Hormigón durable a ciclos de Hielo y Deshielo

1.- Introducción.
Durante la fabricación, colocación y curado de hormigón con baja temperatura ambiente deben considerarse medidas especiales, condiciones extremas de frío en que el hormigón en servicio es expuesto a ciclos de hielo y deshielo pueden destruir su estructura, por lo cual debe proveerse protección adicional.


2.-¿Qué es un ciclo hielo-deshielo? Un ciclo hielo-deshielo es un evento de congelamiento y posterior deshielo del agua contenida en el hormigón o mortero endurecido en un período de tiempo determinado. Los ciclos hielo-deshielo son un fenómeno común en la naturaleza, debido al cambio propio en la temperatura ambiente en zonas que registran tiempo frío.


3.- ¿Qué efecto tienen los ciclos hielo-deshielo sobre el hormigón? La exposición a ciclos hielo-deshielo es una solicitación severa a la durabilidad del hormigón. Por medio de una serie de mecanismos complejos, el efecto cíclico de congelamiento y deshielo del agua al interior del hormigón en servicio puede destruir su estructura.


4. ¿Cómo dañan al hormigón en servicio los ciclos hielo-deshielo? El mecanismo de deterioro del hormigón por efecto de ciclos hielo-deshielo es un proceso muy complejo, que aún en la actualidad es tema de investigación. La teoría más extendida atribuye el daño a la presión ejercida al interior de los poros de la pasta de cemento por el aumento de volumen del agua al congelarse (incremento cercano al 9%). Esta presión causa la ruptura de la pasta endurecida, acrecentando microfisuras existentes y creando otras nuevas. Con el deshielo el agua se trasladaría a estas microfisuras. Por el mismo proceso, una posterior congelación causaría nuevo daño en las zonas debilitadas, registrándose un deterioro acumulativo que puede resultar en la destrucción parcial o total del hormigón. Sin embargo, investigaciones en los últimos años han demostrado que el fenómeno es una combinación de procesos mucho más complejos, que no expondremos en este documento (para mayor información ver Ref. 5).
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5.- ¿Cómo influye el contenido de humedad del hormigón en el daño por congelamiento?
El contenido de humedad del hormigón al momento del congelamiento es un factor fundamental en la magnitud del daño. Al aumentar el contenido de humedad existirá más agua disponible para congelarse, por lo que el daño será mayor.

6.- ¿Influye en el daño al hormigón el congelamiento de los áridos?
En la mayoría de los casos, el congelamiento de los áridos no es relevante en el daño al hormigón. El deterioro se produce principalmente por el congelamiento de la pasta de cemento.


7.- ¿Cuál es la principal medida de protección del hormigón expuesto a ciclos hielo-deshielo?
La principal medida es formar en el hormigón un sistema de poros en la pasta de cemento de adecuados tamaños, distribución y espaciamiento. Esto se logra mediante la incorporación de aire a través de aditivos especializados durante la fabricación de la mezcla.
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8.- ¿Porqué la incorporación de aire protege al hormigón expuesto a ciclos hielo-deshielo? La adecuada incorporación de aire en el hormigón creará un sistema de microburbujas que actúan como reservorios para la acumulación de hielo, evitando así la presión en la pasta de cemento por el aumento de volumen del agua al congelarse.


9.-¿Son diferentes las burbujas de aire atrapado de las incorporadas con el uso de aditivos?
Sí. Las burbujas de aire incorporado poseen características distintas de las burbujas de aire atrapado, que se encuentran siempre presentes en el hormigón. Las burbujas de aire incorporado se caracterizan por
Poseen tamaño microscópico (las burbujas de aire atrapado pueden ser tan grandes como las partículas de árido fino).
Poseen distribución uniforme en la pasta de cemento.
Poseen una distancia máxima entre ellas, factor clave en la protección al congelamiento.

10.- ¿Es siempre inmune al daño un hormigón con aire incorporado expuesto a ciclos hielo-deshielo?
No. Se ha comprobado que hormigones de adecuada calidad y dosis de aire incorporado han sufrido deterioro en condiciones de saturación permanente y severa exposición al congelamiento.

