Materiales Cementantes Compuestos (ccm): estado del arte,
situación actual y aplicaciones en la Ingeniería Civil
Carpio López Víctor Andrés
1
, Viera Arroba Luisa Paulina
2
1,2
Universidad Central del Ecuador
vacarpio@uce.edu.ec, lviera@uce.edu.ec
Información del artículo
Recibido: julio 2018
Aceptado: sepiembre 2018
Resumen
El presente artículo trata acerca del desarrollo de los materiales cementantes compuestos (CCM), desde
el hormigón convencional hasta los más complejos como los compuestos con propiedades auto-repa-
rantes y auto-sensitivas. Además, se hace una descripción de los estudios más relevantes de este tema,
así como las propiedades que los CCM presentan y sus posibles aplicaciones en el desarrollo de nuevos
materiales para la ingeniería civil.
Abstract
e present paper it is about the development of cementitious composite materials (CCM), from conven-
tional concrete to more complex ones such as compounds with self-healing and self-sensing properties.
In addition, a description is given of the most relevant studies of this topic, as well as the properties that
the CCM present and their possible applications in the development of new materials for civil enginee-
ring.
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Facultad de Ingeniería, Ciencias Físicas y Matemática
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1. Introducción
El estudio y uso de los compuesto cementantes
para la construcción, según fuentes históricas
data de hace 5600 años a. C., con la construcción
más antigua realizada con conglomerado que
corresponde al piso de una cabaña en Lepensky
Vir (Serbia) (IECA, s.f.). Posteriormente, civiliza-
ciones tales como las de Egipto, Grecia, y Creta
emplearon morteros en diversas construcciones.
Alrededor del año 82 d.C., se desarrolla el primer
hormigón, que es acreditado a los ingenieros ro-
manos (Hendrik, 2005). Las mezclas de cemento
Portland usadas en compuestos cementantes mo-
dernos fueron estudiadas inicialmente por Joseph
Aspdin en 1824 (Carpio, 2014b)
A nales de 1930 se empiezan a utilizar aditivos
químicos en el hormigón para modicar su visco-
sidad y uidez (Aïtcin, 1998), naciendo así lo que
se conoce como tecnología del hormigón, cuyo
campo de estudio desde aquel entonces y hasta
hoy en día no se enfoca en el entendimiento de las
interacciones a nivel atómico-molecular del ma-
terial sino mayormente en su comportamiento
mecánico (Sedahat, 2014) (Lu et al., 2016).
En el año de 1998 con el desarrollo de los Engi-
neered Cementitious Composites (ECC) (Li y
Kanda, 1998), se introducen nuevos materiales
en las mezclas del hormigón, por ejemplo, mi-
crobras, mejorando las capacidades de resis-
tencia mecánica del material, pero sin estudiarse
a fondo, todavía, la interacción entre todos los
materiales constituyentes del compuesto, como
la capacidad auto-sensitiva (Han et al., 2015) o
auto-raparante (Sierra et al., 2015). Con estudios
de este tipo se abre un campo más amplio que
es el de los materiales cementantes compuestos
(cementitious composite materials “CCM”, en
inglés) cuyos componentes y características son
analizados a nivel cuántico.
Cabe aclarar que hoy en día debido al desarrollo
de “hormigones exibles” (bendable concrete),
que emplean los criterios de los CCM para su
elaboración, algunos investigadores han optado
por emplear de manera equivalente al término
CCM el de Engineered Cementitious Composites
(ECC). (Khmurovska y Stemberk, 2018) (Yildi-
rim et al., 2018) (Yu, et al. 2018).
Los nuevos CCM constituyen un paso más allá
de la tecnología del hormigón tradicional, estos
se fundamentan en los más recientes avances de
la ciencia e ingeniería de materiales (materials
science and engineering “MSE”, en inglés). Los
materiales constituyentes de los CCM y del hor-
migón tradicional inciden de manera distinta en
el estudio de sus propiedades y desempeño fí-
sico-mecánico. Por lo que los CCM no pueden
ser catalogados usando los criterios tradicio-
nales del hormigón (Zhou, 2014) (Baera, 2015)
(Hazelwood, 2015).
