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Fisuras por contracción
plástica del concreto

La fisuración por contracción plástica es uno de los principales problemas de las estructuras de concreto de grandes superficies. De ahí la importancia de analizar algunos aspectos vinculados a este fenómeno.

La fisuración por contracción plástica del concreto ocurre cuando éste se halla aún en estado plástico, y durante las primeras horas en que ha sido colocado. En general, se presenta en condiciones ambientales extremas, como altas temperaturas, bajas humedades y altas velocidades de viento, lo que origina la rápida evaporación del agua de la superficie de concreto. Esta evaporación de agua ocasionada por el sol y el viento, provoca la contracción en la superficie del concreto, sometiéndola a grandes esfuerzos internos en una etapa en la que aún no ha alcanzado la suficiente resistencia a la tensión para soportarlos, y por lo tanto esta superficie se agrieta.

Las fisuras de contracción plástica son antiestéticas; sin embargo, raramente afectan la resistencia y durabilidad de los pisos y los pavimentos. No obstante, si a través de éstas ingresan sustancias perjudiciales pueden afectar el desempeño de la estructura y disminuir su durabilidad. Por lo tanto, es importante controlar, evaluar y evitar la aparición de fisuras por contracción plástica para lograr estructuras más durables que aseguren un ciclo de servicio aceptable con el menor costo de mantenimiento (Fig. 1).

El fenómeno de las fisuras

El mecanismo de la generación de fisuras por contracción plástica es el siguiente (Fig. 2):

1. El agua de exudación aparece en la superficie.
2. La evaporación del agua es mayor que la velocidad del agua de exudación.
3. La superficie del concreto se seca.
4. La superficie de concreto trata de contraerse.
5. El concreto húmedo trata de resistir la contracción.
6. Se generan esfuerzos en el concreto plástico.
7. Se forma la fisura de contracción plástica.

Las fibras como aliadas

Un procedimiento habitual para evitar la aparición de fisuras en el concreto es la adición de fibras a la mezcla. En general, las fibras cosen las fisuras del concreto formando un enlace entre los agregados gruesos, lo que permite una formación controlada de las fisuras, lo cual implica que el concreto se comporte como un material dúctil después de la fisuración inicial, evitando así la fractura frágil.

Históricamente, las fibras en la construcción, principalmente las de acero, se han usado desde hace muchos años. Su contribución al mejor desempeño del concreto es evidente al incrementar de manera importante la tenacidad, la capacidad de carga a flexión, y el comportamiento postfisuración, permitiendo sostener cargas hasta valores altos de deformación. Actualmente, el concreto reforzado con fibra es un elemento indispensable en la construcción de pisos industriales de alto desempeño, pavimentos, cubiertas para puentes, concreto lanzado para la estabilización de taludes, y para revestimiento de túneles, entre otros usos. Sin embargo, las fibras sintéticas y en particular las de polipropileno han ganado popularidad recientemente, como una alternativa práctica para controlar la fisuración por contracción plástica, además de incrementar la tenacidad y la resistencia al impacto.

El beneficio de usar fibras sintéticas en mezclas de concreto es principalmente a edad temprana, aunque también dichos beneficios, continúan en el concreto endurecido. El aporte de estas fibras en el concreto endurecido se refleja en la menor permeabilidad, mayor resistencia a la fractura, abrasión e impacto. Cuando el concreto sin fibras se somete a compresión, se fracturará y fallará con la aparición de la primera fisura; sin embargo, el concreto reforzado con fibra se mantiene fuertemente unido hasta mayores niveles de carga. Además, por la presencia de las fibras, la cantidad de agua de exudación varía menos, por lo tanto, se obtiene una mayor resistencia a la abrasión y la posibilidad de la aparición de fisuras en la superficie se reduce considerablemente.

Métodos de evaluación de fisuras

Existen varias técnicas para estudiar la fisuración por contracción inducida en el concreto. Entre estos se puede mencionar los especímenes lineales con restricción en los extremos o con un extremo fijo y el otro móvil; el espécimen tipo losa donde las restricciones son perpendiculares; y el espécimen tipo anillo.

Aunque son efectivas para mediciones en laboratorio, la mayoría de estas técnicas producen esfuerzos en el espécimen que son diferentes a los que ocurren en las aplicaciones prácticas. Desafortunadamente, es difícil proporcionar suficiente restricción para producir la fisuración en especímenes lineales, especialmente cuando las dimensiones de las secciones transversales son grandes. Algunos investigadores han usado especímenes largos (1.5 m) con extremos ensanchados y restringidos, de sección transversal pequeña (70 x 100 mm) para producir la fisuración por contracción (Fig. 3a). Otros investigadores han usado especímenes tipo losa para simular la fisuración debido a la contracción restringida (Fig. 3b). En este tipo de restricción la contracción se presenta en dos direcciones, y se produce un estado biaxial de esfuerzos; por lo tanto, los resultados que se obtienen pueden depender de la geometría además de las propiedades del material. También, se han usado pruebas de contracción restringida en anillos de acero. Otros investigadores han usado otros tipos de losa con anillos para generar la restricción y producir las fisuras (Fig. 3c).

