El agrietamiento por contracción plástica en el concreto viene precedido por la acción directa de unas condiciones ambientales extremas (altas temperaturas, bajas humedades y viento), que actúan sobre la superficie expuesta de la estructura de concreto recién colocado o fresco, provocando un secado rápido antes de que el concreto sea capaz de crear alguna resistencia.

Cuando esta rápida pérdida de humedad por secado es mayor que la capacidad de sangrado o exudación que genera la estructura, puede resultar en agrietamiento severo.1 Las grietas por contracción plástica se forman sin un patrón definido; su longitud puede variar desde unos pocos centímetros hasta 1 o 2 metros de longitud, con profundidades que pueden llegar hasta 23 cm y anchos de 0.1 a 3 mm.2 Aparte de ser antiestético, el agrietamiento producido en la estructura permite la entrada y difusión de humedad y de oxígeno, capaces de corroer el acero de refuerzo y, a su vez, promover la degradación estructural y disminuir así la vida útil.

Estudio del agrietamiento por contracción plástica en el concreto sujeto a altos índices de evaporación.

Las estructuras con relaciones altas de área superficial / espesor (losas en pavimentos, tableros de puentes, canales de irrigación, túneles, paneles prefabricados, etc.) son las que resultan más susceptibles de sufriragrietamiento por contracción plástica.

La composición y la cantidad de los componentes del concreto juegan un papel importante en la aparición del agrietamiento. Los concretos de alta resistencia (relaciones agua/cemento bajas, altos contenidos de cemento, adiciones minerales, aditivos, etc.), son aún más propensos a desarrollar agrietamiento que un concreto de resistencia normal (relaciones agua/cemento intermedias, contenidos moderados de cemento, etc.). La microestructura que resulta de los primeros es más compacta y consigue mayores presiones de poro o capilares, los cuales generan más contracción.

En una obra donde se trabaja con este tipo de estructuras, es práctica común colocar membranas de curado de plástico o a base de soluciones químicas con el objeto de evitar la evaporación. Sin embargo, estos procedimientos pueden resultar insuficientes o ser aplicados demasiado tarde, lo que puede dar lugar a la formación de agrietamiento.3 El acabado de la superficie es otro factor que parece influir en el desarrollo del agrietamiento por contracción plástica. Se ha observado que la orientación y la severidad de las grietas están muy influidas por la dirección y velocidad que se aplique al acabado de la superficie.4

Para la reducción del agrietamiento por contracción plástica, es práctica común incorporar al concreto agentes reductores de retracción, como son las fibras plásticas. Las fibras metálicas y los aditivos reductores de contracción se presentan en nuestros días como alternativas de una eficacia igual, o quizás mayor, frente al agrietamiento por contracción plástica.

Las pruebas clásicas de laboratorio para comprobar la eficacia de los distintos tipos de agentes reductores de contracción giran en torno al parámetro del área de agrietamiento, pudiendo utilizarse en ello geometrías relativas a las estructuras reales.
La estimación del parámetro de área de agrietamiento para estimar la eficacia del agente reductor de contracción puede resultar laboriosa e imprecisa en su ejecución. Éste estudio presenta una comparación de la eficacia de varios tipos de fibras y un aditivo reductor para reducir el agrietamiento por contracción plástica. Asimismo, propone otra metodología para estimar dicha eficacia de una manera cuantitativa, y se la compara con la metodología clásica.

Materiales estudiados

Para este estudio se emplearon dos tipos de concreto: un concreto de resistencia normal (CRN) y un concreto de resistencia alta (CRA), ambos diseñados para una resistencia a la compresión f'c de 90 días, de 40 y 70 MPa respectivamente.
Las dosificaciones para estos concretos base se muestran en la tabla 1, donde el cemento es del tipo CEM I 52.5R Español (equivalente al portland tipo III), el microsílice es del tipo densificado, el superfluidificante está elaborado a base de naftaleno, con un contenido de sólidos de 35 por ciento en peso, la arena y la grava son caliza triturada, con un tamaño de grano de 0-5 y 5-12 mm respectivamente. Cinco tipos de fibras (tres de fibras plásticas y dos de fibras metálicas) y un aditivo reductor de contracción a base de glicol se utilizaron para ser probados de manera individual en el CRN, y una fibra de acero (con alto contenido de carbón) se utilizó para el CRA, a fin de estudiar su influencia sobre el agrietamiento por contracción plástica. Las dosificaciones de las fibras y del aditivo reductor de contracción corresponden a las recomendaciones del fabricante.
Los detalles y las características de los concretos a los que se añadió cada uno de estos agentes se muestran en la tabla 2. Como puede observarse, la adición de las fibras trae una disminución del revenimiento, y la adición del aditivo reductor de contracción reduce la resistencia a la compresión.

