La resistencia del concreto es una propiedad fundamental para la seguridad y el desempeño de las construcciones. Conocer cómo se mide, cómo se calcula y qué factores pueden modificarla permite verificar que el material utilizado en una obra soporte las cargas previstas durante su vida útil.
La resistencia del concreto se refiere a la capacidad del concreto para soportar cargas sin fracturarse y suele medirse en megapascales (MPa) o en kilogramos por centímetro cuadrado (kg/cm²).
Estimar la resistencia a compresión del hormigón es vital por varias razones. Asegura que el hormigón utilizado en construcción pueda soportar las cargas y tensiones que encontrará durante su vida útil. Esta estimación ayuda a diseñar estructuras seguras y duraderas, optimizar el uso de materiales y prevenir fallos estructurales.
Qué significa la resistencia a la compresión
La resistencia a la compresión simple es la característica mecánica principal del concreto. Se define como la capacidad para soportar una carga por unidad de área, y se expresa en términos de esfuerzo, generalmente en kg/cm², MPa y con alguna frecuencia en libras por pulgada cuadrada (psi).
La resistencia a compresión indica la carga máxima por unidad de área que soporta una probeta antes de fallar. El valor especificado suele escribirse como f′c y normalmente se expresa en megapascales (MPa).
Cuando un proyecto especifica, por ejemplo, f′c = 28 MPa a 28 días, no está diciendo que cada cilindro individual deba romper exactamente a 28 MPa.
Debe alcanzar la resistencia especificada para ese proyecto, evaluada conforme al criterio de aceptación aplicable.
No existe una resistencia universal para losas, vigas, columnas, zapatas o pavimentos. Los requisitos de resistencia a la compresión pueden variar según los tipos de construcción entre los 17 MPa para el concreto residencial o elevarse hasta los 28 MPa para estructuras comerciales. Sin embargo, en obras en que la seguridad resulta crucial, se pueden llegar a exigir más de 170 MPa.
| Aplicación o condición | Resistencia indicada |
|---|---|
| Concreto residencial | 17 MPa |
| Estructuras comerciales | 28 MPa |
| Obras en que la seguridad resulta crucial | Más de 170 MPa |
| Concreto R-200 | Hasta 200 kilogramos sobre centímetro cuadrado (Kg/cm2) |
Fórmula para calcular la resistencia a la compresión
El cálculo de la resistencia a la compresión se obtiene dividiendo la carga máxima que soporta la probeta entre el área de la sección sometida a compresión:
f′c = P / A
- f′c: resistencia a la compresión del concreto.
- P: carga máxima aplicada a la probeta antes de la falla.
- A: área de la sección transversal de la probeta.
Para una probeta cilíndrica, el área de la sección transversal se calcula mediante la expresión:
A = π × d² / 4
- A: área de la sección transversal.
- d: diámetro de la probeta.
- π: constante matemática equivalente aproximadamente a 3,1416.
El ensayo universalmente conocido para determinar la resistencia a la compresión, es el ensayo sobre probetas cilíndricas elaboradas en moldes especiales que tienen 150 mm de diámetro y 300 mm de altura.
Los cilindros de concreto deben tener 30 centímetros de alto y 15 centímetros de diámetro al momento de la prueba.
Con estas dimensiones, el área nominal de la sección transversal es aproximadamente de 176,7 cm². Si la carga se registra en kilogramos-fuerza, el resultado puede expresarse en kgf/cm²; si se registra en newtons y el área se expresa en milímetros cuadrados, el resultado se obtiene en MPa.
Técnicamente, la unidad correcta es kgf/cm², porque expresa kilogramo-fuerza por unidad de área. En obra suele abreviarse como kg/cm², aunque esa escritura confunde masa con fuerza.
Ejemplo de cálculo
Supóngase que una probeta cilíndrica de 15 cm de diámetro soporta una carga máxima de 35 340 kgf antes de fallar.
Primero se calcula el área:
A = π × 15² / 4 = 176,7 cm²
Después se divide la carga máxima entre el área:
f′c = 35 340 kgf / 176,7 cm² = 200 kgf/cm²
La resistencia calculada para esa probeta sería de aproximadamente 200 kgf/cm².