11.- ¿Cuáles son las principales recomendaciones para fabricar un hormigón durable a ciclos hielo-deshielo?
1.- Adecuada incorporación de aire.
El uso adecuado de aditivos incorporadores de aire formará un sistema de microburbujas en el hormigón fresco que debe permanecer luego de endurecido. Estos poros actúan como recipientes para la acumulación de hielo y agua, aliviando la presión en la pasta de cemento por aumento de volumen del agua al congelarse. Por ello, el código ACI201.2R (ver Ref. 2) recomienda incorporar las siguientes cantidades de aire en el hormigón, según el tamaño máximo del árido y el grado de exposición a ciclos hielo-deshielo:
Tabla 1. Contenidos de aire recomendados para hormigones resistentes al congelamiento.
Tamaño máximo nominal del árido
Contenido de aire (%)
Exposición severa
Exposición moderada
3/8” (10 mm)
7.5
6.0
1/2” (12 .5 mm)
7.0
5.5
3/4” (20 mm)
6.0
5.0
1” (25 mm)
6.0
5.0
1 1/2” (40 mm)
5.5
4.5

Los valores recomendados se refieren al contenido total de aire en el hormigón.
Exposición severa se refiere al hormigón que estará a la intemperie en clima frío y que pueda estar permanentemente húmedo antes del congelamiento, o cuando se usen sales descongelantes (ej. pavimentos, losas de puente, aceras, estanques de agua).
Exposición moderada se refiere al hormigón que estará a la intemperie en clima frío y expuesto sólo ocasionalmente a humedad antes del congelamiento, o cuando no se usen sales descongelantes (ej. vigas, algunos muros exteriores, losas sin contacto permanente con el terreno).
La norma NCh170 recomienda usar valores de exposición moderada. Además, permite reducir el contenido recomendado de aire en un 1% si el hormigón posee grado superior a H35.
El contenido de aire medido en terreno debe estar en el rango ± 1.5% del valor recomendado.
La incorporación de aire debe realizarse en forma controlada. Es muy importante contar con experiencia o asesoría técnica, ya que altos contenidos de aire reducirán drásticamente la resistencia y bajos contenidos no proveerán suficiente resistencia al congelamiento.
2.- Fabricar hormigones de baja relación Agua/Cemento (A/C).
La relación Agua/Cemento es un factor relevante en la resistencia a ciclos hielo-deshielo. La norma NCh170 especifica los siguientes valores máximos:
Tabla 2. Razón Agua/Cemento máxima para hormigones expuestos al congelamiento.
Tipo estructura
Estructura continua o frecuentementeHúmeda expuesta a hielo-deshielo
- Secciones delgadas (e<20 cm), con recubrimiento menor a 2 cm o expuestas a agentes descongelantes
0.45
- Toda otra estructura
0.50
3.- Usar áridos de calidad.
La fabricación de hormigones con áridos de buena calidad es siempre beneficioso para la durabilidad. Sin embargo, en el caso de hormigones expuestos al congelamiento será de gran importancia usar áridos de menor tamaño máximo, alta densidad, baja absorción, bajo contenido de finos, sin materia orgánica ni partículas dezmenuzables y con alta resistencia a la desintegración y al desgaste.
4.- Adecuado curado antes del primer congelamiento.
· Un buen curado es fundamental para reducir el agua disponible a congelarse en la pasta.· Como curado se recomienda un período de secado moderado. Un hormigón saturado con aire incorporado no debe ser expuesto al primer congelamiento hasta alcanzar una resistencia a compresión de 45 kg/cm2.· Un hormigón saturado con aire incorporado debe poseer una resistencia a compresión de al menos 260 kg/cm2 antes de ser sometido a una exposición moderada a ciclos hielo-deshielo. Para una exposición severa, debe poseer una resistencia de al menos 330 kg/cm2.
5.- Diseño de estructuras que minimice la humedad.
La vulnerabilidad al daño aumenta en forma drástica con el contenido de humedad del hormigón. Por ello, en estructuras expuestas a ciclos hielo-deshielo es fundamental contar con adecuado diseño de drenajes, eliminar juntas innecesarias, proteger pavimentos de la humedad de la sub-base y evitar el agrietamiento.
6.- Adecuadas prácticas constructivas.
Buenas prácticas constructivas son esenciales para fabricar hormigones resistentes al congelamiento. En particular se debe evitar la adición de agua y excesivo trabajo en la terminación superficial, y el sobrevibrado del hormigón que puede eliminar el aire intencionalmente incorporado.


