PROBLEMAS EN CLIMA DE ALTA TEMPERATURA
Las condiciones de clima caluroso influencian adversamente la calidad del concreto, principalmente acelerando la tasa de pérdida de humedad y la velocidad de hidratación del cemento. Las condiciones perjudiciales del clima caluroso incluyen: •
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Alta temperatura ambiente Alta temperatura del concreto Baja humedad relativa Alta velocidad del viento Radiación solar
Las condiciones del clima caluroso pueden crear dificultades, tales como: •
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Aumento de la demanda de agua Aceleración de la pérdida de revenimiento (asentamiento), llevando a la adición de agua en la obra Aumento de la tendencia de fisuración (agrietamiento) plástica Necesidad de curado temprano Dificultades en el control del aire incluido (incorporado) Aumento de la temperatura del concreto, co ncreto, resultando en pérdida de resistencia a lo largo del tiempo Aumento del potencial de fisuración térmica
La adición de agua en la obra puede afectar negativamente las propiedades y las condiciones de servicio del concreto endurecido, resultando en: •
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Disminución de la resistencia, por el aumento de la relación agua-cemento Disminución de la durabilidad, debido a la fisuración Aumento de la permeabilidad Apariencia no uniforme de la superficie Aumento de la tendencia de retracción (contracción) por secado Disminución de la resistencia a abrasión, por la tendencia de rociar agua durante el acabado
La temperatura más favorable para lograrse una alta calidad del concreto fresco es normalmente más baja que aquélla obtenida, durante el clima cálido. Se desea una temperatura del concreto de 10°C a 15°C para maximizar las propiedades de la mezcla, pero tal temperatura ni siempre es posible. Muchas especificaciones requieren sólo que el concreto tenga una temperatura igual o inferior a 29°C a 32°C Las precauciones se deben planear con antelación para oponerse a los efectos de las altas temperaturas cuando el concreto se coloca a una temperatura entre 25°C y 35°C Cuáles precauciones se deben emplear y cuándo emplearlas depende de: ti po de construcción, características de los materiales usados y experiencia del equipo en el colado y acabado del concreto bajo las condiciones atmosféricas de la obra. La lista de precauciones siguiente reduce o evita los problemas potenciales de la colocación en clima caluroso: •
Uso de materiales y proporciones que tengan un buen registro en condiciones de clima cálido
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Enfriamiento del concreto o de uno o más ingredientes Uso de un concreto con una consistencia que permita su rápida colocación y consolidación Reducción al máximo del tiempo de transporte, colado y acabado Programación de la colocación del concreto para limitar la exposición a las condiciones atmosféricas, como por la noche o durante condiciones favorables de clima Consideración de métodos para limitar la pérdida de humedad durante el colado y el acabado, tales como sombrillas, parabrisas, niebla y rociada Aplicación temporaria, después del acabado, de películas que retienen la humedad Organización de una reunión antes del inicio de la construcción para discutir las precauciones necesarias en el proyecto
EFECTO DE LAS ALTAS TEMPERATURAS EN EL CONCRETO
A medida que la temperatura del concreto aumenta, hay una pérdida de revenimiento (asentamiento) que normalmente se compensa inadvertidamente con la adición de agua al concreto en la obra. En temperaturas más elevadas, una mayor cantidad de agua se necesita para mantener el revenimiento constante. La adición de agua sin la adición de cemento resulta en mayor relación agua cemento, disminuyéndose la resistencia en todas las edades y afectando negativamente otras propiedades del concreto endurecido. A este efecto se suma el efecto adverso de las altas temperaturas sobre la resistencia a edades más avanzadas, aún cuando no hay adición de agua. La adición de cemento para compensar el aumento del agua de mezcla puede ser insuficiente para que se logren las propiedades deseadas, pues el aumento del cemento va a aumentar aún más la temperatura del concreto y la demanda de agua. En clima caluroso, hay un aumento de la tendencia deformación de fisuras tanto antes como después del endurecimiento. La evaporación rápida del agua del concreto recién colocado puede causar agrietamiento por retracción plástica antes que la superficie endurezca. Las fisuras también se pueden desarrollar en el concreto endurecido como resultado del aumento de la contracción por secado debido al aumento del contenido de agua o a los cambios de volumen debidos al efecto térmico a medida que el concreto se enfría. MATERIALES CEMENTANTES SUPLEMENTARIOS
Muchos productores de concreto consideran que el uso de materiales cementantes suplementarios es esencial en climas calurosos. Estos materiales son cenizas volantes, otras puzolanas y escoria granulada de alto horno. Estos materiales generalmente bajan la velocidad de fraguado y la pérdida de revenimiento. Sin embargo, se hacen necesarios cuidados durante el acabado porque la tasa de sangrado (exudación) puede ser menor que la tasa de evaporación, resultando en fisuración por retracción plástica. Esto se discute más detalladamente en “Fisuración por Retracción Plástica”.
