Otros Ensayos del hormigón fresco.

Además de los anteriores, pueden realizarse otros ensayos con el hormigón fresco, tales como:  determinación de la cantidad de agua de amasado (por secado y diferencia de pesada); control de la eficacia de amasado de una hormigonera (comprobando diversas fracciones granulométricas, por tamizado bajo agua, de muestras tomadas en distintas zonas de la hormigonera); contenido, limitación de tamaño y módulo granulométrico del árido grueso (por tamizado bajo agua); etc.

Contenido de aire ocluido del hormigón fresco.

Este método de ensayo se describe en la norma UNE 83.315, que se corresponde con la ISO 4848. El ensayo consiste, esencialmente, en determinar la deformación elástica que experimenta el hormigón fresco bajo una presión dada y en condiciones definidas, y comparar esta deformación con la de un volumen conocido de aire sometido a la misma presión. Para ello se utiliza un aparato que consta de una cuba con tapa hermética, más unos accesorios que permiten aplicar una presión conocida y observar su efecto en el volumen de muestra introducida.

Determinación de la densidad del hormigón fresco.

El método de ensayo para la determinación de la densidad del hormigón fresco se describe en las normas UNE 83.317 e ISO 6276.

a) Se utiliza un molde rígido y estanco cuya menor dimensión no sea inferior a 10 cm, ni a cuatro veces el tamaño máximo del árido. Tanto su capacidad como su masa se determinarán con un error no mayor de 0,1 %. El molde se rellena y compacta de acuerdo con lo indicado en anteriormente para las probetas enmoldadas.

b) Se determina la masa del hormigón restando, de la masa total, la masa del molde, con un límite máximo de error de 0,2 % del alcance máximo de la balanza. Dividiendo por el volumen del molde se obtiene la densidad, que se expresará en kg/m3.

Ensayo de consistencia del hormigón fresco.

Los métodos para medir la consistencia del hormigón fresco son numerosos y empíricos. Aunque no existe un método universal, el más comúnmente utilizado (y también el más sencillo) es el cono de Abrams, empleándose también la mesa de sacudidas, sobre todo en instalaciones fijas, y el consistómetro Vebe para hormigones muy secos.

A continuación describimos cada uno de estos ensayos:

a) Cono de Abrams 

Este método de ensayo se describe en la norma UNE 83.313, que se corresponde con la ISO 4109.

• Se utiliza un molde sin fondo de forma troncocónica, provisto de dos asas para manipularlo, con las siguientes dimensiones interiores (figuras 5.1 y 6.1):
Diámetro de la base superior: 100 mm ±3 mm
Diámetro de la base inferior: 200 mm ± 3 mm
Altura del tronco de cono: 300 mm ± 3 mm

• Se coloca el molde sobre una superficie plana, rígida y que no absorba agua. Se humedece el interior del molde y la superficie de apoyo. Se introduce el hormigón en tres capas de alturas sensiblemente iguales, picando cada capa con una baría metálica de 16 mm de diámetro y 60 cm de longitud. Se enrasa la superficie. 

Figura 6.1 Cono de Abrams.

• Se desmoldea inmediatamente, levantando el cono despacio y con cuidado en dirección vertical, sin producir sacudidas. Se mide el asiento por referencia a una regla horizontal colocada sobre el COn0 (fig. 5.1), tomando el punto más alto de la cara superior de la masa asentada El asiento se expresa por la medida obtenida, redondeada en centímetros.

• Este ensayo no es aplicable con áridos mayores de 40 mm. Además, si el asiento obtenido es inferior a 1 cm, el ensayo es muy poco significativo.

b)Mesa de sacudidas

Este método de ensayo se describe en la norma ISO 9.812, que se corresponden la ASTM C-124.
Se utiliza un molde sin fondo de forma troncocónica, cuyas bases tienen diámetros de 25 cm y 17 cm, respectivamente, y cuya altura es de 13 cm. En cuanto a la mesa de sacudidas, viene definida en la norma citada.

Una vez limpia la mesa, se coloca el molde sobre ella y se rellena de hormigón, compactándolo con varilla. Luego se saca el molde y se acciona la mesa, imprimiendo 16 sacudidas o golpes en caída libre, desde una altura de 12,5 mm.

La consistencia se expresa en tanto por ciento de aumento del diámetro de la base inferior del tronco de cono.

c) Consistómeiro Vebe (UNE 83.314, ISO 4110)

El consistómetro Vebe, desarrollado en Suecia, proporciona una medida bastante precisa de la consistencia de los hormigones secos, así como de su trabajabilidad.

El aparato (fig. 6.2) está constituido por una mesa vibrante, un cilindro de 240 mm de diámetro fijado a la mesa, un cono de Abrams que se coloca en su interior y un conjunto móvil que comprende un embudo, un vástago graduado y una placa de vidrio fija al extremo del vástago; éste puede deslizar verticalmente y ser bloqueado mediante un tornillo.

Figura 6.2 Consistómetro Vebe.

Se coloca el cono en el cilindro, disponiendo encima el embudo. Se llena el cono de hormigón y se compacta, enrasando la superficie con paleta. Entonces, se gira el embudo para poder levantar el cono, lo que se hace suavemente.

La placa de vidrio se coloca en contacto sobre la masa fresca. Se pone en marcha la mesa vibrante, a la vez que un cronómetro. Entonces, la placa de vidrio va descendiendo lentamente con el hormigón. El cronómetro y la mesa vibrante se paran en el momento en que la superficie del hormigón se ha extendido lo suficiente para establecer un contacto completo con la placa de vidrio, cuyo diámetro es ligeramente inferior al diametro interior del cilindro. 

La consistencia Vebe viene medida por el número de segundos. Si el resultado es inferior a 5 segundos, el ensayo es poco significativo.

Toma de muestras del Hormigón fresco.

A continuación se indica el procedimiento operatorio preconizado por las normas FN 206, UNE 83.300 e ISO 2736:

• Las muestras deberán ser lo más representativas posible del hormigón objeto de control (el volumen de la muestra debe ser, al menos, 1,25 a 1,50 veces el volumen de las probetas).
• Cuando se trate de hormigoneras fijas o camiones hormigoneras, la muestra debe obtenerse pasando el recipiente de recogida a través de toda la corriente de descarga, o haciendo que dicha corriente vaya a parar al recipiente para obtener el volumen necesario. Debe cuidarse que la velocidad de descarga no sea tan pequeña que pueda producirse la segregación del hormigón. 

• Las muestras para los distintos ensayos se tomarán en el intervalo de vertido comprendjd0 entre 1/4 y 3/4 de la descarga. Cuando se trate de comprobar la homogeneidad de Una misma amasada o carga, las muestras se tomarán a 1/4 y 3/4 de la descarga, aproximadamente.
• Cuando se trate de hormigoneras de pavimentación o en cualquier tipo de transporte e donde no sea posible tomar las muestras durante la descarga, la muestra se compondrá tomando al azar, al menos, cinco porciones de la descarga completa del hormigón. Las cinc0 porciones se tomarán distribuidas en el interior masa evitando los bordes de la misma, en donde han podido producirse segregaciones.

La muestra debe estar protegida del sol, viento y lluvia, debiendo evitarse su desecación. Antes de su utilización se vuelve a mezclar sobre una plancha metálica perfectamente limpia y ligeramente humedecidas. El periodo tiempo entre la toma de la muestra y su utilización no debe exceder de quince minutos.

Ensayos del Hormigón Fresco.

-  Toma de muestras del Hormigón fresco.

-  Ensayo de consistencia del hormigón fresco.

-  Determinación de la densidad del hormigón fresco.

-  Contenido de aire ocluido del hormigón fresco.

-  Otros Ensayos del hormigón fresco.

Ensayos del Hormigón y su Clasificación.

Según su naturaleza, los métodos de ensayo normalmente empleados para determinar las resistencias del hormigón pueden clasificaras en destructivos y no destructivos.

a)Los ensayos destructivos son aquéllos que determinan la resistencia mediante la rotura de probetas o piezas de hormigón. Las probetas pueden fabricarse en moldes apropiados o bien
extraerse de una obra ya construida.

b) Los ensayos no destructivos determinan la calidad del hormigón sin destruir la pieza o estructura ensayada.

