04 – Propiedades del Hormigón Endurecido

4.1. Generalidades

Propiedades del Hormigón Endurecido

El hormigón experimenta un proceso de endurecimiento progresivo que lo transforma de un material plástico en un sólido, producido por un proceso físico-químico complejo de larga duración, del cual se ha dado una somera explicación en los capítulos anteriores.

En esta etapa, las propiedades del hormigón evolucionan con el tiempo, dependiendo de las características y proporciones de los materiales componentes y de las condiciones ambientales a que estará expuesto durante su vida útil.

La previsión de las propiedades que posee el hormigón en una etapa determinada de este proceso de endurecimiento no es posible en la actualidad deducirla directamente de las características del proceso, sino que debe recurrirse a ensayos que evalúan en forma directa dichas propiedades.

En este capítulo se resumirá la forma de determinación de las propiedades más importantes del hormigón en su etapa de endurecimiento y el alcance que debe dárseles para su correcta interpretación.

Estas propiedades son: la densidad, la resistencia, las variaciones de volumen y las propiedades elásticas del hormigón endurecido.

4.2. Densidad del Hormigón

La densidad del hormigón se define como el peso por unidad de volumen.

Depende de la densidad real y de la proporción en que participan cada uno de los diferentes materiales constituyentes del hormigón. Para los hormigones convencionales, formados por materiales granulares provenientes de rocas no mineralizadas de la corteza terrestre, su valor oscila entre 2.35 y 2.55 kg/dm³.

La densidad normalmente experimenta ligeras variaciones con el tiempo, las que provienen de la evaporación del agua de amasado hacia la atmósfera y que en total puede significar una variación de hasta alrededor de un 7% de su densidad inicial.

Está relacionada con otras propiedades del hormigón, en particular con su resistencia y aislación térmica, acústica y a las radiaciones.

Puede ser variada artificialmente, ya sea por debajo o sobre los valores señalados, constituyendo en este caso los denominados hormigones livianos o pesados, respectivamente.

Los hormigones livianos se obtienen por medio de la incorporación de aire, ya sea directamente en la masa del hormigón o incorporada en los áridos utilizando áridos livianos. Su densidad puede alcanzar valores tan bajos como 0.5 kg/dm³ y se utilizan principalmente cuando se desea obtener aislación térmica y acústica mayores que las del hormigón convencional.

Los hormigones pesados se obtienen mediante el uso de áridos mineralizados, cuya densidad real es mayor que la de los áridos normales. Su densidad puede alcanzar valores hasta de 5.0 kg/dm³ y se utilizan principalmente cuando se desea obtener aislación contra las partículas radiactivas.

En el capítulo 9 se analiza con mayor detalle la aplicación de estos conceptos.

4.3. Resistencia del Hormigón

La resistencia es una de las propiedades más importantes del hormigón, principalmente cuando se le utiliza con fines estructurales.

El hormigón, en su calidad de constituyente de un elemento estructural, queda sometido a las tensiones derivadas de las solicitaciones que actúan sobre éste. Si sobrepasan su capacidad resistente se producirán fracturas, primero de origen local y posteriormente generalizadas, que podrán afectar la seguridad de la estructura.

Por este motivo, los elementos estructurales deben ser dimensionados de manera que las tensiones producidas no sobrepasen la capacidad resistente del material constituyente, lo cual muestra la importancia de conocer esa característica.

El examen de las teorías de rotura de los materiales demuestra que esta capacidad resistente debe ser evaluada principalmente para las tensiones normales (compresión y tracción) y de corte.

En los párrafos que siguen analizaremos las características que éstas asumen en el caso del hormigón.

4.3.1. Resistencia a la Compresión

El procedimiento de ensayo para la determinación de la resistencia a la compresión del hormigón está establecido en NCh 1307.

El valor de resistencia obtenido en el ensayo no es, sin embargo, absoluto, puesto que depende de las condiciones en que ha sido realizado. Entre estas condiciones, las de mayor influencia son las que se analizan a continuación.

