Cambios Volumétricos Del Concreto

 

Cambios volumétricos del concreto Introducción

El concreto presenta leves cambios de volumen por varias razones y la comprensión de la naturaleza de esos cambios es útil para la planeación y el análisis de las estructuras de concreto; grandes esfuerzos y roturas pueden ser prevenidos o minimizados por el control de las variables que afectan los cambios de volumen. De hecho, el concreto reforzado es un “método de construcción con grietas grietas”, ”, debido a que al diseñar una estructura con este material se prevén las zonas de agrietamiento por esfuerzos de tensión que deben ser transmitidos al acero de refuerzo, dado que el concreto por si solo es particularmente débil a este tipo de esfuerzos. Por otra parte, cuando se trata el tema de los cambios volumétricos, usualmente se incluyen conceptos como las deformaciones elásticas e inelásticas en dimensión o forma que ocurren al concreto de manera instantánea cuando se le aplica carga y la fluencia que ocurre bajo carga constante. Finalmente, por conveniencia, la magnitud de los cambios de volumen del concreto generalmente son medidos en unidades de longitud y no de volumen. Por ellos, los cambios se expresan como un coeficiente de longitud en partes por millón, o simplemente en millonésimas. En algunos otros casos, estos cambios de longitud se expresan como un porcentaje. porc entaje. Cambios volumétricos en estado plástico

En el periodo previo al endurecimiento, cuando el concreto se encuentra en estado plástico, durante un lapso de tiempo que suele variar v ariar entre 1 a 2 horas, dependiendo de la temperatura y la humedad del concreto y del efecto producido por algún acelerante o retardante que se agregue a la mezcla, se presentan cambios volumétricos que son por lo general el resultado de un asentamiento diferencial dentro de la masa del concreto, concreto, o de la contracción de la sup superficie erficie causada por la pérdida de agua, los cuales generan fisuras o agrietamientos. Del mismo modo, también se pueden presentar grietas por una combinación del endurecimiento de la superficie y el asentamiento interior. Por otra parte, una forma menos frecuente de agrietamiento plástico es el que ocurre bajo condiciones húmedas, inclusive bajo una película de agua y probablemente está relacionado con las propiedades de hidratación y fraguado del cemento.

Asentamiento plástico

Una vez que el concreto fresco ha sido colocado en la obra los sólidos de la mezcla tienden a asentarse por efecto de la gravedad, desplazando los elementos menos densos como el agua y el aire atrapado; el agua aparece en la superficie como agua de exudación y el asentamiento continuo hasta que el concreto se endurece. Cuando hay obstáculos tales como partículas de agregado grandes, acero de refuerzo o elementos embebidos dentro del concreto, estos pueden obstruir el libre acomodamiento de la mezcla, provocando asentamientos diferenciales y la formación de grietas en el concreto plástico. De otra parte, en algunas ocasiones la presión que ejerce el concreto fresco sobre la formaleta o el suelo hace que estos se deformen y causen asentamientos plásticos adicionales con la consecuente aparición de fisuras. Igualmente, ocurre cuando se funde concreto sobre un ligero declive, en cuyo caso la mezcla tiene tendencia a escurrirse. Desde luego, mezcla deseca, consistencia se asentará máspor tiempo y en e n mayor grado que otra de una consistencia ya que húmeda la primera contienedurante más agua volumen unitario de

 

concreto; por ello, es recomendable re comendable que durante el vaciado todo el concreto concret o presente una humedad uniforme con el fin de reducir el asentamiento diferencial causado por diferencias en la consistencia. Del mismo modo, cuando se funde concreto directamente sobre una base granular o sobre una superficie absorbente, esta debe humedecerse previamente y de manera uniforme, ya que las zonas secas absorberán más agua del concreto que las zonas húmedas y, en estas últimas, el concreto permanecerá plástico durante más tiempo, causando asentamientos y fraguados diferenciales. La forma de prevenir este tipo de cambios volumétricos y de fisuramiento por asentamiento plástico es proporcionar adecuadamente y con la menor consistencia (humedad) permisible la mezcla de concreto, al igual que someterla a una buena compactación (sin segregarla). Contracción plástica

