1. El cambio de volumen en masas cementicias
La retracción de las pastas de cemento puede ser definida como un cambio de volumen tridimensional del material que tiene lugar tanto en estado fresco como endurecido y cuya causa no tiene que obedecer a una carga externa al mismo.
En pavimentos industriales el cambio de volumen (retracción o expansión) es un punto clave, quizás de los más importantes y causa de la gran mayoría de patologías de los pavimentos. El efecto que más daño ocasiona es la retracción por las diferencias de gradientes de humedad, obteniendo la retracción global (media) que genera un acortamiento del pavimento lo que ocasiona tensiones múltiples y continuas porque su movimiento está parcialmente impedido por el rozamiento y además produce una apertura de las juntas que forman problemas en las mismas.
Es clave que no tenga impedido el libre movimiento más allá de la coacción del terreno. Pero más importante que esto es el efecto alabeo ya que la retracción generada por los gradientes de humedad que se generan en su espesor generará tensiones por la coacción a su deformación por los pasadores y por su propio peso. Además, se generan efectos de segundo orden al aplicar las cargas de tráfico y uso lo que multiplica las tensiones de estas calculadas sin tener en cuenta estos gradientes mencionados.
Primeramente, debemos diferenciar los tipos de cambios de volumen físicos posibles: Expansión o Retracción individualmente y en el proceso del tiempo incluso puede haber ambas.
–Cambio de volumen por Expansión o dilatación volumétrica, coeficiente de dilatación volumétrico al medir experimentalmente comparando el valor del volumen total de un cuerpo antes y después de cierto cambio de temperatura, humedad, etc.
–Cambio de volumen por Retracción o contracción volumétrica, coeficiente de dilatación volumétrico al medir experimentalmente comparando el valor del volumen total de un cuerpo antes y después de cierto cambio de temperatura, humedad, etc.
Luego según la naturaleza o causas que generen los cambios de volumen dispondremos de varios subtipos siendo una labor no labor sencilla de discernir, en realidad la retracción del material a cualquier edad será el resultado de la combinación de las anteriores retracciones, por lo que es necesario conocerlas, evaluarlas en nuestros materiales, así como mitigar su presencia en la medida de lo posible.
Además, debemos tener en cuenta que ese cambio de volumen puede ser o no una progresión lineal, pudiendo sufrir diferentes tipos cambios según factores endógenos y en menor medida exógenos, entre ellos la comunidad científica del cemento/ hormigón/mortero y sus derivados reconocen las siguientes:
–Retracción Autógena o química: Es aquella provocada por la propia naturaleza de la hidratación del cemento. Los volúmenes de los componentes iniciales (agua y cemento) son mayores que el volumen final del hidrato resultante.
–Retracción plástica: Es conocida como aquella relacionada con la pérdida del agua superficial de la masa fresca (paso de superficie brillante a mate). La tensión superficial en los meniscos que se forman en los capilares engendra esfuerzos de tensión que retraen la matriz del hormigón.
–Retracción hidraúlica o por secado: La más conocida y mencionada entre todas las retracciones tiene lugar en estado endurecido y está asociada a la pérdida de agua de gel. Esta retracción se mide a diferentes edades y su acción se prolonga durante meses e incluso años.
–Retracción térmica: La hidratación inicial del hormigón se constituye en una reacción exotérmica, una vez esta primera fase de generación de calor pasa, el hormigón como cualquier sólido se enfría y por lo tanto se contrae.
–Retracción por carbonatación: Este cambio dimensional tiene lugar a largo plazo y está relacionado con la pérdida o lavado de productos de la carbonatación como el bicarbonato de calcio.
2.Siete máximas a tener en cuenta
Lea y reflexione sobre estas máximas que le aportamos y le aseguramos que le ayudarán a mejorar sus diseños en relación al cambio de volumen de un hormigón para pavimentos:
–Como punto de partida debemos establecer un diálogo previo con el Diseñador Estructural y conocer en su diseño las necesidades del diseño de la losa estructural y el cambio de volumen esperado para lograr las prestaciones requeridas. No utilice bajo ningún argumento soluciones de este tipo sin establecer criterios técnicos acordes al diseño estructural, siendo además primordial que quien diseñe el hormigón lo haga de acuerdo a los requerimientos ingenieriles.
