Habría sido muy extraño empezar el capítulo de los metales hablando de un material distinto del acero, ya que, por su uso tan extendido, es la aleación más representativa en ciencia e ingeniería de materiales, como ya indicamos. Ocurre algo similar con el hormigón y los materiales compuestos, de los que es probablemente el ejemplo más arquetípico y uno de los materiales de construcción más empleados en la actualidad. El hormigón, también llamado concreto en muchos países de Hispanoamérica, es un material compuesto formado por la mezcla de un aglomerante (normalmente cemento) al que se añaden áridos (grava y arena), agua y eventualmente algunos aditivos. Por motivos de seguridad, todo el hormigón que se emplee como material estructural en obras debe cumplir una normativa muy exigente que afecta tanto a las características físicas y químicas de sus componentes como a su fabricación, a su ejecución y al control que debe hacerse sobre el material una vez puesto en servicio. Por tanto, se trata de un material que ha sido estudiado en profundidad, aunque a menudo desde el punto de vista práctico. En esta sección describiremos en primer lugar cada uno de sus componentes y posteriormente algunas de sus propiedades más relevantes.
En la inmensa mayoría de los casos el aglomerante que se emplea para el hormigón es el cemento, y más concretamente el cemento Pórtland, aunque es cierto que a veces pueden usarse otros conglomerantes, como ocurre con el hormigón asfáltico, que se hace con betún. El cemento Pórtland es un conglomerante de naturaleza cerámica que se obtiene a partir de una mezcla de caliza y arcilla que se somete a un tratamiento de calcinación a alta temperatura (sobre 1400 oC) llamado sinterizado y que se emplea habitualmente en las cerámicas. El producto que se obtiene se denomina clínker, constituido principalmente de silicatos de calcio. Posteriormente se muele hasta alcanzar un tamaño de grano muy fino, típicamente de unos 15 μm. Como resultado se logra un material pulverulento que por sí mismo no es aglomerante (véase la figura 8.1) pero que al mezclarse con agua se hidrata y se convierte en una pasta moldeable con propiedades adherentes a la que propiamente se le denomina cemento. Esta pasta se endurece pasadas unas horas en un proceso que se conoce como fraguado y que da lugar a un material de consistencia pétrea muy duro. A menudo se le agrega una pequeña cantidad de yeso para evitar la contracción de la mezcla al fraguar. Su color puede variar entre un gris claro pero intenso a un color marfil muy pálido, denominándose en este caso popularmente como cemento blanco. El cemento Pórtland es el cemento de mayor uso en las obras de albañilería. Antes de su invención en el siglo XIX en la isla inglesa del mismo nombre los cementos se fabricaban partiendo de otros materiales silíceos, como las puzolanas, que eran usadas desde tiempos de los romanos.
Los áridos son el otro componente fundamental del hormigón. Son inertes y no participan en el fraguado y endurecimiento, pero son fundamentales a la hora de darle al material compacidad y estabilidad ante la retracción, a la vez que abaratan el precio. El hormigón debe contener tanto áridos gruesos o gravas como áridos finos o arena. Es más, los áridos que se emplean en hormigones se obtienen mezclando tres o cuatro componentes de distintos tamaños, como los que se muestran en la figura 8.1, para alcanzar una granulometría óptima. Los tamaños de grano oscilan entre 0,1 mm y hasta más de 100 mm, siendo las arenas los áridos que poseen un diámetro medio menor de 5 mm. El límite superior de los tamaños de grano puede ser muy alto, encontrándose ejemplos como el llamado hormigón ciclópeo que incorpora áridos de más de 30 cm de largo. En cualquier caso, es fundamental que tanto las propiedades mecánicas como la durabilidad de estos áridos sean tan buenas como las del aglomerante para no mermar las propiedades finales del hormigón.
Como grava no se recomienda el uso de calizas blandas, feldespatos, yesos o en general rocas porosas, sino que la mejor elección suelen ser cantos rodados o piedras machacadas procedentes de rocas volcánicas o calizas densas. Los cantos rodados se obtienen de rocas disgregadas que han sido arrastradas por corrientes de agua y presentan la ventaja de que su superficie es lisa y se trabajan mejor. Por el contrario, los áridos obtenidos de triturar rocas presentan una superficie más áspera y angulosa pero están libres de fangos y otras impurezas.
La arena es el árido que tiene una mayor influencia sobre las propiedades finales del hormigón, por lo que debe ser cuidadosamente seleccionada. Las arenas de río, constituidas habitualmente de cuarzo puro, aseguran una alta resistencia y durabilidad, por lo que son una de las opciones preferentes. Cabe destacar que la mezcla de cemento (u otro conglomerante) y arena sin grava o áridos de mayor tamaño se denomina mortero, y es una materia plástica de uso muy común como material de agarre para elementos de fábrica (ladrillo, bloques de hormigón, etc.), enfoscar tabiques y muros y colocar pavimentos o alicatados. En el caso de los morteros, a diferencia de lo que ocurre en el hormigón, sí es habitual el uso de otros conglomerantes como la cal o el yeso.
