Reducción del concreto: Minimización/eliminación del potencial de agrietamiento

Por: Charles Nmai, Mark Bury, Joseph Daczko

Introducción
El número de otoño de 2017 de Tilt-Up hoy publicó un artículo en el que se describía un patrón recurrente de fisuración en los paneles de pared de hormigón prefabricado. El artículo de Robinson, Hooks y Lawson, titulado “Verificación de la causa de la fisuración de los paneles: un estudio de caso”, concluía destacando los dos factores determinantes principales y estándar de la fisuración no inducida por cargas: a saber, el potencial de contracción de la mezcla de hormigón y el grado de restricción al que está sometido el elemento. También vale la pena señalar que en la Convención de Hormigón Tilt-Up celebrada en Miami el pasado mes de septiembre, una de las presentaciones finales de la convención trató sobre la ampliación del espaciado entre juntas de los pisos de hormigón. Ambos requieren conocer la contracción del hormigón y la restricción. En este artículo nos centramos en la contracción del hormigón, ofrecemos una visión general de los distintos tipos de contracción del hormigón y analizamos los efectos de los ingredientes del hormigón y sus proporciones sobre la contracción. Creemos que lo más sensato es desarrollar primero una perspectiva amplia y holística sobre este concepto. Más adelante, un artículo de seguimiento en Tilt-Up hoy se centrará en la contención y los fundamentos de estos dos temas muy importantes y oportunos. La mayor parte de la información siguiente se toma directamente de “Concrete Technology in Focus – Shrinkage of Concrete” publicado por BASF Corporation.

Resumen
La necesidad de una trabajabilidad 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 cemento Portland). La pérdida de parte de esta “agua de conveniencia” en exceso de una matriz de concreto a medida que fragua da como resultado una reducción de volumen que se conoce como encogimiento. Si la reducción de volumen ocurre antes de que el concreto fragüe, se llama contracción por secado. La reducción de volumen que ocurre principalmente debido a la pérdida de humedad después de que el concreto se ha endurecido se conoce como secado encogimiento.

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

Debido al proceso de hidratación, la temperatura del concreto fresco en las horas posteriores al mezclado es a menudo mayor que la temperatura ambiente. La magnitud del aumento de temperatura depende, entre otras cosas, del tipo y cantidad de cemento utilizado, el uso de puzolanas o cementos de escoria, el tamaño del elemento de concreto y la temperatura ambiente. A medida que el concreto caliente se enfría hasta la temperatura ambiente, se contrae y es esta reducción de volumen la que se conoce como contracción térmica.

Contracción autógena ocurre como resultado de las reacciones químicas que tienen lugar durante la hidratación del cemento. Puede ser significativo en concreto con una relación agua-materiales cementantes muy baja. Es posible que dicho concreto se contraiga sin la pérdida de agua al medio ambiente. Afortunadamente, la magnitud de la contracción autógena no es significativa en la mayoría del concreto colocado donde la contracción es una preocupación.

Como implica el nombre, Encogimiento por carbonatación ocurre cuando el concreto se carbonata, es decir, cuando el hidróxido de calcio en la matriz endurecida reacciona químicamente con el dióxido de carbono presente en la atmósfera. Esto conduce a la formación de carbonato de calcio y agua y, en consecuencia, a una reducción de volumen.

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

Contracción por fraguado
La pérdida de agua del concreto fresco, que conduce a la retracción plástica, puede ocurrir de un par de maneras: evaporación y absorción. El modo predominante es a través de la evaporación de una superficie expuesta. La tasa de evaporación del agua generalmente se agrava por una combinación de alta velocidad del viento, baja humedad relativa y altas temperaturas ambientales y del concreto. Aunque estas condiciones son más probables de presentarse 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 afectará el potencial del fenómeno o forma de agrietamiento comúnmente conocido como agrietamiento por contracción plástica. Se ha informado que, si la tasa de evaporación de la superficie excede aproximadamente 0.1 lb/ft2/h (0.5 kg/m2/h), la pérdida de humedad puede exceder la tasa a la que el agua de sangrado llega a la superficie, poniendo así en movimiento los mecanismos que causan la retracción plástica [1].

El concreto también puede perder agua por absorción hacia la subbase y, en algunas aplicaciones, hacia el encofrado. 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 o contracción.

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

Para usar esta tabla:
1. Empieza con la temperatura del aire, sube a la humedad relativa.
2. Muévase a la derecha hasta la temperatura del concreto.
3. Desplácese hacia abajo hasta la velocidad del viento.
4. Muévete a la izquierda y lee la tasa aproximada de evaporación.

En ACI 305R [2], se recomienda que se tomen precauciones contra el agrietamiento por retracción plástica si se espera que la tasa de evaporación de la superficie de concreto expuesta se acerque a 0.2 lb/ft2/h (1.0 kg/m2/h). La tasa de evaporación bajo una condición ambiental predominante puede estimarse usando el nomograma que se muestra en la Figura 1.

