Concreto reforzado
Hormigón armado (RC), también llamado hormigón de cemento armado (RCC) y hormigón armado , es un material compuesto en el que la resistencia a la tracción y la ductilidad relativamente bajas del hormigón se compensan con la inclusión de armaduras que tienen una mayor resistencia a la tracción o ductilidad. El refuerzo suele ser, aunque no necesariamente, barras de acero (barras de refuerzo) y generalmente se incrusta pasivamente en el hormigón antes de que fragüe el hormigón. Sin embargo, el postesado también se emplea como técnica para reforzar el hormigón. En términos de volumen utilizado anualmente, es uno de los materiales de ingeniería más comunes. En términos de ingeniería contra la corrosión, cuando se diseña correctamente, la alcalinidad del hormigón protege la barra de refuerzo de acero de la corrosión.
Descripción
Los esquemas de refuerzo generalmente están diseñados para resistir tensiones de tracción en regiones particulares del concreto que podrían causar grietas inaceptables y/o fallas estructurales. El hormigón armado moderno puede contener diversos materiales de refuerzo hechos de acero, polímeros o materiales compuestos alternativos junto con barras de refuerzo o no. El hormigón armado también puede estar sometido a esfuerzos permanentes (hormigón en compresión, armadura en tracción), para mejorar el comportamiento de la estructura final bajo las cargas de trabajo. En los Estados Unidos, los métodos más comunes para hacer esto se conocen como pretensado y postensado.
Para una construcción fuerte, dúctil y duradera, el refuerzo debe tener al menos las siguientes propiedades:
- Alta fuerza relativa
- Alta tolerancia de la cepa tensil
- Buen vínculo con el hormigón, independientemente de pH, humedad y factores similares
- Compatibilidad térmica, no causando tensiones inaceptables (como expansión o contracción) en respuesta a las temperaturas cambiantes.
- Durabilidad en el entorno concreto, independientemente de la corrosión o el estrés sostenido, por ejemplo.
Historia
La Torre Inclinada de Nevyansk en la ciudad de Nevyansk en el óblast de Sverdlovsk, Rusia, es el primer edificio conocido que utiliza hormigón armado como método de construcción. Fue construido por orden del industrial Akinfiy Demidov entre 1721 y 1725.
François Coignet utilizó hormigón armado con hierro como técnica para construir estructuras de edificios. En 1853, Coignet construyó la primera estructura de hormigón armado con hierro, una casa de cuatro pisos en el número 72 de la rue Charles Michels, en las afueras de París. Las descripciones de Coignet sobre el refuerzo del hormigón sugieren que no lo hizo para aumentar la resistencia del hormigón, sino para evitar que los muros de una construcción monolítica se derrumbaran. El edificio Pippen en Brooklyn se erige como testimonio de su técnica. En 1854, el constructor inglés William B. Wilkinson reforzó el techo y los pisos de concreto de la casa de dos pisos que estaba construyendo. Su posicionamiento del refuerzo demostró que, a diferencia de sus predecesores, tenía conocimiento de los esfuerzos de tracción.
Joseph Monier, un jardinero francés del siglo XIX, fue un pionero en el desarrollo de hormigón estructural, prefabricado y reforzado, ya que no estaba satisfecho con los materiales disponibles para hacer macetas duraderas. Se le concedió una patente para el refuerzo de macetas de hormigón mediante la mezcla de una malla de alambre y una capa de mortero. En 1877, Monier obtuvo otra patente para una técnica más avanzada de refuerzo de columnas y vigas de hormigón, utilizando varillas de hierro colocadas en forma de rejilla. Aunque Monier, sin duda, sabía que el refuerzo del hormigón mejoraría su cohesión interna, no está claro si sabía cuánto mejoró el refuerzo la resistencia a la tracción del hormigón.
Antes de la década de 1870, el uso de la construcción con hormigón, aunque se remonta al Imperio Romano y se reintrodujo a principios del siglo XIX, aún no era una tecnología científica comprobada. Thaddeus Hyatt, publicó un informe titulado An Account of Some Experiments with Portland-Cement-Concrete Combined with Iron as a Building Material, with Reference to Economy of Metal in Construction and for Security against Fire in the Making of Techos, Floors, y Walking Surfaces, en el que relata sus experimentos sobre el comportamiento del hormigón armado. Su trabajo jugó un papel importante en la evolución de la construcción con hormigón como ciencia probada y estudiada. Sin el trabajo de Hyatt, se podría haber dependido de métodos de prueba y error más peligrosos para el avance de la tecnología.
Ernest L. Ransome, un ingeniero de origen inglés, fue uno de los primeros innovadores de las técnicas de hormigón armado a fines del siglo XIX. Utilizando el conocimiento del hormigón armado desarrollado durante los 50 años anteriores, Ransome mejoró casi todos los estilos y técnicas de los primeros inventores del hormigón armado. La innovación clave de Ransome fue torcer la barra de acero de refuerzo, mejorando así su unión con el hormigón. Ganando una fama cada vez mayor por sus edificios construidos con hormigón, Ransome pudo construir dos de los primeros puentes de hormigón armado en América del Norte. Uno de sus puentes sigue en pie en Shelter Island en el East End de Nueva York. Uno de los primeros edificios de hormigón construidos en los Estados Unidos fue una casa privada diseñada por William Ward, terminada en 1876. La casa fue especialmente diseñada para ser a prueba de fuego.
