SEMANA 3 - TECNOLOGIA DEL CONCRETO

SEMANA 3

ADITIVOS 

La historia del uso de aditivos químicos en los hormigones se remonta al siglo pasado, tiempo después que Joseph Aspdin patentó en Inglaterra el 21 de octubre de 1824, un producto que llamó «Cemento Portland».    

La primera adición de cloruro de calcio como aditivo a los hormigones fue registrada en1873, obteniéndose su patente en 1885. Al mismo tiempo que los aceleradores, los primeros aditivos utilizados fueron hidrófugos. Igualmente, a principios de siglo se ensayó la incorporación de silicato de sodio y de diversos jabones para mejorar la imper-meabilidad. En ese entonces, se comenzaron a añadir polvos finos para colorear el hormigón. Los fluatos o fluosilicatos se emplearon a partir de 1905 como endurecedores de superficie. La acción retardadora del azúcar también había sido ya observada.

En la década de los 60 se inició el uso masivo de los aditivos plastificantes, productos que hoy en día son los más utilizados en todo el mundo, debido a su capacidad para reducir el agua de amasado y por lo tanto para obtener hormigones más resistentes, económicos y durables. Obras como la central hidroeléctrica Rapel y el aeropuerto Pudahuel son ejemplos de esa época. También se inició el uso masivo de los plasti-ficantes en la edificación, donde como ejemplo está el edificio de la CEPAL construido en el año 1960.

En la década del 70 se introdujeron en Chile los primeros aditivos superplastificantes, revolucionando la tecnología del hormigón en esa época, por cuanto se logró realizar hormigones fluidos y de alta resistencia para elementos prefabricados y para la construcción de elementos esbeltos y de fina apariencia.

Paralelamente, para la construcción de túneles, especialmente para las grandes centrales hidroeléctricas y la minería, se utilizó la técnica del hormigón proyectado que, a su vez, requiere de aditivos acelerantes de muy rápido fraguado para obtener una construcción eficiente y segura.

En la década de los 80 se introdujo en Chile el uso de microsílice, material puzo-lánico que usado en conjunto con los aditivos superplastificantes permite obtener la máxima resistencia y durabilidad del hormigón. Con este material se confeccionan hormigones de 70 Mpa de resistencia característica, pudiendo llegar incluso a superar los 100 Mpa. Estos extraordinarios hormigones se han utilizado en Chile en pavimentos sometidos a fuerte abrasión en minería y obras hidráulicas.Situación Normativa de los Aditivos.

El primer conjunto de procedimientos y especificaciones data de 1950 y se relacionó al primer tipo de aditivo, incorporadores del aire. Ya en esta normativa se observa la necesidad de crear un grupo de procedimientos que consideran pruebas estándares, materiales controlados, equipos específicos y parámetros comparativos con una mezcla patrón sin el aditivo, para clasificar un producto como aditivo incorporador de aire.

En Europa los primeros conjuntos de normas datan de 1958 en España y 1963 en Inglaterra. En 1962, ASTM extendió la normativa de clasificación a otros tipos de aditivos.

Que son los aditivos?

Aditivos son aquellas sustancias o productos (inorgánicos o orgánicos) que, incorporados al hormigón antes del amasado (o durante el mismo o en el trascurso de un amasado suplementario) en una proporción no superior al 5% del peso del cemento, producen la modificación deseada, en estado fresco o endurecido, de alguna de sus características, de sus propiedades habituales o de su comportamiento. (Aditivo " Adición.)

Características y Propiedades Principales

Su influencia se determina de acuerdo al agua y a la cantidad del agua que es necesario añadir a la mezcla para obtener la docilidad y compactación necesaria. Los áridos de baja densidad son poco resistentes y porosos.

Nos sirven para:

·         Una mejor trabajabilidad.

·         Para regular el proceso de fraguado del hormigón.

Son útiles para:

·         Hormigones secos.

·         Hormigones bombeados.

·         Hormigones vistos.

·         Hormigones fuertemente armados.

No se deben utilizar en:

·         Hormigones blandos.

·         Hormigones fluidos.

Tipos o Clases

Existen tres tipos o clases de aditivos: Plastificantes, Fluidificantes y Superfluidificantes.