–No existen productos prodigio que obren el milagro de que no haya cambios de volumen significativos en el hormigón. Si les prometen que es así… reflexionen si la persona que se lo promete tiene argumentos técnicos, si el diseño del hormigón aceptará su uso y cuales pueden ser las razones por las cuales usted acepta y compra sin un estudio riguroso esa milonga. Por favor antes de nada, vuelva al inicio… todo buen hormigón pasa por un correcto diseño y cualquier ingrediente tendrá su rol aportando diferentes prestaciones, pero ninguno lo hará de sobremanera individualmente salvando el proyecto; el hormigón al igual que el deporte de equipo requiere de un correcto diseño y desempeño de todos sus componentes.
–La importancia del ajuste esquelético es clave para adecuar y mitigar la acción expansora-contractora de la masa, tanto en fase fresca, como en fase endurecida. Tengamos en cuenta que sin ese estudio del ajuste esquelético no podremos obtener esas mitigaciones y al igual que el mundo de la costura por mucho que uno quiera no podremos pretender que utilicemos tallas de vestimentas que no nos correspondan a nuestro cuerpo, esbeltez, forma y estatura. Muchas veces con el simple ajuste esquelético, una correcta reología, una eficaz puesta en obra y un magnífico curado obtendremos un control del cambio de volumen con retracciones a edades medias-largas bajas o medias sin necesidad de dopar las masas con agentes expansores que las saturen. Si encima de obtener esas características mencionadas ajustamos la cantidad necesaria(no la genérica del fabricante) al cambio de volumen que reclama el calculista-diseñador obtendremos a buen seguro un cambio de volumen lo más aproximado y exitoso.
–Debemos disponer una expansión inicial controlada en la fase fresca ya que un control del cambio de volumen en la masa pasa por controlar esa primer cambio de volumen provocado de expansión para no La expansión es un cambio dimensional de volumen durante el proceso de hidratación aumentando, hinchando o expandiendo su masa en el continente que esta esté alojada. Se produce por reacciones químicas en la pasta cementante durante esa fase comentada, generando que los productos anhidros se transformen en hidratos con mayor volumen final que los primeros generando multitud de tensiones con cristalizaciones inefectivas debido a la falta de espacio físico para que estas se produzcan. Estudie previamente en el Diseño el cambio de volumen objetivo y no procure expansiones inmediatas altas en una masa confinada y constreñida como suele ser una losa de pavimento, en cambio busque que este cambio de volumen sea expansivo en esos inicios y durante a poder ser en la fase de curado para cuando esta haya pasado tengamos un inicio de la retracción a edades largas de manera suave y muy controlada según el diseño objetivo ingenieril del cálculo estructural de la losa.
–Una micra, micrómetro o micrón(µm) es una unidad de longitud equivalente a una milésima parte de un milímetro. Por lo tanto realice una reflexión que no hace falta que sea muy profunda: tengamos en cuenta que a medio largo plazo tendremos con total seguridad retracción(-µm) evaluemos objetivamente si esta es importante para el desempeño de la losa y a veces se confunden micras con otro tipo de unidades generando alarmas innecesarias. Como dato clave piense que el grosor de un papel simple suele estar establecido en unas 180 µm.
–Todo agente expansor requiere de la acción de un aditivo desinhibidor de la tensión que actúe en la fase fresca desinhibiendo la tensión en los meniscos internos de la estructura y apaciguando y evitando que esa expansión inicial afecte en demasía a esas intersecciones entre los áridos y la matriz cementicia. Algunos denominan a estos productos «curadores internos», sin embargo: estos aditivos ni curan, ni sanan; simplemente concilian esas tensiones internas y externas causantes por el agua en los poros capilares reduciendo drásticamente las fuerzas internas primarias que causan la contracción-retracción por secado, ayudando a mejorar la estabilidad dimensional y reduciendo la retracción hidráulica. Lo más adecuado es denominarlos SRA(Shrinkage) y deben actúar en simbiosis con el agente expansor: este expandiendo y generando tensión en esa fase fresca y el aditivo SRA apaciguándola en la medida de lo posible.
