LOS CUÁNDO, POR QUÉ Y CÓMO DE LAS FISURAS EN EL HORMIGÓN ENDURECIDO: FISURACIÓN POR CONTRACCIÓN TÉRMICA INICIAL

November 18, 2014

Tema:  PATOLOGIAS

Autor:  Ms. Ing. Maximiliano Segerer - Control y Desarrollo de Hormigones

Fecha Publicacion:  30/04/2010

 

¿Cuándo y por qué aparecen las fisuras por contracción térmica?

La limitación de la temperatura máxima del hormigón fresco, generalmente a 30 o 32 ºC como criterio de aceptación, no evita la formación de fi suras por contracción térmica. Cuando la tipología estructural y las condiciones del medio planteen la posibilidad de que ello suceda, deben tomarse las precauciones para que no ocurra. Además, aunque no se estudiará en el presente artículo, es conocido que el hormigón, como el resto de los materiales, se expande y contrae cuando está expuesto a temperaturas cálidas o frías respectivamente. Si aparecen fi suras es por un indebido diseño de la estructura, cuando las deformaciones están restringidas por otros elementos y esto puede generar esfuerzos de tracción que la fi suren. La fisuración por contracción térmica inicial aparece por una excesiva diferencia de temperatura dentro de las estructuras debido al equilibrio que tiende a establecerse con el ambiente que las rodea. La diferencia de temperaturas causa que la parte más fría se contraiga más que la parte más caliente. La hidratación de los materiales cementicios genera calor por varios días después del colado en todo tipo de elementos de hormigón. Este calor se disipa rápidamente en secciones delgadas, y cuando no existe una gran diferencia de temperatura con el ambiente generalmente no trae problemas. La contracción de la superficie exterior está restringida por la sección interior más caliente, que no contrae tan rápidamente como la superficie cuando existen gradientes considerables de temperatura. Esta restricción crea tensiones que de superar la resistencia a tracción del hormigón a edades tempranas pueden fisurar la superficie del hormigón como resultado de esta diferencia de temperatura no controlada a través de toda la sección. Por ejemplo, en condiciones normales, un muro de hormigón de 15 cm se vuelve térmicamente estable en 1 ½ horas, mientras que un muro de 1,5 metros requiere una semana para una situación comparable, y en 15 metros, que representa el espesor de algunas presas en arco, requiere unos dos años. En la mayor parte de los casos, la fisuración por contracción térmica aparece a edades tempranas, en los primeros días después del colado, cuando las reacciones de hidratación se desarrollan más rápidamente liberando calor de hidratación, y cuando el hormigón es más débil para resistir aun muy bajos esfuerzos a tracción. Las fisuras se hacen notorias entre un día y hasta dos a tres semanas después del colado, alcanzando su máximo ancho superficial a estas últimas edades. Como se mencionó anteriormente, y al igual que en el caso de la fisuración por contracción por secado, los cambios volumétricos por sí mismos no crean tensiones sino que la restricción de estos cambios es la que origina la incompatibilidad de deformaciones e induce las tensiones que pueden fisurar al hormigón. En el caso de la contracción térmica inicial, la restricción puede tener dos orígenes, los cuales se esquematizan en la figura 1 y se describen a continuación:

¢¢Restricción externa: es aquélla que existe a lo largo del plano de separación de una superficie de hormigón con cualquier otro material con el cual esté en contacto durante el colado. Puede estar dada por otras estructuras, por el terreno o por la sub-base de apoyo, como en el caso de los pavimentos.