Plastificantes: Estos son los sólidos disueltos H2O, sus propiedades permiten mas trabajabilidad, disminuye la relación entre el agua y el cemento y disminuye la segregación cuando el transporte es muy largo o cuando hay grandes masas de hormigón. Estos pueden ser usados: Inyectados, proyectados, o pretensados.

Fluidificantes : Estos son formulaciones orgánicas líquidas, al igual que la anterior sus propiedades permiten mas trabajabilidad, disminuye la relación entre el agua y el cemento.

Estos pueden ser utilizados en hormigones bombeados, largos transportes., hormigones proyectados con armaduras.

Se Clasifican en:

1ª Generación - 70% Rendimiento cementicio.

2ª Generación - 75% Rendimiento cementicio.

3ª Generación - 100% Rendimiento cementicio.

Superfluidificantes: Estos son formulaciones orgánicas líquidas, estos pertenecen a la tercera generación.

Usos 

Modificadores de fraguado: Retardador o acelerador de fraguado - modificar solubilidad.

Tipos:

Aceleradores de fraguado: Cloruros [Cl2Ca (más eficaz), ClNa, ClAl, ClFe], Hidróxidos, Carbonatos., Silicatos.

Retardadores de fraguado: Existen dos tipos: Inorgánicos (ZnO, PbO, PO4H3, BO4H3), Orgánicos (ácido orgánico, glicerina).Estos dependen del tipo, cantidad de cemento, dosificación y la relación entre el agua y el cemento.

Consiste en reacciones químicas en las que aparece una película alrededor del cemento, impidiendo que se hidrate.

Aceleradores de endurecimiento: Son los que Modifican la resistencia mecánica, este a su vez puede producir efectos secundarios: Bajan la resistencia final y puede originar retracciones.

·         ACELERADOR < 2,5% ACELERA.

·         ACELERADOR > 2,5% RETARDA.

Modificadores contenido gases: Son los que facilitan la correcta distribución del aire ocluido.

Otros aditivos.

Colorantes: Pigmento que se le añade al cemento para modificar el color y está formado por óxidos metálicos.

Deben cumplir con: tener un alto poder de coloración, gran facilidad para mezclarse con el cemento, que sea insoluble en el agua, que sean estables a la luz y al ambiente, además de a los ambientes agresivos, que no alteren el proceso de fraguado del hormigón.

Anticongelantes: Es cuando el hormigón está a bajas temperaturas y se utilizará hasta una temperatura de -14ºC.

Impermeabilizantes: Son repelentes al agua y actúan cerrando el sistema poroso del hormigón mediante unas sustancias químicas en el fraguado del hormigón. Este no es totalmente efectivo.

Normas Nacionales al respecto

·         Los aditivos que se utilicen en el concreto estarán sujetos a la aprobación previa del ingeniero.

·         Debe demostrarse que el aditivo es capaz de mantener esencialmente la misma composición y comportamiento en todo proceso que el producto usado, para establecer las proporciones del concreto.

·         Los aditivos utilizados en el concreto que contenga cementos expansivos deberán ser compatibles con el cemento y no producir efectos nocivos.

·         El clouro de calcio a los aditivos que contengan cloruro que no sea de impurezas de los componentes del aditivo, no deben emplearse en el concreto reesforzado.

Según el Artículo 29º de la EHE, es un componente del hormigón siempre que se justifique mediante los ensayos oportunos, que la sustancia agregada en las proporciones y condiciones previstas produce el efecto deseado sin perturbar excesivamente las restantes características del hormigón ni presentar peligro para la durabilidad del hormigón ni para la corrosión de las armaduras.

En ningún caso se emplearán aditivos sin el conocimiento del peticionario y sin la autorización de la Dirección de Obra (Art. 69.2.8 EHE).

. Definición

Los aditivos son productos que se adicionan en pequeña proporción al concreto durante el mezclado en porcentajes entre 0.1% y 5% (según el producto o el efecto deseado) de la masa o peso del cemento, con el propósito de producir una modificación en algunas de sus propiedades originales o en el comportamiento del concreto en su estado fresco y/o en condiciones de trabajo en una forma susceptible de ser prevista y controlada. Esta definición excluye, por ejemplo, a las fibras metálicas, las puzolanas y otros. En la actualidad los aditivos permiten la producción de concretos con características diferentes a los tradicionales, han dado un creciente impulso a la construcción y se consideran como un nuevo ingrediente, conjuntamente con el cemento, el agua y los agregados. Existen ciertas condiciones o tipos de obras que los hacen indispensables.