• Forma y dimensiones de la probeta utilizada para el ensayo. Las probetas normalmente empleadas para determinar la resistencia a la compresión son de forma cúbica o cilíndrica. De las primeras, se emplean de preferencia las de 15 y 20 cm de arista, y para las segundas, las de 15 cm de diámetro y 30 cm de altura. Se han establecido fórmulas que relacionan la resistencia obtenida en un tipo de probeta con la que se obtendría para el mismo hormigón ensayado en otro tipo de probeta. A continuación, se indican relaciones entre probetas cúbicas de 20 cm de arista con probetas cilíndricas de 15×30 cm.
• Condiciones de Ejecución del Ensayo. El ensayo debe ser ejecutado estrictamente en las condiciones establecidas en NCh 1037, de las cuales las de mayor importancia son:
  • Velocidad de aplicación de la carga de ensayo. La velocidad de aplicación de la carga debe ser tal que la tensión de rotura a compresión se produzca en un tiempo mínimo de 100 segundos a una velocidad máxima de aplicación de la carga de 3.5 kg/cm²/s.
  • Estado de las superficies de aplicación de la carga de ensayo. Las superficies de la probeta en las que se aplica la carga de ensayo deben ser totalmente planas, de manera que no se produzcan concentraciones locales de tensión que conduzcan a fractura anticipada de esos sectores. Para este objeto, las caras de apoyo de las placas de la prensa en que se efectúa el ensayo deben estar terminadas de manera que sean lisas y planas, no debiendo existir desviaciones superiores a 0.015 mm.
  • Centrado de la carga de ensayo. La probeta de ensayo debe ser colocada en forma centrada con respecto de la placa de la prensa, de manera que no se produzca excentricidad en la aplicación de la carga de ensayo con respecto del eje de la probeta, pues induce un momento de flexión y, con ello, tensiones de tracción que disminuyen el valor final de resistencia. La resistencia obtenida es inversamente proporcional a 1 + 3e, siendo e la excentricidad de la carga, expresada en porcentaje.
• Características del Hormigón. Algunas características del hormigón condicionan de manera importante su resistencia a la compresión. Su conocimiento permite predecir en forma aproximada la probable resistencia a compresión de un hormigón que tenga determinados valores de esas características. De éstas, las de mayor importancia son las que se analizan a continuación.
  • Tipo de Cemento. El tipo de cemento empleado para la elaboración del hormigón condiciona su resistencia a compresión, en particular la correspondiente a los primeros meses. Para los cementos nacionales, pueden establecerse las siguientes cifras medias aproximadas: Estas cifras varían de acuerdo a la procedencia del cemento, pero, en líneas generales, demuestran que la influencia del tipo de cemento es menor para mayores edades, pudiendo estimarse que para tiempos de alrededor de 6 meses ya es poco significativa.
  • Razón agua/cemento. Este factor es determinante en el valor de la resistencia de un hormigón. Por este motivo, ha sido ampliamente investigado desde los primeros tiempos del desarrollo de la Tecnología del Hormigón. De las relaciones que ligan ambos parámetros es conveniente mencionar las determinadas por los investigadores Féret y Bolomey, los que han establecido las siguientes relaciones: Los coeficientes k y K de ambas fórmulas dependen del tipo de cemento utilizado y deben determinarse experimentalmente. Debe señalarse que, para los cementos nacionales, el coeficiente K tiene los valores aproximados que se indican a continuación para ensayos realizados a 28 días de edad:
  • Edad del hormigón. La resistencia del hormigón aumenta con su edad en forma prácticamente indefinida, aun cuando el incremento es más fuerte inicialmente que en las etapas posteriores. Este aspecto ha sido también evaluado cuantitativamente por diversos investigadores, de cuales se incluyen a continuación las expresiones derivadas por Rós y por Venuat, la primera por haber sido extensamente aplicada en nuestro país, y la segunda por estimarse que representa bien este aspecto para los hormigones elaborados con los cementos nacionales. siendo t el tiempo o edad del hormigón, expresado en días. Los coeficientes K₁ y K₂ que figuran en ambas fórmulas deben ser determinados experimentalmente. Para la fórmula de Venuat, éstos tienen aproximadamente los valores que se señalan a continuación, para hormigones de clase H25 o superior:
• Condiciones Ambientales. En general, las condiciones ambientales a las cuales está sometido el hormigón durante su vida útil ejercen una influencia importante sobre su resistencia y, en particular sobre su resistencia a la compresión, aspecto que es sobre el cual existe mayor documentación relacionada con esta materia. Se indican a continuación algunos antecedentes de tipo general acerca de las influencias que ejercen las condiciones ambientales de temperatura y humedad a que se encuentra sometido el hormigón sobre su resistencia a la compresión. En relación con la temperatura debe señalarse que su efecto puede ser aproximadamente evaluado a través del concepto de madurez, definida como: y que establece que hormigones con igual madurez tienen igual resistencia. No existen, en cambio, investigaciones que resuman los efectos de la humedad ambiental sobre la resistencia a compresión. La Figura 4.1, que corresponde a experiencias realizadas por el Bureau of Reclamation, contiene algunos antecedentes que deben considerarse como referencias de carácter cualitativo, pues fueron estudiadas para hormigones elaborados con cementos de tipo Portland, motivo por el cual no son extrapolables a las condiciones de los cementos nacionales. Ella permite observar la importante influencia que ejerce la humedad ambiente en que es mantenido el hormigón y, en consecuencia, la necesidad de efectuar un debido curado del hormigón en sus primeros días.

4.3.2. Resistencia a Tracción

La resistencia a tracción del hormigón ha sido considerablemente menos estudiada que la resistencia a compresión, en parte debido a la mayor incertidumbre que existe para su determinación.

Esta incertidumbre empieza con la forma de ejecución del ensayo, existiendo tres formas distintas para efectuarlo: por tracción directa, por flexión y por tracción indirecta, cada uno de las cuales conduce a valores sensiblemente diferentes.