El R-200 es un concreto hecho con cemento gris y agregados de granulometría controlada, que alcanza una resistencia de hasta 200 kilogramos sobre centímetro cuadrado (Kg/cm2).
Esta resistencia se utiliza en elementos estructurales como firmes, columnas y trabes, también en banquetas y para relleno de huecos.
Conversión entre MPa, kgf/cm² y psi
La siguiente tabla convierte valores de resistencia entre MPa, kgf/cm² y psi.
| MPa | kgf/cm² | psi |
|---|---|---|
| 17 MPa | ≈ 173,4 kgf/cm² | ≈ 2 466 psi |
| 28 MPa | ≈ 285,5 kgf/cm² | ≈ 4 061 psi |
| 200 kgf/cm² | ≈ 19,6 MPa | ≈ 2 845 psi |
Ensayo de compresión del concreto
La resistencia del concreto se mide tronando probetas cilíndricas de concreto en una máquina para ensayos de compresión, una especie de prensa hidráulica.
Los cilindros se someten a una carga axial creciente hasta que se produce la falla. La carga máxima registrada se utiliza en la fórmula de resistencia a la compresión.
Las normas NTC 550 y 673 son las que rigen los procedimientos de elaboración de los cilindros y ensayo de resistencia a la compresión respectivamente.
ASTM C39/C39M se aplica al ensayo a compresión de probetas cilíndricas y núcleos perforados. ISO 1920-4 y BS EN 12390-3 forman parte de referencias internacionales utilizadas para ensayar concreto endurecido.
Algunos países trabajan principalmente con cilindros y otros con cubos. La forma, el tamaño, la preparación de las caras, el confinamiento y el método de ensayo influyen en el valor obtenido. Confundir ambos grupos lleva a diagnósticos equivocados.
Preparación de las probetas
Es indispensable que los procedimientos de elaboración de los cilindros y ensayo de los mismos sean estándares para evitar incluir otra variable más a los resultados de resistencia.
- Se debe garantizar que los moldes para la elaboración de los cilindros produzcan especímenes con las dimensiones establecidas en la norma.
- Antes de colocar el concreto en los moldes, estos se deben impregnar en su interior con un material que evite que el concreto se adhiera a la superficie del molde.
- Los cilindros se deben confeccionar en tres capas iguales, apisonando cada capa de acuerdo con los requerimientos de la norma.
- Los cilindros recién elaborados deben permanecer en reposo en un sitio cubierto y protegido de cualquier golpe o vibración, para ser desencofrados a las 24 horas +/- 8 horas.
Curado de las probetas
Una vez desencofrados, los cilindros se deben curar a una temperatura de 23oC+/-2oC y a una humedad relativa >95%, hasta el día del ensayo.
Las tapas del cilindro se deben refrendar para garantizar que la superficie del cilindro sea totalmente plana, de lo contrario se pueden presentar concentraciones de esfuerzos que disminuyen la resistencia del cilindro.
Aplicación de la carga
La carga se debe aplicar a una velocidad que se encuentre dentro del intervalo de 0.14 Mpa/s a 0.34 Mpa/s y la velocidad escogida se debe mantener al menos durante la última mitad de la fase de carga prevista del ciclo de ensayo.
ASTM C39 advierte que el resultado depende, entre otros factores, del tamaño y forma de la probeta, el muestreo, el moldeo, la edad, la temperatura y la humedad de curado.
Edad de referencia: por qué se utilizan 28 días
La resistencia del concreto a los 28 días es el valor de referencia que suele utilizarse para comprobar si una mezcla alcanzó la resistencia a compresión especificada en planos y documentos del proyecto.
La edad de 28 días se consolidó como una referencia práctica para especificar y comparar la resistencia del concreto. Esto no implica que el concreto alcance su resistencia final en ese momento.
Los 28 días no representan el final absoluto del endurecimiento ni significan que todos los concretos deban seguir una misma curva de porcentajes.
La edad de 28 días se eligió en los momentos en que se comenzaba a estudiar a fondo la tecnología del concreto, por razones técnicas y prácticas. Técnicas porque para los 28 días ya el desarrollo de resistencia está avanzado en gran proporción y para la tecnología de la construcción esperar ese tiempo no afectaba significativamente la marcha de las obras. Prácticas porque 28 días es un múltiplo de los días de la semana y evita ensayar en día festivo un concreto que se vació en días laborables.
