Durabilidad del Hormigón.

Para cumplir su cometido como material de construcción, el hormigón debe ser no sólo resistente, sino también durable. Dada la importancia de la materia y su complejidad, abordaremos su estudio como sigue:

a) En este apartado expondremos los distintos procesos que pueden degradar el hormigón como material;

b) en el apartado 9.8 haremos lo propio con respecto al acero como material embebido en el hormigón y definiremos el concepto de vida útil de una estructura;

c) finalmente, en el apartado 11.1 1 trataremos de la durabilidad de la estructura como un todo y ofreceremos algunas recomendaciones sobre diseño estructural y estrategias de proyecto frente a la durabilidad.

Todos estos conocimientos son necesarios no sólo para el proyectista sino también para el constructor y el fabricante de materiales, ya que la durabilidad de una estructura depende de las decisiones que se tomen en cada una de las fases del proceso constructivo (ver figura 5.14). El objetivo que se busca es alargar lo ms posible la vida útil de la estructura.

Figura 5.14 Factores que influyen en la Durabilidad de una Estructura.

1º Consideraciones Basicas sobre la Durabilidad del Hormigón.

2º Agentes Agresivos al Hormigón.

3º Ataques Químicos al Hormigón.

5º Elongabilidad del Hormigón.

Poco se conoce de la reología del hormigón sometido a tracción, dada la dificultad de los ensayos y las fuertes dispersiones que se obtienen.

La deformación de rotura del hormigón en tracción vale, aproximadamente, de 0,01 a 0,015 por 100 Y es una medida de su elongabilidad, es decir, de su capacidad para soportar alargamientos sin romperse.

La elongabilidad del hormigón depende, en buena parte, de la ductilidad del cemento, que viene medida por el cociente de sus resistencias a tracción y a compresión, a las mismas edades.

La elongabilidad del hormigón varía apreciablemente con la velocidad de aplicación de la carga, lo cual significa qu existe también en tracción un efecto de fluencia. Este efecto puede elevar la deformación de rotura a valores de 0,03 a 0,04 por 100.

Está demostrado que la elongabilidad es mayor en hormigones de elevada relación agua/cemento en hormigones poco curados y en hormigones jóvenes. Por consiguiente y al igual que sucede con el acero, la elongabilidad se opone a la resistencia; o, dicho de otra forma, los hormigones de buena calidad son más frágiles que los mediocres.

Este hecho explica la realidad experimental de que los hormigones de baja calidad se fisuran poco por retracción, cosa que se comprueba en la práctica con cierta frecuencia. Por el contrario, aunque los hormigones de baja relación agua/cemento experimentan menor retracción, son más susceptibles de fisurarse por esta causa, debido a su baja elongabilidad.

4º Coeficiente de Poisson relativo a las Deformaciones Elasticas.

El coeficiente de Poisson, y, es la relación, cambiada de signo, entre las deformaciones transversales y las longitudinales correspondientes, en piezas que trabajan a compresión simple. El coeficiente de Poisson relativo a las deformaciones elásticas bajo tensiones normales de utilización puede tomarse igual a 0,2, si bien en ciertos cálculos puede despreciarse el efecto de la dilatación transversal. Al aumentar la carga e iniciarse la plastificación del hormigón, el coeficiente de Poisson aumenta rápidamente hasta alcanzar un valor del orden de 0,5.

3º Módulo de Deformación Longitudinal del Hormigón.

No siendo el hormigón un cuerpo elástico, no cabe, en rigor, hablar de módulo de elasticidad, sino de módulo de deformación longitudinal, el cual no tiene un valor constante en el diagrama noval σ-ε , dada la curvatura del mismo.

a) Módulo tangente, cuyo valor es variable en cada punto y  viene medido la inclinación de la tangente a la curva en dicho punto:

b) Módulo secante, CUYO valor es variable en cada punto y viene medido por la inclinación de la recta que une el origen con dicho punto:

c) Módulo inicial, también llamado módulo de elasticidad en el Origen, que corresponde a tensión nula, en cuyo caso coinciden el módulo tangente y el secante. Viene medido por la inclinación de la tangente a la curva en el origen.

De las definiciones anteriores y del examen de los diagramas σ-ε  noval y reiterativo  se deducen las siguientes conclusiones importantes:

• el módulo tangente en el diagrama noval disminuye al aumentar la tensión, llegando a anularse para la tensión máxima;
• el módulo secante en el diagrama noval también disminuye al aumentar la tensión, llegando a un valor del orden del medio al tercio del inicial, para la tensión máxima;
• el módulo secante en el diagrama reiterativo, para tensiones que ya han sido alcanzadas anteriormente, es constante y aproximadamente igual al 85% del módulo inicial en primera carga.

