El concreto es, y continúa siendo, el material de construcción más ampliamente usado en el mundo, gracias a la facilidad con que puede ser moldeado en una gran variedad de formas y tamaños, su durabilidad potencial y su costo relativamente bajo. También contribuyen a su popularidad como material de construcción la facilidad con que pueden obtenerse sus componentes más básicos - cemento portland, agregados, agua y aditivos.

La necesidad de una trabajabilidad adecuada para facilitar la colocación y la consolidación del concreto, con frecuencia requiere el uso de una cantidad mayor de agua de mezclado que la necesaria para el proceso de hidratación. La pérdida de algo de este exceso de "agua de conveniencia" que sufre una matriz de concreto a medida que se endurece, da como resultado una reducción de volumen conocida como contracción. Si la reducción de volumen ocurre antes de que el concreto se endurezca, se llama contracicón plástica. La reducción del volumen que ocurre principalmente debido a la pérdida de humedad, después de que el concreto se ha endurecido, se conoce como contracción por desecación.

La mayor preocupación en relación a la contracción del concreto, consiste en su potencial para agrietarse, ya sea en su estado plástico o endurecido, y cualquier impacto adverso subsecuente sobre la durabilidad o serviciabilidad del concreto. En la mayoría de las situaciones de la construcción, particularmente aplicaciones para pavimento, tableros de puentes, y losas, la probabilidad de contracción plástica y por desecación con frecuencia es mayor que la de otros tipos de contracción, tales como contracción térmica, contracción autógena, y contracción por carbonatación.

Se ha demostrado que las fibras minimizan la contracción plástica, y su uso en el concreto se está incrementando. Para minimizar el agrietamiento debido a contracción por desecación, se recomiendan y se usan prácticas de construcción tales como el uso de cementos expansivos, y la provisión oportuna de juntas. En años recientes se han introducido en la industria del concreto aditivos revolucionarios que reducen la contracción por desecación. Estos aditivos se desarrollaron primero en el Lejano Oriente, y subsecuentemente en los Estados Unidos y en otras partes.

En este artículo se presenta la información básica sobre los aditivos reductores de contracción (SRA por sus siglas en inglés; shrinkage-reducing admixtures), los primeros en el mundo, actualmente comercializados bajo la marca registrada Tetraguard. También se presenta un panorama general del mecanismo y los factores que afectan la contracción por desecación.

Contracción por desecación del concreto

La pérdida de humedad del concreto después de que se endurece, y por lo tanto la contracción por desecación, es inevitable, a menos que el concreto esté completamente sumergido en agua o en un ambiente con el 100 % de humedad relativa (HR).Así pues, la contracción por desecacióno es un fenómeno que ocurre rutinariamente y amerita una consideración cuidadosa en el diseño del concreto y la construcción.

Los mecanismos reales por los cuales ocurre contracción por desecación son complejos, pero en general, se está de acuerdo en que involucran la pérdida del agua absorbida de la pasta hidratada de cemento. Cuando el concreto está inicialmente expuesto a condiciones de secado - en el cual hay una diferencia entre la HR del medio ambiente y la del concreto- primero pierde el agua libre.Esto da como resultado poca o ninguna contracción. Sin embargo, el secado continuado conduce a la pérdida del agua absorbida, un cambio en el volumen de la pasta de cemento no restringida, y a un incremento en las fuerzas de atracción entre el producto de hidratación C-S-H que lleva a la contracción.Se ha reportado que el grosor de la capa con agua absorbida se incrementa al incrementarse la humedad.Por lo tanto, es concebible que un alto contenido de agua conduzca a una capa más gruesa del agua absorbida y, por lo tanto, a una contracción incrementada por desecación

Se puede determinar la contracción por desecación del concreto en el laboratorio usando ASTM C 157, "Método de Prueba Estándar para el Cambio de Longitud del Mortero y el Concreto con Cemento Hidráulico Endurecido," y generalmente se expresa como un porcentaje o en millonésimas (x 10-6).Físicamente, el concreto que experimenta una contracción por desecación de aproximadamente 0.05 % (500 millonésimas o 500 x 10 exp-6) se contrae aproximadamente 50 mm cada 100 m (0.6 pulg por 100 pies). En términos mas gráficos, esto es aproximadamente 2 pulg (50 mm) para la longitud de un campo de futbol.

