La tecnología del cemento y del hormigón evidencia una permanente evolución a lo largo de la historia, ya sea desde los primeros morteros a base de cal a los hormigones autocompactantes o de ultra alto desempeño actuales. En ese sentido, sus desafíos hoy por hoy son mayores: cómo enfrentar la reparación de infraestructura que envejece y principalmente, la sostenibilidad del sector, son parte de estos retos. En este artículo, publicado originalmente en la última edición del Concrete Repair Bulletin, se analiza la transformación del hormigón en el tiempo y cómo sus últimos desarrollos resultan claves para los compromisos del sector en materia de construcción sostenible y durable.
Autor: Jeremy Begley, ingeniero civil de la Universidad Estatal de Colorado (Colorado State University), Máster en Ingeniería Estructural de la Universidad de Colorado en Denver (University of Colorado Denver), actual líder en el Desarrollo de Negocios para Proyectos Hidroeléctricos y Represas en Mapei USA.
Fuente: Concrete Repair Bulletin
El hormigón, material de construcción omnipresente en la civilización moderna, tiene una historia tan rica y perdurable como las muchas estructuras que lo componen. Desde las civilizaciones antiguas que elaboraban materiales cementicios rudimentarios a los hormigones de alto desempeño actuales, la historia del hormigón es una que habla de innovación, adaptabilidad y resiliencia.
En este artículo, viajaremos a través del tiempo para explorar cómo evolucionó este material fundamental, las maravillas que ha creado y su testimonio del ingenio humano, además de los desafíos que enfrentamos en la actualidad con el envejecimiento de la infraestructura de hormigón y nuestros roles dentro de la industria de reparación para enfrentar estos inconvenientes, así como las preocupaciones con la sostenibilidad. Este artículo sirve para iluminar tanto nuestros logros pasados como las actuales responsabilidades.
Comienzos antiguos: El amanecer de los materiales cementicios
Los orígenes del hormigón se extienden mucho más allá de la innovación romana, con formas rudimentarias de mortero y materiales cementicios que se remontan a milenios. Los romanos, a menudo reconocidos como los primeros ingenieros del hormigón, construyeron sobre la base de trabajo de civilizaciones anteriores. Las palabras de Sir Isaac Newton, “pararse sobre los hombros de gigantes”, describe acertadamente esta progresión.
Las primeras evidencias de materiales cementicios aparecen alrededor del 10.000-9.000 A. de C. en Göbekil Tepe, en la actual Turquía, el sitio religioso conocido más antiguo del mundo. Sus pisos revocados con cal se asemejan a un precursor del terrazo moderno. En el 6.500 A. de C., constructores en las actuales Siria y Jordania utilizaron morteros de cal derivados de piedra caliza calcinada en pozos de fuego, lo que hizo avanzar los métodos de construcción de muros, pisos y cisternas impermeables, fundamentales para la supervivencia en el desierto.
Los egipcios perfeccionaron aún más los materiales cementicios alrededor del 2.500 A. de C., empleando morteros a base de yeso en la construcción de las pirámides. Su dominio de las propiedades del material sentó las bases para futuras innovaciones.
Los griegos y romanos perfeccionaron los morteros basados en cal al incorporar ceniza volcánica, o puzolana, para crear un cemento hidráulico capaz fraguar bajo el agua. Esta innovación permitió a los ingenieros romanos construir maravillas arquitectónicas duraderas tales como el Panteón y los acueductos. Su uso de arcos, cúpulas y diseños geométricos avanzados, combinados con la notable durabilidad del hormigón romano, permanece como un testamento a su ingenio tanto en tecnología de materiales como en las prácticas geométricas de la construcción. La durabilidad del hormigón romano se atribuye a la formación de fases minerales raras dentro de la matriz, un descubrimiento que continúa influyendo en la investigación moderna (1, 2, 3, 4).
El Periodo Medieval: Una pausa en el progreso
Siguiendo a la caída del Imperio Romano, los avances en la tecnología del hormigón se estancaron. Los constructores volvieron a morteros simples y métodos de construcción con piedra, llevando a un periodo de relativa inactividad en lo que respecta a innovación de materiales cementicios.
Independientemente en China, se produjeron descubrimientos progresivos a lo largo de los milenios. Incluso mientras el progreso se estancaba en Occidente durante la Edad Media, la innovación prosperaba en Oriente. En la última etapa de la construcción de la Gran Muralla se utilizaron aditivos orgánicos como arroz glutinoso para mejorar la durabilidad y la flexibilidad, lo que posteriormente mejoró el desempeño sísmico. Esto demostró los avances únicos de China en ciencia de los materiales cementicios (3).