Las medidas de precaución para controlar la retracción plástica incluyen ajustes en la mezcla de concreto y el uso de técnicas de construcción probadas. Reducir la temperatura de una mezcla de concreto, especialmente en climas cálidos, o aumentar su velocidad de fraguado puede ser beneficioso. Esto último es una de las razones principales por las que los aditivos aceleradores se utilizan cada vez más en las regiones áridas del suroeste, donde prevalecen las condiciones para la retracción plástica. También se ha informado que el uso de microfibras sintéticas es beneficioso para controlar el agrietamiento por retracción plástica.

Las prácticas de construcción efectivas para controlar la retracción por secado incluyen el uso de cortavientos temporales para reducir la velocidad del viento y el uso de toldos para reducir las temperaturas de la superficie del concreto, y la colocación del concreto en el momento más fresco del día. Pero el método de control más efectivo es evitar que la superficie del concreto se seque hasta que las operaciones de acabado se hayan completado y se haya iniciado el curado. El uso de un reductor de evaporación, cubiertas húmedas temporales, láminas impermeables o un rociador de niebla puede ser beneficioso en este sentido.

Contracción por secado
La pérdida de humedad del concreto después de que endurece (de ahí la retracción por secado) es inevitable, a menos que el concreto esté completamente sumergido en agua o se encuentre en un ambiente con 100 por ciento de humedad relativa. Por lo tanto, la retracción por secado es un fenómeno que ocurre de forma rutinaria y merece una cuidadosa consideración en el diseño y la construcción de estructuras de concreto.

Los mecanismos reales por los que se produce la contracción por secado son complejos, pero en general se acepta que implican la pérdida de agua adsorbida de la pasta de cemento hidratada [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—, primero pierde el agua libre. En los poros capilares más grandes, esto da lugar a una contracción mínima o nula. 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 se forma el menisco en los poros capilares. Esta presión da lugar a una fuerza de compresión que conduce a la contracción del hormigón. El secado continuado también conduce a la pérdida de agua adsorbida, a un cambio en el volumen de la pasta de cemento sin restricciones y a un aumento de las fuerzas de atracción entre los productos de hidratación C-S-H, lo que conduce a la contracción [5]. Se ha informado que el espesor de la capa de agua adsorbida aumenta al aumentar la humedad [5]. Por lo tanto, es concebible que un mayor contenido de agua dé lugar a una capa más gruesa de agua adsorbida y, por lo tanto, a una mayor contracción por secado.

Físicamente, el concreto que experimenta una contracción por secado de alrededor del 0.05 por ciento (500 millonésimas o 500 x 10-6) se contraerá aproximadamente 0.6 pulgadas por cada 100 pies (50 mm por cada 100 m). En términos más visuales, eso es aproximadamente 2 pulgadas en la longitud de un campo de fútbol. Hay varios factores que afectan la contracción por secado. Estos incluyen las características de los ingredientes de la mezcla de concreto y sus proporciones, las prácticas de diseño y construcción, y las influencias ambientales.

Efectos de los Ingredientes de la Mezcla de Concreto
Existe información contradictoria en la literatura sobre los efectos de los ingredientes de la mezcla de concreto en su retracción de secado. Sin embargo, sin lugar a dudas, los componentes de una mezcla de concreto que más influyen en la retracción de secado son el agua y el agregado grueso. Ambos tienen un profundo efecto en la minimización del contenido de pasta.

La Figura 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, suponga que una mezcla de concreto tiene un factor de cemento de 708 lb/yd³ (420 kg/m³) y un contenido de agua de aproximadamente 320 lb/yd³ (190 kg/m³) para una relación agua-material cementicio (a/mc) de 0.45. La figura muestra que, en promedio, este concreto tendrá una retracción por secado de aproximadamente 0.06 por ciento y que este valor de retracción puede reducirse en un 50 por ciento al reducir el contenido de agua a 244 lb/yd³ (145 kg/m³), lo que se traduce en una relación a/mc de 0.35. Por lo tanto, para minimizar la retracción por secado del concreto, el contenido total de agua debe mantenerse tan bajo como sea factible.

Contrario a la creencia popular de que la retracción aumenta con el contenido de cemento, los datos [7] para concretos con contenidos de cemento que van de 470 a 750 lb/yd³ (280 a 445 kg/m³) mostraron que el contenido de cemento tuvo poco efecto en la retracción del concreto. Los contenidos totales de agua para estas mezclas oscilaron entre 338 y 355 lb/yd³ (200 a 210 kg/m³) y los asentamientos estuvieron entre 3 y 4 pulgadas (75 y 100 mm). Para fines prácticos, también se ha descubierto que el tipo, la composición y la finura del cemento tienen un efecto relativamente pequeño en la retracción por secado.

