nomograma de Menzel – El blog de Víctor Yepes

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 consistencia determinada. 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, lo que dificulta las condiciones para su 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 del hormigón premezclado, puede ser necesario añadir 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 los productos derivados de copolímeros vinílicos pueden mitigar este problema.

Los hormigones fabricados, colocados y curados a temperaturas más altas desarrollan su resistencia más rápidamente. Se ha observado que el hormigón se endurece el doble de rápido a 35 °C que a 20 °C. Sin embargo, debido a un curado deficiente, estos hormigones suelen presentar menores resistencias a los 7 y 28 días. De hecho, tras 28 días, su resistencia puede reducirse 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 ir acompañadas de bajas humedades relativas, lo que aumenta la evaporación del agua del hormigón fresco y reduce la cantidad disponible para la correcta hidratación del cemento. Asimismo, la rápida pérdida de agua del hormigón en la superficie, 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 debajo de 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. Las altas temperaturas alteran el proceso de hidratación y generan 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 a 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 prevenirlo, la temperatura de colocación del hormigón no debe superar los 15 °C, siendo preferible que esté alrededor de los 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 los cambios de humedad, la temperatura no debería exceder los 70 °C. Para elementos especialmente expuestos a ciclos de hielo-deshielo, la temperatura no debería superar los 65 °C, e incluso menos en algunos casos. Esta temperatura máxima generalmente se alcanza entre las 12 y las 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

Cursos:

Curso de fabricación y puesta en obra del hormigón.

Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional.

Necesidad del curado del hormigón

Figura 1. Curado del hormigón. https://ingeniero-de-caminos.com/curado-del-hormigon/

El término “curado”, según la DRAE, significa endurecido, seco, fortalecido o curtido. En el ámbito del hormigón, se refiere a las acciones tomadas para facilitar la hidratación del cemento. Esto implica prevenir la pérdida de humedad del hormigón por evaporación y, si es necesario, proporcionar humedad adicional. Además, se busca mantener una temperatura favorable durante el fraguado y los primeros días de endurecimiento.

Si el hormigón se dejara secar al aire, su resistencia podría disminuir hasta en un 40 %, al tiempo que aumentaría la porosidad y la probabilidad de fisuras debido a la retracción. Los métodos empleados en el proceso de curado deben ser suficientes para evitar la desecación del hormigón, promover un adecuado endurecimiento, prevenir la fisuración debido a la contracción térmica y hacer que el hormigón sea resistente a las heladas prematuras.

Durante la hidratación del cemento, los granos se cubren con un gel de cemento, un producto de la reacción que forma una red que une los granos de cemento anhidro. El agua necesaria para la hidratación del cemento Portland es igual a 0,45 veces la masa de cemento hidratado. Esta cantidad se divide entre el agua químicamente combinada (equivalente a 0,25 veces la masa de cemento) y el agua adsorbida en las superficies y espacios de la estructura del gel (0,20 veces la masa de cemento).

Es importante señalar que la hidratación solo ocurre en un entorno casi saturado de agua. Por lo tanto, es necesario agregar agua adicional (durante el proceso de curado) para mantener saturados los poros capilares de la pasta. De esta manera, el cemento continuará hidratándose hasta que todo el espacio disponible se llene con los productos de la reacción o hasta que se complete la hidratación de todo el cemento.

El desarrollo de la resistencia y durabilidad del hormigón radica en el relleno de los poros entre las partículas de cemento con los productos de la hidratación. Esto se consigue partiendo de un volumen inicial de poros muy reducido, lo que se logra con una baja relación agua/cemento (a/c) y con un curado húmedo que permita hidratar una cantidad significativa de cemento.

Si el agua de amasado supera considerablemente la cantidad necesaria para la hidratación, es crucial garantizar que no se evapore durante el proceso de curado. En casos donde la proporción inicial de agua es menor, será necesario un curado adicional con agua para mantener la hidratación. Por ello, en hormigones con una relación a/c igual o superior a 0,50, el uso de una membrana impermeable, sin necesidad de agregar agua externa, puede ser un método efectivo de curado.

En el hormigón con baja relación a/c, ocurre el fenómeno de la autodesecación, que implica el secado interno del hormigón debido al consumo de agua durante la hidratación. Este problema suele estar asociado con mezclas de a/c iguales o inferiores a 0,45, para las cuales se requiere un curado húmedo. No obstante, con valores de a/c tan bajos, la permeabilidad de la pasta suele ser tan reducida que el agua aplicada externamente no penetra más allá de la capa superficial, la única que se beneficia del proceso de curado.

Figura 2. Curado mediante láminas para evitar la desecación. https://deepex.net/curado-del-hormigon/

El curado es una etapa fundamental en la producción de elementos de hormigón, ya que tiene una gran influencia en la resistencia y en el resto de las características del producto final. Carecer de un adecuado proceso de curado puede resultar especialmente perjudicial para la durabilidad de la estructura, puesto que esta depende en gran medida de la impermeabilidad de las capas exteriores del hormigón, que son las más sensibles a un curado defectuoso.

