorada incluyen concreto estampado donde el concreto húmedo tiene un patrón impreso en la superficie, para dar un efecto pavimentado, adoquinado o similar a un ladrillo, y puede ir acompañado de coloración. Otro efecto popular para pisos y mesas es el concreto pulido , donde el concreto se pule ópticamente hasta quedar plano con abrasivos de diamante y se sella con polímeros u otros selladores.
Otros acabados se pueden conseguir con cincelado, o técnicas más convencionales como pintarlo o recubrirlo con otros materiales.
El tratamiento adecuado de la superficie del hormigón, y por tanto de sus características, es una etapa importante en la construcción y renovación de estructuras arquitectónicas. [114]
El hormigón pretensado es una forma de hormigón armado que genera tensiones de compresión durante la construcción para oponerse a las tensiones de tracción experimentadas en el uso. Esto puede reducir en gran medida el peso de vigas o losas, al distribuir mejor las tensiones en la estructura para aprovechar al máximo el refuerzo. Por ejemplo, una viga horizontal tiende a combarse. Esto lo contrarresta el refuerzo pretensado a lo largo de la parte inferior de la viga. En el hormigón pretensado, el pretensado se logra mediante el uso de tendones o barras de acero o polímero que se someten a una fuerza de tracción antes del colado, o en el caso del hormigón postensado, después del colado.
Se utilizan dos sistemas diferentes: [111]
Más de 55.000 millas (89.000 kilómetros) de carreteras en Estados Unidos están pavimentadas con este material. El hormigón armado , el hormigón pretensado y el hormigón prefabricado son los tipos de ampliaciones funcionales de hormigón más utilizados en la actualidad. Para más información véase Arquitectura brutalista .
Una vez mezclado, el hormigón normalmente se transporta al lugar donde se pretende que se convierta en un elemento estructural. Se utilizan varios métodos de transporte y colocación dependiendo de las distancias, la cantidad necesaria y otros detalles de la aplicación. A menudo, grandes cantidades se transportan en camión, se vierten libremente por gravedad o mediante un tremie , o se bombean a través de una tubería. Se pueden transportar cantidades más pequeñas en un contenedor (un contenedor de metal que se puede inclinar o abrir para liberar el contenido, generalmente transportado mediante grúa o polipasto), o en una carretilla, o en bolsas basculantes para colocarlas manualmente bajo el agua.
Las condiciones climáticas extremas (calor o frío extremos, condiciones de viento y variaciones de humedad) pueden alterar significativamente la calidad del concreto. Se observan muchas precauciones en la colocación en climas fríos. [115] Las bajas temperaturas ralentizan significativamente las reacciones químicas involucradas en la hidratación del cemento, afectando así el desarrollo de la resistencia. Prevenir la congelación es la precaución más importante, ya que la formación de cristales de hielo puede dañar la estructura cristalina de la pasta de cemento hidratada. Si la superficie del hormigón vertido está aislada de las temperaturas exteriores, el calor de hidratación evitará la congelación.
La definición de colocación en clima frío del American Concrete Institute (ACI), ACI 306, [116] es:
En Canadá , donde las temperaturas tienden a ser mucho más bajas durante la estación fría, CSA A23.1 utiliza los siguientes criterios :
La resistencia mínima antes de exponer el concreto a un frío extremo es de 500 psi (3,4 MPa). CSA A 23.1 especificaba una resistencia a la compresión de 7,0 MPa para considerarse segura para la exposición al congelamiento.
El hormigón se puede colocar y curar bajo el agua. Se debe tener cuidado en el método de colocación para evitar que el cemento se lave. Los métodos de colocación bajo el agua incluyen el tremie , el bombeo, la colocación de saltadores, la colocación manual usando bolsas de palanca y el trabajo con bolsas. [117]
El agregado inyectado es un método alternativo para formar una masa de concreto bajo el agua, donde los encofrados se llenan con agregado grueso y los huecos luego se llenan completamente con lechada bombeada . [117]
Las carreteras de hormigón ahorran más combustible para conducir, [118] son más reflectantes y duran mucho más que otras superficies de pavimentación, pero tienen una participación de mercado mucho menor que otras soluciones de pavimentación. Los métodos de pavimentación y las prácticas de diseño modernos han cambiado la economía de la pavimentación con concreto, de modo que un pavimento de concreto bien diseñado y colocado será menos costoso en términos de costos iniciales y significativamente menos costoso a lo largo del ciclo de vida. Otro beneficio importante es que se puede utilizar concreto permeable , lo que elimina la necesidad de colocar drenajes pluviales cerca de la carretera y reduce la necesidad de calzadas ligeramente inclinadas para ayudar a que escurra el agua de lluvia. Ya no es necesario desechar el agua de lluvia mediante el uso de desagües, lo que también significa que se necesita menos electricidad (de lo contrario, se necesitaría más bombeo en el sistema de distribución de agua) y el agua de lluvia no se contamina porque ya no se mezcla con agua contaminada. Más bien, el suelo lo absorbe inmediatamente. [ cita necesaria ]
La fabricación y el uso del hormigón producen una amplia gama de impactos ambientales, económicos y sociales.
