concreto del futuro

EL futuro del hormign y el hormign del futuro

Innovacin y percepcin social en las infraestructuras: el futuro del hormign. ~ 1 ~

EL FUTURO DEL HORMIGN Y EL HORMIGN DEL FUTURO

Por Pierre-Claude Atcin Profesor Emrito de la Universidad de Sherbrooke, Qubec Canad.

Miembro Honorario del American Concrete Institute (ACI). Resumen En el 2007, el total de la produccin mundial del cemento fue aproximadamente de 2.500 millones de toneladas. Si consideramos una dosificacin de cemento entre 250 y 300 kg de cemento por metro cbico de hormign, significa que con esta cantidad de cemento se podrn producir de 8.000 a 10.000 millones de metros cbicos de concreto, lo cual representa ms o menos 1,5 metros cbicos por persona. Ningn otro material de construccin ha sido usado en tales cantidades y en un futuro predecible no existe otro material de construccin que pueda competir con el hormign en trminos de volumen. No obstante, el cemento y el hormign que se fabrica en la actualidad cambiarn muy rpido en un futuro prximo debido a la mayor importancia que se le est dando al desarrollo sostenible en nuestras decisiones diarias. Los hormigones del maana sern ms tecnificados y de formulaciones ms diversas, con el fin de utilizarse en aplicaciones cada vez ms especificas por propietarios cada vez ms preocupados por la durabilidad de sus edificios o infraestructura en general. Contendr cada vez menos clinker y cada vez ms aditivos y materiales cementantes diferentes al cemento Portland para mejorar la sostenibilidad del hormign. La relacin Agua/Cemento promedio disminuir para mejorar la eficiencia energtica y la sostenibilidad del hormign. La substitucin parcial de una arena natural de peso normal por una arena de peso ligero saturada ser ms comn con el fin de contrarrestar todas las formas de retraccin (plstica, autgena y por secado) en el hormign de alto desempeo, as como para el hormign que contenga un alto porcentaje de material cementante ya que ste requerir un periodo de curado ms prolongado para lograr desarrollar por completo su potencial en resistencia y durabilidad. Los hormigones del maana requerirn un control ms cuidadoso durante su fabricacin y su colocacin y para mejorar su durabilidad debern recibir un mucho mejor curado que en la actualidad. La educacin y la transferencia tecnolgica seguirn siendo el motor de estos cambios, nuestra industria nos ofrecer nuevos retos apasionantes que nos incitarn a estar bien preparados para afrontarlos.



1. HORMIGN Y SOSTENIBILIDAD. El enorme consumo actual de hormign significa que el hormign cambiar para tratar de dar solucin a nuestras preocupaciones en relacin al tema de sostenibilidad (1). La importancia de la sostenibilidad que tambin influye en nuestras decisiones socio-econmicas, inevitablemente tendr un mayor impacto en la fabricacin del clinker, la composicin del cemento, la fabricacin del hormign, la concepcin de los proyectos, la construccin, la supervisin de las obras de hormign y su vida til (2). Es posible notar que varias iniciativas han resultado en una disminucin sustancial del impacto ecolgico tanto del cemento Portland como del hormign, pero debe admitirse que slo usando de manera eficiente las tecnologas actuales se podrn obtener mejores resultados. Ser necesario integrar en un todo coherente, todos los esfuerzos individuales. En la actualidad, la vida til de las construcciones en Ingeniera Civil, es un tema que est atrayendo el mayor inters de los propietarios de las construcciones. La continua reparacin de estructuras de hormign mal diseadas, mal construidas y con programas de mantenimiento deficientes, resulta un proceso muy costoso no slo desde el punto de vista econmico sino tambin desde un punto de vista ecolgico. Con los materiales y las tecnologas que podemos utilizar hoy en da, ya es posible y relativamente econmico (costo inicial), construir estructuras de hormign que durarn ms de 100 aos. Slo es necesario el desearlo y el invertir en la supervisin. Esta es una nueva responsabilidad para todos los Ingenieros Civiles. Fui contratado como constructor por el contratista involucrado en la construccin del puente de la Confederacin, un puente de hormign de 13 kilmetros de largo, construido con elementos prefabricados, que se construyo en Canad entre la isla del Prncipe Eduardo y la zona continental adyacente. Este fue un proyecto concesionado para construccin, operacin y posterior transferencia a las autoridades (BOOT Project). En relacin a esta experiencia, les puedo decir que cuando un contratista construye una estructura que l tendr que mantener en un ambiente muy agresivo, l adoptar una actitud cuidadosa durante todo el proceso de construccin. En un Proyecto BOOT es bsico tambin que el propietario que recibir la infraestructura despus de un cierto nmero de aos, contrate a un ingeniero independiente que le proporcione una visin a largo plazo cuando se tome cada una de las decisiones relacionadas con el puente durante su diseo, su construccin, su supervisin y su programa de mantenimiento. El presupuesto actual para el monitoring y el mantenimiento del Puente de la Confederacin es de 1.5 millones de dlares, lo cual representa 0.002 (0.2%) de su costo inicial.