G. A. Wayss fue un ingeniero civil alemán y pionero de la construcción con hormigón de hierro y acero. En 1879, Wayss compró los derechos alemanes de las patentes de Monier y, en 1884, su empresa, Wayss & Freytag, hizo el primer uso comercial de hormigón armado. Hasta la década de 1890, Wayss y su empresa contribuyeron en gran medida al avance del sistema de refuerzo de Monier y lo establecieron como una tecnología científica bien desarrollada.
Uno de los primeros rascacielos construidos con hormigón armado fue el Ingalls Building de 16 pisos en Cincinnati, construido en 1904.
El primer edificio de hormigón armado en el sur de California fue el anexo Laughlin en el centro de Los Ángeles, construido en 1905. En 1906, según informes, se emitieron 16 permisos de construcción para edificios de hormigón armado en la ciudad de Los Ángeles, incluido el Temple Auditorium y 8 -piso Hayward Hotel.
En 1906, un derrumbe parcial del hotel Bixby en Long Beach mató a 10 trabajadores durante la construcción cuando se quitaron los apuntalamientos prematuramente. Ese evento provocó un escrutinio de las prácticas de construcción de concreto e inspecciones de edificios. La estructura se construyó con pórticos de hormigón armado con piso nervado de tejas de barro huecas y paredes de relleno de tejas de barro huecas. Esa práctica fue fuertemente cuestionada por los expertos y se hicieron recomendaciones para la construcción con hormigón “puro”, utilizando hormigón armado para los pisos y paredes, así como para los marcos.
En abril de 1904, Julia Morgan, una arquitecta e ingeniera estadounidense pionera en el uso estético del hormigón armado, completó su primera estructura de hormigón armado, El Campanil, un campanario de 22 m (72 pies) en Mills College, que está ubicado al otro lado de la bahía de San Francisco. Dos años más tarde, El Campanil sobrevivió al terremoto de San Francisco de 1906 sin ningún daño, lo que ayudó a construir su reputación y a impulsar su prolífica carrera. El terremoto de 1906 también cambió la resistencia inicial del público al hormigón armado como material de construcción, que había sido criticado por su aburrimiento percibido. En 1908, la Junta de Supervisores de San Francisco cambió los códigos de construcción de la ciudad para permitir un uso más amplio del hormigón armado.
En 1906, la Asociación Nacional de Usuarios de Cemento (NACU) publicó la Norma No. 1 y, en 1910, las Reglamentos Estándar de Construcción para el Uso de Concreto Armado.
Uso en la construcción
Se pueden construir muchos tipos diferentes de estructuras y componentes de estructuras utilizando hormigón armado, incluidas losas, paredes, vigas, columnas, cimientos, marcos y más.
El hormigón armado se puede clasificar como hormigón prefabricado o vaciado in situ.
Diseñar e implementar el sistema de piso más eficiente es clave para crear estructuras de construcción óptimas. Pequeños cambios en el diseño de un sistema de piso pueden tener un impacto significativo en los costos de materiales, el cronograma de construcción, la resistencia máxima, los costos operativos, los niveles de ocupación y el uso final de un edificio.
Sin el refuerzo, la construcción de estructuras modernas con material de hormigón no sería posible.
Comportamiento
Materiales
El hormigón es una mezcla de agregados gruesos (piedra o astillas de ladrillo) y finos (generalmente arena y/o piedra triturada) con una pasta de material aglutinante (generalmente cemento Portland) y agua. Cuando el cemento se mezcla con una pequeña cantidad de agua, se hidrata para formar redes cristalinas opacas microscópicas que encapsulan y bloquean el agregado en una forma rígida. Los agregados utilizados para fabricar concreto deben estar libres de sustancias nocivas como impurezas orgánicas, limo, arcilla, lignito, etc. Las mezclas de concreto típicas tienen una alta resistencia a los esfuerzos de compresión (alrededor de 4000 psi (28 MPa)); sin embargo, cualquier tensión apreciable (p. ej., debido a la flexión) romperá la red rígida microscópica, lo que provocará el agrietamiento y la separación del hormigón. Por esta razón, el concreto no reforzado típico debe estar bien soportado para evitar el desarrollo de tensiones.
Si un material con alta resistencia a la tracción, como el acero, se coloca en concreto, entonces el material compuesto, el concreto reforzado, resiste no solo la compresión sino también la flexión y otras acciones directas de tracción. Una sección compuesta donde el hormigón resiste la compresión y el refuerzo "barras de refuerzo" resiste la tensión se puede fabricar en casi cualquier forma y tamaño para la industria de la construcción.
Características clave
Tres características físicas confieren al hormigón armado sus propiedades especiales:
- El coeficiente de expansión térmica del hormigón es similar al del acero, eliminando grandes tensiones internas debido a diferencias en expansión térmica o contracción.
