Cemento tipo IL y construcción con paneles prefabricados

Por Don Greive, PE, y David Buzzelli 

Introducción

El cemento tipo IL, también conocido comúnmente como cemento de piedra caliza de Portland (PLC), está en proceso de sustituir al cemento tipo I/II en los Estados Unidos. El tipo IL es un producto cementoso que lleva más de dos décadas utilizándose en Canadá y en algunas partes de Europa, pero el mercado estadounidense solo lo ha conocido en los últimos dos años. Los mercados locales y regionales han iniciado la transición de forma gradual, basándose en diversos factores. En los mercados estadounidenses que aún no se han comprometido plenamente, el momento de la transición depende de la ubicación. Por ejemplo, en Texas, el cemento tipo IL ha sido común en el área de Dallas/Fort Worth durante los últimos dos años; actualmente se está utilizando cada vez más en el área de Austin/San Antonio; y no se ha utilizado mucho en el área de Houston (los autores tienen conocimiento actualmente de dos proveedores). La Asociación de Cemento Portland cuenta con un sitio web dedicado a este producto (https://www.greenercement.com) donde se ofrece información técnica y de divulgación, incluidas las especificaciones. Se mantiene un mapa en tiempo real de la transición con los proveedores identificados en los mercados disponibles. En los casos en que la disponibilidad aún no se ha confirmado, los proveedores han indicado que llegará, pero no están seguros del momento.

El cemento de tipo IL se considera un material cementoso mezclado compuesto por cemento Portland de tipo I mezclado con piedra caliza finamente molida. La transición al cemento de tipo IL se está promocionando principalmente como un método para reducir las emisiones de CO₂, y representa el último esfuerzo de la industria cementera para cumplir con la iniciativa de cero emisiones netas de carbono fijada para 2035. La fabricación de cemento sigue siendo uno de los principales contribuyentes a las emisiones de CO₂, representando aproximadamente 5% del total de emisiones globales de CO₂ cada año (1,5% en el mercado estadounidense). Las emisiones de CO₂ en la producción de cemento provienen del proceso de clinker, donde los trozos de piedra caliza se refinan y purifican mediante calor intenso. La combinación de la generación de calor y la liberación del CO₂ atrapado en la piedra caliza genera una alta tasa de emisión. Aunque el mercado estadounidense cuenta con plantas más modernas con operaciones más limpias y tecnologías de captura, las emisiones de CO₂ siguen siendo un problema significativo a nivel mundial. Con el cemento de tipo IL, la cantidad de clinker producido para el cemento se reduce al agregar entre 81 y 151 toneladas de piedra caliza triturada para producir el cemento mezclado. Los productores de cemento han estimado que la producción de cemento de tipo IL, en lugar del tipo I/II, reducirá las emisiones de CO2 entre 8% y 10%. Otros beneficios potenciales incluyen una posible disminución de los costos, ya que el clinker es caro y la piedra caliza es más barata. Además, la disponibilidad de cemento podría mejorar ligeramente debido al aumento de la producción de cemento por cantidad de clinker.

Sin embargo, la transición al cemento de tipo IL no ha sido sencilla. Algunos problemas relacionados con este cemento han llevado a diversas organizaciones a debatir sobre él. La Sociedad Estadounidense de Contratistas de Concreto (ASCC) ha realizado encuestas para evaluar las repercusiones que estaba teniendo el uso del cemento de tipo IL. Aproximadamente la mitad de los encuestados informó de problemas con el uso de este cemento, pero la otra mitad no señaló ningún problema.

Temas

La encuesta de la ASCC indica que no todo el mundo está observando problemas con los diseños de mezclas que utilizan cemento de tipo IL. Hay muchas razones por las que esto puede estar sucediendo. Existen diferencias entre los cementos Tipo IL que producen los distintos fabricantes, incluyendo la cantidad de piedra caliza y la finura de la misma. Además, hay variaciones en los agregados a lo largo del país, por lo que la interacción entre los agregados y los cementos será diferente. Asimismo, las diferencias en el uso de aditivos y materiales cementosos suplementarios (SCM) también pueden afectar el desempeño de las mezclas. 

Dado que el cemento de tipo IL es relativamente nuevo y apenas se está introduciendo en algunos mercados, existe cierta confusión sobre el impacto de este cemento y sobre qué aspectos (si es que hay alguno) deben modificarse. Una empresa que fabrica cemento y opera plantas de concreto premezclado envió una carta en la que señalaba las mejoras ambientales derivadas del cemento Tipo IL como la razón principal del cambio. También indicó que el cambio al Tipo IL, en un mercado en particular, ocurriría en algún momento desconocido en el futuro, y que el cambio sería tan simple como una sustitución libra por libra de los cementos Tipo I/II por cemento Tipo IL en las mezclas de concreto existentes, sin cambiar las proporciones de la mezcla. Vale la pena señalar que el mercado estadounidense pasó del cemento Tipo I y un cemento Tipo II separado (hidratación de bajo calor) a la variedad Tipo I/II con muy poco conocimiento por parte de la industria. Hubo una variedad de factores que contribuyeron a esto, incluyendo cambios en las especificaciones de la ASTM, la evolución del rendimiento del Tipo II y la disminución de la disponibilidad del producto.

