The hydraulic retraction of concrete. Calculation and cracking

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The hydraulic retraction of concrete. Calculation and cracking

  1. 1. PREMIOS BASF – MIGUEL ANGEL SOLER RUIZ La retracción por secado del hormigón por Miguel Ángel Soler Ruiz L a retracción del hormigón puede material y se deben a la existencia de la zona de transición, a la naturaleza producirse por diversas razones y es una multifásica de todos los elementos y a la de las causas más importantes que continua variación de la estructura del provocan la fisuración de éste. Se material con el paso del tiempo (Mehta, pretende analizar en este texto la 1994). incidencia sobre el hormigón de la “retracción por secado”, también El hormigón experimenta variaciones de denominada “retracción hidráulica”. Se volumen, dilataciones o contracciones, hará hincapié en los procesos que inician durante toda su vida útil por causas este fenómeno así como en las físico - químicas. El tipo y magnitud de consecuencias que conlleva y cómo afecta estas variaciones están afectados en a la durabilidad de la estructura. El análisis forma importante por las condiciones de la retracción es fundamental en el ambientales existentes de humedad y estudio del hormigón como material de temperatura y también por los construcción. Se trata de un aspecto componentes presentes en la inevitable en este material, pero un buen atmósfera. control sí puede evitar daños que pueden llegar a ser irreversibles en una La retracción del hormigón es una estructura. Iniciaremos el estudio “disminución de volumen” de la masa revisando los diversos tipos de retracción, original de hormigón y está ligada a lo continuaremos centrándonos en la diversas causas que pueden ser de propia retracción hidráulica, pasando por origen térmico, hidráulico, interno, etc. su cálculo, y finalizaremos observando las Puede producirse por el secado diversas patologías causadas como (provocado por altas temperaturas o consecuencia de este fenómeno en las porque la humedad relativa exterior al estructuras. sistema sea menor que la interior), por las reacciones internas (que son de Introducción carácter exotérmico), y hay que tener “El hormigón es el material que se forma en cuenta que el volumen final de los mezclando cemento, árido grueso y fino y compuestos combinados químicamente que se origina por la hidratación de la no es igual a la suma de los volúmenes pasta de cemento (cemento y agua); de los compuestos por separado. además de estos compuestos básicos, también puede contener aditivos yE.T.S. CAMINOS, CANALES Y Dependiendo de la fase de construcción adiciones” (CEB-FIP, 1993) (UNE 83900 PUERTOS - VALENCIA de la estructura, tendremos diversos IN:1996) tipos de retracción. Antes del inicio del fraguado del hormigón se producirá un Para entender y controlar las propiedades “asentamiento” de éste en su vertido, del hormigón hay que estudiar su que producirá una disminución inicial estructura, la cual consta de tres fases: los del volumen. Una vez comience a áridos, la pasta de cemento endurecida y fraguar, tendrá lugar la retracción la zona de transición (Taylor, 1997). Tal “plástica” debida al gradiente de estudio, no obstante, entraña dificultades, humedades interior-exterior. que están relacionadas con la Asociación de Ciencias heterogeneidad y complejidad delAmbientales de la Comunidad Valenciana (ACA-C V) 19