- Cuando la pasta de cemento dentro del hormigón se endurece, esto se ajusta a los detalles superficiales del acero, permitiendo que cualquier estrés sea transmitido eficientemente entre los diferentes materiales. Por lo general, las barras de acero se agitan o corrugan para mejorar aún más el vínculo o la cohesión entre el hormigón y el acero.
- El entorno químico alcalino proporcionado por la reserva alcalí (KOH, NaOH) y la hidroxida de calcio contenida en la pasta de cemento endurecido hace que una película pasivante se forme en la superficie del acero, lo que hace mucho más resistente a la corrosión que en condiciones neutra o ácidas. Cuando la pasta de cemento está expuesta al aire y el agua meteórica reacciona con el CO atmosférico2, portlandita y el hidrato de silicato de calcio (CSH) de la pasta de cemento endurecido se carboniza progresivamente y el pH alto disminuye gradualmente de 13.5 a 12.5 a 8.5, el pH de agua en equilibrio con calcita (carbonato de calcio) y el acero ya no es pasivado.
Como regla general, solo para dar una idea de los órdenes de magnitud, el acero se protege a un pH superior a ~11 pero comienza a corroerse por debajo de ~10 según las características del acero y las condiciones fisicoquímicas locales cuando el concreto se carbonata. La carbonatación del hormigón junto con la entrada de cloruro se encuentran entre las principales razones de la falla de las barras de refuerzo en el hormigón.
El área de la sección transversal relativa del acero requerida para el hormigón armado típico suele ser bastante pequeña y varía del 1 % para la mayoría de las vigas y losas al 6 % para algunas columnas. Las barras de refuerzo son normalmente redondas en sección transversal y varían en diámetro. Las estructuras de hormigón armado a veces tienen provisiones tales como núcleos huecos ventilados para controlar su humedad & humedad.
La distribución de las características de resistencia del hormigón (a pesar del refuerzo) a lo largo de la sección transversal de los elementos verticales de hormigón armado no es homogénea.
Mecanismo de acción mixta de armadura y hormigón
El refuerzo en una estructura de CR, como una barra de acero, debe sufrir la misma tensión o deformación que el hormigón circundante para evitar la discontinuidad, el deslizamiento o la separación de los dos materiales bajo carga. Mantener la acción compuesta requiere la transferencia de carga entre el hormigón y el acero. La tensión directa se transfiere del hormigón a la interfaz de la barra para cambiar la tensión de tracción en la barra de refuerzo a lo largo de su longitud. Esta transferencia de carga se logra por medio de adherencia (anclaje) y se idealiza como un campo de tensión continuo que se desarrolla en las proximidades de la interfaz acero-hormigón. Las razones por las que los dos componentes de materiales diferentes, el hormigón y el acero, pueden trabajar juntos son las siguientes: (1) El refuerzo puede adherirse bien al hormigón, por lo que pueden resistir conjuntamente cargas externas y deformarse. (2) Los coeficientes de expansión térmica del hormigón y el acero son tan parecidos (1.0×10−5 a 1,5×10−5 para concreto y 1.2×10−5 para acero) que se puede prevenir el daño inducido por estrés térmico en la unión entre los dos componentes. (3) El concreto puede proteger el acero incrustado de la corrosión y el ablandamiento inducido por altas temperaturas.
Anclaje (adherencia) en hormigón: Códigos de especificaciones
Debido a que la tensión de adherencia real varía a lo largo de una barra anclada en una zona de tensión, los códigos de especificaciones internacionales actuales utilizan el concepto de longitud de desarrollo en lugar de tensión de adherencia. El requisito principal para la seguridad contra la falla de la adherencia es proporcionar una extensión suficiente de la longitud de la barra más allá del punto donde se requiere que el acero desarrolle su límite elástico y esta longitud debe ser al menos igual a su longitud de desarrollo. Sin embargo, si la longitud real disponible es inadecuada para el desarrollo completo, se deben proporcionar anclajes especiales, como dientes o ganchos o placas de extremo mecánicas. El mismo concepto se aplica a la longitud de empalme de traslape mencionada en los códigos donde se proporcionan empalmes (superposición) entre dos barras adyacentes para mantener la continuidad requerida de tensión en la zona de empalme.