El cambio es habitual e inevitable en cualquier sector, y el de la industria cementera no es una excepción. Históricamente, las migraciones se basaban en tipos de cemento puros o auténticos, por lo que la introducción de productos de residuos suplementarios con capacidad de hidratación dio inicio a migraciones anteriores. Los últimos impulsos de dicha evolución son el deseo, y ahora la obligación, de una mayor sostenibilidad y la compensación de las emisiones de carbono. Si bien esto es otra fuente de consternación entre algunos de quienes trabajan con concreto, la migración al cemento Tipo IL es el cambio más significativo que ha experimentado la industria en mucho tiempo. Los ingenieros y los contratistas de hormigón coinciden en general en que el cambio de tipo de cemento debería dar lugar a nuevas mezclas. Los números de mezcla que hacen referencia al hormigón de tipo I, II o I/II deberían modificarse, en relación con el uso del tipo IL, para que no haya confusión sobre qué tipo de cemento se utilizó. Aunque es posible que las plantas de hormigón no tengan la opción, no deberían permitir que se produzca un cambio de tipo de cemento sin notificarlo a todos los involucrados. 

Dado que existen diferentes tipos de cemento, las mezclas de concreto no son iguales. Por lo tanto, los datos históricos de mezclas con cemento Tipo I/II no pueden utilizarse para el cemento Tipo II; se deben realizar lotes de prueba para las mezclas con cemento Tipo II, ya que no existen datos históricos. Esto no difiere de lo que ocurriría en caso de un cambio en los agregados. Por ejemplo, la mayoría de los ingenieros y contratistas de concreto esperarían un número de mezcla diferente si todo en dos mezclas fuera idéntico, excepto que una utiliza piedra caliza como agregado grueso y la otra utiliza roca de río. Estas notificaciones de cambio deberían entonces impulsar a los productores de concreto premezclado y a los contratistas a realizar pruebas con estas mezclas para comprender su comportamiento de manera más completa.

La resistencia no es el único requisito que debe cumplir el concreto. Por ejemplo, en un proyecto típico de oficinas o almacenes con construcción tilt-up, los promotores buscan un aspecto uniforme en todas las secciones de losas interiores. Muchos promotores insisten en utilizar un solo diseño de mezcla para todas las losas interiores. Por lo tanto, un cambio en el tipo de cemento debe considerarse un cambio.

En algunas zonas geográficas se han observado diferencias en la resistencia a la compresión con el suministro de mezclas de tipo IL. Esto se observó tanto en el aumento de resistencia o maduración tras el coloqué como en la resistencia a los 28 días. En la construcción con paneles prefabricados, la tasa inicial de aumento de resistencia puede afectar al calendario de montaje de los paneles. Se ha observado un aumento más lento de la resistencia en algunos proyectos. De hecho, en un proyecto, el contratista decidió realizar pruebas en núcleos de algunos paneles para determinar si podían levantar los paneles después de que las pruebas en cilindros no arrojaran resultados de resistencia adecuados. En algunos proyectos, los resultados de los ensayos de compresión a los 28 días han sido inferiores a los de las mezclas con cemento Tipo I/II. Si no existen datos históricos para mezclas con cemento Tipo IL, esto reitera la necesidad de realizar lotes de prueba. Para demostrar las posibles diferencias en la resistencia a la compresión en el mercado de Houston, un diseño de mezcla de planta de hormigón tuvo exactamente las mismas proporciones de cemento, agua y agregado para dos mezclas diferentes: una con Tipo I/II y otra con Tipo IL. Sin embargo, la resistencia a la compresión indicada para la mezcla de tipo I/II fue de 3500 psi y de 3000 psi para la mezcla de tipo IL. El peso era idéntico, los pesos individuales de los componentes eran idénticos, los aditivos eran idénticos y los tipos de áridos eran idénticos. La única variación fue el tipo de cemento real.

