Análisis del Comportamiento Mecánico del Hormigón: Deformaciones, Resistencia y Durabilidad

Distribución de Tensiones Interiores en el Hormigón

Las tensiones internas (σ) en el hormigón no se pueden medir directamente. Lo único que se puede medir son los cambios de forma, es decir, las deformaciones. Hooke planteó la ley de la elasticidad, según la cual existe proporcionalidad directa entre σ y deformaciones.

No obstante, esta hipótesis se cumple en el hormigón sólo para σ reducidas y de corta duración. Según Neville, el comportamiento de un material se puede considerar como perfectamente elástico cuando las deformaciones aparecen y desaparecen inmediatamente al aplicar o al retirar el esfuerzo. De acuerdo con esta definición, un material es elástico cuando no existen deformaciones diferidas o remanentes sin tener una relación entre σ y deformaciones.

Comportamiento Diferido del Hormigón

1. Si se aplica una σ a la edad T₀ y se descarga inmediatamente, experimenta una deformación que no se recupera totalmente. Queda una deformación irreversible "remanente". Entonces hay dos partes de deformación instantánea (elástica/remanente).
2. Si a la edad T₁ se aplica una σ inferior a la primera, la pieza experimenta deformación elástica y si se mantiene constante la σ un intervalo de tiempo hasta t₂ las deformaciones aumentan "diferidas".
3. Si a la edad t₂ se quita la carga, se recupera instantáneamente la deformación, siendo igual a la deformación elástica instantánea.
4. Si se mantiene descargada la probeta, se recupera una deformación diferida. Queda una deformación que no se recupera nunca (deformación plástica diferida). A la suma de las deformaciones diferidas se le llama fluencia.

Retracción del Hormigón

Es una deformación que provoca σ de tracción y fisuras. Tiene más influencia cuanto más rígida es la estructura, ya que al ser más rígida admite menos deformación. Depende de factores externos como temperatura, humedad, viento y grado de exposición, y factores internos como tipo de cemento, relación agua/cemento, grado de hidratación y porosidad.

Efectos de la Retracción

• Coacción externa: Para libre acortamiento de la pieza, puede surgir por la existencia de gruesos soportes junto a vigas de luz media-grande, muros de cimentación y forjados de gran rigidez.
• Coacción interna: Cuando la retracción coaccionada interna da lugar a fisuración interna sin cambio aparente, excepto una baja resistencia del hormigón. Aparece en piezas muy armadas o con áridos de gran tamaño.

Recomendaciones para la Retracción

• Juntas de retracción en fase de hormigonado permanentes o temporales.
• Prolongar el tiempo de curado para evitar la pérdida de agua.
• Incorporar armadura de piel o mallazo.

Evolución de la Resistencia del Hormigón con la Edad

Los factores que más influyen sobre la velocidad de endurecimiento del hormigón son las características del cemento, el proceso de curado y el empleo de aditivos y adiciones.

1. La velocidad de hidratación de un cemento aumenta cuando crece el contenido en C₃S o en C₃A, lo mismo que sucede cuando lo hace la finura de molido.
2. La falta de humedad durante el proceso interrumpe definitivamente la hidratación del cemento y, por eso, la adquisición de resistencia. El aumento de la temperatura, aunque acelera la velocidad de desarrollo de las reacciones de hidratación, conduce a una resistencia menor a edades más avanzadas.
3. Se puede modificar la cinética del fraguado o endurecimiento mediante aditivos como retardadores y aceleradores de fraguado.

Resistencia a Compresión del Hormigón

Valor convencional que depende del tipo de ensayo realizado, puede definirse como la σ para la que se alcanza el agotamiento.

Resistencia Media y Características

Dadas n probetas ensayadas a compresión, se adopta como valor representativo de los ensayos la media aritmética, se obtiene la “resistencia media” f_cm, pero no refleja la verdadera calidad del hormigón en obra porque no tiene en cuenta la dispersión de los resultados. Si se tienen dos hormigones con la misma resistencia media, es más fiable el que tenga menor dispersión. El coeficiente de seguridad que se adopte debe ser mayor para el hormigón más disperso.

Para eliminar este inconveniente y conseguir que se trabaje con un coeficiente de seguridad único, se ha adoptado la resistencia característica, que tiene en cuenta el valor de la media aritmética f_cm y el coeficiente de variación. La resistencia característica f_ck es aquel valor que presenta un grado de confianza del 95%.