FIGURA 2. Efecto del contenido total de agua en la contracción por secado [7].
(Área sombreada representa 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 alto contenido de agregado grueso minimizará los contenidos totales de agua y pasta de la mezcla de concreto y, por lo tanto, minimizará la retracción por secado. Los efectos de la relación agregado-cemento y la relación agua-cemento en la retracción por secado se ilustran en la Figura 3. La figura muestra claramente que, a una relación agua-cemento dada, la retracción por secado se reduce a medida que aumenta la relación agregado-cemento. Por ejemplo, a una relación agua-cemento de 0.40, se obtuvo una reducción del 50 por ciento en la retracción por secado cuando la relación agregado-cemento aumentó de 3 a 5 (y también de 5 a 7).

FIGURA 3. Efecto de la relación agregados-cemento y de la relación agua-cemento en la retracción por secado [8]. (Datos de especímenes cuadrados de mortero y concreto de 5 pulgadas [125 mm] expuestos a un ambiente de 70 °F [21 °C] y 50 por ciento de humedad relativa durante seis meses).

Segundo, la contracción por secado de la pasta de cemento se reduce con el agregado grueso debido a su influencia restrictiva. Como era de esperar, la cantidad de restricción proporcionada por 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 caliza y el cuarzo, son difíciles de comprimir y proporcionarán mayor restricción a la contracción de la pasta de cemento. Por lo tanto, estos agregados deben utilizarse para producir concreto con baja contracción por secado.

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

Efectos de los aditivos
Los aditivos forman una parte integral de las mezclas de concreto producidas en la actualidad. Su adición al concreto típicamente aumenta el volumen de poros finos en el producto de hidratación del cemento. Como resultado, los estudios han demostrado un aumento en la retracción por secado cuando se utilizan aditivos como cloruro de calcio, 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 puede haber una menor retracción a largo plazo, dependiendo del grado en que se reduzca el contenido de agua del concreto. Se han obtenido reducciones en la retracción por secado en casos donde 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.

Un ejemplo específico de menor retracción por secado con un aditivo superplastificante (HRWRA, por sus siglas en inglés) se muestra en la Tabla 1 para mezclas de concreto con un factor de cemento nominal de 600 lb/yd³ (356 kg/m³) y un asentamiento de 9 pulgadas (225 mm). Los datos muestran que a los 84 días se obtuvo una disminución de la retracción por secado de aproximadamente el 30 por ciento con una dosis de 18 fl. oz./cwt (1170 mL/100 kg) de HRWRA. La reducción de agua a esta dosis fue de aproximadamente el 30 por ciento. Por lo tanto, los aditivos superplastificantes de rango medio y alto pueden ser beneficiosos si se utilizan para obtener reducciones significativas en el contenido total de agua. Se ha demostrado que los aditivos inclusores de aire tienen poco 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 funcionan reduciendo la tensión superficial del agua dentro de los poros del concreto. Esto conduce a una reducción en la tensión capilar y el tirón sobre las paredes de los poros y, en consecuencia, a una reducción en la retracción por secado. Estos aditivos se han utilizado con éxito en los mercados de construcción del Lejano Oriente y América del Norte desde su introducción en 1985 [12].

FIGURA 4. Contracción por secado de hormigón con y sin aditivo reductor de retracción.

Además de los aditivos reductores de la retracción, un aditivo reductor de fisuras, el primero de su tipo, proporciona un mejor rendimiento bajo retracción restringida, lo que resulta en fisuras iniciales de menor ancho [13], además de reducir la retracción por secado del concreto.

Investigaciones recientes indican que los aditivos reductores de la contracción pueden usarse de manera beneficiosa para reducir la pérdida de agua por evaporación del concreto fresco, para reducir la contracción autógena y, por lo tanto, para reducir el agrietamiento a temprana edad, ya sea debido a la retracción plástica o a la deformación autógena [14].

Efectos de las prácticas de diseño y construcción
Los parámetros de diseño que más influyen en el retraimiento por secado son la cantidad de refuerzo proporcionado y el tamaño, la forma y la relación superficie-volumen del elemento de hormigón.

El refuerzo de acero reducirá la retracción por secado del concreto debido a la restricción que proporciona el acero.

