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Experimental Investigation and Quantitative Pore Morphology of Aluminum Aerated Dense Concrete

Este estudio demuestra que los modelos convencionales de porosidad escalar no logran explicar la pérdida desproporcionada de resistencia en el concreto denso aireado con aluminio, revelando en su lugar que las características de la morfología de los poros —específicamente el aumento en la densidad de poros, la reducción de la circularidad y la coalescencia de burbujas— gobiernan el desempeño mecánico de manera más crítica que la porosidad total por sí sola.

Autores originales: Zerwal ASSOKA

Publicado 2026-07-28

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CC BY 4.0

Autores originales: Zerwal ASSOKA

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

Imagina que eres un maestro constructor intentando construir un rascacielos de hormigón. Normalmente, el hormigón es pesado, sólido e increíblemente fuerte, pero no retiene muy bien el calor. Para hacerlo mejor como aislante y más ligero de transportar, los científicos han intentado perforar diminutos agujeros, o "poros", en la mezcla. Es como hornear un pastel: si añades levadura o polvo de hornear, se forman burbujas de gas, haciendo que el pastel sea esponjoso y ligero. En el mundo de la construcción, esto se llama "hormigón aireado". Durante décadas, los ingenieros han sabido que si haces el hormigón demasiado esponjoso (con demasiados agujeros), este se debilita. Es un simple intercambio: más aire significa menos resistencia. Pero, ¿qué pasa si intentas que el hormigón muy fuerte y denso sea esponjoso sin arruinar sus superpoderes? Este es el rompecabezas que los investigadores están abordando. Quieren saber si pueden crear un material que sea tan resistente como una roca y tan ligero como una pluma, o si la naturaleza tiene una regla estricta que dice que no puedes tener ambas cosas. La pregunta clave es: cuando el hormigón se debilita, ¿es solo porque hay más aire, o es porque las burbujas de aire tienen una forma extraña y peligrosa?

Este artículo se sumerge en ese mismo misterio utilizando un tipo especial de hormigón hecho con polvo de aluminio. Cuando el aluminio se mezcla con agua y cemento, actúa como un pequeño cohete químico, disparando burbujas de hidrógeno gaseoso para crear esos agujeros esponjosos. Los investigadores probaron seis recetas diferentes, añadiendo entre un 0% y un 5% de polvo de aluminio para ver qué sucedía. Esperaban que el hormigón se debilitara a medida que añadían más burbujas, pero la realidad fue mucho más extraña y dramática que una simple historia de "más agujeros = más debilidad".

El equipo descubrió que el hormigón no se debilitaba de forma suave y predecible. En su lugar, sufrió tres colapsos de resistencia específicos y extraños que los modelos matemáticos estándar no podían explicar. Primero, añadir solo un poco de aluminio (1%) hizo que la resistencia cayera en picado un 39%, a pesar de que la cantidad de aire solo aumentó un poco. Segundo, la relación de qué tan bien el hormigón podía ser estirado frente a ser aplastado cambió en un patrón de zigzag, alcanzando un pico en una dosis específica antes de desplomarse. Tercero, al 4% de aluminio, la cantidad de aire en realidad disminuyó ligeramente, pero la resistencia sufrió un golpe masoso.

Para resolver esto, los investigadores no se limitaron a mirar el panorama general; utilizaron un programa de computadora súper inteligente (llamado U-Net) para analizar miles de fotos de alta definición del interior del hormigón, como un detective microscópico. Descubrieron que la resistencia no estaba cayendo porque las burbujas se estuvieran haciendo más grandes. De hecho, las burbujas mantenían aproximadamente el mismo tamaño. En cambio, el problema provenía de dos cosas: cantidad y forma.

Al llegar al 1% de aluminio, el hormigón no solo obtuvo unas pocas burbujas más; tuvo una explosión repentina de ellas —7.3 veces más burbujas por pulgada cuadrada que la mezcla de control. Imagina una pared que era sólida y de repente se llena de miles de pequeñas piedras dentadas en lugar de canicas lisas. Estas nuevas burbujas también eran más "dentadas" o irregulares en su forma. En términos de ingeniería, las formas dentadas actúan como concentradores de tensión diminutos, creando puntos débiles donde las grietas pueden iniciarse fácilmente. La pura cantidad de estos puntos débiles dentados abrumó al hormigón, causando esa caída masiva del 39% en la resistencia.