Se debe considerar la realización de ensayos adicionales con mezclas de concreto que contengan cemento Tipo IL, especialmente en construcciones de concreto prefabricado. Dado que la mayoría de los ingenieros de elevación y arriostramiento especifican un módulo de ruptura mínimo (determinado mediante el ensayo de viga estándar ASTM C78 para la resistencia a la flexión del concreto) para poder levantar los paneles, se deben realizar ensayos de flexión con las nuevas mezclas que contengan cemento Tipo IL. Dado que hay aún menos datos que documenten la relación entre la resistencia a la compresión y la resistencia a la flexión con cemento Tipo IL, se recomienda realizar ensayos de flexión del hormigón para ayudar a identificar los momentos adecuados para el montaje de los paneles. En ocasiones, el equipo de construcción expresa inquietudes respecto a los costos de realizar ensayos de flexión adecuados. Sin embargo, en comparación con los retrasos u otros problemas asociados con el levantamiento de paneles debido a diferencias de rendimiento causadas por el cambio de cemento, los costos de los ensayos son mínimos.

Al menos un fabricante de cemento ha señalado que el cemento de tipo IL requiere una mayor cantidad de agua, lo que implicaría que se necesitaría más cemento para obtener la misma resistencia que el hormigón fabricado con cemento de tipo I/II. Una vez más, esto contradice la afirmación de que el cemento de tipo IL puede sustituir, en una proporción de uno a uno, al cemento de tipo I/II.

Además de los problemas relacionados con la resistencia y la humedad, algunos contratistas de hormigón están teniendo dificultades con el vertido. La encuesta de la ASCC reveló que los encuestados tenían proyectos con tiempos de fraguado tanto más rápidos como más lentos. Algunos contratistas han señalado problemas con la tasa de evaporación, lo que ha dado lugar a un mayor uso de retardadores de evaporación.

Se han registrado casos de reducción del agua de exudación con ciertos cementos de tipo IL. Esto podría deberse a la finura de la piedra caliza presente en el cemento de tipo IL, que varía según el fabricante. La falta de agua de exudación puede provocar que el agua quede atrapada justo debajo de la superficie superior del concreto, lo que podría causar la formación de ampollas. Además, complica la sincronización de las operaciones de acabado, ya que los acabadores suelen utilizar el agua de exudación para sincronizar sus operaciones de acabado.

En el centro de Texas se han registrado casos de un aumento de las tensiones de torsión con el uso de cemento IL. El detalle más común en las juntas de construcción de losas sobre el terreno es el detalle híbrido, que alterna barras deformadas y pasadores de placa. Como consecuencia del aumento de las tensiones de torsión, en algunos proyectos se ha considerado la posibilidad de reducir la distancia entre los pasadores o aumentar su tamaño.

Debido a los diversos problemas relacionados con la resistencia y la colocación, es posible que en los diseños de mezclas que utilicen cemento IL haya que tener en cuenta las diferencias en los aditivos y los materiales de modificación de la pasta de cemento (SCM). Los diseños de mezcla actuales suelen incluir una nota que indica que, debido a problemas de suministro, el proveedor de concreto puede cambiar de proveedor de cemento en cualquier momento. Dadas las variaciones en el cemento Tipo IL entre proveedores, esto se convierte en un problema mayor, ya que un cambio de proveedor puede afectar la resistencia y la colocación de una mezcla, ya que un contratista de concreto puede tener problemas totalmente diferentes con el mismo número de diseño de mezcla de un proveedor si hay diferentes proveedores de cemento. Los cambios de proveedores de cemento no deben ocurrir sin que todas las partes sean notificadas del cambio.

¿A dónde vamos?

La resistencia a la compresión a los veintiocho días suele ser el único parámetro que se tiene en cuenta a la hora de aceptar el hormigón. Sin embargo, hay muchos otros factores. Por ejemplo, cuando hace calor, los proveedores de hormigón proporcionan certificados que garantizan la resistencia del hormigón en un rango de temperaturas elevadas. Pero esto no tiene en cuenta otros factores relacionados con el coloque, como la mayor probabilidad de que se produzcan fisuras por contracción a temperaturas elevadas. Una resistencia equivalente no siempre significa un rendimiento equivalente. Aunque las propiedades del hormigón endurecido sean las mismas, las propiedades plásticas pueden no serlo. Para lograr el éxito, es necesario tener en cuenta tanto las cuestiones relacionadas con el coloque como la resistencia.

Con la introducción del cemento de tipo IL en los mercados, nos encontramos ante un proceso de aprendizaje. Todos reconocen los beneficios medioambientales del uso del cemento de tipo IL y comprenden que ha llegado para quedarse. Por ello, es necesario que todos sean conscientes de las posibles diferencias entre los cementos de tipo IL y los de tipo I/II, y estén dispuestos a realizar los cambios necesarios. Se necesitan nuevos diseños de mezclas, ya que la sustitución, kilo por kilo, del cemento Tipo I/II por el Tipo IL, sin implicaciones, no es realista. Además, los valores de diseño de la mezcla deben cambiar según los diferentes fabricantes de cemento. Es posible que sea necesario ajustar los detalles estándar. Es posible que sea necesario modificar los procedimientos de acabado. Se necesita la cooperación entre los fabricantes de cemento, las plantas de hormigón, los contratistas generales, los contratistas de hormigón y los profesionales del diseño para que la transición sea lo más fluida posible.

