Estudio de retracción en una estructura real : estudio teórico y contrastación experimental

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(1)Estudio de retracción en un na estructura real: estudio teórico y contrastac ción experimental. Trabajo Fin de Máster Máster en Ingeniería de Estructuras, cim mentaciones y materiales. Ed d G Eduardo García í Dí Díaz Ingeniero dee Caminos, Canales y Puertos Universidad Alfonso X el Sabio. Tutores:. Hugo Corres Peiretti Dr. Ingeniero dee Caminos, Canales y Puertos Universidad Politécnica de Madrid. A Alejandro Pérez Caldentey Dr. Ingeniero dee Caminos, Canales y Puertos Universidad Politécnica de Madrid. Universsidad Politécnica de Madrid Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Caminos, C Canales y Puertos Departamento de Mecánica de Medios Continuos y Teoría de Estructuras.

(2) 1. Introducción y objeto del trabajo ........................................................................................................................... 3. 2. Estado del arte ............................................................................................................................................................. 4 2.1 Introducción...................................................................................................................................... 4 2.2 El cemento deshidratado .................................................................................................................. 4 2.3 La pasta de cemento hidratada ........................................................................................................ 5 2.3.1 Microestructura ........................................................................................................................ 5 2.3.2 Distribución de agua en la pasta hidratada de cemento .......................................................... 8 2.3.3 Fenómenos de expansión y contracción en el cemento ........................................................ 16 2.4 Retracción del hormigón ................................................................................................................ 25 2.4.1 Retracción plástica .................................................................................................................. 25 2.4.2 Retracción autógena ............................................................................................................... 26 2.4.3 Retracción de secado .............................................................................................................. 32 2.4.4 Retracción de carbonatación .................................................................................................. 75. 3. Proceso experimental: laboratorio y auscultación de una estructura real.............................................. 80 3.1 Instrumentación en laboratorio ..................................................................................................... 80 3.2 Instrumentación in situ del estacionamiento de la calle Serrano .................................................. 86 3.2.1 Incidencias durante los trabajos de auscultación ................................................................... 94. 4. Resultados experimentales: laboratorio y auscultación de estructura real.......................................... 100 4.1 Modelo de retracción del EC‐2‐1 .................................................................................................. 100 4.2 Modelo de retracción del MC‐2010.............................................................................................. 102 4.3 Modelo B3 de retracción .............................................................................................................. 103 4.3.1 B3: estimación a partir de ajuste con resultados de ensayos a corto plazo......................... 105 4.4 Características principales del hormigón estudiado..................................................................... 108 4.5 Resultados de medición de retracción en laboratorio: probetas Serie S ..................................... 109 4.6 Resultados de medición de retracción en laboratorio: probeta cúbica ....................................... 113 4.6.1 Comparación entre instrumentación discontinua superficial e instrumentación continua embebida. ............................................................................................................................................ 114 4.6.2 Medición continua y estimación teórica de la retracción .................................................... 121 4.7 Resultados de medición de retracción en laboratorio: Probetas H ............................................. 125 4.8 Resultados de la medición in situ del estacionamiento de la calle Serrano ................................. 128 4.8.1 Desplazamientos registrados en los extremos ..................................................................... 128 4.8.2 Deformaciones de retracción registradas ............................................................................ 131. 5. Conclusiones ............................................................................................................................................................ 138. 6. Bibliografía ................................................................................................................................................................ 140. 1.

(3) 2.

(4) 1. Introducción y objeto del trabajo. En el presente trabajo se pretende estudiar el fenómeno de la retracción y sus efectos estructurales. El estudio de este efecto reológico en la bibliografía se limita prácticamente en la totalidad de casos a experimentos llevados a cabo en condiciones ambientales controladas y para probetas de espesores pequeños. Por ello, el grupo investigador dentro del cual se elabora este trabajo, el Grupo de Hormigón Estructural, le otorga especial importancia a la aplicación práctica del estado del conocimiento sobre deformaciones impuestas a las condiciones reales de proyecto. El objetivo fundamental de este estudio es conocer el comportamiento de la retracción en estructuras reales. Para ello se lleva a cabo una exhaustiva revisión del estado del arte actual sobre el fenómeno de la retracción que permita una comprensión profunda del fenómeno. De este modo se podrá extrapolar satisfactoriamente este conocimiento a la campaña experimental a desarrollar en el marco de este trabajo. Así, se lleva a cabo un estudio experimental con probetas de pequeño y de gran espesor ficticio almacenadas en laboratorio bajo condiciones ambientales no controladas, condiciones más próximas al comportamiento real de proyecto. Paralelamente se desarrolla un trabajo de instrumentación in situ de una estructura real, correspondiente a la losa de cubierta del módulo 2 del nuevo estacionamiento de la calle Serrano. Este tipo de auscultación ha sido hasta hace relativamente poco tiempo escasamente practicada en el estudio de las deformaciones reológicas, algunas de ellas desarrolladas por el Grupo de Hormigón Estructural de la UPM, véase Petschke, 2011, [1]. Todas las mediciones experimentales recabadas en este estudio son, asimismo, contrastadas a partir de varios sistemas de medición, a saber, bases DEMEC para medición a partir de extensometría mecánica, dispositivos de cuerda vibrante embebidos en hormigón y transductores de desplazamiento basados, igualmente, en tecnología de cuerda vibrante. Tras la obtención de los resultados experimentales se procede a estudiar la precisión de las estimaciones de diferentes modelos teóricos de predicción de la retracción, concretamente los propuestos por el EC-2-1, [2], MC-2010,[3] , y B3, [4]. Se prestará especial atención a su comportamiento para la estimación de deformaciones en estructuras reales, con espesores ficticios grandes. Además, se procederá a la aplicación del ajuste de la predicción de la retracción a partir de resultados experimentales en laboratorio, utilizando las mediciones de probetas pequeñas, sugerido por el modelo B3. La aplicación de este método resulta, asimismo, de especial interés en comparación con los resultados de las mediciones registradas para espesores ficticios grandes, tanto en las probetas estudiadas en laboratorio como en la estructura real auscultada.. 3.

(5) 2 Estado del arte 2.1. Introducción. A pesar de ser un material usado de forma industrial desde principios del siglo XX debido a los experimentos de los químicos franceses Vicat y Le Chatelier y el alemán Michaelis, los cuales logran por primera vez cemento de calidad homogénea, el cemento hidratado ha sido un gran desconocido durante muchos años debido a la gran dificultad que entraña el estudio de su microestructura. El cemento es una mezcla de varios componentes que, tras un proceso de hidratación, lleva a la formación de una estructura sólida con capacidad portante. El material hidratado, observado en las etapas iniciales de su estudio con métodos de rayos X y con microscopio óptico, parece estar formado por una serie de pequeños cristales individuales compuestos por fibras flexibles y hojas dispuestas aleatoriamente de manera similar a un mineral llamado tobermorita. Se sabe que los cristales se disponen en capas y que el agua se sitúa entre ellas, siendo esta agua conocida como agua intersticial. A partir de los primeros estudios realizados se deduce que estas capas no cuentan con una alineación homogénea. En la década de 1970 Feldman y Sereda, [5], desarrollan una serie de experimentos que permiten establecer un modelo sobre la microestructura del cemento hidratado aún aceptado en la actualidad. El cemento desarrolla sus mejores cualidades en asociación con un cierto porcentaje de áridos, que le aportan una mayor resistencia al producto que se obtiene tras la hidratación del cemento. Esta mezcla final es conocida como hormigón, el material ampliamente más usado en la construcción actual. El hormigón, por lo tanto, está compuesto por tres fases, la formada por los áridos, de diferentes tamaños, la formada por la pasta hidratada de cemento, de aspecto irregular y heterogéneo, y la interfaz entre las dos fases anteriores. Todas las fases mencionadas sufren, en mayor o menor medida, cambios debidos a la temperatura y la humedad del ambiente, efectos que generarán variaciones volumétricas de expansión o contracción. Resulta imprescindible conocer las características de cada una de estas fases para poder llevar a cabo un estudio sobre la variación de volumen del material, fenómeno de gran importancia en el proyecto de estructuras de hormigón. Asimismo es de especial importancia saber que cada una de estas fases se comporta de manera diferente ante los intercambios de humedad con el medio y, además, influye de manera decisiva en el resto de los componentes del hormigón.. 2.2 El cemento deshidratado Para comprender el proceso de hidratación de la pasta de cemento deben tenerse unas nociones de los componentes principales del cemento deshidratado. Mayor, 1974 [6], describe sintéticamente este punto. El autor explica que el cemento tiene como materias primas la caliza y la arcilla, siendo sustituibles en algunos casos por otras materias primas que contengan sus mismos óxidos. Estos dos materiales pueden encontrarse secos, vía seca, o húmedos, vía húmeda, antes de su fabricación. Del procesamiento de estos materiales se obtiene el crudo, el cual, tras ser calcinado en el horno a temperaturas de entre 1350 y 1450ºC, se transforma en el material que conocemos como clínker. Tras su obtención, este clínker se muele y sufre una pequeña adición de yeso, de entre un 2 a un 4% en. 4.

