Fluencia y Retraccion. Concreto

FLUENCIA Y RETRACCION DEL CONCRETO República Bolivariana de Venezuela.

Ministerio del Poder Popular para la Educación Universitaria. Instituto Universitario Politécnico “Santiago Mariño”. Escuela de Ingeniería Civil. Cátedra: Concreto Pretensado Barcelona – Edo. Anzoátegui

FLUENCIA Y RETRACCION DEL CONCRETO.

Profesor (a):

Bachiller:

Ing. Antonio Yriarte

Gilmar Valverde.

Sección: CM

C.I.v.- 20.634.529

Barcelona, 8 de Febrero de 2014 FLUENCIA DEL CONCRETO

FLUENCIA Y RETRACCION DEL CONCRETO La fluencia o cedencia es la deformación irrecuperable de la probeta, a partir de la cual sólo se recuperará la parte de su deformación correspondiente a la deformación elástica, quedando una deformación irreversible. Este fenómeno se sitúa justo encima del límite elástico, y se produce un alargamiento muy rápido sin que varíe la tensión aplicada. Mediante el ensayo de tracción se mide esta deformación característica que no todos los materiales experimentan. El fenómeno de fluencia se da cuando las impurezas o los elementos de aleación bloquean las dislocaciones de la red cristalina impidiendo su deslizamiento, proceso mediante el cual el material se deforma plásticamente. Alcanzado el límite de fluencia se llegan a liberar las dislocaciones, produciéndose una brusca deformación. La deformación en este caso también se distribuye uniformemente a lo largo de la probeta, pero concentrándose en las zonas en las que se ha logrado liberar las dislocaciones (bandas de Lüders). No todos los materiales presentan este fenómeno, en cuyo caso la transición entre la deformación elástica y plástica del material no se aprecia de forma clara. Se aprecia gráficamente en la curva tensión-deformación obtenida tras el ensayo de tracción: el periodo de fluencia se sitúa en el 2.

Curva tensión-deformación. FLUENCIA BÁSICA

FLUENCIA Y RETRACCION DEL CONCRETO La fluencia básica consiste en las deformaciones provocadas por una carga sostenida en el tiempo bajo condiciones de humedad relativa constante y en equilibrio en toda la muestra, y sin intercambio de humedad con el medio. El agua tiene un rol fundamental en el mecanismo de fluencia básica del hormigón. La magnitud de la función de fluencia depende en gran medida de la historia de secado , así como del contenido de humedad o de agua evaporable total, tal como se muestra en la figura 2.

Figura 2: Función de fluencia de HCP (a/c=0,5) después de la restauración de probetas con diferentes tratamientos de pre-secado (izquierda); función de fluencia de HCP luego de tratamientos de pre-secado diferentes (derecha) (Tamtsia, Beaudoin, 2000). Se ha sugerido que la fluencia básica presenta dos etapas bien diferenciadas a nivel macroscópico:

- una cinética de corto plazo, que actúa durante los primeros días luego de aplicada la carga (y parece mostrar la misma escala de tiempo que la parte reversible de la fluencia, lo cual sugiere que esta parte de la fluencia es reversible).

FLUENCIA Y RETRACCION DEL CONCRETO - una cinética de largo plazo que está caracterizada por un periodo de envejecimiento pronunciado y no asintótico (que parece depender solamente de la edad del material y no de la edad a la que fue cargado ni de la historia de carga).

En la figura 3 se presentan los resultados de Ulm y colaboradores, en los que se aprecian claramente las dos etapas, es decir corto y largo plazo. Algunos mecanismos propuestos para explicar la fluencia básica a corto o largo plazo en el hormigón pueden consultarse en la tesis de Farid Benboudjema (2002), o también en Bazant (2001). No es la intención de este trabajo entrar en estos detalles, por lo que sólo se hará una breve mención. Así, para la fluencia básica a corto plazo se ha sugerido: 

El efecto de la presión osmótica,



La teoría de la solidificación,



Migración de agua absorbida en la porosidad capilar.

En cuanto a la fluencia básica a largo plazo, lo más probable es que se deba al micro-deslizamiento entre las partículas del silicato de calcio hidratado (SCH) y entre sus propias capas (Acker, 2001; Tamtsia y Beaudoin, 2000; Ulm et al., 1998).

FLUENCIA Y RETRACCION DEL CONCRETO

Figura 3: Gradiente de la función de fluencia obtenido experimentalmente durante 3 años en un hormigón convencional (a/c = 0,5) (Ulm et al., 1999).

El efecto Pickett El denominado efecto Pickett tiene lugar cuando a la aplicación de una carga sostenida en el tiempo se añade el hecho de que el material es simultáneamente sometido a secado. En este caso se observa que la deformación total difiere de la suma por separado de la deformación por retracción por secado de la pieza sin carga más la deformación diferida debido a la aplicación de la carga sobre la misma pieza a la que no se permite el secado (figura 4). Su nombre proviene de la primera persona que documentó este fenómeno cuando realizaba ensayos de fluencia en flexión, en el año 1942 (Pickett, 1942). Esta diferencia es generalmente muy apreciable y puede ser interpretada como una fluencia inducida por retracción (drying-induced creep) o bien como retracción inducida por las tensiones (stress-induced shrinkage).