2. EL CEMENTO DEL MAANA. 2.1 La fabricacin del clinker. La fabricacin de 1 tonelada de clinker genera 1 tonelada de CO2 (0.8 toneladas para las plantas de mayor eficiencia). Aproximadamente la mitad de este CO2 viene del combustible y la otra mitad de la descomposicin de la caliza. Para disminuir la cantidad total de emisiones de CO2 en la produccin del clinker, existen diferentes soluciones:

- Disminuir la temperatura a la cual se forma el C3S (Alita) a travs del uso de un mineralizador. Actualmente esta tecnologa se encuentra en su etapa de desarrollo.

- Emplear otra fuente de cal diferente a la caliza. Los rusos han propuesto utilizar cloruro de

calcio. La escoria de alto horno y la ceniza volante Clase C tambin pueden utilizarse para el mismo propsito.

- Cambiar la naturaleza qumica del clinker. Los chinos han propuesto fabricar un clinker

sulfo-clcico, pero en la actualidad el uso de este cemento esta muy limitado. Las grandes compaas de cemento estn haciendo los esfuerzos necesarios para implementar estas tecnologas, pero el avance no es tan rpido. 2.2 La produccin de cementos. La manera ms sencilla y ms eficiente de reducir rapidamente las emisiones de CO2 consiste en sustituir la mayor cantidad posible de clinker por un material cementante complementario. Cada vez que un 1 kilogramo de clinker es sustituido por 1 kilogramo de material cementante complementario, se deja de emitir al ambiente 1 kilogramo de CO2. Hoy en da en Holanda el promedio del rango de sustitucin es 40% y en Blgica es el 35% lo cual corresponde a la misma disminucin de CO2. Personalmente tengo la impresin de que se puede lograr una sustitucin promedio de 50% con las tecnologas actualmente disponibles. Cementos ternarios y cuaternarios ya se comercializan y tambin pueden ser comprados en algunos lugares tanto el cemento a la carta como el cemento del da. Por otra parte la compaa cementera Obourg de Blgica actualmente comercializa un cemento particular cuyo contenido de clinker es 0%. Este cemento se compone de 85% de escoria granulada muy fina, 10% de anhidrita y 5 % de un activador alcalino (3). Es posible aseverar que los cementos del futuro contendrn menos clinker y ms materiales cementantes diferentes al clinker de cemento portland.



