El agrietamiento de un elemento de hormigón armado, independiente de cargas, se produce debido a deformaciones volumétricas restringidas, que tienen su origen en el proceso de secado del hormigón y de las variaciones de temperatura debidas al calor de hidratación.
Múltiples son las variables que influyen en estas deformaciones y en la probabilidad de ocurrencia de la fisuración, tales como la ganancia de resistencia, la capacidad de deformación del hormigón (extensibilidad), el alivio de tensiones por creep y su relación con el módulo de elasticidad, y el grado de restricciones al movimiento, definida por la presencia de elementos adyacentes, y las condiciones de borde aportadas por el suelo, moldajes, e incluso la enfierradura que se utiliza como un medio para controlar la misma fisuración (Hughes, 1980). De estas deformaciones la más difícil de estimar es la retracción hidráulica.
Una formulación general que muestra el efecto de la acción de la retracción hidráulica y térmica restringida, causante de tensiones de tracción en el hormigón, es la mostrada en la ecuación 6.1:
Por su parte, la fluencia lenta o creep ayuda a aliviar las tensiones inducidas por la retracción en un elemento restringido de deformarse, afectando el riesgo de agrietamiento del elemento de hormigón armado, como lo ilustra la Figura VI.2.
El hormigón se agrietará cuando la tensión de tracción sea mayor que la resistencia a tracción fct(t) del hormigón en el instante t (Ver Figura VI.3), es decir:
o cuando las deformaciones restringidas inducidas durante período de enfriamiento y secado sean mayores que la capacidad de deformación a tracción del hormigón
Situación que esquemáticamente se puede apreciar en la Figura VI.3.
A partir de la Figura VI.3 y de la ecuación 6.2 es posible concluir que se requiere una cuantía mínima de acero, denominada cuantía crítica, para que el agrietamiento sea controlado, ya que al agrietarse el hormigón el acero debe absorber toda la carga que entrega la rotura del hormigón (Hughes, 1980).
Para apreciar la magnitud de esta cuantía, por ejemplo, considerar un hormigón grado G30 con una resistencia a la tracción de 3 MPa, suponer que la fluencia lenta permite aliviar la tensión de retracción hasta 1,5 MPa al momento del agrietamiento, si el acero tiene un límite de fluencia de 420 MPa, la cuantía crítica sería de 0,0035; valor superior a las cuantías mininas especificadas en ACI 318-14 por retracción o temperatura. Al respecto, cabe destacar que el límite mínimo de cuantía de refuerzo establecido por ACI 318-14, sección 24.4, corresponde a un límite inferior de criterio estructural en elementos sin restricciones al movimiento por retracción o temperatura, por lo que, en elementos delgados, dicha cuantía no garantiza la obtención de anchos de fisuras controlados.
En este punto cabe mencionar que la Especificación de ICH ET001-05 “Fisuras no estructurales en obras de hormigón armado” propone controlar no sólo el ancho de la fisura individual, sino que también la razón de la suma de los anchos de fisura en la longitud del elemento inspeccionado, respecto de un ancho de fisura establecido por el proyecto en función de la condición de exposición de la obra. Además, la misma especificación incluye, por referencia, una tabla de valores admisibles de ancho de fisura en obras de hormigón armado basada en reglamentos de distinto origen. La Tabla VI.1 resume los valores correspondientes al documento ACI 224.
Respecto del fenómeno de desarrollo de la retracción y el agrietamiento, se puede notar que el tiempo desarrolla un doble papel:
- La resistencia del hormigón aumenta con la edad, reduciendo el peligro de agrietamiento, pero por otro lado el módulo de elasticidad también aumenta, de modo que las tensiones inducidas por una deformación restringida son mayores.
- El alivio de tensiones por fluencia lenta es menor con la edad por lo que la tendencia al agrietamiento es mayor.
Considerando lo señalado en las ecuaciones 6.3 y 6.4, se concluye que se podría disminuir el agrietamiento:
- Modificando las propiedades del hormigón para reducir o eliminar cambios volumétricos potenciales (minimizar retracción térmica e hidráulica), o para aumentar la extensibilidad del hormigón, mediante una selección cuidados y control de los constituyentes del hormigón (Videla y Aguilar 1999; 2000).
