A continuación, se presenta paso a paso el análisis realizado en la generación de esta propuesta.
3.1 CLIMAS PRESENTES EN CHILE
Se ha utilizado la Clasificación Climática de Köppen1 para distinguir los distintos tipos de clima presentes en el país, la cual se resume en la Figura 3-1 y se describe en la Figura 3-2.
Dado el notorio efecto que genera tanto la latitud geográfica como las diferencias climáticas entres la costa y la alta cordillera, se generó la Figura 3-3 que muestra en forma aproximada la localización de cada uno de los climas a lo largo de Chile. Se revisaron los mapas del Manual de Reglamentación Térmica2, para incluir el efecto de la altura en el clima, considerando niveles similares de altitud para la zonificación. A continuación, se han incorporado algunas localidades más conocidas para cada zona según la Figura 3-4.
2 Instituto de la Construcción (2006), Manual de Aplicación de Reglamentación Térmica.
3.2 CONDICIONANTES PARA LA OCURRENCIA DE LA CONGELACIÓN
3.2.1 Temperaturas mínimas diarias
En un trabajo de Tesis3 se han recopilado los datos diarios de temperaturas mínimas ocurridos durante los años 2014 al 2018 en distintas localidades del país. Para ello se consideró la Base de Datos de la Dirección Meteorológica de Chile (www.meteochile.cl). Las estaciones consideradas fueron las indicadas en la Figura 3-5:
3 Peyresblanques, I. (2019), Propuesta de zonificación nacional de los grados de exposición de ciclos de hielo-deshielo expuestos en la NCh 170-2016, Facultad de Ingeniería UNAB.
3.2.2 Ocurrencia de Ciclos de Congelación/Deshielo
En esta misma Tesis se consideraron estudios que indican, que para que el agua en un poro del hormigón se congele, debe haber una temperatura menor a -2°C. Siendo más preciso, durante ese mismo día debe haber un aumento de temperatura que sobrepase los 0°C, de modo que esta agua se descongele y ocurra el ciclo de hielo/deshielo que genera el deterioro de la matriz de cemento.
Esto coincide con otros estudios4 que indican que, por efecto de la sal presente en el agua de mar, o por la presencia de sales descongelantes, el punto de congelación del agua se reduce a valores menores a -2°C. Por esta razón los datos determinados para determinar la cantidad de ciclos anuales promedio por localidad fueron corregidos a la condición que se haya medido temperaturas menores a -2°C.
Para aquellas zonas sin información se utilizó la base de datos de la web Meteoblue (https://www.meteoblue.com/ es/tiempo/historyclimate/climatemodelled/), la cual cuenta con datos históricos promedio de 30 años, los cuales son presentados en forma gráfica como lo muestra la Figura 3-6.
La Tabla con la cantidad de ciclos promedio anual por localidad se muestran en la Figura 3-7. Los casos tomados desde el sistema Meteoblue se han marcado con (*), dado que el sistema sólo indica la temperatura de 0°C para iniciar la congelación. El promedio en el territorio Antártico es de 17 ciclos/año.
3.2.3 Cantidad acumulada de Ciclos
El deterioro que produce el proceso de congelación y posterior deshielo es acumulativo, motivo por el cual es necesario definir una Vida Útil para la cual el hormigón resista este efecto adverso. Se han considerado dos situaciones:
- 25 años para pavimentos
- 50 años para otras estructuras de hormigón
Se ha determinado mediante ensayos utilizando el Método ASTM C6665 el nivel de deterioro que alcanza un hormigón. Esta normativa define un nivel máximo de deterioro cuando el Factor de Durabilidad alcanza un 60% del valor inicial, al comparar la variación del Módulo de Elasticidad Dinámico entre la condición inicial y la existente después de una serie de ciclos. La Figura 3-8 muestra resultados ejecutados con este ensayo6.
En estudios recientes7 ejecutados en España con hormigones sin y con aire incorporado confeccionados con Cemento OPC tipo I, se estudió el comportamiento hasta una cantidad de 300 ciclos de hielo/deshielo, tal como establece la ASTM C666 (ver Figura 3-9). Las razones a/c respectivas fueron de 0,50 y 0,40 respectivamente. Las mezclas sin incorporador de aire mostraron en promedio un 3,7% de contenido de aire, y las con incorporador un 8,5%.
La mezcla denominada H30/00 (corresponde a un G30 en Chile) sin aire y con razón a/c=0,50 alcanzó justamente después de 250 ciclos el nivel de deterioro máximo, mientras que la mezcla H45 (G45) sin aire y con razón a/c=0,40 junto a las otras con aire, casi no mostraron deterioro.