(6) peso, que otorga estabilidad volumétrica al material, ver Verbeck y Helmuth [7]. Tras esta operación se obtiene el producto definitivo, el cemento. El clínker está formado por silicatos y aluminatos con fórmulas complicadas. Al estudiar la química del cemento Portland se supone que estos silicatos y aluminatos están formados por combinaciones de los óxidos y anhídridos más sencillos, de los cuales los más importantes son los siguientes:    . Cal, Ca O, C en notación abreviada. Aproximadamente un 70% del total del material. Sílice, Si O2, S en notación abreviada. Aproximadamente un 25% del total del material. Alúmina, Al2O3, A en notación abreviada. En pequeñas cantidades. Ferrita, Fe2O3, F en notación abreviada. En pequeñas cantidades.. Combinando estos compuestos se pueden definir más cómodamente los constituyentes mineralógicos principales que forman el clínker, que son:    . Silicato tricálcico, SC3. Silicato bicálcico, SC2. Aluminato-ferrito-tetracálcico, AFC4. Aluminato tricálcico, AC3.. Los componentes anteriores determinan las propiedades del cemento. Así, las resistencias mecánicas son debidas a la suma del SC3 y del SC2, siendo el primero el que da las resistencias a corto plazo y el segundo el que las otorga a largo plazo. Asimismo, al estar el módulo de elasticidad directamente relacionado con las resistencias mecánicas, también depende de estos dos componentes. Por otro lado, el AC3 acelera el proceso de endurecimiento durante las primeras horas. Además, el AC3 y el AFC4, sobre todo este último, actúan como fundentes, rebajando la temperatura necesaria dentro del horno para la cocción. Asimismo, la resistencia a los sulfatos y al proceso de hielo-deshielo depende del AC3, siendo menor la resistencia frente al ataque de ambos conforme aumenta el contenido de AC3. La suma del SC3 y el SC2 oscila entre el 60% y el 80% en peso, sin que haya uno de los dos componentes que cuente con una presencia ostensiblemente mayor en la mezcla. Mientras tanto, el AC3 puede variar del 2 al 14% del contenido total en peso, colaborando a generar un cemento resistente a sulfatos siempre y cuando su contenido sea menor al 5%. A su vez, el AFC4 suele presentar porcentajes de alrededor del 10% del peso total. Además de estos componentes mayoritarios existen en el cemento otros elementos en menor porcentaje, aunque no por ello tienen menor importancia, ver Neville, [8], 1995. Algunos ejemplos de estos compuestos son el MgO, TiO2, Mn2O3, K2O y el Na2O, la suma de los cuales suele equivaler a un pequeño porcentaje del total de la masa del cemento. Dos de estos compuestos son de particular interés, los óxidos de sodio y de potasio, conocidos como álcalis. Estos componentes reaccionan con algunos áridos, generando productos que provocan la disgregación de los componentes del hormigón además de afectar negativamente al desarrollo de la resistencia del material.. 2.3 La pasta de cemento hidratada 2.3.1. Microestructura. Mehta, [9], 2006, describe la pasta de cemento hidratada como la mezcla de cemento Portland y agua. El producto de esta reacción es un material de tipo coloidal, es decir, que cuenta con un área específica 5.

(7) del material es muy elevada. La hidratación del cemento genera mayoritariamente un gel poroso, compuesto de silicato cálcico hidratado, S-C-H, que aloja parte del agua sin combinar entre sus capas, siendo su pérdida bajo determinadas circunstancias la responsable de la retracción de secado. Esta fase es muy heterogénea, pudiendo presentarse zonas sólidas, sin defectos, al lado de otras eminentemente porosas. Las primeras son aquéllas en las que ha habido una óptima relación aguacemento, con un desarrollo correcto del proceso de hidratación, es decir, de adquisición de resistencia por parte del material. Las zonas porosas, más débiles, son aquéllas en las que este proceso ha sido menos eficiente. Es importante, por lo tanto, llevar a cabo un buen curado del material, ya que su resistencia no depende del comportamiento general de la microestructura, sino de sus zonas defectuosas, que suponen planos de fácil rotura. En los hormigones de resistencias normales, estos puntos de mayor debilidad suelen coincidir con la tercera fase presente en un hormigón, la interfaz entre árido y pasta de cemento. Así, cuando se produce un ensayo de rotura a compresión directa o indirecta de uno de estos hormigones, los áridos no forman parte de la rotura, sino que continúan enteros y es la pasta la que se desprende de ellos. Sin embargo, cuando el hormigón es de alta resistencia, factor ligado principalmente a la mayor resistencia del cemento, es común que la rotura atraviese el árido, que cuenta con menos resistencia que la pasta de cemento hidratada. Ya Verbeck y Helmuth en 1969, [7], definen el estado del conocimiento sobre la estructura de la pasta de cemento ya endurecida. Se explican estos conceptos a partir de estudios llevados a cabo con microscopio óptico y, para un nivel mayor de detalle, con un microscopio electrónico. Usando microscopio óptico se pueden determinar pocas características de la pasta de cemento; sin embargo, sí puede apreciarse que, en las primeras etapas de fraguado, el espacio ocupado entre los granos de clínker por agua comienza rápidamente a llenarse de productos de la hidratación, generados a partir de la disolución de porciones de los granos de clínker. Esta estructura es de tipo pseudomorfo, difícilmente asimilable a formas más sencillas. Asimismo se aprecian porciones de granos grandes del clínker que quedan sin hidratar dentro de la pasta, dependiendo su porcentaje dentro de la mezcla del tamaño de grano, de la relación agua-cemento y de la duración de exposición al agua. Mediante este equipo se observa, además, cómo los cristales de hidróxido cálcico, Ca (OH)2, llenan los espacios entre granos de cemento a partir de las 4 horas después del mezclado; sin embargo, el nivel de definición de este tipo de microscopio no permite ver otros productos de la hidratación de menor tamaño. La utilización de un microscopio electrónico permite distinguir correctamente las diferentes partes de los productos de la hidratación del cemento. De su uso se sabe que el proceso de hidratación comienza súbitamente tras el contacto entre agua y granos de cemento. Se distinguen distintas fases, a saber, la de silicatos cálcicos hidratados, S-C-H; la del hidróxido cálcico; la de sulfoaluminatos cálcicos hidratados; y, finalmente, la de los granos de clínker que no han sido hidratados. A pesar de que Verbeck y Helmuth ya definen los componentes de la pasta de cemento hidratado de manera correcta, a continuación se describen las fases existentes en este material a partir de lo publicado por Mehta, [9], al tratarse de un modelo más completo debido a su menor antigüedad. Así, a continuación se definen las distintas fases presentes en la pasta de cemento hidratada: . 6. Silicatos cálcicos hidratados, S-C-H: ocupan entre un 50 y un 60% del volumen total de los compuestos sólidos en una pasta de cemento portland totalmente hidratada. Se trata, por lo tanto, de la fase de mayor importancia con respecto a las propiedades físicas y mecánicas del material. Tras dos horas desde la mezcla del cemento con el agua, comienza a observarse la formación de esta fase. Morfológicamente, comienza estando formada por agujas estriadas.

