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Efectos del calor en el fraguado del hormigón fresco

Figura 1. Hormigonado en tiempo caluroso. https://hormigonaldia.ich.cl/recomendaciones-tecnicas/hormigonado-en-tiempo-caluroso/

Una temperatura elevada del hormigón fresco acelera la reacción química de fraguado y aumenta la velocidad de hidratación, lo que incrementa la demanda de agua para lograr una determinada consistencia. Aproximadamente, un aumento de 10 °C en la temperatura del hormigón requiere unos 7 litros de agua adicionales por metro cúbico para mantener la misma consistencia. Además, si se desea aumentar el asentamiento del cono de Abrams en 25 mm, se debería incrementar en un 2 % la cantidad de agua necesaria; sin embargo, a 40 °C, sería necesario un 3,5 % adicional de agua (ver Calavera et al., 2004). Esto reduce la fluidez del hormigón, que disminuye rápidamente con el tiempo, dificultando las condiciones de puesta en obra.

Otro efecto de las altas temperaturas es la rápida pérdida de consistencia del hormigón. A temperatura normal, el hormigón puede perder alrededor de 25 mm de asentamiento en media hora. Sin embargo, a temperaturas elevadas, esta pérdida aumenta significativamente debido a la evaporación y al mayor consumo de agua durante la rápida reacción química inicial del cemento.

Dado que no es posible aumentar la cantidad de agua en la mezcla sin comprometer la resistencia y durabilidad del hormigón, es necesario añadir plastificantes o cambiar a superfluidificantes para mantener las condiciones de trabajabilidad previstas, o reducir los tiempos de puesta en obra. En el caso de uso de hormigón premezclado, puede requerirse estos aditivos en obra con un nuevo mezclado, una operación cuyo control es complejo. Por otro lado, la eficacia del superfluidificante disminuye rápidamente con el aumento de la temperatura, aunque productos derivados de copolímeros vinílicos pueden mitigar este problema.

Los hormigones fabricados, colocados y curados a temperaturas más altas desarrollan su resistencia rápidamente. Se ha observado que el endurecimiento del hormigón a 35 °C es el doble de rápido que a 20 °C. Sin embargo, debido a un curado deficiente, estos hormigones suelen presentar menores resistencias a los 7 y 28 días. En efecto, a los 28 días, la resistencia puede disminuir entre un 15 % y un 20 % (ver Calavera et al., 2004). Esta pérdida de resistencia se explica por la formación de productos de hidratación más porosos, resultado de un proceso de hidratación acelerado e imperfecto.

Las altas temperaturas ambientales suelen acompañarse de bajas humedades relativas, lo que aumenta la evaporación del agua del hormigón fresco, reduciendo la cantidad disponible para la correcta hidratación del cemento. Asimismo, la rápida pérdida de agua del hormigón superficial, superior al aporte por difusión desde el resto del hormigón, provoca la formación de fisuras superficiales por retracción plástica. Estos efectos se agravan con la presencia de viento y la exposición al sol (ver nomograma de Menzel). El secado superficial comienza cuando la velocidad de evaporación supera la velocidad a la que el agua asciende a la superficie recién colocada por exudación. Además, si las condiciones de sequedad son suficientes, puede formarse una costra superficial seca que bloquea el agua de exudación, impidiendo que llegue a la superficie. Esta agua queda almacenada bajo la capa seca, lo que puede ocasionar una descamación posterior.

El rápido endurecimiento del hormigón incrementa la velocidad de generación de calor durante la hidratación del cemento, lo que provoca altas temperaturas y mayores diferencias térmicas debido a la lenta disipación del calor. La alta temperatura altera el proceso de hidratación, generando compuestos como la etringita, que perjudican la durabilidad del hormigón.

Las diferencias térmicas entre el núcleo y la periferia de las piezas generan tensiones de tracción que el hormigón en proceso de endurecimiento no puede soportar, provocando fisuras que reducen su durabilidad. En secciones delgadas, de menos de 150 mm, es crucial evitar la formación de fisuras de retracción plástica, ya que pueden afectar una parte significativa de la sección. En elementos masivos, el problema radica en el riesgo de fisuración térmica debido a las altas temperaturas que el hormigón puede alcanzar. Las fisuras pueden aparecer tanto durante la fase de aumento de temperatura (fisuras internas) como durante el enfriamiento (fisuras en la superficie). Para prevenir esto, la temperatura de colocación del hormigón no debe superar los 15 °C, siendo preferible que esté alrededor de 5 °C. Además, la diferencia de temperatura entre dos puntos de la sección no debe exceder los 20 °C, lo que requiere el uso de protección térmica durante el curado.

