SEMANA 13

DEFORMACIÓN DEL CONCRETO

La evaluación de las deformaciones en el concreto armado ha sido siempre un reto para la ingeniería, básicamente por las características no homogéneas del hormigón y su comportamiento elasto-plástico. La gran diversidad de factores que influyen en la determinación de las deformaciones hace que la evaluación de las deformaciones sea unos de los temas más complejos.

Después que hayamos comprendido cómo se evalúa la componente elástica de la flecha, intentaremos comprender de la manera más sencilla posible cómo determinar la componente plástica de la deformada (fluencia), producida cargas que están aplicadas durante largos periodos de tiempo.

Características de esfuerzo-deformación del concreto

En el concreto presforzado, es tan importante conocer las deformaciones como los esfuerzos. Esto es necesario para estimar la pérdida de presfuerzo en el acero y para tenerlo en cuenta para otros efectos del acortamiento elástico. Tales deformaciones pueden clasificarse en cuatro tipos: deformaciones elásticas, deformaciones laterales, deformaciones plásticas, y deformaciones por contracción.

Deformaciones elásticas

El término deformaciones elásticas es un poco ambiguo, puesto que la curva esfuerzo-deformación para el concreto no es una línea recta aun a niveles normales de esfuerzo (Figura 8), ni son enteramente recuperables las deformaciones. Pero, eliminando las deformaciones plásticas de esta consideración, la porción inferior de la curva esfuerzo-deformación instantánea, que es relativamente recta, puede llamarse convencionalmente elástica. Entonces es posible obtener valores para el módulo de elasticidad del concreto. El módulo varía con diversos factores, notablemente con la resistencia del concreto, la edad del mismo, las propiedades de los agregados y el cemento, y la definición del módulo de elasticidad en sí, si es el módulo tangente, inicial o secante. Aún más, el módulo puede variar con la velocidad de la aplicación de la carga y con el tipo de muestra o probeta, ya sea un cilindro o una viga. Por consiguiente, es casi imposible predecir con exactitud el valor del módulo para un concreto dado.

Del solo estudio de las curvas de esfuerzo-deformación resulta obvio que el concepto convencional de módulo de elasticidad no tiene sentido en el concreto. Por lo tanto, es necesario recurrir a definiciones arbitrarias, basadas en consideraciones empíricas. Así, se puede definir el módulo tangente inicial o tangente a un punto determinado de la curva esfuerzo-deformación y el módulo secante entre dos puntos de la misma.

El módulo secante se usa en ensayes de laboratorio para definir la deformabilidad de un concreto dado. La ASTM (Referencia 16) recomienda la pendiente de la línea que une los puntos de la curva correspondiente a una deformación de 0.00005 y al 40% de la carga máxima.

Se han propuesto muchas relaciones que expresan el módulo de elasticidad en función de la resistencia del concreto. Para concreto tipo I de peso volumétrico

Deformaciones laterales

Cuando al concreto se le comprime en una dirección, al igual que ocurre con otros materiales, éste se expande en la dirección transversal a la del esfuerzo aplicado. La relación entre la deformación transversal y la longitudinal se conoce como relación de Poisson.

La relación de Poisson varía de 0.15 a 0.20 para concreto..

Deformaciones plásticas

La plasticidad en el concreto es definida como deformación dependiente del tiempo que resulta de la presencia de un esfuerzo.

Asi definimos al flujo plástico como la propiedad de muchos materiales mediante la cual ellos continúan deformándose a través de lapsos considerables de tiempo bajo un estado constante de esfuerzo o carga. La velocidad del incremento de la deformación es grande al principio, pero disminuye con el tiempo, hasta que después de muchos meses alcanza un valor constante asintóticamente (Referencia 7).

Se ha encontrado que la deformación por flujo plástico en el concreto depende no solamente del tiempo, sino que también depende de las proporciones de la mezcla, de la humedad, de las condiciones del curado, y de la edad del concreto a la cual comienza a ser cargado. La deformación por flujo plástico es casi directamente proporcional a la intensidad del esfuerzo. Por lo tanto es posible relacionar a la deformación por flujo plástico con la deformación elástica inicial mediante un coeficiente de flujo plástico definido tal como sigue:

1.6

Dónde es la deformación inicial elástica y es la deformación adicional en el concreto, después de un periodo largo de tiempo, debida al flujo plástico.

Deformaciones por contracción

Las mezclas para concreto normal contienen mayor cantidad de agua que la que se requiere para la hidratación del cemento. Esta agua libre se evapora con el tiempo, la velocidad y la terminación del secado dependen de la humedad, la temperatura ambiente, y del tamaño y forma del espécimen del concreto. El secado del concreto viene aparejado con una disminución en su volumen, ocurriendo este cambio con mayor velocidad al principio que al final.