–No existe control del cambio de volumen si no existe un correcto curado, por lo que si usted no procura tasas de evaporación bajas en las primeras 76 horas y tasas de evaporación medias en las siguientes horas hasta el periodo de 200 horas, no tendrá control del cambio de volumen ya que alguno de los expansores que aquí comentaremos son inertes y necesitan un entorno húmedo para generar acciones de expansión.
3. Acciones de mejora para controlar el cambio de volumen
Para realizar un control del cambio de volumen podemos implementar las siguientes acciones.
En referencia a la formulación en masa de hormigón según la clasificación de ACI 223 podemos apostar por agentes expansivos siguientes:
1. El tipo K mezcla de sulfoaluminato de calcio y sulfato de calcio que forma etringita
2. El tipo M mezcla de aluminato de calcio y sulfato de calcio que produce etringita
3. El tipo S Mezcla de aluminato tricálcico y sulfato de calcio que produce etringita
4. El tipo O/G contiene oxido de calcio y oxido de aluminio que produce portlandita
Un agente expansivo de expansión controlada, del tipo G genera tensiones inmediatas de tracción en el armado y compresión en el hormigón en la fase inicial del hormigón líquida.
Esta precompresión inducida por el agente expansivo impide que las solicitaciones de tracción inducidas en el conglomerado por efecto de la retracción higromérica superen la resistencia a tracción del material evitando su fisuración.
Al realizarse en esta fase la gran mayoría de las tensiones que tendrá la masa de hormigón se producirán en fase líquida dispersándose y cerrándose.
Cualquier adición también se debe tener en cuenta en la suma de cantidad de masa conglomerante y en la relación a/c final. Una cantidad razonable de expansor estaría en torno a un 5/6% sobre el peso del cemento que equivale a 15/20 kg/m3(0,8-6%spm) para lograr que el hormigón con un buen diseño, composición y reología pase de una retracción de -400µ /ml a -200 /µml y con ello podamos aumentar o evitar la cantidad de cortes o juntas en el hormigón y aumentemos sus prestaciones finales.
Datos promedios de ensayos realizados en Betonia desde el 2017
No quedan excluidas las adiciones anteriormente mencionadas: cenizas, carbonatos, fillers caolinitas, puzolánico, etc. y solo serán utilizadas en ocasiones muy específicas que lo requieran debe hacerse con un fin claro y conciso y siempre entablando conversaciones técnicas con los responsables técnicos conociendo a fondo los pros y contras del cemento escogido.
En el caso de contar con una adición debe hacerse con un fin claro y conciso y siempre entablando conversaciones técnicas con el Departamento Técnico de la Industria Cementera de la zona, los responsables técnicos de la planta de hormigón y la Dirección Técnica de la Obra, conociendo a fondo los pros y contras del cemento escogido.
En este apartado no podemos entrar en detalle minucioso, si alguien quisiera disponer de más información al respecto sugerimos se dirija a estos dos documentos:
“Guía para el empleo de hormigones expansivos”(link) Monografias del IETcc nº 425
“Contracción y Retracción en Hormigones y Materiales Cementicios”(link) LT026Betonia Literatura Técnica.
Existen doce factores claros y focalizados que intervienen en el cambio de volumen de una masa hormigón según “Guía para el empleo de hormigones expansivos”(link) Monografias del IETcc nº 425, son los siguientes y que resumimos brevemente añadiendo parte de nuestro conocimiento más específico para hormigones de pavimentos y que comentados suponen una valoración cualitativa de los mismos.
–La composición química y finura. Teniendo alta importancia la composición de los óxidos de los cementos o agentes expansivos afectando a los siguientes factores:
- La velocidad de expansión que dependerá de la cantidad de aluminatos fácilmente hidratables.