Luego, al 4% de aluminio, la historia cambió de nuevo. Los investigadores descubrieron que las burbujas empezaban a fusionarse, como burbujas de jabón en un baño que explotan y se combinan en un solo bloque gigante e irregular. Esta "coalescencia" creó algunos vacíos gigantes y peligrosos junto con muchos otros pequeños. Aunque el volumen total de aire disminuyó ligeramente, la presencia de estas burbujas gigantes y fusionadas actuó como una grieta gigante en el material, haciendo que la resistencia a la tracción (qué tan bien resiste ser estirado) cayera casi un 28%.

El artículo también reveló que la reacción química no era muy eficiente. Aunque se suponía que el aluminio crearía mucho gas, la mayor parte escapó antes de que el hormigón pudiera endurecerse. La "eficiencia de retención de gas" era muy baja, lo que significa que el hormigón estaba perdiendo su potencial esponjosidad hacia el aire antes de fraguar.

Al final, los investigadores demostraron que no puedes simplemente mirar cuánto aire hay en el hormigón para predecir qué tan fuerte será. Tienes que mirar cuántas burbujas hay y qué forma tienen. Unas pocas burbujas grandes y fusionadas o un súbito enjambre de burbujas diminutas y dentadas pueden destruir la resistencia del hormigón mucho más rápido de lo que sugeriría un simple aumento en el volumen total de aire. Si bien los viejos modelos matemáticos todavía funcionan bien para suposiciones generales, este estudio demuestra que para entender y diseñar verdaderamente estos materiales, necesitas ver los detalles microscópicos. El hormigón "esponjoso" no es solo una esponja; es un paisaje complejo de pequeñas islas dentadas y, a veces, fusionadas que determinan si el edificio se mantiene en pie o se desmorona.

Resumen Técnico: Investigación Experimental y Morfología de Poros Cuantitativa de Concreto Denso Aireado con Aluminio

Planteamiento del Problema
El concreto denso aireado químicamente, producido mediante la adición de polvo de aluminio para generar hidrógeno in situ, exhibe una penalización mecánica que los modelos de porosidad escalar no pueden explicar adecuadamente. Si bien la porosidad aumenta de manera predecible con la dosificación de aluminio, la pérdida resultante en la resistencia a la compresión es a menudo desproporcionada. La investigación previa se ha centrado principalmente en formulaciones ligeras con altas relaciones agua-cemento (a/c), donde las penalizaciones mecánicas escalan de forma predecible con la reducción de densidad. Sin embargo, el comportamiento de matrices densas de alta resistencia (a/c $\leq$ 0.40) bajo curado ambiental no ha sido caracterizado. En tales sistemas densos, el bloqueo reológico rápido genera geometrías de poros irregulares que desafían los métodos de umbralización global (por ejemplo, Otsu) utilizados típicamente en el Análisis de Imagen Digital (AID) de concretos aireados. Además, los marcos de relación resistencia-porosidad existentes están diseñados para describir tendencias suaves y carecen del mecanismo para explicar anomalías macroscópicas específicas, tales como colapsos de resistencia desproporcionados en dosificaciones específicas o relaciones de resistencia no monotónicas.

Metodología
El estudio integró la caracterización mecánica macroscópica con un análisis microestructural resuelto por geometría mediante segmentación de aprendizaje profundo U-Net.

Materiales y Diseño de Mezcla: Se prepararon seis mezclas de concreto utilizando cemento Portland-puzolánico (CEM II/B-L 42.5 N), arena de río natural, granito triturado y un superplastificante de policarboxilato. La relación agua-cemento se fijó en 0.35. El contenido de polvo de aluminio varió del 0% al 5% de la masa de cemento en incrementos de 1%.
Ensayos Mecánicos: Los especímenes (cubos, cilindros y vigas) fueron sometidos a pruebas de resistencia a la compresión, resistencia a la tracción por división y resistencia a la flexión a los 7, 14 y 28 días. La porosidad aparente y la densidad seca se determinaron mediante absorción de agua (ASTM C642). La eficiencia de retención de gas se calculó basándose en la generación estequiométrica de hidrógeno frente a la porosidad medida.
Análisis de Imagen Digital (AID): Se procesaron diez secciones transversales pulidas por mezcla (60 en total) mediante imágenes. A diferencia de la umbralización tradicional, se entrenó una red neuronal convolucional U-Net para segmentar la microestructura multifásica (poros, pasta, agregado). Este enfoque resolvió la ambigüedad de las fases espectrales superpuestas en matrices densas.
Descriptores Cuantitativos: El estudio caracterizó 12,718 poros (ECD > 0.25 mm) utilizando el diámetro equivalente circular (ECD), la circularidad ( $C$ ), la relación de aspecto ($AR$) y la densidad de número de poros ( $\rho$ ). Los factores de concentración de esfuerzos se estimaron mediante la teoría de Inglis (1913). Los modelos estadísticos (Ryshkewitch-Duckworth y de ley de potencia) se ajustaron a los datos de resistencia-porosidad.

