By: Charles Nmai, Mark Bury, Joseph Daczko

Introducción
En el número de otoño de 2017 de Tilt-up Today publicamos un artículo que describía un patrón recurrente de agrietamiento en los paneles de muros de tilt-up. El artículo escrito por Robinson, Hooks y Lawson llamado “Verificación de la causa del agrietamiento de paneles, estudio de caso” concluyó resaltando los dos factores determinantes estándar y primario del agrietamiento no inducido por carga, es decir, el potencial de retracción de la mezcla de concreto y el grado de restricción que el elemento está experimentando. También vale la pena observar que en la Convención de Concreto Tilt-up de Miami de este pasado septiembre, una de las presentaciones finales de la convención trató de la extensión del espaciamiento de juntas de los pisos de concreto. Ambos requieren el conocimiento de la retracción y restricción del concreto. En este artículo ofrecemos un enfoque en la retracción del concreto, ofrecemos una introducción general de los varios tipos de retracción del concreto y hablaremos sobre los efectos de los ingredientes del concreto y sus proporciones en la retracción. Creemos que tiene más sentido desarrollar una perspectiva más amplia y holística de este concepto primero que nada. Un artículo de seguimiento en Tilt-up Today en una fecha posterior se enfocará en la restricción y los fundamentos de estos dos temas muy importantes y oportunos. La mayoría de la siguiente información está tomada directamente de “Tecnología del concreto enfocada: Retracción del concreto” publicado por BASF Corporation.

Introducción
La necesidad de la manejabilidad adecuada para facilitar la colocación y consolidación del concreto a menudo resulta en la decisión de usar una mayor cantidad de agua de mezcla de la necesaria para el proceso de hidratación (reacción con el cemento Portland). La pérdida de algo del exceso de esta “agua de conveniencia” de una matriz de concreto a medida que se endurece resulta en una reducción de volumen que se conoce como retracción. Si la reducción de volumen ocurre antes de que el concreto se endurezca, se llama retracción plástica. La reducción de volumen que ocurre primariamente debido a la pérdida de humedad después de que el concreto se ha endurecido se conoce como retracción por secado.

Además de la retracción por secado, el concreto endurecido también puede experimentar reducciones de volumen como contracción térmica, retracción autógena y retracción por carbonatación.

Debido al proceso de hidratación, la temperatura del concreto fresco en las horas posteriores a la preparación de lotes es con frecuencia más alta que la temperatura ambiente. La magnitud del aumento de temperatura depende, entre otras cosas, del tipo y cantidad de cemento usado, el uso de puzolanas o cementos de escoria, el tamaño del miembro de concreto y la temperatura ambiente. A medida que el concreto se enfría a la temperatura ambiente, se contrae y es esta reducción de volumen a la que se le llama contracción térmica.

La retracción autógena ocurre como resultado de las reacciones químicas que ocurren durante la hidratación del cemento. Puede ser significativa en concreto con una proporción muy baja de agua a materiales cementosos. Es posible que dicho concreto se retraiga sin pérdida de agua para el medio ambiente. Afortunadamente, la magnitud de la retracción autógena no es significativa en la mayoría del concreto colocado donde la retracción es una inquietud.

Como lo implica su nombre, la retracción por carbonatación ocurre cuando el concreto se vuelve carbonatado, esto es, cuando el hidróxido de calcio de la matriz endurecida reacciona químicamente con el dióxido de carbono presente en la atmósfera. Esto conduce a la formación de carbonato de calcio en el agua y, consecuentemente, una reducción en el volumen.

La inquietud principal con respecto a la retracción del concreto es el potencial de agrietamiento, ya sea en el estado plástico o en el endurecido. En la mayoría de las situaciones, la probabilidad de retracción plástica y por secado es a menudo mayor que la de otros tipos de retracción mencionados anteriormente. Por lo tanto, se presentan más detalles acerca de los mecanismos por los que ocurren estos dos tipos de retracciones y las influencias de los ingredientes de la mezcla de concreto, de las condiciones ambientales, del diseño y de las prácticas de construcción en las secciones siguientes.

Retracción plástica
La pérdida de agua del concreto fresco, que conduce a la retracción plástica, puede ocurrir por un par de maneras, evaporación y absorción. El modo predominante es a través de la evaporación de una superficie expuesta. La tasa de la evaporación de agua usualmente se agrava por una combinación de vientos de alta velocidad, baja humedad relativa y altas temperaturas ambientales y del concreto. Aunque estas condiciones son más probables durante los meses de verano, pueden ocurrir en cualquier momento. La tasa en la que el agua de exudación se transporta a la superficie del concreto impactará el potencial del fenómeno o forma de agrietamiento comúnmente conocida como agrietamiento por retracción plástica. Se ha reportado que si la tasa de evaporación de la superficie excede aproximadamente 0.1 Ib/pie2/h (0.5 kg/m2/h), la pérdida de humedad puede exceder la tasa a la que el agua de exudación llega a la superficie, poniendo en marcha los mecanismos que causan la retracción plástica [1].

