The hydraulic retraction of concrete. Calculation and cracking

PREMIOS BASF – MIGUEL ANGEL SOLER RUIZ

La retracción por secado del hormigón
por Miguel Ángel Soler Ruiz

L a retracción del hormigón puede material y se deben a la existencia de la
zona de transición, a la naturaleza
producirse por diversas razones y es una
multifásica de todos los elementos y a la
de las causas más importantes que
continua variación de la estructura del
provocan la fisuración de éste. Se
material con el paso del tiempo (Mehta,
pretende analizar en este texto la
1994).
incidencia sobre el hormigón de la
“retracción por secado”, también
El hormigón experimenta variaciones de
denominada “retracción hidráulica”. Se
volumen, dilataciones o contracciones,
hará hincapié en los procesos que inician
durante toda su vida útil por causas
este fenómeno así como en las
físico - químicas. El tipo y magnitud de
consecuencias que conlleva y cómo afecta
estas variaciones están afectados en
a la durabilidad de la estructura. El análisis
forma importante por las condiciones
de la retracción es fundamental en el
ambientales existentes de humedad y
estudio del hormigón como material de
temperatura y también por los
construcción. Se trata de un aspecto
componentes presentes en la
inevitable en este material, pero un buen
atmósfera.
control sí puede evitar daños que pueden
llegar a ser irreversibles en una
La retracción del hormigón es una
estructura. Iniciaremos el estudio
“disminución de volumen” de la masa
revisando los diversos tipos de retracción,
original de hormigón y está ligada a
lo continuaremos centrándonos en la
diversas causas que pueden ser de
propia retracción hidráulica, pasando por
origen térmico, hidráulico, interno, etc.
su cálculo, y finalizaremos observando las
Puede producirse por el secado
diversas patologías causadas como
(provocado por altas temperaturas o
consecuencia de este fenómeno en las
porque la humedad relativa exterior al
estructuras.
sistema sea menor que la interior), por
las reacciones internas (que son de
Introducción
carácter exotérmico), y hay que tener
“El hormigón es el material que se forma
en cuenta que el volumen final de los
mezclando cemento, árido grueso y fino y
compuestos combinados químicamente
que se origina por la hidratación de la
no es igual a la suma de los volúmenes
pasta de cemento (cemento y agua);
de los compuestos por separado.
además de estos compuestos básicos,
también puede contener aditivos y
E.T.S. CAMINOS, CANALES Y Dependiendo de la fase de construcción
adiciones” (CEB-FIP, 1993) (UNE 83900
PUERTOS - VALENCIA de la estructura, tendremos diversos
IN:1996)
tipos de retracción. Antes del inicio del
fraguado del hormigón se producirá un
Para entender y controlar las propiedades
“asentamiento” de éste en su vertido,
del hormigón hay que estudiar su
que producirá una disminución inicial
estructura, la cual consta de tres fases: los
del volumen. Una vez comience a
áridos, la pasta de cemento endurecida y
fraguar, tendrá lugar la retracción
la zona de transición (Taylor, 1997). Tal
“plástica” debida al gradiente de
estudio, no obstante, entraña dificultades,
humedades interior-exterior.
que están relacionadas con la
Asociación de Ciencias heterogeneidad y complejidad del
Ambientales de la Comunidad
Valenciana (ACA-C V)

19


Habrá una pérdida de volumen en la Por último, El proceso de hidratación de
estructura causada por la evaporación del la pasta de cemento deja una cierta
agua de amasado. De aquí que el curado proporción de cal libre, es decir, sin
de las estructuras de este tipo sea clave participar en el proceso químico de
para la vida de las mismas. fraguado. Esta cal libre es susceptible de
combinarse con el anhídrido carbónico
Una vez ha terminado el proceso de del aire, produciendo carbonato de
fraguado, entonces tienen lugar las calcio, combinación química que tiene
retracciones “por secado”, “autógena”, un carácter contractivo, por lo cual el
“térmica” y por “carbonatación”. espesor de hormigón afectado por él
disminuye su volumen inicial,
La retracción “autógena” es una generándose la denominada retracción
disminución de volumen que experimenta por carbonatación. En general, el
el hormigón en una situación de no- espesor afectado es pequeño,
intercambio de agua con en el exterior alcanzando sólo algunos milímetros en
(Apuntes de clase, 2008). En sistemas la zona cercana a la superficie en
sellados (sin aporte de agua exterior al contacto con el aire. Sin embargo, por el
sistema), los poros finos drenan agua confinamiento que produce el hormigón
desde los capilares de mayor tamaño, interior adyacente, esa capa queda
causando una reducción de la humedad sometida a tensiones de tracción,
relativa en el interior del material llamada pudiendo fisurarse.
“secado autógeno”, que aumenta la
actividad del agua de los poros y produce Centrémonos ahora en el estudio de la
una disminución del volumen aparente. retracción por secado del hormigón o
retracción hidráulica.
En cuanto a la retracción “térmica”, el
hormigón puede experimentar La retracción por secado
variaciones de volumen causadas por la
temperatura, las cuales pueden provenir a – Definición
tanto externamente de la temperatura Disminución de volumen que presenta
ambiente como internamente de la el hormigón ya endurecido como
generada durante el fraguado y consecuencia de la pérdida de agua por
endurecimiento de la pasta de cemento. evaporación. (Apuntes de clase, 2008)
La evaluación de la retracción térmica
puede efectuarse a partir del valor de las
temperaturas producidas y de las
características de dilatación térmica del
elemento.