El Renacimiento: Un revival de las técnicas y prácticas romanas
El progreso en el hormigón se retomó durante el Renacimiento, alimentado por el renovado interés y redescubrimiento de antiguos textos de ingeniería y diseño de mezclas, como los de Vitruvio. El hormigón se utilizó principalmente en proyectos donde se deseaban propiedades de resistencia al agua, pero su uso fue limitado. Los avances se centraron principalmente en la adaptación de conceptos romanos como la geometría estructural, distribución del peso y el uso de mortero de cal, piedra y ladrillo en la construcción (por ejemplo, la Cúpula de Brunelleschi, ilustrada en la Figura 1).
La Revolución Industrial: El nacimiento del cemento moderno
Los siglos XVIII y XIX presenciaron importantes avances en el hormigón, impulsados por la industrialización. En 1756, John Smeaton utilizó cal hidráulica en el faro de Eddystone, creando un aglutinante duradero para entornos marinos hostiles.
En 1824, Joseph Aspdin patentó el cemento Portland, el que revolucionó a la construcción con su resistencia y versatilidad superiores. Su producción mejorada mediante la tecnología de hornos lo hizo ampliamente disponible y escalable, permitiendo la construcción de rascacielos, puentes, represas y más. El cemento Portland se transformó en la piedra angular de la construcción moderna, moldeando gran parte del entorno construido actual (4).
El Siglo XX: Era de la innovación y crecimiento en la ingeniería del hormigón
El siglo XX fue testigo de avances sin precedentes en la tecnología y usos del hormigón. Innovaciones tales como el hormigón armado y eventualmente, el hormigón pretensado y los aditivos expandieron las aplicaciones y capacidades del material.
El hormigón armado, desarrollado por primera vez a mediados del siglo XIX por Joseph Monier, se generalizó a comienzos del siglo XX. Al incrustar barras de acero dentro de la matriz del hormigón, los ingenieros lograron un material que combinó la resistencia a la compresión del hormigón con la resistencia a la tracción del acero (5).
El hormigón pretensado mejoró aún más la capacidad portante del material. Al aplicar fuerzas de pretensado o postensado a los tendones de acero embebidos, los ingenieros lograron contrarrestar las tensiones por tracción, lo que permitió mayores luces y estructuras más esbeltas.
A comienzos del siglo XX, el material era el principal factor de costo. La abundante mano de obra calificada era más económica. Las innovaciones en el hormigón armado y el diseño de arco redujeron el uso del material, optimizando costos en puentes y represas. Los ingenieros también estudiaron cuidadosamente los problemas de calor por hidratación para el diseño de hormigón masivo.
Estos avances sustentaron icónicos proyectos en Estados Unidos, tales como el sistema de carreteras interestatales, puentes, rascacielos y represas monumentales, impulsando a la economía y contribuyendo a su ascenso como superpotencia mundial. Estas estructuras inspiraron hazañas similares en todo el mundo, estableciendo un nuevo estándar en la construcción (Fig. 2).
Con el tiempo, los aditivos químicos tales como los reductores de agua, acelerantes y agentes incorporadores de agua refinaron aún más el desempeño del hormigón, ampliando su aplicación y confiabilidad.
El presente: Infraestructura que envejece
En la actualidad, el hormigón es el material hecho por el hombre más utilizado en la Tierra. Constituye la base de nuestros puentes, represas, edificios y caminos. Sin embargo, mucha de esta infraestructura está envejeciendo, presentando desafíos significativos para los ingenieros y legisladores.
La Sociedad Estadounidense de Ingenieros Civiles (ASCE, en sus siglas en inglés), ha dado la voz de alarma sobre el estado de la infraestructura de Estados Unidos a través de su informe de calificaciones. Creado en 1998, el informe asigna calificaciones cada cuatro años, evaluando su estado y desempeño. Como se muestra en la Figura 3, la calificación acumulada más reciente en el Informe de 2021, una C-, entrega una evaluación sombría del estado de la infraestructura estadounidense y destaca la urgencia de abordar el envejecimiento de las estructuras (6).