Los cambios volumétricos que generalmente se presentan en superficies horizontales mientras el concreto aún está fresco, reciben el nombre de contracción plástica y por lo común generan grietas que aparecen brevemente después de que el brillo del agua desaparece de la superficie del concreto y una vez que comienzan se extienden rápidamente. Este tipo de grieta es más probable que ocurra en clima caliente y seco que en clima humeo y frio, pues la principal razón de que se presenten grietas por contracción plástica, es la evaporación extremadamente rápida del agua de la superficie del concreto. En otras palabras, lo que ocurre es un desecamiento de la capa superficial del concreto que a su vez genera una humedad y una rigidez diferencial entre la superficie y el interior de la masa, probablemente porque la velocidad de evaporación de agua superficial es mayor que la velocidad de exudación de agua desde el interior hacia la superficie. Este fenómeno hace que ocurra la contracción en la superficie y aparezcan las fisuras. Las grietas de contracción plástica generalmente tienen profundidad considerable y en losas de entrepiso aéreas, algunas veces pasan de lado a lado. Por lo común, son grietas en forma de línea recta que no siguen un mismo patrón y no presentan ninguna simetría, aunque ocasionalmente se han observado siguiendo la forma de una pata de gallo; esto es lo que las distingue de las grietas superficiales (cuarteaduras) que se presentan siguiendo formas hexagonales. De acuerdo con lo anteriormente expuesto, e xpuesto, aunque se utilicen los mismos materiales, proporciones y métodos de mezclado, manejo, acabado y curado del concreto, pueden aparecer grietas en un día determinado, pero no en el siguiente, lo que con toda probabilidad es el resultado del cambio en las condiciones ambientales, que afectan la velocidad de evaporación de la superficie del concreto. Por tal motivo, las precauciones que deben tomarse para limitar el agrietamiento por contracción plástica se pueden resumir de la siguiente manera:

  Utilizar un contenido de agua tan bajo como sea posible, de acuerdo con la consistencia

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especificada. Para ello es recomendable el empleo de aditivos aditivos reductores de agua que cumplan con la norma NTC 1298 y aditivos inclusores de aire (ASTM C-260)

  Disminuir la temperatura del concreto en clima caliente, enfriando el agua de mezclado o

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reemplazando parte de esta por hielo picado; igualmente mantener a la sombra y rociar los agregados con agua, humedecer las formaletas antes del vaciado y de ser posible protegerlas de la acción de los rayos del sol, finalmente, colocar el concreto durante el período más frio del día.

  Reducir la velocidad del viento en la superficie del concreto mediante la construcción

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provisional de barreras, o de ser posible vaciar los pisos de las edificaciones después que los muros han sido levantados.

 

  Incrementar la humedad en la superficie del concreto por medio de cubiertas provisionales

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durante la colocación y el acabado, o preservarla con el empleo del ag agua ua superficial.

Grietas capilares o cuarteaduras cuarteaduras

Durante el proceso de fraguado, e inclusive posteriormente, las grietas capilares o cuarteaduras que algunas veces aparecen sobre la superficie del concreto en distribución hexagonal, se deben principalmente a procedimientos incorrectos de consolidación, acabado y curado. Las causas más comunes comunes de este tipo de grietas son lla a sobrevibración (segregación del concreto durante la compactación o el excesivo aplanado con llana durante el acabado), que provocan el avance hacia la superficie del agua, el cemento y la fracción más fina del agregado; este material húmedo y cohesivo tiene una contracción por secado mucho más alta y una resistencia más baja que el mortero y el concreto subyacente, lo cual hace que al desecarse la superficie esté sujeta a una fuerza de tensión que es superior a su resistencia a la tracción, generando las cuarteaduras. Otra práctica muy común que también causa este tipo de grietas es el e l riego de cemento que se hace sobre la superficie del concreto para secarlo antes del acabado, lo cual genera una inusitada riqueza de la pasta superficial e induce las cuarteaduras al secarse. se carse. Cambios volumétricos en estado endurecido

Después de colocado, el concreto cambia de un estado fluido al de masa rígida pasando por el estado plástico. Durante las primeras etapas, los cambios de volumen son acomodados por flujo plástico, pero al progresar la hidratación, el e l concreto adquiere las propiedades de un sólido rígido y responde consecuentemente a los cambios de volumen. En los primeros días, aun cuando es un sólido rígido, tiene comparativamente baja resistencia, especialmente a tensión y por lo tanto es susceptible de agrietarse. En este estado, los cambios de volumen solamente por incrementos o decrementos causados por dilataciones y contracciones debidas a ciclos de temperatura y humedad. Dentro de ellos se encuentran: la contracción por secado, las contracciones dilataciones por temperatura, la contracción por carbonatación y la reacción expansiva álcali-agregado. Contracción por secado

