RETRACCIÓN DEL HORMIGÓN: MINIMIZAR/ELIMINAR EL RIESGO DE AGRIETAMIENTO

Por: 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, titulado “Verificación de la causa del agrietamiento de paneles, estudio de caso”, concluyó destacando los dos factores determinantes estándar y primarios 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 señalar que en la Convención de Concreto Tilt-up de Miami del pasado mes de septiembre, una de las presentaciones finales de la convención trató sobre la ampliación del espaciado de las juntas de los pisos de concreto. Ambos temas requieren el conocimiento de la retracción y la restricción del concreto. En este artículo nos enfocamos en la retracción del concreto, ofrecemos una introducción general a los diversos 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 primero una perspectiva más amplia y holística de este concepto. Un artículo de seguimiento en Tilt-up Today, que se publicará más adelante, se centrará en la restricción y en los fundamentos de estos dos temas tan importantes y oportunos. La mayor parte de la siguiente información está tomada directamente de “Tecnología del concreto enfocada: Retracción del concreto”, publicado por BASF Corporation.

Introducción
La necesidad de lograr una trabajabilidad adecuada para facilitar la colocación y la consolidación del hormigón suele llevar a la decisión de utilizar una mayor cantidad de agua de mezcla de la necesaria para el proceso de hidratación (reacción con el cemento Portland). La pérdida de parte del exceso de esta “agua de conveniencia” de la matriz de hormigón a medida que se endurece da lugar a una reducción de volumen conocida como retracción. Si la reducción de volumen se produce antes de que el hormigón se endurezca, se denomina retracción plástica. La reducción de volumen que se produce principalmente debido a la pérdida de humedad una vez que el hormigón se ha endurecido se conoce como retracción por secado.

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

Debido al proceso de hidratación, la temperatura del hormigón fresco en las horas posteriores a la preparación de los lotes suele ser más alta que la temperatura ambiente. La magnitud del aumento de temperatura depende, entre otras cosas, del tipo y la cantidad de cemento utilizado, del uso de puzolanas o cementos de escoria, del tamaño del elemento de hormigón y de 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 Se produce como resultado de las reacciones químicas que tienen lugar durante la hidratación del cemento. Puede ser significativa en el hormigón con una proporción muy baja de agua respecto a los materiales cementosos. Es posible que dicho hormigón se contraiga sin que se produzca una pérdida de agua para el medio ambiente. Afortunadamente, la magnitud de la contracción autógena no es significativa en la mayoría de los hormigones colocados en los que la contracción es motivo de preocupación.

Como su nombre indica, la retracción por carbonatación ocurre cuando el hormigón se carbonata, es decir, cuando el hidróxido de calcio de la matriz endurecida reacciona químicamente con el dióxido de carbono presente en la atmósfera. Esto da lugar a la formación de carbonato de calcio en el agua y, en consecuencia, a una reducción del volumen.

La principal preocupación con respecto a la retracción del concreto es el riesgo de agrietamiento, ya sea en estado plástico o en estado endurecido. En la mayoría de los casos, la probabilidad de que se produzca una retracción plástica o por secado suele ser mayor que la de otros tipos de retracción mencionados anteriormente. Por lo tanto, en las secciones siguientes se presentan más detalles sobre 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.

Retracción plástica
La pérdida de agua del hormigón fresco, que provoca la retracción plástica, puede producirse de dos maneras: por evaporación y por absorción. La forma predominante es a través de la evaporación de una superficie expuesta. La tasa de evaporación del agua suele verse agravada 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 velocidad a la que el agua de exudación se transporta a la superficie del concreto influirá en la probabilidad de que se produzca el fenómeno o tipo de agrietamiento comúnmente conocido como agrietamiento por retracción plástica. Se ha informado de que, si la tasa de evaporación de la superficie supera aproximadamente los 0,1 lb/pie²/h (0,5 kg/m²/h), la pérdida de humedad puede superar la velocidad a la que el agua de exudación llega a la superficie, lo que pone en marcha los mecanismos que provocan la retracción plástica [1].