Por consiguiente, cuando se trata de determinar deformaciones para cargas próximas a las de servicio en una estructura (que producen tensiones en el hormigón del orden del 40 por 100 de la de rotura, como máximo), se puede adoptar como módulo secante de deformación un valor constante, para cada tipo de hormigón y humedad ambiente, igual a 0,85 veces el módulo de elasticidad inicial del diagrama noval.

Según el Código Modelo CEB-FIP los diagramas tensión-deformación del hormigón en compresión axil adoptan la forma indicada en la figura 5.11 que expresa con claridad el aumento de rigidez del hormigón a medida que aumenta su resistencia. Tanto dicho código como la Instrucción española ofrecen el siguiente valor medio del módulo de deformación inicial del hormigón (pendiente de la tangente en el origen) a j d(as d edad, para cargas instantáneas o rápidamente variables:

expresión en la que fcmj es la resistencia media del hormigón a j días de edad, que debe expresarse en N/mrn2 para obtener E0j en N/mm2. En cuanto al módulo secante (pendiente de la secante) y según lo indicado anteriormente, puede tomarse igual a (con las mismas unidades que antes):

expresión válida siempre que las tensiones en condiciones de servicio no sobrepasen el 40% de la resistencia característica a compresión a j días de edad. 

Figura 5.11 Diagramas σ-ε del hormigón en los valores absolutos (a) y relativos (b).

Se observará que en las expresiones anteriores figura la resistencia media del hormigón, cosa lógica por ser E0j y E0, valores medios del módulo de deformación, Cuando no se conozca por ensayos la resistencia media del hormigón, su valor a 28 días puede estimarse a partir de la resistencia característica a la misma edad mediante la fórmula fcm = fck + 8 en N/mm2. Para pasar a otras edades, puede utilizarse la tabla 6,3 que proporciona los valores fcmj en función de fcm.

Cuando las cargas son de actuación permanente interviene el fenómeno de la fluencia y las deformaciones aumentan . No obstante, en los casos en que no sea necesaria una gran precisión, pueden determinarse las deformaciones operando con el módulo de deformación para cargas permanentes:

en donde φ , es la relación entre la deformación diferida εcc y la instantánea εc0 Los valores del
coeficiente defluencia φ se dan en la .

2º Diagrama Tensión - Deformación del Hormigón.

El diagrama noval tensión - deformación del hormigón presenta una parte final parabólica y otra inicial sensiblemente rectilínea (fig. 5.7). 

Figura 5.7  diagrama noval σ-E del Hormigón.

a) Repitamos el proceso indicado en a) del punto anterior, pero dibujando ahora el diagrama σ-E (fig. 5.8). Si al llegar a la tensión σ0, descargamos la probeta, la rama descendente que se obtiene es la recta AO’, aproximadamente paralela a la tangente en el origen OT’. Aparece así la deformación remanente 00’, ya conocida. 

Figura 5.8 diagrama no noval σ-E del Hormigón.

A partir de este momento y para los sucesivos procesos de carga-descarga, el hormigón funciona con el diagrama O’AMN, es decir, con un tramo inicial O’A perfectamente elástico y rectilíneo que no variará siempre que no se supere la tensión σ0. El módulo de elasticidad coincide aproximadamente con el inicial del diagrama noval.

Esta rectificación del diagrama noval, suprimiendo la deformación remanente, se produce en la práctica al efectuar una prueba de carga en una estructura.

Mientras el hormigón de un elemento estructural, durante su vida de servicio, se conserve dentro del tramo O’A, el comportamiento de dicho elemento será perfectamente elástico. Pero si un aumento de solicitaciones en una determinada sección del mismo le hace entrar en la rama noval AMN, aparecerán deformaciones relativamente grandes en dicha sección, ya que la curva se va haciendo cada vez más tendida; este fenómeno explica la aparición de rótulas plásticas en estructuras hiperestáticas, con la consiguiente readaptación de esfuerzos, en lo que se refiere al hormigón. Cuando dicha readaptación no es posible el hormigón llega a la rotura en un proceso acelerado e irreversible de deformaciones crecientes, como sucede en los casos de inestabilidad (pandeo).

b) El diagrama noval de la figura 5.8 corresponde a una duración breve del proceso de carga. Si esta duración se hace variar, aumentándola, se obtienen otras curvas del tipo de las dibujadas en la figura 5.9.

