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El agua presenta diferentes funciones asociadas a las principales fases de la vida de una estructura de hormigón, desde el tiempo (t) referente a la puesta en obra hasta el período de utilización de la estructura. En la figura 2.1 se muestran algunas propiedades de gran importancia en la gran mayoría de las aplicaciones del hormigón. La trabajabilidad del material fresco es esencial a la puesta en obra, siendo de responsabilidad del suministrador y del constructor asegurarse que el hormigón presente los requisitos adecuados a los sistemas de puesta en obra y compactación que estén disponibles.

Figura 2.1 - Propiedades involucradas en las principales fases de la vida del hormigón En la edad estructural de 28 días son el constructor y la dirección de la obra los responsables de verificar que se alcancen los valores de resistencia y estabilidad dimensional especificados en proyecto. La durabilidad, por otra parte, tiene importancia fundamental durante la utilización de la estructura. Así, los problemas que aparezcan en esa fase van a influir al usuario y al propietario futuro: residentes de los edificios, trabajadores de los edificios comerciales y población en general, en el caso de obras publicas.

Tanto la calidad como la cantidad de agua presente en la mezcla de hormigón presentan un papel fundamental en el desarrollo de las propiedades mencionadas. Por lo tanto, es de interés no sólo del suministrador del hormigón y del constructor que el agua sea correctamente dosificada, sino que también de la dirección de la obra y del usuario/propietario final de la estructura construida.

A continuación se va presentar de forma breve como el agua actúa en el desarrollo de la trabajabilidad, de la resistencia y de la durabilidad del hormigón.

Estado fresco – la trabajabilidad:

La función del agua en la trabajabilidad puede ser entendida al considerarse las mezclas como suspensiones concentradas de partículas de variados tamaños en agua, tal como presentan Toutou y Roussel (2006).

Trabajabilidad

Resistencia y estabilidad dimensional Durabilidad

t = puesta en obra

 Suministrador del hormigón

 Constructor

t = 28 días  Constructor

 Dirección de la obra

t = vida útil  Usuario

Nayara Soares Klein

Bajo ésta perspectiva, en un volumen fijo de hormigón (o de mortero y pasta), al aumentarse el volumen de agua es necesario que se produzca, simultáneamente, una disminución en el volumen (y en el número) de las partículas sólidas componentes. Consecuentemente, cuanto mayor es el volumen de agua, más fluido es el hormigón; pues las partículas se encuentran más distantes unas de las otras haciendo que el contacto y la fricción entre granos sea menor.

Okamura y Ouchi (2003) se han basado en ese mismo principio para el desarrollo de los hormigones autocompactantes, al considerarlos una suspensión de áridos en la pasta de cemento. Los autores expresan que la frecuencia de colisión y contacto entre los áridos aumenta conforme la distancia entre partículas disminuye. Ello aumenta la tensión interna en el material, que a su vez consume parte de la energía necesaria para el flujo del hormigón. Por eso es que dichos hormigones necesitan un mayor porcentaje de pasta en su composición, en comparación a un hormigón convencional.

Al aplicarse esta simple condición física a mezclas compuestas de materiales tan finos como el cemento y las adiciones minerales, se verifica que no siempre es posible evitar el contacto entre granos con el mero aumento del volumen de agua. Ello debido a la aglomeración de las partículas finas, que resulta de las fuerzas de atracción de van der Waals presentes. De cualquier forma, con todo, independientemente de los problemas relacionados a la aglomeración de las partículas, el aumento del volumen de agua siempre conlleva a que la consistencia de la mezcla fresca sea más fluida (hasta el límite de segregación del material). De ese modo, la función del agua en estado fresco es la de fluidificar la masa, para que ésta presente la consistencia adecuada a la aplicación deseada. Estado endurecido – la resistencia:

La función del agua en el desarrollo de la resistencia del hormigón endurecido es promover la hidratación del cemento Portland, lo cual es un fenómeno químico. Taylor (1990), en base a la teoría de Powers y Brownyard, clasifica el agua según su función en la hidratación del cemento Portland y demuestra la cantidad aproximada necesaria al cumplimiento de cada función especificada, tal como muestra la tabla 2.1.

Tabla 2.1 – El agua en la hidratación del cemento Portland (Taylor, 1990)

Clasificación Definición Relación agua/peso del clínker No evaporable Retenida en las pastas sometidas al

secado (D-drying) ≈ 0,23 Químicamente combinada

Retenida en equilibrio a 11 % de humedad relativa, en pasta no antes

secada abajo de la saturación

≈ 0,32 Necesaria a la formación de

El rol físico del agua en mezclas de cemento Portland

En la tabla 2.1, el agua no evaporable (≈ 0,23) es el agua que reacciona con los compuestos del clínker y forma los productos de hidratación, no pudiendo ser eliminada a través del secado D-drying. Brouwers (2005) ha utilizado diferentes formas de secado para evaluar el contenido de agua no evaporable, llegando a conclusiones similares a las de Powers y Brownyard. O sea, contenidos aproximadamente iguales a 0,72 cm3_{/g, o}

relaciones a/c iguales a aproximadamente 0,23, para los cementos actuales.

