EL CONCRETO EN CLIMAS FRÍOS : CONSIDERACIONES

En general se consideran condiciones extremas de temperatura para el concreto cuando la temperatura ambiental es inferior a 5º C y superior a los 28º C, en cuyo caso se debe tener especial cuidado en la selección de materiales, dosificación, preparación, transporte , curado, control de calidad, encofrado y desencofrado del concreto. También podemos considerar como condición extrema la combinación de condiciones especiales de temperaturas ambientes, humedades relativas y velocidad del viento. Es necesario que se obtengan registros históricos de las temperaturas ambientales máximas y mínimas de la zona en donde se construye la obra.

Según el ACI-306R («Cold Weather Concreting») se considera clima frío si la temperatura ambiental media por más de 3 días consecutivos es menor de 5ºC. Si la temperatura ambiental media se mantiene superior a 10ºC ya no se considera clima frío.  En el caso de las normas Peruanas y otras sudamericanas consideran clima frío a aquel en que, en cualquier época del año la temperatura ambiente puede estar por debajo de 5 ºC.

Cuando el concreto se congela el agua libre se convierte en hielo aumentando su volumen que en estado sólido rompe la débil adherencia entre las partículas del concreto, si aún no se ha iniciado el proceso de endurecimiento. Asimismo debido a las bajas temperaturas se produce una disminución de la actividad o reacción química, para el proceso de endurecimiento del concreto el cual puede llegar a disminuir notablemente.

Por todos estos motivos los ciclos de congelamiento y deshielo, pueden afectar gravemente la calidad final del concreto aún cuando se haya iniciado el proceso de endurecimiento. Los climas fríos y muy secos afectan el concreto originando el secado , principalmente de su superficie. La resistencia mínima para que no se produzcan reducciones significativas en la resistencia final del concreto debido al congelamiento es de 35 kg/cm2 (ACI o BS8110), por lo cual es fundamental la protección del concreto durante las primeras 24 horas hasta lograr esa resistencia mínima.

En general las medidas a adoptar en climas fríos se resumen en :

a) Controlar la temperatura del concreto dentro de rangos permisibles durante la preparación, transporte, colocación y curado .

b) Evitar que el concreto se congele hasta lograr su resistencia mínima

MATERIALES

Los materiales (cemento, agregados, agua y aditivos) deben cumplir estrictamente lo establecido en las normas ASTM C150, ASTM C33, ASTM C 494 Los ensayos de calidad de los agregados deberán incluir el de Durabilidad (ASTM C88) El cemento se almacenará en silos debidamente aislados y protegidos, debiendo evitarse utilizar cementos con fraguado lento. Los agregados deberán estar protegidos de las lluvias, nieve o vientos y evitar su congelamiento , especialmente los agregados lavados.

DISEÑOS DE MEZCLA

Los diseños de mezcla deben desarrollarse mediante mezclas de prueba en el lugar de la obra en las mismas condiciones en que estará la estructura a vaciar. Para concretos sometidos a procesos de congelamiento y deshielo, se deberá cumplir con los requisitos de relaciones agua/cemento máximas de tablas en las diversas normatividades según la zona , siendo para ello recomendable utilizar aditivos plastificante-reductores de agua. Debido a las restricciones en la relación a/c los consumos de cemento son usualmente mayores que para una clima en condiciones normales. Ejem. : El Contenido de Cemento para un f´c=210 kg/cm2 puede ser 180/0.50 = 360 kg/m3.

El concreto debe fabricarse con aditivos incorporadores de aire, para permitir la expansión volumétrica del agua de la mezcla durante el congelamiento, teniendo en cuenta la disminución de resistencia por efecto del aire incorporado y el aumento de la trabajabilidad al mismo tiempo.Las dosificaciones usualmente van desde 0.1% al 0.6% en peso del cemento.  Se pueden utilizar aditivos acelerantes de fragua , previo estudio de los tiempos de fragua inicial y final del concreto, para disminuir los tiempos de endurecimiento del concreto. Los aditivos con cloruros no se deben utilizar en el concreto pretensado. En general los aditivos deben haber sido probados al pie de obra antes de usarlos.