En elementos protegidos de grandes cambios de humedad, como las cimentaciones de estructuras interiores, la temperatura máxima durante el proceso de fraguado no debería superar los 80 °C. Si se trata de estructuras exteriores que no están protegidas de cambios de humedad, no debería exceder los 70 °C. Para elementos especialmente expuestos a ciclos de hielo-deshielo, la temperatura no debería sobrepasar los 65 °C, o incluso menos. Esta temperatura máxima generalmente se alcanza entre las 12 y 24 horas desde el amasado.

Para evitar los efectos perjudiciales del calor en el hormigón fresco, se pueden adoptar dos tipos de medidas: utilizar hormigón más frío y diseñar una mezcla adecuada en cuanto a componentes y dosificación. Pero este tipo de precauciones las estudiaremos en detalle en otro artículo.

Referencias:

AA. VV. (2002). Hormigones de ejecución especial (seis tipos). Colegio de Ingenieros de Caminos, Madrid, 114 pp.

ACI COMMITTEE 304. Guide for Measuring, Mixing, Transporting, and Placing Concrete. ACI 304R-00.

CALAVERA, J. et al. (2004). Ejecución y control de estructuras de hormigón. Intemac, Madrid, 937 pp.

GALABRU, P. (1964). Tratado de procedimientos generales de construcción. Obras de fábrica y metálicas. Editorial Reverté, Barcelona, 610 pp.

MARTÍ, J.V.; YEPES, V.; GONZÁLEZ, F. (2014). Fabricación, transporte y colocación del hormigón. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, 189 pp.

YEPES, V. (2020). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia, 2ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 480 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-903-1.

YEPES, V. (2023). Maquinaria y procedimientos de construcción. Problemas resueltos. Colección Académica. Editorial Universitat Politècnica de València, 562 pp. Ref. 376. ISBN 978-84-1396-174-3

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Razones para compactar el hormigón

Figura 1. Vertido y vibración del hormigón. https://www.paviconj-es.es/hormigon-precios/hormigon-compactado/

Después de la mezcla, transporte y vertido del hormigón, este suele contener aire atrapado en forma de espacios vacíos. Cuando el hormigón no se compacta adecuadamente, pueden surgir coqueras y una macroporosidad elevada (tamaños por encima de 50 nm), llegando a representar entre el 5 y el 20% de su volumen total. Al compactar el hormigón se pretende mejorar sus propiedades modificando su estructura y rebajando su porosidad, reduciéndolo, si es posible, a menos del 1%. El objetivo es comunicar al hormigón, a través de su compactación, la energía necesaria para facilitar el desplazamiento de las burbujas o huecos hacia su superficie. Al mismo tiempo, se busca bloquear la interconexión de poros, en la medida de lo posible. De esta forma se elimina la macroestructura porosa, las coqueras, se aumenta la densidad y mejorando la resistencia y la impermeabilidad se corrigen las irregularidades de distribución del hormigón. La excepción es la inclusión deliberada de aire en el hormigón, donde el aire está estabilizado y distribuido uniformemente.

La cantidad de aire atrapado guarda una estrecha relación con la trabajabilidad del hormigón, la cual se define como la propiedad que determina la facilidad y uniformidad con la que puede ser fabricado y colocado en la obra. Por ejemplo, el hormigón con una consistencia en cono de Abrams de 75 mm contiene aproximadamente un 5% de aire, mientras que aquel con un asentamiento de 25 mm puede contener alrededor del 20%. En consecuencia, el hormigón de baja consistencia requiere un mayor esfuerzo de compactación, ya sea prolongando el tiempo de compactación o utilizando más vibradores, en comparación con el hormigón de mayor asentamiento.