2.3 Cmo usar de manera eficiente estos cementos mezclados. El uso de cementos mezclados que contienen una alta cantidad de material cementante diferente al clinker del cemento portland puede originar algunos problemas en el nivel de resistencia a edades tempranas, debido a que estos cementos son mucho menos reactivos (a corto plazo) que el cemento Portland puro. Sin embargo, se pueden utilizar varias propuestas para mejorar la resistencia a corto plazo; Mediante la implementacin de estas propuestas puede ser posible: Disminuir la relacin A/C con el fin de que las partculas de cemento en la pasta estn ms

cercas entre ellas. ( Figura 1 ) Incrementar la temperatura inicial del hormign con el fin de activar la hidratacin. Utilizar cimbra con aislamiento para sacar ventaja de la posibilidad de uniformizar el calor de

hidratacin bajo condiciones adiabticas. Calentar todo el elemento estructural. Desde mi punto de vista es mucho mejor utilizar cimbras con aislamiento que calentar todo el elemento estructural mediante una fuente externa de calor, debido a que en el primer caso, conforme las perdidas de calor se reducen, toda la masa de hormign se mantendr a la misma temperatura y, entonces, no se presentar gradiente de temperatura alguno dentro del elemento. El concreto es curado de manera homognea e isotrpica.

Figura 1 Influencia del A/C sobre la distancia de las partculas del cemento.



3. EL HORMIGN DEL FUTURO. 3.1 El papel trascendental de los aditivos. El hormign del futuro contendr ms aditivos para contrarrestar algunas debilidades que presentan los cementos portland y mezclados de la actualidad. Siempre es sorprendente ser testigo de cmo una muy pequea cantidad de molculas orgnicas o polmeros cuidadosamente seleccionados pueden modificar las propiedades del hormign y su durabilidad en particular (4,5). Es urgente que se ensee sobre la tecnologa de aditivos para su posterior transferencia e implementacin en la prctica. Es fcil probar que el uso eficiente de los aditivos se traduce en una mejora de la sostenibilidad del hormign. Para esto slo es necesario comparar la cantidad de cemento y agregados que se requieren para construir dos columnas que soportarn la misma carga de servicio pero construidas con hormigones de 25 y 75 MPa (Figura 2).

fc = 25 MPa fc = 75 MPa

Carga de servicio (W)

3A A

C = 450Ag = 1050Af = 675

C = 300Ag = 1050Af = 800

A = Seccin transversal; C = cemento; Ag = agregado grueso (grava); Af = agregado fino (arena)

kg/m3kg/m3

Figura 2. Comparacin de la cantidad de cemento y agregado usados en columnas con

hormigones de 25 y 75 MPa.

Un clculo muy simple muestra que se utilizaran 3 veces menos agregados y 2 veces menos cemento cuando se construye la columna de 75 Mpa.



3.2 Curado del hormign El hormign del futuro, deber ser durable. Deber fabricarse con algn cemento apropiado capaz de desempearse de manera adecuada bajo las condiciones ambientales a las que estar expuesto. Deber curarse de manera apropiada con el fin de lograr todo su potencial, debido a que, por un lado, el material cementante suplementario reaccionar ms lentamente que el cemento portland y que, por otro lado, el agua es imprescindible para permitir el desarrollo de la reaccin puzolnica. En las especificaciones deber enfatizarse en que se utilicen buenas prcticas de curado y en que esta actividad deber ser recompensada. Personalmente me gusta mucho la especificacin utilizada en la ciudad de Montreal porque dispone de un pago especfico para el contratista por el curado del concreto (6). Para el contratista es una manera simple de hacer dinero, por lo que pondr mayor inters y cuidado en esta actividad. El uso de aspersores como los usados para regar flores en los viveros ser muy comn. No son caros, no son difciles de instalar y son muy eficientes para combatir cualquier tipo de retraccin (plstica, autgena y por secado). 3.3 El curado de hormigones que contienen cementos mezclados El uso de cementos mezclados generalmente mejora la durabilidad del hormign debido a que la reaccin puzolnica transforma la cal liberada durante la hidratacin del cemento portland (20 al 30 % de la masa inicial del cemento) en silicato de calcio hidratado (C-S-H) estable. En este caso el curado del hormign es crucial debido a que la reaccin puzolnica es una reaccin que necesita agua. Se recomienda, como mnimo, el uso de una membrana de curado. En la zona desrtica de los Estados Unidos de Norteamrica ya se est sustituyendo parte de la arena por arena saturada con el fin de que el proceso de hidratacin se beneficie por medio de una fuente de curado interno a largo plazo (7). 3.4 La sustitucin de arena ligera a una parte de la arena La sustitucin de parte de arena por arena ligera saturada ser ms comn. Una arena ligera puede retener una cantidad de agua igual al 20% de su masa. Esta agua oculta puede ser fcilmente bombeada por la red de poros en la pasta del cemento para contrarrestar las retracciones plstica, autgena y por secado, ya que este fenmeno ayuda a evitar la formacin del menisco en los poros de la pasta del cemento. Esta arena ligera saturada representa una fuente bien distribuida de agua en el interior de toda la masa del hormign. Esta fuente interna se encuentra ms fcilmente disponible que el agua externa, debido a que esta ltima no puede penetrar de manera rpida hacia el interior del hormign especialmente en hormigones con relacin A/C baja. El uso de la arena saturada ligera no evitar el uso de membranas de curado con el fin de minimizar la evaporacin.