La molienda de hormigón puede producir polvo peligroso . La exposición al polvo de cemento puede provocar problemas como silicosis , enfermedades renales, irritación de la piel y efectos similares. El Instituto Nacional de Seguridad y Salud Ocupacional de los Estados Unidos recomienda colocar cubiertas de ventilación de escape local en las trituradoras de concreto eléctricas para controlar la propagación de este polvo. Además, la Administración de Salud y Seguridad Ocupacional (OSHA) ha impuesto regulaciones más estrictas a las empresas cuyos trabajadores entran regularmente en contacto con polvo de sílice. Una norma actualizada sobre sílice, que OSHA puso en vigor el 23 de septiembre de 2017 para las empresas de construcción, restringió la cantidad de sílice cristalina respirable con la que los trabajadores podían entrar legalmente en contacto a 50 microgramos por metro cúbico de aire por jornada laboral de 8 horas. Esa misma norma entró en vigor el 23 de junio de 2018 para la industria general, fracturación hidráulica y marítima. Ese plazo se amplió hasta el 23 de junio de 2021 para los controles de ingeniería en la industria de la fracturación hidráulica. Las empresas que no cumplan con las estrictas normas de seguridad pueden enfrentarse a cargas financieras y sanciones importantes. La presencia de algunas sustancias en el hormigón, incluidos aditivos útiles y no deseados, puede causar problemas de salud debido a la toxicidad y la radiactividad. El concreto fresco (antes de que se complete el curado) es altamente alcalino y debe manipularse con el equipo de protección adecuado.
Un componente importante del hormigón es el cemento , un polvo fino que se utiliza principalmente para unir arena y agregados más gruesos en el hormigón. Aunque existe una variedad de tipos de cemento, el más común es el " cemento Portland ", que se produce mezclando clinker con cantidades más pequeñas de otros aditivos como yeso y piedra caliza molida. La producción de clinker, principal componente del cemento, es responsable de la mayor parte de las emisiones de gases de efecto invernadero del sector, incluidas tanto la intensidad energética como las emisiones de los procesos. [119]
La industria del cemento es uno de los tres principales productores de dióxido de carbono, uno de los principales gases de efecto invernadero; los otros dos son las industrias de producción de energía y transporte. En promedio, cada tonelada de cemento producida libera a la atmósfera una tonelada de CO2 . Los fabricantes pioneros de cemento han afirmado que alcanzan intensidades de carbono más bajas, con 590 kg de CO 2 eq por tonelada de cemento producido. [120] Las emisiones se deben a procesos de combustión y calcinación, [121] que representan aproximadamente el 40% y el 60% de los gases de efecto invernadero, respectivamente. Teniendo en cuenta que el cemento es sólo una fracción de los componentes del hormigón, se estima que una tonelada de hormigón es responsable de emitir entre 100 y 200 kg de CO 2 . [122] [123] Cada año se utilizan más de 10 mil millones de toneladas de hormigón en todo el mundo. [123] En los próximos años se seguirán utilizando grandes cantidades de hormigón y la mitigación de las emisiones de CO 2 del sector será aún más crítica.
El hormigón se utiliza para crear superficies duras que contribuyen a la escorrentía superficial , lo que puede causar una fuerte erosión del suelo, contaminación del agua e inundaciones, pero a la inversa se puede utilizar para desviar, represar y controlar inundaciones. El polvo de hormigón liberado por la demolición de edificios y los desastres naturales puede ser una fuente importante de contaminación atmosférica peligrosa . El hormigón contribuye al efecto isla de calor urbano , aunque menos que el asfalto .
La reducción del contenido de clinker de cemento podría tener efectos positivos en la evaluación del ciclo de vida ambiental del hormigón. Ya se han llevado a cabo algunos trabajos de investigación para reducir el contenido de clínker de cemento en el hormigón. Sin embargo, existen diferentes estrategias de investigación. A menudo se investigaba la sustitución de parte del clinker por grandes cantidades de escoria o cenizas volantes basándose en la tecnología del hormigón convencional. Esto podría provocar un desperdicio de materias primas escasas, como escorias y cenizas volantes. El objetivo de otras actividades de investigación es el uso eficiente del cemento y materiales reactivos como escorias y cenizas volantes en el hormigón basándose en un enfoque de diseño de mezcla modificado. [124]
El carbono incorporado de una fachada de hormigón prefabricado se puede reducir en un 50% cuando se utiliza el hormigón de alto rendimiento reforzado con fibra presentado en lugar del típico revestimiento de hormigón armado. [125]
Se han realizado estudios sobre la comercialización de hormigones bajos en carbono. La evaluación del ciclo de vida (LCA) del hormigón bajo en carbono se investigó de acuerdo con las proporciones de reemplazo de escoria granulada de alto horno (GGBS) y cenizas volantes (FA). El potencial de calentamiento global (GWP) de GGBS disminuyó en 1,1 kg CO 2 eq/m 3 , mientras que los FA disminuyeron en 17,3 kg CO 2 eq/m 3 cuando la proporción de reemplazo de la mezcla mineral se incrementó en un 10 %. Este estudio también comparó las propiedades de resistencia a la compresión del concreto mezclado binario con bajo contenido de carbono de acuerdo con las proporciones de reemplazo, y se derivó el rango aplicable de proporciones de mezcla. [126]
