REQUERIMIENTOS Y DISEÑO DE LA MEZCLA DE HORMIGON (Articulo)

INTRODUCCION

El éxito de un proyecto de un piso industrial, como ocurre con otros tipos de proyecto de ingeniería arquitectura, consiste básicamente en entender las necesidades explicitas e implícitas del comitente, conocer las disponibilidad de materiales locales o que resulten económicamente viables y entender sus propiedades para realizar un buen diseño, especificar adecuadamente los requerimientos sobre estos materiales y utilizar las prácticas constructivas adecuadas. El entendimiento de la interacción entre materiales y prácticas constructivas más el necesario control de calidad permitirá lograr los resultados esperados. Este proceso de diseño general debe ser del tipo iterativo ya que deberá mantenerse un equilibrio integrando los materiales y comportamiento con las prácticas constructivas que influirán sobre el diseño. En particular, en el caso de pisos industriales, la mezcla de hormigón como el material de construcción de las losas de piso debe ser diseñado para cumplir los requerimientos del proyecto cumpliendo un rol fundamental dentro del proceso de diseño general del piso.

DISEÑO DE LA MEZCLA

Si bien el diseño final de la mezcla generalmente es realizado por el proveedor de hormigón elaborado, lo cierto es que el proyectista de un piso industrial debe conocer las características de los materiales de disposición local y las posibilidades técnicas de los proveedores locales. Es por eso que como parte del proceso de diseño del piso, el proyectista deberá reunirse con los posibles proveedores de hormigón elaborado y entender las posibilidades reales de abastecimiento tanto en cantidad como en comportamiento esperado de las mezclas incluyendo requisitos de calidad.

En otros artículos, hemos compartido la importancia de especificar valores de resistencias que se relaciona con la capacidad estructural, consistencia o asentamiento de la mezcla en estado fresco y tamaño máximo del AG (agregado grueso) para colocar y compactar adecuadamente, controlar la contracción para minimizar alabeos y diseñar losas mas grandes o utilizar microfibras para controlar fisuras o ancho de fisuras o HCC (hormigón de contracción compensada) entre otros. Sin embargo, existen algunos parámetros generalmente no especificados en las mezclas ya que, en gran medida, es responsable de facilitar o dificultar las tareas de terminación influyendo considerablemente en la calidad funcional y estética de la obra a través del “pulido” y uniformidad que puede presentar la superficie del piso.

Incluso en muchos casos, los proyectistas solo especifican valores de resistencia ignorando la importancia de los otros parámetros como los de contracción que pueden resultar fundamentales para asegurar resultado para el comitente.

MATERIALES COMPONENTES

El hormigón es un material de construcción elaborado a partir de una mezcla íntima de cemento Pórtland, agua y agregados (finos y gruesos). Hoy en día, a estos materiales base suelen sumárseles aditivos químicos con el fin de modificar algunas propiedades deseadas del material y, también adiciones minerales aunque estas últimas suelen formar parte del cemento ya que requieren ser molidas y dosificadas adecuadamente y controladas mediante un sistema de control de calidad que, en nuestro país, solo los productores de cemento pueden hacerlo (al menos en el estado actual de situación.)

En este artículo no encontraremos en detalle respecto de los requerimientos normativos que deben ser considerados respecto de los materiales componentes de la mezcla de hormigón ya que son bastante conocidos o, al menos, resultan mas o menos fácil de acceder mediante la lectura de las normas y reglamentos locales pero me parece importante comentar el comportamiento de las mezclas de hormigón estará influenciado por los materiales componentes por lo que, en función de los materiales disponibles en el lugar es esperable cierto comportamiento de las mezclas que, a su vez, influenciarán sobre el desempeño del hormigón y será otra de las variables que debe considerar el proyectista.

