¿Cuál es la composición del hormigón? La Ciencia y la Tecnología mejoran el futuro

Composición de hormigón

Hay muchos tipos de concreto disponibles, que se distinguen por las proporciones de los ingredientes principales a continuación. De esta manera o mediante la sustitución de las fases de cemento y agregado, el producto terminado se puede adaptar a su aplicación. La resistencia, la densidad y la resistencia química y térmica son variables.

El agregado consiste en grandes trozos de material en una mezcla de concreto, generalmente una grava gruesa o rocas trituradas como la piedra caliza o el granito, junto con materiales más finos como la arena.

El cemento, más comúnmente el cemento Portland, se asocia con el término general “concreto”. También se puede usar una variedad de otros materiales como cemento en el concreto. Uno de los cementos alternativos más familiares es el hormigón asfáltico. Otros materiales cementosos, como cenizas volantes y cemento de escoria, a veces se agregan como mezclas minerales (ver a continuación), ya sea mezclados previamente con el cemento o directamente como un componente de concreto, y se convierten en parte del aglutinante para el agregado.

Para producir concreto a partir de la mayoría de los cementos (excluyendo el asfalto), el agua se mezcla con el polvo seco y el agregado, lo que produce una suspensión semi-líquida que puede moldearse, típicamente vertiéndola en una forma. El concreto se solidifica y endurece a través de un proceso químico llamado hidratación. El agua reacciona con el cemento, que une los otros componentes, creando un material robusto similar a una piedra.

Se agregan aditivos químicos para lograr propiedades variadas. Estos ingredientes pueden acelerar o ralentizar la velocidad a la que el concreto se endurece e impartir muchas otras propiedades útiles, incluida una mayor resistencia a la tracción, arrastre de resistencia al aire y al agua.

El refuerzo a menudo se incluye en el concreto. El concreto puede formularse con alta resistencia a la compresión, pero siempre tiene menor resistencia a la tracción. Por esta razón, generalmente se refuerza con materiales que son fuertes en tensión, generalmente barras de refuerzo de acero.

Los aditivos minerales se están volviendo más populares en las últimas décadas. El uso de materiales reciclados como ingredientes de concreto ha ganado popularidad debido a la legislación ambiental cada vez más estricta y al descubrimiento de que tales materiales a menudo tienen propiedades complementarias y valiosas. Las más destacadas son las cenizas volantes, un subproducto de las centrales eléctricas de carbón, la escoria granulada de alto horno, un subproducto de la fabricación de acero y el humo de sílice, un subproducto de los hornos industriales de arco eléctrico. El uso de estos materiales en el concreto reduce la cantidad de recursos requeridos, ya que los aditivos minerales actúan como un reemplazo parcial del cemento. Esto desplaza parte de la producción de cemento, un proceso energéticamente costoso y ambientalmente problemático, al tiempo que reduce la cantidad de desechos industriales que deben eliminarse. Los aditivos minerales pueden mezclarse previamente con el cemento durante su producción para la venta y uso como cemento mezclado, o mezclarse directamente con otros componentes cuando se produce el concreto.

El diseño de la mezcla depende del tipo de estructura que se está construyendo, cómo se mezcla y entrega el concreto, y cómo se coloca para formar la estructura.

Cemento

Unas pocas toneladas de cemento en bolsas. Esta cantidad representa aproximadamente dos minutos de producción de un horno de cemento de 10,000 toneladas por día.

El cemento Portland es el tipo más común de cemento en uso general. Es un ingrediente básico de hormigón, mortero y muchos yesos. El trabajador de albañilería británico Joseph Aspdin patentó el cemento Portland en 1824. Fue nombrado debido a la similitud de su color con la piedra caliza de Portland, extraído de la isla inglesa de Portland y utilizado ampliamente en la arquitectura de Londres. Consiste en una mezcla de silicatos de calcio (alita, belita), aluminatos y ferritas, compuestos que combinan calcio, silicio, aluminio y hierro en formas que reaccionan con el agua. El cemento Portland y materiales similares se fabrican calentando piedra caliza (una fuente de calcio) con arcilla o lutita (una fuente de silicio, aluminio y hierro) y moliendo este producto (llamado clínker ) con una fuente de sulfato (más comúnmente yeso).