Como ya se ha visto, después del fraguado final del concreto se inicia el proceso de endurecimiento, que tarda, en general, varios años. En uno y otro caso, el concreto experimenta importantes variaciones de volumen. Si el concreto se expone a la acción del aire, la mayor parte del agua evaporable de la mezcla se libera, dependiendo la velocidad y perfección del secado, de la temperatura y condiciones de humedad ambiente. Al secarse el concreto, su volumen se reduce (contracción por secado) probablemente por efecto de la tensión capilar que se desarrolla en el agua que queda en el concreto. Por el contrario, si el endurecimiento se efectúa en el agua, el concreto se dilata, recuperando gran parte de la pérdida de volumen debido a la retracción anterior. Cuanto más rico en cemento es el concreto, tanto mayor es la contracción o la dilatación, según sea el caso.

 

Como se puede observar, el principal factor que determina la cuantía de la contracción final es el contenido de agua De mezclado por volumen unitario de concreto. De ahí el hecho de que el principal medio para reducir la contracción sea reducir el contenido de agua de mezclado al mínimo compatible con la consistencia y manejabilidad necesarias. Los valores de la contracción final para concretos normales suelen ser del orden de 0,2 a 0,7 mm por metro lineal, según el contenido inicial de agua, la temperatura ambiente, las condiciones de humedad y la naturaleza de los agregados. Como se recordará, re cordará, la contracción de la pasta es resistida por los agregados compactos, rugosos y duros que se adhieren bien y generan la interface pastaagregado; sin embargo, cuando los agregados son muy absorbentes, como algunas areniscas y pizarras, producen retracciones dos y tres veces mayores que las obtenidas con materiales menos absorbentes como granitos y algunas calizas. La contracción por secado puede permanecer durante muchos meses, aunque a ritmo decreciente, dependiendo de la forma del elemento y es una propiedad perjudicial del concreto si no se controla adecuadamente. Esto es especialmente importante en el cas caso o de muros, losas de pisos pisos y pavimentos, ya que hay una gran área expuesta a la atmósfera en relación con el volumen total de la masa de concreto. Con una contracción del 0,05%, el concreto se acorta aproximada aproximadamente mente 1,5mm en 3,0 m lineales y, si se restringe este fenómeno, invariablemente se agrietará. Por ello, el agrietamiento debido a contracciones por secado puede y debe controlarse en gran medida con ayuda del acero de refuerzo. Como es lógico, las varillas de diámetro pequeño con espaciamiento cerrado (mallas electrosoldadas) son más efectivas para controlar el agrietamiento que las varillas de diámetro grande con espaciamiento mayor, aunque se utilicen los mismos porcentajes de acero. De otra parte, el agrietamiento también puede controlarse por medio medio del preesfuerzo o del pretensado del concreto para mantenerlo en compresión de manera que no se presenten esfuerzos de tensión. En el caso de concreto sin refuerzo, como son los pavimentos, llo o que se hace es controlar la disposición de las grietas; de ahí el hecho de que se prevean juntas de contracción y se funda en losas cuyas dimensiones entre junta y junta varían de 4.6 m a 6.1 m lineales. Dilatación contracción por temperatura

El concreto, como la mayoría de los materiales de construcción, se dilata con los aumentos de temperatura y se contrae cuando ésta baja. Los efectos de tales cambios d de e volumen son semejantes a los producidos por la contracción por secado, esto es, la reducción o el aumento de temperatura pueden producir un agrietamiento indebido, particularmente cuando este libre movimiento está restringido por alguna causa o se combina con la contracción por secado. Otro efecto importante de la temperatura es el alabeo por gradiente térmico que depende de la cantidad de energía radiante radiante absorbida por la ssuperficie uperficie del concreto. Un caso típico de esta situación nuevamente son los pavimentos de concreto, en donde, durante el día, la cara superior de las losas se encuentra a una temperatura mayor que la inferior, con lo cual la primera se dilata más que la segunda. Esta diferencia de alargamiento produce un alabeo en las placas con concavidad hacia abajo. Sin embargo, el peso propio del concreto y los esfuerzos del tráfico tienden a impedir esta deformación, produciendo esfuerzos de flexión, lo cual se traduce en esfuerzos de tracción en la