Pero las razones técnicas han cambiado sustancialmente porque con los métodos constructivos actuales 28 días puede significar un decisivo adelanto de la obra por encima de los volúmenes de concreto cuya calidad no se conoce.
La hidratación puede continuar y la resistencia puede aumentar después de 28 días, especialmente cuando la mezcla contiene materiales cementantes suplementarios o cuando el proyecto especifica edades de 56 o 90 días.
En la mayoría de los países la edad normativa en la que se mide la resistencia mecánica del concreto es la de 28 días, aunque hay una tendencia para llevar esa fecha a los 7 días.
Es frecuente determinar la resistencia mecánica en periodos de tiempo distinto a los de 28 días, pero suele ser con propósitos meramente informativos. Las edades más usuales en tales casos pueden ser 1, 3, 7, 14, 90 y 360 días.
En algunas ocasiones y de acuerdo a las características de la obra, esa determinación no es solo informativa, si no normativa, fijado así en las condiciones contractuales.
| Edad del concreto | Uso o consideración |
|---|---|
| 1 a 3 días | Control de resistencia inicial en mezclas especiales o decisiones tempranas. |
| 7 días | Control temprano; es muy sensible a la temperatura y al tipo de cemento. |
| 14 días | Determinación informativa o normativa según el proyecto. |
| 28 días | Valor de referencia habitual para especificar y comparar la resistencia. |
| 56 o 90 días | Edad que puede especificarse cuando la mezcla contiene materiales cementantes suplementarios o el proyecto así lo establece. |
| 360 días | Determinación de largo plazo con propósito informativo o contractual. |
¿Puede calcularse la resistencia a los 28 días a partir de los 7 días?
La resistencia no aumenta según un porcentaje fijo que sirva para todas las mezclas.
La conocida regla de “70 % a los 7 días” puede servir como referencia informal para ciertas mezclas convencionales, pero no es un porcentaje universal exigido por ASTM o ACI.
Multiplicar el resultado de 7 días por un coeficiente genérico puede producir una estimación engañosa.
La velocidad de ganancia de resistencia mecánica del concreto depende de numerosas variables y resultan muy diferentes entre unos y otros concretos.
De esas variables, la más importante puede ser la composición química del cemento, la misma finura, la relación agua cemento, que cuanto más baja sea favorece la velocidad, la calidad intrínseca de los agregados, las condiciones de temperatura ambiente y la eficiencia de curado.
Esto hace que los índices de crecimiento de la resistencia no pueden ser usados en forma segura o precisa con carácter general para cualquier concreto.
Las mezclas de concreto con menor relación agua-cemento aumentan de resistencia más rápidamente que las mezclas de concreto con mayor relación agua-cemento.
Factores que influyen en la resistencia
La resistencia del concreto depende de varios factores clave, como la composición de la mezcla, la relación agua-cemento, el tipo y calidad de los agregados y el proceso de curado.
El concreto es una masa endurecida que por su propia naturaleza es discontinua y heterogénea. Las propiedades de cualquier sistema heterogéneo dependen de las características físicas y químicas de los materiales que lo componen y de las interacciones entre ellos.
Con base en lo anterior, la resistencia del concreto depende principalmente de la resistencia e interacción de sus fases constituyentes:
- La resistencia de la pasta hidratada y endurecida, o matriz.
- La resistencia de las partículas del agregado.
- La resistencia de la interfase matriz-agregado.
Contenido de cemento
El cemento es el material más activo de la mezcla de concreto, por tanto sus características y sobre todo su contenido, proporción, dentro de la mezcla tienen una gran influencia en la resistencia del concreto a cualquier edad.
A mayor contenido de cemento se puede obtener una mayor resistencia y a menor contenido la resistencia del concreto va a ser menor.
Relación agua-cemento
En el año de 1918 Duff Abrams formuló la conocida “Ley de Abrams”, según la cual, para los mismos materiales y condiciones de ensayo, la resistencia del concreto completamente compactado, a una edad dada, es inversamente proporcional a la relación agua-cemento.