• Ensayo de Tracción Directa. Consiste en la aplicación de dos cargas opuestas colineales con el eje de la probeta que se ensaya. Este ensayo no ha sido normalizado, siendo de difícil ejecución, por no existir procedimientos seguros para la transmisión de las cargas, que eviten la concentración de tensiones o excentricidades en las caras de carga, las que, al producirse, introducen factores importantes de error en los ensayos. Actualmente el ensayo se efectúa adhiriendo una probeta prismática a las placas de la prensa que aplica las cargas de tracción, lo que ha simplificado su ejecución. Por otra parte, como el valor de resistencia a la tracción directa no es normalmente considerado como parámetro de diseño, existen pocos estudios que lo correlacionen con los otros ensayos de tracción o con el de compresión.
• Ensayo de Tracción por Flexión. Consiste en someter a una vigueta de hormigón a un ensayo de flexión mediante una o dos cargas concentradas. Este ensayo ha sido normalizado en NCh 1038, en la cual se establece que si la altura de la vigueta de ensayo es inferior a 15 cm, debe efectuarse la aplicación de una carga centrada en su luz libre, y si es mayor de dicha dimensión debe efectuarse con cargas concentradas aplicadas en los tercios de la luz libre. La resistencia a flexión se calcula mediante la expresión de Navier utilizando el momento de flexión máximo, excepto que la fractura se produzca fuera del tercio central, caso en el cual se considera como brazo la distancia desde la fractura al apoyo más cercano. Este ensayo es aceptado más universalmente como medida de la resistencia a tracción del hormigón, a pesar de presentar una duda en la validez de la hipótesis de Navier hasta la producción de la rotura de la vigueta y de ser muy influenciado por la homogeneidad de su fabricación. Es también un ensayo de ejecución relativamente compleja, principalmente porque requiere de un equipamiento de moldes y prensa que no son comunes en todos los laboratorios.
• Ensayo de Tracción Indirecta o Hendimiento. Consiste en someter a una probeta cilíndrica o cúbica a una carga lineal concentrada según dos ejes longitudinales opuestos. Al aumentar estas cargas, la rotura se produce por tracción según el plano formado por los ejes de carga. Este ensayo ha sido normalizado por NCh 1170. La tensión de rotura se calcula mediante la expresión El ensayo es de simple ejecución, pero presenta el inconveniente de que el valor para la tensión de rotura se obtiene por exceso, a causa del efecto de compresión producido en torno a la línea de carga. Algunos investigadores han propuesto correcciones para este efecto, pero ellas aún no son consideradas por las Normas que regulan este ensayo.

Los ensayos de tracción antes descritos han sido correlacionados con la resistencia a compresión por distintos investigadores. Los resultados medios obtenidos pueden resumirse en la Tabla 4.1 que se incluye a continuación:

4.4. Variaciones de Volumen

El hormigón experimenta variaciones de volumen, dilataciones o contracciones, durante toda su vida útil por causas físico-químicas.

El tipo y magnitud de estas variaciones están afectados en forma importante por las condiciones ambientales existentes de humedad y temperatura, y también por los componentes presentes en la atmósfera.

La variación de volumen derivada de las condiciones de humedad se denomina retracción hidráulica, y las que tienen por causa la temperatura, retracción térmica. Por su parte, de las originadas por la composición atmosférica, la más frecuente es la producida por el anhídrido carbónico y se denomina carbonatación.

En los párrafos que siguen se analizarán sus características y la forma de evaluarlas.

4.4.1. Retracción Hidráulica

La retracción hidráulica del hormigón se origina por dos causas principales: endógenas al hormigón y de tensión superficial del agua acumulada en sus discontinuidades internas.

Las motivadas por causas endógenas se derivan de las variaciones de volumen producidas en la pasta de cemento durante el proceso de fraguado y endurecimiento.

Esta variación consiste en una contracción, pues el volumen absoluto de los compuestos hidratados es menor que el de los compuestos originales del cemento. Sin embargo, si el ambiente está saturado de humedad, la absorción de agua por parte del gel produce una dilatación que compensa la contracción, pudiendo llegar a generarse una pequeña dilatación si la humedad se mantiene en forma permanente.

Por otra parte, el agua de amasado contenida en el hormigón se evapora progresivamente si éste no se mantiene en un ambiente saturado de humedad. Dado que la estructura interna del hormigón se caracteriza por la existencia de numerosos poros y fisuras de tamaño capilar, al progresar el desecamiento se producirá en ellos el contacto de una fase líquida, el agua, con una gaseosa, el aire, lo que generará una importante tensión superficial. Esta tensión se transmite por adherencia del agua a las paredes de las discontinuidades, alcanzando una magnitud tal que es capaz de producir la contracción del hormigón.

Como consecuencia del mencionado proceso, si el hormigón se mantiene en un ambiente no saturado, experimentará una contracción causada por la tensión superficial interna de la fase líquida contenida en él.

De esta exposición pueden establecerse cuáles son los parámetros preponderantes en la retracción hidráulica:

• Composición química del cemento. La composición química del cemento influye principalmente en la variación de volumen por causas endógenas, dado que ésta deriva del desarrollo del proceso de fraguado. En estas condiciones, si la composición del cemento favorece un fraguado rápido de la pasta, ella también será favorable para una más alta contracción inicial, si existen condiciones ambientales no saturadas de humedad. Por las razones indicadas, un alto contenido de C3A favorecerá una rápida y alta contracción por causas endógenas.
• Finura del cemento. Una mayor finura del cemento favorece también una evolución rápida de sus propiedades, en particular de su fraguado y, en consecuencia, actuará en forma similar a la indicada para su composición química.
• Dosis de cemento. Dado que las variaciones por causas endógenas se originan en la pasta de cemento, es evidente que una mayor proporción de pasta incidirá en su aumento. En consecuencia, existirá una relación casi directa entre la dosis de cemento y la retracción hidráulica por estas causas.
• Dosis de agua. La dosis de agua incide directamente en el valor de la retracción hidráulica causada por tensión superficial, dado que un mayor contenido de agua en el interior del hormigón conducirá a una mayor cantidad de fisuras y poros saturados, desde donde se origina la tensión superficial. En consecuencia, la dosis de agua es un factor de importancia primordial en el valor de la retracción hidráulica.
• Porosidad de los áridos. El mismo fenómeno de tensión superficial que se produce en el interior de las discontinuidades de la estructura del hormigón puede también generarse en las de los áridos y sumarse con la anterior. Sin embargo, su efecto es más restringido debido a la menor deformabilidad del árido con respecto a la de la pasta de cemento. El valor de la retracción por esta causa queda condicionado por la finura del árido, siendo mayor cuando ésta aumenta, puesto que ello implica una mayor cantidad de discontinuidades en la masa del árido.
• Humedad. Como se ha indicado al analizar el proceso de retracción endógena del hormigón, la humedad es un factor importante en la magnitud que ésta alcanza. En forma similar, la retracción originada por tensión superficial estará también influida por la humedad, puesto que ella condiciona la velocidad de evaporación del agua interior del hormigón.

