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may. 31 de 2015
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Resumen:

El concreto es un material que se utiliza de muchas maneras, una de ellas es en la construcción de pisos y pavimentos sobre suelo natural o sobre una capa de material tratado, como una base granular estabilizada o también sobre otro material como una capa de concreto asfáltico.

En el caso específico del uso del concreto en la construcción de pisos y pavimentos se debe tener en cuenta cómo las cargas aplicadas y las características mismas del concreto condicionan su comportamiento e indirectamente su vida útil.

De las características que tiene el concreto la más conocida y apreciada es la resistencia a la compresión que desarrolla con el tiempo. Pero hay otras propiedades que son importantes cuando se desean tener buenas obras, como son las resistencias al desgaste por abrasión, al ataque de agentes químicos y a los cambios climáticos.

Cuando se construye un pavimento o un piso industrial, el concreto es solicitado por el paso de los vehículos o por las cargas estáticas que se dispongan sobre su superficie. La presión que aplican las ruedas y las cargas difícilmente superan los 100 kg/cm2 y un concretode mediana resistencia a la compresión supera los 210 kg/cm2 lo cual indica que ese concreto puede soportar con facilidad esas cargas sin que falle a compresión, ante esta situación surge la pregunta: ¿qué forma de carga o que esfuerzos desarrollan las cargas que pueden llevar a que una losa de concreto se fisure?

La respuesta a dicha pregunta no es complicada pero sí extensa, puesto que no hay una única causa. A partir de una serie de capítulos se describirán las principales causas por las que una losa de concreto se fisura.

Comencemos por los cambios dimensionales a los que está sujeto el material.

Pavimento en concreto. Fotografía: Juan David Melo V. para Argos.

Pavimento en concreto. Fotografía: Juan David Melo V. para Argos.

FISURAS EN LOSAS DE CONCRETO POR CAMBIOS DIMENSIONALES

El concreto, como todos los materiales, está sujeto a las leyes de la naturaleza, tiene masa, se dilata y se contrae cuando se calienta o se enfría -o si se humedece o se seca-, en el rango elástico su deformación es proporcional al esfuerzo ejercido, resiste pocos esfuerzos a tracción -del orden del 10 % de los que resiste a compresión-, el volumen inicial de los ingredientes es mayor que el volumen del concreto con ellos producido y, sin que la lista sea exhaustiva, es un material que gana resistencia con el tiempo.

Además de lo mencionado, el concreto tiene comportamientos diferentes según su edad: en las primeras horas de vida se comporta de manera similar a como lo hace un fluido con alta viscosidad, unas horas más tarde se comporta como un semisólido y más o menos a las 10 horas ya es un sólido en el que se presentan las reacciones del cemento con el agua y se va dando la ganancia de resistencia, que nunca termina pero que para efectos prácticos se fijó un período de 28 días como umbral para medir la resistencia alcanzada por el concreto. A partir del día 28 el concreto se puede considerar como maduro, pero se siguen presentando cambios dimensionales durante toda su vida útil.

Los fenómenos que se dan en cada una de las etapas por las que pasa el concreto condicionan su comportamiento y la aplicación particular durante toda su vida útil.

Durante la producción del concreto se adiciona agua a la mezcla, una parte para darle trabajabilidad y otra para que reaccione con el cementoEl agua que no reacciona con el cemento va saliendo del concreto en un proceso lento que dura años, lo que trae como consecuencia que el volumen final de los ingredientes de la mezcla es menor que el inicial, lo cual le genera una disminución volumétrica, o contracción, a la pieza de concreto.

Además de la anterior pérdida de volumen, se da otra debido al enfriamiento del concreto. La reacción del cemento con el agua es exotérmica, la masa de concreto en las primeras horas de vida estará más caliente de lo que estará a largo plazo y por lo tanto tendrá también mayor volumen a edades tempranas comparado con el que tendrá a largo plazo.

Cuando el concreto se contrae, y la disminución de sus dimensiones se encuentra restringida, se genera una tracción en el material que lo romperá a edades tempranas porque el concreto aún no ha desarrollado su resistencia y a largo plazo cuando se supera la capacidad del concreto de atender los esfuerzos a tracción a que se somete. Este fenómeno se atenúa con una correcta disposición de las juntas o incorporando varillas de acero, pero siempre serán generadores de fisuras.

Como se dijo, el concreto es un material que sufre cambios en sus dimensiones cuando se seca, durante las reacciones del cemento con el agua, cuando se humedece, se enfría, se calienta y si es solicitado por cargas que lo someten a tracción o a compresión. Algunos de los movimientos son más grandes en los primeros días pero en cualquier momento de la vida del concreto se pueden presentar cambios en sus dimensiones.

La magnitud de los cambios de dimensión depende de las propiedades y cantidades de cemento, agregados, agua y aditivos utilizados y de los ciclos de calentamiento y enfriamiento, de la magnitud de las cargas y de la permanencia de ellas sobre los elementos producidos con el concreto, además de otras causas como pueden ser los asentamientos estructurales.