De esta forma, la contracción del concreto debida al secado y a cambios químicos depende solamente del tiempo y de las condiciones de humedad, pero no de los esfuerzos.

La magnitud de la deformación de contracción varía por muchos factores. Por un lado, si el concreto es almacenado bajo el agua o bajo condiciones muy húmedas, la contracción puede ser cero. Puede haber expansiones para algunos tipos de agregados y cementos. Por otro lado, para una combinación de ciertos agregados y cemento, y con el concreto almacenado bajo condiciones muy secas, puede esperarse una deformación grande del orden de 0.001.

La contracción del concreto es algo proporcional a la cantidad de agua empleada en la mezcla. De aquí que si se quiere la contracción mínima, la relación agua cemento y la proporción de la pasta de cemento deberá mantenerse al mínimo.

La calidad de los agregados es también una consideración importante. Agregados más duros y densos de baja absorción y alto módulo de elasticidad expondrán una contracción menor. Concreto que contenga piedra caliza dura tendrá una contracción menor que uno con granito, basalto, y arenisca de igual grado, aproximadamente en ese orden.

La cantidad de contracción varía ampliamente, dependiendo de las condiciones individuales.

Para propósitos de diseño, un valor promedio de deformación por contracción será de 0.0002 a 0.0006 para las mezclas usuales de concreto empleadas en las construcciones presforzadas.

El valor de la contracción depende además de las condiciones del ambiente.

Resistencias del concreto:

CONCRETO DE ALTA RESISTENCIA

• Para la fabricación de los concretos de alta resistencia, es necesario reducir la relación a/c a valores menores de 0.40, pudiendo llegar hasta 0.30. En el rango de a/c 0.40 - 0.70, el componente más débil del concreto es el cemento y la interface cemento-agregado; pero cuando se va reduciendo el a/c, éstos dejan de ser los más débiles del sistema, incrementándose la resistencia.

• En los concretos de alta resistencia con relaciones a/c < 0.40, el factor más débil y limitante está constituido por los agregados, cuyo comportamiento dependen de sus características mineralógicas, su forma y resistencia mecánica propia de los agregados. Estos parámetros deben optimizarse para alcanzar altas resistencias.

• En el proceso de obtener altas resistencias del concreto para relaciones a/c < 0.45, los aditivos super plastificantes cumplen un papel muy importante al contribuir a reducir el agua de mezclado y mejorar la trabajabilidad.

• Complementariamente al uso de los aditivos, para alcanzar resistencias superiores a los 800 Kg/cm2, es necesario utilizar en el concreto la micro sílice (humo de sílice) que por su propiedad puzolánica contribuye a incrementar la resistencia del concreto

RESISTENCIA MECÁNICA

• La resistencia mecánica del concreto endurecido ha sido tradicionalmente la propiedad más identificada con su comportamiento como material de construcción.

• En términos generales, la resistencia mecánica, que potencialmente puede desarrollar el concreto, depende de la resistencia individual de los agregados y de la pasta de cemento endurecida, así como, de la adherencia que se produce en ambos materiales. En la práctica, habría que añadir a estos factores el grado de densificación logrado en la mezcla ya que, como ocurre con otros materiales, la proporción de vacíos en el concreto endurecido tiene un efecto decisivo en su resistencia.

• Cuando las partículas de los agregados son duras y resistentes, la resistencia mecánica del concreto tiende a ser gobernada por la resistencia de la pasta de cemento y/o por la adherencia de esta con los agregados. Por lo contrario si los agregados son débiles, la resistencia intrínseca de estos se convierte en una limitación para la obtención de altas resistencias, lo cual no quiere decir que el concreto no pueda ser más resistente que las partículas individuales de los agregados.

• La adquisición de la resistencia mecánica de la pasta de cemento conforme endurece es una consecuencia inmediata del proceso de hidratación del cemento.

EL CONCRETO COMO MATERIAL COMPUESTO

• Podemos definir un material compuesto como la combinación tridimensional de por lo menos dos materiales químicamente y mecánicamente distintos con una interfase definida que separa los componentes. Este material polifásico tendrá diversas características de sus componentes originales.

• Ha sido muy conocido que las propiedades de materiales multifásicos pueden ser muy superiores a las características de las fases individuales tomadas por separado, particularmente cuando estos vienen de las fases débiles o quebradizas.

• Hoy, sabemos que ni la roca, ni la pasta del cemento pura han determinado los materiales de construcción útiles, la roca porque es demasiado quebradiza, y el cemento porque se quiebra en la sequedad. Sin embargo, juntos se combinan para formar materiales de construcción.