El valor global que alcanza la retracción hidráulica puede ser estimado mediante diversos criterios que existen sobre la materia. De éstos se reproduce en la Figura 4.2 el preconizado por el Comité Europeo del Hormigón (CEB), en el cual la evolución de la retracción se calcula mediante la expresión

En la Figura 4.2 se reproducen los valores sugeridos por el CEB para dichos coeficientes.

La aplicación de este procedimiento de cálculo estima el valor final que alcanzará la retracción en el elemento a través del coeficiente. Para una mejor estimación es necesario efectuar ensayos de laboratorio, que consisten en medir la variación de longitud de una probeta de hormigón en un ambiente de humedad y temperatura definidas.

Estos ensayos no han sido normalizados en nuestro país, pero sí lo están en normas extranjeras como la ASTM C 157 o la AFNOR P 15 – 352.

Sin embargo, para su adecuada comprensión es conveniente tener presente que, por las características que se han señalado para la retracción hidráulica, éste es un proceso progresivo, puesto que sus dos componentes, la retracción endógena y la derivada de la tensión superficial, varían en función del tiempo. La primera, a medida que se produce el fraguado y endurecimiento de la pasta de cemento, y la segunda, según avanza el secado progresivo del hormigón.

Por otra parte, como ambas dependen de la humedad circundante, esta progresión se producirá desde el exterior hacia la masa interna del hormigón, puesto que mientras el hormigón no pierda por evaporación su agua de amasado, existirá internamente un ambiente saturado que se irá secando progresivamente a medida que se produce el traspaso por evaporación hacia la atmósfera.

El investigador JOISEL ha elaborado un gráfico que muestra cómo evoluciona la retracción hidráulica para un hormigón de características medias en función del tiempo, el cual se muestra en la Figura 4.3.

Esta permite apreciar que se trata de un proceso relativamente lento, puesto que el valor final de retracción a algunos centímetros de profundidad se logra sólo después de períodos superiores a un año.

Estas características indican que la retracción hidráulica afectará a un elemento de hormigón desde dos puntos de vista:

• Globalmente, es decir a todo el elemento, aspecto en el cual el efecto producido dependerá de las restricciones a las deformaciones que posea el elemento. Este efecto es importante en los elementos esbeltos, tales como pavimentos y estucos.
• Internamente, por efectos de las restricciones generadas entre secciones contiguas debido a las diferencias de humedad que se producen entre ellas a medida que el proceso de secado progresa hacia el interior. Este efecto es importante en elementos masivos.

Las restricciones tanto globales como internas permitirán la producción de tensiones de tracción, las que, de no ser resistidas por el hormigón, generarán fisuras. Las características de estas fisuras, a su vez, dependerán de todas las condiciones anteriormente descritas, pero en líneas generales puede deducirse que, para elementos esbeltos, afectarán una parte importante de su sección y, en cambio, para elementos masivos su efecto se limitará a una parte de su espesor.

Para atenuar los efectos de la retracción hidráulica pueden tomarse distintas medidas, las que, en esencia, se derivan de los factores que condicionan su magnitud y son las siguientes:

• Usar cementos de bajo contenido de C3A y de baja finura
• Usar bajas dosis de agua y de cemento para el hormigón
• Mantener el hormigón en un ambiente de alta humedad el mayor tiempo posible
• Dimensionar los elementos teniendo en consideración los efectos de la retracción hidráulica (armaduras, juntas de contracción).

4.4.2. Retracción Térmica

El hormigón puede experimentar variaciones de volumen causadas por la temperatura, las cuales pueden provenir tanto externamente de la temperatura ambiente como internamente de la generada durante el fraguado y endurecimiento de la pasta de cemento, proceso que, como se ha dicho, es exotérmico. Estos efectos, por ser independientes en su generación, pueden superponerse.

Como consecuencia de lo expresado, los principales factores que condicionarán la magnitud de la retracción térmica son los siguientes:

• Variaciones derivadas de causas externas:
  • Magnitud y velocidad de las variaciones de temperatura ambiental
• Variaciones por causas internas:
  • Características del cemento
  • Contenido de C3A
  • Finura de molienda
  • Temperatura en el momento de su incorporación en el hormigón

La evaluación de la retracción térmica puede efectuarse a partir del valor de las temperaturas producidas y de las características de dilatación térmica del elemento, puesto que la variación de longitud producida por efectos térmicos tiene como expresión:

El coeficiente de dilatación térmico del hormigón tiene un valor promedio, pero puede variar significativamente de acuerdo a la naturaleza de los áridos, particularmente cuando son de constitución caliza, situación que, sin embargo, en nuestro país es poco común.