El concreto también puede perder agua a través de la absorción de la subbase y en algunas aplicaciones de moldaje. Dicha pérdida de agua puede agravar los efectos de la evaporación de la superficie. Es generalmente aceptado que la pérdida de agua de la fracción de pasta del concreto debido a factores externos genera presiones capilares negativas que causan que el volumen de la pasta se contraiga, de ahí la retracción.

FIGURA 1. Efecto de las temperaturas del concreto y del aire, humedad relativa y velocidad del viento en la tasa de evaporación de la humedad de la superficie del concreto [1].

Para usar esta gráfica:
1. Empiece con la temperatura del aire, muévase hacia la humedad relativa
2. Muévase a la derecha hacia la temperatura del concreto
3. Muévase hacia abajo a la velocidad del viento
4. Muévase hacia la izquierda; lea la tasa aproximada de evaporación

En ACI 305R [2], se recomienda que se tomen precauciones contra el agrietamiento por retracción plástica si la tasa de evaporación de la superficie de concreto expuesto se espera que alcance 0.2 Ib/pie2/h (1.0 kg/m2/h). La tasa de evaporación para una condición ambiental prevalente se puede estimar usando el nomograma mostrado en la Fig. 1.

Las medidas de precaución para controlar la retracción plástica incluyen ajustes a la mezcla de concreto y el uso de técnicas de construcción comprobadas. Puede ser benéfico reducir la temperatura de una mezcla de concreto, particularmente en clima caluroso, o aumentar su tasa de fraguado. La última
es una de las razones principales por las que se usan cada vez más aditivos de aceleración en las regiones áridas del suroeste, donde las condiciones para la retracción plástica son prevalentes. También se ha reportado que el uso de fibras micro-sintéticas es beneficioso para controlar el agrietamiento por retracción plástica.

Las prácticas de construcción eficaces para controlar la retracción plástica incluyen el uso temporal de cortavientos y sombrillas para reducir la velocidad del viento y las temperaturas de la superficie del concreto, respectivamente, y poner el concreto a la hora más fresca del día. Pero por mucho, el método de control más eficaz es prevenir que la superficie del concreto se seque hasta que se hayan completado las operaciones de acabado y se haya iniciado el curado. El uso de un reductor de evaporación, cubiertas húmedas temporales, cubiertas impermeables o un rociado con niebla pueden ser beneficiosos en este sentido.

Retracción por secado
La pérdida de humedad del concreto después de endurecerse, y por lo tanto, la retracción por secado, es inevitable salvo que el concreto esté completamente sumergido en agua o en un medio ambiente con 100 por ciento de humedad relativa. Así, la retracción por secado es un fenómeno que rutinariamente ocurre y amerita una consideración cuidadosa en el diseño y construcción de estructuras de concreto.

Los mecanismos reales por los que ocurre la retracción por secado son complejos, pero generalmente se acepta que implican la pérdida de agua adsorbida de la pasta de cemento hidratado [3-5]. Cuando el concreto se expone inicialmente a una condición de secado, una en la que hay una diferencia entre la humedad relativa del medio ambiente y la del concreto, pierde primero agua libre. En los poros capilares más grandes esto resulta en poca o nada de retracción. En los poros capilares llenos de agua más finos (de 2.5 a 50 nm de tamaño) debido a la pérdida de humedad, se forman meniscos curvos, y la tensión superficial del agua tira de las paredes de los poros. Así, se desarrolla una presión negativa interna cuando los meniscos se forman en los poros capilares. Esta presión resulta en una fuerza compresiva que ocasiona la retracción del concreto. El secado continuo también conduce a la pérdida de agua adsorbida, un cambio en el volumen incontrolado de la pasta de cemento y un aumento en las fuerzas de atracción entre los productos de hidratación C-S-H que conducen a la retracción [5]. Se ha reportado que el grosor de la capa de agua adsorbida aumenta con el aumento de humedad [5]. Por lo tanto, es concebible que un alto contenido de agua ocasione una capa más gruesa de agua adsorbida, y de ahí, más retracción por secado.