El concreto también puede perder agua a través de la absorción de la subbase y en algunas aplicaciones de moldeo. Dicha pérdida de agua puede agravar los efectos de la evaporación superficial. Se acepta generalmente que la pérdida de agua de la fracción de pasta del concreto debido a factores externos genera presiones capilares negativas que provocan la contracción del volumen de la pasta, de ahí la retracción.

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

Para utilizar este gráfico:
1. Empiece por la temperatura del aire y continúe con la humedad relativa
2. Desplácese hacia la derecha hasta la temperatura del hormigón
3. Desplácese hacia abajo a la velocidad del viento
4. Desplácese hacia la izquierda; lea la tasa aproximada de evaporación

En la norma ACI 305R [2], se recomienda tomar precauciones contra el agrietamiento por retracción plástica si se prevé que la tasa de evaporación de la superficie de hormigón expuesto alcance los 0,2 lb/pie²/h (1,0 kg/m²/h). La tasa de evaporación para una condición ambiental prevalente se puede estimar utilizando el nomograma que se muestra en la Fig. 1.

Las medidas de precaución para controlar la retracción plástica incluyen ajustes en la mezcla de hormigón y el uso de técnicas de construcción probadas. Puede ser beneficioso reducir la temperatura de la mezcla de hormigón, especialmente en climas cálidos, o aumentar su velocidad de fraguado. La última
Es una de las principales razones por las que se utilizan cada vez más aditivos aceleradores en las regiones áridas del suroeste, donde prevalecen las condiciones propicias para la retracción plástica. También se ha informado de que el uso de fibras microsintéticas resulta 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, así como colocar el concreto en el momento más fresco del día. Sin embargo, el método de control más eficaz, con diferencia, es evitar 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.

Contracción por secado
La pérdida de humedad del hormigón tras su fraguado y, por lo tanto, la retracción por secado, es inevitable salvo que el hormigón se encuentre completamente sumergido en agua o en un entorno con una humedad relativa del 100 %. Así pues, la retracción por secado es un fenómeno que se produce habitualmente y que merece una consideración especial en el diseño y la construcción de estructuras de hormigón.

Los mecanismos reales por los que se produce la retracción por secado son complejos, pero en general 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, en la que existe una diferencia entre la humedad relativa del ambiente y la del concreto, pierde primero el agua libre. En los poros capilares más grandes, esto da lugar a poca o ninguna retracción. En los poros capilares más finos llenos de agua (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 da lugar a una fuerza compresiva que provoca la retracción del concreto. El secado continuo también conduce a la pérdida de agua adsorbida, a un cambio incontrolado en el volumen de la pasta de cemento y a un aumento de las fuerzas de atracción entre los productos de hidratación C-S-H, lo que conduce a la retracción [5]. Se ha informado que el espesor de la capa de agua adsorbida aumenta con el aumento de la humedad [5]. Por lo tanto, es concebible que un alto contenido de agua ocasione una capa más gruesa de agua adsorbida y, por lo tanto, una mayor retracción por secado.

Físicamente, el concreto que experimenta una retracción por secado de aproximadamente el 0,05 % (500 millonésimas o 500 × 10⁻⁶) se contraerá aproximadamente 0,6 pulgadas 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, el diseño y las prácticas de construcción, así como las influencias ambientales.

Efectos de los componentes de la mezcla de hormigón
En la literatura existen datos contradictorios sobre los efectos de los ingredientes de la mezcla de hormigón en su retracción por secado. Sin embargo, no hay duda de que los componentes de una mezcla de hormigón que más influyen en la retracción por secado son el agua y el árido grueso. Ambos tienen un efecto determinante a la hora de reducir el contenido de la pasta.

La Fig. 2 ilustra el efecto del contenido total de agua en la retracción por secado. Los datos [7] muestran que el contenido total de agua de una mezcla de concreto tiene un efecto significativo en su retracción por secado. Por ejemplo, supongamos que una mezcla de concreto tiene un factor de cemento de 708 lb/yarda³ (420 kg/m³) y un contenido de agua de 320 lb/yarda³ (190 kg/m³), lo que da 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 lb/yarda³ (145 kg/m³), lo que se traduce en un w/cm de 0,35. Por lo tanto, para minimizar la retracción por secado del concreto, el contenido total de agua debe mantenerse lo más bajo posible.