FISURACIÓN POR RETRACCIÓN PLÁSTICA
La fisuración por retracción plástica (agrietamiento por contracción plástica) a veces ocurre en la superficie del concreto fresco en seguida a la colocación, mientras se la está acabando o poco después de esto (Fig. 13-7). Estas fisuras que aparecen principalmente en superficies horizontales se las puede eliminar considerablemente si se toman medidas preventivas. La fisuración por retracción plástica se asocia normalmente con la colocación en clima cálido, sin embargo puede ocurrir en cualquier ambiente que produzca evaporación rápida. Estas fisuras ocurren cuando el agua se evapora de la superficie más rápidamente que el aparecimiento del agua de sangrado (exudación), pues crea un secado rápido y tensiones de tracción, resultando en fisuras cortas e irregulares. La longitud de las fisuras es generalmente de 50 a 1000 mm (pocas pulgadas hasta 3 pies) y se espacian de manera irregular de 50 a 700 mm (pocas pulgadas hasta 2 pies). La Figura 13-8 es útil para la determinación de cuando las precauciones se hacen necesarias. No hay manera de predecirse con seguridad cuando la fisuración por retracción plástica va a ocurrir. Una o más precauciones listadas abajo pueden minimizar la ocurrencia de fisuración plástica. Se las debe considerar al planearse la construcción en clima cálido o al depararse con este problema después que la obra ya se haya empezado. Se presenta la lista en el orden que se deben realizar durante la construcción: 1. Humedecer los agregados que estén secos y son absorbentes. 2. Mantener la temperatura del concreto baja a través del enfriamiento de los agregados y del agua de mezcla. 3. Humedecer la subrasante (Fig. 13-9) y las cimbras antes de la colocación del concreto. 4. Levantar los parabrisas temporarios para reducir la velocidad del viento sobre la superficie del concreto. 5. Levantar sombrillas temporarias para reducir la temperatura sobre la superficie del concreto. 6. Proteger el concreto con cubiertas temporarias, tales como los forros de polietileno, durante cualquier retraso significativo entre la colocación y el acabado. 7. Rociar la losa inmediatamente después de la colocación y antes del acabado, tomando cuidado para prevenir la acumulación de agua que reduce la calidad de la pasta de cemento en la superficie de la losa. 8. Adicionar fibras plásticas a la mezcla de concreto para ayudar a disminuir la formación de fisuras plásticas.
2. PROBLEMAS EN CLIMAS BAJAS TEMPERATURAS
Según el ACI-306R se considera clima frío si la temperatura ambiental media por más de 3 días consecutivos es menor de 4ºC(40F) y permanece bajo 10ºC(50ºF) pero sii la temperatura ambiental media se mantiene superior a 10ºC ya no se considera clima frío (en el caso de las normas Peruanas y otras sudamericanas). Cuando el concreto se congela el agua libre se convierte en hielo aumentando su volumen que en estado sólido rompe la débil adherencia entre las partículas del concreto, si aún no se ha iniciado el proceso de endurecimiento. Asimismo debido a las bajas temperaturas se produce una disminución de la actividad o reacción química, para el proceso de endurecimiento del concreto el cual puede llegas afectan el concreto originando el secado , principalmente de su superficie. La resistencia mínima para que no se produzcan reducciones significativas en la resistencia final del concreto debido al congelamiento es de 35 kg/cm2, por lo cual es fundamental la protección del concreto durante las primeras 24 horas hasta lograr esa resistencia mínima. Es por ello que las medidas que deberíamos de tomar son las siguientes: a) Controlar la temperatura del concreto dentro de rangos permisibles durante la preparación, transporte, colocación y c urador a disminuir notablemente. Por todos estos motivos los ciclos de congelamiento y deshielo, pueden afectar gravemente la calidad final del concreto aun cuando se haya iniciado el proceso de endurecimiento. Los climas fríos y muy secos. b) Evitar que el concreto se congele hasta lograr su resistencia mínima. CLIMA FRIO
El concreto se puede colocar de manera segura, sin daños debidos a la congelación, si se toman ciertas precauciones. El ACI comité 306 define clima frio como el periodo en que durante más de 3 días sucesivos el promedio de la temperatura del aire baja menos de 4°C (40°F) y permanece bajo 10°C (50°F) durante más de la mitad de c ualquier periodo de 24 horas. La mezcla de concreto y su temperatura se deben adaptar a los procedimientos constructivos y a las condiciones del clima. EFECTO DE LA CONGELACIÓN DEL CONCRETO FRESCO