Programa experimental

Como se mencionó anteriormente, las pruebas de contracción plástica se llevaron a cabo mediante la metodología clásica y otra que se propuso.
La configuración clásica que se escogió se muestra en la figura 1 y está adaptada de las configuraciones de varios investigadores;5-9 consiste en un molde metálico cuadrado para alojar un espécimen de concreto de 800 x 800 x 100 mm. En las partes laterales internas del molde se colocaron anclajes para asegurar una contracción restringida en el concreto desde los bordes. En la base del molde se colocó una placa de plástico capaz de hacer deslizar la base del espécimen y obtener el peor caso de agrietamiento, simulando la puesta de una losa de concreto sobre una membrana de plástico.

La metodología propuesta consistió en un molde de acero de 600 x 150 x 600 mm capaz de alojar un espécimen de 600 x 150 x 142 mm. El espécimen de concreto se ideó para forzar la creación de una fisura en su parte central con un espesor de tres veces el tamaño máximo del agregado. Así, para crear la fisura se acopló un inductor de esfuerzo de 50 mm de base y 106 mm de altura unido a una placa de nylon de 8 mm de espesor que se sujetó al molde. De la misma manera que en la metodología clásica, en este molde se colocaron anclajes en sus puntas para asegurar contracción restringida. Para monitorear los desplazamientos horizontales sobre la superficie, se colocó un medidor de desplazamiento electrónico de geometría omega, montado en sus extremos por medio de una barra de aluminio a cada costado. La configuración del sistema se muestra en la figura 2.

Ambos tipos de moldes fueron aislados de la temperatura por medio de material aislante, para evitar dilataciones debidas al calor aplicado durante las pruebas.

Con el objeto de reproducir unas condiciones ambientales extremas capaces de crear contracción plástica, los moldes de la metodología clásica y los de la propuesta se introdujeron en un túnel de viento, el cual, acoplado a un aparato de aire caliente, produjo una temperatura promedio de 44 y 30 o C, una humedad relativa de 23 y 39 por ciento y una velocidad de viento de 35 km/h para los concretos de resistencia normal y de resistencia alta, respectivamente.

Para estimar los índices de evaporación de agua del concreto fresco, se colocó un recipiente que contenía el concreto en cuestión. La temperatura, la humedad y la velocidad del aire fueron monitoreadas por sensores colocados en los costados internos del túnel. El tiempo transcurrido desde la descarga del concreto de la mezcladora hasta el comienzo de las pruebas fue de 50 minutos. Las pruebas del laboratorio tuvieron una duración total de cuatro horas, tiempo suficiente para ver la aparición de las grietas, tanto en la metodología clásica como en la propuesta. Después de este periodo, se estimaron visual-mente las áreas de las grietas con lentes de alta resolución, con precisión 0.1 mm en el método clásico y en el propuesto, para efectos de comparación entre ambos.

Resultados de las pruebas

En general, la incorporación de las fibras tuvo un efecto positivo en la reducción del agrietamiento por contracción plástica. De igual forma, el aditivo reductor de contracción redujo significativamente el potencial de agrietamiento. Considerando la respuesta del espécimen en el método propuesto donde el desplazamiento longitudinal sobre la sección reducida se midió continuamente, se pueden distinguir algunas etapas, como se muestra en la figura 3. Durante los primeros 30 minutos (etapa A-B), no hay una clara tendencia en la evolución del desplazamiento, después de los cuales se incrementa de manera regular. Para el caso de los concretos de resistencia normal, se nota un ligero pliegue o rizo en la geometría de la curva en la evolución (punto C) en el tiempo de 70 a 130 minutos, después de lo cual el desplazamiento continúa incrementándose hasta alcanzar una tendencia estable (puntos D-E) en un rango de tiempo de 160 a 215 minutos de iniciada la prueba.