Contrariamente a la creencia popular de que la retracción aumenta con el contenido de cemento, los datos [7] de los hormigones con densidades de entre 470 y 750 lb/yarda³ (280 a 445 kg/m³) mostraron que el contenido de cemento tenía poco efecto sobre la retracción del hormigón. 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 pulgadas (75 y 100 mm). A efectos prácticos, también se ha descubierto que el tipo, la composición y la 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 con diversas proporciones).

El efecto del agregado grueso sobre la retracción por secado es doble. En primer lugar, el uso de un mayor 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, la retracción por secado se reduce 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 relación agregado/cemento (a/c) y la
proporción agua/cemento en la retracción por secado [8]. (Datos de muestras de mortero y hormigón de 5 pulgadas (125 mm) expuestas a un ambiente de 70 °F (21 °C) y un 50 % de humedad relativa durante seis meses).

En segundo lugar, la retracción por secado de la pasta de cemento se ve reducida por el agregado grueso debido a su efecto restrictivo. Como es de esperar, el grado de restricción que proporciona el agregado grueso depende del tipo de agregado y su rigidez, la cantidad total de agregado utilizado 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 proporcionarán mayor restricción a la retracción de la pasta de cemento. Por lo tanto, deben utilizarse estos agregados para producir concreto con baja retracción por secado.

Se debe evitar el uso de arenisca y pizarra si se desea una baja retracción por secado. También deben evitarse los agregados con recubrimientos de arcilla. Esto se debe a que, además de su retracción inherente y su efecto sobre la demanda de agua, la arcilla reducirá el efecto restrictivo del agregado sobre la retracción.

Efectos de los aditivos
Los aditivos forman parte integral de las mezclas de concreto que se producen en la actualidad. Su incorporación al concreto suele aumentar el volumen de los poros finos en el producto de hidratación del cemento. Como resultado, los estudios han demostrado un aumento de la retracción por secado cuando se utilizan aditivos como el cloruro de calcio, el cemento de escoria y algunas puzolanas. Con respecto a los aditivos reductores de agua, ACI 212 informa que la información sobre sus efectos es contradictoria [9], pero que la retracción a largo plazo puede ser menor, dependiendo del grado en que se reduzca el contenido de agua del concreto. Se han obtenido reducciones en la retracción por secado en casos en los que se lograron 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 similares con aditivos reductores de agua de rango medio.

En la Tabla 1 se muestra un ejemplo concreto de la reducción de la retracción por secado lograda con un aditivo reductor de agua de alto rango (HRWRA) en mezclas de concreto con un factor nominal de cemento de 600 lb/yarda³ (356 kg/m³) y una dispersión de 9 pulgadas (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 onzas líquidas/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 ningún efecto sobre 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 actúan reduciendo la tensión superficial dentro de los poros del concreto. Esto conduce a una reducción de la tensión capilar y de tracción en las paredes de los poros y, en consecuencia, a una reducción de la retracción por secado. Estos aditivos se han utilizado con éxito en los mercados de la construcción del Lejano Oriente y Norteamérica desde su introducción en 1985 (12).

FIGURA 4. Retraimiento por secado del hormigón con y sin aditivos reductores de retracción.

Además de los aditivos reductores de retracción, un aditivo reductor de grietas, pionero en su clase, ofrece un mejor rendimiento en condiciones de retracción restringida, lo que da como resultado anchos de grietas iniciales (13), además de reducir la retracción por secado del concreto.

Investigaciones recientes (14) indican que los aditivos reductores de retracción pueden utilizarse de manera beneficiosa para reducir la pérdida de agua por evaporación del hormigón fresco, para reducir la retracción autógena y, de este modo, reducir el agrietamiento prematuro debido a la retracción plástica o a la deformación autógena.

Efectos del diseño y las prácticas de construcción
Los parámetros de diseño que más influyen en la retracción por secado son la cantidad de armaduras utilizadas y el tamaño, la forma y la relación superficie/volumen de la superficie del elemento de hormigón.

Las barras de refuerzo reducirán la retracción por secado del hormigón gracias a la restricción que ejerce el acero.