Existen varios factores que afectan la contracción por desecación.Estos inclyen las características de los ingredientes de la mezcla de concreto y sus proporciones, prácticas de diseño y construcción, e influencia ambiental.

Efectos de los ingredientes de la mezcla de concreto

Hay datos conflictivos en la literatura sobre los efectos de los ingredientes de la mezcla de concreto en la contracción por desecación.Sin embargo, sin duda alguna, los componentes de una mezcla de concreto que influyen más en la contracción por desecación, son el agua y el agregado grueso, porque ambos tienen un efecto profundo sobre la minimización del contenido de la pasta.

Los datos gráficos de la Referencia 7 se vuelven a graficar en la Fig. 1 para ilustrar el efecto del agua total sobre la contracción por secado.Los datos muestran que el contenido total de agua de una mezcla de concreto tiene un efecto significativo en la contracción por desecación.

Por ejemplo, suponiendo que una mezcla de concreto tenga un factor de cemento de 420 kg/m3, (708 libras/ yd3) y una relación de agua-cemento (a/c) de 0.45, - es decir, un contenido de agua de aproximadamente 190 kg/m3 (320 lb/yd3). La Fig. 1 sugiere que, en promedio, este concreto tendrá una contracción por secado de alrededor de 0.06 %, y que este valor de contracción puede reducirse en un 50 %, reduciendo el contenido de agua a 145 kg/m3 (244 lb/yd3), lo que se traduce en una relación de a/c de 0.35. Por lo tanto, para minimizar la contracción por desecación del concreto, el contenido total de agua debe mantenerse tan bajo como sea posible.

Al contrario de lo que comúnmente se cree, de que la contracción se incrementa con el contenido de cemento, los datos recopilados en la Referencia 7 para los concretos con contenidos de cemento que varían de 280 a 445 kg/m3 (472 a 750 lb/yd3), mostraron que el contenido de cemento tenía poco efecto sobre la contracción del concreto.El contenido total de agua para estas mezclas variaba de 200 a 210 kg/m3 (337 a 354 lb/yd3) y los revenimientos estaban entre 75 y 100 mm (3 y 4 pulg). Para propósitos prácticos, se ha encontrado que el tipo, la composición, y la finura del cemento tienen también relativamente poco efecto sobre la contracción por desecación.

El efecto del agregado grueso en la contracción por desecación tiene dos aspectos.Primero, el uso de un alto contenido de agregado grueso minimiza los contenidos totales de agua y de pasta de la mezcla de concreto, y, por lo tanto, la contracción por desecación. Los efectos de la relación agregado-cemento y agua-cemento sobre la contracción por secado se ilustran en la Fig. 2-8, la cual muestra claramente que, a una relación dada de a/c, la contracción por secado se reduce a medida que se incrementa la relación agregado-cemento. Por ejemplo, con una reducción de a/c de 0.40, se obtuvo una reducción del 50 % en la contracción por desecación, cuando la relación agregado-cemento se incrementó de 3 a 5 (y también de 5 a 7).

En segundo lugar, la contracción por desecación de la pasta de cemento se reduce por el agregado grueso, debido a su influencia restrictiva. Como se esperaba, la cantidad de restricción proporcionada por el agregado grueso depende del tipo de agregado y su rigidez, el total de la cantidad del agregado usado, y del tamaño en la parte de arriba. Los agregados duros y rígidos tales como la dolominta, feldespato, granito, piedra caliza, y cuarzo, son difíciles de comprimir, y proporcionarán más restricción a la contracción de la pasta de cemento.Por lo tanto, estos agregados deben ser usados para producir concreto con baja contracción por desecación.

Debe evitarse el uso de arenisca y pizarra, si se desea poca contracción por desecación.Evite además agregados con una capa de arcilla, ya que la arcilla reducirá el efecto restrictivo de los agregados en la contracción, además de su contracción inherente y el efecto sobre la demanda de agua.

Los aditivos forman una parte integral de las mezclas de concreto producidas actualmente. Su adición al concreto típicamente incrementa el volumne de los poros finos en el producto de la hidratación del cemento. Como resultado, los estudios han demostrado mayor contracción por desecación cuando se usan aditivos tales como cloruro de calcio, escoria de alto horno granulada y molida, y algunas puzolanas.

