Figura 1. Mesa vibrante para compactar hormigón. https://www.eralki.com/maquinas/mesas-compactacion/
Por lo general, una mesa vibrante está compuesta por una superficie de acero u hormigón armado, con vibradores externos montados en el marco de soporte (ver Figura 1). Tanto la mesa como el marco están aislados de la base mediante resortes de acero, juntas aislantes de neopreno u otros dispositivos similares. La propia mesa puede formar parte del molde. Sin embargo, normalmente se coloca un molde separado sobre la mesa. La vibración se transmite desde la mesa al molde y, luego, al hormigón. Existen diferentes opiniones sobre la conveniencia de sujetar el molde a la mesa.
Normalmente, se prefiere una vibración de baja frecuencia (por debajo de 100 Hz) y alta amplitud (más de 0,13 mm), al menos para mezclas más rígidas. La efectividad de la vibración de mesa depende en gran medida de la aceleración que se imparte al hormigón por parte de la mesa. Generalmente, se recomiendan aceleraciones en el rango de 3 g a 10 g (30 m/s² a 100 m/s²), siendo necesarios valores más altos para las mezclas más rígidas. Además, la amplitud no debe ser inferior a 0,025 mm para las mezclas plásticas, ni a 0,050 mm para las más rígidas.
Se trata de mesas formadas por un tablero rígido, que suele ser de acero, y que se sostiene de manera elástica sobre una base fija y adecuadamente aislada. La vibración se genera mediante generadores ubicados debajo del tablero. En mesas de dimensiones pequeñas (L = 1,50 m), un solo vibrador es suficiente, pero si las dimensiones son mayores, hay que aumentar proporcionalmente el número de vibradores.
Estas mesas vibrantes se utilizan tanto en laboratorios como en la compactación de elementos prefabricados de hormigón. Por lo tanto, la amplitud y la frecuencia del vibrador deben poder ajustarse para adaptarse a los diferentes tipos de hormigón. Es esencial que la mesa sea completamente rígida para garantizar una transmisión uniforme de las vibraciones a toda la pieza.
Figura 2. Movimiento de las masas excéntricas.
Los vibradores, similares a los vibradores externos de encofrado, cuentan con dos masas excéntricas que giran en direcciones opuestas, generando fuerzas vibratorias perpendiculares a la mesa. Deben tener una amplitud elevada y una frecuencia baja, ya que los hormigones utilizados en la prefabricación suelen ser secos.
Al igual que con los vibradores de encofrado, la fuerza centrífuga del vibrador puede calcularse aproximadamente en función de los pesos del hormigón y del molde o encofrado, mediante la siguiente fórmula:
donde:
PM: peso de la mesa (más el del molde, en caso de que este sea solidario a ella).
Pm: peso del molde (apoyado y fijado correctamente a la mesa).
Ph: peso del hormigón.
k: coeficiente variable, que va de 0,5 a 4 según la rigidez de la mesa.
Cuando se vayan a vibrar secciones de hormigón de diferentes tamaños, la mesa debe tener una amplitud variable. Una frecuencia variable es un beneficio adicional. Si la mesa vibratoria tiene un elemento vibrante que contiene solo un excéntrico, puede generarse un movimiento vibratorio circular que imparte un movimiento rotacional no deseado al hormigón. Esto puede evitarse montando dos vibradores uno al lado del otro, de tal manera que sus ejes giren en direcciones opuestas. De este modo, se neutraliza la componente horizontal de la vibración, de modo que la mesa solo está sujeta a un movimiento armónico simple en la dirección vertical. De esta manera, se pueden obtener amplitudes muy altas. Para lograr una buena consolidación de mezclas muy rígidas, con frecuencia es necesario aplicar presión sobre la superficie superior durante la vibración.
Os dejo algunos vídeos sobre mesas vibradoras.
Referencias:
ACI COMMITTEE 309R-96. Guide for Consolidation of Concrete (ACI 309). American Concrete Institute.
BUSTILLO, M. (2008). Hormigones y morteros. Fueyo Editores, Madrid, 721 pp.
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.
