Relación agua-cemento

La relación agua-cemento (relación a/c, o relación agua-cemento, a veces también llamada Factor agua-cemento, f) es la relación entre la masa de agua ( w) a la masa de cemento ( c) utilizado en una mezcla de hormigón:

${\displaystyle f={\frac {\text{mass of water}{\text{mass of cement}}={\frac {C}}$

Los valores típicos de esta relación f = w⁄c generalmente se encuentran comprendidos en el intervalo 0,40 y 0,60.

La relación agua-cemento de la mezcla de concreto fresco es uno de los factores principales, si no el más importante, que determinan la calidad y las propiedades del concreto endurecido, ya que afecta directamente la porosidad del concreto, y un buen concreto siempre es una hormigón lo más compacto y denso posible. Por tanto, un buen hormigón debe prepararse con la menor cantidad de agua posible, pero con agua suficiente para hidratar los minerales del cemento y manipularlo adecuadamente.

Una proporción más baja conduce a una mayor resistencia y durabilidad, pero puede hacer que sea más difícil trabajar y formar la mezcla. La trabajabilidad se puede resolver con el uso de plastificantes o superplastificantes. Una proporción mayor da como resultado una mezcla de concreto demasiado fluida, lo que resulta en un concreto endurecido demasiado poroso y de mala calidad.

A menudo, el concepto también se refiere a la proporción de agua a materiales cementosos, w/cm. Los materiales cementantes incluyen cemento y materiales cementantes suplementarios como escoria granulada molida de alto horno (GGBFS), cenizas volantes (FA), humo de sílice (SF), ceniza de cáscara de arroz (RHA), metacaolín (MK) y puzolanas naturales. La mayoría de los materiales cementantes suplementarios (SCM) son subproductos de otras industrias que presentan interesantes propiedades de unión hidráulica. Después de reaccionar con álcalis (activación de GGBFS) y portlandita (Ca(OH)2), también forman hidratos de silicato de calcio (C-S-H), la "fase adhesiva" ; presente en la pasta de cemento endurecida. Estos C-S-H adicionales llenan la porosidad del concreto y así contribuyen a fortalecer el concreto. Los SCM también ayudan a reducir el contenido de clinker en el hormigón y, por tanto, a ahorrar energía y minimizar costes, al tiempo que reciclan los residuos industriales que de otro modo se enviarían a los vertederos.

El efecto de la relación agua-cemento (a/c) sobre la resistencia mecánica del hormigón fue estudiado por primera vez por René Féret (1892) en Francia, y luego por Duff A. Abrams (1918) (inventor del ensayo de asentamiento del concreto) en los EE. UU., y por Jean Bolomey (1929) en Suiza.

El Código Uniforme de Construcción de 1997 especifica una relación máxima de 0,5 a/c cuando el concreto está expuesto a congelación y descongelación en condiciones húmedas o a sales de deshielo, y una relación máxima de 0,45 a/c para concreto en condiciones severas o condiciones muy severas de sulfato.

El hormigón se endurece como resultado de la reacción química entre el cemento y el agua (conocida como hidratación y produciendo calor). Por cada masa (kilogramo, libra o cualquier unidad de peso) de cemento (c), se necesitan aproximadamente 0,35 masas de agua (w) para completar completamente las reacciones de hidratación.

Sin embargo, es posible que un concreto fresco con una relación a/c de 0,35 no se mezcle completamente y no fluya lo suficientemente bien como para colocarse correctamente y llenar todos los huecos en los encofrados, especialmente en el caso de un refuerzo de acero denso. Por lo tanto, se utiliza más agua de la necesaria química y físicamente para reaccionar con el cemento. Generalmente se utilizan relaciones agua-cemento en el rango de 0,40 a 0,60. Para concretos de mayor resistencia, se necesitan relaciones a/c más bajas, junto con un plastificante para aumentar la fluidez.