(8) . . . que, conforme avanza el proceso de hidratación, comienzan a ser tan largas y numerosas que forman una interfaz laminar única a lo largo de toda la pasta. Se trata, así, de una estructura ligeramente cristalina en la que se observan frecuentemente redes de una estructura masiva con una, en apariencia, organización regular. La estructura real de la fase S-C-H es desconocida, aunque varios modelos intentan explicar sus propiedades. De entre ellos destacan, por un lado, el modelo de Powers-Brunauer, [10-11], donde el material se supone formado por estructuras laminares con una muy alta área específica, del orden de entre 100 y 700 m2/g; la resistencia del material es atribuida principalmente a las fuerzas de van der Waals, fuerzas de atracción física entre las superficies sólidas del gel por su gran proximidad, y el tamaño de los poros se considera de aproximadamente 18 Å. Además del anterior destaca, y es generalmente aceptado, el modelo de Feldman-Sereda, [5, 12], que considera la estructura de la fase S-C-H como una composición irregular de capas enrolladas aleatoriamente, atraídas entre sí por fuerzas de van der Waals y por enlaces químicos que afectan a las partículas del gel. Estas capas estarían dispuestas creando espacios de entre 5 y 25 Å. Hidróxido cálcico: estructura cristalina también conocida como portlandita que constituye entre el 20 y el 25% de la fase sólida del material. Este compuesto tiene una estequiometria definida, esto es, Ca (OH)2. Este material tiende a formar estructuras prismáticas hexagonales de importante tamaño; sin embargo, la morfología se ve afectada por el espacio disponible, por la temperatura de hidratación y por las impurezas presentes en la mezcla, llegando a generarse en algunos casos estructuras sin una morfología clara. Debido a que cuenta con una superficie específica mucho menor que la fase S-C-H, su contribución al desarrollo de la resistencia del cemento es mucho menor. Sulfoaluminatos cálcicos hidratados: estructura que ocupa entre el 15 y el 20% de la fase sólida de la pasta de cemento, jugando un papel menor sobre las propiedades del material en su conjunto. Durante etapas tempranas de hidratación, de esta fase surgen partículas de trisulfato hidratado, C6AS3H32, más conocidos como ettringita, que se acumulan según cristales prismáticos en forma de aguja estriada. En pastas de cemento portland ordinario la ettringita se transforma corrientemente en monosulfato hidratado, C4ASH18. La presencia de esta sustancia hace que el hormigón sea vulnerable al ataque por sulfatos. Granos de clínker sin hidratar: pueden ser más o menos frecuentes dependiendo del tamaño y distribución de las partículas de cemento y el grado de hidratación del cemento, aunque pueden encontrarse a edades muy avanzadas del material. Así, las partículas más pequeñas se disuelven antes y desaparecen del sistema, pero las partículas mayores permanecen, reduciendo su tamaño. Debido al poco espacio disponible a su alrededor, los productos de hidratación tienden a acumularse alrededor de las partículas de cemento, generándose una capa sólida alrededor de ellas. A edades más avanzadas, debido a la menor cantidad de espacio disponible, la hidratación del clínker genera un material cada vez más denso, muy similar a la partícula de clínker original. Verbeck y Helmuth, [7], mencionan el hecho de que cuando la temperatura de hidratación del cemento es muy elevada, el rápido desarrollo de la reacción hace que un alto porcentaje del volumen de los granos de cemento no reaccione, por lo que los productos de hidratación se concentran en las zonas que envuelven a las partículas no hidratadas. Esta capa es muy densa, por lo que se crea una especie de armazón impermeable alrededor del grano de cemento que hace que la reacción de hidratación se ralentice a medio y largo plazo, tal y como se muestra en la figura 1.Por otro lado, tal y como observa Powers, [11], para que se produzca la completa reacción de hidratación de los granos de cemento en condiciones normales estos deben tener como máximo un tamaño de 50m. 7.

(9) 100 200 días. [%] Hidratación. 80. 5 años. 28 días. 60. 40 1 día. 20. 0 0. 10. 20. 30. 40. 50 T [ºC]. 60. 70. 80. 90. Figura 1. Grado de hidratación del SC3 a edades tempranas y avanzadas de hidratación para diferentes temperaturas de fraguado, [7].. 2.3.2 Distribución de agua en la pasta hidratada de cemento El cemento hidratado, tras combinarse con el agua, ocupa el doble del volumen que abarcaba en su fase anhidra. Así, el espacio previamente ocupado por cemento y agua por separado, tras producirse la hidratación pasará a estar ocupado por una fase sólida que, al no ocupar el 100% del volumen disponible, se encuentra flanqueada por espacios libres de diversos tamaños. Este espacio no ocupado por la pasta de cemento está constituido por lo que se conoce como poros capilares. En un cemento bien hidratado, estos poros, de volumen irregular, deben encontrarse en un rango de tamaño de entre 10 y 50 nm, aunque en pastas con una alta relación agua-cemento, a edades tempranas estas cavidades pueden llegar a medir entre 3 a 5 m. Estos espacios, según la literatura moderna, se dividen en dos tipos según su tamaño, a saber, macroporos y microporos. Se conoce como macroporos a aquéllos con un tamaño superior a 50 nm, estando relacionados con la resistencia e impermeabilidad del hormigón. Los microporos, por otro lado, son aquéllos de tamaño menor de 50 nm, siendo responsables de la retracción de secado, fenómeno explicado más adelante, y de la fluencia. Resulta de interés mencionar el hecho de que para relaciones agua-cemento superiores a 0,38, el volumen de gel, producto de la reacción de hidratación, no es suficiente para llenar todo el espacio disponible en la mezcla, razón por la cual se formarán estos poros capilares. Estos poros se encuentran conectados, formando una red de cavidades que facilita el intercambio de agua con el exterior. Ésta puede rellenarse mediante un correcto proceso de hidratación del cemento, medida que generará que esta interconexión entre los poros se produzca entre las láminas de la estructura del gel de la fase S-C-H. A la estructura porosa del cemento contribuyen, asimismo, la existencia de poros esféricos generados por partículas de aire atrapadas en la pasta. Estos poros, en algunos casos de hasta 3 mm, pueden ser 8.

(10) disminuidos de tamaño gracias a la aplicación de aditivos, los cuales producen una redistribución en partículas de aire de menor tamaño, de entre 50 y 200 m. En la propia estructura de fase de silicatos cálcicos hidratados, S-C-H, existe también cierto espacio para el depósito de átomos de agua, tal y como se ha explicado anteriormente según los modelos de Powers y de Feldman y Sereda. Este espacio, al ser tan pequeño, de 0,5 a 2,5 nm, no contribuye negativamente a la porosidad ni a la resistencia del cemento. De lo anterior se deduce que la capacidad de almacenamiento de agua en la pasta de cemento hidratada es elevada debido a su alta porosidad. A parte del vapor de agua existente en algunos poros vacíos o parcialmente llenos de líquido, esta agua almacenada se puede clasificar, en función de su facilidad para ser eliminada de la pasta de cemento, de la siguiente manera: . Agua capilar, que se divide, a su vez, en dos tipos, aquélla presente en poros mayores de 50 nm, llamada agua libre debido a que su eliminación no induce esfuerzos en el sistema, y la presente en poros de entre 5 y 50 nm. Esta última ejerce una cierta tensión hidrostática, por lo que cuando esta agua desaparece se induce un esfuerzo de compresión en las paredes de los poros capilares que causa la contracción del sistema, es decir, retracción. Esta agua desaparece por debajo de humedades relativas del 45%.. . Agua adsorbida, aquélla fuertemente vinculada a la superficie sólida, de manera que puede considerarse que forma parte de la estructura del conjunto del material debido a la influencia de las fuerzas atractivas propias de la pasta de cemento, fuerzas de atracción física de van der Waals. La mayor parte de esta agua adsorbida físicamente puede perderse si el material se encuentra expuesto a una humedad relativa del 30% o menos. Esta agua es la principal responsable de la retracción de secado que afecta a la pasta de cemento en condiciones ambientales usuales.. . Agua entre capas de la fase S-C-H o agua intersticial, que en estas capas se encuentra fuertemente ligada físicamente al material a través de enlaces por puente de hidrógeno, siendo sólo por debajo de humedades relativas del 11% cuando es posible su total eliminación de la microestructura. Cuando esto sucede, la retracción de la estructura porosa del gel sufre una importante retracción. Los enlaces por puente de hidrógeno, no llegando a tener la intensidad de un enlace de tipo químico, tienen mayor intensidad que las fuerzas de van der Waals.. . Agua combinada químicamente, que forma parte integral de la microestructura del cemento y que no puede ser eliminada con el secado del material, sólo puede modificarse su estado al descomponer el estado de los hidratos tras un proceso de calentamiento.. 9.