¢¢Restricción interna: es generada en la misma estructura cuando en los elementos aparecen cambios de volumen no uniformes en una sección. Por ejemplo, en plateas masivas, cuando la superficie más fría tiende a contraerse y el hormigón del núcleo más caliente impide y restringe estas deformaciones. Como se mencionó anteriormente, en función del origen de la restricción pueden aparecer inconvenientes en dos grandes tipos de estructuras:

¢¢Hormigón masivo: el principal factor que define el hormigón masivo es su dimensión mínima. La recomendación ACI 301 denomina como masivo a un elemento con dimensión mínima de 1,30 metros, mientras que el Reglamento CIRSOC 201 establece 0,75 metros. Este aspecto está dado por la baja conductividad térmica del hormigón, por lo cual el calor escapa muy lentamente en estructuras masivas, el cual intenta escapar por su menor dimensión y es ésta la que controla a tales estructuras. El principal aspecto a tener en cuenta es el elevado gradiente térmico que puede generarse: aparece en las primeras horas durante la liberación de la mayor parte del calor de hidratación y dura hasta encontrar un equilibrio ya sea con la temperatura ambiente, con el terreno o con los elementos estructurales adyacentes. En este último caso, si los elementos masivos están vinculados a otros elementos estructurales que provocan una restricción cuando el hormigón comienza a enfriarse, puede resultar en fisuración. El ejemplo más típico son los grandes bloques de presas restringidos por las fundaciones.

»» Ejemplo en estructuras masivas: en la figura 2 se presenta la evolución de temperaturas en el interior de una platea de fundación de 1.900 m³ de volumen y 1,90 metros de espesor, medidas con termocuplas en la mitad del espesor de la platea. La misma se hormigonó en tiempo caluroso y se emplearon, entre otras medidas, hasta 80 Kg de hielo por m³ de hormigón, alcanzando temperaturas máximas en el núcleo de la platea de 64,7 ºC a las 48 horas del colado.

¢¢Estructuras con gran superficie expuesta: la fisuración por diferencias de temperatura puede aparecer en estructuras no masivas. La superficie en contacto con el ambiente en pavimentos y losas son expuestas a variaciones de temperatura bastante abruptas, comparadas con las pequeñas variaciones de la subbase o elemento de apoyo. Una importante diferencia de temperatura entre las caras superior e inferior puede resultar en fisuración, fundamentalmente el primer día después del colado, cuando el hormigón es aún muy débil. Además, ya para cuando la estructura se encuentre en servicio, es muy importante el adecuado diseño, ejecución y mantenimiento de juntas de expansión y contracción para prevenir la fisuración del hormigón endurecido.

»» Ejemplo en losas: en pavimentos construidos en nuestro país en condiciones de clima caluroso, se han constatado gradientes muy importantes. Mientras las temperaturas en el fondo de la losa (contacto con el terreno) se mantienen aproximadamente constantes (por ejemplo, 25 ºC durante el día y la noche), la temperatura de la superficie y dos cm bajo la misma presenta variaciones significativas. La temperatura en la superficie en las horas de mayor asoleamiento puede llegar a 60 ºC y caer a la noche a 15 ºC, mientras que en la capa subyacente de la superficie (unos dos cm por debajo) la temperatura puede variar en el día de 45 ºC a 25 ºC en la noche, esta última igual a la temperatura del fondo de la losa durante todo el ciclo. Esto genera gradientes muy superiores a 20 ºC, lo que trae aparejado la fisuración térmica en las primeras horas del hormigón. En la figura 3 se muestran modelaciones en pavimentos cuyas condiciones extremas generaron fisuración térmica.

¿Cómo identificarlas?

Las fisuras ocasionadas por excesivas diferencias de temperatura en hormigón masivo aparecen como erráticas sin seguir ningún patrón en la superficie de los elementos, haciéndose notorias por lo general a los pocos días del colado o desencofrado de los elementos (figura 4). Las fisuras en pavimentos y losas debidas a diferencias de temperatura son muy similares a las fisuras por contracción por secado. Estas generalmente ocurren perpendicularmente al eje más largo de la sección hormigonada en el día, pero son visibles mucho más temprano que las fisuras por contracción por secado. Además, el perfil de estas fisuras en muchos casos no atraviesa todo el espesor del pavimento. En este caso, cabe recalcar la importancia de un aserrado oportuno de las juntas, ya que si se realiza muy tarde y aunque no exista una contracción por secado de importancia las losas se fisurarán por la necesidad de variaciones dimensionales por temperatura, que absorben las juntas de contracción (figura 5).

