Mecanismos de la fluencia

Los mecanismos de la fluencia son bastante complejos y aún no son totalmente conocidos. Existen numerosas teorías que intentan explicar este fenómeno, pero no hay un consenso generalizado para un único modelo. Neville, Dilger y Brooks (1983) incluyen la descripción de seis teorías básicas que intervienen y se indica que probablemente la fluencia sea el resultado de más de uno de estos procesos.

• La teoría de la deformación mecánica. En esta teoría, desarrollada por Freyssinet, se relaciona la fluencia con los cambios en la estructura capilar de la pasta. En esta teoría se asume que la fluencia es reversible.

• Flujo visco-elástico. Esta es una de las teorías con mayor aceptación, y hay suficiente evidencia que el flujo viscoso es uno de los mecanismos involucrados. El concepto básico de esta teoría es que la pasta de cemento hidratada es un líquido altamente viscoso, y que su viscosidad aumenta con el tiempo debido a las reacciones químicas dentro de su estructura. Según esta teoría, cuando el hormigón esta puesto en carga, quien resiste al flujo es el árido.

• Flujo plástico- En esta teoría desarrollada por Vogt se sugiere que el flujo en el hormigón puede tener la misma naturaleza que el flujo de cristales, y que es el resultado del deslizamiento de las superficies cristalinas.

• Filtración del agua del gel (seepage) – Esta teoría, postulada por Lynam y luego desarrollada por Lea y Lee, asocia las deformaciones por fluencia con la filtración de agua del C-S-H como resultado de la presión aplicada. Las tensiones externas causan cambios en la presión interna del vapor y en el contenido de agua dentro del gel. Como la pasta es esencialmente gel rígido, donde existe equilibrio entre la presión de hinchamiento en el gel y la estructura del los sólidos, la alteración de este equilibrio modifica al contenido de agua del gel. La velocidad de filtración depende del gradiente de humedad. La fluencia es la manifestación del restablecimiento del equilibrio entre el gel y su entorno.

• Elasticidad diferida – Según esta teoría, desarrollada por Maney, la fluencia es el resultado de deformaciones no uniformes de la retracción.

• Microfisuración – Hsu demostró que la no linealidad de la fluencia se debe a la microfisuración de la zona de transición. La microfisuración es responsable de 10-25% de la fluencia total.

Aparte de estas teorías básicas, también se han desarrollado varias hipótesis que combinan varios de estos conceptos para explicar el fenómeno de la fluencia. Entre

éstas están las teorías de: Kesler, Ruetz, Cilosani, Feldman y Sereda, Ishai, Power, y Bazant. Los conceptos principales de estas teorías están descritos por Neville, Dilger y Brooks (1983).

Entre todas estas teorías, hay bastante consenso que el flujo viscoso, filtración de agua del gel y la microfisuración son los procesos más significantes. El punto de desacuerdo se centra en el papel del agua en la pasta de cemento hidratada. La cuestión está en si es el agua el principal causante de la fluencia (seepage) o si su papel es secundario, y consiste en modificar el movimiento de las partículas del gel (flujo viscoso).

El ACI 209.1R-4 (2007) también hace especial mención sobre la hipótesis de Bazant (1999), que identificó siete mecanismos que son también la base de su modelo de cálculo para la retracción y fluencia.

• La solidificación como mecanismo de envejecimiento, especialmente a tempranas edades. Según esta teoría la microestructura se refuerza con la edad del hormigón debido al desarrollo continuo de la hidratación. Se asume que la fluencia disminuye con el aumento de la edad de puesta en carga, debido a las capas de S-C-H que se van formando en las paredes de los poros.

• Relajación por micropretensado (microprestress relaxation), como mecanismo de envejecimiento a largo plazo.

• Roturas de vínculos causadas por las tensiones influenciadas por las excitaciones térmicas y controladas por la energía de activación.

• Difusión de agua de los poros.

• Tensión de superficie, capilaridad, absorción libre y “disjoining pressure”. • Agrietamiento causado por tensiones autoequilibrantes y cargas aplicadas.

El análisis de Ulm, et al. (1999) es también bastante interesante. Ulm separó la fluencia en dos etapas: los mecanismos de corto plazo, y de largo plazo. Las características de cada etapa están resumidas en la tabla 2.3.

Tabla 2. 3 Características de la cinemática de la fluencia en el hormigón (Ulm, et al. 1999).

Fluencia a corto plazo Fluencia a largo plazo • Reversible

• Disminuye la magnitud y la velocidad con la hidratación • Es un fenómeno asintótico

• La magnitud es proporcional a a/c

• Irreversible

• El envejecimiento es independiente de: − La historia viscosa (t-t0).

− Edad de carga, t0.

− Dosificación de la mezcla. Es un fenómeno no asintótico. El mecanismo está relacionado con el

espacio capilar (≈1 μm)

El mecanismo está relacionado con los microporos del C-S-H (10-20 A)

La fluencia a corto plazo está situada en el espacio capilar (figura 2.25). En condiciones de carga macroscópicas, las tensiones se transmiten en el micronivel del material heterogéneo entre los grupos de materia hidratada que rodea a los poros capilares. Esta transferencia de carga local introduce inequilibrio entre las moléculas de agua que están adheridas a las paredes de los poros, y así empieza el proceso de microdifusión. La microdifusión es el mecanismo principal en la fluencia a corto plazo, y es consistente con el fenómeno de recuperación y la reversibilidad de la fluencia.

Figura 2.25 Mecanismo de la fluencia a corto plazo: microdifusión en el espacio capilar (Ulm, et al. , 1999).

Según Ulm, los mecanismos de la fluencia a largo plazo parecen ser independientes del tipo de hormigón, lo que sugiere que este mecanismo tiene lugar entre las láminas de C-S-H, y que su origen es mecánico. Ulm se inclina por el mecanismo de deslizamiento desarrollado por Bazant (1997). Según este modelo, las moléculas de agua en los microporos son fuertemente atraídas por el confinamiento entre superficies solidas. Estos vínculos que son desordenados e inestables están sujetos a presiones, y por eso se rompen y se vuelven a conectar de forma local, con deslizamiento de cortante en puntos localizados (figura 2.26).

Figura 2.26 Mecanismo de la fluencia a largo plazo en los micro poros del C-S- H capilar (Bazant , 1997).

Estas teorías varían en el tratamiento de los procesos de fluencia, pero lo que tienen en común es el reconocimiento en que el agua tiene una función importante en el

desarrollo de la fluencia. En general, también hay consenso que el movimiento de agua está relacionado con las fases iníciales de la fluencia, mientras que el movimiento de sólidos está relacionado con la fluencia a largo plazo.