(11) Agua Adsorbida físicamente Láminas S-C-H Agua intersticial Agua capilar. Figura 2. Esquema de los tipos de agua asociados al gel poroso de silicato cálcico hidratado, derivado de las hipótesis de Feldman y Sereda,[5].. Ya en el año 1959, tal y como explica Neville, [8], Powers, [13], demuestra el diferente comportamiento de un cemento en función de su porosidad mediante un experimento en el cual se compara la pérdida de agua con la retracción para diferentes muestras de cemento. Éstas contienen diferentes proporciones de pasta de cemento, siendo sustituida por sílice pulverizada en diferentes porcentajes. Las mezclas que sufren esta adición de sílice por razones de trabajabilidad requieren una mayor relación agua-cemento, por lo que contienen poros capilares incluso habiendo sido hidratados completamente. Los resultados se muestran en la siguiente figura. 3500. 100% cemento 85% cemento. Retracción de secado, [10-6]. 3000. 70% cemento 55% cemento. 2500. 40% cemento 25% cemento. 2000 1500 1000 500 0 0. 10. 20 30 40 Pérdida de peso de agua, [g]. 50. 60. Figura 3. Relación entre retracción y pérdida de agua para muestras de cemento con diferentes porcentajes de sílice, [8].. 10.

(12) Tal y como puede apreciarse en la figura 3, las muestras que cuentan con un mayor porcentaje de sílice pulverizada, es decir, con mayor número de poros capilares, cuentan con una menor retracción para mayores pérdidas de agua. Al vaciarse estos poros se produce, por lo tanto, una pérdida de peso sin que se produzcan tensiones que den lugar a una retracción significativa; sin embargo, una vez que el agua capilar ha sido eliminada, la pérdida de agua adsorbida produce una cierta retracción, la cual se desarrolla de igual manera que en la pasta de cemento, tal y como demuestra el paralelismo entre las ramas finales de la retracción registrada en la figura 3. La pasta de cemento hidratada completamente no registra este fenómeno debido a que su porcentaje de poros capilares es despreciable. 2.3.2.1. Modelo de estructura de la fase S-C-H: proceso experimental y deducción. En el año 1970, Sereda y Feldman, [5, 12], presentan el modelo aceptado actualmente, en el que se basan los conceptos explicados anteriormente. Partiendo, así, de diferentes resultados experimentales llevados a cabo en el marco de una ambiciosa investigación, se establecen las bases para este completo y racional modelo. Los estudios llevados a cabo en esta investigación se ejecutan sobre probetas de pequeño tamaño, de 30 mm de diámetro y 1 mm de espesor ejecutados según diferentes métodos: 1. Compactación a diferentes presiones de polvo de cemento portland hidratado, de manera que se generan cuerpos rígidos con diferentes porosidades. 2. Hormigonado de muestras con diferentes relaciones agua-cemento, lo cual derivará, asimismo, en diferentes porosidades. 3. Muestras hormigonadas, molidas y, finalmente, recompactadas. Los discos estudiados cuentan con relaciones a/c de entre 0,3 y 0,7. Todas las muestras son sometidas a diferentes niveles de humedad relativa, desde 0% a 98%, volviendo posteriormente al 0%. Para estos niveles de humedad se mide el módulo de elasticidad de todas las muestras. Se toman medidas especiales para evitar procesos de carbonatación en las muestras, aplicándoles soluciones de hidróxido sódico y midiendo en cámaras estancas. Para obtener los valores del módulo de deformación longitudinal las muestras son ensayadas en un dispositivo en miniatura, solicitado con distintos pesos muertos colocados sobre una plataforma, que devuelve resultados de deformación de la pastilla de cemento analizada, ver figura 4 .. 11.

(13) Figura 4. Equipo miniatura para la medición de módulo de deformación longitudinal de muestras cilíndricas de cemento hidratado. Observar plataforma superior para disponer pesos muertos, [5].. A continuación se muestran los resultados de variación del módulo de elasticidad para diferentes valores de porosidad en diferentes muestras ensayadas. Por un lado, se ha medido los resultados obtenidos para la pasta de cemento fabricada según el procedimiento normal y, por otro, aquéllas que han sido molidas y, posteriormente, recompactadas.. Módulo de elasticidad [MPa ]. 10000. 1000. I - Pasta de cemento II - Pasta de cemento compactada 100 0. 10. 20. 30. 40. 50. 60. 70. 80. 90. 100. Porosidad [%] Figura 5. Variación del módulo de elasticidad, E, en función de la porosidad de las diferentes probetas estudiadas, [5].. 12.

(14) Tal y como se muestra en la figura 5, los diferentes modos de fabricación no afectan a las características mecánicas del cemento hidratado, el cual cuenta con el mismo módulo de deformación longitudinal, E, para los diferentes valores de porosidad para las muestras analizadas. Las láminas de tobermorita deben de producir, por lo tanto, una conexión compuesta por vínculos a corta y larga distancia, conocidas como fuerzas de van der Waals, independientes de la forma de fabricación del material. La irreversibilidad de la adsorción de la humedad relativa externa es otro de los puntos demostrados por los autores. En la figura 6 se aprecia cómo, tras la desecación total de las muestras, la humedad relativa a la que es sometida la probeta va aumentando por escalones. Llegado un determinado nivel de humedad relativa se reduce bruscamente su valor, volviendo al escalón inmediatamente inferior. En ese instante se mide qué cantidad de pérdida de peso de agua y de longitud se produce en la muestra.. A. A. W/W. I. HR. I. L/L. HR. Figura 6. Histéresis en el proceso de absorción y desorción de agua en la pasta de cemento. Pérdida de peso relativo y pérdida de longitud relativa frente a variaciones de presión relativa del vapor de agua aplicado, [5].. Tal y como se aprecia en la figura 6, la isoterma del agua es irreversible en todos los puntos, produciéndose un fenómeno de histéresis debido a la conservación de agua intersticial, I, para todos los niveles de humedad relativa aplicada sobre el cemento. Por el contrario, se observa que un determinado porcentaje del agua, correspondiente con el agua adsorbida, A, aumenta y disminuye de manera reversible. El agua intersticial se identifica con el agua que no vuelve a salir del sistema. En la figura 7 se muestran los resultados obtenidos a partir de un estudio sobre la variación del módulo de deformación longitudinal, E, ante cambios de humedad relativa en el medio de exposición. Para ello, las muestras analizadas, inicialmente saturadas, se desecan sometiéndolas a una atmósfera con una humedad relativa del 0%. Posteriormente, a través de la aplicación de diferentes presiones de vapor de agua, van siendo sometidas a diferentes valores de humedad relativa.. 13.

(15) E, módulo de deformación longitudinal [MPa]. 25000. Saturación inicial 20000. 15000. 10000. Pasta de cemento Relación a/c = 0,30. 5000. 0 -20. 0. 20. 40. 60. 80. 100. Humedad relativa, [%] Figura 7. Variación del módulo de deformación longitudinal, E, ante cambios de humedad relativa en el medio, [5].. En el proceso de absorción de agua que sufre la pieza se puede apreciar un aumento del valor de E a partir del 50%. Éste, sin embargo, no sufre una variación apreciable cuando comienza a disminuir la humedad partiendo del 100% de humedad relativa hasta que no se alcanza el 30%, valor para el cual se aprecia una ligera disminución de E. Sin embargo, cuando la humedad relativa de exposición es inferior al 10% se aprecia una drástica disminución del valor de E, la cual está relacionada con el inicio de la inestabilidad química del hormigón. Para estos valores se produce, además, una deformación de retracción de gran entidad, ya que está vinculada a una descomposición de los hidratos generados durante el fraguado del cemento, los cuales pierden sus moléculas de agua, menguando su tamaño drásticamente. A partir de los resultados mencionados anteriormente, los autores presentan una interpretación cualitativa del comportamiento del cemento hidratado, modelo aceptado actualmente, figura 8.. 14.