Se ponen así de manifiesto, de nuevo, las deformaciones diferidas del hormigón que aparecen bajo carga mantenida. Aún cuando el diagrama de la figura 5.9 no pretende una precisión cuantitativa, sino tan sólo ilustrar cualitativamente el fenómeno, puede observarse (por ejemplo, mirando la horizontal correspondiente a una compresión relativa de 0,4) que las deformaciones de fluencia pueden llegar a ser dos o tres veces mayores que las elásticas correspondientes.

El diagrama muestra, igualmente, el fenómeno de cansancio del hormigón (curva límite rotura bajo carga constante).

c) La edad del hormigón en el momento de aplicación de la carga influye en la magnitud de la fluencia, en el sentido de aumentarla cuanto más joven es el material, como puede apreciarse comparando las figuras 5.9 (edad de 28 días) y 5.10 (edad de un año). 

Figura 5.9 diagrama σ-E de un  Hormigón a 28 dias.

Figura 5.10 diagrama σ-E de un  Hormigón de un año de Edad.

1º Clasificación de las Deformaciones del Hormigón.

Sea una probeta de hormigón, que vamos a someter a un proceso de carga y descarga, observando la evolución de sus deformaciones en el tiempo (fig. 5.6):

Figura 5.6 Deformación del Hormigón.

a) Supongamos que en el momento inicial t = O cargamos la probeta a una tensión a,: aparecerá entonces una deformación OA instantánea. Si descargamos inmediatamente la probeta, la deformación no se anula totalmente; se recupera la mayor parte, O A, y queda una deformación remanente, OO’.

Por consiguiente, hay dos partes en la deformación instantánea del hormigón: la deformación elástica, AO’ y la deformación remanente, 00’. La primera es recuperable y la segunda no.

A partir de este primer ciclo de carga (carga noval), la deformación remanente no vuelve a presentarse, siempre que la tensión a que se someta la probeta no supere a la ya aplicada, o0. Dicho de otro modo, el hormigón se comporta frente a las cargas sucesivas (no novales) como perfectamente elástico.

b) Carguemos ahora la probeta, en el instante t1, de manera que se produzca en ella una tensión σ1 < σ0 aparecerá una deformación elástica BC. Si se mantiene la carga, la deformación irá creciendo con el tiempo según la curva CD, debido al comportamiento plástico del hormigón. Si al llegar al instante t2 se descarga la probeta, se recupera instantáneamente la deformación elástica (DE = BC); y si se deja transcurrir el tiempo con la probeta descargada, se va recuperando una parte creciente de la deformación, según la curva EF.

Quedan así puestas de manifiesto las tres deformaciones fundamentales del hormigón, que se han acotado en la figura 5.6 referidas al instante tn: la deformación elástica instantánea, la elástica diferida y la plástica diferida. Estas mismas deformaciones pueden ponerse de manifiesto e un instante t anterior a la descarga, sin más que dibujar la rama plástica CC’ simétrica de la EF.

c) Resumiendo lo dicho, pueden clasificarse las deformaciones según la tabla 54, en la que se han hecho figurar, además, las deformaciones térmicas y de retracción, independientes de las cargas exteriores.

A efectos de cálculo y de un modo simplificado, se denomina fluencia al conjunto de deformaciones diferidas, englobando en este concepto la deformación elástica diferida y la plástica diferida. Y se admite que la deformación por fluencia tiende hacia una asíntota, cuyo valor es proporcional a la deformación elástica instantánea, según un factor de proporcionalidad.

Características Reológicas del Hormigón.

Recordemos que la Reología es la rama de la Mecánica que estudia la evolución de deformaciones de un material, producidas por causas tensionales, a lo largo del tiempo.

Se ha definido con acierto al hormigón como un pseudosólido  elástico-visco-plástico, haciendo con ello referencia a su compleja reología, que participa de las características & los tres tipos de cuerpos mencionados: los e1sticos, los viscosos y los plásticos. No extrañará esta 0plejidad si se recuerda que en el hormigón coexisten la fase sólida (áridos y cemento), la líquida (agua) y la gaseosa (aire ocluido),

El fenómeno de retracción, ya estudiado, forma parte de la reología del hormigón. A continuación estudiaremos los fenómenos,
cuyo conjunto gobierna la evolución de las deformaciones del hormigón a lo largo del tiempo.