Como ejemplo de esto, en la FIGURA 2 se muestra el caso de los cementos que, dependiendo del tipo y origen, presentan “rendimientos” en hormigón bastante diferentes. Atendiendo el gráfico mencionando, se ve que sería posible obtener la resistencia de diseño de un piso industrial con relaciones a/c (agua/cemento, en masa) dentro de un amplio rango entre 0,38 y 0,65 dependiendo del cemento utilizado. Esto se traduce en la práctica en CUC (contenidos unitarios de cemento) que se mueven en un rango de 280 kg/m3 hasta 450 kg/m3 considerando una demanda de agua más o menos constante del orden de 175 l/m3. En definitiva, el uso del cemento “más rendidor” (aquel que demanda menor CUC para la residencia especifica) tendrá un volumen de pasta del orden del 26% respecto del total del volumen de mezcla mientras que en el otro extremo encontraremos un volumen del orden del 32%. Resulta evidente que, independientemente de los costos asociados, la mezcla que presenta un 23% más de pasta tendrá una marcadamente mayor tendencia a la inestabilidad dimensional y, por lo tanto, tenderá a contraer y alabear ,más que la otra. Sin embargo, es probable que las tareas de colocación, compactación y terminación se vean facilitadas con la mezcla “más rica” (es decir, la que tiene mayor contenido de pasta) y los operarios se vean más proclives a preferir trabajar con esta mezcla que, sin dudas, será la de peor comportamiento a largo plazo.

Otro tema a considerar en el diseño es la distribución granulométrica de los agregados y el empaquetamiento de partículas. Como se podrá observar en las FIGURAS 3 Y 4, la elección del tamaño máximo de agregados y una optimización entre finos y gruesos resulta muy importante para maximizar el factor de empaque, es decir, el volumen de agregados de manera tal de minimizar la demanda de pasta de la mezcla con los beneficios mencionados.

Obviamente los aditivos resultaran de una evidente ayuda, en particular los plastificantes tenderán a reducir la demanda de agua permitiendo la mezcla. Sin embargo, algunos constructores de piso se han quejado de algunas dificultades en los trabajos de terminación atribuibles al uso de aditivos no adecuados para la práctica, es por eso que algunos productores de aditivos poseen una línea de productos especialmente diseñados para ser utilizados en esta aplicación que resultan adecuados aunque, como en otros hormigones, los mismos deben ser estudiados previamente con los materiales componentes para un óptimo desempeño. Este trabajo deberá ser encarado por el productor de hormigón con su proveedor de aditivos previo al inicio de la provisión. Por último, no se puede dejar de mencionar las fibras y, en particular, las macrofibras que pueden resultar muy útiles en muchos proyectos ayudando eventualmente a controlar las fisuraciones de las losas. Como el uso de estas fibras resulta cada vez más habitual, será necesario considerar su influencia sobre las propiedades del hormigón tanto en estado fresco como en estado endurecido.

PROPIEDADES DEL HORMIGON

El hormigón como material de construcción de pisos industriales, deberá mostrar en el estado fresco ser homogéneo (sin segregación) y deberá poder ser transportado, colocado, compactado y terminado adecuadamente con los equipos disponibles. En general, los pisos industriales de grandes dimensiones se colocan y compactan con equipos laser-screed que necesitan mezclas medianamente fluidas y generar, en el momento adecuado, la exudación necesaria para lubricar el endurecedor en polvo que se aplica sobre la superficie para mejorar la resistencia al desgaste del piso y, por otro lado, facilitar una mejor terminación cuando selo trabaja con una llana mecánica (conocido en el medio como helicóptero).

Dependiendo fundamentalmente del espesor del piso, en general se especifica el uso de hormigones con asentamiento medido en el tronco de cono de Abrams de 12-14cm, tamaño máximo agregado grueso de 26,5 mm para espesores de losa 15 a 18cm ya que con pisos de más de 20 cm es preferible especificar un tamaño mayor (38 mm) y un asentamiento algo menor (10-12 cm, o incluso algo menor cuando se trata de losas de más de 25 cm de espesor).

Como ya se ha mencionado, la exudación juega un importante rol en la terminación. Por un lado, el hormigón necesitara agua de exudación para lubricar el polvo endurecedor, sin embargo, la cantidad de agua necesaria debe limitarse para evitar que un exceso de exudación dificulte las tareas de terminación y se vea afectada la planicidad del piso.

Relacionado a esto está el tiempo de fraguado que deberá ser, sobre todo, confiable y uniforme a lo largo de la jornada para evitar posibles defectos tanto en la planicidad como en el acabo superficial y adherencia del endurecedor.