5 ASTM C666 (2015). Standard Test Method for Resistance of Concrete to Rapid Freezing and Thawing.
6 Pinto and Hover (2001). Portland Cement Association.
7 Al-Assadi, G., Casati, M., Fernández, J., Gálvez, J. (2009). Evaluación del Deterioro del Hormigón sometido a Ciclos Hielo-Deshielo. Madrid, Universidad Politécnica de Madrid..
Teniendo en consideración que los cementos puzolánicos muestran un mejor comportamiento por durabilidad que cementos OPC, se considera aumentar el límite de ocurrencia de deterioro desde 250 a 300 ciclos totales (+20%).
Al considerar el límite de 300 ciclos como valor máximo de deterioro a alcanzar en un hormigón, se tiene que la cantidad total de ciclos aceptable para un hormigón G30 en condiciones de saturación y sin aire incorporado dependería del tipo de estructura, dada la Vida Útil asignada a cada tipo de estructura analizada, dada la Vida Útil asignada a cada tipo de estructura analizada: 25 y 50 años para pavimentos y otras estructuras de hormigón, respectivamente
3.2.4 Grado de Saturación del Hormigón
De crucial importancia para el efecto del hielo/deshielo sobre un hormigón en su grado de saturación, que se define de la siguiente manera:
Dónde:
• Vw= Volumen de agua evaporable
• Vp= volumen de poros capilares abiertos y conectados
Un Grado de Saturación = 1,0 significa que el Volumen de Poros está completamente lleno de agua, en condición saturada. El Volumen de Poros comprende los poros capilares de la pasta de cemento (0,1 μm), eventuales poros incorporados, los poros del proceso de compactación, y los poros de los agregados (ver Figura 3-10).
Se considera que existe un Punto Crítico de Saturación de agua 𝑺𝒄𝒓𝒊𝒕, sobre el cual un hormigón se daña, debido a las presiones internas, luego de sólo algunos ciclos de congelación/deshielo. Algunos autores mencionan este punto crítico en 91,7%.
Este Grado de Saturación critico depende del volumen de poros y de la distribución del tamaño de poros, y es por lo tanto específico al tipo de hormigón.
Si el Grado de Saturación de un hormigón está por debajo del nivel crítico de saturación, no sufrirá daños significativos por ciclos repetidos de congelación/deshielo. Por lo tanto, en la práctica y en ensayos, el deterioro solamente puede ocurrir si se supera el Grado de Saturación crítico del hormigón (Figura 3-11). Esto requiere que suficiente agua esté disponible desde el exterior y ocurra la absorción capilar de ésta.
En esta propuesta se han considerado los siguientes límites de precipitación promedio mensual (P) para definir el nivel probable de saturación del hormigón, válido para superficies horizontales donde la continuidad de la humedad queda asegurada al mantenerse la lluvia y/o nieve mayor tiempo, lo que ocurre en menor medida en superficies verticales:
• Saturación Nula (SN): P < 10mm
• Saturación Baja (SB): 10mm < P < 50mm
• Saturación Alta (SA): P >
Existe poca información sobre el nivel de nieve caída a lo largo del país, pero se supone que en sectores donde esto ocurra, la posibilidad de saturación será alta (SA). En estas condiciones, al tratarse de sectores urbanos, se supondrá el uso de sales descongelantes, lo cual significa un probable aumento del deterioro del hormigón por efecto de los ciclos de congelación/deshielo al potenciarse el congelamiento por capas. Lo anterior queda reflejado en la Figura 3-12
El aumento del volumen de la solución de poros en proceso de congelación junto a la imposibilidad de la reducción de la presión en los poros adyacentes (capas ya congeladas), conduce a tensiones macroscópicas internas y a la rotura de las capas superiores del hormigón. Entonces ocurre el descascaramiento con pérdida de masa superficial del hormigón.
La condición de las estructuras de hormigón verticales difiere del caso de las estructuras horizontales, como pavimentos, debido a que la humedad en el ambiente y las precipitaciones, no se mantiene y escurre, con lo cual la condición de saturación se ve afectada y disminuye considerablemente. Su efecto se analiza en el punto 3.3.4.
3.2.5 Simultaneidad de condiciones
En resumen, para la ocurrencia del deterioro por ciclos de congelación/deshielo en superficies horizontales, deben ocurrir en forma simultánea las siguientes condiciones:
- Temperaturas mínimas inferiores a -2°C
- Cantidad de Ciclos/año C > 12 (300 ciclos / 25 años Vida Útil)
- Nivel de Saturación Bajo (SB) o Alto (SA)
- Presencia de Nieve (N) por uso probable de sales.