 

cara inferior de la losa y de compresión en su cara superior. Durante la noche, el gradiente de temperatura se invierte (cara superior más fría que la inferior), dando lugar a un estado de tensiones contrario al del día. Esta situación es especialmente importante en regiones, como nuestro país, en donde hay bruscos descensos de temperatura entre el día y la noche, e inclusive dentro del mismo día. El coeficiente de dilatación térmica del concreto varía según el tipo de agregados y la riqueza de la mezcla. Generalmente está dentro del margen de 0,007 a 0,011 mm por metro por ºC. Los fenómenos de agrietamiento por temperatura, al igual que los de contracción por secado, se controlan con la ayuda del acero de refuerzo, y para ello, el valor del coeficiente de dilatación térmica más comúnmente aceptado para el cálculo de las tensiones y deformaciones es de 0,010 mm/ºc Contracción por carbonatación

Como se vio en el capítulo segundo, la pasta de cemento contiene hidróxido de calcio libre que se produce durante la hidratación de las fases alita y belita. En presencia de agua el hidróxido de calcio reacciona con el dióxido de carbono atmosférico para producir carbonato de calcio y agua. Este fenómeno genera una disminución en el volumen de la pasta de cemento, ocasionando lo que se conoce como contracción por carbonatación", la cual alcanza un máximo aproximadamente a un 50% de humedad relativa. La profundidad de la carbonatación depende de la porosidad de la pasta, pero usualmente no excede de unos pocos milímetros. En otras palabras, la carbonatación es esencialmente un efecto de superficie y puede causar descascaramiento. Sin embargo, en concretos porosos y agrietados, la carbonatación puede llegar a alcanzar el acero de refuerzo y la reducción de la alcanalidad que de esto resulta hará que el acero sea susceptible a la corrosión, especialmente en ambientes húmedos. Deformación elástica

El comportamiento de una estructura bajo carga depende en gran medida de la relación refuerzodeformación del material de que se compone y del tipo de esfuerzos a que el material está sometido en la estructura. El concreto, como muchos otros materiales estructurales, tiene algún grado de elasticidad. Como el concreto se utiliza principalmente en compresión, su curva de refuerzodeformación a compresión es de fundamental interés para la deducción de las ecuaciones que se usan para calcular los elementos de concreto esforzado de una estructura. Esta curva se obtiene mediante mediciones adecuadas de las deformaciones en los ensayos de probetas cilíndricas, en los cuales durante el proceso de carga se van registrando las cargas en kilogramos y las deformaciones en centímetro por centímetro. De las cargas totales se obtienen los esfuerzos unitarios normales (carga/área) y puede así dibujarse la curva. c urva. Relación de Poisson

Cuando se comprime en una dirección única al concreto, éste se dilata en dirección transversal a la de la fuerza aplicada (al igual que otros materiales). La relación de la deformación transversal a la longitudinal se conoce como "relación o módulo de Poisson" y depende de la composición y otros factores. Para esfuerzos interiores a aproximadamente 0,7 fc, la relación de Poisson del concreto

 

está comprendida entre 0,15 y 0,20, 0,2 0, cuando se determina a partir de mediciones de la deformación defor mación unitaria, siendo 0,17 su valor más representativo. Fluencia

Cuando el concreto es cargado, la deformación causada por la carga se puede dividir en dos partes: una deformación que ocurre inmediatamente (deformación elástica) y una deformación dependiente del tiempo que comienza inmediatamente, pero continúa a una tasa decreciente bajo carga sostenida. Esta última es considerada un aumento de la deformación unitaria elástica y es llamada fluencia o flujo bajo carga (creep). Como se recordará, después del endurecimiento del concreto hay una contracción por secado. De tal manera que, si una muestra se seca bajo carga, se supone que la contracción y la fluencia se suman; por lo tanto, se calcula la fluencia como la diferencia entre a deformación total de la muestra cargada y la suma de la contracción de una muestra similar sin carga (almacenada en las mismas condiciones durante el mismo período) más la deformación elástica. Sin embargo, siendo estrictos, la contracción y la fluencia no son fenómenos independientes, ya que de hecho el efecto de la contracción sobre la fluencia consiste en aumentar su magnitud. Es decir que hay una fluencia básica del concreto en condiciones tales que no hay contracción ni expansión por movimientos de humedad desde o hacia el medio ambiente y una fluencia adicional causada por el secado (fluencia de secado).