El aparato de aire caliente se detuvo después de 240 minutos (punto E), luego de lo cual el desplazamiento permaneció prácticamente constante durante el periodo de enfriamiento. Para el caso de los concretos de alta resistencia, no existe el pliegue o rizo y hay un ligero incremento de desplazamiento en un tiempo aproximado de 120 minutos. Las observaciones hechas en la superficie indican que la grieta se forma después del punto C en los concretos de resistencia normal, y en el punto B en los concretos de resistencia alta.

La evolución del desplazamiento en los diferentes concretos se muestra en la figura 4. La evolución del concreto sin ninguna adición (CRN-0) y del concreto con la adición de las fibras de 13 mm es similar, pero, significativamente, los demás concretos exhiben menores desplazamientos. En todos los casos, se formó una grieta continua justo encima del inductor de esfuerzos, indicando su formación a partir del punto C (véase la figura 3). Por lo tanto, el desplazamiento hasta este punto puede considerarse la deformación total por contracción, y después del punto, la abertura de la fisura.

La evolución de los desplazamientos para los concretos de resistencia alta se muestra en la figura 5. Puede observarse que la incorporación de las fibras de acero con gancho en los extremos (CRA-AGh) reduce notablememente el ancho de fisura, en comparación con el concreto sin refuerzo (CRA-0).

Un resumen de los parámetros de la evolución de los desplazamientos en la metodología propuesta se presenta en la tabla 3, donde se observa que todos los agentes que fueron incorporados al concreto de resistencia normal, excepto el concreto adicionado con fibras de 13 mm (CRN-PC), reducen significativamente el desplazamiento en la iniciación de la grieta.
De igual forma, los anchos de fisura resultan mucho más bajos en los concretos con las fibras de polipropileno de 20 mm y el aditivo reductor de contracción, que ofrecen los mejores resultados. En los concretos de resistencia alta, las fibras de acero no afectan la iniciación de la grieta, pero el ancho de ésta se reduce notoriamente.

En las pruebas con el método clásico, los concretos CRN-PM, CRN-PL, CRN-AGb y el CRN-ARC.5 no exhibieron ningún agrietamiento en la superficie. Es importante notar que estos concretos mostraron también desplazamientos menores en el método propuesto (i.e., menores de 220 micras). Los parámetros del agrietamiento en la superficie de los especímenes que sufrieron agrietamiento, así como sus correspondientes fotografías, se presentan en la tabla 4 y la figura 6, respectivamente.

En estos casos, el agrietamiento comenzó cerca del centro (después de 55 a 155 minutos en los concretos de resistencia normal, e inmediatamente en los concretos de resistencia alta), y se propagó hacia los lados con algunas ramificaciones. Los resultados indican de nuevo que la adición de fibras de polipropileno de 13 mm (CRN-PC) no resultaron benéficas, mientras que las fibras metálicas onduladas disminuyeron el ancho de fisura pero no el área de agrietamiento. Los resultados de los concretos de resistencia alta están también de acuerdo con los obtenidos en el método propuesto. La adición de fibras resulta efectiva en la reducción del ancho de grieta así como del área de agrietamiento, aunque no se reduce la longitud de éste.

Discusión de los resultados

La comparación de la eficacia de las diferentes fibras y el aditivo reductor de contracción utilizados en este estudio, que se hace patente en la metodología clásica y en la propuesta, muestra claramente las diferencias en su capacidad para reducir el agrietamiento.

En la metodología propuesta, todas las fibras y el aditivo reductor de contracción ofrecieron buenos resultados, excepto la adición de fibra de polipropileno de 13 mm (CRN-PC). De acuerdo con los resultados cuantitativos obtenidos en estas pruebas, en el caso de los concretos de resistencia normal, la adición de la fibra de acero con gancho en los extremos, todas las fibras plásticas (excepto la de 13 mm) y el aditivo reductor de contracción eliminaron la formación de agrietamiento en el método clásico.