(16) D E C. F. E D. E. L/L F. G. B. A. A. C. B. G W/W. HR. Figura 8. Modelo teórico sobre etapas de adsorción de agua intersticial, relacionado con la variación de longitud y peso, así como la del módulo de deformación longitudinal, en la pasta de cemento, [5].. En primer lugar, cabe destacar que el fenómeno de histéresis registrado en la manera en que el agua es adsorbida y expulsada de la pasta de cemento hidratada también se manifiesta en la variación de volumen y de peso. En el esquema central de la figura anterior se han usado dos líneas horizontales para representar las capas de la fase S-C-H, mientras que las cruces dibujadas entre ellas representan las partículas de agua intersticial. Utilizando una sucesión de estados posibles que van del A al G se muestra el comportamiento del material durante su humectación y, posteriormente, durante su desecación. En los diagramas de variación de la longitud con respecto al incremento de peso de la pieza, y de variación de E con respecto al aumento de la humedad relativa impuesto sobre el material, se han situado los diferentes estados según el instante del experimento al que corresponden. En este esquema destaca el hecho de que el agua entra por los bordes de las láminas, generándose una expansión del material al separarse las láminas en los puntos A, B y C. De este modo, no se generará un incremento real en E hasta que la zona central de las láminas comience a hincharse debido a la entrada de agua, fenómeno que conoce su máximo en algún punto entre D y E, cuando la estructura de las láminas de cemento se encuentra saturada. Los resultados mostrados en la gráfica que muestra el cambio de longitud con respecto a la variación de peso, figura 8 izquierda, indican que por encima del 50% de humedad relativa se produce un rápido aumento del peso, ligado a la entrada de agua intersticial, con un no tan marcado incremento de la longitud de la pieza. El secado comienza desde el punto D y continúa hasta G. Se puede apreciar en este intervalo el claro efecto de histéresis existente. El valor del módulo de deformación longitudinal, E, no disminuye hasta que la mitad del agua ha desaparecido, punto F, ocurriendo esto para valores muy bajos de humedad relativa, 10% aproximadamente, figura 8 derecha. Mientras tanto, a pesar de que las muestras pierden peso no se produce un gran acortamiento de la pieza, puesto que el volumen del agua situada en las zonas más inaccesibles permanece constante, perdiéndose el agua de los extremos de las láminas de tobermorita, estados E y F. Sin embargo, cuando se pierde el agua de más difícil acceso el acortamiento generado aumenta drásticamente, figura 8 izquierda y estado G. 15.

(17) 2.3.3. Fenómenos de expansión y contracción en el cemento. Los fenómenos de expansión y contracción de este material están asociados a tensiones capilares, cambios en la energía libre superficial y al proceso de hidratación y deshidratación de algunos de los componentes presentes en la pasta hidratada. Adicionalmente se cuenta con el fenómeno del envejecimiento del material, el cual genera una disminución de la superficie específica del material, así como cambios en la estructura química de los silicatos que contribuyen a la dificultad de la interpretación de los cambios de longitud bajo humedades relativas elevadas. W. Hansen, [14], 1987, se centra en explicar los mecanismos que se desarrollan en el interior de la pasta de cemento Portland durante su secado que dan lugar a su contracción, es decir, a la retracción de secado. Para ello se lleva a cabo una campaña experimental para intentar dilucidar cuáles son estos mecanismos a través de la medición del tamaño de poros presentes en el cemento hidratado. Se ejecutan, así, varias losas de cemento Portland tipo I con relaciones agua-cemento de 0,4 y 0,6. Tras 24 horas desde el hormigonado las losas son desencofradas y sometidas a curado al vapor en una estancia con temperatura controlada, 24ºC, durante 165 días. De esta manera se garantiza nivel de hidratación adecuado. Para estudiar la retracción estas losas son cortadas en pequeñas probetas de 2,3 mm de espesor y 75 mm de longitud. Para registrar los movimientos de retracción se implantan unas bases de acero inoxidable que permiten medir las deformaciones con un extensómetro mecánico. Las muestras de cementos son sometidas en desecadores acondicionados a humedades relativas del 75, 50 y 0%, manteniéndose la temperatura constante. Además de la retracción también se mide el cambio de peso de las muestras. La estructura porosa del material es medida, por un lado, utilizando un porosímetro de mercurio con capacidad para una presión de 414 MPa y, por otro, con un medidor de área superficial a través de la inserción de nitrógeno en la estructura analizada. De los primeros resultados experimentales obtenidos, figuras 9 y 10, se deduce que, para el período de medición analizado, 200 días, la retracción no se encuentra estabilizada del todo. Sin embargo, puede apreciarse que la pérdida de peso relativo, figura 10, sí se ha estabilizado para las probetas sometidas a humedades del 11 y del 0%. A pesar de todo, puede considerarse que la retracción de los especímenes se encuentra desarrollada en su mayor parte.. 16.

(18) 14000. 75% HR 50% HR. 12000. 11% HR 0% HR.  cs [10-6]. 10000 8000 6000 4000 2000 0 10. 100. 1000. 10000. 100000. 1000000. t [min] Figura 9. Medición de retracción relativa a lo largo del tiempo para muestras con relación agua-cemento de 0,6, [14].. 0.30 75% HR 50% HR Pérdida de peso relativa, W/W. 0.25. 11% HR 0% HR. 0.20. 0.15. 0.10. 0.05. 0.00 10. 100. 1000. 10000. 100000. 1000000. t [min] Figura 10. Medición de pérdida de peso relativa a lo largo del tiempo para muestras con relación agua-cemento de 0,6, [14].. 17.

(19) Por otro lado, se muestran los resultados obtenidos anteriormente para las dos relaciones aguacemento estudiadas, ver figuras 11 y 12. En ellas se compara la pérdida de peso de agua con el desarrollo de la retracción. 0. 75% HR 50% HR. 2000. 11% HR 0% HR.  cs [10-6]. 4000 6000 8000 10000 12000 14000 0.00. 0.04. 0.08. 0.12 0.16 0.20 Pérdida de peso relativa, W/W. 0.24. 0.28. Figura 11. Comparativa entre retracción y pérdida de peso relativa, a/c=0,4, [14]. 0 75% HR 50% HR. 2000. 11% HR 0% HR.  cs [10-6]. 4000 6000 8000 10000 12000 14000 0.00. 0.04. 0.08. 0.12 0.16 0.20 Pérdida de peso relativa, W/W. Figura 12. Comparativa entre retracción y pérdida de peso relativa, a/c=0,6.[14].. 18. 0.24. 0.28.

(20) En las figuras anteriores puede apreciarse que, en primera instancia, la pérdida de peso es grande, aunque no se corresponde con una retracción muy pronunciada; mientras tanto, para períodos avanzados de pérdida de peso, en las muestras se observa una clara aceleración del desarrollo de la retracción de secado. Por otro lado, para las mediciones obtenidas sometiendo las muestras a una humedad relativa del 0%, ver puntos cuadrangulares, para una pérdida de peso de 0,16, la retracción desarrollada por las muestras con relación a/c igual a 0,4 es el doble de la que se obtiene con las que cuentan con una relación a/c de 0,6. Esto se debe a que, debido a que esta última cuenta con una estructura más porosa, cuando se llega a esta pérdida de peso aún no han comenzado a perder agua intersticial, sino tan solo agua capilar. Esta agua no genera retracción de importancia, tal y como se muestra en la figura 3. Sin embargo, las muestras con relación a/c de 0,4, con una estructura de gel de cemento más desarrollada, cuentan con menos cantidad de agua no combinada, por lo que al llegar a esa pérdida de peso registran una retracción relacionada con la pérdida de agua combinada químicamente. Cuando las probetas con relación a/c igual a 0,6 pierden todo su peso de agua se aprecia que la cantidad de pérdida de agua y la retracción son mayores que las experimentadas por la serie con relación a/c de 0,4. De aquí se deduce que a mayor cantidad de agua con relación al cemento utilizado la retracción será de mayor importancia. En la segunda fase de su investigación, Hansen decide estudiar el tamaño de los poros dentro de la pasta endurecida de cemento. Para ello, como se ha dicho antes, se estudia la cantidad de nitrógeno absorbido por el material en función de la presión ejercida sobre la muestra. Este dato se relaciona posteriormente con el tamaño de los poros en los que entra el material. Se obtienen los siguientes resultados.. Volumen de nitrógeno líquido, N2, [cm3/g]. 0.14 0,4 a/c 0,6 a/c. 0.12 0.10 0.08 0.06 0.04 0.02 0.00 0. 2. 4. 6. 8 10 12 1 Espesor capa, t, [nm·10 ]. 14. 16. 18. Figura 13. Curva V-t de nitrógeno, relaciones agua cemento 0,4 y 0,6, pasta de cemento hidratada durante 165 días, [14].. 19.

