Influencia de los ciclos hielo-deshielo en la resistencia del concreto Influence of ice-thaw cycles on concrete strength
Quinte B Mónica 1 Atencio S Leslie 1 Chuco S Delta1 y Cristobal G Fiorella 1 Universidad Continental Facultad de Ingeniería Carrera Profesional de Ingeniería Civil 1 Avenida San Carlos N°1980 Urbanización San Antonio Huancayo - Junín 77335024@continental.edu.pe 71960001@continental.edu.pe 70914553@continental.edu.pe 70233551@continental.edu.pe
Resumen La resistencia del concreto no solo depende de la calidad de la pasta de cemento, sino también de los agentes medioambientales y agresivos a los que puedan estar sometidas. Se han encontrado parámetros de afectación dentro de la estructura química del cemento a partir de los ciclos de enfriamiento que afectan de manera drástica la durabilidad del concreto con el tiempo. Por lo tanto, el objetivo de este trabajo fue responder a la pregunta sobre cuál es la Influencia de los ciclos hielo-deshielo en la resistencia del concreto. Materiales y métodos: estudio transversal en el que se utilizó 2 módulos y se probaron concretos sometidas a diferentes temperaturas de ciclos de hielo y deshielo. Conclusión: Hemos comprobado con los resultados y ensayos de laboratorio que con los concretos estudiados a temperaturas bajas no adquieren la resistencia adecuada, sufriendo congelamiento antes de su endurecimiento. Palabras clave: Prueba revenimiento, relación agua-cemento, resistencia, concreto, compresión.
Abstract Introduction: The strength of concrete depends not only on the quality of the cement paste, but also on the environmental and aggressive agents to which they may be subjected. Affectation parameters have been found within the chemical structure of the cement from the cooling cycles that drastically affect the durability of the concrete over time. Therefore, the objective of this work was to answer the question about the influence of ice-thaw cycles on concrete strength. Materials and methods: cross-sectional study in which 2 modules were used and concrete tested at different temperatures of ice and thaw cycles were tested. Conclusion: We have verified with the results and laboratory tests that with the concrete studied at low temperatures they do not acquire adequate resistance, suffering from freezing before hardening. Key words: Temperance test, water-cement ratio, strength, concrete, compression.
Introducción Expone Speicher, M. (2007) que: “los proyectos de construcción, sea cual fuere la región, lugar y clima presentan particularidades e inconvenientes dignos de alguna solución de ingeniería. Para el caso que nos ocupa, las significativas gradientes térmicas (bajas temperaturas al inicio y final del día, así como una importante radiación solar al medio día), generan trastornos en las mezclas de concreto fundamentalmente en sus consistencias y su consiguiente proceso de endurecimiento o fragua (también lo hacen en su resistencia)” (p. 05). Manifiesta Carpio, C. (2008) que: “una de las razones que llevaron al grupo de investigación en administración para el diseño y la tecnología a crear la revista de investigación presente, es la de contar con un medio que les permitiera exponer los distintos intereses que sobre diferentes campos de la investigación tienen todos los integrantes del grupo, de esta manera, cuentan también con un instrumento que les permite cumplir con una de las funciones fundamentales de nuestra Universidad, la generación y difusión de la cultura” (p. 135).