Es esencial tener en cuenta que el interior de las piezas (a menos que sean extremadamente delgadas) retiene la humedad durante periodos prolongados y es menos vulnerable a los efectos de un curado deficiente que las capas superficiales. En consecuencia, si el hormigón no recibe un adecuado proceso de curado, la capa de recubrimiento de las armaduras se verá afectada, volviéndose porosa y permeable, lo que significativamente acortará la vida útil de la estructura.

Por lo general, los métodos que suministran agua son más eficaces que aquellos que buscan evitar su evaporación. La duración y la intensidad del proceso de curado dependen principalmente de la temperatura y la humedad ambientales, así como de la acción del viento y la exposición directa al sol. Otros factores importantes son el tipo y la cantidad de cemento, la relación a/c y, especialmente, las condiciones de exposición de la estructura en servicio. A medida que estas condiciones sean más adversas, se requerirá un período de curado más prolongado.

En un artículo anterior, expusimos el uso del nomograma de Menzel para evitar el agrietamiento plástico durante el fraguado del hormigón. Otro artículo de interés es el relativo a la terminación, texturado y curado del pavimento de hormigón.

Os dejo algunos vídeos que os pueden ser de interés.

Referencias:

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

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

MENZEL, C.A. (1954). Causes and Prevention of Crack Development in Plastic Concrete. Proceedings of the Portland Cement Association, Vol. 130:136.

LERCH, W. (1957). Plastic shrinkage. ACI Journal, 53(8):797-802.

Cursos:

Curso de fabricación y puesta en obra del hormigón.

Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional.

Agrietamiento plástico durante el fraguado del hormigón: Nomograma de Menzel

Figura 1. Nomograma de Menzel para el cálculo de la tasa de evaporación durante el fraguado del hormigón.

La contracción plástica (retracción) es un problema frecuente en el hormigón cuando aún no ha fraguado, es decir, cuando se encuentra aún en estado plástico. Por tanto, para evitar la fisuración del hormigón, se deben tomar medidas durante su puesta en obra, especialmente en climas desfavorables.

Las grietas por retracción aparecen principalmente en las superficies horizontales, siendo paralelas entre sí y con una separación de entre 30 y 90 cm. La condición crítica se produce cuando la tasa de evaporación de la humedad superficial supera la velocidad a la que el agua de exudación la reemplaza.

La tasa de evaporación en el hormigón depende, fundamentalmente, de cuatro factores: la temperatura del hormigón, la temperatura del aire, la humedad relativa y la velocidad del viento. De hecho, la fuerza necesaria para la evaporación del agua en la superficie está relacionada con la diferencia de presión entre el vapor de agua en la superficie y en el aire por encima de esa superficie.

Para evitar que se formen fisuras por agrietamiento plástico, se evalúa la pérdida de humedad superficial. Si la tasa de evaporación se acerca a 1 kg/m²/h, es necesario tomar precauciones contra el agrietamiento por contracción plástica. El nivel crítico por debajo del cual no se producen grietas es de 0,5 kg/m²/h. A partir de 1,5 kg/m²/h, aparecen las fisuras con toda probabilidad. La velocidad del aire o del viento horizontal debe medirse a 0,5 m por encima de la superficie de evaporación. La temperatura del aire y la humedad relativa se deberían medir entre 1,2 y 1,8 m por encima de la superficie de evaporación en la zona protegida del viento y de los rayos del sol (Lerch, 1957). En la Figura 2 se representa en una tabla el nivel de riegos de fisuración en función de la evaporación del agua.

Figura 2. Riesgo de fisuración en función de la evaporación del agua (Calavera et al., 2004)

La norma ACI 305R proporciona la siguiente fórmula para calcular la tasa evaporación:

Donde

E Tasa de evaporación (kg/m²/h)

T_c Temperatura del hormigón (º C)

T_a Temperatura del aire (º C)

r Humedad relativa (%)

V Velocidad del viento (km/h)

La ecuación anterior presenta cinco variables, por lo que, si se quiere representar en tres dimensiones, deberemos fijar dos de ellas como constantes. En la Figura 3 se puede ver cómo evoluciona la evaporación en función de la temperatura del aire y de la velocidad del viento, cuando la temperatura del hormigón es de 20 °C y la humedad relativa del aire es del 50 %.

Figura 3. Tasa de evaporación en función de la temperatura del aire y la velocidad del viento. Temperatura del hormigón 20 °C y humedad relativa del aire del 50%. Elaboración propia.

Una forma de tener las cinco variables en un plano es usar un nomograma. El «nomograma de Menzel» es un método que se utiliza para calcular la pérdida de agua de un hormigón por unidad de área en función de la temperatura del aire, la humedad relativa y la velocidad del viento. Para ello, hay que tener en cuenta que es válido si la temperatura del hormigón es superior a 5 °C y la temperatura del aire es inferior a 35 °C. Además, la velocidad del viento debe encontrarse entre 2 y 40 km/h.

A continuación os paso un problema resuelto para que veáis el uso de este nomograma, así como la aplicación directa de la formulación propuesta por ACI 305R. Espero que os sea de utilidad.

Descargar (PDF, 354KB)

Referencias:

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

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

MENZEL, C.A. (1954). Causes and Prevention of Crack Development in Plastic Concrete. Proceedings of the Portland Cement Association, Vol. 130:136.

LERCH, W. (1957). Plastic shrinkage. ACI Journal, 53(8):797-802.

Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional.