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HORMIGONADO EN TIEMPO FRIO
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1. Generalidades

Las prácticas constructivas que se aplican para el hormigonado en tiempo frío, tienen por objeto asegurar que el material desarrolle resistencia y condiciones de durabilidad tales que, tanto durante la puesta en servicio como a lo largo de su vida útil prevista, la estructura soporte en forma satisfactoria las exigencias a que será sometida.

Se designa como "Tiempo Frío" en lo que se refiere al hormigón, a todo aquél en que la temperatura ambiente es inferior a 4,5º C. Este valor está fijado por la reacción química producida por la hidratación del cemento: por debajo del mismo, la reacción se detiene, lo que impide el desarrollo de la resistencia del hormigón en el tiempo.

Temperaturas por debajo de 0º C pueden llevar a la destrucción parcial o total del hormigón debido a las fuertes tensiones de tracción que se originan al congelarse el agua contenida en la masa del material. En este aspecto, el hormigón resulta particularmente vulnerable cuando está fresco, es decir que aparte de carecer de la resistencia suficiente, contiene en su masa una gran cantidad de agua que aún no ha reaccionado con las partículas de cemento. A los fines prácticos, se considera que la saturación de agua ha disminuido lo suficiente cuando el hormigón alcanza una resistencia a la compresión superior a los 3,5 MPa (35 Kg./cm2).

Pero las prácticas constructivas deben asegurar la protección del hormigón, no sólo en las primeras horas a contar desde su colocación en los moldes, sino que debe continuarse el cuidado para que alcance el desarrollo de la resistencia en el tiempo a los valores requeridos por el proyecto.

La temperatura ambiente de 4,5º C resulta pues el valor tope superior a partir del cual, y según baje la temperatura, deberán tomarse distintas medidas de protección del hormigón.

En general, en las distintas regiones del país y según la época del año, es posible predecir las variaciones de temperatura ambiente que puedan afectar a una obra y -en particular-, la posibilidad de que se produzcan heladas. Y de acuerdo a los valores de temperaturas mínimas que se prevean, deberán ser los medios de protección a emplear.

2. Protección del hormigón expuesto a la acción de las bajas temperaturas

La protección efectiva del hormigón para defenderlo del frío, consiste básicamente en mantenerlo a una temperatura y con un tenor de humedad que asegure el desarrollo de la resistencia y la durabilidad en el tiempo.

En la Fig. 1, puede apreciarse la evolución de la resistencia de un hormigón dosificado con cemento Portland normal para distintos valores de temperatura de curado.

Desarrollo del la resistencia del hormigón a distintas temperaturas de curado

Figura 1

En la Fig. 2, se muestra la diferencia de evolución de la resistencia del hormigón en la primera edad, para una dosificación con cemento Portland normal y otro de alta resistencia inicial a distintas temperaturas.

También, un más rápido desarrollo de la resistencia se obtiene con la reducción de la relación agua/cemento. Y esta reducción del contenido de agua tiene un efecto adicional en el caso del frío, ya que reduce la exudación y con ello la evaporación, factor éste último que también hace bajar la temperatura en la superficie del hormigón. La relación agua/cemento puede bajarse agregando más cemento o usando algún aditivo reductor de agua de amasado. La exudación puede reducirse usando aditivos incorporadores de aire.

Relación entre la resistencia del hormigón con cemento normal y con cemento de alta resistencia inicial en la primera edad

Figura 2

Otro factor que debe ser tenido en cuenta, es el agregado de algún aditivo acelerador de resistencia inicial que no contenga cloruro de calcio.

En el caso del uso simultáneo de distintos tipos de aditivos, debe asegurarse que sean compatibles entre sí.

El curado posterior al fraguado que mantenga el hormigón con un elevado tenor de humedad, es también un importante medio para obtener un más rápido desarrollo de la resistencia.

De todo esto surge, que el primer elemento de protección contra el frío está en el hormigón mismo, en una cuidada dosificación y curado para conservar el calor de hidratación.

A medida que las temperaturas ambiente van haciéndose más bajas, pueden ser necesarios otros elementos de protección adicionales, todos tendientes a mantener en forma permanente un determinado nivel térmico en el hormigón, sin pérdidas de humedad. Esto se consigue -inicialmente-, manteniendo en el momento de la colocación una temperatura del hormigón por encima de la temperatura ambiente.

La tabla que se incluye a continuación relaciona ambas temperaturas: la del hormigón, con una temperatura ambiente para distintos tipos de estructuras:

Relación entre la temperatura ambiente y la del hormigón durante la colocación

Para alcanzar estas temperaturas del hormigón en el momento de su elaboración, puede ser necesario calentar previamente los materiales componentes. La ecuación térmica correspondiente es la siguiente:

Donde: C: peso del cemento; tc: temperatura del cemento; P: peso de la piedra; tp: temperatura de la piedra; Ar: peso de la arena; tar: temperatura de la arena; Wp: peso de la humedad de la piedra; War: peso de la humedad de la arena; Ar: Peso del agua de amasado; Tag: temperatura del agua de amasado.