Figura 1. Vibrado del hormigón. https://lobcor.com/6-pasos-para-hacer-un-buen-vibrado-del-hormigon/
El hormigón recién mezclado no se compacta por sí solo debido a su baja fluidez, lo que le impide superar la fricción interna. Solo mediante vibración es posible vencer estas fuerzas. El vibrado es el método más eficaz para obtener hormigones con un alto grado de compactación, ya que permite rellenar correctamente los encofrados y moldes, eliminando los huecos. Esta técnica se utiliza especialmente cuando se quieren conseguir hormigones resistentes y es adecuada para masas de consistencia seca. El proceso genera movimientos oscilatorios en las partículas del hormigón, sometiéndolas a cincuenta o más impulsos por segundo. La vibración aplicada reduce el rozamiento entre las partículas, facilitando su consolidación al convertir el material en un fluido que se adapta perfectamente a las formas del molde.
La vibración proporciona varios beneficios:
Facilita la expulsión del aire atrapado en el hormigón hacia la superficie.
Permite el desplazamiento de los áridos, alineándolos entre sí y reduciendo las cavidades, lo que da como resultado una mayor densidad y una homogeneidad perfecta.
Mejora la adherencia del hormigón a las barras de refuerzo y a otras inserciones estructurales internas, así como a los anclajes básicos.
Las fuerzas cohesivas son de mayor magnitud en hormigones más secos, por lo que es necesario trabajar con relaciones agua/cemento bajas para obtener mejores resistencias mecánicas. Esto hace indispensable el uso de la vibración para reducir el rozamiento entre las partículas del hormigón, de modo que, bajo la acción de la gravedad, puedan entrelazarse y formar masas compactas. Además, la vibración distribuye el agua de manera más homogénea, lo que mejora la hidratación del cemento.
Finalmente, el uso de la vibración permite emplear mezclas más ásperas, con mayores proporciones de áridos gruesos, en comparación con los hormigones apisonados comunes.
La vibración del hormigón ofrece varias ventajas significativas: alta resistencia mecánica, baja porosidad y, por tanto, baja permeabilidad al agua y a sustancias agresivas; previene la formación de grietas cerca de las barras o armaduras de refuerzo; garantiza un llenado completo del encofrado; prolonga la vida útil del hormigón, y proporciona un resultado estético de alta calidad.
La vibración del hormigón se realiza mediante vibradores que generan un movimiento armónico descrito por una curva sinusoidal, gracias a masas excéntricas giratorias. La efectividad de este sistema depende de la magnitud de la masa vibrante, así como de la amplitud y la frecuencia del movimiento vibratorio.
Si denominamos la semiamplitud del movimiento como 𝐴 y la frecuencia como 𝑓, la aceleración máxima del movimiento se define como:
La eficacia de la vibración depende de varios factores:
Amplitud de las oscilaciones: La amplitud mínima eficaz es de 0,05 mm. A mayor amplitud, mayor es el radio de acción.
Aceleración de las oscilaciones: La aceleración está relacionada con el cuadrado de la frecuencia (f²). Para fluidificar el hormigón, es mejor que las partículas finas se desplacen, ya que tienen frecuencias de resonancia altas, de más de 100 Hz.
Duración de la vibración: generalmente, se considera que la vibración ha finalizado cuando la lechada de cemento empieza a llegar a la superficie.
El funcionamiento de los vibradores de uso más frecuente se basa en dos principios mecánicos diferentes:
Las vibraciones se originan por el movimiento de una masa excéntrica que gira dentro de un cilindro. Este es el caso más habitual, y existen diversos mecanismos y formas de accionamiento.
Las vibraciones se generan mediante un sistema de resortes que sostienen la masa vibrante.
Los efectos de la vibración dependen más de su adecuación a las condiciones de trabajo y al tipo de hormigón que del equipo vibrador en sí. Aunque la vibración suele ser más eficaz con vibradores de mayor potencia, el tamaño de las piezas, la forma del encofrado y la densidad de las armaduras a menudo determinan el sistema de vibración y las condiciones en las que debe realizarse la compactación.
Es fundamental ajustar la frecuencia y la amplitud del sistema de vibración a la consistencia y las características de los áridos que componen el hormigón. Aunque la vibración es el método de compactación más eficaz y ampliamente utilizado, no todos los hormigones son aptos para vibrarse: los hormigones que se segregan durante la vibración (hormigones fluidos) no deben someterse a este proceso.