(21) Para estudiar el tamaño de los poros en función del volumen de nitrógeno que penetra en la mezcla a diferentes niveles de presión aplicada se aplica el método de Cranston-Inkley,1957, [15]. Este método es válido para el cálculo de poros de hasta 30 nm. Inicialmente, se asume que los poros tienen forma cilíndrica y que tienen tan solo una abertura lateral. Se clasifica el tamaño de los poros en grupos con un radio medio predeterminado, rp, el cual varía entre 1 y 30 nm; a cada radio le corresponde una presión relativa de entrada P/ P0, para la cual existe un determinado diámetro por debajo del cual todos los poros se encuentran llenos de partículas del líquido, mientras que los poros por encima de este radio cuentan con una capa de partículas líquidas adsorbida con un determinado grosor, t, adherida a las paredes del sólido. Conforme se aumenta la presión el espesor de esta capa aumentará para los poros de mayor tamaño y, además, una mayor cantidad de volumen de nitrógeno penetrará en la muestra debido a que se consigue llenar los poros de menor tamaño. De lo anterior puede deducirse el tamaño de los poros y el porcentaje de ellos en función del volumen que haya entrado en cada uno de los tamaños de poro analizados. Tal y como puede apreciarse en la figura 13, la cantidad de volumen de nitrógeno que penetra en la mezcla con relación agua-cemento de 0,4 es menor que el que entra en la de 0,6. De aquí se deduce que la primera de ellas cuenta con una menor porosidad, de ahí que los hormigones con menor relación agua-cemento también desarrollen una mayor resistencia al ser ocupados los poros por más estructura de gel porosa. Por otro lado, se observa un quiebro en la curva de las muestras con relación agua-cemento 0,6 para espesores mayores de 5 nm, lo cual indica que existe un aumento de poros capilares capaces de almacenar más volumen de nitrógeno y, por ende, también de agua. Cabe destacar que el valor del área específica del material puede ser obtenido de la pendiente de la primera rama de las dos curvas obtenidas. Por otro lado se mide el porcentaje de poros de mayor tamaño a través del uso del porosímetro de mercurio. Los resultados obtenidos se muestran a continuación. 0.30 0,4 a/c. Volumen de poros ocupado, [cm3/g]. 0,6 a/c 0.25. 0.20. 0.15. 0.10. 0.05. 0.00 1.00E+01. 1.00E+02. 1.00E+03 1.00E+04 Diámetro de poros, [m·104]. 1.00E+05. 1.00E+06. Figura 14. Volumen de mercurio que penetra en la muestra de cemento y diámetro de los poros ocupados. Resultados obtenidos de la utilización de porosímetro de mercurio, [14].. 20.

(22) En la figura anterior puede apreciarse, de igual modo, que la mezcla que contiene una mayor proporción agua-cemento también cuenta con un mayor índice de poros de gran tamaño, puesto que el volumen de mercurio que penetra en esta mezcla es mayor. La pérdida del agua contenida en estos poros, como ya se ha explicado, se corresponde con agua libre, la cual genera tensiones capilares, las cuales prácticamente no generan tensiones que se deriven en fenómenos de retracción. La tensión libre superficial, aquélla ligada a los espacios entre capas de gel y poros de menor tamaño, puede calcularse a través de la siguiente expresión: F . RT ln P / P0 M  vf. (1). Donde: R, constante universal de los gases ideales. T, temperatura de estudio. M, peso molecular del agua. vf, volumen específico del agua. P, presión del vapor del agua capilar a la temperatura de estudio. P0, presión de saturación del agua a la temperatura de estudio. El autor, ya conociendo el volumen de nitrógeno que penetra en las muestras, el área específica del material y la presión relativa aplicada en cada instante, aplica el método de Gibbs-Bangham para calcular el aumento de la energía libre superficial inducido por la retracción de secado. Ya que los valores de retracción con relación a los 4 estados de humedad relativa estudiados y para 165 días son conocidos, se relacionan los resultados teóricos con los experimentales, ver figura 15. 120. a/c = 0,4. Retracción de secado relativa,  [10-6]. a/c = 0,6 100. 80. Tensión de capilaridad. 60. 40 Curvas teóricas de Gibbs-Bangham 20 75% HR. 0 0. 50. 50% HR. 11% HR. 100 150 200 250 -3 Energía libre superficial, 10 [N/m]. 0% HR. 300. 350. Figura 15. Comparativa entre retracción de secado relativa y tensión superficial calculada, líneas discontinuas, y medidas, líneas continuas, para pastas de relación a/c 0,4 y 0,6. Humedades relativas de 0, 11, 50 y 75%, [14].. 21.

(23) A partir de esta figura se puede separar la retracción total en dos componentes. Ya que la mayor parte de la curva sigue una relación lineal entre la retracción y la energía libre superficial, tal y como se aprecia observando la línea a trazos y la continua, se deduce que la mayoría de la retracción está relacionada con el fenómeno de aumento del esfuerzo debido al aumento de la energía superficial, la cual, tiende a comprimir la superficie sólida y, por lo tanto, a comprimir el conjunto de la muestra. Para humedades relativas mayores del 30% se desarrolla un mecanismo adicional que induce tensiones sobre la pasta de cemento. Este fenómeno se corresponde con un porcentaje del 33%, aproximadamente, sobre el total de la retracción para un valor de 50% de humedad relativa en la pasta con relación a/c=0,6; mientras tanto, para la mezcla con relación a/c=0,4, para una humedad relativa del 50% este fenómeno adicional se corresponde con un 15%. Para comprobar que lo medido con el método de Gibbs-Bangham es correcto se aplica la fórmula de Bangham y Maggs, con la cual se calcula el módulo de deformación longitudinal, E. La ecuación utilizada es la siguiente:. E   Ss / . (2). Donde:. , densidad del material, en este caso 2,23 g/cm3. Ss, área específica del material, 68,8 y 94,3 m2/g para a/c=0,4 y 0,6, respectivamente.. , pendiente de la función cambio de volumen-variación de la energía libre superficial, m/N, figura 15. Es sabido a través de la experiencia de aplicación de esta fórmula a otros materiales que el porcentaje del módulo de elasticidad que es capaz de reproducir esta fórmula es del orden del 55% del valor real del material. Así, partiendo de que el valor de E para la pasta hidratada de cemento utilizada es de 31000 MPa, se estima que el valor del módulo de elasticidad obtenido, si el método Gibbs-Bangham es correcto, figura 15, debería ser de 17200 MPa. Aplicando la fórmula de Bangham y Maggs se obtiene, sin embargo, un valor de E=5800 MPa, aproximadamente. Este valor muestra que el valor real de la retracción debida al fenómeno de aumento de la energía libre superficial es del orden del 33% del valor que genera la retracción total. Parte del resto de retracción producida es interpretada por el autor como retracción debido al fenómeno de capilaridad, lo cual concuerda con lo apreciado para la curva V-t de las muestras de relación agua-cemento igual a 0,6, figura 13, la cual muestra un aumento en la acumulación de nitrógeno para valores de humedad relativa superiores al 25%, lo cual corresponde con valores de t superiores a 0,54 nm. Este fenómeno, tal y como se ha comentado con anterioridad, es menor en la mezcla con a/c=0,4. A pesar de lo anterior, es difícil estimar de dónde procede el 67% de la retracción que no procede del fenómeno de energía libre superficial. Una gran parte de este fenómeno puede estar relacionado con la retracción irreversible mostrada por Verbeck y Helmuth, [7], el cual comenta que el valor de esta retracción irreversible desarrollada durante el primer secado puede llegar a ser del orden del 60%. Este fenómeno, que tiende a aproximar las superficies sólidas de la fase S-C-H, puede haberse desarrollado en las muestras estudiadas ya que, para poder estudiar el volumen de nitrógeno que penetra en el cemento éste debe someterse a un secado completo previo. 2.3.3.1. 22. Irreversibilidad de la retracción de secado en la pasta de cemento.