En la FIGURA 5 se muestra conceptualmente un ejemplo de curvas de exudación con la zona recomendad y los valores limites que se pueden especificar para la exudación de la mezcla. También se indican los tiempos de inicio y fin de exudación siendo este último el tiempo límite de vibrado que presentara el hormigón que, como puede observarse en el mismo gráfico, se encuentra bastante más temprano  que el tiempo de inicio de fraguado del hormigón. Esto demuestra también que la determinación del tiempo de fragüe es un dato indirecto que no se encuentra directamente relacionado con el tiempo de manipulación de la mezcla siendo en tiempo de fin de exudación un parámetro mucho más útil y directo también en este aspecto.

En el caso de utilizar  fibras o macrofibras, será necesario considerar todos estos puntos con la mezcla con las fibras incorporadas. Adicionalmente, deberá verificarse que las fibras tengan una adecuada distribución sin formar “erizos” o “nidos”. Para esto será necesario ajustar los procedimientos de carga de fibras en el ”mixer” y un mezclado eficientemente energético.

PROPIEDADES DEL HORMIGON EN ESTADO ENDURECIDO

Sin dudas, una de las propiedades más importantes del hormigón es la resistencia. En el caso particular de los pisos industriales, se especificaran valores de resistencia a la flexión o MR (módulo de rotura) que es un parámetro fundamental de diseño de las losas de piso debido a que estas trabajan fundamentalmente a flexión cuando circulan cargas móviles o las mismas cargas estáticas de almacenaje. Adicionalmente, se exigirá cierta resistencia a compresión ya que, de alguna manera está relacionada a la resistencia a flexión (VER FIGURA 6) y, por otro lado, también se relaciona a la resistencia al desgaste aunque en esto último también influyen otros parámetros como la exudación y la dosis de polvo endurecedor cuando éste se utiliza en el proyecto.

Si bien muchos proyectos no lo especifican, tan importante como la resistencia puede ser el control de contracción y el módulo de elasticidad del hormigón, al ser un material compuesto depende de los módulos de elasticidad de la pasta mortero y del agregado grueso. En la FIGURA 8 se muestra un ejemplo concreto de la influencia de dos agregados disponibles en la Provincia de Buenos Aires que generan resistencias medias de hormigón del orden de 35 a 40 MPa (compatible con valores usados en pisos industriales) diferencias de módulo del orden de 12 a 15% que, en casos límite puede ser la diferencia entre tener o no fisuras por contracción restringida.

Por otro lado, la inversión económica que se realiza debe resultar suficientemente rentable para el comitente por lo que, entre otras cosas, la obra debe mantenerse en buenas condiciones de servicio durante el periodo de diseño. En general, es habitual diseñar pisos para mantener buena serviciabilidad durante periodos de entre 20 y 25 años. No obstante, no es extraño que algunos proyectos tengan necesidades mayores. En consecuencia, será necesario considerar en el diseño de la mezcla de hormigón los posibles efectos físicos, químicos y ambientales que pueden afectar la serviciabilidad del piso. En términos habituales, en el ambiente de la tecnología del hormigón a este concepto se lo conoce como durabilidad.

En términos generales, en el caso de los pisos industriales vale la pena atender los posibles ataques físicos y químicos relacionados a la actividad que se desarrollara en la nave siendo habitual considerar el desgaste generado por las cargas móviles y, también, los posibles efectos dañinos de compuestos químicos que se pueden derramar y estar en contacto con el piso. En estos casos, se deberá considerar en el diseño de requerimientos que debe cumplir el endurecedor (por ejemplo: es habitual especificar el uso de dosis de polvo endurecedor de 3 kg/m2 para tránsito liviano en depósitos y subir la dosis a 5 kg/m2 o 7 kg/m2 en función de la frecuencia e intensidad del tránsito). Adicionalmente, cuando hay riesgo de derrame de químicos, dependiendo de los compuestos que se manipulan será necesario o no tomar medidas especiales. En particular, cuando se trata de ácidos, será necesario considerar el uso de una protección sobre el hormigón ya que la pasta cementicia tiende a deteriorarse en contacto de éstos. Muchas veces, en estos casos, el recubrimiento necesitara de mantenimiento y recapados periódicos que deben ser especificados por un profesional especializado.