Tanto por el Comité 116R del ACI como por la Norma ASTM C 125 definen al aditivo como: “Un material distinto del agua, de los agregados y cemento hidráulico que se usa como componente del concreto o mortero. Las dosis en las que se utilizan los aditivos, están en relación a un pequeño porcentaje del peso de cemento, con las excepciones en las cuales se prefiere dosificar el aditivo en una proporción respecto al agua de amasado”.

El uso de aditivos está condicionado por:

a) Que se obtenga el resultado deseado sin tener que variar sustancialmente la dosificación básica.

b) Que el producto no tenga efectos negativos en otras propiedades del concreto.

c) Que un análisis de costo justifique su empleo.

3. Antecedentes

Los antecedentes más remotos de los aditivos químicos se encuentran en los concretos romanos, a los cuales se incorporaba sangre y clara de huevo.

La fabricación del cemento portland alrededor de 1850 y el desarrollo del concreto armado, llevó a regular el fraguado con el cloruro de calcio, patentado en 1885. Al inicio del siglo se efectuaron sin éxito comercial estudios sobre diferentes aditivos.

El primer antecedente de los aditivos químicos modernos se encuentran en el empleo ocasional del sulfonato naftaleno formaldehido, que fue utilizado en 1930 para actuar como dispersante en concretos con adiciones negro de humo, destinados a carriles de pavimentos que por su coloración pudieran llamar la atención de ¡os conductores de vehículos. Si bien en 1932 se registro una patente de los EE.UU. no se aplicó por su elevado costo y exceder los requerimientos de las construcciones de concreto de esa época.

4. Clasificación

Debido a que sus efectos son muy variados, una clasificación así es muy extensa, además debido a que un solo aditivo modifica varias características del concreto, además de no cumplir todas las que especifica.

4.1. Según la norma técnica ASTM-C494 es:

a) TIPO A: Reductor de agua

b) TIPO B: Retardante

c) TIPO C: Acelerante

d) TIPO D: Reductor de agua retardante

e) TIPO E: Reductor de agua acelerante

f) TIPO F: Súper reductor de agua

g) TIPO G: Súper reductor de agua retardante

4.2. Según el comité 212 del ACI

Los clasifica según los tipos de materiales constituyentes o a los efectos característicos en su uso:

a) Aditivos acelerantes.

b) Aditivos reductores de agua y que controlan el fraguado.

c) Aditivos para inyecciones.

d) Aditivos incorporadores de aire.

e) Aditivos extractores de aire.

f) Aditivos formadores de gas.

g) Aditivos productores de expansión o expansivos.

h) Aditivos minerales finamente molidos.

i) Aditivos impermeables y reductores de permeabilidad.

j) Aditivos pegantes (también llamados epóxicos).

k) Aditivos químicos para reducir la expansión debido a la reacción entre los agregados y los alcalices del cemento. Aditivos inhibidores de corrosión.

l) Aditivos fungicidas, germicidas o insecticidas.

m) Aditivos floculadores.

n) Aditivos colorantes.

4.3. Según la norma francesa AFNOR P 18-123 “Betons: Definitions et Marquage des Adjuvants du Betons”

Establecen una clasificación más amplia:

4.3.1. Aditivos que modifican las propiedades reológicas del concreto fresco:

- Plastificantes – Reductores de agua.

- Incorporadores de aire.

- Polvos minerales Plastificantes

- Estabilizadores

4.3.2.Aditivos que modifican el fraguado y endurecimiento:

- Aceleradores de fraguado y/o Endurecimiento.

- Retardadores de Fraguado.

4.3.3. Aditivos que modifican el contenido de aire:

- Incorporadores de Aire

- Antiespumantes.

- Agentes formadores de Gas.

- Agentes formadores de Espuma.

4.3.4. Aditivos que modifican la resistencia a las acciones físicas:

- Incorporadores de Aire.

- Anticongelantes.

- Impermeabilizantes.