2. La ciencia e ingeniería de materiales
(mse)
La MSE es un campo interdisciplinario que es-
tudia y manipula la composición y estructura
de los materiales a través de escalas de longitud
para controlar sus propiedades por medio de la
síntesis y el procesamiento (Askeland y Wright,
2017). Su objetivo nal es caracterizar o describir
a los materiales. La correlación de las distintas ra-
mas que componen a la MSE así como el área de
conocimiento especíco de cada una se lo puede
evidenciar mejor en la siguiente gura 1.
Figura 1. Correlación entre la ciencia y la ingeniería de los materi-
ales. Fuente: Smith y Hashemi, 2006.
Los principios de la MSE se encuentran represen-
tados en el tetraedro de la ciencia e ingeniería de
materiales (gura 2), donde el término “Propie-
dades” se reere a la constitución química de un
material; “Estructura” a la descripción del arreglo
de los átomos, es decir, cómo se observa el ma-
terial a diferentes niveles de detalle; el término
“Síntesis” concierne a la forma en que se fabrican
materiales a partir de sustancias químicas de es-
tado natural o hechas por el hombre y “Procesa-
miento” implica cómo se transforman materiales
Revista INGENIO N.º 2 vol. 2 (2019)
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en componentes útiles para provocar cambios en
las propiedades de otros materiales.
Figura 2. Tetraedro de la ciencia e ingeniería de los materiales.
Fuente: Doug Hateld
Nota: Adaptación al español de elaboración propia.
Dentro de la MSE existen diferentes formas de cla-
sicar a los materiales. La manera más común en
el caso de sólidos es agruparlos en tres categorías
básicas: metales, cerámicos y polímeros. Según lo
maniestan Callister y Rethwisch (2009), esto se
lo realiza considerando su composición química
y estructura atómica. Pero, además, se toma en
cuenta otro grupo concerniente a los materiales
compuestos, mismos que son el resultado de una
ingeniosa combinación de dos o más materiales
diferentes. Como ejemplo de lo expuesto, en la -
gura 3 se puede observar un gráco de valores de
rigidez, a temperatura ambiente, donde se corre-
lacionan las categorías anteriores y algunos de los
materiales que son contenidos en éstas.
Figura 3. Gráco de barras temperatura ambiente – valores de rigi-
dez (módulo de elasticidad). Fuente: Callister y Rethwisch, 2009.
Nota: Adaptación al español de elaboración propia.
3. La ciencia de los materiales en la
ingeniería civil
La relación entre la MSE y la ingeniería civil data
desde los inicios de la civilización humana, evo-
lucionando con el pasar del tiempo desde los
niveles más básicos del conocimiento empírico
hasta constituirse hoy como ramas de estudio téc-
nico-cientícas (Quora, 2015) (Gupta y Chander,
2017).
En la ingeniería civil, los materiales y la materia
en general (desde el contexto físico) juegan un rol
muy importante, ya que es a través de ellos que
los proyectos de infraestructura se hacen reali-
dad. Las estructuras y los materiales en su mayo-
ría son estudiados conforme los criterios y con-
ceptos de la mecánica del medio continuo misma
que estudia el comportamiento de los sólidos de-
formables, sólidos rígidos y uidos mediante la
aplicación de modelos matemáticos que aportan
una mejor comprensión sobre sus propiedades fí-
sico-mecánicas (Reedy, 2013).