De todos los materiales, el agua de amasado resulta más fácil de calentar, e incorpora a la mezcla más calorías que los demás individualmente considerados (Ver Anexo I). En la Fig. 3 puede apreciarse para un caso particular, el efecto del agregado de agua caliente de amasado sobre la temperatura final del hormigón. La temperatura del agua, a veces resulta insuficiente ya que no puede elevarse por encima de 85º C, pues su contacto con el cemento puede producir acciones indeseables en el hormigón. Por ello suele ser necesario calentar también los agregados, para lo cual existen distintos métodos. Si se calientan agua y agregados, deben ser mezclados en la hormigonera previamente a la incorporación del cemento, para que cuando se agregue éste, la temperatura en la máquina no supere los 27º C. Temperaturas más elevadas llevarán a pérdida de asentamiento del hormigón y al fraguado brusco, que originaría fisuras y juntas de trabajo no previstas.

Modificación de la temperatura del hormigón fresco por agregado del agua de amasado caliente

Figura 3

Pero no debe partirse solamente de una temperatura elevada en el momento de la colocación, sino que a continuación -y mientras dure el período de protección (e inclusive de curado)-, debe evitarse su caída brusca, lo que podría significar serios daños para la estructura. En la tabla siguiente pueden apreciarse las temperaturas a que es conveniente mantener el hormigón durante el período de protección:

Temperatura del hormigón fresco durante el período de protección

Para evitar daños al hormigón, debe mantenérselo a temperaturas de protección de la tabla anterior, durante los períodos que se indican en la tabla siguiente:

Tiempo mínimo de protección durante el tiempo frío con la temperatura de protección

(*) O agregar 60 Kg. de cemento normal por m3.

3. Prácticas constructivas recomendables a medida que bajan las temperaturas

• Controlar sistemáticamente la temperatura ambiente y de los materiales.
• Cuando la temperatura ambiente es mayor de 4,5º C, estacionaria o con tendencia a aumentar: se puede hormigonar sin tomar precauciones especiales, si bien al acercarse a esta temperatura límite debe acentuarse el cuidado del curado del hormigón.
• Cuando la temperatura ambiente se encuentra entre 4,5º y 0º C, sin tendencia a disminuir:
   a) Verificar que los agregados no contengan escarcha o nieve, ni estén congelados.
   b) Verificar que los encofrados o la subrasante (en el caso de pavimentos) donde va a hormigonarse no tengan escarcha o estén congelados.
   c) Emplear cemento Portland o de alta resistencia inicial, evitando el uso de cementos de bajo calor de hidratación (Ver Fig. 4).

Desarrollo de la resistencia de un hormigón para distintas cantidades unitarias de cemento portland normal tempertaruras de curado 4.5ºC

Figura 4

   d) Aumentar la cantidad unitaria de cemento en base a las pérdidas de resistencia que se prevean por la acción del frío.
   e) Evitar todo exceso de agua de amasado en la mezcla.
   f) Utilizar aditivo acelerador de resistencia inicial si la obra lo permite.
  g) Cubrir con láminas de polietileno o materiales similares las superficies horizontales expuestas a la intemperie, para evitar pérdidas de calor y humedad
  h) No tener en cuenta, para el tiempo de encofrado, los días en que la temperatura promedio fue inferior a 4,5º C.

• Cuando la temperatura ambiente se encuentra entre 0 y -5º C sin tendencia a disminuir:

   a) No iniciar el hormigonado si no se cuenta con los elementos de protección aconsejables.
   b) Utilizar cemento de alta resistencia inicial con alto contenido de cemento por m3.
   c) Usar aditivo acelerador de fraguado.
   d) Usar aditivo reductor de agua de amasado e incorporador de un 4% de aire.
   e) Reducir al mínimo el agua de amasado compatible con la trabajabilidad que requiere la obra. Esto puede conseguirse usando medios de compactación más enérgicos.
   f) Tapar los agregados, en especial durante las horas más frías de la noche y mañana, o almacenarlos bajo techo e inclusive calentarlos si la situación lo requiere.
   g) Calentar el agua de amasado en las condiciones ya descriptas.
   h) Tener en cuenta que cuanto mayor sea la relación entre la superficie de evaporación y el volumen total de hormigón, tanto mayor será la sensibilidad del material al frío.
   i) Tomar precauciones especiales de colocación y curado para elementos estructurales delgados.
   j) Proteger las superficies expuestas del hormigón fresco contra el frío y la desecación, tapándolas con pliegos de polietileno, lonas, papel, fieltros o cartones asfálticos, etc. (Ver Fig. 5).