estética y seguridad), es necesario enfocar el diseño de concreto no solo desde el punto de vista resistente, sino también desde el punto de vista durable frente a los agentes medioambientales y agresivos a los que puedan estar sometidos” (p. 21). Problemática mundial Manifiesta Guevara et al (2011) que: “La realización del estudio tiene una gran importancia, ya que tanto en el ámbito nacional como internacional se busca que diferentes construcciones, independientemente de su importancia, cuenten con materiales de alta calidad que cumplan los estándares establecidos por la ASTM, así como con las propiedades referentes a dureza, revenimiento, resistencia, tiempo de fraguado, etc. requeridas por las diferentes construcciones” (p. 81). Objetivo Determinar la influencia de los ciclos hielodeshielo en la resistencia del concreto y la porosidad de los concretos que están sometidos a congelamiento y deshielo. Marco teórico
Declara Páez, D. (2009) que: “algunos autores han concluido en sus estudios que el concreto presenta afectaciones por el retardo del fraguado, y disminución de la resistencia cuando la temperatura del ambiente está por debajo de los 5°C como se muestra en Menéndez. Adicionalmente, se han encontrado parámetros de afectación dentro de la estructura química del cemento a partir de los ciclos de enfriamiento que afectan de manera drástica la durabilidad del concreto con el tiempo como se muestra en Pigeon y Pleau” (p. 97). Enuncia López y Mamani (2017) que: “el deterioro del concreto por ciclos de congelamiento y deshielo son causas frecuentes de problemas en los pavimentos, revestimiento de canales, superestructura de puentes e infraestructuras en las zonas alto andinas de nuestro país, que no cumplen su vida útil para los que fueron diseñadas y construidas y esto desequilibra el análisis costo beneficio de todo proyecto. Para lograr esta condición y garantizar que las estructuras mantengan sus prestaciones básicas de servicio (funcionalidad,
En un artículo, “¿Qué es el ciclo hielo – deshielo en el hormigón?” (2016) sugiere que: El ciclo hielo – deshielo se trata de un fenómeno que aparece durante las épocas de heladas. Entonces existen temperaturas muy bajas durante la madrugada y altas por el día. Estos cambios extremos de temperatura originan los conocidos como ciclos hielo – deshielo. Los ciclos hielo – deshielo son eventos de congelamiento con un posterior deshielo del agua que se contiene en el hormigón o mortero endurecido durante un período de tiempo determinado. El ciclo hielo – deshielo afecta al hormigón de manera cuantitativa y cualitativa. Es decir, tanto en las propiedades físicas y mecánicas como en la absorción, resistencia, porosidad y apariencia física. Este mecanismo de deterioro del hormigón mediante el efecto de los ciclos hielo – deshielo, no es un proceso sencillo. Hoy en día continúa siendo tema de investigación y la teoría con mayores defensores atribuir este deterioro a la presión que ejerce el aumento de volumen del
agua al congelarse en el interior de los poros de la pasta de cemento.
que lógicamente los huecos son perjudiciales para ella” (p. 82).
En un artículo “Los ciclos hielo-deshielo en el hormigón” (s.f.) sugiere que: Los denominados ciclos hielo-deshielo se producen cuando el hormigón alcanza un grado de saturación tal que cuando las temperaturas descienden y se produce la helada, el agua carece de espacio suficiente para expandirse. Cuanto menor es el tamaño de los poros, mayor es la presión a la que están sometidos y, por tanto, menor será la temperatura de congelación.
Materiales y métodos
De esta forma, se produce una variación en la temperatura de congelación en diferentes puntos del hormigón de modo que al descender la temperatura el agua de los poros de mayor diámetro se hiela antes que la de los poros más finos apareciendo una presión hidráulica sobre las paredes de dichos poros lo que puede dañar al hormigón. Posteriormente, la subida de las temperaturas descongela el hielo formado para posteriormente producirse otra nueva saturación de agua y repitiéndose el ciclo cuando vuelvan a descender las temperaturas. Según Guevara, G. (2011): “el concreto (hormigón) es un material que se obtiene de una mezcla de componentes: conglomerante (cemento), agregados (arena y piedra), agua y, de manera opcional, aditivos. La pasta, compuesta por cemento portland y agua, une los agregados, normalmente arena y grava (piedra triturada), lo cual crea una masa similar a una roca. Así, se puede afirmar que la resistencia Del concreto depende altamente de la relación por peso entre agua y el cemento” (p. 81). Por otro lado, un factor adicional que incide en la resistencia en los productos solidos de la pasta cemento hidratada es la existencia de las fuerzas de atracción de van der Waals. Guevara, G. (2011) expone: una definición más amplia de la resistencia del concreto ha sido considerada por Judith García (2) explica que “en efecto, la adhesión entre dos superficies sólidas se atribuye a estas fuerzas físicas, siendo el grado de la acción adhesiva función de la extensión y naturaleza de las superficies involucradas”. Entonces, sabiendo que en los materiales sólidos existe una relación inversa entre la porosidad y la resistencia, esta última reside en la parte sólida de un material, por lo
La investigación utilizó el diseño experimental y transversal. La población considerada fue 24 tipos de cemento y se eligieron 6, las cuales son las más usadas. El concreto, aunque es un material bastante resistente, no es invulnerable a los efectos del medio ambiente en el que se encuentre, lo cual ocasiona un descenso en los tiempos o periodos de vida útil y de servicio de las mismas. Presentan acciones físicas, químicas y biológicas (Moreno,2009, p. 32). Un ciclo hielo-deshielo es un fenómeno cíclico de congelamiento y descongelamiento del agua contenida en los poros del concreto endurecido en períodos de tiempo ya que involucra y afecta tanto la pasta y los agregados individualmente como en conjunto según Menéndez El desgaste del concreto por el ciclo hielo– deshielo se da cuando al congelarse la masa de agua contenida en los poros (macro poros y poros capilares) del mismo se expande hasta aproximadamente un 9% de su volumen en estado líquido, lo cual genera grandes esfuerzos de tracción en la masa de concreto (pasta y agregados), haciendo que se fracture por su baja resistencia a la tracción, y origine grietas o fisuras, descamación superficial, ensanchamientos, aumento en la porosidad, desagregación de la pasta y pérdida de masa. En cuanto a procesos, cuando en la etapa de fraguado del concreto se alcanza un descenso significativo de temperatura del ambiente, específicamente por debajo de los 4°C de temperatura, se produce la interrupción del fraguado, y con el congelamiento del agua se bloquean los enlaces para la hidratación y reacción del cemento, es decir, se rompen los enlaces establecidos por los geles de cemento hidratado según Menéndez. (Génesis ,2011, p. 99) La técnica a utilizarse es de revenimiento y compresión.