A pesar de las notables proezas de ingeniería del pasado, el tiempo ha hecho mella en estas estructuras. Muchas se diseñaron para una vida útil más corta de lo que exigen las expectativas modernas y ahora enfrentan mayores cargas, tensiones medioambientales y estándares de diseño en constante evolución.
Los desafíos son multifacéticos. Los principales indicios de deterioro estructural incluyen la fisuración, el fenómeno de spalling (desconchamiento), delaminación, deformación y fluencia, a menudo derivados de una combinación de razones como las siguientes:
- Cargas aumentadas: La infraestructura actual suele soportar exigencias que van mucho más allá de su diseño original, como vehículos más pesados, mayor volumen de tráfico, ocupación mayor o cargas imprevistas en el momento del diseño. Por ejemplo, el puente Francis Scott Key, construido en 19777, nunca se diseñó para soportar los impactos de los enormes buques cargueros modernos. Diseñar para tales cargas en aquel entonces, se habría considerado excesivamente conservador y costoso.
- Estándares en evolución: Los avances en el conocimiento de ingeniería y códigos de seguridad más estrictos han dado lugar a diseños más robustos con una mayor capacidad y redundancia. Una mejor estandarización de materiales, mejor comprensión de las vulnerabilidades como la corrosión del acero de refuerzo y las lecciones aprendidas de fallos pasados. Además, un enfoque de diseño basado en estadísticas ayuda a entregar mayor exactitud y confiabilidad, considerando la probabilidad de falla y las incertidumbres en las cargas y resistencias de los materiales. Sin embargo, las estructuras más antiguas pueden requerir reemplazo, modernización o una reducción del uso del diseño para cumplir con los estándares y guías modernos para garantizar la seguridad pública.
- Peligros ambientales: Los avances tecnológicos han revelado mayores riesgos por eventos naturales tales como inundaciones y terremotos. El Cambio Climático agrava estos riesgos mediante tormentas más fuertes, cambios en los patrones de precipitación y fluctuaciones en la temperatura. La exposición a ciclos de congelación-deshielo y los entornos químicos pueden acelerar el deterioro. En la actualidad, la mejora de los materiales y aditivos ayuda a mitigar estos riesgos para nuevas estructuras, pero muchas de las existente permanecen vulnerables.
- Control de calidad: Malas prácticas constructivas pueden comprometer el desempeño a largo plazo. Problemas como la compactación inadecuada del suelo, relaciones agua-cemento inconsistentes, curado inadecuado y materiales y áridos de baja calidad pueden provocar asentamientos, fisuraciones, vacíos y corrosión. Estos problemas debilitan la integridad estructural y reducen la vida útil.
- Mantenimiento deficiente: Presupuestos limitados a menudo obligan a las agencias a posponer las reparaciones, acelerando el deterioro y elevando los costos de rehabilitación. La detección temprana mediante el monitoreo y programas de mantenimiento pueden prevenir fallas catastróficas, como el colapso del puente San Giorgio en Italia, donde el mantenimiento aplazado tuvo consecuencias fatales y costosas (7). El dinero que se ahorró al no realizar mantenimiento crítico fue insignificante en comparación la demolición, reconstrucción y la consiguiente demanda. El financiamiento adecuado es esencial, pero la seguridad pública debe seguir siendo la prioridad máxima. Muchos sectores están recurriendo a la toma de decisiones basada en el riesgo para ayudar a priorizar las reparaciones y asignar recursos de manera eficaz, abordando primero las deficiencias más críticas.
Eficiencia de costos de la reparación y rehabilitación
La reparación y rehabilitación suelen ser más económicas que el reemplazo, con potenciales ahorros de tres a diez veces el costo, sin mencionar que son más rápidas y provocan menos interrupciones en el servicio (por ejemplo, ocupación y operación comercial, tráfico vehicular y/o generación de peajes, generación de energía).
Extender la vida útil de las estructuras es una consideración crucial para cualquier gerente de activos. Una inversión moderada en una o varias reparaciones puede generar ahorros significativos y en un mejor retorno de la inversión total durante la vida útil de la estructura, como se ilustra en la Figura 4. Retrasar las intervenciones aumenta la probabilidad de deterioro, llevando a mayores costos por reparaciones o reemplazos completos, agravados por los efectos de la inflación.
Notar que un programa a largo plazo puede involucrar a una serie de reparaciones para extender la vida útil. Es altamente recomendado revisitar el artículo de la edición Septiembre/Octubre de 2024 del CRB, “Enfoques basados en datos para optimizar la conservación de las plataformas de puentes de hormigón”, que discute los principios de un programa de rehabilitación estructural en mayor detalle (8).