- La duración de esta que dependerá de la cantidad de sulfato de calcio presente, que cesará cuando este sulfato esté totalmente combinado.
–La proporción del material expansivo. La magnitud de la expansión está estrechamente relacionada con la cantidad de cemento o agente expansivo, así como química del cemento.
–Relación agua/cemento. En este apartado se trata de la relación entre la cantidad de agua total(la resultante y la suma de los conglomerantes(cemento+expansivo). Los datos obtenidos de diferentes estudios indican que, en general, para contenidos constantes de cementos o agentes expansivos, el nivel de expansión se incremente al disminuir la relación agua/cemento. Esto se debe a que hay una mayor disposición de material potencialmente expansivo (cemento o agente) durante el curado en húmedo del hormigón.
–Curado. Las condiciones de curado de un pavimento de hormigón influirán notablemente en los cambios de volumen. Un curado adecuado realizado desde el primer momento de evaporación del agua con un sistema efectivo que cumpla los requisitos marcados en la ASTM C-309 de una tasa de evaporación máxima del 20% de agua evitará evoluciones de volumen no deseadas. Así mismo está comprobado que estos expansivos necesitan humedad para que existan las dos clases de hidratación:
- Las de formación del silicato cálcico hidratado, responsable de las resistencias.
- Las de la expansión con las formaciones de etringita y portlantita según el tipo de cemento empleado.
Si no disponemos de una suficiente humedad es muy posible que no se genere una expansión efectiva o suficiente. Este factor es primordial ya que si el hormigón no contempla una humedad ≥50% nunca obtendremos una correcta expansión. Tengamos en cuenta que el expansor es una carga inerte y la única que activará su función será la humedad. Nuestra experiencia es que si queremos una inmediata y dilatada expansión debemos procurar durante las dos primeras semanas de curado una humedad en el hormigón cercana al ±80% con sistemas de curado que lo aseguren.
En otro post de este blog entraremos a fondo en la temática del curado de pavimentos de hormigón.
4. La influencia de la humedad ambiental y la que contiene el hormigón
–Tiempo de fraguado. Este tiempo es un factor clave que afectará considerablemente a la expansión efectiva. Si el final del inicio de fraguado se realiza en el momento de la formación de los compuestos responsables de la expansión y esta masa está aún plástica generando deformaciones y acomodamiento de los nódulos expansivos, sin producir los cambios de volumen efectivos tal y como se producen en el posterior estado sólido. A mayores tiempos de fraguado las expansiones serán menores que hormigones con mayores velocidades de fraguado.
–Temperatura. Las temperaturas existentes durante el fraguado y su curado posterior presentan una influencia manifiesta sobre la velocidad y la magnitud de la expansión en función de la restricción y la humedad relativa. También más adelante analizaremos a fondo el factor temperatura.
–Tamaño y forma del elemento. La expansión decrece a medida que aumenta el tamaño del elemento, incluso se puede constatar diferencias entre los ratios de expansión exterior e interior por las posibles diferencias de curado. Así mismo se constata que las losas de espesor grueso necesitan menor expansión para contrarrestar la posible contracción.
–Restricción. Los hormigones de retracción compensada deben estar restringidos para inducir tensiones a compresión. Los hormigones sin restricción pueden desarrollar expansiones varias veces superiores a las desarrolladas.
–Tiempo de mezclado. Se tiene constatado que incrementar el tiempo de amasado disminuirá el grado de expansión en todos los cementos expansivos del tipo K en base sulfoaluminato cálcico ya que el amasado acelera la formación de etringita y reduce drásticamente la disponibilidad de este compuesto para una expansión posterior. Por supuesto aquí también influirá el transporte con el tiempo del mismo y las condiciones de mezclado existentes.
–Aditivos Se constata que existe una manifiesta influencia en el cambio de volumen según el tipo de aditivo, la cantidad que se dosifique y las modificaciones que puedan realizar a la reología y velocidad de fraguado del hormigón.