Sin embargo, el constante avance en áreas apli-
cadas del conocimiento como es el caso de la
tecnología del hormigón, donde la profundidad
de algunos temas investigados ha sobrepasado
la competencia de la mecánica del medio conti-
nuo (continuum mechanics, en inglés), como se
evidencia al estudiar los modelos de sensibilidad
característica de hormigones auto-sensibles basa-
dos en polvo de nickel donde Han et al. (2015)
consideran los efectos cuánticos dentro del ma-
terial. Esto ha fomentado que la MSE incorpore
nuevas áreas de estudio con la nalidad de dar
solución a los diferentes problemas que se pre-
sentan actualmente en la ingeniería.
Una de estas áreas es la de los materiales com-
puestos, la cual estudia la interacción entre las
combinaciones o mezclas de dos o más materiales
a n de caracterizar no solo sus propiedades físi-
co-mecánicas y químicas sino además entender
su composición y estructuración desde niveles
atómicos a macroscópicos y con esto ver su apli-
cabilidad en las diferentes ramas de la ingeniería.
En la gura 4 se puede observar un esquema de
clasicación para varios tipos de materiales com-
puestos (Callister y Rethwisch, 2009).
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Según la ciencia de ingenieria de los materiales
(MSE) todos los compuestos cementantes (sin
inclusión de bras) son estudiados dentro de los
materiales compuestos reforzados con grandes
partículas (Large Particle Reinforced Composi-
tes, en inglés) lo cual es correcto si se considera
que las interacciones partícula-matriz no son tra-
tadas a nivel atómico o molecular tal y como lo
mencionan Callister y Rethwisch (2009), es decir,
si el estudio se lo realiza desde un nivel nano -a
macro- estructural desde el punto de vista de la
mecánica del medio continuo.
Sin embargo, si a los hormigones y ECC se les
realiza diferentes adiciones químicas y minerales
como los materiales cementantes suplementarios
(supplementary cementitious materials “SCM”,
en inglés), aditivos químicos modicadores vis-
co-reológicos (HRWR, por sus siglas en inglés)
y adiciones de nanocompuestos, que modican
la composición química de la matriz así como la
inclusión en algunos casos “conjunta” de bras de
refuerzo, sería un error clasicarlos especíca-
mente dentro de alguna de las categorías mostra-
das en la gura 4.
Figura 4. Esquema de clasicación para varios tipos de materiales
compuestos. Fuente: Callister y Rethwisch, 2009.
Nota: Adaptación al español de elaboración propia.
La tecnología del hormigón desde la conceptua-
lización de investigadores como Aïtcin (1998),
Neville y Brooks (2010), Li (2011b) y Xincheng
(2017) estudia única y exclusivamente al hor-
migón desde su composición a nivel molecular,
meso-/macroscópico hasta su interacción con el
ambiente. También comprende los estudios so-
bre su elaboración, proceso de producción, usos,
comportamiento físico-mecánico y clasicación
de los diferentes tipos de hormigones creados.
Pero, hoy en día debido a la profundidad a la que
ha llegado la investigación de este material suma-
do al extenso listado de tipos de hormigón que
siguen en desarrollo; se pone en tela de duda si
se debe continuar llamando hormigón a un ma-
terial compuesto que ha alcanzado un alto grado
de complejidad, y más aún, si debe continuarse
nombrando a la rama que lo estudia como tecno-
logía del hormigón.
Es así que en la actualidad investigadores como
Baera (2015) y Hazelwood (2015) hablan ya de
materiales cementantes compuestos (CCM) en
vez de hormigones especiales o de algún otro tipo.
4. Los materiales cementantes
compuestos (ccm)
El estudio de los CCM se deriva de un campo
más amplio que son los materiales compuestos
de matriz cerámica (Ceramic Matrix Composites
”CMC”, en inglés) (Olivares et al., 2003) (Aske-
land y Wright, 2017) desarrollados generalmen-
te a base de cemento Portland. Los materiales
constituyentes de los CCM por lo general, son:
agua, cemento, agregado no, agregado grueso,
adiciones minerales, adiciones químicas, nano-
compuestos o nanomateriales y bras (Bang et
al., 2015).