Pérdida de temperatura del hormigón por la acción del frío, columnas protegidas y sin protección

Figura 5

   k) Evitar largos recorridos de las motohormigoneras; esperas en obra antes de la descarga; largos recorridos de carritos o canaletas demasiado largas; es decir, todo lo que signifique una demora para el hormigón entre su elaboración y su colocación definitiva en los encofrados.
   l) Usar encofrados de madera gruesa o isotérmicas dobles. No usar encofrados metálicos, salvo que se disponga un sistema de calentamiento de los mismos.
   m) No agregar al hormigón sales u otros productos destinados a descongelar los agregados.
   n) No hormigonar sobre otro hormigón que haya sido dañado por la helada; el material dañado debe ser retirado de la obra como un desperdicio.
   o) No suspender la acción de los medios de protección hasta tanto no se tenga la certeza que los valores de resistencia estén acorde con las necesidades de seguridad y durabilidad de la estructura.
   p) En todos los casos puede ser una importante ayuda el curado con vapor de agua. Para ello debe envolverse la estructura en una especie de carpa o bolsa que permita la distribución del vapor, de modo que se obtenga uniformidad de temperatura en los distintos sectores. Es una forma de curado ideal, ya que no sólo aumenta la temperatura del aire que está en contacto con la superficie del hormigón, sino que hace un importante aporte de humedad para el curado.
   q) Membrana de Curado: una vez terminado el período de protección con curado húmedo y luego que la temperatura ambiente supere el punto de congelación, pueden utilizarse membranas de curado formadas por vaporización de productos líquidos.

• Cuando la temperatura ambiente está por debajo de los -5º C deben tomarse todas las precauciones indicadas y además, según sea el caso, deben poder mantenerse las estructuras artificialmente tibias mediante el uso de elemento calefactores durante el tiempo que sea indispensable, para obtener el crecimiento de resistencia necesario sin posibilidad de oscilaciones bruscas de la temperatura y humedad de la estructura. Habrá que estudiar el costo de la inversión a efectuar en sistemas de protección y elementos de calefacción, el que será justificado por la importancia de la obra. De acuerdo a las necesidades de protección, puede irse desde el simple recubrimiento de las estructuras con los elementos ya mencionados, hasta la formación de una verdadera carpa que cubra totalmente la estructura y reciba calefacción integral. La calefacción puede hacerse mediante quemadores industriales de combustibles líquidos, ventiladores calefactores con motor a explosión, estufas tipo salamandra alimentadas con carbón de leña o mineral o con combustibles líquidos, etc.
· Al usar cualquier tipo de calefactor debe prevenirse la posible pérdida de humedad del hormigón en su zona de acción. En general, los calefactores que queman combustibles líquidos o sólidos, producen dióxido de carbono, por lo que no deben usarse hasta por lo menos 24 horas después de hormigonado, salvo que exista una buena ventilación que asegure la eliminación del gas. El dióxido de carbono se combina con el hidróxido de calcio del hormigón fresco, formando en la superficie una capa débil de carbonato de calcio, que al ser ligeramente raspada se convierte en polvo. Otro cuidado a tener cuando se utilizan sistemas de calefacción, es que no se produzcan grandes variaciones de temperatura entre distintas zonas de la estructura, lo que puede producir daños a la misma. Una adecuada ventilación y circulación del aire en la zona caldeada, soluciona el problema.
• Por debajo de -10º C no es conveniente hormigonar, salvo que se trate de hormigón masa al que se pueda asegurar, en especial en esquinas y paramentos a la intemperie, con medios de protección para evitar bruscas caídas de temperatura y humedad.

CALENTAMIENTO DE AGUA DE AMASADO

Temperatura ambiente: -5 ºC
Dosificación del hormigón para: 1 m3
Cemento normal: 375 kg
Agregado grueso: 1.130 kg
Agregado fino: 720 kg
Humedad agreg. grueso: 11 litros
Humedad agreg. Fino: 22 litros

Ejemplo de aplicación:

Agua de amasado: 132 litros
Temperatura del cemento en silos: 22 ºC
Temperatura del agregado grueso (tapado con lonas): - 2 ºC
Temperatura del agregado fino (tapado con lonas): - 2 ºC
Temperatura del agua de amasado calentada a: 80 ºC

Aplicamos los valores directamente a la fórmula:

T = 0,22 x 375 x 22 + 0,22 x 1130 x (-2) + 0,22 x 720 x (-2) +11 x (-2)+ 22 x (-2) + 132 x 80
0,22 x 375 + 0,22 x 1130 + 0,22 x 720 + 11 + 22 + 132

La temperatura del hormigón T= 17,5 ºC