En los hornos de cemento modernos, se utilizan muchas características avanzadas para reducir el consumo de combustible por tonelada de clínker producido. Los hornos de cemento son instalaciones industriales extremadamente grandes, complejas e inherentemente polvorientas, y tienen emisiones que deben controlarse. De los diversos ingredientes utilizados para producir una cantidad dada de concreto, el cemento es el más caro desde el punto de vista energético. Incluso los hornos complejos y eficientes requieren 3,3 a 3,6 gigajulios de energía para producir una tonelada de clínker y luego molerlo en cemento. Muchos hornos pueden alimentarse con desechos difíciles de eliminar, siendo los neumáticos usados más comúnmente. 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 los combustibles difíciles de usar.

Agua

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 vacíos dentro de él y lo hace fluir más libremente.

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 de flujo más libre con una depresión más alta.

El agua impura que se usa para fabricar concreto puede causar problemas al fraguar o al provocar una falla prematura de la estructura.

La hidratación implica muchas reacciones diferentes, que a menudo ocurren al mismo tiempo. A medida que avanzan las reacciones, los productos del proceso de hidratación del cemento unen gradualmente las partículas individuales de arena y grava y otros componentes del concreto para formar una masa sólida.

Agregados

Agregado de piedra triturada

Artículo principal: agregado de construcción

Los agregados finos y gruesos constituyen la mayor parte de una mezcla de concreto. La arena, la grava natural y la piedra triturada se utilizan principalmente para este propósito. Los agregados reciclados (de los desechos de construcción, demolición y excavación) se utilizan cada vez más como reemplazos parciales de los agregados naturales, mientras que también se permiten varios agregados fabricados, incluidas las escorias de alto horno enfriadas por aire y las cenizas de fondo.

La distribución del tamaño del agregado determina cuánto aglutinante se requiere. El agregado con una distribución de tamaño muy uniforme tiene los espacios más grandes, mientras que agregar agregado con partículas más pequeñas tiende a llenar estos espacios. El aglutinante debe llenar los espacios entre el agregado, así como pegar las superficies del agregado, y generalmente es el componente más costoso. Por lo tanto, la variación en los tamaños del agregado reduce el costo del concreto.

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 falta de homogeneidad debido a la influencia de la vibración. Esto puede conducir a gradientes de fuerza.

A veces se agregan piedras decorativas como cuarcita, pequeñas piedras de río o vidrio triturado a la superficie del concreto para obtener un acabado decorativo de “agregado expuesto”, popular entre los diseñadores de paisajes.

Además de ser decorativo, el agregado expuesto puede agregar robustez a un concreto.

Reforzamiento

Construyendo una jaula de armadura. Esta jaula estará permanentemente incrustada en hormigón vertido para crear una estructura de hormigón armado.

Artículo principal: Hormigón armado.

El concreto es fuerte en compresión, ya que el agregado transporta eficientemente la carga de compresión. Sin embargo, es débil en tensión ya que el cemento que mantiene el agregado en su lugar puede agrietarse, permitiendo que la estructura falle. El concreto reforzado agrega barras de refuerzo de acero, fibras de acero, fibras de vidrio o fibras de plástico para transportar cargas de tracción.

Aditivos químicos

Los aditivos químicos 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 liso. En uso normal, las dosis de mezcla son inferiores al 5% en masa de cemento y se agregan al concreto en el momento de la dosificación / mezcla.

(Consulte la sección sobre Producción de hormigón, a continuación.) Los tipos comunes de aditivos

son como sigue:

