La incorporación de aire en el hormigón es la creación intencional de pequeñas burbujas de aire en un lote mediante la adición de un agente incorporador de aire durante la mezcla. Se trata de una forma de surfactante (una sustancia tensioactiva que, en este caso, reduce la tensión superficial entre el agua y los sólidos) que permite que se formen burbujas del tamaño deseado. Estas se crean durante la mezcla del hormigón (mientras la lechada está en estado líquido) y la mayoría sobrevive para seguir formando parte de ella cuando se endurece.
La incorporación de aire hace que el hormigón sea más trabajable [1] durante su colocación y aumenta su durabilidad cuando se endurece, particularmente en climas sujetos a ciclos de congelación y descongelación . [2] También mejora la trabajabilidad del hormigón. [2]
A diferencia del hormigón celular , que se fabrica introduciendo burbujas de aire estables mediante el uso de un agente espumante, que es ligero (tiene menor densidad) y se utiliza habitualmente para aislar o rellenar huecos, el hormigón con aire incorporado tiene pequeños huecos de aire distribuidos uniformemente introducidos a través de aditivos para mejorar la durabilidad, la trabajabilidad y la resistencia a los ciclos de congelación y descongelación sin reducir significativamente su densidad general y sin impacto negativo en sus propiedades mecánicas, lo que permite su uso en objetos como puentes [3] o carreteras construidas con hormigón compactado con rodillo. [4] Otra diferencia es el proceso de fabricación: el hormigón celular implica la creación de una mezcla de espuma por separado, que luego se mezcla con cemento, arena y agua para formar el producto final, mientras que el hormigón con aire incorporado se produce añadiendo aditivos o mezclas especializadas directamente a la mezcla de hormigón durante la mezcla para crear pequeñas burbujas de aire en toda la mezcla. [5]
Aproximadamente el 85% de la fabricación de hormigón en los Estados Unidos contiene agentes incorporadores de aire, que se consideran el quinto ingrediente en la tecnología de fabricación de hormigón. [6]
La incorporación de aire es beneficiosa para las propiedades tanto del hormigón fresco como del endurecido. [7] En el hormigón fresco, la incorporación de aire mejora la trabajabilidad y facilita su manipulación y bombeo. También ayuda a prevenir el sangrado y la segregación, procesos no deseados que pueden ocurrir durante la mezcla. En el hormigón endurecido, la incorporación de aire fortalece el material al hacerlo más capaz de soportar ciclos de congelación y descongelación. [8] [9] También aumenta su resistencia al agrietamiento, mejora la durabilidad contra daños por fuego y mejora la resistencia general. Por lo tanto, agregar aire al hormigón cuando se está fabricando lo hace más fácil de manipular al principio, pero luego lo ayuda a mantenerse fuerte incluso en condiciones difíciles como temperaturas bajo cero o exposición al fuego. [10]
Las pequeñas burbujas de aire presentes en el hormigón con aire incorporado actúan como amortiguación interna, absorbiendo energía durante el impacto y aumentando la resistencia a fuerzas físicas como golpes o vibraciones. Esta resistencia mejorada al impacto ayuda a minimizar el daño superficial y a prevenir la propagación de grietas o roturas, aumentando así la durabilidad general. Además, los huecos de aire, que actúan como zonas de alivio de presión, permiten la expansión del agua o la humedad durante los ciclos de congelación y descongelación sin causar tensiones internas ni agrietamiento posterior. [2] [8]
Aunque el hormigón endurecido parece un sólido compacto, en realidad es muy poroso ( porosidad típica del hormigón : ~ 6 – 12 % en volumen), con pequeños capilares resultantes de la evaporación del agua que excede la necesaria para la reacción de hidratación . Se requiere una relación agua- cemento (a/c) de aproximadamente 0,38 (esto significa 38 libras de agua por cada 100 libras de cemento) para que todas las partículas de cemento se hidraten. El agua que excede esa cantidad es excedente y se utiliza para hacer que el hormigón plástico sea más trabajable o fluya más fácilmente o sea menos viscoso. Para lograr un asentamiento adecuado para que sea trabajable, la mayoría del hormigón tiene una relación a/c de 0,45 a 0,60 en el momento de la colocación, lo que significa que hay un exceso sustancial de agua que no reaccionará con el cemento. Cuando el exceso de agua se evapora, deja pequeños poros en su lugar. El agua ambiental puede llenar más tarde estos huecos a través de la acción capilar . Durante los ciclos de congelación y descongelación , el agua que ocupa esos poros se expande y crea tensiones de tracción que dan lugar a pequeñas grietas. Estas grietas permiten que entre más agua en el hormigón y se agrandan. Con el tiempo, el hormigón se descascara y se desprenden trozos. La falla del hormigón armado se debe con mayor frecuencia a este ciclo, que se acelera cuando la humedad llega al acero de refuerzo, lo que hace que se oxide , se expanda, genere más grietas, deje entrar más agua y agrave el ciclo de descomposición.