La variación de temperatura a su vez puede ser calculada a partir de la distribución de temperaturas en el elemento, la cual cumple con la ecuación diferencial establecida por FOURIER:

La ecuación de Fourier puede ser resuelta por cálculo computacional, por ejemplo, mediante el método de los elementos finitos o por métodos aproximados como el propuesto por SCHMIDT.

Este último se basa en el principio que si el elemento para el cual se efectúa el cálculo se divide en partes de longitud 61 en el sentido de flujo calórico y se elige la unidad de tiempo de cálculo

Los procesos térmicos por causas externas e internas se superponen en forma similar a la expuesta para la retracción hidráulica, produciéndose efectos parecidos en lo que concierne a la generación de tensiones de tracción y de la fisuración, sólo que la evolución es mucho más rápida, como puede verse esquemáticamente en la Figura 4.5.

Para paliar los efectos derivados de la retracción térmica pueden tomarse algunas medidas, como las que se describen a continuación:

• Para atenuar los efectos derivados de la temperatura externa, la medida más eficaz consiste en el aumento de la aislación térmica en los paramentos que limitan con el exterior.
• Para los efectos térmicos generados por el proceso de hidratación de la pasta de cemento pueden tomarse diversas medidas, tales como las siguientes:
  • Empleo de cementos de bajo calor de hidratación, aceptándose normalmente como tales aquellos cuyo calor de hidratación a 7 días es inferior a 70 cal/g.
  • Disminución de la temperatura interna del hormigón por alguno de los siguientes sistemas:
    • Reemplazo de parte del agua de amasado por hielo durante la revoltura en la hormigonera, con lo cual se logra rebajar la temperatura inicial del hormigón colocado en obra.
    • Refrigeración del hormigón colocado, por circulación de agua fría a través de serpentines embebidos en su masa.
  • Planificación de las etapas de hormigonado de la obra de manera tal que sean de espesor limitado, dejando transcurrir un lapso que permita la mayor disipación posible del calor generado en ese tiempo. El procedimiento habitual es relacionar el espesor de las etapas con el tiempo de espera, de manera de dejar transcurrir un plazo de un día por cada 0.5 m de espesor de la etapa.

4.4.3. Retracción por Carbonatación

El proceso de hidratación de la pasta de cemento deja una cierta proporción de cal libre, es decir, sin participar en el proceso químico de fraguado.

Esta cal libre es susceptible de combinarse con el anhídrido carbónico del aire, produciendo carbonato de calcio, combinación química que tiene un carácter contractivo, por lo cual el espesor de hormigón afectado por él disminuye su volumen inicial, generándose la denominada retracción por carbonatación.

En general, el espesor afectado es pequeño, alcanzando sólo algunos milímetros en la zona cercana a la superficie en contacto con el aire. Sin embargo, por el confinamiento que produce el hormigón interior adyacente, esa capa queda sometida a tensiones de tracción, pudiendo fisurarse.

El proceso alcanza mayor magnitud si el hormigón se presenta superficialmente seco, la humedad relativa del aire tiene un grado de humedad intermedio, alrededor de 50%, y el hormigón es poco compacto. Disminuye, en cambio, significativamente si el hormigón está saturado, pues el agua impide la difusión del anhídrido carbónico en los poros del hormigón, o la humedad ambiente es muy baja, inferior a 25%, pues el desarrollo de la carbonatación requiere de un cierto grado de humedad mínimo.

Este proceso es importante en los hormigones sometidos a desgaste superficial, pues puede llevar a desintegrar la zona afectada y proseguir su penetración hacia el interior por repetición del mismo fenómeno. Incluso en hormigones no sometidos a este tipo de solicitación, la retracción por carbonatación contribuye a provocar la pulverización superficial característica de los hormigones no curados convenientemente en sus primeros días.

En consecuencia, para atenuar los efectos de la carbonatación es necesario efectuar un buen curado del hormigón.

En los elementos prefabricados es habitual producir un proceso de carbonatación forzada mediante un ambiente rico en anhídrido carbónico y baja humedad, con lo cual se logra reducir las contracciones posteriores.

4.5. Propiedades Elásticas y Plásticas del Hormigón

El conocimiento de las propiedades elásticas del hormigón es necesario para establecer la relación entre tensiones y deformaciones, aspecto que adquiere gran importancia en algunos problemas de tipo estructural, particularmente cuando el cálculo de deformaciones es determinante.

Las propiedades plásticas son necesarias para evaluar el comportamiento a largo plazo en elementos sometidos a tensión permanente.

En los párrafos que siguen se analizarán las características generales que estas propiedades adquieren en relación con el hormigón.

4.5.1. Propiedades Elásticas

La relación entre tensiones y deformaciones se establece a través del módulo de elasticidad.

Para los materiales totalmente elásticos, el módulo de elasticidad es constante e independiente de la tensión aplicada, acostumbrando a designársele con el nombre de módulo de Young. En otros materiales, designados inelásticos, en cambio, el módulo de elasticidad depende del valor de la tensión aplicada.