  2. 2. PREMIOS BASF – MIGUEL ANGEL SOLER RUIZ Habrá una pérdida de volumen en la Por último, El proceso de hidratación de estructura causada por la evaporación del la pasta de cemento deja una cierta agua de amasado. De aquí que el curado proporción de cal libre, es decir, sin de las estructuras de este tipo sea clave participar en el proceso químico de para la vida de las mismas. fraguado. Esta cal libre es susceptible de combinarse con el anhídrido carbónico Una vez ha terminado el proceso de del aire, produciendo carbonato de fraguado, entonces tienen lugar las calcio, combinación química que tiene retracciones “por secado”, “autógena”, un carácter contractivo, por lo cual el “térmica” y por “carbonatación”. espesor de hormigón afectado por él disminuye su volumen inicial, La retracción “autógena” es una generándose la denominada retracción disminución de volumen que experimenta por carbonatación. En general, el el hormigón en una situación de no- espesor afectado es pequeño, intercambio de agua con en el exterior alcanzando sólo algunos milímetros en (Apuntes de clase, 2008). En sistemas la zona cercana a la superficie en sellados (sin aporte de agua exterior al contacto con el aire. Sin embargo, por el sistema), los poros finos drenan agua confinamiento que produce el hormigón desde los capilares de mayor tamaño, interior adyacente, esa capa queda causando una reducción de la humedad sometida a tensiones de tracción, relativa en el interior del material llamada pudiendo fisurarse. “secado autógeno”, que aumenta la actividad del agua de los poros y produce Centrémonos ahora en el estudio de la una disminución del volumen aparente. retracción por secado del hormigón o retracción hidráulica. En cuanto a la retracción “térmica”, el hormigón puede experimentar La retracción por secado variaciones de volumen causadas por la temperatura, las cuales pueden provenir a – Definición tanto externamente de la temperatura Disminución de volumen que presenta ambiente como internamente de la el hormigón ya endurecido como generada durante el fraguado y consecuencia de la pérdida de agua por endurecimiento de la pasta de cemento. evaporación. (Apuntes de clase, 2008) La evaluación de la retracción térmica puede efectuarse a partir del valor de las temperaturas producidas y de las características de dilatación térmica del elemento. E.T.S. CAMINOS, CANALES Y PUERTOS - VALENCIA Aspecto de una losa que ha sufrido retracción Asociación de Ciencias Ambientales de la Comunidad Valenciana (ACA-C V)20
  3. 3. PREMIOS BASF – MIGUEL ANGEL SOLER RUIZ Fig. 1 Variables que interaccionan en la retracción del hormigón b – Variables que interaccionan volumétrica debida a la retracción, pero Se trata de una deformación volumétrica, de evolución más rápida en el tiempo. pero se suele expresar como si se tratara de una deformación lineal. Depende de d – Parámetros preponderantes numerosas variables que, además, se interaccionan (ver Fig 1). d.1 – Composición química del cemento c – Algunos aspectos a tener en cuenta Influye principalmente en la variación de volumen, dado que ésta deriva del La retracción es un fenómeno lento: la desarrollo del proceso de fraguado. En única fuerza motriz es la pérdida de agua estas condiciones, si la composición del que sucede si la humedad relativa exterior cemento favorece un fraguado rápido e menor que la existente en el interior de de la pasta, ella también será favorable los poros (Aïtcin, 1997). Esta pérdida la para una más alta contracción inicial, si controla un proceso lento de difusión del existen condiciones ambientales no agua a través de la estructura porosa (fib, saturadas de humedad. Por las razones 1999), que depende, por tanto, de la indicadas, un alto contenido de C3A geometría de la pieza, del período de favorecerá una rápida y alta secado y de las condiciones ambientales, y contracción. no, excepto a una edad muy temprana, de la velocidad del viento (Neville, 1995). d.2 – Finura del cemento Una mayor finura del cemento favorece Sólo parte de la retracción es reversible. también una evolución rápida de sus La retracción máxima ocurre en el primer propiedades, en particular de suE.T.S. CAMINOS, CANALES Y ciclo de secado y el fenómeno se va fraguado. PUERTOS - VALENCIA haciendo más reversible con ciclos posteriores de humectación-secado d.3 – Dosis de cemento (Soroka, 1979), lo que es importante, pues Existe