Por ejemplo, la rehabilitación en 2017 del aliviadero de la represa Oroville luego de su falla debido a vulnerabilidades en el diseño y malas condiciones de la fundación resultó significativamente más costosa que si las deficiencias se hubiesen podido identificar antes (ver Figuras 5 y 6) (9).
Además, el reciente incidente en la represa del Lago Lure subraya la importancia de intervenciones oportunas. Aunque la represa había obtenido financiamiento recientemente y se encontraba en el proceso de reparaciones para cumplir con las normas de seguridad, la naturaleza lazó una bola curva y no trabajó con las restricciones de plazo. Afortunadamente, la represa no falló, pero generó considerables costos adicionales para reparar los daños en los estribos y la destrucción aguas abajo.
Innovaciones y Sostenibilidad
La producción de hormigón contribuye significativamente a las emisiones globales de dióxido de carbono (CO2), convirtiendo a la sostenibilidad en una máxima prioridad. El cemento Portland es responsable de aproximadamente el 8% de las emisiones de CO2 globales debido al proceso químico de calcinación y el intenso uso de energía en la producción de cemento (10).
Enfoques innovadores, incluyendo el uso de materiales cementicios suplementarios (SCMs, en sus siglas en inglés) como puzolanas (por ejemplo, cenizas volantes, escoria, cenizas de cáscara de arroz, metacaolín) y piedra caliza en el cemento calizo Portland (PLC, en su sigla en inglés) como también, aglutinantes alternativos como el hormigón geopolímero, apuntan a reducir la huella ambiental.
Estas innovaciones, junto con los esfuerzos de incorporar materiales reciclados y reducir la dependencia de árido natural, reflejan el compromiso de la industria con la sostenibilidad. Hormigón autorreparable, hormigón mejorado con grafeno, hormigón de ultra alto desempeño (UHPC, en su sigla en inglés), como también el hormigón compactado con rodillo (RCC, en su sigla en inglés) y la impresión 3D, representan la vanguardia en ciencia de los materiales y técnicas de colocación, prometiendo mayor durabilidad y eficiencia en la construcción.
Como se mencionó anteriormente, la reparación y la rehabilitación pueden generar ahorros directos. También aporta valor cultural a través de la preservación histórica, manteniendo el carácter y legado de estructuras icónicas. Además, estos métodos minimizan el desperdicio de materiales y el impacto ambiental, conservando recursos como cemento adicional y áridos adecuados, disminuyendo el uso de botaderos. Organizaciones como el Centro de Excelencia para la Preservación y Extensión de la Vida Útil (P+Ex, en su sigla en inglés) impulsan la concienciación y educación para promover estas prácticas, destacando tanto los beneficios ambientales como económicos de la preservación (Figura 7).
Sólo en Estados Unidos, se colocan anualmente más de 305 millones de metros cúbicos de hormigón, lo que contribuye a un estimado de 80 millones de toneladas de CO2 a la atmósfera. Con un inventario de más de 9 billones de metros cúbicos de hormigón existente, la huella ambiental es enorme. Cada día de vida útil adicional se traduce en una reducción de aproximadamente 6.6 millones de toneladas de CO2. Extender la vida útil de la infraestructura de hormigón existente puede reducir significativamente nuestra huella de carbono y se considera una de las iniciativas más ecológicas que podemos promover.
El rol de los profesionales de la reparación del hormigón
Los profesionales de la reparación del hormigón juegan un rol fundamental en lograr estos desafíos. La intervención en la vida de una estructura puede llevar a una extensión de su vida útil y ahorrar costos considerables en el camino, sin mencionar hacer una diferencia con las iniciativas climáticas. Se pueden emplear una variedad de técnicas de reparación para abordar diversos desafíos y entregar soluciones personalizadas para extender la vida útil de las estructuras.
Estas técnicas pueden incluir reparación superficial y de profundidad completa, rehabilitación y refuerzo estructural, inyección de fisuras, protección contra la corrosión, impermeabilización y reparación de juntas. Materiales modernos y avanzados como el UHPC, polímeros reforzados con fibras (FRP, en su sigla en inglés) y los morteros, adhesivos, sellantes, grouts y membranas de reparación especializados, ofrecen numerosas posibilidades para el reforzar y preservar la infraestructura existente (por ejemplo, el puente I-80 Verdi, que se muestra en las figuras 8 a la 10).