En el mismo entorno, un elemento de hormigón de dimensiones reducidas, debido a su mayor relación superficie/volumen, se contraerá más que uno de mayores dimensiones. Cuanto mayor sea la superficie expuesta, mayor será la pérdida de humedad y, por lo tanto, el potencial de contracción por secado. Por lo tanto, se debe reconocer que la contracción 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 inadecuadas en el manejo del hormigón, como el reacondicionamiento en la obra, aumentarán la retracción por secado debido al incremento del contenido de agua del hormigón. El curado húmedo prolongado retrasará el inicio de la retracción por secado, pero, en general, se ha observado que la duración del curado tiene poco efecto sobre la retracción por secado [3]. Sin embargo, el curado con vapor reducirá la retracción por secado.

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

La magnitud de la contracción por secado también depende del tiempo. Aunque la mayor parte de la contracción por secado se produce en los primeros meses de secado, el proceso continúa durante años. Los datos obtenidos de un estudio exhaustivo que abarcó un período de casi 30 años demostraron que, en promedio, casi el 50 por ciento de la contracción por secado registrada a los 20 años ocurrió durante 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 principal preocupación con respecto a la retracción del hormigón es la posibilidad de que se produzcan grietas. Otros problemas potenciales son la combadura de las losas y la estabilidad dimensional de los elementos de hormigón. La estabilidad dimensional se tiene en cuenta normalmente durante el diseño y, salvo que la retracción real supere con creces el valor de diseño, no debería haber problemas. El agrietamiento debido a la retracción se produce principalmente por la restricción. El concreto no restringido, por ejemplo, un cilindro de 4 x 8 pulgadas (100 x 200 mm), no se agrietará debido a la retracción. Como se mencionó en la introducción, otro artículo tratará los problemas por restricción y el mecanismo de agrietamiento.

Recomendaciones
La retracción del hormigón, en particular la retracción por secado, es inevitable; y debido a la contracción, pueden producirse grietas. Sin embargo, con buenas prácticas de colocación del hormigón y de construcción, es posible minimizar la retracción y las grietas resultantes.

Controle la retracción plástica: evite que la superficie del concreto fresco se seque hasta que se hayan completado las operaciones de acabado y se inicie el curado. El uso de agua helada o fría para reducir la temperatura de la mezcla de concreto y las fibras de polipropileno puede ser beneficioso. Se deben instalar cortavientos temporales en días ventosos, si es posible, para reducir la velocidad del viento. Para reducir las temperaturas de la superficie del concreto, se pueden utilizar 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 contracción por secado: Mantenga el contenido total de agua de la mezcla de concreto lo más bajo posible para la aplicación prevista. Esto se puede lograr utilizando un alto contenido de agregados duros y rígidos que no tengan recubrimientos de arcilla, y empleando aditivos reductores de agua de rango medio o alto. Además, el concreto no debe reacondicionarse en la obra.

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 apertura de las juntas y la tasa de apertura 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 señalado, el hormigón sufre diferentes tipos de retracción desde el momento de su colocación. Estos están relacionados en cierta medida con la edad del hormigón; por ejemplo, la retracción plástica se produce mientras el hormigón aún es plástico, la contracción térmica prematura puede ocurrir en las primeras 24 horas, mientras que la retracción por secado se produce a lo largo de días y semanas. En la construcción de paneles tilt-up, y con respecto al agrietamiento bajo restricción, nos preocupa principalmente la contracción térmica prematura y la retracción por secado (y la retracción autógena, dependiendo de las proporciones de la mezcla), que probablemente desempeñan el papel principal. El desarrollo de una mezcla de concreto de baja retracción puede ayudar a mitigar el agrietamiento de los paneles, además de la extensión de las juntas en las losas sobre el terreno. Como se observó anteriormente, el contenido de agua de una mezcla es la causa principal de la retracción por secado a largo plazo; sin embargo, utilizar una mezcla con bajo contenido de agua para requisitos de muro frente a piso con Planicidad del suelo (FF) o Nivelación del suelo (FL) son dos propuestas muy diferentes. El uso de un aditivo reductor de retracción o de un aditivo reductor de agrietamiento permite reducir la retracción por secado y controlar los anchos de las grietas sin llevar el contenido 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 se puedan cumplir todos los requisitos de rendimiento.