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

Las prácticas inadecuadas de concreto, como el reamalgamiento en el sitio de construcción, aumentarán la retracción por secado debido al incremento en el contenido de agua del concreto. El curado húmedo prolongado retrasará la aparición de la retracción por secado, pero en general se informa 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 tiempo
Como se mencionó anteriormente, la pérdida de humedad del concreto endurecido que conduce a la retracción por secado es inevitable, a menos que el concreto se encuentre en un ambiente con 100 por ciento de humedad relativa. Este escenario, por supuesto, rara vez se da, a menos que el concreto esté completamente sumergido en agua. La magnitud de la retracción por secado se ve muy 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 influenciada por la tasa de secado. La tasa de secado, a su vez, no se ve afectada por el viento o la convección forzada, excepto durante las primeras etapas de exposición. Esto se debe a la muy baja conductividad de humedad del concreto, que permite solo una tasa de evaporación muy pequeña.

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 de un estudio exhaustivo que abarcó un período de casi 30 años mostraron que, en promedio, casi el 50 por ciento de la retracción por secado obtenida a los 20 años ocurrió dentro de los primeros dos meses de secado, y casi el 80 por ciento dentro del primer año [15].

Efectos de la contracción
Como se mencionó anteriormente, la principal preocupación con respecto a la retracción del concreto es el potencial de agrietamiento. Otros problemas potenciales son el alabeo de las losas y la estabilidad dimensional de los elementos de concreto. La estabilidad dimensional generalmente se tiene en cuenta durante el diseño, y a menos que la retracción real exceda el valor de diseño, no debería haber problemas. El agrietamiento debido a la retracción ocurre principalmente debido a la restricción. El concreto que no está restringido, por ejemplo, un cilindro de 4 por 8 pulgadas (100 por 200 mm), no se agrietará debido a la retracción. Como se indica en la introducción, otro artículo discutirá los problemas de restricción y el mecanismo de agrietamiento.

Recomendaciones
La retracción del concreto, en particular la retracción por secado, es inevitable; y debido a la restricción, pueden ocurrir fisuras. Sin embargo, con buenas prácticas de concreto y construcción, la retracción y las fisuras subsiguientes se pueden minimizar.

Controlar la retracción del plástico – Evitar que la superficie del concreto fresco se seque hasta que se hayan completado las operaciones de acabado y se haya iniciado el curado. Puede ser beneficioso el uso de hielo o agua fría para reducir la temperatura del concreto mezclado y el uso de fibras de polipropileno. En días de viento se deben erigir cortavientos temporales, 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 de agrietamiento por evaporación, se debe considerar el uso de aditivos acelerantes y reductores de evaporación.

Minimizar la retracción por secado – Mantenga el contenido total de agua de la mezcla de concreto tan bajo como sea factible para la aplicación prevista. Esto se puede lograr mediante el uso de un alto contenido de agregados duros y rígidos que estén libres de recubrimientos de arcilla, y mediante el uso de aditivos reductores de agua de rango medio o alto. Además, el concreto no debe ser rebatido en la obra.

Considerar aditivos – Un aditivo reductor de retracción o un aditivo reductor de fisuración reducirá la retracción por secado y la tasa de retracción por secado del concreto. Además, su uso mejorará la resistencia a la fisuración, reducirá las alturas de alabeo y la tasa de alabeo, y reducirá la abertura de juntas y la tasa de abertura de juntas. Como se mencionó anteriormente, los aditivos reductores de fisuración también proporcionan un mejor rendimiento bajo retracción restringida.

Conclusión
Como ya se ha comentado, el hormigón sufre diferentes tipos de contracción desde el momento de su colocación. Estos están vagamente relacionados con la edad del hormigón; por ejemplo, la contracción plástica se produce mientras el hormigón aún es plástico, la contracción térmica en la fase inicial puede ocurrir en las primeras 24 horas, mientras que la contracción por secado se produce a lo largo de días y semanas. En la construcción con paneles tilt-up, y en lo que respecta al agrietamiento bajo restricción, nos preocupan principalmente la contracción térmica en la etapa inicial y la contracción por secado (y la contracción autógena, dependiendo de las proporciones de la mezcla), que probablemente desempeñen el papel más importante. El desarrollo de una mezcla de concreto de baja contracción puede ayudar a mitigar el agrietamiento de los paneles, además de alargar las juntas en losas sobre el suelo. Como se señaló anteriormente, el contenido de agua de una mezcla es el principal factor de la contracción por secado a largo plazo. Sin embargo, el uso de una mezcla con bajo contenido de agua para una pared frente a un piso con requisitos de planitud (FF) o nivelación (FL) son dos propuestas muy diferentes. El uso de un aditivo reductor de la contracción o de un aditivo reductor de grietas permite reducir la contracción por secado y controlar el ancho de las grietas sin reducir el contenido de agua a niveles tan bajos que el concreto se vuelva excesivamente pegajoso. El desarrollo exitoso de mezclas de concreto de baja contracción requiere una buena comunicación entre el ingeniero, el contratista y el productor de concreto para que se puedan cumplir todos los requisitos de desempeño.

Referencias

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   53, no. 8, feb. 1957, págs. 797-802.
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