(24) Verbeck y Helmuth, [7], basándose en resultados obtenidos a partir de probetas de cemento bien hidratado, muestran un estudio sobre la reversibilidad e irreversibilidad del proceso de retracción estableciendo su relación con el grado de porosidad y, por ende, con el grado desarrollo del gel poroso en la mezcla, ver figura 16. La información experimental presentada es obtenida usando finas muestras de cemento, de aproximadamente 15 por 80 mm, variando su espesor entre 0,5 y 3 mm. Los resultados mostrados a continuación se corresponden con muestras curadas al vapor durante aproximadamente 6 meses, tras lo cual se someten a una humedad relativa constante del 46%. La línea inferior mostrada en la imagen siguiente se corresponde con el valor de la primera retracción de estos cementos, los cuales tienen una relación a/c de 0,4 y 0,6. Tal y como puede observarse, la retracción de secado varía linealmente con la porosidad de la pasta de cemento, mientras que la expansión después de resaturar la mezcla permanece constante para todos las muestras analizadas, permaneciendo en paralelo a la retracción de secado. 0 Retracción irreversible. 10. Retracción relativa,  [10-6]. Retracción inicial. 20 30 Expansión. 40 50 60 70 0.20. 0.25. 0.30. 0.35 0.40 Porosidad total. 0.45. 0.50. 0.55. Figura 16. Retracción producida en función de la porosidad total de la pasta de cemento. Análisis de la retracción total e irreversible, [7].. Observando la figura anterior se descubre que la retracción que ocurre durante el primer secado es mayor que la expansión que ocurre después de la rehumectación. Por otro lado se observa que, conforme aumenta el grado de hidratación, esto es, disminuye la porosidad, el porcentaje de reversibilidad va disminuyendo al existir más agua intersticial y menos agua que no ha reaccionado en la mezcla, esto es, mayor número de poros de gran tamaño. Tal y como se observa en la siguiente figura, conforme aumenta el tiempo de saturación a la que está expuesta el cemento, la componente reversible de la retracción observada es menor, aunque la cantidad de agua que se pierde, medida en gramos, sigue siendo la misma que tras el primer proceso de secado. Esto tiene que ver con el modelo de Feldman, [5], en el cual se explica que una vez que el agua ha salido de la zona de entre las capas de las láminas de S-C-H, es más complicado que esta vuelva a entrar debido a que las partículas de agua se quedan en los extremos de estas capas. 23.

(25) Debe notarse que el secado para humedades menores al 47% utilizado en este ensayo derivará en mayor retracción reversible e irreversible. El valor de la retracción de una pasta sometida a una retracción determinada depende directamente de la duración de la exposición de la muestra la atmósfera de secado. En la figura 17 se muestran los resultados obtenidos para muestras curadas durante 19 meses, y por lo tanto consideradas completamente hidratadas, para posteriormente ser sometidas a la atmósfera del 47% de humedad relativa durante diferentes intervalos de tiempo durante el primer proceso de secado. Para las muestras expuestas durante 0,1 días a esta humedad la curva de rehidratación coincide con la de secado inicial; sin embargo, las pastas expuestas durante un día o más muestran una considerable componente irreversible de retracción y de pérdida de peso de agua. A pesar de que la pérdida de agua registrada durante cada ciclo de resecado es similar a la obtenida durante el primer ciclo, la expansión y retracción medidas van siendo menores. 0 Secado inicial 1 día. 10 22 días. 20.  cs [10-6]. 150 días. 30. 40 Resaturación. 50. 60 0.00. 0.05. 0.10. 0.15 0.20 Pérdida de peso, [g/cm3]. 0.25. 0.30. Figura 17. Curvas de retracción y expansión para muestras sometidas durante 1, 22 y 150 días a una atmósfera del 47% de humedad relativa tras 19 meses de curado, [7].. Los autores también mencionan que la retracción de secado disminuye su valor si las muestras son expuestas a la atmósfera de secado definitiva de manera escalonada. Por ejemplo, las placas de cemento hidratadas son expuestas al 47% de humedad relativa previo paso por los escalones del 92, 84, 75, 67 y 58% a lo largo de 217 días, con lo que se obtuvo una retracción inicial del orden de un 20% menor que la obtenida secando directamente al 47% de humedad. Este dato pone de manifiesto que la retracción de estructuras reales, expuestas a condiciones de variación de humedad escalonadas, mostrará valores de retracción menores a los obtenidos en laboratorio para muestras expuestas radicalmente a determinados valores de humedad relativa de secado después del período de curado. Feldman y Sereda, [5], observan que cuando la mezcla de cemento se encuentra saturada, no habiendo sido sometida nunca al proceso de secado, probablemente forma algún tipo de equilibrio entre el agua, los iones disueltos en ella y el sólido a través de sus correspondientes enlaces. Cuando comienza 24.

(26) el secado, algunas superficies comienzan a acercarse unas a otras debido a la atracción entre los componentes sólidos, creándose nuevos vínculos de atracción física, ver zonas de contacto entre capas de S-C-H en la figura 2. Esto explicaría la retracción irreversible observada durante los primeros momentos del secado, ya que gran parte de estos nuevos vínculos se mantendrán durante un eventual proceso de rehumectación, tal y como se ha visto anteriormente, ya que no se pierden durante el secado debido a las tensiones superficiales.. 2.4 Retracción del hormigón La retracción del hormigón es un fenómeno mediante el cual este material reduce su volumen con el paso del tiempo debido a la pérdida de agua presente en la mezcla. Esta agua pasa al medio, que cuenta con una humedad relativa menor, mediante un mecanismo de difusión similar al que experimenta el flujo del calor, Carlson, 1937, [16]. El proceso de adquisición de resistencia por parte del material o proceso de hidratación, consta de dos fases, la conocida como fase plástica, correspondiente a los instantes anteriores al fraguado de la mezcla en la que se produce una expansión térmica y una retracción posterior, relacionada con un porcentaje de la retracción autógena; y una fase de endurecimiento, posterior al fraguado, en la cual se termina de desarrollar la retracción autógena, y se producen la retracción de secado y de carbonatación.. 2.4.1 Retracción plástica La retracción plástica es aquélla que ocurre en la superficie fresca del hormigón durante las primeras horas desde que éste ha sido hormigonado, es decir, mientras el hormigón aún se encuentra en estado plástico y antes de que hayan desarrollado resistencias significativas. Este tipo de retracción no es inaceptable siempre que se controle adecuadamente, pero en algunas ocasiones puede ir acompañada por el desarrollo de fisuras profundamente antiestéticas. La retracción plástica y las fisuras relacionadas con ella ocurren en la mayoría de las ocasiones en superficies horizontales. En esta etapa la reducción del volumen puede deberse a diferentes factores. Por un lado, los procesos de hidratación llevan a una disminución del volumen del conjunto agua-cemento del orden del 1% del volumen de cemento deshidratado utilizado, según Davis, [17]; sin embargo, este volumen es de poca importancia, ya que los procesos de hidratación que consumen mayor cantidad de agua se producen cuando la pasta se encuentra ya solidificada, ver Neville, [8]. En el caso de que la pérdida de agua durante la fase plástica del hormigón sea elevada pueden generarse fisuras en la cara del material expuesta al medio. Si, además, el movimiento de retracción debido a este fenómeno se encuentra restringido, por ejemplo en estructuras masivas, se pueden producir fisuras de gran profundidad y de forma irregular, tal y como comenta Lerch, 1956, [18]. Este mismo autor explica que la principal causa de la retracción plástica y de la fisuración derivada de ella es una excesiva pérdida de agua por evaporación de la superficie del hormigón. A pesar de que se usen los mismos materiales, proporciones, manipulación, acabado y curado, estas fisuras pueden desarrollarse simplemente por la presencia de condiciones ambientales que favorezcan lo suficiente la pérdida de agua por evaporación. Si, mientras que los áridos y el cemento asientan, la tasa de evaporación supera a la cantidad de agua que sube a la superficie del material, lo más probable es que se desarrolle fisuración debido a retracción plástica. Esta circunstancia puede ser apreciada en el instante en que el hormigón pierde el brillo de su superficie. En ese instante la superficie del hormigón 25.