Con respecto a los aditivos reductores de agua, el ACI 212 reporta que la información sobre sus efectos es conflictiva, pero esta contracción a largo plazo puede ser menos dependiente del grado en que se reduce el contenido de agua del concreto. Se ha obtenido reducción en la contracción por desecación en casos en que se realizaron reducciones significativas en el contenido total de agua, a través del uso de aditivos reductores de agua de alto rango (HRWR por sus siglas en inglés: high-range water-reducing).Pueden obtenerse resultados similares con aditivos reductores de agua a mediano plazo (MRWR por sus siglas en inglés: mid-range water-reducing).

Se ha obtenido una reducida contracción por desecación con un aditivo HRWR a base de naftaleno condensado, como se muestra en la Tabla 1, para mezclas de concreto con un factor nominal de cemento de 356 kg/m3 (600 lb/yd3) y un revenimiento de 225 mm (9 pulg).Los datos muestran que a 84 días, se obtuvo una disminución en la contracción por desecación, de aproximadamente 30 % con el aditivo HRWR de 1170 mL/100 kg (18 fl oz/cwt). La reducción de agua en esta dosis fue de aproximadamente 30 %. Por lo tanto, los aditivos MRWR y HRWR pueden ser benéficos si se usan para obtener reducciones significativas en el contenido total de agua.También se ha demostrado que los aditivos inclusores de aire tienen poco o ningún efecto sobre la contracción por desecación.

Efectos del diseño y las práctcas de construcción

Los parámetros de diseño que más influyen en la contracción por desecación son la cantidad de refuerzo proporcionado y el tamaño, la forma y la relación del área de la superficie a volumen del elemento de concreto.El refuerzo de acero reducirá la contracción por desecación del concreto debido a la restricción proporcionada por el acero. En el mismo ambiente, un pequeño miembro de concreto se contrae más que un miembro grande debido a su mayor relación área superficial-a-volumen; mientras mayor sea el área de la superficie expuesta, mayor será la tasa de pérdida de humedad, y por lo tanto, el potencial de contracción por desecación. Por lo tanto, debe hacerse notar que, la contracción por desecación que ocurriría en estructuras reales de concreto, serían sólo una fracción de la obtenida en el laboratorio con el método de prueba ASTM C 157.

Las prácticas inapropiadas de vaciado del concreto, tales como el retemplado en el sitio de la obra, incrementarán la contracción por desecación, debido al incremento en el contendio de agua del concreto. El curado prolongado húmedo retrasará el comienzo de la contracción por desecación, pero, en general, se reporta que la duración del curado tienen poco efecto en la contracción por desecación.Sin embargo, el curado a vapor reducirá la contracción por desecación.

Efectos de los factores ambientales y del tiempo

Como se mencionó previamente, la pérdida de humedad del concreto endurecido y, por lo tanto, la contracción por desecación, es inevitable, a menos que el concreto esté en un ambiente con un 100 de HR. Estas condiciones, por supuesto, se dan rara vez, a menos que el concreto esté completamente sumergido en agua.

La magnitud de la contracción por desecación se ve afectada grandemente por la HR del ambiente que lo rodea. Una baja HR conducirá a una más alta cantidad de contracción por desecación.Sin embargo, la magnitud de la contracción por desecación no esta influenciada por la velocidad del secado. La velocidad de secado, a su vez, no es afectada por el viento, o la convección forzada, excepto durante las primeras etapas de la exposición. Esto se debe a la muy pobre conductividad de humedad del concreto que toma en cuenta únicamente una pequeña velocidad de evaporación.

La magnitud de la contracción por desecación es también dependiente del tiempo.Aunque la abrumadora cantidad de la contracción por desecación ocurre en los primeros meses del secado, el proceso continúa por años. Los datos de un amplio estudio que abarca un período de cerca de 30 años mostró que, en promedio, casi el 50 % de la contracción por secado obtenido a 20 años ocurrió en los primeros dos meses del secado, y casi el 80 % en el primer año.

