Concreto (Hormigón): La Piedra Artificial

El concreto, también conocido como hormigón, es una piedra artificial compuesta por cemento, agregados (arena y grava o gravilla), aditivos y agua. Es el material de construcción más utilizado a nivel mundial debido a su versatilidad, economía, facilidad de preparación, transporte y colocación. Puede adoptar cualquier forma, es duradero y resistente.

En combinación con el acero (varillas), forma el hormigón armado o concreto armado, el sistema estructural más empleado.

La función principal de los elementos de concreto es soportar cargas y transmitirlas a otros elementos estructurales.

El Componente Aglutinante: El Cemento

El cemento es el material aglutinante del concreto. Su calidad influye directamente en propiedades cruciales como la resistencia y la durabilidad.

Las materias primas principales para la fabricación del cemento son: cal, sílice, alúmina y óxido de hierro.

De manera simplificada, se obtiene triturando, mezclando y calcinando en un horno una combinación de roca caliza, yeso, arcilla, mineral de hierro y adiciones.

Al mezclar estos componentes, se forma el clinker, que luego se tritura hasta convertirse en un polvo fino. Este polvo gris es lo que conocemos como cemento Portland.

El Cemento Portland: Proceso de Fabricación

El cemento Portland es un ligante hidráulico inorgánico. Se obtiene a partir del clinker, un producto intermedio que resulta de la cocción a 1480°C en hornos rotatorios de una mezcla de:

• Carbonato de calcio (caliza)
• Aluminosilicato (arcillas o margas)
• Otros materiales de composición similar y reactividad adecuada, previamente molidos y homogeneizados.

Durante la cocción, se produce una fusión parcial y una recombinación de los componentes, generando silicatos de calcio hidráulicos.

Posteriormente, el clinker se mezcla con aproximadamente un 5% de yeso y se somete a una molienda fina, dando como resultado el cemento Portland.

La adición de yeso es fundamental para controlar (retardar) el fraguado. Sin yeso, el clinker molido fraguaría demasiado rápido al mezclarse con agua, impidiendo su manipulación e instalación.

La retardación de la hidratación inicial del cemento se debe a la presencia de iones SO4 2- en el agua de amasado.

Durante la molienda, se pueden incorporar adiciones como escorias siderúrgicas, puzolanas naturales, cenizas volantes y piedra caliza molida. Estas adiciones confieren al cemento propiedades especiales, como resistencia a ataques químicos. La incorporación de estas adiciones da lugar a los diferentes tipos de cemento definidos en las normativas.

La caracterización de un clinker de cemento Portland se realiza comúnmente mediante el análisis químico de los elementos más abundantes, expresados como óxidos. Sin embargo, para una comprensión más profunda de sus características y su relación con las propiedades del cemento, es más útil considerar el clinker como una agrupación de diferentes compuestos químicos o minerales formados por los elementos presentes.

Breve Reseña Histórica (Cemento y Concreto)

• 5000 a.C.: Se han encontrado pisos de chozas con materiales aglutinantes a orillas del Danubio (Yugoslavia).
• Antiguo Egipto (2650 a.C.): Se emplearon morteros de yeso calcinado y arena para unir bloques de roca caliza.
• Antigua Grecia y Roma: Utilizaron caliza calcinada y arena para crear morteros y unir piedras y ladrillos.
• 1824: Joseph Aspdin patenta su mezcla de caliza y arcilla calcinada y pulverizada como «cemento».
• 1826: Se instala la primera fábrica de cemento.
• 1835: John Bozley construye la primera casa a gran escala utilizando concreto en Kent.
• 1840: Primera referencia bibliográfica que sugiere el uso de concreto armado con mallas de hierro para techos.
• 1848: El abogado francés Lambot construye el primer bote de concreto con cemento Portland, agregado fino y malla de varillas de hierro. Se exhibió en la exposición de París de 1855.
• 1903: El ingeniero alemán J.H. Magens transporta el primer metro cúbico de concreto a 11 km a caballo, patentándolo como «concreto transportado».
• 1913: Aparece el primer camión para transportar concreto.

El Origen del Cemento Portland

Aunque a menudo se atribuye la invención del cemento Portland a Joseph Aspdin, constructor de Leeds, la realidad es más compleja.

Su patente de 1824 reconocía el valor de los terrones aglutinados. Se observó que esta escoria dura, al molerse y mezclarse con agua, producía un cemento superior.