La magnitud de algunos de los cambios de dimensión están dadas por coeficientes adimensionales que expresan cuántos milímetros se encoge o se dilata un material por milímetro de largo, ancho y alto. Dichos coeficientes se denominan coeficiente de contracción por secado, coeficiente de dilatación (o de contracción) térmica y coeficiente de dilatación (o de contracción) por humedad. A continuación nos centraremos en la descripción y alcance de los fenómenos de contracción y expansión y la magnitud que alcanzan. Y en una entrada posterior compartiremos los cambios de dimensión que puede sufrir una losa de concreto por humedad y por la suma de algunos fenómenos de contracción y cambios de temperatura.

Pavimento en concreto. Foto: Juan David Melo V., para Argos.

Pavimento en concreto. Foto: Juan David Melo V., para Argos.

CONTRACCIÓN EN LOSAS DE CONCRETO POR SECADO Y POR FRAGUADO

En la Figura 1 se esquematiza el cambio de volumen que sufre el cemento durante su vida útil.

 

Figura 1 Esquema de los cambios de volumen en la pasta de cemento.

Figura 1 Esquema de los cambios de volumen en la pasta de cemento.

Además de la reducción en el volumen que ocupa el cemento durante el proceso de hidratación, se presenta una reducción en el contenido de agua por efectos del secado a partir del momento en que se mezclan los ingredientes.

En la Figura 2 se observa la contracción para tres productos hechos con cemento, a saber: la pasta, el mortero y el concreto.

Figura 2 Contracción de la pasta, el mortero y el concreto en las primeras 24 horas.

Figura 2 Contracción de la pasta, el mortero y el concreto en las primeras 24 horas.

En la Figura 2 se observa inicialmente una expansión de la pasta y del mortero como efecto del incremento de la temperatura de los materiales y luego una contracción debida a la pérdida de calor y de volumen de algunos componentes y por la evaporación del agua.

También se ha comprobado que el contenido de cemento influye en la retracción, siendo más grande cuando el contenido de cemento es más alto, aunque es posible, además, que se deba a un mayor contenido de agua en la mezcla.

La contracción del concreto depende de muchas variables, entre las que están los contenidos de cemento, de agua, de agregados y las relaciones entre dichos contenidos. En la gráfica 3 se observa la contracción del concreto en función del tamaño máximo del agregado.

 

Figura 3 Contracción en función del tamaño máximo del agregado

Figura 3 Contracción en función del tamaño máximo del agregado

De la Figura 3 se puede decir que si el tamaño máximo del agregado es de 20 mm, la contracción, o retracción es del orden de 400 µm/m (0,4 mm por metro) y si el tamaño del agregado es de 2 mm, la retracción se duplica.

EXPANSIÓN Y CONTRACCIÓN EN LOSAS DE CONCRETO POR PÉRDIDA DE HUMEDAD

Los materiales sufren cambios en sus dimensiones cuando la temperatura o la humedad varían y estos se pueden estimar con base en los coeficientes llamados de contracción, de secado y fraguado, y de dilatación térmica. El cambio de dimensión por calentamiento de un elemento producido con concreto se puede determinar con base en la siguiente expresión:

∆L=α*L*(±∆T)

(Ecuación 1)

En donde:
∆L: Cambio de dimensión
α: Coeficiente de dilatación
L: Dimensión del elemento
∆T: Cambio en la temperatura

El cambio dimensional puede ser de alargamiento o de encogimiento dependiendo de si la temperatura sube o baja. En general, el coeficiente de dilatación está entre 0,008 mm y 0,012 mm por cada metro y por cada grado centígrado de cambio en la temperatura, de manera que una losa de concreto de 10 metros de longitud se puede dilatar o contraer entre casi 2 mm y un poco menos de 3 mm si el cambio de temperatura en el concreto es de 20 grados centígrados.

Para el cálculo de los cambios dimensionales de las losas de concreto, y por ende el del ancho de las juntas, se debe tener en cuenta el mayor gradiente esperado durante toda la vida de servicio de la estructura. Esto indica entonces que se hace el cálculo con la máxima temperatura del concreto, la cual sucede seguramente en los primeros días después del vaciado del concreto y puede llegar a 50 °C con facilidad, y la menor esperada a lo largo de la vida del elemento, que puede ser de 15 °C o menos.

En el caso de concretos expuestos a la acción directa del sol, el gradiente de temperatura puede ser de 40 °C entre el amanecer y el medio día, con lo cual se pueden esperar cambios en la longitud del orden de 5 mm en elementos de 10 metros de longitud.

Por otra parte, el humedecimiento y secado del concreto genera un fenómeno similar al que se produce cuando se presentan gradientes térmicos. Los cambios de humedad generan un encogimiento, o un alargamiento, de menor magnitud a los que se producen por los gradientes térmicos y se deben tener en cuenta al calcular los cambios dimensionales. Los gradientes de humedad en el espesor generan encorvamientos (alabeos) en la superficie de los elementos de concreto, que pueden afectar el comportamiento de cualquier pieza puesta sobre esa superficie.