La relación agua-cemento se calcula así:
Relación agua-cemento = A/C
- A: contenido de agua en la mezcla en kg.
- C: contenido de cemento en la mezcla en kg.
De acuerdo con la expresión anterior, existen dos formas de que la relación agua-cemento aumente y por tanto la resistencia del concreto disminuya: aumentando la cantidad de agua de la mezcla o disminuyendo la cantidad de cemento.
Una cantidad excesiva de agua deja más poros en la pasta endurecida y suele reducir la resistencia y la durabilidad.
Esto es muy importante tenerlo en cuenta, ya que en la práctica se puede alterar la relación agua-cemento por adiciones de agua después de mezclado el concreto con el fin de restablecer asentamiento o aumentar el tiempo de manejabilidad, lo cual va en detrimento de la resistencia del concreto y por tanto esta práctica debe evitarse para garantizar la resistencia para la cual el concreto fue diseñado.
Sin embargo, disminuir agua sin ajustar la trabajabilidad puede impedir una colocación y consolidación correctas.
Contenido de aire
También se debe tener en cuenta si el concreto va a llevar aire incluido, naturalmente atrapado más incorporado, debido a que el contenido de aire reduce la resistencia del concreto.
Por lo tanto para que el concreto con aire incluido obtenga la misma resistencia debe tener una relación agua-cemento más baja.
El aire incorporado puede ser necesario para determinadas exposiciones, pero su contenido debe controlarse.
Agregados
La distribución granulométrica juega un papel importante en la resistencia del concreto, ya que si esta es continua permite la máxima capacidad del concreto en estado fresco y una mayor densidad en estado endurecido, lo que se traduce en una mayor resistencia.
La forma y textura de los agregados también influyen. Agregados de forma cúbica y rugosa permiten mayor adherencia de la interfase matriz-agregado respecto de los agregados redondeados y lisos, aumentando la resistencia del concreto.
Sin embargo este efecto se compensa debido a que los primeros requieren mayor contenido de agua que los segundos para obtener la misma manejabilidad.
La resistencia y rigidez de las partículas del agregado también influyen en la resistencia del concreto.
El tipo y tamaño de los agregados deben seleccionarse de acuerdo con la mezcla, la trabajabilidad, la separación del acero de refuerzo, las dimensiones del elemento y las exigencias del proyecto. Un agregado pequeño no demuestra por sí solo que una columna tenga baja resistencia, y un agregado mayor tampoco garantiza automáticamente una resistencia superior.
Tamaño máximo del agregado
Antes de entrar a mirar cómo influye el tamaño máximo en la resistencia del concreto, se debe mencionar el término “eficiencia del cemento” el cual se obtiene de dividir la resistencia de un concreto por su contenido de cemento.
Recientes investigaciones sobre la influencia del tamaño máximo del agregado en la resistencia del concreto concluyen lo siguiente:
- Para concretos de alta resistencia, mientras mayor sea la resistencia requerida, menor debe ser el tamaño del agregado para que la eficiencia del cemento sea mayor.
- Para concretos de resistencia intermedia y baja, mientras mayor sea el tamaño del agregado, mayor es la eficiencia del cemento.
- En términos de relación agua-cemento, cuando esta es más baja, la diferencia en resistencia del concreto con tamaños máximos, menores o mayores es más pronunciada.
Fraguado y endurecimiento
Otro factor que afecta la resistencia del concreto es la velocidad de endurecimiento que presenta la mezcla al pasar del estado plástico al estado endurecido, es decir el tiempo de fraguado.
Por tanto es muy importante su determinación.
Desde el momento en que los granos del cemento inician su proceso de hidratación comienzan las reacciones de endurecimiento, que se manifiestan inicialmente con el “atiesamiento” del fraguado y continúan luego con una evidente ganancia de resistencias, al principio de forma rápida y disminuyendo la velocidad a medida que transcurre el tiempo.
En general, se puede decir que a partir del momento en que se presenta el fraguado final del concreto, comienza realmente el proceso de adquisición de resistencia, el cual va aumentando con el tiempo.
Curado
El curado del concreto es el proceso mediante el cual se controla la pérdida de agua de la masa de concreto por efecto de la temperatura, sol, viento, humedad relativa, para garantizar la completa hidratación de los granos de cemento y por tanto garantizar la resistencia final del concreto.