- Seleccionando cuidadosamente y controlando los procedimientos colocación y curado
- Usar medidas que permitan bajar la temperatura de los áridos y del cemento.
- Bajar temperatura del hormigón al momento de la colocación, al menor valor factible técnica y económicamente.
- Mantener el ambiente saturado el mayor tiempo posible (se hace notar que esta medida puede requerir aumentar las cuantías de acero para controlar el agrietamiento).
- Modificando las restricciones efectivas para reducir o eliminar las tensiones desarrolladas:
- Proveer juntas de movimiento (contracción)
- Secuencia de construcción.
- Minimizar gradientes por secado para reducir restricciones internas generadas por retracción diferencial.
- Diseñar hormigón pretensado
- Aumentar la extensibilidad del hormigón usando fibras.
- a) Retracción hidráulica.
Los principales factores que determinan la retracción hidráulica del hormigón (ver Figura VI.4) son: - Características del hormigón y en particular la dosis de agua
- Condiciones ambientales
- Tiempo
- Condiciones geométricas y restricciones
Dada la gran cantidad de factores que inciden en la magnitud y evolución de la retracción hidráulica, es importante especificar los parámetros de medición y control, y el tiempo de secado, ya que se pueden presentar desviaciones importantes según las dimensiones de las probetas que se utilicen, y el momento de medición. El error o falta de estas indicaciones pueden afectar la posibilidad de utilización de un determinado hormigón, el cual aun siendo apto, puede ser mal evaluado y rechazado afectando el costo, tiempo e iniciación del proyecto.
La medida de retracción por secado que se obtiene en un ensayo normalizado es principalmente cuantitativa y comparativa entre hormigones para evaluar su comportamiento, y no necesariamente debe ser tomada como una indicación de que será más propenso a la fisuración.
A partir de las ecuaciones 6.3 y 6.4, en conjunto con los resultados de investigaciones de este fenómeno, cuyas figuras se muestran en el Anexo 1 de este documento, se concluye que se podría disminuir la retracción hidráulica del hormigón (Videla y Aguilar, 1999; 2000):
- Modificando las propiedades del hormigón para reducir o eliminar cambios volumétricos potenciales, a través de los constituyentes del hormigón:
- Usar cementos con baja finura, bajo contenido de C3A y cal libre, es decir, cementos grado corriente. Sin embargo, resultados experimentales indican que a igual resistencia del hormigón, los hormigones fabricados con cementos de alta resistencia inicial o cementos Portland retraen menos (Videla y Gaedicke, 2004; Videla y Aguilar, 2006).
- Usar cementos con adiciones, en particular, puzolanas.
- Usar áridos con alto módulo de elasticidad, los cuales disminuyen la retracción, pero también disminuyen la extensibilidad.
- Usar bajas dosis de agua (ver Figura C.VI.1).
- Usar aditivos reductores de retracción. Resultados experimentales indican son muy efectivos a temprana edad, pero la retracción hidráulica a largo plazo se aproxima a la de hormigones sin estos aditivos (Videla y Aguilar, 2001, 2005).
- Usar cementos expansivos.
Las restantes medidas antes indicadas para prevenir agrietamiento.
Notar que hormigones de alta resistencia, en el largo plazo, pueden presentar menor acortamiento de retracción debido a su menor permeabilidad y menor proporción de agua que en un hormigón normal, lo que ratifica que el contenido de agua es fundamental en el desarrollo de la retracción hidráulica.
b) Retracción térmica
Los principales factores que inciden en la retracción térmica del hormigón son: - Características del hormigón (coeficiente de dilatación térmica, calor de hidratación y dosis de cemento, temperatura de colocación del hormigón, propiedades térmicas: conductividad térmica, capacidad calorífica, calor específico, difusividad térmica).
- Condiciones ambientales (temperatura ambiente, velocidad del viento).
- Condiciones geométricas y restricciones (espesor sección, moldajes, procedimiento constructivo – pre y post enfriamiento, restricción externa por condiciones de borde e interna por gradientes térmicos).
- Edad y tiempo.
Para prevenir la ocurrencia de agrietamiento térmico (Videla, 1989) se podría: - Minimizar la retracción térmica potencial modificando las propiedades del hormigón
- Usar cementos de bajo calor de hidratación (< 70 cal/gr a 7 días; todos los cementos chilenos cumplen, en especial los corrientes) y minimizar dosis de cemento para disminuir el peak de temperatura generada por el calor de hidratación.