Lo más frecuente, sin embargo, es que los materiales presenten una combinación de ambos comportamientos, inicialmente elástico y posteriormente inelástico al aumentar la tensión aplicada.

Este es el caso del hormigón, cuya curva de relación tensión-deformación tiene la forma indicada en la Figura 4.6, en la cual pueden observarse tres tramos característicos:

• Un primer tramo recto, en que el comportamiento es elástico y que abarca no más de un 20 % del desarrollo total de la curva
• Un segundo tramo curvo, ascendente hasta el valor máximo de la curva tensión-deformación
• Un tercer tramo curvo, descendente hasta la tensión de rotura

Esta forma se explica a través del comportamiento del hormigón a medida que la tensión aplicada crece.

En efecto, la forma recta se mantiene en tanto el hormigón se mantenga como un material homogéneo. Esta forma se pierde al aparecer las primeras microfisuras, normalmente en el contacto mortero-árido grueso, pues, en esta situación, aun cuando el hormigón es capaz de seguir aceptando carga, su deformabilidad aumenta. Finalmente, al fracturarse el mortero del hormigón, desaparece su capacidad de tomar carga, pero continúa deformándose hasta llegar a la rotura total.

Debido a las características señaladas, para el cálculo estructural se definen distintos tipos de módulos de deformabilidad, efectuándose la elección de acuerdo al caso particular del problema en análisis. De éstos, los más utilizados corresponden a los siguientes: la tangente en el origen, aplicable al análisis de problemas de tipo dinámico, en que la carga es aplicada en forma rápida la tangente en un punto de la curva correspondiente a una tensión dada una secante entre dos puntos determinados de la curva

Este último criterio es el actualmente empleado en la mayoría de las Normas de diseño en hormigón armado. A título de ejemplo puede citarse el caso de la Norma ASTM C 469, que establece como valor del módulo de deformación el dado por la siguiente expresión:

El módulo de deformación ha sido también correlacionado con la resistencia a compresión. Por ejemplo, el American Concrete Institute presenta la siguiente expresión:

Finalmente, debe señalarse que las características reseñadas establecen que el hormigón presenta un comportamiento frágil, es decir, la rotura se presenta sin aviso, por la inexistencia previa de un tramo de deformación aproximadamente constante a carga creciente.

4.5.2. Propiedades Plásticas del Hormigón

A pesar del carácter frágil señalado para el hormigón para las cargas de velocidad normal de aplicación, éste presenta un comportamiento plástico cuando una determinada carga permanece aplicada un largo tiempo, produciéndose en este caso una deformación denominada fluencia del hormigón, cuya forma característica es la señalada esquemáticamente en la Figura 4.7.

El conocimiento de la fluencia es necesaria para el análisis estructural en el caso del cálculo de deformaciones en elementos de hormigón armado, determinar la pérdida de la tensión aplicada en una estructura de hormigón pretensado o para el cálculo de tensiones a partir de la medición de deformaciones.

El mecanismo que genera la fluencia en el hormigón no es bien conocido, estimándose actualmente que es causado por la combinación de dos tipos de fenómenos: uno derivado de la acomodación de la estructura cristalina de la pasta de cemento, que se denomina fluencia básica, y otro proveniente de la migración interna de la humedad, que se traduce en una retracción hidráulica adicional.

Los principales factores que condicionan la fluencia del hormigón son las características del hormigón, principalmente el tipo y la dosis de cemento, la humedad ambiente, la magnitud de la tensión aplicada y la edad del hormigón en el momento de su aplicación.

La forma en que influyen estos factores puede deducirse a través de algunos de los métodos de evaluación propuestos, de los cuales se resume en la Figura 4.8 el correspondiente al Comité Europeo del Hormigón (CEB), cuya aplicación es similar al señalado para el cálculo de la retracción en la Figura 4.3.

4.6. Permeabilidad del Hormigón

El hormigón es un material permeable, es decir que, al estar sometido a presión de agua exteriormente, se produce escurrimiento a través de su masa.

El grado de permeabilidad del hormigón depende de su constitución, estando normalmente comprendido su coeficiente de permeabilidad entre 10⁻⁶ y 10⁻¹⁰ cm/seg.

Dado este rango de variabilidad relativamente amplio, es conveniente conocer el mecanismo mediante el cual se produce el escurrimiento de agua en el hormigón, lo cual permitirá a su vez establecer los recursos que pueden utilizarse para controlar su permeabilidad.

El agua puede escurrir en el interior del hormigón a través de dos vías principales:

• Las discontinuidades (poros y fisuras) de la pasta de cemento.
• La porosidad existente en el contacto entre la pasta de cemento y los áridos constituyentes del hormigón.

Las discontinuidades de la pasta de hormigón son producidas principalmente por la porosidad derivada del agua introducida en el hormigón para otorgarle la trabajabilidad necesaria y por las microfisuras producidas por las variaciones de volumen internas por retracción hidráulica y térmica.

Por su parte, la porosidad señalada en el punto b) proviene principalmente de un insuficiente relleno de los huecos del esqueleto constituido por los áridos por parte de la pasta de cemento.