El concreto desarrolla muy poca resistencia a bajas temperaturas. Por lo tanto, el concreto fresco se debe proteger contra los efectos de la congelación hasta que su grado de saturación se haya reducido suficientemente por el proceso de hidratación. El momento en que se logra esta reducción corresponde aproximadamente al tiempo necesario para que el concreto desarrolle una resistencia de 35 kg/cm2 o 3.5 MPa (500 lb/pulg2). Esto ocurre durante las primeras 24 horas después del colado, bajo temperaturas normales y relaciones agua-cemento menores que 0.60. El periodo crítico, después del cual el concreto no se daña seriamente por uno o dos ciclos de congelación, depende de los ingredientes del concreto y de las condiciones de mezclado, colocación, curado y posterior secado. Por ejemplo, el concreto con aire incluido (incorporado) es menos susceptible a los daños causados por la congelación a edades tempranas que el concreto sin aire incluido.
DESARROLLO DE RESISTENCIA A BAJAS TEMPERATURAS
La temperatura afecta la velocidad de hidratación del cemento; bajas temperaturas retardan la hidratación y, consecuentemente, retardan el endurecimiento y el desarrollo de la resistencia del concreto. Si el concreto se congela y se mantiene congelado a una temperatura mayor que -10°C (14°F), va a desarrollar resistencia lentamente. Abajo de esta temperatura, la hidratación del cemento y el desarrollo de la resistencia se paralizan. Las figuras 14-3 y 14-4 muestran el efecto de las bajas temperaturas sobre el tiempo de fraguado y sobre el revenimiento (asentamiento), respectivamente. Las figuras 14-5 y 14-6 enseñan la resistencia a compresión a lo largo del tiempo, con relación a la temperatura de colado y curado. Observe que en la figura 14-6 los concretos colados y curados a 4°C (40°F) y a 13°C (55°F) presentaron resistencias más bajas en la primera semana, pero después de 28 días, cuando los especímenes se curaron a 23°C (73°F), sus resistencias crecieron más rápidamente que el concreto colado y curado a 23°C (73°F) y con un año sus resistencias se presentaron un poco mayores. CALOR DE HIDRATACIÓN
El concreto genera calor durante su endurecimiento como consecuencia del proceso químico a través del cual el cemento reacciona con el agua para formar una pasta endurecida y estable. El calor generado se llama calor de hidratación y su cantidad y tasa de liberación varían dependiendo de:
tipo de cemento las dimensiones del elemento de concreto la temperatura ambiente la temperatura inicial del concreto la relación agua-cemento los aditivos y la composición finura y cantidad del material cementante
MEZCLAS ESPECIALES DE CONCRETO
En la construcción durante el invierno, es deseable alta resistencia en edades tempranas para reducir el periodo de tiempo durante el cual se requiere una protección temporaria. El concreto de alta resistencia inicial se puede obtener con el uso de uno o la combinación de varios de los siguientes puntos: 1. Cemento de alta resistencia inicial 2. Cemento portland adicional (60 a 120 kg/m3 o 100 a 200 lb/yd3) 3. Aceleradores químicos Se pueden emplear pequeñas cantidades de aceleradores, tales como cloruro de calcio (con una dosis máxima de 2% por masa de cemento portland). No se recomiendan los cloruros para concretos expuestos a suelos o aguas que contengan sulfatos o para concretos susceptibles a la reacción álcali-agregado.
CONCRETO CON AIRE INCLUIDO
Los concretos sin aire incluido pueden sufrir pérdida de resistencia y daños internos y de superficie, como resultado de la congelación-deshielo. TEMPERATURA DEL CONCRETO AL MEZCLARSE
La temperatura del concreto durante el mezclado no debe ser menor que las líneas 1, 2 o 3 de la tabla 14-1, para los respectivos espesores. Temperatura del Agregado. La temperatura de los agregados varía con el clima y el tipo de almacenamiento. Los agregados normalmente contienen terrones congelados e hielo cuando la temperatura está por debajo de la congelación. Los tres métodos más comunes de calentamiento de agregados son: 1) 2) 3)
almacenamiento en cubos o tolva de pesaje, calentados por espirales de vapor o vapor directo; almacenamiento en silos calentados por aire caliente o espiral de vapor y amontonamiento de agregados en pilas sobre losas o tuberías calentadas.