Según du finalidad los ensayos de resistencia del hormigón pueden clasificarse en los cuatro grupos siguientes:

a) Ensayos previos,  cuyo objeto es determinar la dosificación que ha de adoptarse con los materiales disponibles Y de acuerdo con las condiciones de ejecución previstas. Se efectúan en laboratorio antes de comenzar las obras.

b) Ensayos característicos, que tienen por objeto comprobar, antes de empezar el hormigonado, que la resistencia y dispersión del hormigón en obra se encuentran dentro de los límites admitidos en el proyecto.

c) Ensayos de control, que se efectúan Con Probetas moldeadas en obra, cuyo objeto es comprobar, a lo largo de la misma, que la resistencia del hormigón se mantiene igual o mayor que la exigida.

d) Ensayos de información1 que tienen por objeto conocer la resistencia del hormigón correspondiente a una parte de la obra y a una edad determinada, bien para poder fijar los plazos de desencofrado, bien para determinar la acción de las heladas durante el hormigonado, o para cualquier otra información acerca de la evolución de resistencias que experimenta el hormigón de ¡a estructura.

A continuación estudiaremos los principales ensayos del hormigón, en estado fresco (apartado 6.2) o en estado endurecido para determinar sus resistencias mecánicas. Otros ensayos de interés sobre el hormigón endurecido que no expondremos aquí son la determinación de la densidad, de la permeabilidad y del módulo de elasticidad, cuya descripción puede consultarse en las normas UNE correspondientes (83.312, 83.310 y 83.316 respectivamente).

Generalidades de los Métodos de Ensayo del Hormigón.

Estudiaremos en este capítulo los métodos de ensayo más comunes que se realizan con el hormigón. De ellos, unos se refieren al hormigón fresco y tienen como finalidad conocer las características del mismo; y otros se refieren al hormigón endurecido, siendo su objeto determinar sus cualidades y, fundamentalmente, su resistencia.

No es fácil definir las resistencias de un hormigón, ya que su comportamiento, frente a los distintos esfuerzos a que ha de estar sometido, es variable y complejo. Las medidas de las resistencias preconizadas por la Resistencia de Materiales pueden servir de base y punto de referencia, pero no son más que valores convencionales que dependen de multitud de factores: unos de ellos, ligados con el material en sí (granulometría y calidad de cemento y áridos, dosificación, confección); otros, dependientes de los métodos de ensayo (forma y dimensiones de las probetas, conservación de las mismas, edad, tipo de solicitación, velocidad de carga).

Por esta causa, el comportamiento resistente del hormigón, en las distintas piezas de una estructura, será distinto del correspondiente a la probeta que sirvió de base para determinar su resistencia. Por otra parte, existe una dispersión de los resultados de las distintas probetas de un mismo ensayo.

Los métodos de ensayo utilizados hoy día para la determinación de las distintas características del hormigón varían poco de unas normas a otras, gracias a los trabajos del Comité Europeo de Normalización (CEN), encargado por la Comisión de la Unión Europea de la redacción de una normativa común (Normas EN) sobre productos de construcción.

En relación con el hormigón, el CEN ha redactado la Norma EN 206 que abarca la composición, clasificación, propiedades y durabilidad de los hormigones, así como el control y conformidad de sus cualidades, admitiendo para los distintos métodos de ensayo las Normas Internacionales ISO. Concordantes con esta normativa son las normas españolas UNE de la serie 83 para ensayos de hormigón.

3.- Ataques Químicos al Hormigón.

a) La acción de los ácidos sobre el hormigón produce una conversión de sus compuestos cálcicos (hidróxido cálcico, silicato cálcico hidratado y aluminato cálcico hidratado) en sales cálcicas del ácido actuante: el ácido clorhídrico origina cloruro cálcico; el nítrico, nitrato cálcico, sal muy soluble como la anterior; el sulfúrico, sulfato cálcico, que precipita como yeso; etc. Con ácidos orgánicos sucede lo mismo. El resultado de estas transformaciones es una destrucción de la estructura del cemento endurecido, cualquiera que sea la compacidad de este. En cambio, en el ataque por sulfatos la compacidad de la pasta de cemento tiene gran importancia, al no destruirse en este caso todo el sistema poroso como sucede con los ácidos.

La velocidad del proceso de deterioro depende más de Ja solubilidad de la sal cálcica resultante que de la agresividad del ácido actuante. Cuanto menos soluble es la sal, mayor es el efecto pasivante de la sal precipitada; y viceversa, si la sal es soluble, la velocidad de las reacciones corre pareja con la velocidad de disolución de la sal cálcica. De ello se deduce la siguiente regla, de validez general para todas las reacciones químicas: la velocidad de deterioro causada por el ata-que de un agresivo químico es mucho mayor Si la solución fluye que si esta estancada. Como ejemplo puede recordarse que, es mucho más peligroso emplear aguas nocivas para el curado del hormigón que utilizarlas para su amasado.

Las aguas puras al igual que los ácidos, disuelven los compuestos cálcicos, por lo que causan el mismo efect9 destructor sobre la pasta endurecida de cemento. Por su parte, la lluvia ácida no aporta suficiente cantidad de ácido al año como para que su efecto sobre el hormigón resulte significativo.

b) El ataque por sulfatos se caracteriza por la reacción del ión sulfato, como sustancia agresiva, con el aluminato del cemento, lo que origina la formación de sulfoaluminato tricálcico (estringita, antiguamente denominada sal de Candlot) con notable aumento de volumen, que puede originar la desintegración del hormigón. Obsérvese que, a diferencia de los ácidos, que reaccionan con todos los componentes del cemento, los sulfatos sólo atacan al componente alúmina. Por ello Y como se ha dicho anteriormente, en el caso de los sulfatos la mayor o menor compacidad del hormigón juega un papel determinante en el proceso de deterioro.

La presencia de otros elementos puede modificar el proceso descrito. Así por ejemplo, está demostrada la influencia atenuante que tiene el ión cloro, al resultar preferente la formación de cloro-aluminato (sal de Frideli). Por esta razón, las aguas de mar, que merecerían ser calificadas como de alta agresividad por su alto contenido en sulfatos, son sólo moderadamente agresivas.

c) El ataque por álcalisis se parece al de sulfatos, con la diferencia de que aquí la sq,stancia que reacciona con el agente agresivo no es el cemento sino que son los áridos. El hidróxido cálcico de los poros del hormigón contiene álcalis (ión sodio y ión potasio) en mayor o menor proporción, y estos álcalis pueden atacar a la sflice contenida en los áridos originando el gel álcali-sílice. Esta reacción, que se presenta únicamente con ciertos áridos de naturaleza opalina cuya sílice no está bien cristalizada, puede provocar expansiones destructivas en el hormigón, que se manifiestan en la superficie mostrando un esquema de fisuración en mapa, típico de todo proceso expansivo (volumétrico, no lineal como en el caso de la corrosión de las barras de acero) en el interior del hormigón. Otras manifestaciones típicas son los hinchamientos locales y la exudación de productos cristalinos (lágrimas de gel sílice-álcali).

d) Las sustancias que poseen carácter agresivo para el hormigón son, de un modo genérico, las siguientes:

• Gases que poseen olor amoniacal o que, por su carácter ácido, enrojecen el papel azul de tornasol. En general, el ataque sólo es importante cuando se trata de gases de concentración alta y en ambiente húmedo, salvo el anhídrido carbónico, que es agresivo en ambiente seco.
• Aguas agresivas del subsuelo o de otros orígenes, tales como las aguas ácidas de pH inferior a 5, las aguas puras, las aguas sulfatadas o selenitosas, las aguas residuales que contienen más de 30 g/l de sales disueltas, las aguas de ciertas canteras, las aguas detergentes, etcétera. La agresividad es mucho más fuerte cuando se trata de aguas en movimiento.
• Líquidos que desprenden burbujas gaseosas, poseen olor nauseabundo, dejan residuos cristalinos o terrosos al evaporarlos o que, por su carácter ácido, enrojecen el papel azul de tornasol; aceites vegetales y otros compuestos orgánicos análogos
• Tierras o suelos con humus o sales cristalizadas; y sólidos secos o húmedos cuyas dispersiones acuosas enrojecen el papel azul de tornasol.