Se realizaron dos pruebas, las cuales se describirán a continuación:
Resultados Los especímenes cilíndricos fueron desencofrados y llevados a un tanque de curado con agua saturada con cal, a una temperatura de 23 + 3 ºC [8]. Se confeccionaron 9 probetas por cada mezcla, para un total de 18. Las probetas fueron ensayadas en una prensa hidráulica a edades de 3, 7, 14 y 21 días para determinar su resistencia a compresión.
El ensayo de revenimiento (cono de Abrams) consiste en tomar muestras de la mezcla de cemento que se va a examinar, debe ser alrededor de los primeros cinco minutos después de preparar la mezcla. Se emplea un cono que se debe humedecer con agua y se sitúa en una superficie plana, lisa, húmeda y no absorbente. El cono es fabricado de acero, con un espesor mínimo de 1,5 mm y un recubrimiento de zinc, cuyas dimensiones son: diámetro superior 100 mm, diámetro de la base 200 mm y altura 300 mm.
Tabla 1
Análisis de los resultados de las probetas: Los resultados que se deben de obtener deben de ser los siguientes:
Posteriormente se llena el cono 1/3 del volumen, se golpea uniformemente 25 veces su interior con una barra de acero de punta hemisférica, y también los lados con un mazo para distribuir la mezcla en el cono.
A los 3 días A los 7 días A los 28 días
En nuestro ensayo las resistencias son las siguientes considerando nuestro f’c=210:
Nuevamente este se llena 2/3 de su volumen y se penetra con la barra, pero sin tocar la primera capa; por último, se llena el cono totalmente y se golpea sin afectar la capa anterior. Se remueve el exceso del concreto del tope del cono con una barra de acero, de manera que este quede perfectamente lleno y nivelado.
El segundo ensayo por desarrollarse es la de compresión, consiste en calcular la rotura de probetas cilíndricas de concreto en una máquina de ensayos de compresión. Se evalúa a partir de la carga de la ruptura entre el área de la sección que recibe la carga y se mide generalmente en libra-fuerza pulgada cuadrada (psi) y mega pascales (MPa).
Días 3 7 21
M-1 170.8 227.8 299.2
M-2 188.1 223.3 219.8
Muestra M-3 Mprom Ds 193.7 184.2 0.12 240.4 230.5 7.41 282.1 267.03 29.73
Fuente: Elaboración propia
RESISTENCIA A LA COMPRESION
Además, se limpia el exceso de la base del molde, se retira lentamente el molde, se coloca invertido al lado de la mezcla y la barra de acero se posa sobre él. Se toma como referencia la barra de acero y se mide inferiormente la altura del cono que se formó; si existe una caída lateral o inclinación del concreto, el ensayo se descarta. La altura obtenida es la medida del revenimiento del concreto.
40-50% del f’c 75-80% del f’c 100% del f’c
Muestra1
Muestra2
Muestra3
Mpromedio
350 300 184.2 250 188.1 170.8 200 150 193.7 100 50 0 0 0 5
240.4 227.8 223.3
10
15
299.2 267.03 282.1 230.5 219.8
20
25
TIEMPO (DIAS)
Figura 1. Muestra obtenida en el grupo muestra un Mprom de 267.03 como máximo.
En conformidad con la prueba de revenimiento, se obtuvieron los siguientes datos que recolectan los resultados de cada una de ellas.