FLUENCIA Y RETRACCION DEL CONCRETO Pickett dedujo que el exceso de deformación observado era debido a la no linealidad en la relación tensión-deformación por fluencia, lo cual es válido aunque en ese momento no se conocían varios factores que tienen un papel importante en la fluencia con secado. Desde entonces, muchos mecanismos físicos han sido propuestos, y luego desechados, para explicar este efecto. Algunos de estos son la teoría de la filtración, la teoría del corte viscoso , o la suposición de la existencia de un deslizamiento entre la pasta de cemento y el agregado. Todas estas hipótesis fueron realizadas sin un modelo matemático que les diera apoyo, con excepción de la teoría de la microfisuración de Wittmann y Roelfstra (1980), con lo cual su inclusión en la formulación de modelos se torna una tarea complicada. En trabajos de Bazant y otros (Bazant y Chern, 1985; Bazant, 1988; Bazant, 2001) y en Tamtsia y Beaudoin (2000), puede encontrarse una descripción breve de cada uno de los mecanismos propuestos, con sus ventajas y desventajas (y referencias). Lo cierto es que en la actualidad no existe una teoría que sea globalmente aceptada por toda la comunidad científica.

FLUENCIA Y RETRACCION DEL CONCRETO Figura 4: Representación esquemática de la fluencia básica, la retracción por secado, y ambos actuando simultáneamente. La deformación extra observada cuando la fluencia y la retracción por secado actúan conjuntamente está indicada por la superficie rayada (extraído de Wittmann, 1982).

FLUENCIA CON SECADO

La diferencia entre las deformaciones diferidas realmente obtenidas y la suma de la fluencia básica más la retracción suele denominarse fluencia con secado (drying creep) y corresponde al área sombreada de la figura 4. Cuando los ensayos se realizan en una atmósfera con HR menores que el grado de saturación, entonces cuanto mayor es el secado (i.e. mayor es el gradiente de HR) mayor es la fluencia que experimenta la muestra, hasta 5 veces más que la fluencia básica con el máximo contenido de humedad, como se aprecia en la figura 5 (Acker y Ulm, 2001).

Si bien no están perfectamente claros los mecanismos que están en el origen de la fluencia con secado, actualmente se acepta que esta deformación puede descomponerse en una parte estructural y otra parte. La parte estructural o se debe a la microfisuración inducida por secado. Wittmann y Roelfstra sugirieron que este efecto podía explicar toda la deformación de la fluencia con secado aunque luego se encontró que, si bien contribuye significativamente, no puede atribuírsele ni siquiera la mayor.

Un estudio interesante de la influencia del nivel de compresión de una probeta en la microfisuración puede consultarse en Sicard et al. (1992). Durante el secado se producen microfisuras, como ya fue descrito. Estas microfisuras, cuando la muestra es sometida a cargas de compresión (como en un ensayo habitual de fluencia con secado), pueden llegar a no generarse, dependiendo de la magnitud de la carga, con lo cual la deformación será mayor, ya que al producirse

FLUENCIA Y RETRACCION DEL CONCRETO microfisuras las tensiones se relajan y las deformaciones resultan menores que en el caso en el que se evita la microfisuración. Esto redunda en deformaciones totales mayores que la suma de fluencia básica más retracción por secado. Pero, como dijimos, este efecto es insuficiente para explicar toda la deformación de la fluencia con secado. Tampoco explica que en probetas muy delgadas (del orden del milímetro), en las que la microfisuración es mínima cuando están sometidas a secado, el efecto Pickett está también presente, o que en ensayos de fluencia con secado en tracción la microfisuración no se previene y se observe también el efecto Pickett, si bien esto último es todavía discutido. Por lo tanto debe haber un comportamiento intrínseco del material, un acoplamiento entre el secado y la fluencia, para justificar la totalidad de las deformaciones de fluencia con secado.

Figura 5: Fluencia a largo plazo para varios niveles de humedad (valores relativizados con la fluencia básica para HR = 100%) (extraída de Acker y Ulm, 2001). Se aprecia que cuanto menor es HR menor es la deformación por fluencia básica, pero mayor es la deformación por fluencia con secado.

FLUENCIA Y RETRACCION DEL CONCRETO Algunos de los mecanismos intrínsecos propuestos fueron mencionados en el apartado anterior. También son interesantes los propuestos por Brooks (2001), basado en la concentración de tensiones provenientes de la presencia de inclusiones rígidas y poros, por Bazant y Chern (1985), que concluyeron que el efecto es debido a la retracción inducida por el estado tensional, o por Kovler (2001), que propuso que se debe a una fluencia inducida por la variación de los radios de curvatura de los meniscos. Pero sin duda la contribución de Bazant y colaboradores ha sido determinante en los últimos años y actualmente, para la comprensión de los fenómenos de fluencia y retracción por secado.