La retención de aire es un proceso que debe controlarse estrictamente para evitar la retención natural, es decir, la presencia no intencional o indeseable de espacios de aire en el hormigón, causada por factores como una mezcla inadecuada o una consolidación insuficiente, que pueden conducir a una reducción de la resistencia y la durabilidad debido a tamaños y ubicaciones inconsistentes de los espacios de aire, haciéndolo menos deseable para lograr propiedades de rendimiento específicas del hormigón. [11]
Diversos materiales pueden afectar las propiedades del aditivo incorporador de aire de diversas maneras.
Las cenizas volantes, un material cementante complementario, mejoran la compactación de la pasta debido a sus partículas más pequeñas, lo que da como resultado un mejor flujo y acabado del hormigón. La menor gravedad específica de las cenizas volantes aumenta el contenido de pasta para una determinada relación agua-material cementante (a/cm) en comparación con el cemento Portland común. Los diferentes tipos de cenizas volantes requieren ajustes en la dosificación del aditivo incorporador de aire debido a las variaciones en sus composiciones químicas y características de pérdida de aire. Las cenizas volantes de clase F suelen requerir niveles más altos de aditivo para mantener los niveles deseados de aire incorporado en comparación con las cenizas volantes de clase C. [12]
El humo de sílice es otro material que influye en el hormigón con aire incorporado. Su fino tamaño de partícula y su lisura requieren dosis más altas de aditivo incorporador de aire que los hormigones tradicionales sin humo de sílice. [12]
El cemento de escoria contribuye a un mejor empaque y a una mayor fracción de volumen de pasta debido a su menor gravedad específica que el cemento Portland común. [12]
La inclusión de puzolanas naturales como ceniza de cáscara de arroz o metacaolín afecta la finura y la composición, lo que influye aún más en la dosis requerida de aditivos incorporadores de aire en hormigones mixtos que contienen estos materiales. [12]
Las burbujas de aire suelen tener un diámetro de 10 a 500 micrómetros (0,0004 a 0,02 pulgadas ) y están muy juntas. Los huecos que crean se pueden comprimir un poco, lo que actúa para reducir o absorber las tensiones de congelación. La incorporación de aire se introdujo en la década de 1930 y la mayoría del hormigón moderno, especialmente si se somete a temperaturas de congelación, está incorporado al aire. Las burbujas contribuyen a la trabajabilidad al actuar como una especie de lubricante para todos los agregados y las partículas de arena grandes en una mezcla de hormigón.
Además del aire atrapado intencionalmente, el hormigón endurecido también suele contener cierta cantidad de aire atrapado. Se trata de burbujas más grandes que crean espacios vacíos más grandes, conocidos como "panal de abeja", y generalmente están distribuidos de manera menos uniforme que el aire atrapado. La colocación adecuada del hormigón, que a menudo incluye vibración para asentarlo en su lugar y expulsar el aire atrapado, en particular en los encofrados de las paredes, es esencial para minimizar el aire atrapado perjudicial.