PREPARACIÓN DE LA MEZCLA

Para lograr que el concreto tenga la temperatura adecuada es más económico y práctico calentar el agua y/o agregados no siendo recomendable ni económico calentar el cemento ni los aditivos. Calentar el agua es usualmente la mejor alternativa ya que tiene un calor específico 4 o 5 veces mayor que el de los agregados.

Para calentar el agua se utilizan normalmente calderos industriales hasta llegar a una temperatura máxima de 70º C. Para calentar los agregados se utiliza normalmente chorros de vapor , no siendo recomendable los hornos, aire caliente ni fuego directo. Si el agua o el agregado son calentados previamente deben mezclarse entre ellos antes de entrar en contacto con el cemento. La temperatura del concreto fresco se puede determinar previamente en base a la temperatura de los materiales mediante la fórmula:

Donde: Tcf = Temperatura del concreto fresco

Ta = Temperatura de los agregados

Pa = Peso seco de los agregados (Kg)

Tc = Temperatura del cemento

Pc = Peso del cemento.(Kg)

Tw = Temperatura del agua

Pw = Peso del agua

TRANSPORTE DE LA MEZCLA

Debe planificarse los procedimientos de producción de concreto, evitando grandes distancias de transporte, largas esperas en la colocación y largas canaletas de vertido de tal manera que se reduzcan las pérdidas de calor. La siguiente fórmula nos da una referencia de las pérdidas de calor o temperatura cuando se transporta la mezcla en un camión concretero :

Dt = 0.25(T – Ta)

Donde: Dt = Pérdida de calor o temp. ( ºC/ hora de espera)

T = Temperatura deseada en obra

Ta = Temperatura ambiente.

COLOCACIÓN DEL CONCRETO

Los valores mínimos de temperatura de colocación de la mezcla en función de la temperatura ambiente y las dimensiones del elemento a vaciar se indican en la Tabla N º 1.4.1 del ACI 306-R.

Todos los materiales integrantes del concreto así como el acero de refuerzo, material de relleno, y suelo con el cual el concreto ha de estar en contacto, deberán estar libres de nieve, granizo o hielo, recomendando algunos autores mantener la zona a un mínimo de 2º C . Si la temperatura es menor de –10º C se recomienda calentarse el acero de refuerzo mayor de 1″ y los insertos metálicos. En las juntas se puede calentar el concreto antiguo y picarlo profundamente.

El espesor de las capas de concreto debe ser el mayor posible compatible con el proceso de compactación del concreto. La temperatura del concreto fresco no debe ser muy alta para evitar el choque térmico, no debiendo ser mayor en 6º C que la mínima especificada.

CURADO Y PROTECCIÓN DEL CONCRETO

El curado se define como el proceso para mantener la humedad y la temperatura del concreto recién colocado, durante algún período definido posterior a la colocación, vaciado o acabado, para asegurar la hidratación satisfactoria de los materiales cementantes y el endurecimiento y la adquisición de resistencia propios del concreto. Engeneral el curado se debe mantener a 10º C por lo menos los 7 primeros días y por 10 días si se usa cementos IP, IPM o puzolánico.

Luego de la protección inicial durante las primeras 24 horas hasta lograr la resistencia mínima de 36 kg/cm2, es necesario prolongar la protección y curado el mayor tiempo posible siendo lo recomendable la protección y curado por 3 días para luego proseguir con el curado.

Cuando la temperatura del medio ambiente es menor de 5º C, la temperatura del concreto ya colocado deberá ser mantenida sobre 10º C durante el período de curado (mínimo de 6 días para secciones delgadas). Algunos autores recomiendan que si la temperatura está por encima de los 5º C es necesario la protección del concreto sólo las primeras 24 horas. Se tomarán precauciones para mantener al concreto dentro de la temperatura requerida sin que se produzcan daños debidos a la concentración de calor, tratándose de no utilizar dispositivos de combustión, durante las primeras 24 horas, a menos que se tomen precauciones para evitar la exposición del concreto a gases que contengan bióxido de carbono.