Para la comprobación de esta situación es necesario considerar los valores mensuales de ocurrencia de esta simultaneidad en cada localidad en análisis, dado que a lo largo del año puede ocurrir que los meses de heladas no coincidan necesariamente con los meses de precipitaciones, como es el caso de la ciudad de Calama, o algunos meses se clasifiquen en categoría F2 y otros en F1, prevaleciendo en este caso la condición más desfavorable para esa localidad.
3.3 FLUJO DE VERIFICACIÓN
Se describe a continuación el Flujo de Verificación que debe realizarse para comprobar el Grado de Exposición a aplicar en cada zona geográfica, junto a un esquema en la Figura 3-13. El resultado varía en el año, y prevalecerá el mayor Grado de Exposición que ocurra en el período.
3.3.1 Temperaturas mínimas
La verificación de la ocurrencia de ciclos de Congelación/Deshielo comienza con el análisis de la cantidad promedio anual de éstos que cumplan con la condición de temperaturas < -2°C. Si no hay temperaturas mínimas inferiores se considera en forma inmediata la condición del Grado F0, lo cual implica que el hormigón no requiere incorporador de aire como medida de mitigación.
3.3.2 Cantidad de ciclos críticos
Para pavimentos horizontales se obtiene:
- VU Pavimentos = 25 años: promedio crítico de ciclos/año < 12
Para otras estructuras se obtiene:
- VU Estructuras = 50 años: promedio crítico de ciclos /año < 6
Debido a que la Vida Útil para estructuras de hormigón se ha considerado en 50 años, la cantidad de ciclos admisibles para que no ocurra deterioro sin el uso de incorporador de aire se reduce de 12 a 6 ciclos/año. La práctica muestra que la ocurrencia de daños en estructuras de hormigón, en especial verticales y exteriores es reducida, como es el caso en ciudades del Valle Central, desde Chillán a Osorno, que con un promedio de 12 ciclos/año no han mostrado deterioros por esta causa. Además, como ya se mencionó, la humedad no se mantiene sobre la superficie, como es el caso de los pavimentos, por lo tanto, la posibilidad de ocurrencia de un grado de saturación > 90% disminuye considerablemente.
Debido al efecto ya indicado, y a modo de contrarrestar en el análisis este efecto, se ha considerado en esta propuesta aumentar el límite de ciclos admisibles para estructuras al mismo valor que para pavimentos, determinándose un límite único promedio de 12 ciclos/año para considerar la necesidad de incorporar aire a la mezcla de hormigón.
3.3.3 Análisis de Simultaneidad
Si se determina que es necesario incorporar aire a la mezcla de hormigón, el flujo continúa con el análisis desde la condición más agresiva hasta la condición más benigna. Tras identificar si en la zona en estudio hay presencia de nieve (se considera que la nieve mantiene al hormigón en condiciones saturadas), el primer punto se centra en identificar si habrá presencia de sales descongelantes o similares: en el caso de pavimento y otras estructuras viales sometidas a la acción de sales descongelantes, sin dudas éstas son utilizadas, por lo cual corresponde Grado de Exposición F3.
Si no hay presencia de nieve, o hay nieve, pero sin uso de sales, se requiere analizar la posibilidad de que el hormigón se encuentre saturado o no. Si el Grado de Saturación esperado es ALTO (> 50mm de precipitaciones o condición de nieve) corresponde el Grado de Exposición F2, si es BAJO (> 10mm) corresponde a Grado de Exposición F1. En este caso, a pesar de estar comprobado que están sometidas a los ciclos de congelación/deshielo, el Grado F0 podría llegar a ser aplicable, por ejemplo, cuando las condiciones de humedad y ocurrencia de ciclos ocurren en períodos de tiempo distintos, como es el caso de ciudades del norte de Chile, como Calama.
3.3.4 Ejemplos de Aplicación
La selección de Grado de Exposición en caso de sobrepasarse esta cantidad de ciclos dependerá si la estructura es interior o exterior, y si pudiera verse salpicada o contaminada por sales descongelantes.
Distinta es la situación cuando esa misma estructura corresponde a un hormigón ubicado al interior, o que ha sido protegido de la acción climática, ya sea por el uso de membranas o aislantes que impidan el congelamiento del hormigón y disminuyan la saturación del hormigón. En estos casos se deberá realizar un análisis específico por un especialista. La Tabla 3-1 muestra algunos ejemplos del uso de Flujo de Verificación de la Figura 3-13.