Medidas anticorrosión
En climas húmedos y fríos, el concreto reforzado para carreteras, puentes, estructuras de estacionamiento y otras estructuras que pueden estar expuestas a la sal de deshielo puede beneficiarse del uso de refuerzos resistentes a la corrosión, tales como (microcompuestos) sin recubrimiento, bajos en carbono/cromo, Barras de refuerzo recubiertas de epoxi, galvanizadas en caliente o de acero inoxidable. Un buen diseño y una mezcla de concreto bien elegida brindarán protección adicional para muchas aplicaciones. Las barras de refuerzo con bajo contenido de carbono/cromo sin recubrimiento tienen un aspecto similar al de las barras de acero al carbono estándar debido a la falta de recubrimiento; sus características altamente resistentes a la corrosión son inherentes a la microestructura de acero. Se puede identificar por la marca de fábrica única especificada por ASTM en su acabado de carbón oscuro y suave. Las barras de refuerzo recubiertas de epoxi se pueden identificar fácilmente por el color verde claro de su recubrimiento de epoxi. Las barras de refuerzo galvanizadas por inmersión en caliente pueden ser de color gris brillante o opaco, según la duración de la exposición, y las barras de acero inoxidable exhiben un brillo metálico blanco típico que se distingue fácilmente de las barras de refuerzo de acero al carbono. Referencia Especificaciones estándar de ASTM A1035/A1035M Especificación estándar para barras de acero de cromo bajas en carbono, deformadas y lisas para refuerzo de concreto, A767 Especificación estándar para barras de refuerzo galvanizadas en caliente, A775 Especificación estándar para barras de refuerzo de acero recubiertas con epoxi y A955 Especificación estándar para barras de acero inoxidable lisas y corrugadas para refuerzo de concreto.
Otra forma más económica de proteger las barras de refuerzo es recubrirlas con fosfato de zinc. El fosfato de zinc reacciona lentamente con los cationes de calcio y los aniones hidroxilo presentes en el agua intersticial del cemento y forma una capa estable de hidroxiapatita.
Por lo general, los selladores penetrantes deben aplicarse algún tiempo después del curado. Los selladores incluyen pintura, espumas plásticas, películas y papel de aluminio, fieltros o esteras de tela selladas con alquitrán y capas de arcilla de bentonita, que a veces se usan para sellar los firmes de las carreteras.
Los inhibidores de la corrosión, como el nitrito de calcio [Ca(NO2)2], también se pueden agregar a la mezcla de agua antes de verter el concreto. Generalmente, 1–2 peso. Se necesita un % de [Ca(NO2)2] con respecto al peso de cemento para evitar la corrosión de las barras de refuerzo. El anión nitrito es un oxidante suave que oxida los iones ferrosos solubles y móviles (Fe2+) presentes en la superficie del acero corroído y hace que se precipiten como un hidróxido férrico insoluble (Fe(OH) 3). Esto provoca la pasivación del acero en los sitios de oxidación anódica. El nitrito es un inhibidor de la corrosión mucho más activo que el nitrato, que es un oxidante menos potente del hierro divalente.
Refuerzo y terminología de vigas
Una viga se dobla bajo el momento de flexión, lo que da como resultado una pequeña curvatura. En la cara exterior (cara de tracción) de la curvatura, el hormigón experimenta tensión de tracción, mientras que en la cara interior (cara de compresión) experimenta tensión de compresión.
Una viga reforzada individualmente es aquella en la que el elemento de hormigón solo está reforzado cerca de la cara de tracción y el refuerzo, llamado acero de tracción, está diseñado para resistir la tracción.
Una viga doblemente armada es la sección en la que, además del refuerzo de tracción, el elemento de hormigón también está reforzado cerca de la cara de compresión para ayudar al hormigón a resistir la compresión y soportar los esfuerzos. Este último refuerzo se denomina acero de compresión. Cuando la zona de compresión de un concreto es inadecuada para resistir el momento de compresión (momento positivo), se debe proporcionar un refuerzo adicional si el arquitecto limita las dimensiones de la sección.
Una viga subreforzada es aquella en la que la capacidad de tracción del refuerzo de tracción es menor que la capacidad de compresión combinada del hormigón y el acero de compresión (subreforzado en la cara de tracción). Cuando el elemento de concreto reforzado está sujeto a un momento de flexión creciente, el acero a tensión cede mientras que el concreto no alcanza su condición de falla final. A medida que el acero a tensión cede y se estira, un "infrarreforzado" El concreto también cede de manera dúctil, exhibiendo una gran deformación y advertencia antes de su falla final. En este caso, el límite elástico del acero gobierna el diseño.
Una viga sobrerreforzada es aquella en la que la capacidad de tracción del acero de tracción es mayor que la capacidad de compresión combinada del hormigón y el acero de compresión (sobrerreforzado en la cara de tracción). Así que el "hormigón sobre-reforzado" la viga falla por aplastamiento del hormigón de la zona de compresión y antes de que ceda el acero de la zona de tracción, lo que no proporciona ninguna advertencia antes de la falla ya que la falla es instantánea.
Una viga reforzada equilibrada es aquella en la que tanto la zona de compresión como la de tracción alcanzan la fluencia con la misma carga impuesta sobre la viga, y el hormigón se aplastará y el acero de tracción cederá al mismo tiempo. hora. Sin embargo, este criterio de diseño es tan arriesgado como el concreto reforzado en exceso, porque la falla es repentina ya que el concreto se aplasta al mismo tiempo que el acero de tracción cede, lo que da muy poca advertencia de peligro en caso de falla por tracción.
Los elementos portadores de momentos de hormigón armado con acero normalmente deben diseñarse para que no estén reforzados, de modo que los usuarios de la estructura reciban una advertencia de colapso inminente.