12.-¿Qué otros efectos tiene la incorporación de aire en las mezclas de hormigón?
La principal ventaja de incorporar aire en hormigones expuestos a ciclos hielo-deshielo es la protección al congelamiento. Sin embargo, la incorporación de aire tiene también otros efectos asociados:
En el hormigón fresco
En el hormigón endurecido
Mejora la trabajabilidad
Aumenta la impermeabilidad
Disminuye la segregación
Disminuye el peso unitario
Disminuye la exudación
Disminuye la resistencia
Mejora la terminación superficial
Aumenta la resistencia al ataque químico
Mezclas demandan menos agua y árido fino


13.- ¿La incorporación de aire afecta la resistencia del hormigón?
Sí. La incorporación de aire aumenta la porosidad del hormigón, lo que disminuye su resistencia (a compresión, tracción y flexión). Esto debe ser considerado al momento de la dosificación de la mezcla, de modo de satisfacer las resistencias establecidas en el proyecto. En la práctica se ha determinado que la resistencia a compresión disminuye aproximadamente un 5% por cada 1% de aire incorporado.


14.- ¿Cómo se mide el contenido de aire en el hormigón?
La determinación del contenido de aire es una tarea de suma importancia en hormigones que estarán expuestos al congelamiento. Normalmente, el contenido de aire se mide en el hormigón fresco usando un equipo llamado “aerímetro”, según procedimiento normalizado establecido en norma NCh 2184.


15.- ¿Con qué frecuencia debe medirse el contenido de aire del hormigón en obra?
La norma NCh170 establece en forma obligatoria la medición del contenido de aire cuando se emplean aditivos incorporadores de aire, según las siguientes frecuencias mínimas:
Tabla 3. Frecuencia mínima de medición del contenido de aire.
Volumen de hormigón de la obra < 500 m3
Volumen de hormigón de la obra ³ 500 m3
fc < 15 MPa
fc ³ 15 MPa
fc < 15 MPa
fc de 15-30 MPa
fc ³ 30 MPa
-
2 veces
-
1 cada 75 m3
1 cada 50 m3
fc: Resistencia especificada a la compresión.


16.- ¿Tiene algún efecto la incorporación de aire en la tasa de hidratación del cemento?
No. En general la incorporación de aire no tiene efecto apreciable en la tasa de hidratación.


17.- ¿Qué se debe saber acerca de los aditivos incorporadores de aire?
Las dosis de aditivo incorporador de aire deben ser siempre consultadas al fabricante.
En general se usan dosis muy pequeñas respecto al peso del cemento, usualmente menores a 0.20%.
La dosis de aditivo a utilizar en obra debe ser verificada midiendo el contenido de aire de mezclas de prueba en terreno.
Generalmente, a mayor dosis de aditivo aumenta la cantidad de aire incorporado. Sin embargo, existe una dosis límite luego de la cual no aumentará el volumen de vacíos. En general, para una cantidad fija de aire a incorporar en la mezcla se requerirá mayor cantidad de aditivo cuando:
Se utilicen cementos de mayor finura.
El árido tenga mayor proporción de material muy fino.
Aumente la temperatura del hormigón fresco.
La trabajabilidad de la mezcla sea baja.
No se usen aditivos reductores de agua.
Existan prolongados tiempos de transporte del hormigón.

18.- ¿Qué elementos de hormigón son más susceptibles al daño por ciclos hielo-deshielo?
Toda estructura de hormigón expuesta a ciclos hielo-deshielo puede sufrir daño. Sin embargo, por sus características de superficie expuesta, son los pavimentos los elementos más susceptibles al deterioro (aceras, calzadas, pavimentos industriales, losas sobre terreno, etc.). El comportamiento del hormigón frente a ciclos hielo-deshielo es muy difícil de predecir, por lo que se recomienda recopilar información del desempeño de estructuras existentes en el área y llevar a cabo hormigones de prueba en condiciones similares a las de construcción.

19.- ¿Qué sucede si se utilizan agentes descongelantes en el hormigón?
Si durante ciertos períodos del año se utilizan agentes descongelantes sobre el hormigón, como cloruros cálcicos o sódicos, se requerirán medidas especiales en el diseño y la mantención. Estos químicos pueden dañar seriamente las estructuras.


Referencias:
1.-NCh170 Hormigón – Requisitos generales.2.- ACI201.2R – Guide to Durable Concrete.3.-ACI306 – Cold Weather Concreting.4.- NCh2184 Hormigón y Mortero – Método de ensayo – Determinación del contenido de aire. 5.-Properties of Concrete, A. Neville. Capítulo 11.6.-Application of Admixtures in Concrete, Rilem Report 10, 1995.