Aditivos reductores de contracción (SRA por sus siglas en inglés: shrinkage-reducing admixtures)

El primero aditivo reductor de contracción en el mundo (SRA) se desarrolló en Japón en 1982, en una sociedad entre Nihon Cement Company y Sanyo Chemichal Industries. El 15 de octubre de 1985, se concedió el Número de Patente U.S. 4,547,223 a Goto et al., por la invención, el principal componente del cual es un eter alkil polioxialkileno, un derivado alkilenóxido con menos alcohol. Desde entonces, ha crecido el interés en esa tecnología, y el 17 de Septiembre de 1996, se concedió el Número de Patente U.S. 5,556.460 a Berke et al, por un SRA con una composición básica similar.

Nihon Cement y Sanyo Chemichal Industries han desarrollado varios SRAs. Estos aditivos son líquidos de baja viscosidad y solubles en agua, que funcionan reduciendo la tensión capilar que se desarrolla dentro de los poros de concreto a medida que seca.Se usan principalmente como aditivos integrales, pero pueden aplicarse directamente a una superficie de concreto como una aplicación local. Aquí se presentan los datos de rendimiento funcional para los dos métodos de aplicación.Para propósitos de aplicación, el aditivo reductor de contracción de Nihon Cement/Sanyo Chemichals referenciado en este artículo, se va a indicar como un SRA-M.

Aplicación integral del SRA-M

La gama de dosificación para el SRA-M cuando se usa integralmente es de 6.0 a 10.0 kg/m3 (1.2 a 2 gal/yd3) de concreto. Sin embargo, para la mayoría de las aplicaciones, la dosificación recomendada es de 7.5 kg/m3 (1.5 gal/yd3).Este aditivo se puede introducir en la mezcla de concreto, ya sea durante la dosificación inicial o como una adición retardada. Para mantener la consistencia, el contenido de agua de mezclado se reduce en la cantidad de SRA-M usado. Con excepción del ajuste en el contenido del agua de mezclado, no se requiere ningún otro cambio cuando se agrega SRA-M a una mezcla de concreto.

Efecto del SRA-M sobre las propiedades plásticas del concreto

El SRA-M tiene poco efecto en el revenimiento y el contenido de aire, como se muestra en los datos de la Tabla 2.Las evaluaciones de laboratorio también indican que el SRA-M tiene un efecto insignificante sobre el revenimietno y la pérdida de aire. Sin embargo, se pueden retardar los tiempos del fraguado. En pruebas Proctor de pentración para para una relación agua/cemento de 0.44 y 20 C (68 F), los concretos con un revenimiento nominal de 75 mm (3 pulg), los tiempos de fraguado inicial y final se retardaron en aproximadamente 1 hr. a temperatura ambiente de 10 C (50 F); un poco más de 2 hr a 20 C y, en aproximadamente 1 hr 20 min. a 30 C (86 F). Las pruebas de sangrado en concreto de revenimiento nominal de 75 y 175 mm (3 y 7 pulg) indican que los concretos tratados con SRA-M pueden sangrar ligeramente por más tiempo y aproximadamente 10 % más que el concreto no tratado acompañante.En todas estas evaluaciones, se usó el SRA-M a 7.5 kg/m3.

Efecto del SRA-M sobre las propiedades del concreto endurecido

Los datos de la Tabla 2 también muestran que el SRA-M tiene un efecto mínimo en la resistencia a compresión. Los datos muestran también características de desarrollo de resistencia similares a las de un concreto no tratado.<

En la Fig. 3 se muestra el efecto del SRA-M sobre la contracción por secado para una mezcla de concreto con un contenido nominal de cemento de 300 kg/m3 (506 lb/yd3) y de una relación a/c de 0.53. El SRA-M se usó a niveles de dosificación de 7.5 y 10.0 kg/m3 (1.5 y 2.0 gal/yd3).Los datos muestran una reducción en la contracción por secado de aproximadamente 50 a 60 % a 28 días, y de 40 a 50 % después de 12 semanas para concretos tratados con el SRA-M. Se han obtenido reducciones similares en la contracción por secado en pruebas de exposición al aire libre a largo plazo, como se muestra por los datos de la Fig. 4 y en estudios llevados a cabo en otros SRAs.

Las evaluaciones comparativas muestran que las características de reducción de contracción de un SRA disponible comercialmente (SRA-G) que se introdujo en Estados Unidos a finales de 1995, es idéntico al de SRA-M (Fig. 5). En la Tabla 3 se da más información pertinente para mezclas de concreto probados a esta evaluación comparativa.