Actualmente, los criterios sobre tecnología del
hormigón que eran estudiados hace más de me-
dio siglo han evolucionado de tal manera que,
como fue mencionado anteriormente, es com-
plicado establecer a ciencia cierta las categorías
en las que se deben ubicar a los diferentes com-
puestos cementantes desarrollados, tal como es el
caso de los hormigones de ultra-alto desempeño
(UHPC, por sus siglas en inglés) reforzados con
nanocompuestos (Badak et al., 2014) (Sedahat et
al., 2014) (Zhou, 2014) (Lu et al., 2016) (Lu y Ou-
yang, 2017) o el de los diferentes tipos de hormi-
gón con inclusiones de materiales y compuestos
que le aportan propiedades como la auto-repara-
ción (Hazelwood, 2015).
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A diferencia de compuestos cementantes como
el hormigón, los CCM presentan propiedades
mecánicas mucho mayores que lo convencional
para materiales de características anisotrópicas,
por ejemplo, su exibilidad y ductilidad son su-
periores, tal que, a pesar de llegar a deformarse
considerablemente, pueden volver a su estado
original sin evidenciar pérdidas sustanciales en
sus capacidades resistivas a esfuerzos de com-
presión, tracción, corte e inclusive impacto. Esta
capacidad y adaptabilidad de recuperación de la
energía de deformación de un material es cono-
cida de manera ingenieril como “resiliencia” (Fi-
sher, 2006).
Muchas de estas cualidades han sido estudiadas
por Baera et al. (2015), quien además menciona
que:
“Los compuestos a base de cemento han proba-
do, con el pasar del tiempo, ciertas habilidades de
auto-reparar los daños (suras y especialmente
microsuras) que ocurren dentro de su estruc-
tura. Dependiendo del nivel de daño y del tipo
de compuesto en que ocurre, la auto-reparación
puede variar desde el cierre de una sura o repa-
ración de una sura al estado de parcial o incluso
completo de recuperación de las propiedades físi-
co-mecánicas del material” (p. 12).
Respecto a CCM ligeros y ultraligeros, su estudio
a nivel mundial ha quedado relegado en parte
al área del hormigón donde se han desarrollado
mezclas ligeras (LWC, por sus siglas en inglés)
(Esmaeili, 2012) y de alto desempeño reforzado
con bras (HPLWFRC, por sus siglas en inglés)
(Carpio, 2014a) (Hamad, 2017) empleando agre-
gados de baja densidad como arcilla expandida,
esquistos y pizarras, pero cuya accesibilidad para
la industria de la construcción es limitada (Short
y Kinniburgh, 1963). Debido a esto, el empleo de
granulado de poliestireno expandido (EPS) como
alternativa para la fabricación de LWC ha sido es-
tudiado en diferentes trabajos como los de Limu-
ta y Zhunio (2015), Mulla y Shelake (2016), Ca-
rrera y Cevallos (2016), donde se muestra que el
uso de EPS abre una nueva alternativa para la ela-
boración de materiales ligeros a base de cemento.
La tendencia actual de obtener CCM ligeros y ul-
traligeros ha fomentado el uso de SCM, lo que se
evidencia en las investigaciones de Yeginobali et
al. (1998), Sajedi y Shagh (2012), Carpio (2014a)
y Hamad (2017). En algunos de estos trabajos se
realizan inclusiones de bras de refuerzo metáli-
cas, sintéticas, naturales o recicladas para mejorar
aún más el desempeño mecánico del material, tal
y como lo muestran Sadrmomtazi et al. (2014) en
su estudio.