2.- Agentes Agresivos al Hormigón.

Los agentes que pueden atentar contra la durabilidad del hormigón son muchos y no es fácil intentar su clasificación. En forma simplificada pueden agruparse en:

a) Acciones mecánicas: Cargas, sobrecargas, impactos, vibraciones. Producidos por causas naturales (agua corriente, aire) o artificiales.
b) Acciones físicas: Variaciones de temperatura y humedad, heladas, temperaturas extremas, corrientes eléctricas, erosión, fuego, radiaciones.
c) Acciones biológicas: Vegetación, microorganismos (bacterias y otras formas microscópicas de vida orgánica).
d) Acciones químicas: Aire y otros gases, en atmósfera natural o contaminada. Aguas agresivas (de curado, naturales superficiales o profundas, de mar, industriales, negras agrícolas, negras urbanas) y otros líquidos. Áridos reactivos. Productos químicos orgánicos (aceites, grasas) o inorgánicos. Suelos y terrenos agresivos.

Las acciones citadas pueden producir en el hormigón grietas, descamaciones, fallos de unión pasta-árido, formación de compuestos expansivos debidos a reacciones químicas que ocasionan la consiguiente fisuración, formación de eflorescencias por cristalización de sales solubles de calcio y magnesio durante períodos secos, cambios de coloración, etc.

a) Las acciones mecánicas deben tenerse en cuenta en el cálculo, tanto las acciones directas (cargas) como las indirectas (deformaciones impuestas), incluyendo los efectos de impacto y vibraciones. Como consecuencia de estas acciones el hormigón puede fisurarse.

b) Las acciones físicas en lo que se refiere a variaciones de temperatura exterior y actuación de temperaturas extremas.

En cuanto a variaciones de temperatura interior, el calor de fraguado del cemento produce tensiones internas importantes en elementos de gran masa de hormigón. Debido a la escasa conductividad térmica de éste (unas 0,003 calorías por centímetro cuadrado, centímetro, segundo y grado centígrado), el calor de hidratación se disipa con gran lentitud y como el proceso de enfriamiento del hormigón en grandes macizos puede durar varios meses, las tensiones térmicas que se desarrollan en el seno del materia) pueden llegar a superar su resistencia a tracción y fisurarlo. Si el elemento tiene poco espesor, el equilibrio térmico con el ambiente se alcanza en las primeras edades, cuando el hormigón se encuentra todavía en estado plástico, lo que le permite absorber las tracciones que puedan originarse por gradiente térmico, sin riesgo de fisuras.

La presencia de corrientes eléctricas vagabundas o derivadas puede provocar fenómenos de corrosión electroquímica de las armaduras si se combina con la presencia de sustancias acidas salinas (en particular cloruros) en el medio ambiente que rodea a’ hormigón. Este caso puede presentarse cuando, próximas a las armaduras principales, existen líneas eléctricas de  trazado paralelo a ellas.

En lo que respecta al hielo, hay que recordar que el paso del agua de estado líquido a sólido se produce con un incremento de volumen del 9%. Si los poros están completamente saturadas de agua se producirá rotura del material por reventón (splitting). De ahí la conveniencia  de utilizar aireantes, ya que los poros derivados del aire ocluido son cuasi estancos y pueden no estar saturados aún cuando lo esté el hormigón

La aplicación de productos de deshielo sobre una superficie de hormigón cubierta de hielo provoca un salto térmico al derretirse éste, con riesgo de que se produzcan fisuras debidas a la diferencia de temperatura entre la superficie y el interior del hormigón. Si hay nuevos ataques de helada en presencia de agentes de deshielo, esos ataques serán más severos que si no hubiesen actuado dichos agentes, por lo que convendrá forzar el contenido en aire ocluido para evitar el efecto de descamación de las capas superficiales que es típico de estos casos. Conviene recordar también aquí que las sales de deshielo tienen carácter agresivo para las armaduras, por su contenido en ión cloro.

La erosión del hormigón puede producirse por abrasión o por cavitación. La primera produce el desgaste Por rozamiento de la superficie del hormigón, como es el caso de los pavimentos de carretera e industriales; al respecto. La segunda se presenta cuando el agua sin sólidos fluye con gran velocidad paralelamente a una superficie de hormigón y, debido a cualquier cambio en la geometría de dicha superficie o a otra causa, el flujo de agua se separa de la pared de hormigón creando unas zonas de bajas presiones. Ello ocasiona la formación de pequeñas burbujas de vapor de agua en esas zonas, vapor que se

La acción del fuego sobre el hormigón somete a éste a temperaturas crecientes, frente a las cuales se comporta según vimos en la tabla 5.3. Ahora bien, desde el punto de vista de la seguridad estructural, el peligro reside en que las altas temperaturas lleguen al acero, ya que su límite elástico disminuye fuertemente a medida que la temperatura aumenta por encima de los 150 °C, reduciéndose a la mitad para valores del orden de los 500 ºC. Por consiguiente, el hormigón desempeña el papel de agente protector del acero frente al fuego, papel que será tanto más eficaz cuanto mayor sea el tiempo de exposición a fuego necesario para que la estructura pierda su capacidad resistente. En este sentido, el hormigón de áridos calizos presenta ventajas respecto al de áridos silíceos, ya que, a igualdad de temperatura, los primeros absorben calor (paso de la caliza a la cal viva) manteniendo un cierto tiempo la integridad de la pieza, en tanto que los segundos se desprenden del hormigón con estallidos.

c) Las acciones biológicas están producidas por hongos, bacterias, algas o musgos, que pueden encontrar buenas condiciones de crecimiento en suelos y paredes de ciertas plantas industriales (especialmente del ramo de la alimentación), alcantarillas, zonas marítimas, etc. También se da el caso de penetración de raíces de plantas y árboles a través de fisuras.

Tales acciones pueden causar daños de tipo mecánico (fuerzas de expansión) o por segregación de ácidos húmicos (directamente o por sus productos de descomposición) que disuelven La pasta de cemento. Por otra parte, toda esta vegetación puede causar un efecto de retención de agua sobre la superficie del hormigón, lo que provoca la saturación del mismo y el consiguiente riesgo de daños por heladas.

En la práctica, la mayor parte de estos fenómenos se presenta en las redes de alcantarillad0, en las que, en condiciones anaeróbicas (sin oxígeno), puede formarse sulfuro de hidrógeno, el cual, al oxidarse por la acción bacteriológica, forma ácido sulfúrico, con el consiguiente ataque al hormigón situado por encima del nivel del agua (figura 5.15).

Se han desarrollado cementos especiales antibactericidas (en general, a base de materiales tóxicos, como arsénico o cobre) que disminuyen olores y forman limos protectores de la superficie del hormigón. 

 

 

Figura 5.15 Ataque Biológico en Redes de Alcantarillado.

En contraposición a todo lo anterior, la vegetación acuática que se desarrolla en las estructuras marinas suele tener un efecto favorable, ya que las plantas consumen el oxígeno antes de que éste se difunda en el hormigón, evitando así que participe en el proceso de corrosión de las armaduras.

d) Las acciones químicas son, en general, las más temibles. Las más importantes en la práctica son los ataques por ácidos, por sulfatos y por álcalis, que estudiaremos a continuación en detalle.

1.- Consideraciones Basicas sobre la Durabilidad del Hormigón.

Los dos elementos que más influyen en la durabilidad del hormigón, tanto en masa como armado, son la presencia de agua y el mecanismo de transporte, a través de los poros y fisuras, de gases, agua y agentes agresivos disueltos.

Los poros del hormigón se ubican en la pasta de cemento, que constituye la interfaz entre los distintos granos de árido; y en términos generales, pueden clasificarse en microporos, poros capilares y macroporos. Los primeros, también denominados poros de gel, tienen un radio medio del orden de una centésima de micra y no influyen prácticamente en la durabilidad. En cambio, los poros capilares (cuyo radio medio es del orden de una milésima de milímetro) y, sobre todo, los macroporos (radio medio del orden de un milímetro), influyen en la durabilidad de forma decisiva.