En Texas, los contratistas de hormigón se han ofrecido a realizar pruebas de vertido de losas con cemento de tipo IL. Esto les permite conocer las diferencias a la hora de trabajar con este nuevo cemento. Además, ofrece oportunidades adicionales para realizar ensayos del hormigón en diferentes etapas de maduración y observar si existen diferencias en las tasas de desarrollo de la resistencia. En la construcción de muros inclinados, la elevación de los paneles es una parte clave del cronograma de construcción. Dado que la mayoría de los ingenieros de elevación y arriostramiento exigen un cierto módulo de ruptura del hormigón, se deben realizar pruebas de flexión para las nuevas mezclas de hormigón con cemento Tipo IL. Además, esto puede ayudar a los proveedores de hormigón (y a los contratistas de hormigón) a comprender cómo los cambios en los aditivos y los materiales cementosos suplementarios (SCM) pueden beneficiar los diseños de mezcla.

Conclusión

El cemento de tipo IL ha llegado para quedarse. Por lo tanto, para aceptar el cambio actual o inevitable, es fundamental que todos comprendan estas diferencias entre las mezclas con cemento de tipo IL y las que utilizan cemento de tipo I/II. Estas diferencias pueden ser regionales, estar relacionadas con distintos entornos o procedimientos estándar, o deberse a variaciones entre los cementos de tipo IL fabricados por los distintos proveedores. Una postura que pretenda que todo es igual, o que asuma que “el concreto es concreto”, solo conducirá a la resolución de los problemas resultantes debido a estas diferencias inherentes y detectables. Aprovechar la experiencia y la colaboración de todas las partes conducirá al éxito de los proyectos.

Si bien el uso del cemento de tipo IL ha planteado algunos retos, también ofrece oportunidades. El impacto ambiental es, sin duda, una ventaja. Además, el cemento Tipo IL nos recuerda que la resistencia no es la única cualidad que importa en el concreto. Las propiedades plásticas del concreto son tan importantes como las propiedades endurecidas, ya que el concreto formulado para alcanzar los requisitos de resistencia puede no ser adecuado si no se logra colocarlo y darle el acabado necesario para que cumpla con su propósito. Al trabajar juntos, todas las partes pueden aprovechar esta oportunidad para utilizar el concreto, sacando el máximo provecho de sus propiedades plásticas y endurecidas, lo que resultará en proyectos exitosos y, al mismo tiempo, reducirá las emisiones de CO2.

Acerca de los autores:

Don Greive es director ejecutivo de Pinnacle Structural Engineers, con sede en Houston, Texas. Es licenciado en Ingeniería Civil (especialidad en estructuras) por la Universidad Rice, tiene una maestría en Ingeniería Civil (Ingeniería Estructural/Mecánica Estructural) por la Universidad de California en Berkeley y un MBA por la Facultad de Negocios C.T. Bauer de la Universidad de Houston. Actualmente, Don forma parte de la junta directiva de la Asociación de Hormigón Tilt-Up. Pinnacle Structural Engineers es una firma multidisciplinaria que ofrece diseños estructurales integrales y construibles, al tiempo que cumple con los requisitos de plazos para estructuras económicas. Sus proyectos se diseñan y detallan teniendo en cuenta las restricciones arquitectónicas y de ingeniería mecánica, eléctrica y de plomería (MEP), prestando plena atención a cada uno de los clientes, independientemente del tamaño y el presupuesto del proyecto.

David Buzzelli es vicepresidente de Texas A&M Concrete, LLC, en Houston, Texas, y miembro de la ACI. Estudió gestión de la construcción en el San Jacinto College y, durante las últimas tres décadas, ha dirigido un talentoso equipo de profesionales de la construcción basándose en sus conocimientos de presupuestación y gestión de proyectos. Colabora con el sector en numerosos comités de la ACI, entre los que se incluyen la presidencia del subcomité de construcción con paneles prefabricados (tilt-up) para la norma ACI 117 y el comité de Certificación de Artesanos. Texas A&M Concrete ofrece soluciones completas y llave en mano a sus clientes como una de las mayores empresas de construcción de hormigón de servicio integral de Texas, con el personal, el equipo y la experiencia necesarios para suministrar, encofrar, colocar y acabar todos los trabajos de hormigón solicitados.