• Cuando las partículas de los agregados son duras y resistentes, la resistencia mecánica del concreto tiende a ser gobernada por la resistencia de la pasta de cemento y/o por la adherencia de esta con los agregados. Por lo contrario si los agregados son débiles, la resistencia intrínseca de estos se convierte en una limitación para la obtención de altas resistencias, lo cual no quiere decir que el concreto no pueda ser más resistente que las partículas individuales de los agregados.

• La adquisición de la resistencia mecánica de la pasta de cemento conforme endurece es una consecuencia inmediata del proceso de hidratación del cemento.

RELACIÓN DE POISSON DEL CONCRETO

La relación entre la deformación lateral que acompaña una deformación axial aplicada y la deformación final se utiliza en el diseño y análisis de muchos tipos de estructuras. La relación de Poisson del concreto varia en un rango de 0.11 a 0.21 (generalmente de 0.15 a 0.20) cuando se determina por medición de la deformación, tanto para el concreto normal como para el concreto ligero.

Para este último método se requiere la medición de la velocidad de pulso,V, y también la de la frecuencia fundamental de resonancia de la vibración longitudinal de una viga de longitud l. La relación de Poisson, μ, se puede calcular por medio de la expresión.

Generalmente se indica que la relación de Poisson es menor en el concreto de alta resistencia.

MECANISMO DE ROTURA DEL CONCRETO

Las probetas que se ensayadas obtendrán un resultado que podemos observar en el concreto como roturas en su estructura.

Las probetas a ser ensayadas, estarán sujetas a las tolerancias de tiempo indicadas:

Para máquinas operadas hidráulicamente la velocidad de la carga estará en el rango de 0,14 a 0,34 MPa/s. Se aplicará la velocidad de carga continua y constante desde el inicio hasta producir la rotura de la probeta.

RESULTADOS DE LA PRUEBA

• El concreto se considerará adecuado si el promedio de resistencia a la compresión de los tres núcleos es mayor o igual que un 85% de f’c especificada y si ningún nucleo tiene una resistencia menor del 75% de la f’c.

• Si hay alguna duda se puede repetir la prueba una sola vez 

• Si se confirma la baja resistencia, deberá corregirse la causa revisando el contenido de cemento, el proporcionamiento, los agregados, la relación A/C, un mejor control o la reducción del revenimiento, el mezclado, la transportación, una reducción en el tiempo de entrega, el control del contenido de aire, colocación en los moldes y sobre todo la compactación y el curado. Si los corazones resultan persistente de mayor resistencia que los cilindros, se revisarán los procedimientos de fabricación de cilindros y el equipo de laboratorio, y sobre todo el curado, la trasportación de los cilindros, el cabeceado y calibración de la prensa 

En el ensayo de extracción de núcleos los factores que influyen sobre la determinación de la resistencia son: el diámetro del núcleo, la relación longitud / diámetro, presencia de armadura dentro del núcleo y las condiciones de humedad antes y durante el ensayo

FACTORES QUE INCIDEN EN LA RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN , RELACIÓN A/C

“Ley de Abrams”, según la cual, para los mismos materiales y condiciones de ensayo, la resistencia del concreto completamente compactado, a una edad dada, es inversamente proporcional a la relación agua-cemento. Este es el factor más importante en la resistencia del concreto: Relación agua-cemento = A/C 

DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA DEL CONCRETO A LA TRACCIÓN MÉTODO DE COMPRESIÓN DIAMETRAL

Esta Norma Técnica Peruana establece el procedimiento para la determinación de la resistencia a la tracción por compresión diametral de especímenes cilíndricos de hormigón (concreto), tales como cilindros moldeados y testigos diamantinos.

Resumen del Método

• Este método de ensayo consiste en aplicar una fuerza de compresión diametral a toda la longitud de un espécimen cilíndrico de concreto, a una velocidad prescrita, hasta que ocurra la falla.

Velocidad de Carga

• La carga se aplicará en forma continua y evitando impactos, a una velocidad constante dentro del rango de 689 kPa/min a 1380 kPa/min hasta que falle el cilindro por el esfuerzo de tracción por comprensión diametral.

• Expresión de Resultados

La resistencia a la tracción por comprensión diametral de la probeta se calcula con la siguiente fórmula:

T = 2P / π.l.d

Donde:

T = Resistencia a la tracción por comprensión diametral, kPa.

P = Máxima carga aplicada indicada por la máquina de ensayo, kN.

l = longitud, m.

d = Diámetro, m.

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