Los áridos gruesos se mueven más lentamente que los finos cuando se someten a frecuencias de vibración entre 25 Hz y 350 Hz. Los áridos gruesos requieren frecuencias más bajas y mayor energía de vibración, mientras que los áridos finos necesitan frecuencias más altas y menor energía. Por lo tanto, los hormigones más secos y con áridos de mayor tamaño necesitan una vibración con mayor fuerza y amplitud, pero a una frecuencia más baja. En cambio, los hormigones plásticos, con una mayor relación agua/cemento, requieren una mayor frecuencia y una menor fuerza y amplitud de vibración.
Otros factores importantes a considerar son la masa de hormigón afectada por el vibrador y el tiempo de vibración. La eficacia de la vibración, evaluada en función de la energía transmitida al hormigón, indica que si una masa de hormigón 𝑀′ es superior a la masa 𝑀 que puede compactarse con una determinada energía de vibración 𝐸, la diferencia 𝑀′−𝑀 quedará sin compactar o se compactará deficientemente. Es decir, el vibrador tiene un radio de acción a partir del cual su efecto deja de ser eficaz.
La aceleración transmitida a la masa de hormigón por el vibrador es mayor en los puntos más cercanos a este, lo que resulta en una compactación más enérgica en esas áreas. Para lograr un mayor rendimiento y homogeneidad, es preferible vibrar durante períodos más cortos en puntos cercanos entre sí que hacerlo durante períodos más largos en puntos más distantes.
Durante la compactación en obra, se recomienda observar el radio de acción, que puede identificarse fácilmente por la superficie en la que la pasta refluye y se forman pequeñas burbujas de aire.
En la siguiente tabla (Fernández Cánovas, 2004) se muestran los valores de 𝛾/𝑔 para diferentes consistencias del hormigón y para una frecuencia de vibración de 50 Hz.
La Figura 2 muestra la variación de la aceleración transmitida al hormigón, medida a distintas distancias del eje del vibrador, con distintos valores de amplitud y frecuencia.
Figura 2. Efecto producido por la vibración (L’Hermite, 1948: en Calavera et al., 2004)
En ensayos similares realizados con un vibrador de aguja y tiempos de vibración de 10 y 30 segundos, específicamente para hormigones plásticos, se establece la relación entre el radio de acción (en cm) y la frecuencia de vibración (vib./min). Se observa que el radio de acción, que aumenta con la amplitud, alcanza su valor máximo alrededor de una frecuencia de aproximadamente 12 000 vibraciones por minuto.
Figura 3. Radio de acción en función de la frecuencia y la amplitud. (Bergstrom, 1949: en Calavera et al., 2004)
Además, al prolongar el tiempo de vibración, sus efectos se intensifican. Por lo tanto, al utilizar un vibrador con una frecuencia y amplitud determinadas, es importante considerar el tiempo de vibración necesario para lograr cada radio de acción.
En la Figura 4 se presenta la relación entre el radio de acción y el tiempo de vibración para un vibrador interno con una amplitud de 1,2 mm en el aire. Es fundamental tener en cuenta que la amplitud de un vibrador sumergido puede ser hasta un 75 % menor dependiendo de la consistencia del hormigón. De acuerdo con la curva, un tiempo de vibración adecuado sería de aproximadamente 10-15 segundos.
Figura 4. Variación del radio de acción en función del tiempo de vibrado
En cuanto al Código Estructural, se establecen dos recomendaciones respecto a la vibración y el uso de vibradores:
Al utilizar vibradores de superficie, el espesor de la capa no debe ser mayor de 20 cm después de compactarla.
El uso de vibradores de molde o encofrado debe estudiarse cuidadosamente para asegurar que la vibración transmitida a través del encofrado sea la adecuada para una correcta compactación, evitando la formación de huecos y capas de menor resistencia.
Os dejo algunos vídeos que espero os sean de interés.
Referencias:
CALAVERA, J. et al. (2004). Ejecución y control de estructuras de hormigón. Intemac, Madrid, 937 pp.
FERNÁNDEZ CÁNOVAS, M. (2004). Hormigón. 7ª edición, Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos. Servicio de Publicaciones, Madrid, 663 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.
Figura 1. Vertido y vibración del hormigón. https://www.paviconj-es.es/hormigon-precios/hormigon-compactado/
Después de la mezcla, el transporte y el 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), que llegan a representar entre el 5 y el 20 % de su volumen total. Al compactar el hormigón, se pretenden mejorar sus propiedades, modificando su estructura y reduciendo su porosidad, hasta menos de un 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, en la medida de lo posible, la interconexión de poros. De esta forma, se elimina la macroestructura porosa, las coqueras, se aumenta la densidad y, al mejorar 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 de forma uniforme.