Actualmente, los modelos propuestos sobre la teoría de la solidificación para el envejecimiento de corto plazo (Bazant y Prasannan, 1989) y la teoría de la relajación de las tensiones a nivel microscópico o microprestress-solidification theory son dos de los trabajos más citados en la literatura de modelos avanzados y parecen explicar casi toda la evidencia experimental. Estos explican el hecho de que el envejecimiento es un aspecto aparente y debe ser causado en el corto plazo, por la solidificación y deposición de capas de productos de hidratación libres de tensiones en las paredes de los poros, y, en el largo plazo, por algo más, por lo que introducen la teoría de la relajación de tensiones a nivel microscópico. Una revisión bibliográfica más exhaustiva sobre temas inherentes a la fluencia con secado, como el caso de fluencia en tracción, solicitaciones multiaxiales, o el coeficiente de Poisson en fluencia, puede consultarse en Bazant (1988), Bazant y Chern (1985), o Benboudjema (2002).

LA RETRACCION DEL CONCRETO La retracción es la disminución del volumen del concreto durante el proceso de fraguado del mismo, y se produce por la pérdida de agua (debida a evaporación). Dicha pérdida de volumen genera tensiones internas de tracción que dan lugar a las fisuras de retracción. Dependiendo de la cantidad de finos, de la cantidad de

FLUENCIA Y RETRACCION DEL CONCRETO cemento, del tipo de cemento, de la dosificación agua-cemento, del espesor de la solera, y de la temperatura ambiental, la retracción puede ser mayor o menor, dando lugar a fisuras e incluso grietas. Los métodos de cálculo para conocer la retracción se realizan en función del tiempo desde el vaciado del concreto, y depende básicamente de tres coeficientes: del coeficiente de la humedad ambiental, del coeficiente del espesor de la solera y del coeficiente de la evolución de la retracción en el tiempo. Puede afirmarse que a mayor resistencia del concreto mayor va a ser la retracción que se produzca; que el concreto en masa retrae más que el concreto armado; que a mayor temperatura ambiental también será mayor la retracción; que la retracción crecerá cuanto menor sea el espesor de la pieza hormigonada, y que cuanto mayor sea la superficie del elemento habrá más retracción. Durante su vida útil, el concreto no se escapa a la retracción , sin embargo, la contracción por sí sola no es el problema; el problema comienza cuando el concreto está unido a objetos fijos tales como muros, columnas, losas adyacentes o el suelo natural. Cuando esto sucede se desarrollan esfuerzos de tracción en el concreto: si estos esfuerzos son superiores a su resistencia a la tracción, se presentan grietas o fisuras. La solución al problema incluye: reducir el encogimiento, las restricciones al encogimiento e incrementar la resistencia a la tracción del concreto y el tiempo en que ocurre, ya sea retardando la contracción hasta que el concreto tenga más resistencia, forzando las fisuras a localizarse en el sitio adecuado, o aceptando lo inevitable: tapar la losa con un baldosa o un tapete.

GRIETAS POR CONTRACCIÓN: Al concreto no le gusta que lo estiren, Aunque comúnmente nos referimos a la resistencia o la capacidad de carga del concreto, con menos frecuencia nos referimos a la capacidad del concreto de deformarse sin fisurarse. La contracción

FLUENCIA Y RETRACCION DEL CONCRETO es un cambio de volumen o “deformación” del concreto. Una fisura es una prueba de que el concreto fue estirado por encima de su punto de quiebre. RETRACCIÓN POR SECADO Retracción por secado es el cambio de volumen del concreto a largo plazo causado por la pérdida de humedad con el tiempo en su estado endurecido. La combinación de la retracción por secado y las restricciones del concreto causan esfuerzos de tensión. Cuando estos esfuerzos exceden la resistencia a la tensión del concreto se produce el agrietamiento. Estas grietas se denominan grietas por retracción de secado. Este tipo de grieta se presenta normalmente en forma aislada (individual y en una dirección definida). También pueden presentarse múltiples grietas paralelas a intervalos definidos. La tensión en el concreto se produce en la dirección perpendicular a la grieta.

La retracción por secado es afectada por varios factores: • Contenido unitario de agua • Tamaño máximo y tipo de agregado • Proporciones de la mezcla • Restricciones • Prácticas constructivas - Curado en particular.

FLUENCIA Y RETRACCION DEL CONCRETO Para minimizar el agrietamiento por retracción de secado: 

Reducir el contenido de agua unitaria del concreto

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Aumentar el contenido de agregado grueso y el tamaño máximo.

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Usar aditivos reductores de la retracción tales como TETRAGUARD® AS20 de BASF.