Es importante eliminar el aire atrapado, entre otras, por las siguientes razones:

  • El aire ocluido reduce la resistencia del hormigón (Figura 2). Por cada 1% de aire retenido, la resistencia disminuye entre un 4 y un 7%. Como resultado, un hormigón con, por ejemplo, un 3% de vacíos, será entre un 15% y un 20% menos resistente de lo esperado.
  • El aire atrapado aumenta la permeabilidad, lo que a su vez afecta la durabilidad del hormigón. Si el hormigón no es compacto ni impermeable, no resistirá la penetración del agua ni de líquidos menos agresivos. Además, cualquier superficie expuesta será más susceptible a los efectos de la intemperie, aumentando así el riesgo de que la humedad y el aire alcancen las armaduras, provocando su corrosión.
  • El aire ocluido aminora el contacto entre el hormigón y las armaduras, lo que afecta la adherencia necesaria y, por ende, la resistencia del elemento estructural.
  • El aire ocluido produce defectos visibles, como coqueras y alveolado en las superficies expuestas del hormigón.
Figura 2. Resistencia a compresión del hormigón en función del porcentaje de poros.

El hormigón compactado adecuadamente se caracterizará por su densidad, resistencia, durabilidad e impermeabilidad. Por el contrario, un hormigón mal compactado mostrará debilidad, escasa durabilidad, textura alveolar y porosidad; en resumen, será un producto de calidad inferior.

La compactación del hormigón puede llevarse a cabo mediante diversos métodos. Inicialmente, en los albores del siglo XX, se empleaban el picado y el apisonado como los primeros sistemas utilizados. Sin embargo, hacia la década de 1920, con la investigación de la relación entre la resistencia del hormigón y la proporción agua/cemento, surgieron métodos alternativos, entre los que se incluyó el uso del aire comprimido.

Más tarde, en 1927, el ingeniero francés Charles Rabut descubrió los efectos beneficiosos de la vibración sobre el hormigón. Desde entonces, tras la aparición de la primera patente de este sistema, se ha producido una mejora continua en su tecnología, convirtiéndolo en el método de compactación más ampliamente utilizado y eficaz.

Además de estos métodos principales, existen otras técnicas de compactación utilizadas en campos más específicos. Por ejemplo, la compactación por vacío y la centrifugación son sistemas prácticos y frecuentemente empleados en elementos de forma cilíndrica. Por otro lado, la compactación por percusión, como la mesa de sacudidas, se utiliza en algunas industrias y laboratorios, aunque su aplicación es más limitada.

El método de compactación a emplear dependerá de la consistencia del hormigón y se adaptará, en la medida de lo posible, a las condiciones particulares de cada caso, teniendo en cuenta factores como el tipo de elemento estructural.

Tal y como indica el Art. 52.2 del Código Estructural, la compactación del hormigón en obra se llevará a cabo utilizando métodos apropiados según la consistencia de las mezclas, con el objetivo de eliminar los huecos y lograr un cierre perfecto de la masa, evitando la segregación. Este proceso de compactación deberá continuar hasta que la pasta fluya hacia la superficie y ya no se libere aire. En la Tabla 1 se recomienda el tipo de compactación adecuado a la consistencia del hormigón

Tabla 1. Tipo de compactación en función de la consistencia del hormigón.

Consistencia Tipo de compactación
Seca Vibrado energético
Plástica Vibrado normal
Blanda Vibrado normal o picado con barra
Fluida Picado con barra o vibrado ligero

Os dejo un vídeo de los métodos de compactación del hormigón.

Referencias:

ACI COMMITTEE 304. Guide for Measuring, Mixing, Transporting, and Placing Concrete. ACI 304R-00.

CALAVERA, J. et al. (2004). Ejecución y control de estructuras de hormigón. Intemac, Madrid, 937 pp.

GALABRU, P. (1964). Tratado de procedimientos generales de construcción. Obras de fábrica y metálicas. Editorial Reverté, Barcelona, 610 pp.

MARTÍ, J.V.; YEPES, V.; GONZÁLEZ, F. (2014). Fabricación, transporte y colocación del hormigón. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, 189 pp.

MONTERO, E. (2006). Puesta en obra del hormigón. Exigencias básicas. Consejo General de la Arquitectura Técnica de España, Madrid, 750 pp.

YEPES, V. (2023). Maquinaria y procedimientos de construcción. Problemas resueltos. Colección Académica. Editorial Universitat Politècnica de València, 562 pp. Ref. 376. ISBN 978-84-1396-174-3

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