4.3.5. Aditivos misceláneos

- Aditivos de cohesión – emulsiones

- Aditivos combinados

- Colorantes

- Agentes formadores de espuma

Debido a que esta clasificación está hecha desde el punto de vista de su influencia en determinadas propiedades del concreto, algunos productos utilizados para confeccionar estos aditivos se repiten en más de un grupo.

5. Razones de empleo de un aditivo

Algunas de las razones para el empleo de un aditivo son:

5.1. En el concreto fresco:

· Incrementar la trabajabilidad sin aumentar el contenido de agua.

· Disminuir el contenido de agua sin modificar su trabajabilidad.

· Reducir o prevenir asentamientos de la mezcla.

· Crear una ligera expansión.

· Modificar la velocidad y/o el volumen de exudación.

· Reducir la segregación.

· Facilitar el bombeo.

· Reducir la velocidad de pérdida de asentamiento.

5.2. En el concreto endurecido:

· Disminuir el calor de hidratación.

· Desarrollo inicial de resistencia.

· Incrementar las resistencias mecánicas del concreto.

· Incrementar la durabilidad del concreto.

· Disminuir el flujo capilar del agua.

· Disminuir la permeabilidad de los líquidos.

· Mejorar la adherencia concreto-acero de refuerzo.

· Mejorar la resistencia al impacto y la abrasión.

6. Modos de uso

Los aditivos se dosifican hasta en un 5% del peso de la mezcla y comúnmente son usados entre el 0.1 % y 0.5 % del peso del cemento.

La utilización de aditivos no debería, con toda objetividad ser subestimada o menospreciada.

El efecto deseado y su uso lo describen los propios fabricantes pero algunos son desconocidos incluso por ellos, por lo que es importante que antes de su uso se realicen pruebas a fin de constatar las propiedades del material.

El uso del aditivo debe incluirse en el diseño de mezcla de concreto.

7. Normalización*

Tanto las normas peruanas como las norteamericanas del ASTM que les sirven de antecedentes, normalizan los aditivos de acuerdo a la función que cumplen en el concreto. En la Comunidad Europea las normas CEN normalizan los aditivos químicos según sean aplicados a pastas de cemento, morteros, concretos y concreto proyectados. Existen muchos otros tipos de aditivos, aún no normalizados, que tienen un nicho en el mercado.

La introducción de los aditivos químicos en el mercado de la construcción se efectúo en la década de los cincuenta, de manera lenta pero progresiva debido a la actitud conservadora de muchos organismos como el Bureau o Reclamation, en los EE.UU. La actividad de los aditivos fue presentada inicialmente como algo misterioso y los productores aparecían como modernos alquimistas.

Los vendedores no conocían el producto de base del material que ofrecían. Sin embargo los procesos eran simples, utilizando subproductos de la industria petrolera o subproductos industriales, como los lignosulfonatos brutos sin mayor eliminación de azúcares, provenientes de la fabricación del papel por vía química.

La rápida introducción de los aditivos en el mercado de la construcción motivó la atención de investigadores, registrándose los primeros eventos técnicos, entre ellos debemos señalar: el ''Internacional Symposium on Admixtures for Mortar and Concrete", Brussels, 1967, RILEM. También la primera y segunda ''internacional Conference on Superplasticizers in Concrete", de 1978 y 1981 organizado por ACI-CANMET. "Symposium on Superplasticizers in Concrete" Washington, D.C. 1978. Además, aparecen numerosos artículos técnicos en el Journal del ACI y en la revista Zement Kaip Gips. Es en este período que se afirma el conocimiento científico del comportamiento de los aditivos en el concreto.

Paralelamente se ha producido un proceso de concentración en la industria de aditivos, con inversión en investigación, desarrollo, procesos tecnológicos y control do calidad para satisfacer los requerimientos del usuario

Las primeras normas ASTM se dieron en 1962 para los siguientes tipos de aditivos:

• Reductores de agua (tipo A)

• Retardadores de fraguado (tipo B) Aceleradores de fraguado y resistencia temprana (tipo C)

• Reductores de agua y retardadores (tipo D)

• Reductores de agua y aceleradores (tipo E)

En Perú los aditivos químicos se introducen a fines de la década del 50', en un mercado restringido. La primera norma nacional de aditivos corresponde al año de 1981 y se basa en la norma ASTM de 1969 comprendiendo los tipos A,B,C,D, y E Los requerimientos de estas normas se refieren a la performance de los concretos con aditivos, especificando su desempeño en trabajabilidad, deformación y resistencia.