La durabilidad del hormigón viene a menudo determinada por la velocidad a la que se descompone como resultado de una reacción química. Para que ésta tenga lugar es necesario que las sustancias agresivas (iones y moléculas, normalmente provenientes del ambiente exterior) se trasladen por la red de poros del hormigón hasta encontrar la sustancia reactiva en el hormigón. Si no hay transporte, no hay reacción.

La degradación del hormigón depende, por tanto, de que sea posible o no el transporte por su interior de gases y de agua con sustancias agresivas. El aumento de la humedad ambiente produce un llenado de agua de los poros mayores, lo que reduce el espacio disponible para la difusión de gases. Por consiguiente, ambos factores (difusión de agua y difusión de gases) contraponen entre sí, hasta tal punto que en hormigones saturados de agua, la difusión de gas (oxígeno, dióxido de carbono, etc.) se reduce a valores despreciables.

Por lo dicho, cuando se moja la superficie del hormigón a causa de la lluvia o de salpicaduras, las sustancias disueltas en agua son transportadas por el agua y la difusión de gases está prácticamente impedida. Pero al cesar el transporte de agua, la difusión de gases comienza a jugar ‘a vez un papel dominante. Por ello, las zonas de hormigón sometidas a ciclos humedades edad (canales, depósitos, carrera de mareas en muelles, etc.) son muy vulnerables des. desde el punto de vista de la durabilidad.

Durabilidad del Hormigón.

Para cumplir su cometido como material de construcción, el hormigón debe ser no sólo resistente, sino también durable. Dada la importancia de la materia y su complejidad, abordaremos su estudio como sigue:

a) En este apartado expondremos los distintos procesos que pueden degradar el hormigón como material;

b) en el apartado 9.8 haremos lo propio con respecto al acero como material embebido en el hormigón y definiremos el concepto de vida útil de una estructura;

c) finalmente, en el apartado 11.1 1 trataremos de la durabilidad de la estructura como un todo y ofreceremos algunas recomendaciones sobre diseño estructural y estrategias de proyecto frente a la durabilidad.

Todos estos conocimientos son necesarios no sólo para el proyectista sino también para el constructor y el fabricante de materiales, ya que la durabilidad de una estructura depende de las decisiones que se tomen en cada una de las fases del proceso constructivo (ver figura 5.14). El objetivo que se busca es alargar lo ms posible la vida útil de la estructura. 

 Figura 5.14 Factores que influyen en la Durabilidad de una Estructura.

1.- Consideraciones Basicas sobre la Durabilidad del Hormigón.

2.- Agentes Agresivos al Hormigón.

3.- Ataques Químicos al Hormigón.

5.- Elongabilidad del Hormigón.

Poco se conoce de la reología del hormigón sometido a tracción, dada la dificultad de los ensayos y las fuertes dispersiones que se obtienen.

La deformación de rotura del hormigón en tracción vale, aproximadamente, de 0,01 a 0,015 por 100 Y es una medida de su elongabilidad, es decir, de su capacidad para soportar alargamientos sin romperse.

La elongabilidad del hormigón depende, en buena parte, de la ductilidad del cemento, que viene medida por el cociente de sus resistencias a tracción y a compresión, a las mismas edades.

La elongabilidad del hormigón varía apreciablemente con la velocidad de aplicación de la carga, lo cual significa qu existe también en tracción un efecto de fluencia. Este efecto puede elevar la deformación de rotura a valores de 0,03 a 0,04 por 100.

Está demostrado que la elongabilidad es mayor en hormigones de elevada relación agua/cemento en hormigones poco curados y en hormigones jóvenes. Por consiguiente y al igual que sucede con el acero, la elongabilidad se opone a la resistencia; o, dicho de otra forma, los hormigones de buena calidad son más frágiles que los mediocres.

Este hecho explica la realidad experimental de que los hormigones de baja calidad se fisuran poco por retracción, cosa que se comprueba en la práctica con cierta frecuencia. Por el contrario, aunque los hormigones de baja relación agua/cemento experimentan menor retracción, son más susceptibles de fisurarse por esta causa, debido a su baja elongabilidad.

4.- Coeficiente de Poisson relativo a las Deformaciones Elasticas.

El coeficiente de Poisson, y, es la relación, cambiada de signo, entre las deformaciones transversales y las longitudinales correspondientes, en piezas que trabajan a compresión simple. El coeficiente de Poisson relativo a las deformaciones elásticas bajo tensiones normales de utilización puede tomarse igual a 0,2, si bien en ciertos cálculos puede despreciarse el efecto de la dilatación transversal. Al aumentar la carga e iniciarse la plastificación del hormigón, el coeficiente de Poisson aumenta rápidamente hasta alcanzar un valor del orden de 0,5.

3.- Módulo de Deformación Longitudinal del Hormigón.

No siendo el hormigón un cuerpo elástico, no cabe, en rigor, hablar de módulo de elasticidad, sino de módulo de deformación longitudinal, el cual no tiene un valor constante en el diagrama noval σ-ε , dada la curvatura del mismo.

a) Módulo tangente, cuyo valor es variable en cada punto y  viene medido la inclinación de la tangente a la curva en dicho punto:

b) Módulo secante, CUYO valor es variable en cada punto y viene medido por la inclinación de la recta que une el origen con dicho punto:

c) Módulo inicial, también llamado módulo de elasticidad en el Origen, que corresponde a tensión nula, en cuyo caso coinciden el módulo tangente y el secante. Viene medido por la inclinación de la tangente a la curva en el origen.

De las definiciones anteriores y del examen de los diagramas σ-ε  noval y reiterativo  se deducen las siguientes conclusiones importantes:

• el módulo tangente en el diagrama noval disminuye al aumentar la tensión, llegando a anularse para la tensión máxima;
• el módulo secante en el diagrama noval también disminuye al aumentar la tensión, llegando a un valor del orden del medio al tercio del inicial, para la tensión máxima;
• el módulo secante en el diagrama reiterativo, para tensiones que ya han sido alcanzadas anteriormente, es constante y aproximadamente igual al 85% del módulo inicial en primera carga.

Por consiguiente, cuando se trata de determinar deformaciones para cargas próximas a las de servicio en una estructura (que producen tensiones en el hormigón del orden del 40 por 100 de la de rotura, como máximo), se puede adoptar como módulo secante de deformación un valor constante, para cada tipo de hormigón y humedad ambiente, igual a 0,85 veces el módulo de elasticidad inicial del diagrama noval.

Según el Código Modelo CEB-FIP los diagramas tensión-deformación del hormigón en compresión axil adoptan la forma indicada en la figura 5.11 que expresa con claridad el aumento de rigidez del hormigón a medida que aumenta su resistencia. Tanto dicho código como la Instrucción española ofrecen el siguiente valor medio del módulo de deformación inicial del hormigón (pendiente de la tangente en el origen) a j d(as d edad, para cargas instantáneas o rápidamente variables:

expresión en la que fcmj es la resistencia media del hormigón a j días de edad, que debe expresarse en N/mrn2 para obtener E0j en N/mm2. En cuanto al módulo secante (pendiente de la secante) y según lo indicado anteriormente, puede tomarse igual a (con las mismas unidades que antes): 

expresión válida siempre que las tensiones en condiciones de servicio no sobrepasen el 40% de la resistencia característica a compresión a j días de edad. 

Figura 5.11 Diagramas σ-ε del hormigón en los valores absolutos (a) y relativos (b).

Se observará que en las expresiones anteriores figura la resistencia media del hormigón, cosa lógica por ser E0j y E0, valores medios del módulo de deformación, Cuando no se conozca por ensayos la resistencia media del hormigón, su valor a 28 días puede estimarse a partir de la resistencia característica a la misma edad mediante la fórmula fcm = fck + 8 en N/mm2. Para pasar a otras edades, puede utilizarse la tabla 6,3 que proporciona los valores fcmj en función de fcm.