una relación casi directa entre la permite mejorar la estabilidad dosis de cemento y la retracción dimensional de los elementos hidráulica por estas causas. prefabricados con un almacenamiento previo a su puesta en obra. d.4 – Dosis de agua Dado que un mayor contenido de agua Si se conserva el material en atmósfera en el interior del hormigón conducirá a saturada o sumergido en agua, en vez de una mayor cantidad de fisuras y poros Asociación de Ciencias retracción experimenta un aumento de saturados, desde donde se origina laAmbientales de la Comunidad tensión superficial. volumen llamado entumecimiento, Valenciana (ACA-C V) bastante menor que la disminución 21
  4. 4. PREMIOS BASF – MIGUEL ANGEL SOLER RUIZ d.5 – Porosidad de los áridos Las armaduras también coaccionan la El valor de la retracción por esta causa retracción del hormigón circundante queda condicionado por la finura del debido a que la adherencia se desarrolla árido, siendo mayor cuando ésta mucho más rápidamente que la aumenta, puesto que ello implica una retracción, lo que puede generar fisuras mayor cantidad de discontinuidades en la de apariencia similar a las debidas a masa del árido. esfuerzos e flexión o de tracción (CEB, 1982). d.6 – Humedad Puesto que ella condiciona la velocidad de El fenómeno suele ir asociado a la evaporación del agua interior del retracción diferencial entre las capas hormigón. superficiales y el núcleo de las piezas, que origina un estado de “tensiones e. Fisuración provocada por la retracción autoequilibradas” (ver Fig. 4): de hidráulica tracción en la superficie y de compresión en el interior. e.1 – Causas y definición Se producen a consecuencia de las tensiones de tracción creadas en la masa de hormigón al quedar impedida la deformación provocada por los cambios volumétricos en la retracción de secado. Si se restringe, se van desarrollando fuerzas centradas o excéntricas, que producen fisuras cuando se agota la Fig. 3 Fisuración interna en la deformación última del material a retracción por secado (Fernández tracción (Hartl, 1984). Es el caso, por Cánovas, 1994) ejemplo, de la Fig. 2, que representa un muro de hormigón de cierto espesor construido sobre un cimiento e.2 – Morfología hormigonado con bastante antelación y La fisuración superficial producida es, que limita el acortamiento por retracción principalmente, una fisuración en del alzado (ACI Fall Convention, 1985) “mapa” (ver Fig. 5), difícil de distinguir de la que causan estados tensionales similares debidos a gradientes térmicos actuantes a lo largo de la sección transversal (ver Fig. 4). La instalación de un acondicionamiento térmico puede disminuir la humedad E.T.S. CAMINOS, CANALES Y relativa media habitual, aumentando la PUERTOS - VALENCIA Fig. 2 Retracción por secado en el alzado de un muro retracción y se puede fisurar el hormigón en cualquier instante de la vida útil de la estructura (CEB, 1982) Los áridos muy gruesos se oponen a la retracción de la matriz y causan una Las fisuras de retracción de secado, a fisuración interna en torno a ellos que diferencia de otras retracciones, suelen no se acusa al exterior y no modifica el tener una anchura constante y un volumen aparente de la pieza (Ver Fig. trazado limpio sin entrecruzado ni 3) (Fernández Cánovas, 1994) ramificaciones. Si la distribución de las Asociación de Ciencias fisuras es buena, estas fisuras de Ambientales de la Comunidad Valenciana (ACA-C V)22