¿Cómo minimizar las fisuras térmicas?

La clave para reducir el diferencial térmico, y con ello el riesgo de fisuración, es reconocer cuándo puede ocurrir y tomar las medidas necesarias para minimizarlo. Las especificaciones típicas para hormigones masivos incluyen no sobrepasar una máxima temperatura ni un máximo diferencial entre el núcleo del elemento, donde se desarrollan las mayores temperaturas, y la superficie del elemento. La temperatura máxima debe referirse al tiempo que toma en alcanzar una temperatura pico (que por lo general ocurre entre 8 y 48 horas del hormigonado), la cual también debe ser limitada, ya que puede traer aparejados otros problemas de durabilidad, como un posible ataque interno de sulfatos (formación de etringita diferida). El diferencial de temperatura límite intenta minimizar las fisuras debido al cambio volumétrico de los elementos. Los valores más empleados son para la temperatura máxima de 60 a 70 ºC y para el máximo diferencial admisible de temperatura de 20 ºC. De todas maneras, el hormigón puede fisurarse ante gradientes menores. Las temperaturas son medidas empleando termocuplas colocadas en diferentes puntos estratégicos dentro de la masa del hormigón y registrando sus variaciones durante los primeros días. Siempre es recomendable que el calculista o consultor realice estudios y cálculos estimando las temperaturas máximas y su evolución durante las primeras edades para optimizar recursos y encontrar la solución más económica cumpliendo con los requisitos técnicos. Para el desarrollo de estos procedimientos se sugieren las recomendaciones ACI 207.1R a 4R, respetando las disposiciones del CIRSOC 201-05. Para el caso de pavimentos, es muy importante realizar diferentes modelaciones con programas como el HIPERPAV, donde se pronostican no sólo la evolución de temperaturas para las condiciones de obra sino también las tensiones inducidas en el hormigón y las tensiones de tracción que resiste el hormigón las primeras horas. Si esta resistencia se ve superada, lo que se aprecia claramente en los gráficos entregados por el programa, el hormigón tendrá un elevado riesgo de fisuración por contracción térmica. En la figura 3 se muestra una de estas modelaciones.

¿Cómo prevenirlas?

Las responsabilidades recaen sobre el proyectista, el constructor y el proveedor de hormigón. Deben establecerse en un acuerdo las especificaciones para la dosificación de hormigón, los límites de temperatura máxima y gradientes, medidas para aislar la estructura y en críticas condiciones sistemas de post-enfriado de elementos estructurales, como por ejemplo cañerías embutidas en la estructura para refrigerar su núcleo. Se recomienda, además, leer “Plateas de Fundación y Hormigón Elaborado”, publicado en la Revista Hormigonar N° 13. Algunos pasos para minimizar la fisuración por contracción térmica inicial son:

¢¢Dosificación del hormigón: reducir el calor de hidratación optimizando la cantidad y tipo de cemento y adiciones empleando, por ejemplo, cementos BCH o cementos con elevado porcentaje de puzolanas o escorias. Debe procurarse no emplear hormigones de alta resistencia o de muy baja relación agua/ cemento. Los retardadores de fragüe decalan el pico máximo pero no lo reducen; son recomendables sólo para evitar juntas constructivas durante las operaciones de hormigonado. Los aditivos reductores de agua son muy recomendables para disminuir el contenido de cemento. El enfriamiento inicial del hormigón reduce la temperatura pico en la estructura, pero debe siempre existir un balance con los costos del proyecto. De todos modos, cualquier medida para disminuir la temperatura de los materiales constituyentes, fundamentalmente los agregados y el empleo de hielo, se verá reflejada en una disminución del riesgo de fisuración térmica. El agregado tiene una influencia importante, prefiriendo los agregados con coeficientes de dilatación térmica bajos. De lo contrario, ya que el agregado es el material que más ocupa dentro del hormigón, incidirá de manera negativa incrementando la contracción térmica. Los agregados triturados pueden ser benéficos, ya que incrementan la resistencia a la tracción.