Cuando las cargas son de actuación permanente interviene el fenómeno de la fluencia y las deformaciones aumentan . No obstante, en los casos en que no sea necesaria una gran precisión, pueden determinarse las deformaciones operando con el módulo de deformación para cargas permanentes:

en donde φ , es la relación entre la deformación diferida εcc y la instantánea εc0 Los valores del coeficiente defluencia φ se dan en la .

2.- Diagrama Tensión - Deformación del Hormigón.

El diagrama noval tensión - deformación del hormigón presenta una parte final parabólica y otra inicial sensiblemente rectilínea (fig. 5.7).

Figura 5.7  diagrama noval σ-E del Hormigón.

a) Repitamos el proceso indicado en a) del punto anterior, pero dibujando ahora el diagrama σ-E (fig. 5.8). Si al llegar a la tensión σ0, descargamos la probeta, la rama descendente que se obtiene es la recta AO’, aproximadamente paralela a la tangente en el origen OT’. Aparece así la deformación remanente 00’, ya conocida. 

Figura 5.8 diagrama no noval σ-E del Hormigón.

A partir de este momento y para los sucesivos procesos de carga-descarga, el hormigón funciona con el diagrama O’AMN, es decir, con un tramo inicial O’A perfectamente elástico y rectilíneo que no variará siempre que no se supere la tensión σ0. El módulo de elasticidad coincide aproximadamente con el inicial del diagrama noval.

Esta rectificación del diagrama noval, suprimiendo la deformación remanente, se produce en la práctica al efectuar una prueba de carga en una estructura.

Mientras el hormigón de un elemento estructural, durante su vida de servicio, se conserve dentro del tramo O’A, el comportamiento de dicho elemento será perfectamente elástico. Pero si un aumento de solicitaciones en una determinada sección del mismo le hace entrar en la rama noval AMN, aparecerán deformaciones relativamente grandes en dicha sección, ya que la curva se va haciendo cada vez más tendida; este fenómeno explica la aparición de rótulas plásticas en estructuras hiperestáticas, con la consiguiente readaptación de esfuerzos, en lo que se refiere al hormigón. Cuando dicha readaptación no es posible el hormigón llega a la rotura en un proceso acelerado e irreversible de deformaciones crecientes, como sucede en los casos de inestabilidad (pandeo).

b) El diagrama noval de la figura 5.8 corresponde a una duración breve del proceso de carga. Si esta duración se hace variar, aumentándola, se obtienen otras curvas del tipo de las dibujadas en la figura 5.9.

Se ponen así de manifiesto, de nuevo, las deformaciones diferidas del hormigón que aparecen bajo carga mantenida. Aún cuando el diagrama de la figura 5.9 no pretende una precisión cuantitativa, sino tan sólo ilustrar cualitativamente el fenómeno, puede observarse (por ejemplo, mirando la horizontal correspondiente a una compresión relativa de 0,4) que las deformaciones de fluencia pueden llegar a ser dos o tres veces mayores que las elásticas correspondientes.

El diagrama muestra, igualmente, el fenómeno de cansancio del hormigón (curva límite rotura bajo carga constante).

c) La edad del hormigón en el momento de aplicación de la carga influye en la magnitud de la fluencia, en el sentido de aumentarla cuanto más joven es el material, como puede apreciarse comparando las figuras 5.9 (edad de 28 días) y 5.10 (edad de un año). 

Figura 5.9 diagrama σ-E de un  Hormigón a 28 dias.

Figura 5.10 diagrama σ-E de un  Hormigón de un año de Edad.

1.- Clasificación de las Deformaciones del Hormigón.

Sea una probeta de hormigón, que vamos a someter a un proceso de carga y descarga, observando la evolución de sus deformaciones en el tiempo (fig. 5.6):

Figura 5.6 Deformación del Hormigón.

a) Supongamos que en el momento inicial t = O cargamos la probeta a una tensión a,: aparecerá entonces una deformación OA instantánea. Si descargamos inmediatamente la probeta, la deformación no se anula totalmente; se recupera la mayor parte, O A, y queda una deformación remanente, OO’.

Por consiguiente, hay dos partes en la deformación instantánea del hormigón: la deformación elástica, AO’ y la deformación remanente, 00’. La primera es recuperable y la segunda no.

A partir de este primer ciclo de carga (carga noval), la deformación remanente no vuelve a presentarse, siempre que la tensión a que se someta la probeta no supere a la ya aplicada, o0. Dicho de otro modo, el hormigón se comporta frente a las cargas sucesivas (no novales) como perfectamente elástico.

b) Carguemos ahora la probeta, en el instante t1, de manera que se produzca en ella una tensión σ1 < σ0 aparecerá una deformación elástica BC. Si se mantiene la carga, la deformación irá creciendo con el tiempo según la curva CD, debido al comportamiento plástico del hormigón. Si al llegar al instante t2 se descarga la probeta, se recupera instantáneamente la deformación elástica (DE = BC); y si se deja transcurrir el tiempo con la probeta descargada, se va recuperando una parte creciente de la deformación, según la curva EF.

Quedan así puestas de manifiesto las tres deformaciones fundamentales del hormigón, que se han acotado en la figura 5.6 referidas al instante tn: la deformación elástica instantánea, la elástica diferida y la plástica diferida. Estas mismas deformaciones pueden ponerse de manifiesto e un instante t anterior a la descarga, sin más que dibujar la rama plástica CC’ simétrica de la EF.

c) Resumiendo lo dicho, pueden clasificarse las deformaciones según la tabla 54, en la que se han hecho figurar, además, las deformaciones térmicas y de retracción, independientes de las cargas exteriores. 

 

 

A efectos de cálculo y de un modo simplificado, se denomina fluencia al conjunto de deformaciones diferidas, englobando en este concepto la deformación elástica diferida y la plástica diferida. Y se admite que la deformación por fluencia tiende hacia una asíntota, cuyo valor es proporcional a la deformación elástica instantánea, según un factor de proporcionalidad.

Características Reológicas del Hormigón.

Recordemos que la Reología es la rama de la Mecánica que estudia la evolución de deformaciones de un material, producidas por causas tensionales, a lo largo del tiempo.

Se ha definido con acierto al hormigón como un pseudosólido  elástico-visco-plástico, haciendo con ello referencia a su compleja reología, que participa de las características & los tres tipos de cuerpos mencionados: los e1sticos, los viscosos y los plásticos. No extrañará esta 0plejidad si se recuerda que en el hormigón coexisten la fase sólida (áridos y cemento), la líquida (agua) y la gaseosa (aire ocluido),

El fenómeno de retracción, ya estudiado, forma parte de la reología del hormigón. A continuación estudiaremos los fenómenos,
cuyo conjunto gobierna la evolución de las deformaciones del hormigón a lo largo del tiempo.

3.- Características Mecánicas del Hormigón: Resistencia del Hormigón Bajo un Estado de Tensión Biaxil.

Una probeta prismática de hormigón sometida a compresión simple, se rompe cuando la carga produce una tensión igual a la resistencia fc. Pero si dicha probeta se somete a un esfuerzo de compresión en la dirección de su eje mayor, y a un esfuerzo de tracción en dirección normal a la primera, la rotura se produce por la acción conjunta de ambos esfuerzos, cuando la tensión de compresión alcanza el valor ρ1, y la de tracción el valor ρn ambos inferiores, respectivamente, a las resistencias a compresión y tracción simples. 

 

Ya se comprende la dificultad de realización que presentan los ensayos biaxiles, No obstante, los resultados obtenidos por distintos autores parecen bastante concordantes, pudiendo admitirse la fórmula:

que proviene de introducir una corrección adecuada, dada por el último radical, en la expresión de la resistencia a tracción pura, fc.

El hormigón se encuentra sometido a estos estados de tensión biaxil en las vigas que trabajan a flexión con esfuerzo cortante, ya que las distintas fibras están sometidas a compresión en una dirección principal y a tracción en la otra normal a ella. No obstante, ambos cálculos suelen hacerse por separado.

Análogamente, si una probeta prismática está sometida a compresión triaxil, la rotura se produce cuando la compresión ρ1, en la dirección principal alcanza un cierto valor, superior a la resistencia en compresión simple, fc. Considere y Brandtzaeg admiten la fórmula:

donde ρn es la compresión ejercida en las caras laterales. 