El mortero resultante se asemejaba a la piedra natural de las canteras de Portland (Inglaterra), lo que llevó a Aspdin a denominarlo «cemento Portland».

Sin embargo, el proceso de Aspdin presentaba un defecto de cocción, ya que la calcinación solo buscaba la descarbonatación completa, resultando en un producto de baja calidad.

El verdadero descubridor del cemento Portland fue I.C. Johnson en 1844. Observó que los nódulos sobrecocidos de los hornos de Aspdin, aunque fraguaban lentamente, producían un cemento superior.

Johnson mejoró las proporciones de caliza y arcilla, elevó la temperatura de los hornos y estableció que alcanzar un principio de fusión era crucial para fabricar cemento Portland. Las temperaturas más altas permiten la producción de silicatos con mayor contenido de cal, acelerando el desarrollo de la resistencia del hormigón.

Las investigaciones teórico-prácticas de L.J. Vicat fueron fundamentales. Su principal conclusión fue que la sílice de la arcilla era la principal responsable de los procesos de endurecimiento.

En 1867, Monier patentó la fabricación de depósitos, cubiertas y otros elementos de cemento armado, tras haber construido en 1861 grandes macetas reforzadas con armadura de hierro.

Clasificaciones de Cementos

1. Según ASTM C-150: Cemento Portland

La norma ASTM C-150 define ocho tipos de cemento Portland, según los usos y necesidades:

1. Tipo I: Normal. Uso general, sin requisitos especiales.
2. Tipo IA: Normal, con inclusor de aire. Uso general.
3. Tipo II: Moderado. Uso general y en construcciones con moderado ataque de sulfatos o moderado calor de hidratación.
4. Tipo IIA: Moderado, con inclusor de aire. Similar al Tipo II.
5. Tipo III: Altas resistencias. Para aplicaciones que requieren altas resistencias a edades tempranas.
6. Tipo IIIA: Altas resistencias, con aire incluido. Similar al Tipo III.
7. Tipo IV: Bajo calor de hidratación. Para aplicaciones donde se requiere minimizar el calor de hidratación.
8. Tipo V: Resistente a los sulfatos. Para construcciones con alto ataque de sulfatos.

Detalles Adicionales sobre los Tipos ASTM C-150

• Tipo I: Se utiliza en pisos, pavimentos, edificios, estructuras y elementos prefabricados.
• Tipo II: Adecuado para tuberías de drenaje con concentraciones de sulfatos ligeramente superiores a lo normal.
• Tipo III: Se emplea cuando se necesita retirar cimbras rápidamente o poner en servicio una obra con urgencia (carreteras, autopistas).
• Tipo IV: Ideal para estructuras masivas como grandes presas, donde se debe minimizar el calor de hidratación.
• Tipo V: Se recomienda para altas concentraciones de sulfatos.

2. Según ASTM C-595: Cementos Hidráulicos Mezclados

Esta clasificación surge del interés en la conservación de energía y la economía en la producción. Inicialmente reconoce tres clases principales:

• Tipo IS (X): Portland de escoria de alto horno («S» de Slag: Escoria).
• Tipo IP (X): Portland-puzolana.
• Tipo IT(AX)(BY): Cemento mezclado ternario.

Posteriormente, se definen cinco tipos de Cementos Hidráulicos Mezclados:

1. Cemento Portland de escoria de alto horno – Tipo IS.
2. Cemento Portland puzolana – Tipo IP y Tipo P.
3. Cemento de escoria – Tipo S.
4. Cemento Portland modificado con puzolana – Tipo I (PM).
5. Cemento Portland modificado con escoria – Tipo I (SM).

3. Según ASTM C-1157: Desempeño

La Norma ASTM C-1157 establece requisitos de durabilidad para cementos hidráulicos, tanto para uso general como para aplicaciones especiales. Considera aspectos como:

1. Altas resistencias tempranas.
2. Moderada a alta resistencia a los sulfatos.
3. Moderado o bajo calor de hidratación.
4. Opcionalmente, baja reactividad con agregados reactivos a los álcalis.

Clasifica los cementos en:

1. Tipo GU (UG): Uso general.
2. Tipo HE (CER): Elevada Resistencia temprana o inicial.
3. Tipo MS: Resistencia moderada a los sulfatos.
4. Tipo HS: Alta resistencia a los sulfatos.
5. Tipo MH: Moderado calor de hidratación.
6. Tipo LH: Bajo calor de hidratación.