El uso de cenizas volantes, un subproducto de la combustión de carbón, como aditivo en la producción de hormigón es una práctica común debido a sus beneficios ambientales y de costo. Aun así, el carbono residual en las cenizas volantes puede interferir con los aditivos incorporadores de aire (AEA) [13] añadidos para mejorar la incorporación de aire en el hormigón para mejorar la trabajabilidad y la resistencia contra las condiciones de congelación y descongelación. [14] Este problema se ha vuelto más pronunciado con la implementación de tecnologías de combustión de bajo NOx. Existen mecanismos detrás de las interacciones entre los AEA y las cenizas volantes en las mezclas de hormigón, relacionados con los efectos del carbono residual. La cantidad de carbono y sus propiedades, como el tamaño de las partículas y la química de la superficie, afectan la capacidad de adsorción de los AEA. El tipo de combustible utilizado durante la combustión afecta tanto la cantidad como las propiedades del carbono residual presente. Las cenizas volantes derivadas del carbón bituminoso generalmente tienen un mayor contenido de carbono que las producidas a partir de carbón subbituminoso o lignito , pero exhiben una menor capacidad de adsorción de AEA por masa de carbono. Se utilizan diferentes métodos de postratamiento para mejorar la calidad de las cenizas volantes para su uso en hormigón. Técnicas como la ozonización , el tratamiento térmico y la limpieza física han demostrado ser prometedoras para mejorar el rendimiento. [15]
El arrastre de aire se descubrió por accidente a mediados de la década de 1930. [2] En ese momento, los fabricantes de cemento usaban un coadyuvante de molienda para mejorar el proceso de molienda del cemento. Este coadyuvante de molienda era una mezcla de varios productos químicos, incluidas sales de resina de madera, que se añadían al cemento durante el proceso de molienda. Durante los experimentos, los investigadores notaron que la adición de este coadyuvante de molienda hacía que el hormigón resultante exhibiera propiedades únicas específicas. En concreto, observaron que el hormigón contenía pequeñas burbujas de aire dispersas por toda su estructura, lo que mejoraba significativamente su durabilidad y resistencia a la congelación y la descongelación. Se llevaron a cabo más investigaciones para comprender este fenómeno, lo que llevó a la conclusión de que el coadyuvante de molienda era responsable de arrastrar aire en el hormigón. Este descubrimiento accidental finalmente llevó a que el arrastre de aire intencional se convirtiera en una práctica estándar en la producción de hormigón. [2] Desde entonces, el hormigón con aire incorporado se ha convertido en una práctica estándar en lugar de una excepción, especialmente en climas fríos. [16] [17]
Se han desarrollado y estudiado ampliamente agentes incorporadores de aire (AEA) para mejorar la resistencia contra el daño por congelación y descongelación causado tanto por el estrés interno como por la formación de incrustaciones de sal. [2] [13]
Los polímeros superabsorbentes (SAP) tienen el potencial de reemplazar a los agentes incorporadores de aire tradicionales (AEA) en el hormigón, ya que pueden crear sistemas de poros estables que funcionan de manera similar a los espacios vacíos de aire introducidos por los AEA. Las partículas de SAP absorben agua durante la mezcla y forman inclusiones estables llenas de agua en el hormigón fresco. A medida que el cemento se hidrata y sufre una contracción química, los poros de la pasta de cemento que se endurece vacían su contenido de agua. Las partículas de SAP liberan el agua absorbida para compensar esta contracción, mitigando eficazmente la contracción autógena y reduciendo el riesgo de agrietamiento. Estos poros creados por SAP actúan como espacios vacíos similares a los generados por los AEA, mejorando la resistencia al ciclo de congelación y descongelación y la durabilidad. A diferencia de los AEA, que pueden perder una parte del aire incorporado debido a factores como las largas duraciones de transporte o las altas temperaturas ambientales, el sistema de poros de SAP permanece estable independientemente de la consistencia, la adición de superplastificante o el método de colocación. SAP es una alternativa confiable para lograr la incorporación controlada de aire en la construcción de hormigón. Al utilizar SAP en lugar de los AEA tradicionales, los profesionales de la construcción pueden mejorar la resistencia al congelamiento y descongelamiento sin preocuparse por perder una parte significativa de las burbujas de aire arrastradas durante los procesos de mezcla o colocación. [18]