N°Grupo
fc'=210 kg/cm2 Ciclos deshielo 0°C de 0°C a 5°C de 10°C a 14°C de -15°C a -19°C de -20°C a -25° C
Relación Cemento Agua Revenimiento Resistencia A/C (gr) (Litros) (cm) (kg/m2)
1 2 3
0.26 0.27 0.28
650 650 650
170 175 180
0 2 4.5
151.8 138.3 119.7
De acuerdo con el cuadro anterior, se elaboraron las figuras 2 y 3. En el primero se puede visualizar cómo al aumentar la Temperatura aumenta la resistencia en las muestras examinadas. Asimismo, se puede observar que se presenta un cambio brusco al pasar de la muestra 1 a la muestra 2. Tabla 2
a
diferentes
fc'=210 kg/cm2
Ciclos hielo 0°C de 0°C a -5°C de -10°C a -14°C de -15°C a -19°C de -20°C a -25° C 250
218
200
190
Re 218 190 186 174 169
186
174
169
50 0 4
6
Fuente: Elaboración propia Figura 2. Resistencia del concreto a ciclos de hielo con diferentes temperaturas en la cual se muestra que a menor temperatura presentan menor resistencia. Tabla 3
Resistencia del concreto temperaturas, modulo 2
247
250 240
229
230
232
223
220 0
2
4
6
Fuente: elaboración propia
Figura 3. Resistencia del concreto a ciclos de deshielo con diferentes temperaturas en la cual se muestra que a mayor temperatura presentan mayor resistencia
De acuerdo con la teoría y lo puesto en práctica sobre la creación de probetas de concreto sometidas a ciclos de hielo y deshielo, es necesario tomar en cuenta tres factores muy importantes: las diferentes temperaturas, la relación A/C, y por supuesto la resistencia a la compresión del concreto.
100
2
262
Discusión
150
0
270 260
Fuente: Elaboración propia
Resistencia del concreto temperaturas, modulo 1.
Re 223 229 232 247 262
a
diferentes
La Figura .1 muestra los análisis que se obtuvo en las probetas de las tres muestras a los 3 días de curados se ve una resistencia promedio a la compresión de 184.20, las tres muestras que se roturaron a los 7 días se muestra una resistencia de 230.50 y las tres muestras que se roturaron a los 21 días se muestra una resistencia de 267.03. Lo cual indica que la resistencia a la compresión es más cuando los días de curado aumentan. Las diferentes temperaturas, como se ve en los resultados de los 2 módulos de distintos grupos, influye mucho en la resistencia del concreto, pues cuanto mayor temperatura, mayor resistencia. Debido a lo observado, se concluye que someter al concreto a diferentes temperaturas, este constituye el factor más importante que determina la resistencia del concreto, porque no
adquiere la resistencia de diseño cuando su fraguado y primer endurecimiento tiene lugar en tiempo de heladas, debido a la acción expansiva del agua intersticial retardando los tiempos de fraguado del concreto, así como su endurecimiento y el desarrollo de resistencias del mismo. A partir de la prueba de revenimiento se puede determinar la consistencia del concreto y saber cómo se comportará al colocarlo. En cada caso, la medida de revenimiento cambió significativamente de una muestra a otra, variando solo la cantidad de agua y manteniendo la cantidad de los demás componentes.
Referencias Carpio, C. (2008). Investigación sobre los concretos de alta resistencia efectuada en la UAM AZCAPOTZALCO; Como apoyo a la investigación de concretos no convencionales. Guevara, G. (2011). Efecto de la variación agua/cemento en el concreto. López y Mamani (2017). Influencia de la nana sílice y supe plastificante en la durabilidad del concreto sometidos a ciclos de congelamiento y deshielo de la ciudad de Puno. Tesis presentada por Elisman López Ampuero y Juan José Mamani Copari para optar el título profesional de ingeniero civil. Puno-Perú. Los ciclos hielo-deshielo en el hormigón (s.f,) Recuperado de https://masqueingenieria.com/blog/cicloshielo-deshielo-hormigon/ Páez, D. (2008). Influencia de los ciclos HieloDeshielo en la resistencia del concreto. ¿Qué es el ciclo hielo – deshielo en el hormigón? (7 de diciembre, 2016) Recuperado de http://fetasa.es/blog/ciclohielo-deshielo-hormigon/ Speicher, M. (2007). Pérdida de consistencia del concreto en el tiempo a temperaturas inferiores o cercanas a cero. Tesis para optar el título profesional de
ingeniero civil. Presentado por el bachiller Moisés Baruj Speicher Fernández. LimaPerú.