De esta manera, este análisis esquemático del mecanismo de escurrimiento del agua en el interior del hormigón permite establecer en líneas generales las medidas que pueden esbozarse para lograr un mayor grado de impermeabilidad:

• Utilizar la razón agua/cemento más baja posible, compatible con la obtención de una trabajabilidad adecuada para el uso en obra del hormigón.
• Utilizar la dosis de cemento más baja posible, compatible con la resistencia y otras condiciones que establezcan las especificaciones del proyecto.
• Emplear un contenido apropiado de granos finos, incluidos los aportados por el cemento, para lograr un buen relleno del esqueleto de áridos del hormigón. La cantidad ideal de granos finos puede establecerse a partir de los métodos de dosificación que se expondrá en el capítulo 7, particularmente de los métodos de dosificación granulométricos.

Estas medidas, si bien no permiten establecer a priori cuál será el coeficiente de permeabilidad del hormigón, conducen a la obtención del hormigón más impermeable posible en las condiciones previstas para su uso.

La determinación del coeficiente de permeabilidad debe efectuarse necesariamente en base a ensayos de laboratorio, entre los cuales pueden mencionarse dos tipos principales:

• Los de permeabilidad radial, en los que se utiliza una probeta cilíndrica con una perforación central, desde la cual se aplica agua a presión, midiéndose el agua escurrida en un cierto tiempo. Este tipo de ensayo permite determinar el coeficiente de permeabilidad por medio de las fórmulas de escurrimiento en medios permeables.
• Los de penetración del agua en el hormigón, en los cuales una losa de hormigón es sometida a presión de agua por un lado y se mide la penetración del agua en su masa después de un cierto tiempo. Este ensayo se utiliza generalmente en forma comparativa, aunque también permite el cálculo del coeficiente de permeabilidad en forma similar a la del ensayo radial.

4.7. Durabilidad del Hormigón

Durante toda su vida útil, el hormigón está permanentemente expuesto a las acciones provenientes de agentes externos e internos, que pueden afectar su durabilidad si no se les tiene debidamente en cuenta.

De acuerdo con su origen, estas acciones pueden ser producidas por agentes físicos o químicos, presentando las características generales que se analizan en los párrafos que siguen.

4.7.1. Acción de los Agentes Físicos

Los agentes físicos que producen efectos de mayor importancia sobre el hormigón son los derivados de las variaciones de tipo ambiental y los procesos erosivos.

• Efectos de tipo ambiental. Se manifiestan a través de variaciones de temperatura y de humedad.
  • Variaciones de temperatura. Las variaciones de mayor importancia, por la magnitud de sus efectos, son las derivadas de los ciclos alternativos con temperaturas bajo y sobre el punto de congelación del agua (0° C), y que se denominan ciclos de hielo-deshielo. Dependiendo del rango de variación de estos ciclos, principalmente de las temperaturas bajo 0°C, y del estado de saturación del hormigón, el agua contenida en sus poros puede congelarse, produciéndose un proceso expansivo de gran magnitud que puede causar una desintegración paulatina del hormigón. Como criterio para evaluar la posibilidad de producción de este nocivo efecto puede considerarse el establecido por la Norma ASTM C 33, que define el Índice de Meteorización, expresado como el producto del promedio anual de días con temperaturas bajo y sobre cero grados centígrado por el promedio anual de lluvia caída, expresado en centímetros. En base a este Índice, se determina la calificación señalada en la Tabla 4.2 En caso de que el anterior análisis indique la posibilidad de producción del proceso, sus efectos pueden estudiarse mediante ensayos de laboratorio que simulan los ciclos de hielo-deshielo sobre una muestra del hormigón, cuya ejecución ha sido definida en algunas normas extranjeras como la Norma ASTM C 666. Estos ensayos son de difícil ejecución, pues requieren de largos plazos y de un equipamiento complejo. Por este motivo puede ser preferible tomar precauciones en caso de preverse posibles efectos. Para ello, el recurso de mayor eficacia es el empleo de aire incorporado en el hormigón, mediante el uso de un aditivo apropiado, cuya aplicación se analiza en el capítulo 7. Las burbujas de aire así introducidas en forma controlada, operan como cámaras de expansión, impidiendo que los efectos expansivos del agua congelada se transmitan al hormigón y evitando en consecuencia su acción destructiva.
  • Variaciones de humedad. Sus efectos son de menor importancia y por esa razón han sido menos estudiados. Se manifiestan a través de ciclos alternativos de saturación y secado del hormigón, los cuales por efecto de la tensión superficial del agua contenida en sus poros pueden producir un proceso degradante. En todo caso, su magnitud es pequeña y generalmente poco profunda y puede ser prevenida mediante la aplicación de protecciones superficiales impermeables, como ser pinturas.
• Procesos Erosivos. Los procesos erosivos de mayor importancia son los derivados de la abrasión mecánica y de la cavitación.
  • Abrasión mecánica. La abrasión mecánica se produce por el desplazamiento de materiales sólidos sobre la superficie de un elemento de hormigón. Estos materiales pueden ser cuerpos móviles, como vehículos u otros similares, o bien, como sucede en las obras hidráulicas, materiales granulares arrastrados por el agua en su desplazamiento. El paso de estos materiales desgasta la superficie del elemento por desprendimiento de partículas de los elementos componentes del hormigón. El proceso así producido es generalmente creciente, pues a medida que penetra en profundidad, el aumento de rugosidad producido facilita el desprendimiento de las partículas superficiales, pudiendo llegar a afectar un espesor significativo del elemento. Para atenuar los daños causados por este proceso es necesario aumentar la dureza superficial, empleando hormigones de alta resistencia en la superficie del hormigón o bien aplicar un tratamiento que produzca una película superficial de mayor dureza, como la silicatización mediante productos ad hoc para este objeto. La resistencia a la abrasión de un hormigón puede ser medida mediante ensayos de laboratorio, de los cuales uno de los más utilizados es el establecido en la Norma ASTM C 418, que la mide a través de la pérdida de peso experimentada por una muestra del hormigón sometido a desgaste mediante un disco abrasivo.
  • Cavitación. La cavitación consiste en el proceso destructivo que experimentan los materiales sometidos a escurrimiento de agua de alta velocidad si existen irregularidades en la superficie en contacto con el agua que lleguen a inducir un despegue de la napa. En estas condiciones, en las depresiones se genera un alto grado de vacío que produce la vaporización explosiva del agua, proceso destructivo denominado cavitación. Este puede alcanzar magnitudes significativas, siendo fuertemente creciente a medida que se desarrolla, dado que tiende a aumentar la irregularidad superficial. De acuerdo con estos conceptos, puede deducirse que la forma de evitar o al menos atenuar los efectos de la cavitación consistirá en mejorar la terminación de la superficie sometida al escurrimiento. Para tener una visión del grado de calidad de terminación necesario para este objeto, se indican a continuación las especificaciones que establece para este objeto el Bureau of Reclamation, organismo norteamericano de gran prestigio y experiencia en el diseño y la construcción de grandes obras hidráulicas: Las irregularidades bruscas consisten en escalones superficiales de las dimensiones indicadas y las progresivas en ondulaciones de la superficie. Las primeras se miden directamente y las segundas con respecto a una regla de 1.5 m de longitud apoyada en la superficie. Los valores señalados para las irregularidades máximas son de difícil obtención, en particular las correspondientes a velocidades mayores de 30 m/s. Por otra parte, un aumento de la resistencia superficial del hormigón no produce efectos muy significativos en la atenuación del proceso. Por este motivo, actualmente se investiga el efecto producido por la incorporación de aire en los flujos de alta velocidad, procedimiento que se ha demostrado altamente eficaz para este objeto.