La resistencia característica es la resistencia de un material donde menos del 5 % de la muestra muestra menor resistencia.
La resistencia de diseño o resistencia nominal es la resistencia de un material, incluido un factor de seguridad del material. El valor del factor de seguridad generalmente oscila entre 0,75 y 0,85 en el diseño de tensión admisible.
El estado límite último es el punto de fallo teórico con cierta probabilidad. Se expresa en cargas mayoradas y resistencias mayoradas.
Las estructuras de hormigón armado normalmente se diseñan de acuerdo con las normas y reglamentos o la recomendación de un código como ACI-318, CEB, Eurocódigo 2 o similar. Los métodos WSD, USD o LRFD se utilizan en el diseño de elementos estructurales de CR. El análisis y diseño de elementos de CR se puede llevar a cabo utilizando enfoques lineales o no lineales. Cuando se aplican factores de seguridad, los códigos de construcción normalmente proponen enfoques lineales, pero en algunos casos enfoques no lineales. Para ver los ejemplos de cálculo y simulación numérica no lineal visita las referencias:
Hormigón pretensado
El hormigón pretensado es una técnica que aumenta considerablemente la resistencia portante de las vigas de hormigón. El acero de refuerzo en la parte inferior de la viga, que estará sujeto a fuerzas de tracción cuando esté en servicio, se tensa antes de verter el hormigón a su alrededor. Una vez que el hormigón se ha endurecido, se libera la tensión sobre el acero de refuerzo, ejerciendo una fuerza de compresión incorporada sobre el hormigón. Cuando se aplican cargas, el acero de refuerzo adquiere más tensión y la fuerza de compresión en el hormigón se reduce, pero no se convierte en una fuerza de tracción. Dado que el hormigón siempre está bajo compresión, está menos sujeto a grietas y fallas.
Modos de falla comunes del concreto reforzado con acero
El hormigón armado puede fallar debido a una resistencia inadecuada, lo que lleva a una falla mecánica o debido a una reducción en su durabilidad. La corrosión y los ciclos de congelación/descongelación pueden dañar el hormigón armado mal diseñado o construido. Cuando la barra de refuerzo se corroe, los productos de oxidación (óxido) se expanden y tienden a descascararse, agrietando el concreto y despegando la barra de refuerzo del concreto. Los mecanismos típicos que conducen a problemas de durabilidad se analizan a continuación.
Falla mecánica
El agrietamiento de la sección de concreto es casi imposible de prevenir; sin embargo, el tamaño y la ubicación de las grietas se pueden limitar y controlar mediante el refuerzo apropiado, las juntas de control, la metodología de curado y el diseño de la mezcla de concreto. El agrietamiento puede permitir que la humedad penetre y corroa el refuerzo. Esta es una falla de servicio en el diseño de estado límite. El agrietamiento es normalmente el resultado de una cantidad inadecuada de barras de refuerzo, o barras de refuerzo espaciadas a una distancia demasiado grande. El concreto se agrieta ya sea por exceso de carga o debido a efectos internos como la contracción térmica temprana mientras se cura.
La falla final que lleva al colapso puede ser causada por el aplastamiento del concreto, lo cual ocurre cuando los esfuerzos de compresión exceden su resistencia, por fluencia o falla de la barra de refuerzo cuando los esfuerzos de flexión o cortante exceden la resistencia del refuerzo, o por falla de adherencia entre las hormigón y la barra de refuerzo.
Carbonatación
La carbonatación, o neutralización, es una reacción química entre el dióxido de carbono del aire y el hidróxido de calcio y el silicato de calcio hidratado del hormigón.
Cuando se diseña una estructura de hormigón, es habitual especificar el recubrimiento de hormigón para la barra de refuerzo (la profundidad de la barra de refuerzo dentro del objeto). El recubrimiento mínimo de hormigón normalmente está regulado por códigos de diseño o construcción. Si el refuerzo está demasiado cerca de la superficie, puede ocurrir una falla temprana debido a la corrosión. La profundidad de la cubierta de hormigón se puede medir con un medidor de cubierta. Sin embargo, el concreto carbonatado incurre en un problema de durabilidad solo cuando también hay suficiente humedad y oxígeno para causar la corrosión electropotencial del acero de refuerzo.
Un método para probar la carbonatación de una estructura es perforar un nuevo orificio en la superficie y luego tratar la superficie cortada con una solución indicadora de fenolftaleína. Esta solución se vuelve rosa cuando entra en contacto con el hormigón alcalino, lo que permite ver la profundidad de carbonatación. Usar un agujero existente no es suficiente porque la superficie expuesta ya estará carbonatada.
Cloruros
Los cloruros pueden promover la corrosión de las barras de refuerzo incrustadas si están presentes en una concentración suficientemente alta. Los aniones de cloruro inducen tanto la corrosión localizada (corrosión por picaduras) como la corrosión generalizada de las armaduras de acero. Por esta razón, solo se debe usar agua cruda fresca o agua potable para mezclar el concreto, asegúrese de que los agregados gruesos y finos no contengan cloruros, en lugar de aditivos que puedan contener cloruros.