Es necesario llevar un registro de las temperaturas ambientales, del recinto y de la superficie del concreto. La caída de la temperatura del concreto en cualquier punto no debe exceder de 3º C por hora o 28º C por 24 horas En concretos de alta resistencia muchas normas especifican un mínimo de protección de 4 días a un mínimo de 10 º C. En general el método más recomendable de protección a temperaturas bajas es el aislamiento completo o encerramiento del concreto fresco, con calentadores o calefactores artificiales en el interior del recinto. Para el curado húmedo es necesario mantener la temperatura de tal manera que el agua no se congele ni sea tan baja que produzca un choque térmico con el concreto en pleno proceso de fraguado.

En el curado húmedo de superficies horizontales, siempre que la temperatura no sea muy baja , se recomienda utilizar capas de paja sobre capas de arena húmeda. En temperaturas demasiado bajas se pueden usar mantas térmicas dejando un espacio entre la superficie y el concreto para suministrar calor. Los curadores de membrana deben utilizarse si están precedidos por curados húmedos.

En condiciones extremas de climas fríos es fundamental e indispensable tomar muestras de testigos adicionales de control en obra para curarlas bajo las mismas condiciones de la estructura vaciada y así verificar la eficiencia de los métodos de protección y curado. Se considera satisfactorio el curado y protección, cuando la resistencia promedio de las probetas de obra son mayores o iguales al 85% de la resistencia de las probetas curadas en laboratorio.

ENCOFRADO Y DESENCOFRADO

Los plazos de desencofrado se deben determinar en base a requisitos de resistencia antes que tiempos mínimos, debiendo el proyectista indicar el % f´c a partir del cual se puede proceder al desencofrado. Para determinar estos plazos son determinantes los resultados de resistencia de la probetas de obra. Los encofrados de madera dan mejor resultado que los metálicos debido a que retienen mejor el calor, salvo que se forren con material aislante en la superficie exterior.

CONTROL DE LA CALIDAD

El control de calidad del concreto (materiales, producción, transporte, concreto fresco y colocación, y concreto endurecido), debe ser mucho más estricto que para condiciones normales. Se debe llevar un control por camión, consignando los datos de tiempo de carguío, tiempo de mezclado, tiempo de viaje, tiempo de espera, tiempo de vaciado, contenido de aire, asentamiento, temperatura ambiental, temperatura del concreto, agua añadida en planta, además de las características físicas de los agregados con controles de humedad cada hora , más aún si la arena es lavada.

Se deben moldear testigos para ensayar a la resistencia a 1 día, 3 días, 7 días y 28 días, dejando de reserva para mayores edades, siendo fundamental tomar muestras adicionales para las probetas de obra.

Los procedimientos del moldeo y curado de las probetas (ASTM C31 y C39), indican que los testigos luego de moldeados deben permanecer a una temperatura entre 16-27º C, mientras que el curado en agua saturada con cal debe mantenerse a una temperatura de entre 21.5º C y 24.7º C. Las mediciones de temperatura seguirán lo indicado en la Norma ASTM C 1064.

ALGUNAS REFERENCIAS

– American Concrete Institute «ACI Manual of Concrete Practice» USA ACI 306R «Cold Weather Concreting».

-American Concrete Institute » Manual de Inspección del Hormigón USA

-Asociación de Productores de Cemento ASOCEM «Boletines Técnicos» Lima, Perú, 1996.

– Collepardi Mario y Coppola Luigi «Mix – Design Calcestruzzo«, Italia, 1990.

-Dreux George «Guía Práctica del Hormigón» Edit Técnicos Asociados, Barcelona, España, 1980.