Por otro lado, dentro de los CCM, los ECC con-
forme lo maniestan Li (2008), Li y Kanda (1998),
son una variante a los hormigones de alto des-
empeño reforzados con bras (HPFRC, por sus
siglas en inglés) cuya diferencia principal radica
en el comportamiento que este presenta ante la
acción de una carga. El comportamiento del ECC
una vez se presenta la primera grieta es de una
“deformación con endurecimiento” (strain-har-
dens, en inglés) a diferencia de un FRC (hormigón
reforzado con bras, en español) que después de
la primera grieta muestra un “suavizado por ten-
sión” (tension-soens, en inglés), esto puede ser
apreciado de mejor manera en la gura 5. Al igual
que los hormigones, a los ECC se los ha intentado
categorizar en familias de acuerdo a sus resisten-
cias a tensión y ductilidades, determinándose así
las siguientes: ECC Auto-compactante (Self-con-
solidating ECC, en inglés), ECC de Alta resisten-
cia inicial (High early strength ECC “HES-ECC”,
en inglés), ECC Ligero (Light-weight ECC “LW-
ECC”, en inglés), ECC Verde o Ecológico (Green
ECC “G-ECC”, en inglés) y ECC Auto-reparador
(Self-healing ECC “SH-ECC”, en inglés).
Figura 5. Relación esfuerzo-deformación en tensión uniaxial del
hormigón, FRC, y HPFRCC. Fuente: Li, 2008.
Facultad de Ingeniería, Ciencias Físicas y Matemática
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Si se observa detenidamente las categorías de los
ECC indicadas por Li (2008), en relación con los
conceptos de la tecnología del hormigón estos
también podrían ser catalogados como UHPC
conforme las deniciones mostradas desde las in-
vestigaciones de Collepardi et al. (1997) pasando
por Fehling et al. (2008) hasta Graybeal (2013).
En la gura 6, se presenta una alternativa para la
clasicación de los hormigones, ECC y compues-
tos cementantes en general dentro de una ma-
cro-área de estudio conocida como los materiales
cementantes compuestos (CCM), convirtiéndose
así en la rama de los CMC que abarca desde los
conceptos más elementales de la Tecnología del
Hormigón en la Física Clásica hasta las aproxi-
maciones a nivel de la Física de la Materia Con-
densada.
En la tabla 1, se presentan valores característicos
de algunas propiedades mecánicas relevantes de
los CCM; dichos valores mostrados correspon-
den a los más críticos obtenidos en diversas in-
vestigaciones, ofreciendo así una base compara-
ble de la capacidad físico-mecánica que presentan
las diferentes categorías de CCM mostradas en la
gura 6.
Figura 6. Propuesta para la clasicación de los materiales cementantes compuestos.
Fuente: Elaboración propia
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Tabla 1. Valores Característicos de algunas propiedades mecánicas de los diferentes materiales cementantes compuestos.
Fuente: Elaboración propia
5. Propiedades de los materiales
cementantes compuestos
En los CCM al ser su matriz constituyente más
común, la pasta de cemento Portland, sus propie-
dades presentan similitud con las evidenciadas en
mezclas de hormigón o compuestos cementantes
como los morteros, tal como se reporta en algu-
nas investigaciones: Fehling et al. (2008), Zhou
(2014), Baera et al. (2015), entre otros; por lo cual
se pueden establecer dos estados principales del
material: el Estado Primario o conocido también
como “Fase Líquida” y el Estado Secundario o
“Fase Sólida”. En cada uno de dichos estados el
material presenta comportamientos reológicos
diferentes por lo cual es necesario denirlas para
tener una comprensión mayor sobre sus caracte-
rísticas.
A. Estado Primario (Fase líquida).
Este estado es el inicial del CCM y es caracteriza-
do por presentarse como una masa líquida y que
según los materiales constituyentes del que esté
elaborado el CCM dependerá su grado de uidez
y viscosidad que a su vez son los parámetros reo-
lógicos predominantes para este estado. Esta masa
líquida es obtenida después de ingresar todos los
materiales con los que se fabrica el CCM en una
máquina mezcladora por un lapso de tiempo de-
terminado. Entre las propiedades más relevantes
que se pueden evaluar en consideración con lo
expresado en el Manual de la Asociación del Ce-
mento Portland (PCA, por sus siglas en inglés) de
Kostmatka et al. (2004) para el caso de mezclas de
hormigón, se tiene: consistencia, trabajabilidad,
homogeneidad, exhudación, fraguado.