(27) ha alcanzado algo de rigidez, por lo que ya no puede ajustarse a los cambios volumétricos producidos por la retracción plástica y la fisuración se produce debido a que no se ha desarrollado suficientemente la resistencia a tracción del material. Se ha intentado en algunos proyectos evitar este fenómeno mediante el aumento de la capacidad de exudación del hormigón incrementando la relación agua-cemento o variando el tipo de cemento o de árido. Sin embargo, se ha apreciado que la variación de estos parámetros no tiene ningún tipo de influencia sobre la retracción plástica y la fisuración asociada a ella. Ha podido demostrarse que son los factores ambientales los que afectan directamente al desarrollo de este fenómeno. En concreto, los factores que tienen mayor influencia son el aumento de la velocidad del viento, la disminución de la humedad relativa, el aumento de la temperatura del aire y la del fraguado del hormigón, la disminución de la temperatura del aire a igualdad de temperatura del hormigón y el aumento de la temperatura del hormigón a igualdad de humedad y temperatura del aire. Para evitar el desarrollo de las fisuras relacionadas con la retracción plástica pueden tomarse distintas medidas en obra, tal y como humedecer los áridos, los encofrados o el sustrato, evitar altas temperaturas del hormigón, comenzar el curado del hormigón lo antes posible tras el hormigonado, cubrir temporalmente el hormigón para evitar la evaporación o erigir barreras para el viento y para la radiación solar que incide sobre hormigón. Cabe destacar que este fenómeno aumenta conforme aumenta la cantidad de cemento en el conjunto del hormigón y cuando disminuye la relación aguacemento.. 2.4.2 Retracción autógena La retracción autógena se corresponde con el proceso de disminución de volumen del hormigón debido a los procesos de hidratación. A efectos de cálculo y análisis experimental quedan excluidos de este fenómeno los cambios que se producen antes del fraguado del hormigón, deformaciones atribuidas a la retracción plástica ya explicada. Además, la retracción autógena no incluye cambios de volumen debido a la pérdida o ingreso de sustancias o a cambios de temperatura. Houk et al., [19],1969, estudian durante tres años el comportamiento de hormigones con diferentes proporciones de cemento puzolánico combinado con cemento Portland tipo II. Para estudiar el fenómeno de la retracción autógena, estos autores disponen galgas embebidas en el interior de cilindros de 230 mm de diámetro y 460 mm de longitud. Para que las medidas se correspondan únicamente con aquellas debidos a la retracción autógena las probetas son impermeabilizadas a través de membranas de caucho sintético, las cuales son ancladas a las caras de las probetas a través de láminas circulares de acero. Cabe destacar, tal y como comenta Davis, [17], que el comienzo de las mediciones de retracción autógena son un tanto aleatorias, pudiendo partir del primero, segundo o, incluso, tercer día después del hormigonado, en función de la rigidez que el hormigón haya desarrollado durante el proceso de fraguado. Sin embargo, puesto que este fenómeno se desarrolla durante un prolongado período de tiempo, estos primeros días no resultan excesivamente determinantes en la medición final registrada. Dado que la reacción de hidratación del cemento es un fenómeno tridimensional, Houk et al. disponen en algunas de las probetas estudiadas también galgas en sentido transversal al eje de mayor longitud. Los resultados obtenidos se muestran en la siguiente tabla, en las cuales se presentan las muestras A-1, con 100% de cemento Portland, y las A-2 y A-8, con un 30% de contenido de puzolanas. Tabla 1. Efecto de la orientación de la medición de deformaciones sobre la retracción autógena, [19].. 26.

(28) Muestra. Cemento m3/m3. A-1. 0,057. A-2. 0,057. A-8. 0,044. Orientación. 90 d. 180 d. 270 d. 1a. 1,5 a. 2a. 2,5 a. 3a. Transversal. -34. -32. -35. -36. -39. -46. -50. -52. Longitudinal. -23. -21. -24. -24. -26. -30. -40. -44. Transversal. -39. -60. -78. -94. -104. -120. -128. -131. Longitudinal. -41. -61. -79. -92. -110. -118. -129. -136. Transversal. +12. +10. +12. +8. +8. +4. +1. -8. Longitudinal. +21. +22. +16. +13. +6. +6. +2. 0. Observando los resultados anteriores se aprecia que los valores obtenidos en sentido transversal y longitudinal son prácticamente iguales en términos relativos tan solo para la probeta A-2. Mientras tanto, las probetas A-1 y A-8 cuentan con variaciones relativas de importancia, en torno al 20%; sin embargo, el valor de la retracción que estas probetas desarrollan son de poca importancia, por lo que las diferencias entre la medición longitudinal y transversal serán pequeñas en términos absolutos, 12 microdeformaciones en el peor de los casos. En base a lo anterior, a pesar de que la reacción de hidratación, y por tanto la retracción autógena, es un fenómeno tridimensional, las deformaciones que se derivan de ella pueden estudiarse como un fenómeno unidimensional debido a las pequeñas diferencias absolutas registradas en direcciones perpendiculares de medida. Por otro lado, resulta llamativo de la tabla anterior el hecho de que se produzca una expansión de volumen para la muestra con menor cantidad de cemento, probeta A-8, aunque este efecto, como puede apreciarse en la siguiente figura, ha sido observado por los autores para otros casos. A continuación se muestran los resultados de retracción autógena obtenidos para las probetas B-13, B-14 y B-15, las cuales cuentan con un 30% de volumen de puzolanas procedentes de cenizas volcánicas, variando entre ellas tan solo la relación agua-(cemento+puzolanas). La probeta B-13 tiene una relación a/(c+p) de 0,61, la B-14 de 0,65 y la B-15 de 0,75.. 27.

(29) -40 B-13 a/c=0,59 B-14 a/c=0,62. -30. B-15 a/c=0,75. -20.  ca [10-6]. -10 0. 10 20 30 40 0.1. 1.0. 10.0. 100.0. 1,000.0. t [d]. Figura 18. Retracción autógena registrada para probetas B-13, B-14 y B-15, con diferentes relaciones a/c, [19]. En la figura 18 se aprecia que el comportamiento de las tres probetas es muy similar a partir de la tercera medición, efectuada a los seis meses, aproximadamente; sin embargo, los primeros intervalos de medición cambian radicalmente para cada una de las muestras, presentando la probeta B-13, aquélla que contiene más cemento, una contracción del orden del 80% de la que experimentará al final del período de medición; mientras tanto, la B-14 y, sobre todo, la B-15, sufren una expansión en el período inicial. De aquí se deduce que a mayor contenido de cemento la retracción autógena será mayor. Este fenómeno se produce debido a que a mayor contenido de cemento la reacción de hidratación será mayor, por lo que el volumen de agua disminuirá en mayor medida. Davis, [17], explica que el hecho de que un hormigón endurecido sometido tan solo al fenómeno de retracción autógena lleve a un fenómeno de contracción o expansión depende de dos factores. Por un lado, de que el producto de nuevas estructuras de gel poroso genera una expansión debida a la reacción con el agua libre disponible en los poros. Por otro lado, la pérdida de agua generará una cierta retracción, de mayor importancia conforme el agua de los poros de mayor tamaño va desapareciendo y el cemento sin hidratar reacciona con el agua adsorbida por las capas de gel. De este modo, si se observa la probeta B-15, figura 18, cuya relación a/c es elevada, de 0,75, se aprecia que inicialmente se produce una expansión, relacionada, por ende, con el aumento de volumen del gel a partir la reacción de hidratación con el agua contenida en los poros de mayor tamaño, cuya pérdida no produce retracción; sin embargo, conforme avanza el proceso de hidratación el cemento deshidratado pasa a reaccionar con el agua adsorbida presente entre las capas de gel, provocando que la pendiente de la curva de retracción cambie de signo y se produzca una disminución del volumen del hormigón, ver figura 18, mediciones de la probeta B-15 a partir del tercer punto de medida.. 28.

(30) 2.4.2.1. Efecto de la temperatura en la retracción autógena. Houk et al. desarrollan, asimismo, un estudio sobre la evolución de la retracción autógena en probetas con las mismas características en cuanto a materiales que la serie A, pero almacenadas a diferentes temperaturas. De este modo, las probetas A-1, con un 100% de cemento Portland, A-2 y A-8, con un 30% de puzolanas, fueron sometidas a temperaturas de 10, 21 y 38ºC. Los resultados se muestran a continuación. -200 38ºC 21ºC 10ºC. -160.  ca [10-6]. -120. -80. -40. 0. Probeta A-1 100% Cem. Portland Relación a/c = 0,56. 40 0.1. 1.0. 10.0. t [d]. 100.0. 1000.0. 10000.0. Figura 19. Desarrollo de la retracción autógena a diferentes temperaturas, probetas de la serie A-1 [19].. 29.