4.7.2. Acción de los Agentes Químicos

La acción de los agentes químicos sobre el hormigón puede ser generada internamente en el hormigón o bien provenir de acciones agresivas externas.

• Acción de Agentes Internos. La acción nociva de agentes internos se deriva del aporte de productos que afectan el proceso de fraguado o endurecimiento de la pasta de cemento, o bien que generan productos expansivos que dañan su estabilidad. De este tipo de agentes se han citado dos, aportados por los áridos: la materia orgánica y los compuestos que producen la reacción álcali-árido, de naturaleza expansiva.
  • Efecto de la materia orgánica. La presencia de materia orgánica, aportada por los áridos, afecta el proceso de fraguado de la pasta de cemento, principalmente a través del contenido de ácido tánico presente en ella. La magnitud de este efecto depende, por esta razón, de la cantidad y del origen de la materia orgánica presente y su acción se manifiesta en general tanto sobre un retardo del fraguado de la pasta de cemento, como sobre una disminución de las resistencias iniciales del hormigón. Por este motivo, es importante precisar la existencia de productos nocivos de este tipo, para lo cual debe efectuarse el ensayo colorimétrico descrito en el párrafo c12 del capítulo 2. En el caso de existir materia orgánica en los áridos, generalmente es posible eliminarla mediante un lavado profundo usando agua, en equipos adecuados para este objeto.
  • Efecto de los compuestos reactivos. En el capítulo 2, párrafo C 1.1, se detalló este aspecto, indicando los compuestos nocivos y los procedimientos para detectarlos, debiendo eliminarse los áridos que posean estas características o, en su defecto, emplear cementos con bajo contenido de álcalis, estableciéndose como tales aquellos cuyo contenido sea inferior a 0.6%.
• Acción de Agentes Externos. Existen numerosos compuestos químicos que son susceptibles de producir ataques de distinta magnitud sobre los elementos de hormigón. En la Tabla 4.3 se resume el efecto producido por algunos ácidos minerales y soluciones de sales y álcalis presentes con mayor frecuencia en contacto con las obras de hormigón. Cuando un elemento de hormigón va a estar en contacto con compuestos de naturaleza agresiva como los señalados en la Tabla anterior, ya sea en períodos prolongados con los de efecto intenso o permanentemente con los de efecto moderado, debe preverse una protección de la superficie de contacto. En calidad de guía para esta materia se inserta a continuación la Tabla 4.4 que señala los tipos de protección susceptibles de emplearse en diferentes casos. En el caso particular de la acción de los sulfatos sobre el hormigón, el efecto puede ser atenuado o eliminado empleando un cemento con bajo contenido de aluminato tricálcico, pues la reacción destructiva respectiva se produce por la combinación de ambos compuestos, produciendo sulfoaluminato de calcio, el cual es expansivo. Generalmente se fija como límite deseable un porcentaje máximo de 5% de C3A cuando se espera un ataque severo, situación que es susceptible de producirse cuando el contenido de sulfatos supera las 1000 ppm en solución acuosa o 0.20% en muestras de suelo. La resistencia de los hormigones al ataque por sulfatos mejora considerablemente cuando se utilizan cementos puzolánicos o siderúrgicos en la composición del hormigón.