 

Un caso donde el hormigón se encuentra sometido a esfuerzos de compresión triaxil es el de las columnas zunchadas, ya que el zuncho coarta la deformación transversal debida al efecto Poísson y actúa, por consiguiente, como una compresión lateral.

2.- Características Mecánicas del Hormigón: Resistencia a Tracción.

Aunque no suele contarse con la resistencia a tracción del hormigón a efectos resistentes, es necesario conocer su valor porque juega un importante papel en ciertos fenómenos, tales como La fisuración, el esfuerzo cortante, la adherencia de las armaduras, etc. Por otra parte, en ciertos elementos de hormigón, como en el caso de pavimentos, puede ser más interesante el conocimiento de la resistencia a tracción que la de compresión, por reflejar mejor ciertas cualidades, como la calidad y limpieza de los áridos.

Como ocurre con la resistencia a compresión, la resistencia a tracción es un valor un tanto convencional que depende del tipo de ensayo. Existen tres formas de obtener la resistencia a tracción: por flexotracción, por hendimiento y por ensayo directo de tracción axil (fig. 5.5). El último método no es práctico, dadas las dificultades que entraña su realización (al sujetar la probeta entre las mordazas de la prensa se debilita la sección de agarre y la probeta rompe junto a la mordaza, lo que falsea el ensayo), por lo que se emplean normalmente los otros dos. 

Figura 5.5  Resistencia del Hormigón a la Tracción.

La resistencia a tracción por flexión (flexotracción) y la resistencia a tracción por hendimiento (tracción indirecta), se determinan según los métodos operatorios descritos en el apartado 6.3 (puntos 7.° y 8.°).

De no disponer de ensayos comparativos, para la resistencia a tracción axil fct puede tornarse el 90 por 100 de la resistencia a tracción por hendimiento, y el 50 por 100, aproximadamente, de la resistencia a flexotracción.

Los valores obtenidos en los ensayos para la resistencia a tracción son bastante dispersos y su variación puede extenderse al intervalo (0,7fctm, l,3fctm, referido al valor medio. Aunque la resistencia a tracción depende de muchas variables (entre ellas la naturaleza y limpieza de los áridos), la Instrucción española admite que la resistencia a tracción axil (media fct,m o característica fct,k) está ligada a la resistencia característica del hormigón a compresión fck, mediante las relaciones: 

en donde todas las resistencias, incluida fck, se expresan en N/mm2. Puede observarse que en la segunda de estas fórmulas, que corresponde al valor característico inferior (cuantil 5%), aparece el factor 0,21 que es igual a 0,7 x 0,3. Para el valor característico superior (cuantil 95%) debe utilizarse el factor 1,3 x 0,3 = 0,39. 

Para el cálculo del monv2nto de fisuración en piezas flectadas (apartado 21.7) puede tomarse el factor 0,37, que corresponde a la resistencia a tracción por flexión.

La elección del valor defg1 que debe introducirse en los cálculos depende del tipo de problema: para el estado límite de formación de fisuras debe tomarse el valor característico, y para el estudio de deformaciones, el valor medio.

1.- Características Mecánicas del Hormigón: Resistencia.

La resistencia a compresión simple es la Característica mecánica más importante de un hormigón. Su determinación se efectúa mediante el ensayo de probetas, según métodos operatorios normalizados. Ahora bien, los valores de ensayo que proporcionan las distintas probetas son más o menos dispersos, en forma variable de una obra a otra, según el cuidado y rigor con que se confeccione el hormigón; y esta circunstancia debe tenerse en cuenta al tratar de definir un cierto hormigón por su resistencia.

El problema puede plantearse así: dados n resultados obtenidos al ensayar a compresión simple n probetas cilíndricas 15 X 30 de un mismo hormigón, determinar un valor que sea representativo de la serie y, por consiguiente, del propio hormigón.

Tradicionalmente se ha seguido el criterio de adoptar, para dicho valor, la media aritmética fcm de los n valores de roturas, llamada resistencia media. Pero este valor no refleja la verdadera calidad del hormigón en obra, al no tener en cuenta la dispersión de la serie.

Si tenemos dos hormigones con la misma resistencia media, no cabe duda de que es más fiable aquel que presenta menor dispersión. Por consiguiente, el coeficiente de seguridad que se adopte en el cálculo debe ser mayor para el hormigón más disperso. La conclusión que se extrae es que el adoptar la resistencia media como base de los cálculos conduce a coeficientes de seguridad variables según la calidad de la ejecución.

Para eliminar este inconveniente y conseguir que se trabaje con un coeficiente de seguridad único, homogéneo en todos los casos, se ha adoptado el concepto de resistencia característica del hormigón, que es una medida estadística que tiene en cuenta no sólo el valor de la media aritmética de las roturas de las diversas probetas, sino también la desviación típica relativa o coeficiente de variación, 6 de la serie de valores.

a) Se define como resistencia característica, fck, del hormigón aquel valor que presenta un grado de confianza del 95 por 100, es decir, que existe una probabilidad de 0,95 de que se presenten valores individuales de resistencia de probetas más altos que fck. De acuerdo con esta definición y admitiendo la hipótesis de distribución estadística normal (fig. 5.4), la resistencia característica viene dada por la expresión:

No debe confundirse la expresión dada para fck, que es una definición (válida para n = oo), con los estimadores de la resistencia característica, que se emplean para aceptar o rechazar un hormigón determinado en obra, a partir de un número relativamente pequeño de determinaciones. Estas ideas se tratan ampliamente más adelante. 

b) El valor del coeficiente de variación 6 depende de las condiciones de ejecución del hormigón. Para los hormigones fabricados en central el coeficiente de variación suele oscilar entre 0,08 y 0,20, según la calidad de la planta. Un coeficiente de variación superior a 0,20 es propio de los hormigones fabricados a mano o en pequeñas hormigoneras de obra, los cuales no son aconsejables salvo para obras de pequeña importancia.

c) El concepto de resistencia característica se refiere, por antonomasia, a la resistencia a compresión medida sobre probetas cilíndricas 15 x 30 de veintiocho días de edad fabricadas, conservadas y rotas según métodos normalizados; pero puede hacerse extensivo a cualquier tipo de ensayo, clase de probeta, modo de conservación y edad del hormigón, ya que se trata de una definición de tipo estadístico. Siempre que se hable, en esta obra, de resistencia característica, nos referimos a la primera definición, salvo advertencia en contrario.

d) Cuando se trata de soportes, muros y, en general, de piezas de pequeña sección que se hormigonan verticalmente de una sola vez, existe un efecto de refluxión de mortero hacia la parte superior durante la compactación del hormigón, el cual queda mejor consolidado en la base (debido al peso de la masa fresca que gravita sobre ella) y más debilitado en su tercio más alto. En consecuencia, el valor de la resistencia característica del hormigón de soportes puede estimarse en el 90 por 100 del valor fck que corresponde a probetas enmokladas, las cuales son representativas del hormigón de la base pero no del hormigón del tercio superior. Por lo dicho, cuando se trata de soportes o muros de pequeña sección, resulta prudente afectar la resistencia de cálculo del hormigón de un coeficiente 0,9 aún cuando las normas no obligan a ello. Como es natural, este efecto no se produce en soportes prefabricados, que se hormigonan en horizontal.

e) El Código Modelo CEB - FIP 90 : tipifica los hormigones, con arreglo a su resistencia característica, según la serie   12,20,30,40,50,60,70,80 en donde las resistencias se expresan en N/mm2 (MPa). Por su parte, la Instrucción española recomienda utilizar la serie  20, 25, 30, 35,40,45, 50  añadiendo que el empleo de la resistencia 20 se limita a hormigones en masa (dicho de otro modo, que la resistencia mínima empleable en hormigón armado es 25 N/mm2). Con esta limitación se pretende asegurar una mayor durabilidad de las estructuras de hormigón.

f) En definitiva, los valores recomendables de son* y 30 N/mm2 para estructuras de edificación, reservándose los restantes valores de la serie para obras civiles, obras de hormigón pretensado y prefabricación.