El agua es el tercer elemento fundamental que constituye el hormigón; su función principal es hidratar la mezcla para que alcance un estado fluido momentáneo, como se muestra en la figura 8.1. Posteriormente adquirirá una consistencia muy dura, igual que le ocurre al cemento. El agua interviene en dos fases distintas: en el amasado y en el curado, con funciones diferentes. En la primera fase, su papel es el de hidratar y plastificar el hormigón para que fragüe y sea trabajable, como se hace con el cemento. Durante el curado, el agua también posee una misión de hidratación adicional, pero su papel es crucial porque durante el fraguado inicial el hormigón pierde una cantidad importante de agua por evaporación, y sin aportaciones adicionales no se completaría correctamente el proceso de fraguado. Es imprescindible añadir la cantidad de agua precisa, ya que, si se añade menos cantidad, el fraguado no se produce correctamente, pero añadir de más es problemático porque se evaporará creando huecos en el hormigón y disminuyendo su resistencia. El agua empleada para hormigones está sujeta también al complimiento de una norma, pero básicamente se admite el uso de agua potable de la red.
Por último, el hormigón puede contener cierta cantidad de aditivos destinados a modificar alguna propiedad del material como pueden ser alterar (retardar o acelerar) el tiempo de fraguado, modificar la densidad final o poseer características anticongelantes. La normativa establece que su contenido debe ser como máximo el 5% en peso del hormigón.
Una vez fraguado y endurecido se trata de un material muy duro y resistente con una densidad aproximada de 2 g cm–3 que puede variar sensiblemente según la composición. Desde el punto de vista de las propiedades mecánicas, la característica primordial del hormigón es que posee una alta resistencia a la compresión, de ahí su uso extendido como material estructural. No obstante, no presenta un buen comportamiento frente a otros tipos de esfuerzos como la tracción o la flexión. Para solucionar este problema se suelen emplear armaduras de acero, sobre las que se deposita el hormigón; es lo que se conoce como hormigón armado. La introducción de las armaduras de aceros correctamente diseñadas mejora sensiblemente el comportamiento del hormigón frente a otros tipos de solicitaciones o esfuerzos como los que acabamos de mencionar. Según el tipo de armadura, puede distinguirse entre hormigón pretensado y postensado. En el primer caso los nervios de acero se traccionan mientras se hormigona y se sueltan tras el endurecimiento, con lo que se mejora sensiblemente la unión, mientras que en el segundo caso las armaduras se colocan en unas fundas que se tensan tras el endurecimiento.
Es una misión fundamental de los arquitectos e ingenieros civiles que proyectan edificios o estructuras de hormigón armado que establezcan las dimensiones apropiadas de todos los elementos que constituyen el hormigón, el tipo y proporción de cemento, las dimensiones de los áridos, los aditivos y el acero que hay que colocar en función de los esfuerzos que deberá soportar y de las condiciones ambientales a que estará expuesto.
El auge definitivo del hormigón sucedió a lo largo del siglo XX cuando los principales arquitectos se percataron de las inmensas posibilidades de este material. En 1929, el famoso arquitecto Frank Lloyd Wright diseñó el primer rascacielos que se construyó con estructura de hormigón. Con el paso de los años los avances científicos y técnicos permitieron la mejora progresiva de las propiedades mecánicas y la estabilidad química de los hormigones, consiguiendo que cada vez se emplearan más y de forma más sistemática en la construcción de edificios y todo tipo de estructuras. A finales del siglo XX ya era el material más empleado en la industria de la construcción.
Se le da forma mediante el empleo de moldes rígidos denominados encofrados. Su empleo es habitual en obras de arquitectura e ingeniería, tales como edificios, puentes, diques, canales, túneles, etc. (véase figura 8.2). Incluso en aquellas edificaciones cuya estructura principal se realiza en acero, su utilización es imprescindible para conformar la cimentación. Actualmente, los edificios más altos del mundo poseen estructuras de hormigón y acero, tales como las famosas Torres Petronas de Kuala Lumpur (1998), el edificio Taipéi 101 de Taiwán (2004) o el famoso hotel Burj Khalifa de Dubái (2009), que se muestra en la parte derecha de la figura 8.2.
Este texto pertenece al libro:
Carlos Romero Muñiz, José M.ª Gavira Vallejo: Noventa materiales de ingeniería para la enseñanza de Física y Química. Triplenlace.com, 2025. https://triplenlace.com/aula-libros/90mi/ .