El agua químicamente combinada (≈ 0,32) abarca el agua no evaporable, así como parte del agua presente en los poros del gel (poros de los productos de hidratación del cemento). Ésta se ha evaluado como el agua retenida en equilibrio a 11 % de humedad relativa, en pasta no antes secada abajo de la saturación.

La relación a/c crítica (0,42 – 0,44) se refiere al volumen de agua inferior al cual el cemento no puede ser completamente hidratado. Ello, además de considerar el agua no evaporable y el agua químicamente combinada, comprende el volumen substancial al distanciamiento entre granos para que los productos de la hidratación tengan el espacio necesario para formarse. Estos valores son contestados por Brouwers (2004) que presenta una relación a/c igual a 0,39 para el cemento tipo I (CEM I), debido a que la composición de los cementos actuales es distinta a la presentada por los cementos estudiados por Powers y Brownyard.

En ese sentido, es importante notar que el agua presenta también una función física en la hidratación del cemento, la de promover el espaciamiento entre granos para que los productos de hidratación puedan formarse. Esto ha sido resaltado por Bentz y Aïtcin (2008), que describen el papel del agua en determinar la distancia entre las partículas de cemento en las pastas. Cuanto menor es la distancia, más rápidamente los productos de hidratación llenan los espacios entre granos y más fuerte son los enlaces creados a partir de dichos productos de hidratación. Consecuentemente, el hormigón es más resistente.

Así pues, el hecho de que el cemento no esté completamente hidratado no indica que la resistencia del hormigón será necesariamente perjudicada, pues aunque se tenga una cantidad limitada de C-S-H se tiene también baja porosidad (Wong y Buenfeld, 2009). Ello explica cómo es posible producir hormigones de ultra-alta resistencia (con relaciones a/c inferiores a 0,23) aunque el cemento no se hidrate totalmente.

Estado endurecido – la durabilidad:

La influencia del agua de amasado en la durabilidad del hormigón está directamente relacionada a la formación de los poros en el material endurecido. Ello porque tanto la porosidad como la permeabilidad del hormigón dictan la facilidad con que el agua externa u otros agentes agresivos penetran en su interior, causando el deterioro (Mehta y Monteiro, 2006).

Nayara Soares Klein

Como ya se ha comentado anteriormente, el agua es la responsable de producir el espaciamiento entre los granos de cemento y adiciones minerales en las pastas (las cuales forman los morteros y hormigones). Cuanto menor es la distancia entre partículas, menores son los poros creados durante el secado, lo que influye directamente en la permeabilidad y, consecuentemente, en la durabilidad del material (Bentz y Aïtcin, 2008).

La figura 2.2 (a) muestra la microestructura de un hormigón convencional, mientras que la figura 2.2 (b) presenta la microestructura de un hormigón de altas prestaciones. A través de esas dos imágenes se puede observar la diferente porosidad presentada en los dos materiales.

Figura 2.2 – Microestructura del hormigón (Aïtcin, 2003)

Conforme se observa en la figura 2.2 (a), la pasta con elevada relación a/c es altamente porosa, debido a que los productos de hidratación se forman por procesos de precipitación de los cristales en la solución presente entre las partículas de cemento. Por otra parte, la figura 2.2 (b) muestra una pasta compacta y compuesta esencialmente por productos de hidratación formados próximamente a la superficie de las partículas. Dicha microestructura se parece a un gel desarrollado a través de procesos de difusión (Aïtcin, 2003).

Así pues, de la figura 2.2 se concluye que el aumento del volumen de agua de amasado aumenta la porosidad de la pasta (como consecuencia del mayor espaciamiento entre granos), influyendo negativamente en la durabilidad del hormigón. Aïtcin (2003) señala asimismo que los hormigones con una baja relación a/c, además de presentar menor porosidad respecto a los hormigones convencionales, tienen una red de poros discontinua.

Después del análisis presentado, se observa que el agua va influenciar diferentes propiedades involucradas en las principales fases de la vida del hormigón, desde la puesta en obra hasta el período de utilización de la estructura. Con todo, desde los primeros estudios relacionados a la dosificación de los hormigones, las funciones del agua en las mezclas han sido consideradas de distintas maneras. A continuación, se va presentar una

Árido

(a)Elevada relación a/c, alta porosidad y

El rol físico del agua en mezclas de cemento Portland

breve descripción de cómo dicha dosificación viene siendo abordada, así como su evolución a lo largo del tiempo.