El Hormigón y la Temperatura.

El hormigón se comporta frente a las bajas temperaturas como si se tratase de una piedra natural siendo su porosidad (cuantía y estructura de los capilares), así como su grado de saturación en agua, las características que determinan su comportamiento frente a la helada. En efecto, al helarse el agua introducida en los capilares, ésta aumenta de volumen y ejerce un efecto de cuña que fisura al hormigón.

La mejor defensa contra este efecto reside en la confección de un hormigón lo más compacto posible. El empleo de aireantes (apartado 2.3-6.°) mejora apreciablemente la resistencia a la helada, ya que las pequeñas burbujas de aire ocluido actúan como cámaras de expansión y palían o anulan el efecto destructor de la presión interna ejercida por el agua al congelarse. También son eficaces las impregnaciones de la superficie de hormigón con aceite de linaza, tratamiento que se emplea en la técnica de pavimentos rígidos.

Un caso excepcional de muy bajas temperaturas (cercanas a -273 °C) lo constituye el almacenamiento de gas licuado en depósitos de hormigón, que en muchos casos pueden sustituir con ventaja a los tradicionales depósitos metálicos. El hormigón pretensado resulta ser así un excelente material crinogénico.

En cuanto a las altas temperaturas, el hormigón se comporta frente a ellas experimentando una serie de fenómenos lisico-químicos que, en lo esencial, se resumen en la tabla 5.3.

El coeficiente de dilatación térmica, a, del hormigón varía con el tipo de cemento y áridos, con la dosificación y con el rango de temperaturas, oscilando entre 9,2 x 10^-6  y 11 x 10^-6 para

temperaturas comprendidas entre — 13 °C y 50 C. Como valor medio para los cálculos puede tomarse el de α=10^-5, es decir, 0,01 mm por metro y grado de temperatura, aproximadamente igual al del acero. Por tanto, este valor es igualmente válido para el hormigón armado y puede aceptarse hasta una temperatura de 150 °C.

En general, los áridos calizos proporcionan valores de a más bajos que los áridos silíceos.

TABLA 5.3 ACCIÓN DE LAS ALTAS TEMPERATURAS SOBRE EL HORMIGÓN

Como los coeficientes de dilatación térmica de las diversas rocas que constituyen los áridos y de la pasta de cemento, no son iguales, las variaciones de temperatura provocan en la masa de hormigón movimientos térmicos diferenciales que pueden amplificar su sistema interno de microfisuras. Por ello, en los hormigones que hayan de estar sometidos a variaciones importantes de temperatura, conviene escoger los materiales componentes de forma que su compatibilidad térmica sea la mayor posible.

En el proyecto de estructuras de hormigón es necesario tener en cuenta los movimientos térmicos, bien estableciendo juntas de dilatación a distancias adecuadas (del orden de los 30 metros), bien tomando en consideración los esfuerzos que aparecen si la estructura no tiene libertad de movimiento. En estructuras a la intemperie, Ja carrera de temperaturas (diferencia entre la temperatura media y cada una de las extremas) que suele suponerse, oscila entre 15 C y 10°C, según la ubicación de la obra y, sobre todo. según el espesor de los elementos, ya que de el depende su mayor o menor inercia térmica.

Una evaluación más precisa de la carrera de temperaturas puede obtenerse mediante la fórmula:

siendo e el espesor del elemento en centímetros y supuesta la estructura al exterior. Si está abrigada de la intemperie, el valor dado por la fórmula puede reducirse a la mitad. En elementos enterrados, puede incluirse en su espesor el de la capa de terreno que los recubre y aísla del exterior.

En estructuras metálicas suelen suponerse carreras bastante mayores, del orden de + 30 °C, debido a su mayor conductividad. Hay que tener en cuenta que las temperaturas extremas, tanto diarias como estacionales, penetran muy lentamente en la nasa del hormigón, reduciéndose pronto su valor a poca distancia de la superficie.

El coeficiente de conductividad térmica del hormigón cs mucho más bajo que el del acero, siendo sus valores respectivos, 1,1 y 45 kcal/m2 h ºC por término medio.

La contracción producida por un descenso de temperatura es análoga a la originada por la retracción (y viceversa esta equivale a un descenso de temperatura del orden de los 25 C) y ambos efectos se suman, siendo a menudo difícil distinguir uno de otro. Existe, no obstante, la diferencia ese a1 de que, en el primer caso, los dos materiales, hormigón y acero, se deforman por igual. .10 surgen tensiones entre ellos, al contrario de lo que sucede con la retracción.

Calculo del Acortamiento por Retracción.

Como valores medios del acortamiento por retracción, cuando no sea necesaria su determinación precisa, pueden tomarse 0,35 mm por metro para hormigón en masa y 0,25 mm por metro para hormigón armado.

Para una evaluación más afinada, puede determinarse el acortamiento por retracción haciendo intervenir las variables que más influyen en el fenómeno. A continuación se indica un procedimiento sencillo, basado en trabajos del CEB, que da valores suficientemente aproximados en la mayor parte de los casos de la práctica.

a) El valor e, de la retracción de un elemento de hormigón en masa, desde el momento de su acabado hasta el instante t, viene dado por. 

en donde ε1  que depende del medio ambiente, viene dado en la tabla 5.2: ε2, que depende del espesor ficticio de la pieza e, se da en el párrafo siguiente, y β1, que refleja la evolución en el tiempo, viene dado en el gráfico de la figura 5.3 para distintos valores de e.

b) A continuación se indican los valores del espesor ficticio e y del coeficiente ε2: 

siendo α  el coeficiente dado en la tabla 5.2; A el área de la sección transversal del elemento; y u el perímetro de la sección transversal que está en contacto con la atmósfera. Si una de las dimensiones de la sección es muy grande con respecto a la otra, el espesor ficticio (abstracción hecha del coeficiente corrector por ambiente, α) coincide con el real,

La fórmula anterior de ε2, da valores aceptables para espesores ficticios e iguales o mayo-res de 10 cm. En el caso poco habitual en que el espesor ficticio e sea menor de dicha cantidad, conviene tomar para ε2, un valor superior al dado por la fórmula (como orientación, se recomienda tomar ε2=1,20 para e =5 cm).

TABLA 5.2 VALOR MEDIO DE LA RETRACCIÓN Y VALOR DEL COEFICIENTE α

Figura 5.3 Evolución de la Retracción en Tiempo

c) En el eje de abscisas del gráfico de la figura 5.3 aparece la edad teórica del hormigón en días, t. Si el hormigón está sometido a temperaturas normales, la edad teórica coincide con la real. Si no es así, se tomará como edad teórica 1 la dada por la expresión: 

donde j es el número de días durante los cuates el endurecimiento se efectúa a una temperatura media diaria de T grados centígrados.

d) Si la influencia de la retracción va a ser efectiva, no desde el sino a partir de una edad de j días, el valor que interesa determinar en el instante t es:

con los mismos significados que anteriormente.

e) Sí el hormigón ha sido amasado con gran exceso de agua, o con un cemento rápido de gran finura, la retracción puede alcanzar valores mayores de los indicados en este procedimiento, al menos en un 25 por 100. especialmente en las primeras edades.

Por el contrario, en hormigones muy secos, la retracción calculada debe disminuirse en un 25 por 100, para encontrar valores más concordantes con los medidos experimentalmente.

f) A partir de la deformación ε1, correspondiente a hormigón en masa, puede calcularse la deformación εn correspondiente a hormigón armado mediante la relación: 

3.- Efectos de la Retracción del Hormigón en Elementos Estructurales.

La retracción no es una fuerza sino una deformación impuesta, que provocará tensiones de tracción y, por consiguiente, fisuras, únicamente en el caso en que se encuentre impedido el libre acortamiento del hormigón; por ello, tiene tanta más influencia cuanto más rígida es una estructura. Este es el caso de los arcos muy rebajados y de poca luz, de hormigón en masa, en donde suelen aparecer grietas de retracción; o de las vigas de luz media o grande si están fuertemente coartadas en sus extremos (fig. 5.2a).