Alguna vez fue común que el cloruro de calcio se usara como un aditivo para promover un fraguado rápido del concreto. También se creía erróneamente que evitaría la congelación. Sin embargo, esta práctica cayó en desgracia una vez que se conocieron los efectos nocivos de los cloruros. Debe evitarse siempre que sea posible.
El uso de sales de deshielo en las carreteras, utilizadas para reducir el punto de congelación del agua, es probablemente una de las causas principales de la falla prematura de las cubiertas de los puentes, las carreteras y los estacionamientos de hormigón armado o pretensado. El uso de barras de refuerzo recubiertas de epoxi y la aplicación de protección catódica ha mitigado en cierta medida este problema. También se sabe que las barras de refuerzo de FRP (polímero reforzado con fibra) son menos susceptibles a los cloruros. Las mezclas de concreto correctamente diseñadas que se han dejado curar adecuadamente son efectivamente impermeables a los efectos de los descongelantes.
Otra fuente importante de iones de cloruro es el agua de mar. El agua de mar contiene en peso aproximadamente un 3,5% de sales. Estas sales incluyen cloruro de sodio, sulfato de magnesio, sulfato de calcio y bicarbonatos. En el agua, estas sales se disocian en iones libres (Na+, Mg2+, Cl−, SO 2−
4, HCO −
3) y migrar con el agua en los capilares del hormigón. Los iones de cloruro, que constituyen aproximadamente el 50% de estos iones, son particularmente agresivos como causa de la corrosión de las barras de refuerzo de acero al carbono.
En las décadas de 1960 y 1970, también era relativamente común que la magnesita, un mineral de carbonato rico en cloruro, se usara como material de revestimiento de pisos. Esto se hizo principalmente como una capa de nivelación y atenuación del sonido. Sin embargo, ahora se sabe que cuando estos materiales entran en contacto con la humedad producen una solución débil de ácido clorhídrico debido a la presencia de cloruros en la magnesita. Durante un período de tiempo (generalmente décadas), la solución provoca la corrosión de las barras de refuerzo incrustadas. Esto se encontró más comúnmente en áreas húmedas o áreas expuestas repetidamente a la humedad.
Reacción de sílice alcalino
Esta es una reacción de la sílice amorfa (calcedonia, pedernal, piedra caliza silícea) a veces presente en los agregados con los iones hidroxilo (OH−) de la solución de los poros del cemento. La sílice poco cristalizada (SiO2) se disuelve y se disocia a pH alto (12,5 - 13,5) en agua alcalina. El ácido silícico disociado soluble reacciona en el agua intersticial con el hidróxido de calcio (portlandita) presente en la pasta de cemento para formar un hidrato de silicato de calcio expansivo (CSH). La reacción álcali-sílice (ASR) provoca un hinchamiento localizado responsable de la tensión de tracción y el agrietamiento. Las condiciones requeridas para la reacción de sílice alcalina son tres: (1) agregado que contiene un componente reactivo con álcali (sílice amorfa), (2) suficiente disponibilidad de iones hidroxilo (OH−) y (3) suficiente humedad, por encima del 75 % de humedad relativa (RH) dentro del concreto. Este fenómeno a veces se conoce popularmente como "cáncer de hormigón". Esta reacción ocurre independientemente de la presencia de barras de refuerzo; las estructuras masivas de hormigón, como las presas, pueden verse afectadas.
Conversión de cemento con alto contenido de alúmina
Resistente a los ácidos débiles y especialmente a los sulfatos, este cemento cura rápidamente y tiene una durabilidad y resistencia muy altas. Se utilizó con frecuencia después de la Segunda Guerra Mundial para fabricar objetos prefabricados de hormigón. Sin embargo, puede perder fuerza con el calor o el tiempo (conversión), especialmente cuando no se cura adecuadamente. Después del colapso de tres techos hechos de vigas de hormigón pretensado con cemento con alto contenido de alúmina, este cemento se prohibió en el Reino Unido en 1976. Investigaciones posteriores sobre el asunto mostraron que las vigas se fabricaron incorrectamente, pero la prohibición se mantuvo.
Sulfatos
Los sulfatos (SO4) en el suelo o en las aguas subterráneas, en concentración suficiente, pueden reaccionar con el cemento Portland en el concreto causando la formación de productos expansivos, por ejemplo, etringita o taumasita, que pueden conducir a la falla temprana de la estructura. El ataque más típico de este tipo ocurre en losas de concreto y paredes de cimientos en grados donde el ion sulfato, a través de humectación y secado alternativos, puede aumentar en concentración. A medida que aumenta la concentración, puede comenzar el ataque al cemento Portland. Para estructuras enterradas como tuberías, este tipo de ataque es mucho más raro, especialmente en el este de los Estados Unidos. La concentración de iones de sulfato aumenta mucho más lentamente en la masa del suelo y depende especialmente de la cantidad inicial de sulfatos en el suelo nativo. Se debe realizar un análisis químico de las perforaciones del suelo para verificar la presencia de sulfatos durante la fase de diseño de cualquier proyecto que involucre concreto en contacto con el suelo nativo. Si se encuentra que las concentraciones son agresivas, se pueden aplicar varios recubrimientos protectores. Además, en los EE. UU. se puede usar cemento Portland ASTM C150 Tipo 5 en la mezcla. Este tipo de cemento está diseñado para ser particularmente resistente al ataque de los sulfatos.