Físicamente, el concreto que experimenta una retracción por secado de aproximadamente el 0.05 por ciento (500 millonésimos o 500 x 10-6) se retraerá aproximadamente 0.6 pulg por cada 100 pies (50 mm por cada 100 m). En términos más gráficos, eso es aproximadamente dos pulgadas por la longitud de un campo de fútbol americano. Hay varios factores que afectan la retracción por secado. Estos incluyen las características de los ingredientes de la mezcla del concreto y sus proporciones, diseño y prácticas de construcción y las influencias ambientales.

Efectos de los ingredientes de la mezcla de concreto
Existen datos conflictivos en la literatura sobre los efectos de los ingredientes de la mezcla de concreto sobre su retracción por secado. Sin embargo, indudablemente los componentes de una mezcla de concreto que influyen más en la retracción por secado son el agua y el agregado grueso. Ambos tienen un profundo efecto para minimizar el contenido de la pasta.

La Fig. 2 ilustra el efecto del contenido de agua total en la retracción por secado. Los datos [7] muestran que el contenido de agua total de una mezcla de concreto tiene un efecto significativo en su retracción por secado. Por ejemplo, asuma que una mezcla de concreto tiene un factor de cemento de 708 Ib/yarda3 (420 kg/m3) y un contenido de agua de 320 Ib/yarda3 (190 kg/m3) para una proporción de agua/material cementoso (w/cm) de 0.45. La figura muestra que, en promedio, este concreto tendrá una retracción por secado de aproximadamente el 0.06 por ciento y que este valor de retracción se puede reducir al 50 por ciento reduciendo el contenido de agua a 244 Ib/yarda3 (145 kg/m3), que se traduce a w/cm de 0.35. Por lo tanto, para minimizar la retracción por secado del concreto el contenido de agua total debe mantenerse lo más bajo posible.

Contrario a las creencias comunes de que la retracción aumenta con el contenido de cemento, los datos [7] de los concretos que van de 470 a 750 lb/yardas3 (280 a 445 kg/m3) mostraron que el contenido de cemento tenía poco efecto en la retracción del concreto. Los contenidos totales de agua para estas mezclas van de 338 a 355 lb/yarda3 (200 a 210 kg/m3) y las depresiones tenían entre 3 y 4 pulg (75 y 100 mm). Con fines prácticos, también se ha descubierto que el tipo, composición e idoneidad del cemento tienen relativamente pocos efectos en la retracción por secado.
FIGURA 2. Efecto del contenido total de agua en la retracción por secado [7]. (El área sombreada representa los datos de un gran número de mezclas de varias proporciones).

El efecto del agregado grueso en la retracción por secado es doble. Primero, el uso de un contenido de agregado grueso minimizará los contenidos totales de agua y pasta de la mezcla de concreto y, por lo tanto, la retracción por secado. Los efectos de la proporción de agregado/cemento y la proporción de agua/cemento se ilustran en la Fig. 3. La figura muestra claramente que, en una proporción determinada de agua/cemento, se reduce la retracción por secado a medida que aumenta la proporción de agregado/cemento. Por ejemplo, en una proporción de agua/cemento de 0.40 a se obtuvo una reducción en la retracción por secado del 50 por ciento cuando la proporción de agregado/cemento aumentó de 3 a 5 (y también de 5 a 7).

FIGURA 3. Efecto de la proporción de agregado/cemento (a/c) y la
proporción de agua/cemento en la retracción por secado [8]. (Datos de muestras de mortero y concreto de 5 pulg (125 mm) expuestos a un ambiente de 70°F (21°C), y 50 por ciento de humedad relativa durante seis meses).

Segundo, la retracción por secado de la pasta de cemento se reduce por el agregado grueso debido a su influencia de restricción. Como se esperaría, la cantidad de restricción proporcionada por el agregado grueso depende del tipo de agregado y su rigidez, la cantidad total del agregado usado y el tamaño máximo. Los agregados duros y rígidos, como la dolomita, el feldespato, el granito, la piedra caliza o el cuarzo, son difíciles de comprimir y proveerán más restricción a la retracción de la pasta de cemento. Por lo tanto, deben usarse estos agregados para producir concreto con una baja retracción por secado.

El uso de arenisca y pizarra debe evitarse si se desea una baja retracción por secado. Los agregados con recubrimientos de arcilla también deben evitarse. Esto es porque además de su inherente retracción y efecto en la demanda de agua, la arcilla reducirá el efecto de restricción del agregado en la retracción.