Los materiales de construcción de alto rendimiento serán particularmente importantes para mejorar la resiliencia, incluso para las defensas contra inundaciones y la protección de infraestructuras críticas. Los riesgos para la infraestructura y las ciudades que plantean los fenómenos meteorológicos extremos son especialmente graves en aquellos lugares expuestos a inundaciones y daños por huracanes, pero también donde los residentes necesitan protección contra las temperaturas extremas del verano. El hormigón tradicional puede sufrir tensiones cuando se expone a la humedad y a concentraciones más altas de CO 2 atmosférico . Si bien es probable que el hormigón siga siendo importante en aplicaciones en las que el entorno plantea desafíos, también se necesitan materiales novedosos, más inteligentes y más adaptables. [123] [127]
El hormigón puede resultar dañado por muchos procesos, como la expansión de los productos de corrosión de las barras de refuerzo de acero , la congelación del agua atrapada, el fuego o el calor radiante, la expansión de los agregados, los efectos del agua de mar, la corrosión bacteriana, la lixiviación, la erosión por agua de flujo rápido, Daño físico y daño químico (por carbonatación , cloruros, sulfatos y agua destilada). [128] Los microhongos Aspergillus alternaria y Cladosporium pudieron crecer en muestras de hormigón utilizadas como barrera de residuos radiactivos en el reactor de Chernobyl ; lixiviación de aluminio, hierro, calcio y silicio. [129]
Con diferencia, el método más común para reciclar el hormigón seco y endurecido consiste en triturarlo. A menudo se instalan clasificadoras y trituradoras móviles en las obras de construcción para permitir el procesamiento in situ. En otras situaciones, se establecen sitios de procesamiento específicos, que generalmente pueden producir agregados de mayor calidad. Los tamices se utilizan para lograr el tamaño de partícula deseado y eliminar la suciedad, las partículas extrañas y el material fino del agregado grueso. [130] [131]
El récord mundial del mayor vertido de hormigón en un solo proyecto lo tiene la presa de las Tres Gargantas en la provincia de Hubei, China, de la Corporación de las Tres Gargantas. La cantidad de hormigón utilizado en la construcción de la presa se estima en 16 millones de metros cúbicos en 17 años. El récord anterior lo tenía la central hidroeléctrica de Itaipú, en Brasil, con 12,3 millones de metros cúbicos. [132] [133] [134]
El récord mundial de bombeo de hormigón se estableció el 7 de agosto de 2009 durante la construcción del Proyecto Hidroeléctrico Parbati , cerca de la aldea de Suind, Himachal Pradesh , India, cuando la mezcla de hormigón se bombeó a través de una altura vertical de 715 m (2346 pies). [135] [136]
Las obras de la presa de Polavaram en Andhra Pradesh entraron el 6 de enero de 2019 en el Libro Guinness de los Récords al verter 32.100 metros cúbicos de hormigón en 24 horas. [137] El récord mundial de la mayor balsa de hormigón vertido continuamente se logró en agosto de 2007 en Abu Dhabi por la empresa contratista Al Habtoor-CCC Joint Venture y el proveedor de hormigón es Unibeton Ready Mix. [138] [139] El vertido (una parte de los cimientos de la Landmark Tower de Abu Dhabi ) fue de 16.000 metros cúbicos de hormigón vertido en un período de dos días. [140] El récord anterior, 13.200 metros cúbicos vertidos en 54 horas a pesar de una severa tormenta tropical que obligó a cubrir el sitio con lonas para permitir que continuaran los trabajos, fue logrado en 1992 por los consorcios conjuntos japonés y surcoreano Hazama Corporation y Samsung C&T. Corporación para la construcción de las Torres Petronas en Kuala Lumpur , Malasia . [141]
El récord mundial del piso de concreto vertido continuamente más grande se logró el 8 de noviembre de 1997 en Louisville , Kentucky, por la firma de diseño y construcción EXXCEL Project Management. La colocación monolítica consistió en 225.000 pies cuadrados (20.900 m 2 ) de hormigón colocado en 30 horas, acabado con una tolerancia de planitud de F F 54,60 y una tolerancia de nivelación de F L 43,83. Esto superó el récord anterior en un 50% en volumen total y un 7,5% en superficie total. [142] [143]
El récord del vertido de hormigón submarino colocado continuamente más grande se completó el 18 de octubre de 2010, en Nueva Orleans, Luisiana, por el contratista CJ Mahan Construction Company, LLC de Grove City, Ohio. La colocación consistió en 10,251 yardas cúbicas de concreto colocadas en 58,5 horas utilizando dos bombas de concreto y dos plantas dosificadoras de concreto dedicadas. Una vez curado, esta colocación permite que la ataguía de 50.180 pies cuadrados (4.662 m 2 ) se drene aproximadamente a 26 pies (7,9 m) por debajo del nivel del mar para permitir que la construcción del proyecto de monolito y alféizar del canal de navegación del puerto interior se complete en el seco. [144]
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