Los aceleradores aceleran la hidratación (endurecimiento) del hormigón. Los materiales típicos utilizados son CaCl
2, Ca (NO3) 2 y NaNO3. Sin embargo, el uso de cloruros puede causar corrosión en el refuerzo de acero y está prohibido en algunos países, por lo que se pueden favorecer los nitratos. Los aditivos acelerantes son especialmente útiles para modificar las propiedades del concreto en climas fríos.
Los retardadores reducen la hidratación del concreto y se utilizan en vertidos grandes o difíciles donde no es deseable un fraguado parcial antes de que se complete el vertido. Los retardadores de poliol típicos son azúcar, sacarosa, gluconato de sodio, glucosa, ácido cítrico y ácido tartárico.
Los agentes de arrastre de aire agregan y arrastran pequeñas burbujas de aire en el concreto, lo que reduce el daño durante los ciclos de congelación y descongelación, aumentando la durabilidad. Sin embargo, el aire arrastrado implica una compensación con la resistencia, ya que cada 1% de aire puede disminuir la resistencia a la compresión en un 5%.
Si queda demasiado aire atrapado en el concreto como resultado del proceso de mezclado, se pueden usar antiespumantes para alentar la burbuja de aire a aglomerarse, elevarse a la superficie del concreto húmedo y luego dispersarse.
Los plastificantes aumentan la capacidad de trabajo del plástico u hormigón “fresco”, lo que permite colocarlo más fácilmente, con menos esfuerzo de consolidación. Un plastificante típico es el lignosulfonato. Los plastificantes se pueden usar para reducir el contenido de agua de un concreto mientras se mantiene la trabajabilidad y a veces se les llama reductores de agua debido a este uso. Tal tratamiento mejora sus características de resistencia y durabilidad. Los superplastificantes (también llamados reductores de agua de alto rango ) son una clase de plastificantes que tienen menos efectos nocivos y pueden usarse para aumentar la trabajabilidad más de lo que es práctico con los plastificantes tradicionales. Los compuestos utilizados como superplastificantes incluyen condensado de formaldehído de naftaleno sulfonado, condensado de formaldehído de melamina sulfonado, condensado de formaldehído de acetona y éteres de policarboxilato.
Los pigmentos se pueden usar para cambiar el color del concreto, por estética.
Los inhibidores de corrosión se utilizan para minimizar la corrosión del acero y las barras de acero en el concreto.
Los agentes de unión se usan para crear una unión entre el concreto viejo y el nuevo (típicamente un tipo de polímero) con amplia tolerancia a la temperatura y resistencia a la corrosión.
Las ayudas de bombeo mejoran la capacidad de bombeo, espesan la pasta y reducen la separación y el sangrado.

Materiales inorgánicos que tienen propiedades hidráulicas puzolánicas o latentes, estos materiales de grano muy fino se agregan a la mezcla de concreto para mejorar las propiedades del concreto (aditivos minerales),

o como reemplazo del cemento Portland (cementos mezclados).

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. Este desarrollo se debe a que la producción de cemento es uno de los mayores productores (alrededor del 5 al 10%) de las emisiones mundiales de gases de efecto invernadero,

además de reducir costos, mejorar las propiedades del concreto y reciclar desechos.

Cenizas volantes: un subproducto de las plantas generadoras eléctricas de carbón, se utiliza para reemplazar parcialmente el cemento Portland (hasta en un 60% en masa). Las propiedades de las cenizas volantes dependen del tipo de carbón quemado. En general, la ceniza volante silícea es puzolánica, mientras que la ceniza volante calcárea tiene propiedades hidráulicas latentes.
Escoria granulada de alto horno (GGBFS o GGBS): se utiliza un subproducto de la producción de acero para reemplazar parcialmente el cemento Portland (hasta un 80% en masa). Tiene propiedades hidráulicas latentes.
Humo de sílice: un subproducto de la producción de silicio y aleaciones de ferrosilicio. El humo de sílice es similar a la ceniza volante, pero tiene un tamaño de partícula 100 veces más pequeño. Esto da como resultado una mayor relación superficie-volumen y una reacción puzolánica mucho más rápida. El humo de sílice se usa para aumentar la resistencia y la durabilidad del concreto, pero generalmente requiere el uso de superplastificantes para la trabajabilidad.
Metacaolín de alta reactividad (HRM): el metacaolín produce concreto con resistencia y durabilidad similar al concreto hecho con humo de sílice. Mientras que el humo de sílice suele ser de color gris oscuro o negro, el metacaolín de alta reactividad suele ser de color blanco brillante, por lo que es la opción preferida para el hormigón arquitectónico donde la apariencia es importante.
Se pueden agregar nanofibras de carbono al concreto para mejorar la resistencia a la compresión y obtener un módulo de Young más alto, y también para mejorar las propiedades eléctricas requeridas para el monitoreo de deformación, la evaluación de daños y el monitoreo de la salud del hormigón. La fibra de carbono tiene muchas ventajas en términos de propiedades mecánicas y eléctricas (por ejemplo, mayor resistencia) y comportamiento de autocontrol debido a la alta resistencia a la tracción y la alta conductividad.
Se han agregado productos de carbono para hacer que el concreto sea eléctricamente conductor, con fines de deshielo.

Hormigón y Cemento (material de construcción)Química