La cantidad de aire atrapado guarda una estrecha relación con la trabajabilidad del hormigón, que se define como la propiedad que determina la facilidad y uniformidad con las que puede fabricarse y colocarse 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 a 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, lo que aumenta el riesgo de que la humedad y el aire alcancen las armaduras y las corroan.
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 presentará 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, gracias a la investigación de la relación entre la resistencia del hormigón y la proporción de agua y cemento, surgieron métodos alternativos, entre los que se incluyó el uso de 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, hasta convertirlo 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 se emplean a menudo en elementos con 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, en la medida de lo posible, se adaptará a las condiciones particulares de cada caso, teniendo en cuenta factores como el tipo de elemento estructural.
Tal y como indica el artículo 52.2 del Código Estructural, la compactación del hormigón en obra se llevará a cabo utilizando métodos apropiados en función de 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 para cada 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 algunos vídeos 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.
La revibración del hormigón se emplea en ciertos casos para mejorar la adherencia entre el hormigón y el acero de refuerzo, para liberar el agua atrapada debajo de las barras horizontales y para eliminar posibles bolsas de aire adicionales. Esta práctica no causa ningún daño si el hormigón aún está en estado plástico. Sin embargo, es esencial evitar el contacto entre la aguja del vibrador y el acero de refuerzo. La vibración transmitida a través de las armaduras al hormigón semiplástico puede provocar la pérdida de adherencia de la barra con el hormigón y fisuras en las armaduras.
La revibración ofrece una serie de beneficios significativos, como mejorar la resistencia a la compresión en un 15 %-40 %, sobre todo a edades tempranas. También permite aumentar la impermeabilidad, potenciar la adherencia, reducir las bolsas de grava, eliminar el agua atrapada y expulsar el aire y las bolsas de agua. Sin embargo, es importante tener en cuenta que no se debe aplicar el revibrado en mezclas con consistencia seca y granulometría abierta. Por tanto, es más adecuado para consistencias blandas.
El proceso implica la introducción de un vibrador en la masa de hormigón precompactada pasados unos 30 minutos desde la primera compactación, pero dentro de las primeras 2 a 4 horas (antes del inicio del fraguado). Una regla práctica indica que se puede llevar a cabo el revibrado siempre que la aguja pueda penetrar en el hormigón por su propio peso y logre fluidificarlo. Además, es posible emplear un aditivo retardador del fraguado para facilitar este proceso.
En diferentes circunstancias, el revibrado puede ser igualmente conveniente:
Al colocar hormigón en capas y vibrar la inferior, lo cual evita la formación de juntas entre ellas.
Para perfeccionar el acabado superficial de los pilares y muros superiores, eliminando el aire que suele acumularse en esas áreas.
Para cerrar las fisuras producidas por la retracción plástica.
Esta técnica es especialmente útil para hormigones con altos valores de relación agua-cemento, aquellos con baja retención de agua o en situaciones donde la colocación inicial ha sido compleja. Al rellenar los huecos generados durante el asentamiento inicial del hormigón fresco alrededor de la armadura horizontal, se garantiza una mejor calidad estructural.
Es crucial realizar el revibrado en el momento adecuado, cuando el hormigón aún está maleable. El proceso de fraguado generalmente comienza entre una hora y media y cuatro horas después de la vibración previa. Esta operación conlleva ciertos riesgos y es fundamental calcular con precisión la duración de la nueva vibración, ya que un error en este sentido puede causar daños irreparables al hormigón.
Dada su complejidad y el riesgo asociado, el revibrado es una tarea que debe ser ejecutada por personal altamente especializado, con un control meticuloso del proceso. Por esta razón, y debido al riesgo inherente, no es una práctica comúnmente empleada. En cualquier caso, es necesario obtener la aprobación previa de la dirección facultativa antes de llevar a cabo el revibrado.
Os dejo a continuación un artículo que estudia la acción del revibrado en morteros, hormigones y prefabricados, que espero os sea de interés.
ACI COMMITTEE 309R-96. Guide for Consolidation of Concrete (ACI 309). American Concrete Institute.
BUSTILLO, M. (2008). Hormigones y morteros. Fueyo Editores, Madrid, 721 pp.
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.
