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PAPEL DEL AGUA EN LA MEZCLA DE HORMIGON DE CEMENTO PORTLAND Advertencia: Los procesos envueltos en el hormigón de cemento Portland no son tan simples como se los presenta en este documento. Están presentados de esa manera por motivos didácticos. Se supone que no hay aire atrapado ni aire incorporado en la mezcla. Función del agua: El agua cumple dos importantes funciones en la mezcla de hormigón de cemento Portland. Primeramente, reacciona químicamente con el cemento para producir la parte sólida de la pasta de cemento Portland (HCP) que es lo que da la resistencia al hormigón. En segundo lugar, provee la manejabilidad de la mezcla, importantísima propiedad para formar un hormigón homogéneo y bien compactado. Poca agua producirá un hormigón denso y seco, difícil de compactar y de homogeneizar y que por lo tanto resultará en un hormigón débil. Por otro lado, mucha agua provocará la formación de muchos poros cuando el agua se evapore, favorecerá la segregación y tampoco se obtendrá un hormigón homogéneo, lo cual también dará como resultado un hormigón débil. Es decir, la cantidad de agua tiene un rango, o mejor dicho, un valor óptimo para evitar estar en esas condiciones extremas. Para hidratar el cemento, se necesita 0.25 libras de agua por cada libra de cemento. El exceso de agua por encima de esa cantidad se evaporará y se convertirá en vacios, reduciendo la resistencia del hormigón. Vamos a postular dos principios importantes en el diseño de la mezcla: Postulado No. 1: La manejabilidad de la mezcla depende principalmente de la cantidad de agregados más cemento de la mezcla. Como consecuencia de este postulado, veremos que es la cantidad de agua la principal determinante de la manejabilidad deseada. La manejabilidad se mide mediante el ensayo de asentamiento del cono. Postulado No. 2: La resistencia de una mezcla es función principalmente del porcentaje de vacios en la pasta de cemento Portland. Como consecuencia de este postulado, es la relación agua cemento la determinante de la resistencia del hormigón. Antes de explicar estos postulados, debe comprenderse que todas las proporciones de una mezcla se miden en un volumen de referencia, usualmente una yarda cúbica. No debe causar confusión este concepto ya que de lo contrario llegaremos a conclusiones falsas. Por ejemplo, si tengo una determinada mezcla en estado fresco y si tomo un cubo de una yarda cúbica, allí aparecerán las proporciones de cada ingrediente de la mezcla. Si a la mezcla le añado agua, dejando igual las cantidades de cemento y agregados, da la impresión de que hubo un aumento de agua, pero no de agregado y cemento. Sin embargo, cuando tomo el cubo de 1 yd3 y lo lleno de esa nueva mezcla, allí se verá que hay más agua, pero menos cemento y agregados que la mezcla previa. Es decir, la cantidad de cemento y agregados disminuye en ese volumen de referencia. En realidad, como el agua ocupa ahora mayor volumen, el cemento y el agregado deben ocupar menos volumen para que el volumen final sea de 1 yd3. Vamos a explicar ahora el primer postulado. En cuanto a la manejabilidad, el agua hace básicamente dos cosas en la mezcla: mojar (lubricar) los agregados para que puedan moverse dentro de la mezcla y darle fluidez al mortero. Es decir, el agua trabaja sobre la cantidad de agregado más cemento. Mayor cantidad de cemento más agregado requeriá mayor cantidad de agua, para mantener una manejabilidad dada. Es decir, la cantidad de agua depende de la cantidad de agregados más cemento. Cuando sabemos la manejabilidad que deseamos, teóricamente hay una cantidad de agua exacta que va a producir esa manejabilidad. Por ejemplo, para tener un asentamiento de 1-1/2 pulgadas, se necesita 315 lb de agua por yarda cúbica (para un tamaño máximo de agregado de 3/4 “). Esta cantidad de agua corresponde a 5.05 ft3 y por lo tanto la cantidad de cemento más agregados es de 21.95 ft3. Dicho de otra manera entonces, 21.95 ft3 de agregados más cemento necesitan 5.05 ft3 de agua para producir un asentamiento de 1-1/2 pulgadas. Si se echa más agua, la cantidad de agregados más cemento disminuirá y entonces tendremos más agua para darle manejabilidad a menos cantidad de agregados más cemento. El resultado: mayor asentamiento. Por ejemplo si echamos 340 libras de agua, ella ocupará un volumen de 5.45 ft3 y el volumen de cemento más agregado será de 21.55 ft3. Comparando con los números