B. Estado Secundario (Fase sólida).
Luego de transcurrido el proceso de fraguado del
CCM, este adquiere un estado sólido y macizo,
por eso suele decirse en el caso del hormigón que
éste presenta una apariencia similar a la de una
“roca articial”. En este estado el CCM muestra
propiedades físicas, químicas y mecánicas muy
diferentes al estado primario.
En el caso de los CCM las principales propiedades
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mecánicas que pueden estudiarse son: densidad,
ductilidad, dureza, elasticidad, rigidez, tensión
mecánica, viscoelasticidad.
6. Aplicaciones de los materiales
cementantes compuestos
Aun cuando en la actualidad el desarrollo de los
CCM se encuentra en fase experimental, se han
realizado diversas aplicaciones a nivel construc-
tivo para evaluar su comportamiento en el me-
diano y largo plazo. Una de estas aplicaciones
estudiada por Rokugo et al. (2005) analiza el
comportamiento del ECC empleado como mate-
rial de reparación en un muro a gravedad para
contención de tierra que fue severamente dañado
con agrietamientos por una reacción Alkali-Sílice
(ASR, por sus siglas en inglés). En dicho estudio
se realizó el análisis entre un mortero de cemento
portland convencional y un ECC, y los resultados
obtenidos demostraron que luego de un mes de
aplicar los métodos de reparación, el mortero se
vio nuevamente afectado por la ASR tal que, lue-
go de 2 años se había producido una grieta con
un ancho de 300 μm, mientras que el ECC luego
del mismo periodo de tiempo apenas presentó un
agrietamiento de 120 μm.
7. Conclusiones
Las continuas modicaciones y desarrollo de
nuevos hormigones cada vez con composiciones
más complejas, diculta su caracterización y cla-
sicación dentro de alguna de las categorías que
la tecnología del hormigón tradicional ha estable-
cido. Por consiguiente, los CCM se perlan como
una nueva rama de estudio capaz de abarcar la
conceptualización tradicionalista de los hormi-
gones y los nuevos desarrollos en las mezclas a
base de cemento portland.
La interacción entre los niveles de nano-, micro-,
meso- y macro- estructuración que hoy en día se
estudia en los CCM permite obtener una com-
prensión mayor sobre su comportamiento me-
cánico. Características como la durabilidad del
material, conductividad, resiliencia, entre otras,
que antes eran estimadas mediante exhaustivas
pruebas experimentales en laboratorio hoy se las
podría estudiar de manera directa con la ayuda
de análisis computacionales mediante modela-
ción multifísica, logrando de esta manera una
optimización de recursos y tiempo.
Las interacciones químicas que tienen lugar en
la matriz cementante de los CCM como conse-
cuencia de las diferentes adiciones químicas y
minerales, hoy son estudiadas a profundidad con
los conocimientos incorporados por la MSE, sin
embargo, han sido consideradas durante décadas
por la tecnología del hormigón como un pará-
metro empírico validado únicamente por las di-
ferentes pruebas de laboratorio sin llegar a una
comprensión total sobre su rol fundamental.
El empleo de los CCM en el campo de la cons-
trucción, hoy en día se encuentra en una fase de
estudio experimental a nivel de factibilidad con
excelentes resultados, por lo que a futuro se per-
la como una alternativa sustentable y sostenible
frente al hormigón tradicional como hoy se lo co-
noce.
El estudio de los CCM permite encontrar mate-
riales que respondan a necesidades particulares
de forma más eciente.
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