TEMPERATURA DEL AGUA DE MEZCLA
De todos los ingredientes usados para la producción del concreto, el agua es el que más fácilmente se calienta. La masa de los agregados y cemento en el concreto es mucho mayor que la masa del agua, sin embargo, el agua puede almacenar cinco veces más calor que el cemento y el agregado con la misma masa. MATERIALES AISLANTES
El calor y la humedad se pueden retener en el concreto con las mantas aisladoras comercialmente disponibles (Fig. 14- 19). Las cimbras aislantes permanentes se volvieron populares en la construcción en clima frío en los años 90 (Fig. 14-20). CALENTADORES
En la construcción de concreto en clima frío, se pueden emplear tres tipos de calentadores o calefactores: Flama directa, flama indirecta y sistemas hidrónicos. Las unidades de flama directa se pueden utilizar para calentar los recintos encerrados debajo del concreto colocado en losas de piso y techo. Los calefactores de flama indirecta poseen ventilación para remover los productos de la combustión. Los sistemas hidrónicos transfieren calor a través de la circulación de una solución de glico l/agua en un sistema encerrado de tuberías y mangueras.
3. CONSIDERACIONES DE TEMPERATURA PARA CONCRETO MASIVO
El ACI comité 116 define el concreto masivo como siendo “Cualquier gran volumen de concreto colado en la obra, con dimensiones suficientemente grandes que requieran medidas para enfrentar la generación de calor y para controlar los cambios de volumen, a fin de minimizar el agrietamiento”.
En el concreto masivo, el aumento de temperatura es resultante del calor de hidratación de los materiales cementantes. A medida que la temperatura del concreto en el interior aumenta y el concreto se expande, la superficie puede estar enfriándose y contrayéndose. Esto origina esfuerzos de tensión (tensión de tracción) que pueden resultar en fisuras en la superficie, si el gradiente de temperatura entre la superficie y el centro es muy grande. El ancho y la profundidad de las fisuras dependen del gradiente de temperatura, propiedades físicas del concreto y del acero de refuerzo.
El aumento de temperatura en el concreto masivo se relaciona con su temperatura inicial (Fig. 18-9), la temperatura ambiente, el tamaño del elemento de concreto (relación volumen-área superficial y dimensión mínima) y el tipo y la cantidad de los materiales cementantes.
A fin de evitarse el agrietamiento (fisuración), no se debe permitir que la temperatura interna del concreto en presas y en otras estructuras reforzadas de concreto, que posean relativamente baja resistencia a compresión, exceda en más que 11°C a 14°C (20°F a 25°F) el promedio anual de temperatura ambiente (ACI 308). El aumento de la temperatura interna del concreto se puede controlar de varias maneras: (1) bajo contenido de cemento – 120 a 270 kg/m3 (200 a 450 lb/yd3), (2) agregados grandes – 75 a 150 mm (3 a 6 pulg.), (3) alto contenido de agregado grueso – hasta 80% del contenido total de agregados, (4) cemento de bajo calor de hidratación, (5) puzolanas –el calor de hidratación de la puzolana puede ser del 25% al 75% del cemento, (6) reducción de la temperatura inicial del concreto para aproximadamente 10°C (50°F) a través del enfriamiento de los ingredientes del concreto, (7) enfriamiento del concreto, a través de la inserción de tubería de enfriamiento, (8) cimbras (encofrados) de acero para la disipación rápida del calor, (9) curado con agua y (10) colados pequeños – 1.5 m (5 pies) o menos durante el colado. Investigaciones y la experiencia han mostrado que el limitándose el diferencial máximo de temperatura entre el interior y la superficie exterior del concreto a menos de 20°C (36°F), se puede minimizar o evitar el agrietamiento de la superficie (FitzGibbon 1977 y Dintel y Ghosh 1978). Al limitarse el diferencial de temperatura a 20°C (36°F) o menos, el concreto se enfriará lentamente, hasta que alcance la temperatura ambiente, con el desarrollo de poco o ningún agrietamiento de la superficie. Sin embargo, esto es válido sólo si el miembro no está restringido por el acero del refuerzo continuo que cruce la superficie de contacto de secciones adyacentes u opuestas del concreto endurecido. Temperatura del Concreto al Mezclarse La temperatura del concreto durante el mezclado no debe ser menor que las líneas 1, 2 o 3 de la tabla 14-1, para los respectivos espesores de sección. Observe que se recomiendan temperaturas de concreto más bajas para el concreto masivo porque el calor generado durante la hidratación se disipa más lentamente en secciones más espesas.