En cambio, resulta necesario el desempeño del hormigón para no necesitar mantenimiento o, en todo caso, este se realice solo en alguna singularidad del mínimo impacto sobre el servicio del piso. Para eso, es necesario conocer el riesgo sobre los siguientes aspectos:

a-     Ataque por sulfatos: algunos suelos de contacto presentan una alta concentración de iones sulfato. En ese caso será necesario conocer la concentración de sulfatos presentes en el suelo de fundación y, dependiendo de la misma, será necesario considerar este aspecto en el diseño de la mezcla. Puede ser necesario utilizar cementos del tipo MRS (moderadamente resistente a los sulfatos) además de una baja relación a/c (agua/cemento, en masa) de la mezcla ya que, la primer barrera de entrada de los sulfatos en la masa del hormigón, sin dudas, es el diseño de un hormigón de baja permeabilidad y, en ese aspecto, la relación a/c juega un rol fundamental. En la TABLA 1 se muestra los niveles de ataque en función de la concentración de sulfatos del suelo en contacto.

b-     Ataque químico: existe una amplia familia de productos orgánicos e inorgánicos capaces de atacar al hormigón. La mayor parte de estos termina afectando la pasta cementicia a través de un ataque acido o por sulfatos que tienden a deteriorar los compuestos de hidratación. En la TABLA 2 se muestran los compuestos que habitualmente atacan al hormigón y la velocidad de deterioro que sugiere cada uno. En la TABLA 3 se indican los deterioros  esperados en la pasta cementicia en función del pH (acidez) a la que está sometida.

c-      Reacción álcali-agregado: como los pisos industriales que estarán en contacto permanente o frecuente con la humedad se recomienda el análisis de los agregados que serán utilizados en la elaboración del hormigón ya existen en nuestro país fuentes de agregados considerados potencialmente reactivos. La reacción álcali-agregado se produce en presencia simultánea de las siguientes condiciones:

(1)   Presencia de la humedad.

(2)  Agregados con suficiente cantidad de minerales potencialmente reactivos

(3)  Suficiente cantidad de álcalis disponibles en la solución de poros de hormigón.

Cuando exista la posibilidad de encontrar localmente una fuente de agregados no reactivos resulta recomendable utilizar esta fuente. Cuando esto no es posible, se deberán tomar otras medidas. En general, los productores de cemento en nuestro país disponen de soluciones ante estos potenciales problemas a través de cementos del tipo RRAA (resistente a la reacción álcali-agregado) u otros que ensayados en forma conjunta con los agregados no produce reacciones deletéreas.

También existen otros procesos de deterioro que pueden existir de acuerdo a las particularidades de cada proyecto. Por ejemplo, si se utiliza armadura, también habrá que considerar el control del fenómeno de corrosión o cuando el piso está sometido a condiciones de congelación y deshielo u otros fenómenos.

CONSIDERACIONES FINALES

Sin dudas, el diseño de la mezcla de hormigón juega un rol muy importante dentro del proceso que, necesariamente, debe tener todo proyecto para obtener los resultados deseados. Para eso, el conocimiento de las propiedades, límites y posibilidades reales disponibles resulta fundamental en la especificación que, por otro lado, debe ser coherente con las necesidades del proyecto. Por otro lado, será fundamental que el hormigón elaborado que se utiliza en pisos, no solo deberá cumplir con las especificaciones sino que, deberá resultar suficientemente uniforme y “confiable” en sus propiedades por lo que un adecuado control de calidad y seguimiento del proceso será necesario para lograrlo ya que, a pesar que parece algo simple, lo cierto es que pocas estructuras resultan tan sensibles a cualquier variación de la mezcla o a los procesos constructivos o a las condiciones medioambientales como los pisos industriales. En definitiva, todos los involucrados en el proyecto deberán “ponerse las pilas” y trabajar en forma profesional (y mancomunadamente) para obtener un buen resultado.

ARTICULO DE REVISTA O.