Aplicaciones locales del SRA-M (método de impregnación)

El SRA-M se absorbe en el concreto y se reduce la contracción por desecación. En sí, puede aplicarse también localmente a las superficies de concreto. En tales aplicaciones, que se conocen como método de impregnación, el SRA-M se aplica con brocha a la superficie, o bien en espray a tasas de entre 100 y 300 mL/m3 (0.03 a 0.09 galones/pie2)

Típicamente se obtiene un mejor rendimiento con tasas de aplicación más altas de SRA-M.El rendimiento también se ve afectado por factores tales como el tiempo de aplicación, grosor del miembro, a/c, y la cantidad del SRA-M absorbido, el que a su vez, es influenciado por las condiciones de secado de la superficie del concreto, el acabado de la superficie, y la densidad del concreto.

Las aplicaciones locales del SRA-M pueden comenzarse en cualquier momento después de que se detiene el sangrado, y a edades tempranas del concreto.Sin embargo, si se usa el método de impregnación antes del fraguado final, se puede retardar ligeramente el endurecimiento de la superficie.

Los datos de rendimiento para el métdo de impregnación se presentan en la Fig. 6 para tasas de aplicación deL SRA-M de 200 y 300 mL/m2 (0.06 y 0.09 gal/pie2). Fueron evaluados los concretos con relación w/c de 0.45 y 0.65 y especímenes de 50 y 100 mm (2 y 4 pulg de grueso) a los que se les permitió secarse desde ambos lados. La designación usada en la leyenda en la Fig. 6 denota la a/c y el grosor del espécimen. Por lo tanto, "0.45-50" representa un espécimen de un grosor de 50 mm para conretos con una relación de a/c de 0.45. Los datos, obtenidos después de 4 semanas de exposición, muestran que el método de impregnación reduce efectivamente la contracción por secado, especialmente a la relación más alta a/c de 0.65. Como se esperaba, se obtuvo un rendimiento ligeramente mejor, a la tasa de aplicación más alta del SRA-M de 300 mL/m2 (0.09 gal/y2).

Para propósitos de comparación, tambíen se presentan datos de concreto no tratado y concreto con aditivo SRA-M>a una dosificación de 7.5 kg/m3. Los datos muestran que mezclado íntegramente, el SRA-M es más efectivo que el método de impregnación.En relación con el concreto no tratado, los datos también muestran que la contracción por secado se redujo en aproximadamente del 50 al 60 % cuando se agregó íntegralmente una dosificación de 7.5 kg/m3 de SRA-M.

Proyectos de SRA-M

Desde 1983, el SRA-M ha sido usado en una gran variedad de proyectos en el Lejano Oriente, particularmente en Japón. Las aplicaciones incluyen losas, pavimentos, puentes, muros guía, contenedores, presas, y plantas de filtración. En la Tabla 4 se presenta información sobre varios proyectos, incluyendo volúmenes de concreto tratados con SRA-M.

Impacto de la contracción por secado

Como se dijo anteriormente, la mayor preocupación con respecto a la contracción del concreto es el potencial para el agrietamiento.< Otras problemas potenciales son el ondulamiento de las losas, la estabilidad dimensional de miembros de concreto, y la pérdida de presfuerzo en aplicaciones presforzadas.Típicamente se toman en consideración estabilidad dimensional y pérdida de presfuerzo durante el diseño, y a menos que la contracción real exceda en mucho el valor de diseño, no debe existir ningún problema.

< El agrietamiento debido a la contracción ocurre principalmente debido a la restricción. La restricción puede aplicarse externamente como una capa superpuesta adherida, o debido a factores internos tales como refuerzo o contracción no uniforme dentro del grosor del miembro de concreto. El cocreto que no está restringido, como por ejemplo, un cilindro de 100 x 200 mm (4 x 11 pulg) no se agrietará debido a la contracción.El módulo de elasticidad y las características de escurrimiento plástico, afectan también la tendencia al agrietamiento.