Figura 52 Ejemplos de fisuras de retracción

Un caso típico es el del muro de cimentación, en el que la coacción exterior esta representada por el terreno.

Si no se han dejado juntas de retracción, el muro acaba por fisurarse cada 10 6 12 m, pudiendo aparecer con el tiempo una segunda familia de fisuras intermedias (fig. 5,2b).

En los elementos de tipo superficial las fisuras de retracción son muy frecuentes, especialmente si aparecen asociados Con vigas o nervios que actúan de líneas de coacción en el conjunto (fig. 5.2c).

Las armaduras suponen tambien impedimento interior al libre acortamiento del hormigón. Por ello, en vigas muy armadas con recubrimiento grande, este puede fisurarse por retracción, dado el gradiente que existe entre la superficie libre (donde la retracción es máxima) y la armadura que impide su coacción al hormigón circundante. Favorece al fenómeno el hecho habitual de que el recubrimiento es mucho más rico en pasta que el interior de la pieza, a causa del vibrado del hormigón.

La probabilidad de fisuración por retracción esta íntimamente ligada con la elongabilidad del hormigón, de la que se trata en el apartado 5.6-5.

Cuando el hormigón se combina con otros materiales, debe recordarse el fenómeno de b retracción y estudiar la compatibilidad de deformaciones del conjunto. Es el caso de los revestimientos sobre hormigón aplicados prematuramente, en los que, al contraerse éste, el revestimiento queda sometido a compresión, acabando por agrietarse e incluso desprenderse.

Para evitar los efectos de la retracción, o paliarlos, pueden disponerse juntas permanentes (muros, pavimentos) o temporales (presas, arcos); estas últimas se hormigonan después, cuando las dos partes aisladas han experimentado la mayor parte de su retracción. La protección y ci curado prolongado de superficies, especialmente en tiempo seco, es fundamental para disminuir la retracción en las primeras edades. 

Siempre es conveniente disponer armaduras repartidas de pequeño diámetro, en forma de malla superficial (forjados) o armaduras de piel (vigas esbeltas), con objeto de distribuir las fisuras y disminuir su anchura, consiguiendo que lleguen a ser inapreciables al ojo desnudo, Habrá veces, en fin, en que se podrán aceptar las fisuras por retracción, cuando no perjudiquen fundamentalmente aL elemento afectado.

Otras indicaciones sobre fisuras por retracción pueden encontrarse en el apartado 21.10-1.

2.- Factores que Influyen en la Retracción del Hormigón.

Aparte del grado de humedad ambiente, en el fenómeno de retracción influyen los siguientes factores:

a) El tipo, clase y categoría del cemento influyen en el sentido de dar más retracción los más resistentes y rápidos, a igualdad de las restantes variables.

b) A mayor finura de molido del cemento corresponde una mayor retracción.

c) Lo presencia de finos en el hormigón aumenta apreciablemente la retracción.

d) La cantidad de agua de amasado está en relación directa con la retracción. Por ello, a igualdad de dosis de cemento por m’ de hormigón, la retracción aumenta con la relación agua/cemento; y a igualdad de relación A/C, aumenta con la dosis de cemento.

e) La retracción aumenta cuando disminuye el espesor del elemento en contacto con el medio ambiente, por ser entonces mayor el efecto de desecación con respecto al volumen de la pieza.

f) El hormigón armado retrae menos que el hormigón en masa, ya que las barras de acero se oponen a] acortamiento y lo disminuyen, tanto más cuanto mayor sea la cuantía (véase apartado 21.8). La relación entre un valor y otro de la retracción viene a ser del orden del 80 por 100.

A pesar de los esfuerzos que se realizan, no ha podido conseguirse fabricar un cemento que no experimente retracción. Los llamados cementos sin retracción y cementos expansivos son, en realidad, cementos en los que se trata de compensar la retracción con una expansión equivalente (o superior), a base de piedra de yeso y otras materias, o empleando como aditivo polvo de aluminio. Pero la retracción y la expansión no son concomitantes, ya que ésta precede a aqu6lla al verificarse durante el fraguado y primer endurecimiento. Se trata, en definitiva, de cementos especiales cuyo empleo es muy limitado y no aconsejable sin un riguroso control.

1.- Fenomeno de Retracción del Hormigón.

Durante el proceso de fraguado y endurecimiento, el hormigón contrae de volumen cuando tal proceso se verifica en el aire; y se entumece si se verifica en el agua. Al primer fenómeno se denomina retracción.

La retracción puede explicarse por La pérdida paulatina de agua en el hormigón. Aunque el fenómeno es complejo, de una forma simplificada se podría decir que el hormigón contiene agua en cinco estados distintos:

• el agua combinada químicamente o de cristalización;
• el agua de gel;
• el agua zeolítica o intercristalina;
• el agua adsorbida, que forma meniscos en la periferia de la pasta de cemento que une los granos de árido;
• el agua capilar o libre.

De estos estados, el agua capilar y parte de la adsorbida pueden evaporarse a la temperatura ordinaria. Si el hormigón no está en un ambiente permanentemente húmedo, va perdiendo el agua capilar, lo que no produce cambios de volumen, y parte del agua adsorbida (e incluso, según algunos autores, de la zeolítica), lo cual origina una contracción de meniscos que obliga a que los granos de árido se aproximen entre sí. Esta es la causa de la retracción.

4º Resistencia al Desgaste del Hormigón Fresco.

En ciertos casos, corno sucede en los pavimentos de carretera o interiores de construcciones industriales, interesa que el hormigón presente una gran resistencia al desgaste. Para conseguirlo, la primera codician es emplear un hormigón seco, ya que la lechada superficial es un elemento debil, fácilmente desgastable y productor de polvo.

Es también imprescindible emplear arena silícea y no caliza, al menos en una proporción no inferior al 30 por 100 de la arena total.

Mayores garantías se obtienen aplicando un revestimiento delgado de alta resistencia al desgastes que puede ser un mortero de cemento con árido fino especial (carborundo, corindón, sílice molida, granalla de hierro inoxidable, etc.) o un mortero especial de materias plásticas, resima, epoxi, etc.

Pueden aplicarse también tratamientos superficiales endurecedores, como impregnación por fluosilicatos, silicatación, ocratación o carbonatación.

3º Permeabilidad del Hormigón Endurecido.

Las dos formas en que el agua puede penetrar en el hormigón: por presión y por capilaridad. Los factores que influyen en la permeabilidad son los mismos que hacen variar su red capilar.

El más influyente es, sin duda, la relación agua/cemento. Al disminuir ésta, disminuye la permeabilidad: mientras que para una relación agua/cemento igual a 0,5 el factor de permeabilidad es aproximadamente 15, para 0,8 es alrededor de 450, o sea, treinta veces mayor.

Medir la permeabilidad de un hormigón es un problema difícil, que no se encuentra resuelto sat1sfactoriamente. Existen diversos métodos, unos dedicados a la permeabilidad bajo presión (UNE 83.309:90) y otros a la permeabilidad por succión (absorción). Las medidas se efectúan por diferencia de pesada, o por el tiempo requerido para que el agua atraviese de una cara a otra, o por medición de superficie de mancha en una sección obtenida por corte, etc. Pero ningún método proporciona garantía completa, siendo incierta la concordancia entre medidas realizadas según distintos métodos sobre un mismo hormigón.

Por otra parte, los ensayos sólo pueden efectuarse sobre probetas obtenidas in situ del hormigón endurecido, no sirviendo de nada utilizar probetas enmoldadas, que nunca son representativas desde el punto de vista de la permeabilidad.

Existen distintos procedimientos para aumentar ¡a impermeabilidad de un hormigón. En todos ellos es imprescindible partir de un hormigón muy compacto. Aparte del empleo de impermeabilizantes de masa o de superficie, cabe aplicar recubrimientos a base de chapas metálicas, fieltro asfaltado, etc., o simplemente, enlucir la superficie con un buen mortero de cemento, de 10 a 20 mm de espesor..°. -

Todo lo dicho, que se refiere a la permeabilidad al agua, puede aplicarse igualmente a la permeabilidad al aire, característica que interesa en hormigones para protección contra radiaciones nucleares.