Conclusión: El camino a seguir
El hormigón ha moldeado a la civilización humana, permitiendo logros extraordinarios desde la antigüedad a maravillas e innovaciones modernas. Como profesionales en el Instituto Internacional de Reparación del Hormigón (ICRI, en sus siglas en inglés), nos encontramos en una posición privilegiada para abordar nuestras urgentes preocupaciones en materia de infraestructura y medioambiente. Desde los diseñadores e ingenieros a los contratistas y proveedores, tenemos la capacidad de promover una mayor priorización del mantenimiento y reformas políticas, mejorando así el estado de nuestra infraestructura.
Organizaciones como el ICRI y el P+Ex están a la vanguardia de la concientización, el fomento a la educación y el suministro de herramientas a los profesionales para extender la vida útil de estructuras críticas. Es nuestra responsabilidad colectiva el destacar la importancia crítica de la reparación del hormigón no sólo para los stakeholders de la industria, sino para el beneficio de la sociedad y del planeta.
Al enfatizar las ventajas prácticas como el ahorro de los costos, además de la preservación histórica y disminución del impacto ambiental, podemos destacar el valor añadido de este trabajo. A través de la colaboración y la innovación, podemos honrar el legado perdurable del hormigón mientras se pavimentan las bases para un futuro más sólido y sostenible para las generaciones venideras.
Referencias
1. D. Andrews, “Ancient Concrete: How it Stood the Test of Time.”, Association of Environmental & Engineering Geologists (AEG), 9 May 2023. [Online]. Available: https://www.aegweb.org/index.php?option=com_dailyplanetblog&view=entry&year=2023&month=05&day=08&id=57:ancient-concrete-how-it-stoodthe-test-of-time. [Accessed 1 October 2024].
2. A. Barman BEng, “CivilHex: Hub of Engineering Exploration,” 23 December 2023. [Online]. Available: https://civilhex.com/history-of-concrete-timeline/. [Accessed 29 September 2024].
3. R. Steiger, “The History of Concrete, Part 1: From Prehistoric Rubble Mixes to Roman Cement,” Concrete Journal, no. J950584, 1995.
4. A. Zeeberg, “Reinventing Concrete, the Ancient Roman Way,” New York Times (NYT), 19 October 2024.
5. R. Steiger, “The History of Concrete, Part 2: From Portland Cement to Structural Concrete,” Concrete Journal, no. J950644, 1995.
6. American Society of Civil Engineers (ASCE), “2021 Report Card for America’s Infrastructure,” 2021. [Online]. Available: https://infrastructurereportcard.org/infrastructure-categories/.
7. M. Rodriquez, “New Genoa bridge built in a record time of only 15 months after the fatal collapse in 2018,” Structures Insider, 5 August 2020. [Online]. Available: https://www.structuresinsider.com/post/new-genoa-bridge-built-in-arecord-time.
8. S. Garrett, M. Abdelrahman and M. ElBatanouny, “Data-Driven Approaches for Optimizing Concrete Bridge Deck Preservation,” Concrete Repair Bulletin (CRB), vol. 37, no. 5, pp. 12-16, September/October 2024.
9. J. France, I. Alvi, P. Dickson, H. Falvey, S. Rigbey and J. Trojanowski, “Independent Forensic Team Report for Oroville Dam Spillway Incident.”, 2018. [Online]. Available: https://damsafety.org/sites/default/files/files/Independent%20Forensic%20Team%20Report%20Final%2001-05-18.pdf.
10. J. Kullman, “Curbing concrete’s carbon emissions with innovations in cement manufacturing,” Arizona State University, 17 October 2023. [Online]. Available: https://news.asu.edu/20231017-curbing-concretes-carbon-emissionsinnovations-cement-manufacturing.
11. D. Whitmore, “Sustainable Construction: Building a Better Tomorrow”, Concrete Repair Bulletin (CRB), vol. 31, no. 4, pp. 16-20, July/August 2018.
12. We Save Structures, “Environmental Impact Calculator,” [Online]. Available: https://www.wesavestructures.info/environmental-impact-calculator.
13. National Ready Mixed Concrete Association (NRMCA), “Annual Performance Benchmarking Survey and State of the Industry,” October 2024. [Online]. Available: https://www.nrmca.org/wp-content/uploads/Performance_Benchmarking_Survey_and_State_of_the_Industry.pdf.