–Tipo y tamaño del árido. Se tiene constatado el tipo y tamaño del árido pueden influir en la velocidad y cantidad de la expansión a través de la restricción que imponen sobre la pasta expansiva. El grado de restricción dependerá del módulo elástico del árido, su tamaño, su forma y morfología. Así mismo un esqueleto granular adecuado nos ayudará a aminorar cambios de volumen imprevistos.
–Edad del cemento y el expansivo. Se tiene constatado que los cementos o expansivos con un tiempo de almacenaje excesivo o un acopio en condiciones no adecuadas, además de generar altas tendencias higroscópicas en los mismos afectará a la capacidad expansiva.
Para a valorar estos factores desde el punto de vista cuantitativo podemos referirnos a los recogidos en el Eurocódigo (2) existiendo puntos clave que en el diseño previo del hormigón debemos establecer como posibles desviaciones que incidirán de forma desigual en el cambio de volumen pudiendo duplicar o incluso triplicar los valores originales de evolución del cambio de volumen natural del hormigón diseñado.
A continuación, se muestra tabla según ACI 360 donde se indica importancia de diferentes factores en el diseño e influencia en la retracción.
| Diseño mezcla hormigón | |
| Efecto de los diferentes factores e incremento que supone un inadecuado diseño | |
| Efecto | Equivalente incremento (%) |
| Factores o causas endógenas | |
| Uso de cemento con características que fomenten alta retracción | 25 |
| Uso de tamaño máximo de árido de 19 mm donde podría usarse mayores tamaños hasta 38 mm | 25 |
| Uso de áridos de baja calidad que fomenten la retracción | 50 |
| Excesivos finos, suciedad áridos, arcillas etc. | 25 |
| Empleo de aditivos que controlen la retracción, que bajen la demanda de agua y que no generen retracción | 50 |
| Factores o causas exógenas | |
| Temperatura en el momento de la descarga de +25ºC en lugar de una temperatura razonable de ±16ºC | 8 |
| Usar una consistencia (abrams) del hormigón fluida de S3-S4/150-180mm, donde podría ser S2-S3/76-100 mm | 10 |
| Bombeo prolongado en demasiado tiempo de espera y longitud de tubería. | 10 |
Para poder contar con una compensación de la retracción efectiva a este tipo de agentes expansivos hay que sumarles la acción de un aditivo líquido reductor de la retracción que favorece la expansión aún en ausencia de curado húmedo reaccionando químicamente para reducir las contracciones hidráulicas y la formación de microfisuras. Son generalmente derivados de la familia de dioles: glicoles, etanoglicoles, polioles, etc.
Según nuestra experiencia en un pavimento de hormigón debemos provocar expansión inicial generando incremento inicial en el cambio de volumen durante la fase plástica que hará que la misma matriz cementicia en estado gel se encargue de cicatrizar todas esa microfisuras generadas por dicha expansión y altas tensiones provocadas generando posteriormente una pacificación durante la fase de endurecimiento y curado que mitigará cambios de volumen imprevistos. Técnicamente podemos definirlo como generar conscientemente pequeños efectos de pretensados químicos en un hormigón restringido por un continente definido suficiente como para contrarrestar o reducir toda la tensión que vayamos a tener en la masa por secado u otras causas.
En el Eurocódigo 2 se establece unas medias de retracción para un hormigón común HA-25-C25/30 fabricado con un cemento Tipo N y una humedad media de 40% que se reflejan en el gráfico siguiente:
Está comprobado que hay varios factores que afectarán definitivamente al posible cambio de volumen el hormigón desde el punto de vista del diseño.
3.5 Método para medir el cambio de volumen en una masa cementicia
En Betonia contamos con una amplia experiencia que ciñe a más de 10.000 controles realizados en diferentes ensayos bajo las Normas ASTM C-878 y ASTM C-157 y a las colaboraciones realizadas con la industria química del hormigón en las cuales hemos consensuado métodos de control, de medición, de curado y seguimiento que nos llevan a contar con una base de datos que supone un amplio banco de datos con medias significativas que pueden explicar el fenómeno de la expansión-retracción en hormigones.