Cuando se trata de soportes, muros, piezas de pequeña sección que se hormigonan verticalmente de una vez, existe un efecto de reflujo de agua que reduce la resistencia al 90%.

Resistencia a Tracción del Hormigón

Aunque no suele contarse con esta resistencia a efectos resistentes, es necesario saber su valor porque juega un papel importante en la fisuración, deformación, esfuerzo cortante, adherencia, etc. Es un valor convencional que depende del tipo de ensayo. Hay tres formas de determinar la resistencia a tracción: flexotracción, tracción indirecta y tracción directa.

Procesos de Deterioro del Hormigón

Físicos

• Fisuración: La aparición de fisuras en el hormigón puede ser debida a diferentes causas, como la retracción, la expansión térmica o las cargas aplicadas.
• Acción del hielo: El agua, al pasar de líquido a sólido, experimenta un incremento de volumen del 9%, por lo que si los poros del hormigón están saturados de agua, el hielo puede generar tensiones internas que provoquen la rotura del material. La presencia de aire ocluido reduce estos efectos, ya que durante la congelación, al no estar saturados, los poros actúan como vasos de expansión.
• Erosión: Consiste en la pérdida de masa de la superficie del hormigón por desgaste debido al efecto abrasivo de agentes externos como el agua, el viento o las partículas sólidas transportadas por estos.

Químicos

• Ataque por ácidos: Los compuestos del cemento reaccionan con los ácidos creando nuevos compuestos que son muy solubles o permeables. La destrucción se produce capa a capa y se pierde superficie del hormigón.
• Reacción hormigón/sulfatos: Al contrario que los ácidos, que reaccionan con todos los compuestos del cemento, los sulfatos solo reaccionan con algunos en presencia de agua y provocan la expansión del hormigón con fisuración importante hasta la desintegración.
• Reacción álcalis/árido: Algunos áridos pueden reaccionar en presencia de agua con los álcalis del cemento creando productos expansivos. Los álcalis pueden proceder del exterior, aunque normalmente provienen del propio cemento. El proceso comienza con fisuras superficiales de forma irregular y posteriormente se produce la desintegración del hormigón. También se pueden observar hinchamiento y exudación cristalina.

Biológicos

• Acción de la vegetación: La presencia de vegetación puede causar daños en el hormigón debido a la penetración de raíces por las fisuras y puntos débiles de la superficie del material. Las raíces generan fuerzas de expansión que incrementan las fisuras y el deterioro del hormigón. Además, la descomposición de la materia orgánica puede producir ácidos que atacan la pasta de cemento.
• Ataque por ácido sulfhídrico: Este tipo de ataque es especialmente importante en las redes de saneamiento, donde compuestos como el azufre se combinan con el amoniaco para formar ácido sulfhídrico, un ácido muy agresivo que puede destruir completamente el cemento y el hormigón.

Corrosión de las Armaduras

• Carbonatación: El hormigón es un material poroso y el CO₂ puede penetrar a través de los poros al interior. Allí se produce una reacción química con el Ca(OH)₂ que aumenta el pH del hormigón y crea un ambiente propicio para la corrosión de las armaduras.
• Lixiviación por álcalis: El agua puede disolver la cal libre del hormigón debido a su contenido en CO₂. Esto provoca que el pH del hormigón disminuya y se destruya la capa pasivante de óxido que protege las armaduras, favoreciendo su corrosión.
• Ataque por cloruros: La presencia de iones cloruro en el interior del hormigón puede destruir la capa pasivante que recubre las armaduras, dando lugar a la corrosión por picadura. La velocidad de este proceso depende del porcentaje de humedad, la calidad del hormigón y el nivel de carbonatación.

Efectos de la Corrosión

Los productos derivados de la corrosión de las armaduras siempre son más voluminosos que el acero original. Este incremento de volumen genera presiones radiales que traccionan el hormigón y fisuran el recubrimiento. La fisuración depende de la geometría de la pieza, la ubicación de la armadura y la distancia entre las barras. Se pueden distinguir tres tipos de fisuras:

1. Una fisura que progresa perpendicular a la superficie y discurre en la dirección de la barra.
2. Dos o más fisuras en forma de cuña longitudinal que suele expulsarse.
3. Un plano de fisuración: al estar próximas las barras, el hormigón se fisura siguiendo un plano paralelo a la superficie y se desprende.