Construcción de placa de acero
En la construcción con placas de acero, los largueros unen placas de acero paralelas. Los conjuntos de placas se fabrican fuera del sitio y se sueldan juntos en el sitio para formar paredes de acero conectadas por largueros. Las paredes se convierten en la forma en la que se vierte el hormigón. La construcción de placas de acero acelera la construcción de hormigón armado al eliminar los pasos manuales in situ que requieren mucho tiempo para atar barras de refuerzo y formas de construcción. El método da como resultado una resistencia excelente porque el acero está en el exterior, donde las fuerzas de tracción suelen ser mayores.
Hormigón reforzado con fibras
El refuerzo de fibra se utiliza principalmente en hormigón proyectado, pero también se puede utilizar en hormigón normal. El hormigón normal fibrorreforzado se utiliza principalmente para suelos y pavimentos, pero también se puede considerar para una amplia gama de piezas de construcción (vigas, pilares, cimientos, etc.), ya sea solo o con armaduras atadas a mano.
El hormigón reforzado con fibras (que suelen ser fibras de acero, vidrio o plástico) o fibra de polímero de celulosa es menos costoso que las barras de refuerzo atadas a mano. La forma, dimensión y longitud de la fibra son importantes. Una fibra delgada y corta, por ejemplo fibra de vidrio corta con forma de cabello, solo es efectiva durante las primeras horas después de verter el concreto (su función es reducir el agrietamiento mientras el concreto se endurece), pero no aumentará la resistencia a la tracción del concreto.. Una fibra de tamaño normal para hormigón proyectado europeo (1 mm de diámetro, 45 mm de longitud, acero o plástico) aumentará la resistencia a la tracción del hormigón. El refuerzo de fibra se usa con mayor frecuencia para complementar o reemplazar parcialmente la barra de refuerzo principal y, en algunos casos, se puede diseñar para reemplazar completamente la barra de refuerzo.
El acero es la fibra más fuerte disponible comúnmente y viene en diferentes longitudes (30 a 80 mm en Europa) y formas (ganchos finales). Las fibras de acero solo se pueden usar en superficies que pueden tolerar o evitar la corrosión y las manchas de óxido. En algunos casos, una superficie de fibra de acero se enfrenta con otros materiales.
La fibra de vidrio es económica y resistente a la corrosión, pero no tan dúctil como el acero. Recientemente, la fibra de basalto hilada, disponible desde hace mucho tiempo en Europa del Este, está disponible en los EE. UU. y Europa Occidental. La fibra de basalto es más fuerte y menos costosa que el vidrio, pero históricamente no ha resistido el ambiente alcalino del cemento Portland lo suficientemente bien como para usarse como refuerzo directo. Los nuevos materiales utilizan aglutinantes de plástico para aislar la fibra de basalto del cemento.
Las fibras premium son fibras de plástico reforzadas con grafito, que son casi tan fuertes como el acero, más livianas y resistentes a la corrosión. Algunos experimentos han tenido resultados iniciales prometedores con nanotubos de carbono, pero el material sigue siendo demasiado caro para cualquier edificio.
Refuerzo sin acero
Existe una superposición considerable entre los temas del refuerzo sin acero y el refuerzo del hormigón con fibras. La introducción del refuerzo del hormigón sin acero es relativamente reciente; toma dos formas principales: barras de refuerzo no metálicas y fibras que no son de acero (generalmente también no metálicas) incorporadas a la matriz de cemento. Por ejemplo, existe un interés creciente en el hormigón reforzado con fibra de vidrio (GFRC) y en diversas aplicaciones de fibras poliméricas incorporadas al hormigón. Aunque actualmente no hay muchas sugerencias de que dichos materiales reemplacen a las barras de refuerzo de metal, algunos de ellos tienen ventajas importantes en aplicaciones específicas, y también hay nuevas aplicaciones en las que las barras de refuerzo de metal simplemente no son una opción. Sin embargo, el diseño y la aplicación de refuerzos que no sean de acero están llenos de desafíos. Por un lado, el concreto es un ambiente altamente alcalino, en el cual muchos materiales, incluyendo la mayoría de los tipos de vidrio, tienen una vida útil deficiente. Además, el comportamiento de dichos materiales de refuerzo difiere del comportamiento de los metales, por ejemplo, en términos de resistencia al corte, fluencia y elasticidad.