4.RESISTENCIA AL CONGELAMIENTO Y DESHIELO DEL CONCRETO.
Se espera que el concreto empleado en estructuras y pavimentos tenga una vida larga y poco mantenimiento. El concreto debe tener una buena durabilidad para resistir a condiciones de exposición anticipadas. El factor de intemperismo potencialmente más destructivo es la congelación y deshielo (hielo-deshielo) mientras el concreto está húmedo, principalmente en la presencia de anticongelantes (descongelantes). El deterioro es causado por la congelación del agua y su posterior expansión en la pasta, agregado o ambos.
Fig. 1-25. El concreto con aire incluido (barra de abajo) es muy resistente a ciclos repetidos de congelamiento y deshielo. (P25542) Con el empleo de aire incluido, el concreto es altamente resistente a este tipo de deterioración, como se puede observar en la Figura 1-25. Durante la congelación, el agua desplazada por la formación de hielo en la pasta se acomoda, no siendo perjudicial; las burbujas microscópicas de aire en la pasta ofrecen cámaras para que el agua entre y entonces alivíese la presión hidráulica generada. Cuando la congelación ocurre en el concreto que contiene agregado saturado, presiones hidráulicas perjudiciales se pueden crear también en el agregado. El agua, desplazada de las partículas de agregado durante la formación del hielo, no se puede escapar hacia la pasta circundante suficientemente rápido para el alivio de presión. Sin embargo, para la mayoría de las condiciones de exposición, una pasta de buena calidad (baja relación agua-cemento) va a prevenir la saturación de la mayoría de los agregados. Si la pasta contiene aire incluido, ella va a acomodar la pequeña cantidad de agua en exceso que se pueda expeler de los agregados, protegiendo así el concreto contra el daño del congelamiento y deshielo. La Figura 1-26 enseña, para una serie de relaciones agua-cemento, que (1) el concreto con aire incluido es más resistente a los ciclos de congelamiento y deshielo que un concreto sin aire incluido, (2) el concreto con baja relación agua-cemento es más durable que un concreto con alta relación agua-cemento y (3) un periodo de secado antes de la exposición a la congelación y deshielo beneficia grande- mente la resistencia al congelamiento y deshielo del concreto con aire incluido. El concreto con aire incluido y baja relación agua-cemento, con un contenido de aire del 5% al 8% va a resistir a un gran número de ciclos de congelación y deshielo sin presentar fallas.
La durabilidad al congelamiento y deshielo se puede determinar a través de ensayos de laboratorio como la ASTM C 666, Standard Test Method for Resistance of Concrete to Rapid Freezing and Thawing (AASHTO 161) (Norma de método de ensayo acelerado para la resistencia a congelamiento y deshielo), IRAM 1661 (Hormigones. Método de ensayo de resistencia a la congelación en aire y deshielo en agua), NCh2185 of 1992 (Hormigón y mortero - Método de ensayo – Determinación de la resistencia a la congelación y el deshielo) y NMX-C-205-79 (Determinación de la resistencia del concreto a la congelación y deshielo acelerados). Através del ensayo de la ASTM se calcula un factor de durabilidad que refleja el número de ciclos de congelación y deshielo necesario para producir una cierta cantidad de deterioro. La resistencia al descascaramiento por anticongelantes puede ser determinada por l a ASTM C 672, Norma de método de ensayo para resistencia al descascaramiento de superficies de concreto expuestas a anticongelantes (Standard Test Method for Scaling Resistance of Concrete Surfaces Exponed to Deicing Chemicals).
Fig. 1-26. Relación entre la resistencia al congelamiento y deshielo, relación agua-cemento y desecación de concretos con aire incluido y concretos sin aire incluido, confeccionados con cemento tipo 1 (ASTM). La alta resistencia a congelamiento y deshielo es asociado al aire incluido, baja relación agua-cemento y desecación antes de la exposición al congelamiento y deshielo (Backstrom y otros 1955).