Efectos de los aditivos
Los aditivos forman una parte integral de las mezclas de concreto producidas en la actualidad. Su adición al concreto aumenta típicamente el volumen de los poros finos en el producto de hidratación del cemento. Como resultado, los estudios han demostrado un aumento en la retracción por secado cuando se usan aditivos como cloruro de calcio, cemento de escoria y algunas puzolanas. Con respecto a los aditivos reductores de agua, ACI 212 reporta que la información sobre sus efectos es conflictiva [9], pero que la retracción a largo plazo puede ser menos, dependiendo del grado en el que se reduce el contenido de agua del concreto. Se han obtenido reducciones en la retracción por secado en instancias donde se realizaron reducciones significativas en el contenido total de agua mediante el uso de aditivos reductores de agua de alto rango [10, 11]. Se pueden obtener resultados semejantes con aditivos reductores de agua de rango medio.

Un ejemplo específico de la retracción por secado reducida con un aditivo reductor de agua de alto rango (HRWRA) se muestra en la Tabla 1 para mezclas de concreto con un factor nominal de cemento de 600 Ib/yarda3 (356 kg/m3) y dispersiones de 9 pulg (225 mm). Los datos muestran que a los 84 días se obtuvo una disminución en la retracción por secado de aproximadamente el 30 por ciento con una dosis de HRWRA de 18 fl oz/cwt (1170 ml/100 kg). La reducción de agua en esta dosis fue de aproximadamente el 30 por ciento. Por lo tanto, los aditivos reductores de agua de alto rango y rango medio pueden ser beneficiosos si se usan para obtener reducciones significativas en el contenido total de agua.

Se ha demostrado que los aditivos de aire incorporado tienen pocos o nada de efectos en la retracción por secado.

La magnitud de la retracción por secado se puede reducir significativamente mediante el uso de un aditivo reductor de retracción. Los aditivos reductores de retracción funcionan reduciendo la tensión superficial dentro de los poros del concreto. Esto conduce a una reducción en la tensión capilar y tracción en las paredes de los poros y, consecuentemente, una reducción en la retracción por secado. Estos aditivos se han usado exitosamente en los mercados de construcción del Lejano Oriente y Norteamérica desde su introducción en 1985 (12).

FIGURA 4. Retracción por secado del concreto con y sin aditivos reductores de retracción.

Además de los aditivos reductores de retracción, un aditivo reductor de grietas, primero en su clase, ofrece un mejor desempeño bajo la retracción restringida resultando en anchos de grietas iniciales (13), además de reducir la retracción por secado del concreto.

Investigaciones recientes (14) indican que los aditivos reductores de retracción se pueden usar de manera benéfica para reducir la pérdida de agua por evaporación del concreto fresco, para reducir la retracción autógena, y así reducir el agrietamiento prematuro debido a la retracción plástica o deformación autógena.

Efectos del diseño y prácticas de construcción
Los parámetros de diseño que influyen más en la retracción por secado son la cantidad de refuerzos proporcionados y el tamaño, figura y proporción de área/volumen de la superficie del miembro de concreto.

Los refuerzos de acero reducirán la retracción por secado del concreto por la restricción proporcionada por el acero.

En el mismo ambiente, un miembro de concreto pequeño, debido a su proporción más alta de área/volumen de la superficie, retraerá más que a un miembro más grande. Mientras mayor sea el área de la superficie expuesta, mayor será la pérdida de humedad, y por lo tanto, el potencial de retracción por secado. Por lo tanto, se debe reconocer que la retracción por secado que se experimentará en las estructuras de concreto reales será solo una fracción de la obtenida en el laboratorio con el método de prueba de ASTM C 157/C 157M.

Las prácticas inapropiadas del concreto como el reacondicionado en el sitio de trabajo aumentarán la retracción por secado por el aumento en el contenido de agua del concreto. El curado húmedo prolongado retrasará el inicio de la retracción por secado, pero en general, se reporta que la duración del curado tiene poco efecto en la retracción por secado [3]. Sin embargo, el curado con vapor reducirá la retracción por secado.

Efectos de los factores ambientales y el tiempo
Como se mencionó anteriormente, la pérdida de humedad del concreto endurecido, y por lo tanto, la retracción por secado, es inevitable salvo que el concreto esté en un ambiente con un 100 por ciento de humedad relativa. Esta situación es, por supuesto, raras veces el caso, salvo que el concreto esté completamente sumergido en agua. La magnitud de la retracción por secado es afectada enormemente por la humedad relativa del ambiente circundante. Mientras menor sea la humedad relativa, mayor será la magnitud de la retracción por secado. Sin embargo, la magnitud de la retracción por secado no es influenciada por la tasa de secado. La tasa de secado a su vez, no es afectada por el viento o la convección forzada, salvo durante las primeras etapas de la exposición. Esto es por la muy baja conductividad de humedad del concreto que permite solo una tasa muy pequeña de evaporación.