En cuanto a concretos de resistencia alta, la reducción del ancho de fisura debido a la incorporación de las fibras de gancho en los extremos es muy notable, por la reducción de anchos y áreas de fisura. Como se mencionó, los concretos que no exhibieron agrietamiento en el método clásico fueron los mismos que mostraron un buen comportamiento en el método propuesto.

Esto indica la existencia de una correlación entre ambos métodos que merece estudiarse para futuras pruebas, en especial porque el método propuesto utiliza un molde estándar y es fácil de implementar para obtener mediciones continuas durante una prueba de agrietamiento por contracción plástica

Conclusión

De los resultados de este estudio experimental, se puede concluir lo siguiente:
· Los resultados del método propuesto muestran las mismas tendencias que las obtenidas en un ensayo clásico más convencional, donde el concreto es sujeto a los anclajes del marco rígido.
· De las fibras estudiadas aquí, las que mostraron un buen desempeño son las de acero con gancho en los extremos y las de polipropileno de 20 mm de longitud. Su incorporación reduce significativamente el ancho de fisura en los concretos de resistencia normal.
· El agrietamiento por contracción plástica observado en el concreto de resistencia alta es notorio,. comenzando la formación de fisuras tan pronto como comienza la prueba. Lo más interesante es que los anchos de grieta se reducen significativamente con la incorporación de una fracción en volumen de solo 0.25 por ciento de las fibras de acero con gancho en los extremos.
· Por último, el aditivo reductor de contracción mostró el mejor desempeño en cuanto a evitar la aparición de fisuras en el método clásico, y tener la mayor capacidad para reducir al máximo la anchura de grieta en el método propuesto. Su eficiencia merece ser más investigada en varios tipos de concreto bajo un número mayor de condiciones.

Referencias:

1. ACI Comité 305 "Hot Weather Concreting (ACI 305-89)", American Concrete Institute, Detroit, 1989.
2. Ravina, D. y R. Shalon, "Plastic Shrinkage Cracking", ACI Journal, abril de 1968, pp. 282-292.
3. Kraii, P.P., "A Proposed Test to Determine the Cracking Potential Due to Drying Shrinkage of Concrete", Concrete Construction, vol. 30, pp. 775-778.
4. Shaeles, C.A. y K.C.Hover, "Influence of Mix Proportions and Construction Operations on Plastic Shrinkage Cracking in Thin Slabs", ACI Materials Journal, vol. 85, núm. 6, pp. 495-504.
5. Nanni, A., D.A. Ludwig, y M.T. McGills, "Plastic Shrinkage Cracking of Restrained Fiber-Reinforced Concrete", Transportation Research Record , núm. 1382 pp.69-72.
6. Balaguru, P.,"Contribution of Fibers to Crack Reduction of Cement Composites During the Initial and Final Setting Period", ACI Materials Journal, vol. 91, núm. 3, pp. 280-288.
7. Berke, N.S. y M:P:Dallaire, "The Effect of Low Addition Rated of Polypropylene Fibers on Plastic Shrinkage Cracking and Mechanical Properties of Concrete", en J.I. Daniel y S.P. Shah (eds.)Fiber Reinforced Concrete: Developments and Innovations', ACI SP-142, 1994, pp. 19-42.
8. Soroushian, P. y S. Ravanbakhsh, "Control of Plastic Shrinkage Cracking with Specialty Cellulose Fibers", ACI Materials Journal, vol. 95, núm. 4, pp. 429-435.
9. Yokoyama, K., S: Hiraishi, Y. Kasai y K. Kishitani, "Experimental Study on Shrinkage and Cracking of Flowing Concrete at Early Ages", Asociación Japonesa del Concreto (JCA), Actas, Cement & Concrete, vol. 50, pp.588-593.

Agradecimientos

Una parte del apoyo para realizar este estudio fue otorgada por el CICYT Español mediante las concesiones MAT96-0967 y PB98-0928. Los materiales utilizados fueron proporcionados por Industrias Bekaert, Cementos Molins, Elkem, Fosroc Euco, Grace y Synthetic Industries. Se agradece a Miguel A. Martín, técnico del laboratorio, así como a Carmen Olazábal, estudiante de visita en la Universidad Politécnica de Catalunya, su valiosa ayuda prestada.