El plástico/polímero reforzado con fibra (FRP) y el plástico reforzado con vidrio (GRP) consisten en fibras de polímero, vidrio, carbono, aramida u otros polímeros o fibras de alta resistencia colocadas en una matriz de resina para formar una barra de refuerzo, o rejilla, o fibra. Estas barras de refuerzo se instalan de la misma manera que las barras de refuerzo de acero. El costo es mayor pero, aplicadas adecuadamente, las estructuras tienen ventajas, en particular una reducción drástica de los problemas relacionados con la corrosión, ya sea por la alcalinidad intrínseca del hormigón o por fluidos corrosivos externos que puedan penetrar en el hormigón. Estas estructuras pueden ser significativamente más livianas y, por lo general, tienen una vida útil más prolongada. El costo de estos materiales se ha reducido drásticamente desde su adopción generalizada en la industria aeroespacial y por parte de las fuerzas armadas.
En particular, las varillas de FRP son útiles para estructuras donde la presencia de acero no sería aceptable. Por ejemplo, las máquinas de resonancia magnética tienen imanes enormes y, en consecuencia, requieren edificios no magnéticos. Una vez más, las cabinas de peaje que leen etiquetas de radio necesitan hormigón armado que sea transparente a las ondas de radio. Además, donde la vida de diseño de la estructura de concreto es más importante que sus costos iniciales, el refuerzo que no sea de acero a menudo tiene sus ventajas cuando la corrosión del acero de refuerzo es una de las principales causas de falla. En tales situaciones, el refuerzo a prueba de corrosión puede prolongar sustancialmente la vida útil de una estructura, por ejemplo, en la zona entre mareas. Las varillas de FRP también pueden ser útiles en situaciones en las que es probable que la estructura de concreto se vea comprometida en años futuros, por ejemplo, los bordes de los balcones cuando se reemplazan las balaustradas y los pisos de los baños en construcciones de varios pisos donde la vida útil de la estructura del piso es probable que sea muchas veces la vida útil de la membrana impermeabilizante del edificio.
El refuerzo de plástico a menudo es más fuerte, o al menos tiene una mejor relación resistencia-peso que los aceros de refuerzo. Además, debido a que resiste la corrosión, no necesita una capa protectora de concreto tan gruesa como el refuerzo de acero (típicamente de 30 a 50 mm o más). Por lo tanto, las estructuras reforzadas con FRP pueden ser más livianas y durar más. En consecuencia, para algunas aplicaciones, el costo de vida útil será competitivo en precio con el concreto reforzado con acero.
Las propiedades materiales de las barras de FRP o GRP difieren notablemente del acero, por lo que existen diferencias en las consideraciones de diseño. Las barras de FRP o GRP tienen una resistencia a la tracción relativamente mayor pero una menor rigidez, por lo que es probable que las deflexiones sean mayores que las de las unidades equivalentes reforzadas con acero. Las estructuras con refuerzo interno de FRP suelen tener una deformabilidad elástica comparable a la deformabilidad plástica (ductilidad) de las estructuras reforzadas con acero. En cualquier caso, es más probable que la falla ocurra por compresión del concreto que por ruptura del refuerzo. La deflexión es siempre una consideración de diseño importante para el hormigón armado. Los límites de deflexión se establecen para garantizar que los anchos de fisura en el concreto reforzado con acero estén controlados para evitar que el agua, el aire u otras sustancias agresivas lleguen al acero y causen corrosión. Para el hormigón reforzado con FRP, la estética y posiblemente la impermeabilidad serán los criterios limitantes para el control del ancho de fisura. Las varillas de FRP también tienen resistencias a la compresión relativamente más bajas que las barras de refuerzo de acero y, en consecuencia, requieren diferentes enfoques de diseño para las columnas de hormigón armado.
Un inconveniente del uso de refuerzo de FRP es su limitada resistencia al fuego. Cuando la seguridad contra incendios es una consideración, las estructuras que emplean FRP deben mantener su resistencia y el anclaje de las fuerzas a las temperaturas esperadas en caso de incendio. A efectos de ignifugación, es necesario un espesor adecuado de cubierta de hormigón de cemento o revestimiento protector. Se ha demostrado que la adición de 1 kg/m3 de fibras de polipropileno al hormigón reduce el desconchado durante un incendio simulado. (Se cree que la mejora se debe a la formación de vías a partir de la mayor parte del hormigón, lo que permite que se disipe la presión del vapor).
Otro problema es la eficacia del refuerzo de cortante. Los estribos de barras de refuerzo de FRP formados por flexión antes del endurecimiento generalmente funcionan relativamente mal en comparación con los estribos de acero o estructuras con fibras rectas. Cuando se deforma, la zona entre las regiones rectas y curvas está sujeta a fuertes esfuerzos de flexión, cortante y longitudinales. Se necesitan técnicas especiales de diseño para tratar estos problemas.
Existe un interés creciente en aplicar refuerzos externos a las estructuras existentes utilizando materiales avanzados como barras de refuerzo compuestas (fibra de vidrio, basalto, carbono), que pueden impartir una resistencia excepcional. En todo el mundo, hay una serie de marcas de barras de refuerzo compuestas reconocidas por diferentes países, como Aslan, DACOT, V-rod y ComBar. El número de proyectos que utilizan barras de refuerzo compuestas aumenta día a día en todo el mundo, en países que van desde EE. UU., Rusia y Corea del Sur hasta Alemania.
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