La magnitud de la retracción por secado también depende del tiempo. Aunque la mayor parte de la retracción por secado ocurre en los primeros meses de secado, el proceso continúa durante años. Los datos obtenidos de un estudio exhaustivo que abarcó un periodo de casi 30 años demostraron que, en promedio, casi el 50 por ciento de la retracción por secado obtenida a los 20 años ocurrió los primeros 2 meses de secado, y casi el 80 por ciento durante el primer año [15].

Efectos de la retracción
Como se mencionó anteriormente, la inquietud principal con respecto a la retracción del concreto es el potencial de agrietamiento. Otros problemas potenciales son la combadura de losas y la estabilidad dimensional de los miembros de concreto. La estabilidad dimensional se toma en cuenta típicamente durante el diseño, y salvo que la retracción real exceda por mucho el valor del diseño, no debería haber problemas. El agrietamiento debido a la retracción ocurre principalmente por la restricción. El concreto no restringido, por ejemplo un cilindro de 4 x 8 pulg (100 x 200 mm), no se agrietará debido a la retracción. Como se mencionó en la introducción, otro artículo tratará de los problemas por restricción y el mecanismo de agrietamiento.

Recomendaciones
La retracción del concreto, en particular, la retracción por secado, es inevitable; y debido a la restricción, puede ocurrir el agrietamiento. Sin embargo, con buenas prácticas de colocación de concreto y construcción, la retracción y agrietamiento subsecuentes se pueden minimizar.

Controle la retracción plástica: evite que la superficie del concreto fresco se seque hasta que se hayan completado las operaciones de acabados y se inicie el curado. El uso de agua helada o fría para reducir la temperatura del lote de concreto y las fibras de polipropileno puede ser beneficioso. Se deben erigir cortavientos temporales en días con viento, si es posible, para reducir la velocidad del viento. Para reducir las temperaturas de la superficie del concreto, se pueden usar sombrillas temporales. En regiones áridas, donde prevalecen las condiciones para la retracción plástica, se debe considerar el uso de aditivos aceleradores y reductores de evaporación.

Minimice la retracción por secado: mantenga el contenido de agua total de la mezcla de concreto lo más bajo posible para la aplicación prevista. Esto se puede lograr usando un alto contenido de agregados duros y rígidos que estén libres de recubrimientos de arcilla, y usando aditivos reductores de agua de rango medio o alto. Además, el concreto no se debe reacondicionar en el sitio de trabajo.

Considere el uso de aditivos: un aditivo reductor de retracción o un aditivo reductor de agrietamiento, reducirá la retracción por secado y la tasa de retracción por secado del concreto. Además, su uso mejorará la resistencia al agrietamiento, reducirá las alturas de combadura y la tasa de combadura y reducirá la abertura de las juntas y la tasa de abertura de las juntas. Como se mencionó anteriormente, los aditivos reductores de grietas también ofrecen un mejor desempeño bajo la retracción restringida.

Conclusión
Como se ha tratado, el concreto sufre diferentes tipos de retracción desde el tiempo de la colocación. Estos se relacionan ligeramente con la edad del concreto, por ejemplo, la retracción plástica ocurre mientras el concreto es aún plástico, la contracción térmica prematura puede ocurrir en las primeras 24 horas, mientras que la retracción por secado ocurre en días y semanas. En la construcción de paneles de tilt-up, y con respecto al agrietamiento bajo restricción, nos preocupa primariamente la contracción térmica prematura y la retracción por secado (y la retracción autógena, dependiendo de las proporciones de la mezcla) que probablemente juegan el rol principal. El desarrollo de una mezcla de concreto de baja retracción puede ayudar a aliviar el agrietamiento de paneles además de la extensión de juntas en las losas sobre el terreno. Como se observó anteriormente, el contenido de agua de una mezcla es el causante principal de una retracción por secado a largo plazo, sin embargo, usar una mezcla baja en agua para requisitos de muro vs piso con Planicidad de suelo (FF) o Nivelación de suelo (FL) son dos propuestas muy diferentes. El uso de un aditivo reductor de retracción o el aditivo reductor de agrietamiento permite la reducción de la retracción por secado y el control de los anchos de agrietamiento sin llevar los contenidos de agua a niveles tan bajos que el concreto se vuelva excesivamente pegajoso. Desarrollar con éxito las mezclas de concreto de baja retracción requiere una buena comunicación entre el ingeniero, el contratista y el productor de concreto para que todos los requisitos de rendimiento se puedan lograr.