Los constituyentes principales fueron, básicamente los siguientes:

Los ácidos lignosulfonatos y sus sales. Los ácidos hidroxicarboxílicos y sus sales. Las modificaciones y derivados de los elementos precitados

Los lignosulfonatos son materiales complejos obtenidos del proceso de producción de pulpa de papel de la madera.

Los ácidos hidroxicarboxílicos tienen en su molécula grupos hidroxilos y carboxilos. Estos productos tienen diferentes empleos industriales, en productos de farmacia.

Los aditivos reductores de agua y acelérenles generalmente han consistido en lignosulfonatos con reducidas adiciones de cloruro de calcio o formato de calcio.

Estos cinco tipos de aditivos son empleados cuando permiten cumplir los requerimientos especificados a menor costo. También cuando es necesario suplir las deficiencias de los materiales disponibles.

Generalmente se evalúa previamente la posibilidad de obtener el comportamiento requerido modificando el diseño de mezclas, evaluando la opción más favorable económicamente.

El gráfico siguiente expresa las diferentes alternativas para modificar la resistencia y trabajabilidad del concreto con aditivos o con modificaciones de diseño de mezclas.

Aditivos de Segunda Generación

En la década del 60, especialmente por el desarrollo del concreto premezclado, se llevaron a cabo investigaciones para una nueva generación de aditivos con elevados niveles de reducción de agua en las mezclas de concreto, que fueron denominados superplastificantes o aditivos reductores de agua de alto rango.

En Alemania se estudió la aplicación de superplastificantes en base a las sales de formaldehído-melam Inda sulfonato, productos que inicialmente se encontraban en el mercado para otros usos industriales, que luego tuvieron gran desarrollo en la industria del premezclado.

Paralelamente en Japón se investigaron productos a base de sales de formaldehido naftaleno sulfánicos, que fueron empleados intensamente en Estados Unidos, especialmente en concretos de alta resistencia.

Los aditivos llamados de segunda generación fueron normalizados por ASTM en 1970, incluyéndolos como tipos E y G en la norma de aditivos químicos; con propiedades de actuar como reductores de agua y como retardadores de fraguado.

A diferencia de los reductores de primera generación, que permiten una reducción del contenido de agua al 95%, ¡os reductores de alto rango llegan al 88% como mínimo.

Cabe señalar que las normas ASTM tienen un carácter do performance mientras que las normas de la Comunidad Europea tienen además especificaciones prescriptivas, como son la homogeneidad, el color, la densidad relativa, el contenido del extracto seco, el valor del PH.

En la actualidad una tercera generación de aditivos se introduce rápidamente, solucionando el problema de la pérdida de asentamiento con el tiempo, que afectaba al concreto premezclado, en especial en regiones cálidas

A nuestro juicio- los siguientes criterios en la selección y uso de aditivos químicos son pertinentes:

Establecer cuál es la característica principal del concreto que es modificada por el aditivo, cuales son las características secundarias que son modificadas en menores medidas y cuáles son los parámetros a controlar, por eventuales desarreglos que pudieran presentarse.

Conocer el tipo de constituyente básico del aditivo para aprovechar la experiencia y las investigaciones existentes.

De ser necesario recurrir al análisis de infrarrojo (que prescribe la norma para el control de homogeneidad) que permite identificar el producto.

En los casos de aditivos reductores de agua, con función de acelerar o retardar el fraguado. (Especialmente en los del tipo de alto rango) vieron evaluar la compatibilidad del aditivo con el cemento utilizado, al efecto debe tenerse en cuenta que los cementos varían la composición de sus constituyentes mineralógicos, aluminato y el silicato tricálcicos y los álcalis solubles.

8. Empresas que venden Aditivos en el Perú

Hay un buen número de empresas que distribuye y vende aditivos en nuestro país. Si quieres contactar con alguna, haz click aquí.

Fuentes: *Conferencia inicial del Seminario "Aditivos y Adiciones en el Concreto- organizado por el Capitulo de Ingenieros Civiles, Asocem e Indecopi / Facultad de Ingeniería Civil de la Universidad Nacional de Ingeniería - Perú / Universidad Católica del Norte - Chile.