- Usar cementos con bajo contenido de C3A, baja finura y cal libre, es decir, cementos grado corriente.
- Usar cementos con adiciones, en particular, puzolanas.
- Reemplazar parte del cemento por adiciones hidráulicamente activas (puzolanas, cenizas volantes, etc.)
- Seleccionar áridos con bajo coeficiente de expansión térmica, baja porosidad y bajo contenido de finos (áridos calizos).
- Usar áridos del mayor tamaño posible.
- Minimizar dosis de cemento y de agua.
- Emplear aditivos plastificantes y superplastificantes para reducir dosis de agua y cemento e incorporadores de aire.
- Seleccionar y controlar procedimientos colocación y curado (Zabaleta, 2003).
- Aislar los moldajes de las temperaturas extremas y enfriar la enfierradura antes del hormigonado.
- Disminuir temperatura interna del hormigón
Reemplazar parte agua de amasado por hielo en escamas durante revoltura (potencialmente disminuye la temperatura inicial del hormigón en unos 7 °C)
Colocar el hormigón con la menor temperatura posible enfriando previamente áridos y agua de modo de disminuir un poco la temperatura de colocación del hormigón.
Enfriar hormigón en la betonera con nitrógeno líquido.
Refrigeración posterior del hormigón colocado por circulación agua fría a través de serpentines embebidos en su masa y ubicados entre 1,5 a 2,5 m de distancia (agua natural y fría bajan la temperatura máxima entre 3 y 10 °C, respectivamente) - Planificar el procedimiento de colocación
Programar la colocación del hormigón a última hora de la tarde o primera hora de la mañana, en particular en verano.
Usa capas delgadas
Planificar la disminución de espesores (limitar espesor de capas a 1,5 metros)
Planificar etapas de hormigonado
Aumentar plazos de espera entre etapas (escalón desfasado) - Para bajos contenidos de cemento
Usar moldajes de acero para disipar calor
Curado húmedo para disipar calor
Tuberías de enfriamiento embebidas - Para altos contenidos de cemento
Hormigonado continuo.
Aislar restricción externa.
Evitar enfriamiento, frazadas térmicas, arena sobre mantas de polietileno, etc. - Reducir las restricciones efectivas para minimizar las tensiones desarrolladas:
- Proveer juntas de movimiento (para expansión y contracción)
- Secuencia de construcción.
- Minimizar gradientes térmicos para reducir restricciones internas generadas por retracción diferencial, particularmente en hormigones masivos.
Harrison (1981) resume los principales factores que ayudan a prevenir la aparición de grietas por retracción térmica a temprana edad y sugiere las alternativas que se pueden utilizar diferenciando las mejores y peores alternativas (ver Tabla VI.2).
Si no fuese posible evitar el agrietamiento, el ingeniero diseñador deberá diseñar los elementos de la estructura de modo que controlen el agrietamiento, tomando alguna(s) de las medidas antes enunciadas.
Además de lo anterior, uno de los principales parámetros que afectan la magnitud de la retracción hidráulica es el denominado espesor efectivo o razón volumen/superficie. Para las probetas de ensayo el espesor efectivo es entre un 30% a 50% del que tiene un elemento típico de la construcción. Lo anterior significa que en el elemento se ha de considerar tan sólo el 30% o 50% de la retracción obtenida mediante ensayos normalizados de laboratorio. Por lo tanto, es imprescindible que el ingeniero diseñador complemente su análisis con lo indicado en ACI209, el cual indica los factores de permiten corregir los resultados por medio del espesor efectivo.
En definitiva, el fenómeno de la retracción es de carácter complejo y dependiente de múltiples variables. En el caso de enfrentarse a una obra en la cual la retracción sea relevante, se recomienda que el ingeniero diseñador busque apoyo en un especialista y que contemple que de requerirse la modelación del comportamiento de una mezcla específica se necesita planificar la realización de ensayos con bastante antelación, ya que el período de medición de mínimo es de 3 meses de secado, en condiciones normalizadas de laboratorio, para mejorar la estimación del hormigón evaluado, tal que los resultados sean representativos de su comportamiento a largo plazo y, por lo tanto, disminuya la incertidumbre de la estimación.
Referencias:
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