La sustitucin de arena por arena saturada ligera es muy interesante en el caso del concreto de alto desempeo, debido a que contrarresta de manera eficiente el desarrollo de la retraccin autgena al proveer durante las primeras 24 horas el agua necesaria para la hidratacin del cemento (8,9). La retraccin autgena puede ser erradicada cuando esta sustitucin se combina con el uso de cimbras aisladas. El calentamiento del concreto durante las primeras 18 horas resulta en una expansin debido a la formacin de cristales de rpido crecimiento. Esta expansin puede ser igual a la retraccin autgena. Cuando el elemento de hormign se deforma a las 18 hrs. an tiene sus dimensiones iniciales y mantiene sus dimensiones por varias semanas (Figura 3). El uso de arena saturada ligera no elimina el uso de una fuente externa de agua que endurece e impermeabiliza la superficie expuesta (piel) del hormign, ya que sta es la parte ms vulnerable del hormign.

Figura 3.- Efecto del tamao de las muestras en la eliminacin de la retraccin autgena

A pesar de todos estos esfuerzos, si se presenta algo de retraccin autgena residual no es malo. Es ms bien benfico, debido a que se presenta en una pasta de cemento hidratado madura y resistente a la tensin. Ms all, los tapones de aire que quedan atrapadas dentro de la pasta de cemento, disminuyen significativamente su capacidad de absorcin y su permeabilidad, y limitan la penetracin de iones agresivos. Los tapones de aire contribuyen a mejorar la durabilidad del concreto.



Cuando cualquiera de estas tcnicas no puede ser implementada con facilidad, para este fin se pueden utilizar aditivos reductores de la retraccin o tambin pequeas cantidades de material expansivo como Mario Collepardi (10). Las especificaciones para el hormign podrn ser redactadas por especialistas consientes de la importancia de las condiciones ambientales en la durabilidad del hormign. 3.5 La diversificacin en los tipos de hormign. A principios de la dcada de 1970 cuando llegu a Canad, la situacin era sencilla: slo se utilizaba un tipo de cemento, el cemento ASTM Tipo I, y el hormign convencional se especificaba para un requerimiento estndar de 100 mm, un contenido de aire de 6% y una resistencia a la compresin que variaba entre 15 y 25 MPa (algunas veces 30 MPa pero este hormign era considerado de muy alta resistencia). Actualmente, se tienen disponibles varios tipos de cemento, el requerimiento puede variar de 0 a ms de 250 mm, la durabilidad a los ciclos de congelamiento-descongelamiento se especifica en trminos del factor de espaciamiento de las burbujas producto del aditivo inclusor de aire y la resistencia a la compresin puede variar de 1 a 100 MPa. La nica cosa que no ha cambiando en Canad es que continuamos aadiendo aire al hormign para protegerlo contra el congelamiento-descongelamiento y el uso de sales deshielantes. Diferentes tipos de hormigones podrn ser propuestos a los contratistas para facilitarle la colocacin, disminuir los costos de mano de obra y mejorar la durabilidad. Los hormigones llamados nicho por el potencial de mercado que ofrecen, progresivamente sern ms utilizados en la industria del hormign. Los hormigones del futuro sern ms diversos y ms tecnificados con todas las complicaciones que podrn presentarse en su fabricacin, colocacin y curado. 4. EDUCACIN Y TRANSFERENCIA TECNOLGICA. Recuerdo comentarios que hace aproximadamente 20 aos me hacan los industriales, aseverando que la industria de la construccin no necesitaba gente sobre-educada con maestra o doctorados (PhDs). Personalmente me he dado cuenta que slo dos de los 15 doctores (PhDs) y slo 2 de los 10 Post-doctorados que se formaron con un servidor estn impartiendo ctedra. La decisin de los otros, por contraste con la industria, no fue una mala eleccin debido a que algunos de ellos ya son presidentes o vice-presidentes en sus compaas. Esta tendencia continuar, la industria requiere de personal educado para progresar y afrontar los retos del futuro. Las Ctedras son organizaciones que pueden facilitar la transferencia de tecnologa entre los investigadores y la prctica profesional.