El mecanismo por el cual ocurre agrietamiento es bastante simple.En un ambiente dado, el concreto que no está restringido tiene el potencial para agrietarse en una cantidad dada. Si toda, o una porción de esa contracción se restringe, se desarrollarán esfuerzos de tensión.Cuando los esfuerzos de tensión inducidos exceden la resistencia a tensión del concreto, ocurre agrietamiento. Las grietas proveen un fácil acceso al oxíge no, humedad, cloruros, y otros químicos agresivos en la matriz, y puede, por lo tanto, impactar la durabilidad a largo plazo del concreto. A este respecto, el ancho y la orientación de la grieta se vuelven factores importantes.

El ondulamiento es el levantamiento de una losa en sus orillas causado por contracción diferencial entre la superficie superior y la inferior de la losa, debido a cambios de humedad y temperatura.Además de ser desagradable a la vista, se crea el potencial para el agrietamiento debido a cargas de tráfico, y en algunos casos a la masa misma de la losa.El ondulamiento puede reducirse o eliminarse minimizando los cambios diferenciales de humedad y temperatura relacionados con el volumen dentro de una losa.Por lo tanto, entre otras cosas, son deseables técnicas que conduzcan a una reducción de la contracción por secado.

Se han llevado a cabo varias evaluaciones, pruebas de laboratorio y exposiciones, para demostrar la capacidad del SRA-M para reducir el agrietamiento debido a contracción por secado.Ambos métodos de aplicación, la integral y de impregnación, se han investigado en estas evaluaciones. Las observaciones visuales períodicas de las unidades de prueba, muestran que el SRA-M es efectivo para reducir el agrietamiento debido a la contracción por desecación, como se indica en el segmento de revestimiento de un túnel en la Fig. 7.

Resumen y conclusiones

La contracción del concreto, en particular la contracción por secado, es invevitable, y debido a la restricción, puede ocurrir agrietamiento.Sin embargo, con buenas prácticas de vaciado del concreto y de construcción, puede minimizarse la contracción y el subsecuente agrietamiento.

Para minimizar la contracción por secado, el contenido total de agua de la mezcla de concreto debe mantenerse tan bajo como sea posible, para la aplicación pretendida. Esto puede lograrse usando un alto contendio de agregados duros y rígidos que estén libres de recubrimientos de arcilla y usando aditivos HRWR o MRWR. Además, el concreto no debe ser retemplado con agua adicional en el sitio de la obra. La aplicación de un buen sellador de superficie después del curado o el descimbrado de los moldes puede ser también benéfico.

En este artículo, se ha presentado información sobre el novedoso aditivos reductor de contracción que se han usado desde 1983, el SRA-M. Los datos muestran que este aditivo reductor de contracción usado integralmente, o en aplicación locales, recucirá efectivamente la contracción por secado del concreto y, consecuentemente, el agrietamiento. Debido a su efectividad, se ha usado en una gran variedad de aplicaciones de vaciado de concreto desde l983 [Ver Tabla 4 para una lista parcial - el volumen total del concreto tratado excede los 37,000 m3 (48,400 yd3)].

;Charles K. Nmai es Miembro del ACI y gerente técnico senior en el Departamento de Comercialización en Master Builders Inc., Cleveland, Ohio. Tiene un doctorado en ingeniería civil de la Universidad de Purdue. Es miembro del Comité E 701 del ACI, Materiales para Construcción con Concreto; 201, Durabilidad; 222, Corrosión; y 363, Concreto de Alta Resistencia.

;Fumiaki Hondo es jefe de la unidad de sistemas de construcción & materiales intracorporation de Sanyo Chemical Industries, Ltd., Japón. Tiene un grado de Maestría en ingeniería de la Universidad de Yamaguchi, y es miembro miembro del Instituto de Concreto del Japón. Sus intereses de investigación incluyen aditivos orgánicos para concreto.

;Rokuro Tomita es gerente general del departamento de desarrollo de negocios de Hihon Cemento Co., Ltd., Japón. Recibió su título de ingeniería del Instituto de Tecnología de Tokio en 1971; en 1994 recibió su doctorado en ingeniería. Es miembro de la Sociedad Japonesa de Ingeniería Civil y del Instituto del Concreto de Japón.

;Julie Buffenbarger es gerente e investigadora de productosde de Master Builders. Ella tiene una maestría en síntesis orgánica de la Universidad Estatal de Bowling Green, Ohio, y 5 años de experiencia industrial en química analítica y tecnología de la cerámica. Es miembro de la Sociedad Quimica Americana