Las consecuencias de la corrosión de las armaduras son:

• Aumento de las vías de entrada de agentes agresivos.
• Reducción de la sección de la armadura.
• Pérdida de adherencia entre el hormigón y el acero.

Hipótesis de Cálculo de Estructuras de Hormigón Armado

1. El agotamiento se produce cuando en la sección se alcanza la deformación límite (deformación excesiva del acero: 10%, hormigón en flexión o en compresión simple).
2. La sección de hormigón permanece plana después de la deformación (hipótesis de Bernoulli), es decir, las secciones que eran planas antes de la deformación, permanecen planas después de la deformación por esfuerzo cortante.
3. Existe compatibilidad de deformaciones entre el acero y el hormigón, es decir, no se produce deslizamiento relativo entre las armaduras y el hormigón y la deformación es igual para ambos materiales.
4. El hormigón no tiene resistencia a la tracción. La temperatura y la retracción agotan la sección.
5. Se utilizan diagramas simplificados de cálculo de tensiones y deformaciones para el acero y el hormigón.

Control de la Resistencia del Hormigón

Control Indirecto

Solo se puede realizar cuando el hormigón procede de una central con distintivo de calidad. Se aplica en la edificación de viviendas de hasta dos plantas o elementos a flexión de hasta cuatro plantas, situados en ambiente 1 o 2, limitando la resistencia de cálculo a 10 MPa. El control se realiza comprobando la consistencia del hormigón en cuatro amasadas.

Control 100%

Se determina la resistencia de todas las amasadas y se obtiene el valor de la resistencia característica real, que tiene que ser mayor que f_ck. Se supone que la resistencia característica es igual a la de la amasada. Este método tiene un elevado coste debido al gran número de probetas que hay que comprobar.

Control Estadístico

Se estima la resistencia característica real del hormigón a partir de un número limitado de ensayos. Se obtiene el valor f_c,est. El proceso es operativo, dividiendo la obra en lotes donde se inspeccionan las amasadas, no siendo inferior a 3 y no se pueden mezclar hormigones distintos. Se debe utilizar la misma dosificación y el mismo suministrador. El criterio de aceptación o rechazo se establece en función del requisito de calidad que cumple el hormigón, existiendo cuatro situaciones:

1. Caso 1: Hormigón con distintivo de calidad. Se debe cumplir que X_i > f_ck. Si no cumple alguna amasada, se debe cumplir que X_i > 0,9f_ck y que la media de las amasadas menos 1,64 veces la desviación estándar sea mayor que 0,9f_ck.
2. Caso 2: Hormigón con distintivo de calidad transitorio.
3. Caso 3: Hormigón sin distintivo de calidad transitorio.
4. Caso 4: Hormigón de central sin distintivo de calidad que se tienen que controlar en obra en más de 36 amasadas del mismo tipo de hormigón.

Dominio de Deformaciones

A partir de las hipótesis anteriores, es posible conocer el plano de deformaciones de una pieza en el instante de rotura, que depende de las características mecánicas y geométricas de la pieza y de las solicitaciones actuantes. Solo hay un plano de deformaciones en condición de rotura para cada situación concreta. Cada plano se define por dos puntos: la profundidad de la fibra neutra y el alargamiento.

1. Tracción simple/compresión: La sección tiene forma de T. El agotamiento se produce por deformación excesiva de la armadura a tracción, con un alargamiento del 10%. La armadura plastificada tiene una σ = f_yd.
2. Flexión simple/compresión: Parte de la sección está sometida a compresión y parte a tracción. La fibra neutra está situada en la zona alta de la sección, por lo que se alcanza antes el agotamiento por deformación excesiva de la armadura que por el hormigón.
3. Flexión simple/compresión: La fibra neutra se encuentra por encima de 0,259d. El agotamiento se produce por deformación excesiva del hormigón en flexión. El alargamiento es del 3,5% y en el acero de 400 N/mm² es del 1,74%, con un límite de 0,668d; en el acero de 500 N/mm² es del 2,17%, con un límite de 0,617d.
4. Flexión simple/compresión: La armadura a tracción deja de estar plastificada y pasa a la región elástica. El agotamiento se produce por deformación excesiva del hormigón comprimido en flexión.
5. Flexión compuesta: La armadura está sometida a compresión, pero aún trabaja a tracción en el hormigón.
6. Compresión simple/compresión: Toda la sección está sometida a compresión. La deformación es del 2%.