Una relación a/c superior a 0,60 no es aceptable ya que el hormigón fresco se convierte en una "sopa"; y conduce a una mayor porosidad y a un hormigón endurecido de muy mala calidad, como afirmó públicamente el Prof. Gustave Magnel (1889-1955, Universidad de Gante, Bélgica) durante un discurso oficial ante los contratistas de la construcción estadounidenses con motivo de una de sus visitas a los Estados Unidos. Estados Unidos en los años 1950 para construir el primer puente de vigas de hormigón pretensado en EE.UU.: el puente Walnut Lane Memorial en Filadelfia abierto al tráfico en 1951. La famosa frase de Gustave Magnel, ante la reticencia de un contratista, cuando exigía una w muy baja La relación /c, asentamiento cero, el hormigón para fundir las vigas de este puente permanece en muchos recuerdos: "American hace sopa, no hormigón".

Cuando el exceso de agua agregado para mejorar la trabajabilidad del concreto fresco, y no consumido por las reacciones de hidratación, deja el concreto a medida que se endurece y seca, se produce un aumento de la porosidad del concreto que solo se llena con aire. Una mayor porosidad reduce la resistencia final del hormigón porque el aire presente en los poros es comprimible y la microestructura del hormigón se puede "triturar" más fácilmente.

Además, una mayor porosidad también aumenta la conductividad hidráulica (K, m/s) del hormigón y los coeficientes de difusión efectiva (D_e, m²/s) de solutos y gases disueltos en la matriz del hormigón. Esto aumenta la entrada de agua al hormigón, acelera su disolución (lixiviación de calcio), favorece reacciones químicas expansivas nocivas (ASR, DEF) y facilita el transporte de especies químicas agresivas como cloruros (corrosión por picaduras de barras reforzadas) y sulfatos (corrosión interna y externa). ataques de sulfatos, ISA y ESA, del concreto) dentro de la porosidad del concreto.

Cuando se utilizan materiales cementosos para encapsular metales pesados tóxicos o radionúclidos, se requiere una relación a/c más baja para disminuir la porosidad de la matriz y los coeficientes de difusión efectivos de los elementos inmovilizados en la matriz cementosa. Una relación a/c más baja también contribuye a minimizar la lixiviación de los elementos tóxicos fuera del material de inmovilización.

Una mayor porosidad también facilita la difusión de gases en la microestructura del hormigón. Una difusión más rápida del CO2 atmosférico aumenta la tasa de carbonatación del hormigón. Cuando el frente de carbonatación llega a los refuerzos de acero (barras de refuerzo), el pH del agua de los poros del hormigón en la superficie del acero disminuye. Con un valor de pH inferior a 10,5, el acero al carbono ya no queda pasivado por un pH alcalino y comienza a corroerse (corrosión general). Una difusión más rápida de oxígeno (O2) en la microestructura del hormigón también acelera la corrosión de las barras de refuerzo.

Además, a largo plazo, una mezcla de concreto con demasiada agua experimentará más fluencia y contracción por secado a medida que el exceso de agua abandona la porosidad del concreto, lo que resulta en grietas internas y fracturas visibles (particularmente alrededor de las esquinas interiores), lo que nuevamente reducirá la resistencia mecánica del hormigón.

Finalmente, el agua agregada en exceso también facilita la segregación de agregados finos y gruesos (arena y grava) de la pasta de cemento fresca y provoca la formación de panales (bolsas de grava sin pasta de cemento endurecida) en las paredes de concreto y alrededor de las barras de refuerzo. También causa sangrado de agua en la superficie de losas o balsas de concreto (con una superficie polvorienta que queda después de la evaporación del agua).

Por todas las razones antes mencionadas, está estrictamente prohibido agregar agua adicional a un camión de concreto premezclado cuando se excede el tiempo de entrega y el concreto se vuelve difícil de verter porque comienza a fraguar. Dicho hormigón diluido pierde inmediatamente toda certificación oficial y también queda comprometida la responsabilidad del contratista que acepta tal práctica nociva. En el peor de los casos, se puede realizar una adición de superplastificante para aumentar nuevamente la trabajabilidad del concreto y rescatar el contenido de un camión de concreto premezclado cuando no se excede el tiempo máximo de entrega del concreto.