E.T.S. CAMINOS, CANALES Y
PUERTOS - VALENCIA

Aspecto de una losa que ha sufrido retracción
Asociación de Ciencias

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Fig. 1 Variables que interaccionan en la retracción del hormigón

b – Variables que interaccionan volumétrica debida a la retracción, pero
Se trata de una deformación volumétrica, de evolución más rápida en el tiempo.
pero se suele expresar como si se tratara
de una deformación lineal. Depende de d – Parámetros preponderantes
numerosas variables que, además, se
interaccionan (ver Fig 1). d.1 – Composición química del
cemento
c – Algunos aspectos a tener en cuenta Influye principalmente en la variación de
volumen, dado que ésta deriva del
La retracción es un fenómeno lento: la desarrollo del proceso de fraguado. En
única fuerza motriz es la pérdida de agua estas condiciones, si la composición del
que sucede si la humedad relativa exterior cemento favorece un fraguado rápido
e menor que la existente en el interior de de la pasta, ella también será favorable
los poros (Aïtcin, 1997). Esta pérdida la para una más alta contracción inicial, si
controla un proceso lento de difusión del existen condiciones ambientales no
agua a través de la estructura porosa (fib, saturadas de humedad. Por las razones
1999), que depende, por tanto, de la indicadas, un alto contenido de C3A
geometría de la pieza, del período de favorecerá una rápida y alta
secado y de las condiciones ambientales, y contracción.
no, excepto a una edad muy temprana, de
la velocidad del viento (Neville, 1995). d.2 – Finura del cemento
Una mayor finura del cemento favorece
Sólo parte de la retracción es reversible. también una evolución rápida de sus
La retracción máxima ocurre en el primer propiedades, en particular de su
E.T.S. CAMINOS, CANALES Y ciclo de secado y el fenómeno se va fraguado.
PUERTOS - VALENCIA haciendo más reversible con ciclos
posteriores de humectación-secado d.3 – Dosis de cemento
(Soroka, 1979), lo que es importante, pues Existe una relación casi directa entre la
permite mejorar la estabilidad dosis de cemento y la retracción
dimensional de los elementos hidráulica por estas causas.
prefabricados con un almacenamiento
previo a su puesta en obra. d.4 – Dosis de agua
Dado que un mayor contenido de agua
Si se conserva el material en atmósfera en el interior del hormigón conducirá a
saturada o sumergido en agua, en vez de una mayor cantidad de fisuras y poros
Asociación de Ciencias retracción experimenta un aumento de saturados, desde donde se origina la
Ambientales de la Comunidad tensión superficial.
volumen llamado entumecimiento,
bastante menor que la disminución
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d.5 – Porosidad de los áridos Las armaduras también coaccionan la
El valor de la retracción por esta causa retracción del hormigón circundante
queda condicionado por la finura del debido a que la adherencia se desarrolla
árido, siendo mayor cuando ésta mucho más rápidamente que la
aumenta, puesto que ello implica una retracción, lo que puede generar fisuras
mayor cantidad de discontinuidades en la de apariencia similar a las debidas a
masa del árido. esfuerzos e flexión o de tracción (CEB,
1982).
d.6 – Humedad
Puesto que ella condiciona la velocidad de El fenómeno suele ir asociado a la
evaporación del agua interior del retracción diferencial entre las capas
hormigón. superficiales y el núcleo de las piezas,
que origina un estado de “tensiones
e. Fisuración provocada por la retracción autoequilibradas” (ver Fig. 4): de
hidráulica tracción en la superficie y de
compresión en el interior.
e.1 – Causas y definición
Se producen a consecuencia de las
tensiones de tracción creadas en la masa
de hormigón al quedar impedida la
deformación provocada por los cambios
volumétricos en la retracción de secado.
Si se restringe, se van desarrollando
fuerzas centradas o excéntricas, que
producen fisuras cuando se agota la Fig. 3 Fisuración interna en la
deformación última del material a retracción por secado (Fernández
tracción (Hartl, 1984). Es el caso, por Cánovas, 1994)
ejemplo, de la Fig. 2, que representa un
muro de hormigón de cierto espesor
construido sobre un cimiento e.2 – Morfología
hormigonado con bastante antelación y La fisuración superficial producida es,
que limita el acortamiento por retracción principalmente, una fisuración en
del alzado (ACI Fall Convention, 1985) “mapa” (ver Fig. 5), difícil de distinguir
de la que causan estados tensionales
similares debidos a gradientes térmicos
actuantes a lo largo de la sección
transversal (ver Fig. 4).