Existen muchos factores que alteran los registros y los criterios tampoco están muy claros dejando entrever que los profesionales del sector conocen la problemática, pero nadie es capaz de sentar un método definitivo de control y evaluación por el cual todos nos guiemos.
Hasta la fecha la documentación que más nos ha ilustrado y encaminado en nuestro propósito de poder evaluar, ponderar y controlar los cambios de volumen en hormigones es la “Guía para el empleo de hormigones expansivos”(link) Monografias del IETcc nº 425.
En Betonia hemos establecido un método para medir, evaluar y trasladar a la realidad los cambios de volumen matriz cementícia mencionados. Una vez y con el recuento de varios ensayos en diferentes condiciones y con diferentes materiales y/o aditivos compensadores de la retracción-expansión, analizar las causas: si se deben a cambios químicos, autógenos o por secado; y como evitarlos aminorarlos e incluso si fuera necesario potenciarlos.
Para ello hemos utilizado el mismo método que hemos empleado en otros procedimientos combinando de método empírico experimental y método de medición y ajuste continuo para con todos los registros y ajustes poder establecer que el método sea efectivo.
Durante la creación y puesta en funcionamiento de nuestro método de trabajo bajo una instrucción de trabajo ITG-07.04/068 Instrucción técnica «Determinación del cambio de volumen en matrices cementicias mediante norma ASTM C878»., hemos decidido probar todas las variables posibles generando tres tipos de situaciones que no son otras que diferentes niveles de curado de las probetas.
Hemos constatado lo siguiente respecto a la temática:
- No cabe duda de que un hormigón con un correcto diseño tendrá menor alteración del volumen que otro que tenga un diseño incorrecto.
- La influencia de la humedad y el curado que tenga un hormigón en los primeros 14 días influirá notablemente en el cambio de volumen de tal forma que se de una paradoja curiosa: ningún hormigón que no tenga unas condiciones de curado superiores al 55% generará expansión y retraerá, aunque le hayamos aditivado o dopado con química compensadora de la retracción. Por tanto, utilizar dicha química sin un correcto método de curado será inútil y baldío.
Por el contrario, un correcto diseño en el hormigón, ajustando su esqueleto y reología, será sin duda más fundamental que dopar a un hormigón de agentes expansivos y aditivos pacificadores.
Hemos constatado lo siguiente respecto al método de ensayo del que seguimos mejorando y progresando para ajustarlo:
- Las probetas para ensayar deben cuidarse con mucho mimo y estar en condiciones objetivas iniciales, sin excesivos movimientos que alteren la orden de medida de los comparadores. El ambiente debe ser estable durante los tiempos de medición empleados.
- Es fundamental registrar correctamente las mediciones, al igual que es muy interesante evaluar la pérdida de peso y humedad de la probeta como si se tratara de un ensayo de “retención de agua ASTM C309” que nos dejará información valiosa de la efectividad de curado para evaluar la idoneidad de cada ensayo y su evolución.
Compartir conocimiento desde Betonia
Este conocimiento que aquí compartimos es parte del Programa hacía el conocimiento activo y la industria de la construcción 4.0 que hemos iniciado hace una serie de años con varias series de actividades formativas, ponencias, jornadas técnicas-prácticas, publicaciones, proyectos etc. trasladando parte de nuestro conocimiento con el fin de singularizar, dignificar, reconocer y destacar los pavimentos de hormigón como unidad específica dentro del mundo de la construcción industrializada.
Nos ha costado mucho esfuerzo, tiempo y multitud de errores solventados, siempre con método empírico, para llegar a disponer de esta experiencia que ahora compartimos, siendo conscientes de que no es más que una pequeña parte del «verdadero conocimiento».
Aquellos que deseen copiar, usurpar o adquirir sin merecimiento deber tener claro que los conocimientos ‘se adquieren, se trabajan y se perfeccionan de manera propia mediante mucho trabajo, vencer barreras y superarse cada día.
Óscar Candás(Betonia Products)
Enero 2024
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