El objeto del curado es mantener tan saturado como sea posible el concreto para permitir la total hidratación del cemento; pues si está no se completa la resistencia final del concretos se disminuirá.
El curado controla la humedad y la temperatura para favorecer la hidratación y limitar el secado prematuro.
Debe iniciarse tan pronto como la superficie pueda protegerse sin dañarla y mantenerse durante el periodo exigido por la especificación.
Un resultado bajo en probetas curadas en obra, acompañado de resultados satisfactorios en probetas con curado estándar, puede señalar problemas de protección o curado del elemento.
Temperatura
La temperatura es otro de los factores externos que afecta la resistencia del concreto.
- Durante el proceso de curado, temperaturas más altas aceleran las reacciones químicas de la hidratación aumentando la resistencia del concreto a edades tempranas, sin producir efectos negativos en la resistencia posterior.
- Temperaturas muy altas durante los procesos de colocación y fraguado del concreto incrementan la resistencia a muy temprana edad pero afectan negativamente la resistencia a edades posteriores, especialmente después de los 7 días, debido a que se da una hidratación superficial de los granos de cemento que producen una estructura físicamente más pobre y porosa.
- El frío puede retrasar el desarrollo temprano y el congelamiento prematuro puede causar daño.
Dosificación, transporte y colocación
Errores de pesaje, humedad no corregida en los agregados, tiempo excesivo de mezclado o transporte, segregación, adición de agua en obra y consolidación deficiente cambian la resistencia obtenida.
Comprar o preparar concreto únicamente por una proporción volumétrica como 1:2:3 no garantiza un valor de f′c.
Después de definir la resistencia y el volumen requerido, una hoja de cálculo puede ayudar a ordenar las cantidades preliminares de cemento, arena, grava y agua.
La hoja de dosificación de concreto en Excel o Numbers de Ingeniería Real funciona como recurso de apoyo para esa estimación.
Calculadoras de resistencia del concreto
Un calculador de resistencia del hormigón es una herramienta sofisticada diseñada para estimar o predecir la resistencia a compresión del hormigón.
Esta herramienta no se limita a una fórmula única; en cambio, utiliza un sistema de modelos y ecuaciones que pueden adaptarse según los datos de entrada y el nivel de precisión deseado.
Datos necesarios
La precisión de los calculadores de resistencia del hormigón depende de la calidad de los datos de entrada y la adecuación del modelo seleccionado.
Los datos pueden incluir:
- Tipo de cemento.
- Relación agua-cemento.
- Tipo de agregado.
- Condiciones de curado.
- Edad del concreto.
- Temperatura durante la hidratación.
- Contenido de aire y materiales cementantes suplementarios.
Procedimiento de uso
- Selección de modelo: elige el modelo de predicción apropiado según los datos disponibles y la aplicación específica.
- Entrada de datos: ingresa los datos recopilados en el calculador.
- Introduzca los parámetros: introduzca los parámetros requeridos, como el tipo de cemento, la relación agua-cemento, el tipo de agregado y las condiciones de curado en la calculadora.
- Haga clic en “Calcular”: pulse el botón “Calcular” para estimar la resistencia del hormigón.
- Explicación paso a paso: Mathos AI mostrará las fórmulas y los cálculos utilizados para estimar la resistencia, explicando cada paso.
En construcción, los calculadores de resistencia del hormigón se utilizan para asegurar que la mezcla de hormigón cumpla con las especificaciones de resistencia requeridas para diferentes elementos estructurales. Esto incluye seleccionar mezclas adecuadas para vigas, columnas, losas y otros componentes.
La frecuencia de uso depende de la complejidad y los requisitos del proyecto. Es aconsejable usar el calculador durante la fase de diseño, al seleccionar mezclas de hormigón y al monitorear el desarrollo de la resistencia durante la construcción.
El uso regular puede ayudar a asegurar que el hormigón cumpla con las especificaciones requeridas a lo largo del proyecto.
Limitaciones de las calculadoras
Aunque los calculadores de resistencia del hormigón son versátiles, pueden no ser adecuados para todos los tipos de hormigón, especialmente aquellos con composiciones únicas o no estándar.