CONTRACCIÓN EN LOSAS DE CONCRETO A LARGO PLAZO

Una estructura de concreto se encoge a medida que pasa el tiempo de manera irreversible por los cambios que se presentan en el secado (cambio físico) y en el fraguado (cambios químicos). El coeficiente de contracción para el concreto está entre 0,3 mm a 0,8 mm por cada metro, lo que significa que una losa de concreto de 10 metros de longitud se puede contraer entre 3 y 8 milímetros. El cambio de dimensión irreversible por contracción de un elemento producido con concreto se puede determinar con base en la siguiente expresión:

∆L=ε*L
(Ecuación 2)

En donde:
∆L: Cambio de dimensión
ε: Coeficiente de contracción del concreto
L: Dimensión del elemento

La contracción es un fenómeno que no se detiene. Es más pronunciado a edad temprana pero a largo plazo el concreto continúa moviéndose, como lo indica la Figura 4, en la cual aún a los 30 años de edad en el concreto se siguen registrando contracciones y por tanto en las losas. Según la misma figura, la contracción a 90 días se incrementa en un 45 % respecto a la que se tiene a 10 días, si se toma la línea promedio.

Aquí se puede presentar, en algunos casos, una influencia importante en la retracción debida a la carbonatación “secundaria” (fenómeno que no se menciona casi en la literatura), en la cual se produce calcita y sílice a partir del gel de tobermorita, y que está muy influenciada por la relación agua cemento y la humedad relativa del lugar.

Es importante anotar que la contracción es un fenómeno que se mantiene durante mucho tiempo, lo cual explica la aparición de fisuras a largo plazo.

Figura 4 Contracción porcentual respecto a la que se presenta en 20 años

Figura 4 Contracción porcentual respecto a la que se presenta en 20 años

La determinación de la magnitud de la contracción del concreto en el tiempo es difícil de cuantificar debido a que está condicionada por la relación entre los volúmenes de los materiales empleados en la elaboración del concreto, por las condiciones ambientales a las que estará sujeto el concreto durante toda su vida útil, a las condiciones a las que se sometió el concreto a edades tempranas, y cuando se trata de concreto reforzado, a la cantidad de acero de refuerzo presente.

En la Figura 5 se observa la variación de la retracción del concreto en función de la variación de los contenidos de cemento, de agua y de la relación que existe entre ellos.

Figura 5 Contracción del concreto en función del contenido de cemento, de agua y de la relación agua/cemento

Figura 5 Contracción del concreto en función del contenido de cemento, de agua y de la relación agua/cemento

En la Figura 5 se observa que un concreto producido con 400 kilos de cemento y con 190 kilos de agua presenta una contracción superior a 1110*10^-6 y si se mantienen el contenido de cemento, pero se baja el contenido de agua a 175 kilos la retracción es del orden de 1040*10^-6 lo que significa una reducción en la retracción del orden del 7 %.

El ingrediente que más incide en la retracción del concreto es el agua, considerado de manera individual. En la Figura 6 se consigna la incidencia que tiene el agua en el fenómeno de la retracción. Si se dosifica el concreto con la menor cantidad de agua posible se puede disminuir la contracción por secado.

Si se tiene un concreto con 200 kg de agua por metro cúbico, la retracción está entre 0,55 mm/m y 0,8 mm/m pero si el contenido de aguase baja a 175 kg por metro cúbico, es decir un 12,5% menos, la retracción baja a un rango comprendido entre 0,4 mm/m y 0,58 mm/m, con reducciones en la retracción del orden del 27%.

Figura 6 Contracción por secado en función del contenido de agua de la mezcla

Hasta aquí los fenómenos de contracción, en una próxima entrada compartiremos los cambios de dimensión que puede sufrir una losa de concreto por humedad y por la suma de algunos fenómenos de contracción y cambios de temperatura.

Todos los comentarios, inquietudes y experiencias sobre fisuras por cambios dimensionales en pisos y pavimentos en concreto, son bienvenidos.

Nota aclaratoria de responsabilidad: Las observaciones contenidas en este documento son de carácter informativo y deben ser aplicadas y/o evaluadas por el constructor o usuario solamente en caso de considerarlas pertinentes. Por lo tanto, estas observaciones no comprometen a Argos, a sus filiales o a sus subordinados.

Los fenómenos que se dan en cada una de las etapas por las que pasa el concreto condicionan su comportamiento y la aplicación particular durante toda su vida útil.

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Conclusión

El cambio dimensional puede ser de alargamiento o de encogimiento dependiendo de si la temperatura sube o baja. Por otra parte, el humedecimiento y secado del concreto genera un fenómeno similar al que se produce cuando se presentan gradientes térmicos.

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