Resultos Clave

Anomalías Macroscópicas: A pesar de un aumento modesto en la porosidad aparente (3.24% a 6.18%) y una reducción del 8.2% en la densidad seca, la resistencia a la compresión a los 28 días colapsó un 56% (52.9 MPa a 23.3 MPa). Se observaron tres anomalías específicas:
1. Una caída desproporcionada del 39% en la resistencia con una dosificación de 1% de Al.
2. Una relación de resistencia a la tracción y compresión ( $f_t/f_c$ ) no monotónica, que alcanza su máximo a un 3% de Al.
3. Una disminución de la porosidad al 4% de Al coincidente con una pérdida del 27.4% en la resistencia a la tracción.
Mecanismos Microestructurales (Hallazgos de U-Net):
- Régimen 1 (0–1% Al): El fuerte colapso de la resistencia es impulsado por un aumento de 7.3 veces en la densidad de número de poros combinado con la circularidad más baja de la serie. Esto multiplica los sitios de concentración de esfuerzos de tipo Inglis, desencadenando la fractura a cargas menores de lo que predicen los modelos de porosidad escalar.
- Régimen 2 (1–3% Al): El pico en la relación $f_t/f_c$ al 3% de Al corresponde a un máximo local en la circularidad de los poros entre el 2% y 3% de Al, lo que reduce la intensidad de esfuerzo de modo I en relación con la falla por compresión.
- Régimen 3 (3–5% Al): La anomalía al 4% de Al (descenso de porosidad + colapso de tracción) se confirma como coalescencia de burbujas. Cinco indicadores convergentes lo sustentan: la fracción de área de DIA más alta a pesar de una menor porosidad ASTM, el diámetro máximo de poro más grande (7.83 mm), el ECD medio más bajo junto con el máximo más alto (distribución bimodal), el índice de heterogeneidad más alto y la circularidad más baja con la mayor dispersión.
Retención de Gas: La eficiencia de retención estequiométrica fue baja (0.17%–0.68%) y disminuyó monóticamente con la dosificación, indicando que la retención de gas, más que la generación, limita el desarrollo de la porosidad en esta matriz densa.
Modelado: Los modelos convencionales de resistencia-porosidad (Ryshkewitch-Duckworth y de ley de potencia) se ajustaron bien a los datos ( $R^2$ = 0.953–0.990), pero no lograron explicar las anomalías específicas. Se propuso un modelo unificado $f_c(P, t) = 217.22 \cdot t^{0.0657} \cdot P^{-1.3735}$ como herramienta descriptiva dentro del rango probado.

Contribuciones Clave

Resolución de Anomalías Macroscópicas: El estudio demuestra que la porosidad escalar es insuficiente para explicar la degradación mecánica en el concreto denso aireado con aluminio. En su lugar, se requieren la densidad de número de poros, la distribución de tamaño y los descriptores de forma para explicar la pérdida desproporcionada de resistencia a bajas dosificaciones y las relaciones de resistencia no monotónicas.
Avance Metodológico: La aplicación de la segmentación U-Net al concreto denso aireado químicamente supera las limitaciones de la umbralización global en matrices multifásicas de baja viscosidad, permitiendo la caracterización de geometrías de poros irregulares.
Perspectiva Mecanística: La investigación identifica que el desarrollo de la porosidad está gobernado por la multiplicación de poros en lugar de su agrandamiento, y que la eficiencia de retención de gas es el factor limitante. Específicamente, vincula la anomalía del 4% de Al con la coalescencia de burbujas, un mecanismo previamente no cuantificado en este contexto.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo sostiene que los descriptores resueltos por geometría son necesarios para explicar y guiar el diseño de concreto denso aireado con aluminio. Postula que las dosificaciones por encima del 1% de Al producen penalizaciones mecánicas desproporcionadas que deben sopesarse frente a la modesta reducción de densidad lograda. Los autores enfatizan que su modelo unificado de resistencia-porosidad es estrictamente descriptivo dentro de la familia de mezclas y el rango de edad probados, sin pretender la generalización más allá de este diseño específico. El estudio concluye que las anomalías mecánicas observadas no son una dispersión aleatoria, sino que están vinculadas mecánicamente a cambios específicos en la población de poros (densidad de nucleación, circularidad y coalescencia) que los modelos escalares no pueden resolver.

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