Las limitaciones incluyen la dependencia de datos de entrada precisos, las suposiciones inherentes en el modelo elegido y la posibilidad de errores en la interpretación.
Un calculador proporciona una estimación y no sustituye automáticamente el diseño de mezcla, el control de calidad, el ensayo normalizado ni el criterio profesional.
Método de madurez del concreto
La resistencia del concreto no siempre puede estimarse correctamente utilizando únicamente la edad de la mezcla.
La temperatura afecta la velocidad de hidratación.
En CEMIX creemos que una manera efectiva de medir la resistencia es evaluando el incremento de la temperatura interna, un método comúnmente conocido como la “madurez del concreto”.
El método de madurez del concreto utiliza sensores que miden la temperatura interna del concreto durante el proceso de fraguado, permitiendo predecir con mayor exactitud la resistencia alcanzada a lo largo del tiempo.
ASTM C1074 regula la estimación de resistencia mediante el método de madurez.
La aplicación del método requiere relacionar previamente la madurez con resultados de resistencia obtenidos en ensayos de calibración para la mezcla específica.
Las probetas curadas en obra y el método de madurez correctamente calibrado pueden aportar información para retirar formaletas, aplicar postensado, abrir un pavimento o terminar la protección contra frío.
Interpretación de los resultados
Un ensayo de resistencia para aceptación se obtiene a partir del promedio de varias probetas de una misma muestra, según el tamaño de los cilindros y la norma aplicable.
Como referencia, ACI 318 establece criterios estadísticos para evaluar los resultados de resistencia del concreto.
Los criterios dependen del reglamento adoptado.
La edición de ACI adoptada legalmente puede variar entre países, municipios y contratos.
Un resultado bajo merece investigación antes de decidir una reparación, refuerzo o demolición.
Un martillo de rebote u otro ensayo no destructivo puede apoyar una investigación, pero no sustituye automáticamente los cilindros ni determina por sí solo la aceptación estructural.
Existe variabilidad en el material, el moldeo, la consolidación, el curado, las dimensiones, la preparación de extremos y el ensayo.
Un resultado individual no debe interpretarse de manera aislada cuando el criterio aplicable considera promedios, series de probetas, edad de ensayo y condiciones específicas de aceptación.
Qué información no puede deducirse solo de la resistencia
Una resistencia suficiente no garantiza por sí sola baja permeabilidad, recubrimiento adecuado, control de fisuras, protección frente a agentes agresivos ni buena ejecución.
La resistencia del concreto es una de las propiedades más importantes de este material, especialmente en aplicaciones estructurales.
Además, los ingenieros y constructores suelen ajustar las proporciones de los componentes para alcanzar los niveles de resistencia requeridos, especialmente en proyectos de infraestructura crítica como puentes, túneles y edificios de gran altura.
Control de calidad durante la obra
En un control correctamente planificado, el resultado comienza mucho antes de colocar la probeta en la prensa.
- Verificar los materiales utilizados en la mezcla.
- Controlar el pesaje y la dosificación.
- Corregir la humedad de los agregados.
- Evitar la adición de agua en obra.
- Controlar el tiempo de mezclado y transporte.
- Prevenir la segregación.
- Garantizar una consolidación adecuada.
- Proteger el concreto fresco contra golpes, vibraciones, viento, sol y temperaturas perjudiciales.
- Realizar el curado conforme a la especificación.
- Elaborar, conservar y ensayar las probetas mediante procedimientos normalizados.
La frecuencia de uso de los controles depende de la complejidad y los requisitos del proyecto.
Los cementos de alta resistencia inicial, las puzolanas, la escoria, las cenizas, el humo de sílice y otros materiales modifican la velocidad de desarrollo.
Cemento: de tipo I y II.
Grava: de tamaño pequeño y alta densidad.
Seguridad durante el manejo del concreto
Seguridad: el concreto fresco y las mezclas cementantes son cáusticos.
Utilice guantes impermeables, botas, ropa de protección y protección ocular.
La resistencia del concreto es un tema de suficiencia, pero principalmente de seguridad para las construcciones.
Por eso es importante saber qué tipos de pruebas se realizan y de qué modo se calcula esta resistencia, para tener la certeza de que las obras no colapsarán sorpresivamente.
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