  5. 5. PREMIOS BASF – MIGUEL ANGEL SOLER RUIZ Fig. 4 Isotermas en la sección transversal y representación de las tensiones autoequilibradas retracción son muy estrechas, del orden en vez de en la viga. En el caso de 0,05 a 0,1 mm de anchura y es contrario, en vigas con luz más o menos frecuente que no tengan más de 0,02 grande, pueden aparecer fisuras mm. Tampoco son profundas y no suelen perpendiculares a su eje, de espesor penetrar en el hormigón de 4 a 10 mm. constante, que seccionan las vigas si Pueden aparecer a partir de las dos o tres éstas se encuentran coaccionadas por semanas desde el vertido del hormigón, pilares de gran rigidez. pero el riesgo de su aparición persiste en condiciones normales hasta un año, e.4 – Fisuración en los distintos tipos retardándose a veces hasta los dos y tres de elementos estructurales años, en función de las condiciones de Haremos un breve recorrido por los sequedad atmosférica. diversos elementos que podemos encontrar en una estructura y el e.3 – Influencia de la rigidez en la comportamiento de éstos frente a la fisuración fisuración debida a la retracción por En este tipo de fisuración juegan un papel secado que se produce. importante la rigidez del elemento estructural y sobre todo, la del conjunto e.4.1 – Elementos tipo pórtico estructural que le afecta. Se puede dar el Un caso típico de fisuras de retracción caso de que en vez de producirse la hidráulica lo tenemos en el caso de un fisuración en el elemento que se acorta, pórtico de una crujía con dos vigas a se produzca en los elementos que están distinto nivel. Si la viga superior tiene unidos a él (Véase Fig.5). Este efecto es más rigidez y está más armada que la frecuente en vigas de sección grande y inferior retraerá menos que ésta, dando muy armadas unidas a pilares esbeltos y lugar a que la última sea la que se fisure. poco rígidos; en este caso las fisurasE.T.S. CAMINOS, CANALES Y aparecen en la cabeza y pie de los pilares PUERTOS - VALENCIA Asociación de Ciencias Fig. 5 Fisuración en mapa y afección de elementos estructurales con distinta rigidezAmbientales de la Comunidad Valenciana (ACA-C V) 23
  6. 6. PREMIOS BASF – MIGUEL ANGEL SOLER RUIZ En los forjados pueden aparecer fisuras de retracción si estos están coaccionados por vigas o nervios unidos a ellos. e.4.2 – Elementos verticales La retracción en elementos verticales puede originar fisuras en elementos horizontales que funcionen hiperestáticamente con ellos. En el caso de retracción diferencial en los diferentes elementos verticales, da lugar a un estado tensional en las vigas y forjados que Fisuración en ménsulas, pilares y vigas puede ser comparable al producido por un asiento diferencial del terreno. e.4.3 – Láminas y cáscaras La retracción en láminas y cáscaras, al elementos muy armados en los que las tener más libertad de deformación que propias armaduras son las que los otros elementos estructurales, se coaccionan los movimientos del núcleo traduce en una reducción de las flechas si de la pieza y no los de ellos que al ser las vigas de borde impiden los más superficiales son más propensos a movimientos en estas líneas. Sin embargo, retraer, dando lugar a la aparición de al deformarse la lámina por retracción fisuras superficiales y en ocasiones a pueden aparecer fisuras en su intradós. pequeños desprendimientos localizados Las fisuras de retracción en láminas en zonas del recubrimiento. deformables, pero coaccionadas en sus bordes, son muy parecidas a las de flexión e.6 – Fisuración por entumecimiento presentando una abertura variable que va hidráulico disminuyendo desde el intradós hasta la El caso opuesto a la retracción también línea neutra de la sección. puede presentar patologías. Aquellas que aparecen a consecuencia del e.4.4 – Muros de contención aumento de volumen del hormigón, Los muros de contención de tierras son como consecuencia de un contacto elementos de gran masa con tendencia a permanente con el agua. Desde el punto sufrir los efectos de la retracción. Por lo de vista de la fisuración, son menos general, las fisuras en estos muros, suelen peligrosas que las de retracción debido presentarse en su coronación y van a la menor resistencia a tracción de los decreciendo hacia el terreno a la vez que hormigones y a los valores relativos más van cerrándose hasta llegar a desaparecer altos de las retracciones con respecto a en la proximidad