5. CONCLUSIONES. Espero haber tenido xito para convencerlos de que el hormign es un material con algo de futuro, el cual tiene un potencial que an no ha sido explotado a fondo debido a la filosofa y costumbre del pasado de construir estructuras baratas. Espero haberlos convencido de que el hormign del futuro ser ms tecnificado y ms diversificado. Se acab el tiempo en el que el mismo hormign poda ser utilizado en cualquier obra. Ahora iniciamos la era del hormign a la carta o del hormign del da. Espero haberlos convencido tambin de que el futuro del hormign y el hormign del futuro dependen, de manera importante, de la educacin y la transferencia tecnolgica. Aquellos de ustedes que estn convencidos de estos 3 puntos estn preparados para afrontar los retos del futuro.

REFERENCIAS

1. Aitcin, P.-C., (2008) Binders for Durable and Sustainable Concrete, Francis and Taylor,

London, UK, 500p.

2. Marciano, E., (2003) Sustainable Development in the Cement and Concrete Industries,

Thesis No. 1452, Universit de Sherbrooke

3. Gebauer, J., Ko, S.C., Lerat, A., Roumain, J.-C., (2003) Experience with a new Cement for

Special Applications, 2nd International Symposium on Non-Traditional Cement and

Concrete, Brno, ISBN 80-214-2853-8, pp. 277-283

4. Saric-Coric, M., (2001) Interactions superplastifiant laitier dans les ciments au laitier,

Proprit du bton, Thesis No. 1349, Universit de Sherbrooke

5. Spiratos, N., Pag, M., Mailvaganam, N., Malhotra, V.M., Jolicoeur, C., (2003)

Superplasticizers for Concrete, Supplementary Cementing Materials for Sustainable

Development Inc., Ottawa, Canada, 322p.

6. Morin, R., Haddad, G., Aitcin, P.C., (2002) Crack-free High-Performance Concrete

Structures, Concrete International, Vol 24, No. 9, pp. 51-56.

7. Villareal, V.H., Crocker, D.A., (2007) Better Pavements through Internal Hydration,

Concrete International, Vol 29, No 2, pp. 32-36



8. Cusson, D., Hoogeven, T., (2007) Effect of Blended Cements on Efficiency of Internal

Curing of HPC, ACI Fall Convention, Porto Rico, 15 p.

9. Durn-Herrera, A., Bonneau, O., Atcin, P.C., Petrov, N., Khayat, K., (2007) Autogenous

Elimination of Autogenous Shrinkage, ACI Fall Convention, Puerto Rico, 15 p.

10. Collepardi, M., Borsai, A., Collepardi, S., Ogoumal Olayot, J.J., Troli, R., (2005) Effect on

Shrinkage Reducing Admixtures in Shrinkage Compensating Concrete under Non-Wet

Conditions, Cement and Concrete Composites, Vol. 27, pp. 704-708.

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