¢¢Hormigón masivo: es indispensable una reunión previa al hormigonado para coordinar y definir responsabilidades. Deben establecerse procedimientos de aceptación en función de la temperatura, los métodos de curado y la duración de los mismos para no incrementar diferenciales de temperatura. En el caso de ser necesario, el aislamiento requerido y el empleo de tuberías para post-enfriamiento. Es recomendable que la estructura tarde lo más posible en entrar en equilibrio con el ambiente, lo que minimiza el gradiente, mediante medidas como el curado húmedo con reposición continua de agua a bajas temperaturas o el empleo de encofrados de madera siempre humedecidos y que sean retirados cuando no exista riesgo de fisuración. Los encofrados metálicos o el desencofrado prematuro pueden provocar un choque térmico que fisure el hormigón. Las armaduras deben ser bien diseñadas para minimizar el ancho de posibles fisuras, prefiriendo barras de medio y pequeño diámetro y espaciamientos reducidos antes que barras de gran diámetro. Es recomendado diseñar hormigones a edades de 56 ó 90 días cuando se emplean cementos adicionados. En las tareas de protección y curado no deben existir variaciones de temperatura de más de 1,5º C/hora y sin sobrepasar el máximo de 15 ºC en 24 horas.

¢¢Estructuras con gran superficie expuesta: reducir la ganancia de calor de la radiación solar mediante nieblas de agua en losas y pavimentos o proveer sombra durante las primeras horas. Colocar el hormigón temprano a la mañana puede resultar en la situación más crítica, ya que el pico de temperatura de la hidratación coincidiría con la temperatura máxima ambiente. Las barreras contra el viento pueden incrementar la ganancia de calor. En casos críticos, debe estudiarse la reducción del espaciamiento entre juntas. En pavimentos, las lluvias repentinas con frentes fríos pueden generar fuertes gradientes de temperatura. Además. es muy importante, cuando existan variaciones importantes de temperatura en el día, realizar las diferentes tareas atendiendo que el hormigón no sufra cambios de temperatura de más de 3 ºC/ hora y sin sobrepasar el máximo de 20 ºC en 24 horas.

¿Cuándo y cómo repararlas?

La reparación de este tipo de fisuras debe contar siempre con el consentimiento del proyectista. Inapropiadas técnicas de reparación pueden resultar en daños más importantes en el tiempo. En muchos casos, si las juntas trabajan adecuadamente, luego de un par de semanas pasan a ser fisuras estáticas. Las losas y pavimentos pueden ser reparados utilizando materiales de reparación compatibles o mediante el corte de las fisuras y el relleno con materiales elásticos. Las técnicas son similares que para el caso de fisuras por contracción por secado, aunque las estructuras pueden ser intervenidas bastante tiempo antes que en el primer caso, ya que el fenómeno de contracción térmica se estabiliza unas semanas después del colado y no después de los 6 a 8 meses como la contracción por secado. La reparación de fisuras térmicas en el hormigón masivo depende del ancho de fisuras y de las condiciones de serviciabilidad de la estructura. Las fisuras muy finas ( < 0,2 mm) son antiestéticas y pueden no requerir ninguna reparación desde el punto de vista estructural. De todas maneras, estas fisuras pueden promover posibles inconvenientes de durabilidad en un futuro. Las fisuras más anchas deberán ser selladas con materiales epoxídicos una vez que las fisuras se hayan estabilizado y no tengan movimientos apreciables. En todos estos casos, las reparaciones deben ser dirigidas por profesionales especializados en el tema y realizadas por mano de obra competente.

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