de éste debido a que la los entumecimientos. E.T.S. CAMINOS, CANALES Y humedad y el abrigo que proporciona el PUERTOS - VALENCIA terreno son unas condiciones muy e.7 – La fisuración del hormigón favorables para el curado. Finalmente queda exponer la famosa figura de Beeby (1984) donde se recoge e.5 – Algunos ejemplos de fisuración por un resumen de todas las causas que retracción hidráulica pueden producir fisuración en el La fisuración por retracción hidráulica hormigón: puede afectar solamente a los recubrimientos. Esto ocurre en los Asociación de Ciencias Ambientales de la Comunidad Valenciana (ACA-C V)24
  7. 7. PREMIOS BASF – MIGUEL ANGEL SOLER RUIZ Fig. 6 Las causas de la fisuración en el hormigón (Beeby, 1984) f- Cálculo de la retracción por secado Siendo: Vamos a introducir un modelo de cálculo fcm resistencia media a compresión del muy aproximado para la obtención de la hormigón a la edad de 28 días, en MPa retracción por secado εcs(t,ts) en una pieza βsc coeficiente función de la velocidad de hormigón. intrínseca de hidratación del cemento βsc=4 velocidad lenta (CEM 32,5) εcs (t,ts) = εcs0 * βs (t-ts) βsc=5 velocidad normal (CEM 32,5R y CEM 42,5) βsc=8 velocidad rápida (CEM 42,5R y Siendo: CEM 52,5) t edad del hormigón, en días, en el instante de la evaluación HR humedad relativa de la atmósfera ts edad del hormigón, en días, en tanto por ciento cuando comienza la retracción εcs0 coeficiente básico de retracción βs (t-ts) coeficiente que modula la f.2- A continuación calcularemos el evolución de la retracción en el tiempo coeficiente βs (t-ts), mediante la expresión: f.1- Abordemos a continuación el cálculo de los coeficientes que intervienen. En primer lugar calcularemos el coeficiente básico de la retracción εcs0: Donde: εcs0= εs * βHRE.T.S. CAMINOS, CANALES Y PUERTOS - VALENCIA Donde: espersor medio de la pieza, en milímetros εs=[160+ βsc(90-fcm)]x10-6 Siendo: βHR=-1,55[1-(HR/100)3] si 40%≤HR<99% βs1 Ac área de la sección transversal del elemento en mm2 βHR=0,25 u perímetro de ésta en contacto con el medio exterior en mm si HR≥99% βs1 Asociación de CienciasAmbientales de la Comunidad βs1=(0,35/ fcm)0,1 Valenciana (ACA-C V) 25
  8. 8. PREMIOS BASF – MIGUEL ANGEL SOLER RUIZ Bibliografía CEB-FIP (1993), Código Modelo (Model Code) 1990. CEB Bull. d’Information Nº 213/214. Ed. Thomas Telford. Londres. TAYLOR, H.F.V. (1997), Cement Chemistry. 2ª edición. Reimpresión de 1998. Ed. Thomas Telford. Londres. MEHTA, P.K.; MONTEIRO, P.J.M. (1994), Concreto. Estructura, propiedades e materais. Ed. Pini Ltda. Sao Paulo, Brasil. AÏTCIN, P-C. (1997), Integrated view of shrinkage deformation. Concrete International. Septiembre. fib (Fédération Internationale du Béton) (1999), Structural concrete. NEVILLE, A.M. (1995), Properties of Concrete. 4ª y última edición. Reimpresión de 1997. Ed. Addison Wesley Longman Ltd. Essex, Inglaterra. SOROKA, I. (1979), Portland cement paste and concrete. 1ª edición. Ed. The Macmillan Press Ltd. Londres. HARTL, G. (1984), Physical processes related to concrete. CEB-RILEM International Workshop: Durability of concrete structures. CEB Bull. d’Information Nº152, Abril. ACI FALL CONVENTION (1985), Debate: crack with, cover, and corrosion. Concrete International, vol. 7, Nº5, Mayo FERNÁNDEZ CÁNOVAS, M. (1994), Patología y terapéutica del hormigón armado. 3ª edición, Ed. Colegio de Ing. Caminos, C. y P. Madrid. CEB (1982), Durability of concrete structures. State of the-Art-Report. CEB Bull. d’Information Nº148. Febrero. PEREPÉREZ, B.; BARBERÁ, E. (2005), Manual del hormigón estructural. Valencia. BEEBY, A.W. (1984), Causes of cracking – Summary. CEB-RILEM International Workshop: Durability of concrete structures. CEB Bull. d’Information Nº152. Abril. E.T.S. CAMINOS, CANALES Y PUERTOS - VALENCIA Asociación de Ciencias Ambientales de la Comunidad Valenciana (ACA-C V)26

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