Método de prueba del panel rectangular ASTM C1579

Entre los métodos de prueba que actualmente son empleados para evaluar la potencial fisuración del concreto debido a la contracción tecnología plástica a edades tempranas está el ASTM C1579 (Standard test method for evaluating plastic shrinkage cracking of reinforced concrete using a steel form insert). Este método evalúa la contracción plástica mediante la comparación del patrón de fisuración de superficie de paneles rectangulares de concreto reforzado con fibras, con el patrón de fisuras de paneles rectangulares de un concreto de referencia, sin fibras, sometidas a condiciones específicas de alta evaporación. El método consiste en someter paneles rectangulares de concreto a velocidades de viento de 4 m/s en una cámara de condiciones constantes de humedad (Humedad relativa del 30 %) y temperatura (36 °C). El parámetro de mayor importancia es la velocidad de evaporación del agua, que se debe mantener en un valor mínimo de 1 kg/m2/h para asegurar la generación de la fisura. La Fig. 3 muestra un esquema de las dimensiones del panel y de las restricciones. La prueba termina cuando se completa el fraguado final del concreto, que se determina de acuerdo con la ASTM C403, sin embargo, el espesor de fisura final se determina a las 24 horas de iniciado el mezclado.

Método de prueba del anillo ACI 544.2R

Otro método de prueba que ha sido usado durante muchos años por un gran número de investigadores es el ensayo tipo anillo, desarrollado en Noruega, y reportado en el ACI 544.2R (Measurement of properties of fiber reinforced concrete). El ensayo tipo anillo ha mostrado ser un método que proporciona un grado de restricción elevado y constante que permite resultados consistentes en muestras de pasta, mortero y concreto. El dispositivo de prueba consiste de dos anillos de acero, y una base metálica, cuyas dimensiones se muestran en la Fig. 5. El anillo exterior tiene soldadas doce restricciones que sirven para generar la fisuración.

La prueba consiste en moldear una muestra de concreto entre los dos anillos metálicos para formar un anillo de concreto de 15 cm de espesor y 8 cm de altura. La mezcla de concreto se moldea en una sola capa y la compactación se hace sobre una mesa de vibrado. Todo el conjunto se somete a un flujo de aire constante (4 m/s) en un ambiente controlado de humedad (40% de Humedad relativa) y temperatura (20° C). La Fig. 6, muestra un esquema de la prueba de fisuración por contracción plástica. Para controlar la temperatura, humedad y viento se usan aparatos comercialmente disponibles. También se puede calcular la evaporación de agua de la superficie de concreto y por lo tanto predecir el posible inicio de la fisuración por contracción plástica. Para ello se dejan probetas cúbicas de concreto adyacentes a los anillos de prueba, sometidas a las mismas condiciones de ambiente.

La prueba tiene una duración de 6 horas desde que se inicia el proceso de secado. La cuantificación de la fisuración se basa en determinar el número, longitud y ancho máximo de fisuras que se desarrollan en la superficie del concreto.

Otro parámetro representativo de esta prueba es el índice de fisura, y se refiere al valor promedio de todos los anchos de fisura que se mide en la intersección de las fisuras y las circunferencias trazadas sobre la superficie superior de cada espécimen. Las circunferencias se trazan sobre la superficie de concreto a una distancia de 48.3 mm una de otra. La Fig. 5 muestra un esquema característico del trazado de las circunferencias sobre la cual se hace la medición. También se puede calcular el área total de fisuración que es la suma de las áreas de todas fisuras sobre la superficie de concreto.

Conclusiones

Existen varias metodologías para evaluar la fisuración por contracción plástica del concreto. Diversas geometrías y tipo de restricción se han empleado para esta evaluación, sin embargo, los principales métodos se basan en especímenes lineales, tipo losa y tipo anillo. La ASTM C1579 especifica el empleo de paneles rectangulares con restricciones para inducir la fisuración por contracción plástica; sin embargo, el método que se basa en especímenes tipo anillo que está documentado en el ACI544.2R también se utiliza para evaluar este fenómeno, aunque no ha sido especificado como norma ASTM.

Textos: Carlos Aire (Instituto de Ingeniería de la UNAM)

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