anteriores tendremos más agua para darle fluidez a menos cantidad de cemento más agregados. El resultado: mayor asentamiento. La tabla del ACI-211 dice que será como de 3-1/2 pulgadas. Casi toda el agua que se echa en la mezcla inicialmente se usa en manejabilidad. Una pequeña porción hidrata con el cemento en los primeros 45 minutos. Por lo tanto, al evaporarse el agua de la mezcla se queda una gran cantidad de vacios por un lado, y por otro lado queda una gran cantidad de cemento sin hidratar. Por eso es que el curado es tan importante. Si el hormigón no se cura, resultará con una gran cantidad de vacíos y una gran cantidad de cemento sin hidratar. Esa agua que se evapora inicialmente deja espacio para que el agua del curado pentre hasta adentro y reaccione con el cemento aun no hidratado. El resultado, se “tapan” los vacios originales con pasta de cemento sólida. Y de alli viene la ganancia de resistencia del hormigón, ya que la cantidad de vacios va disminuyendo a medida que se realiza el curado. En cuanto al segundo postulado, digamos que la relación agua cemento igual a 0.25 es lo ideal en términos de resistencia. Todo el cemento y toda el agua se hidratarán. Si la relación agua cemento es menor que 0.25 habrá parte del cemento que no se hidratará. Si la relación agua cemento es mayor a 0.25, habrá parte del agua que no se hidratará y cuando esta se evapore se formarán vacios que disminuirán la resistencia del hormigón. Hagamos algunos numeros: Primeramente consideremos una mezcla base, y luego una segunda mezcla que tenga la misma cantidad de agua pero con una relación agua cemento mayor. Luego consideremos una tercera mezcla donde la cantidad de agua aumenta pero la relación agua cemento permanece igual. Finalmente consideremos una cuarta mezcla donde tanto la cantidad de agua como la relación agua cemento aumentan. Para determinar cómo varía la manejabilidad, debemos ver la cantidad de agua que tenemos contra la cantidad de cemento más agregados sobre lo que el agua debe “trabajar”. Para determinar cómo varia la resistencia, debemos ver el porcentaje de vacíos en la pasta de cemento Portland. Ese porcentaje de vacíos es el volumen de vacios proveniente de la evaporación del agua que no se hidrata con el cemento dividido el volumen de la pasta (volumen de agua más volumen de cemento). Haciendo una tabla: Mezcla

Agua

Cemento

Agregados

1

315 lb (5.05 ft3) 315 lb (5.05 ft3) 340 lb (5.45 ft3) 340 lb (5.45 ft3)

787.5 lb (4.01 ft3) 700 lb (3.56 ft3) 850 lb (4.32 ft3) 755.6 lb (3.84 ft3)

(17.94 ft3)

Cemento + Agregados (21.95 ft3)

(18.39 ft3)

(21.95 ft3)

(17.23 ft3)

(21.55 ft3)

(17.71 ft3)

(21.55 ft3)

2 3 4

w/c 0.4 0.4 5 0.4 0.4 5

Vacios Manejabilidad HCP 20.9% Ref

Resistencia

26.1%

Igual

Disminuye

20.9%

Aumenta

Igual

26.1%

Aumenta

Disminuye

Obs: Todas las cantidades se refieren a una yarda cúbica de cemento fresco.

Ref...