La instalación de un acondicionamiento
térmico puede disminuir la humedad E.T.S. CAMINOS, CANALES Y
relativa media habitual, aumentando la PUERTOS - VALENCIA
Fig. 2 Retracción por secado en el
alzado de un muro retracción y se puede fisurar el
hormigón en cualquier instante de la
vida útil de la estructura (CEB, 1982)
Los áridos muy gruesos se oponen a la
retracción de la matriz y causan una Las fisuras de retracción de secado, a
fisuración interna en torno a ellos que diferencia de otras retracciones, suelen
no se acusa al exterior y no modifica el tener una anchura constante y un
volumen aparente de la pieza (Ver Fig. trazado limpio sin entrecruzado ni
3) (Fernández Cánovas, 1994) ramificaciones. Si la distribución de las
fisuras es buena, estas fisuras de Ambientales de la Comunidad

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Fig. 4 Isotermas en la sección transversal y representación de las tensiones autoequilibradas

retracción son muy estrechas, del orden en vez de en la viga. En el caso
de 0,05 a 0,1 mm de anchura y es contrario, en vigas con luz más o menos
frecuente que no tengan más de 0,02 grande, pueden aparecer fisuras
mm. Tampoco son profundas y no suelen perpendiculares a su eje, de espesor
penetrar en el hormigón de 4 a 10 mm. constante, que seccionan las vigas si
Pueden aparecer a partir de las dos o tres éstas se encuentran coaccionadas por
semanas desde el vertido del hormigón, pilares de gran rigidez.
pero el riesgo de su aparición persiste en
condiciones normales hasta un año, e.4 – Fisuración en los distintos tipos
retardándose a veces hasta los dos y tres de elementos estructurales
años, en función de las condiciones de Haremos un breve recorrido por los
sequedad atmosférica. diversos elementos que podemos
encontrar en una estructura y el
e.3 – Influencia de la rigidez en la comportamiento de éstos frente a la
fisuración fisuración debida a la retracción por
En este tipo de fisuración juegan un papel secado que se produce.
importante la rigidez del elemento
estructural y sobre todo, la del conjunto e.4.1 – Elementos tipo pórtico
estructural que le afecta. Se puede dar el Un caso típico de fisuras de retracción
caso de que en vez de producirse la hidráulica lo tenemos en el caso de un
fisuración en el elemento que se acorta, pórtico de una crujía con dos vigas a
se produzca en los elementos que están distinto nivel. Si la viga superior tiene
unidos a él (Véase Fig.5). Este efecto es más rigidez y está más armada que la
frecuente en vigas de sección grande y inferior retraerá menos que ésta, dando
muy armadas unidas a pilares esbeltos y lugar a que la última sea la que se fisure.
poco rígidos; en este caso las fisuras
E.T.S. CAMINOS, CANALES Y aparecen en la cabeza y pie de los pilares
PUERTOS - VALENCIA

Asociación de Ciencias Fig. 5 Fisuración en mapa y afección de elementos estructurales con distinta rigidez

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En los forjados pueden aparecer fisuras de
retracción si estos están coaccionados por
vigas o nervios unidos a ellos.

e.4.2 – Elementos verticales
La retracción en elementos verticales
puede originar fisuras en elementos
horizontales que funcionen
hiperestáticamente con ellos. En el caso
de retracción diferencial en los diferentes
elementos verticales, da lugar a un estado
tensional en las vigas y forjados que
Fisuración en ménsulas, pilares y vigas
puede ser comparable al producido por
un asiento diferencial del terreno.

e.4.3 – Láminas y cáscaras
La retracción en láminas y cáscaras, al elementos muy armados en los que las
tener más libertad de deformación que propias armaduras son las que
los otros elementos estructurales, se coaccionan los movimientos del núcleo
traduce en una reducción de las flechas si de la pieza y no los de ellos que al ser
las vigas de borde impiden los más superficiales son más propensos a
movimientos en estas líneas. Sin embargo, retraer, dando lugar a la aparición de
al deformarse la lámina por retracción fisuras superficiales y en ocasiones a
pueden aparecer fisuras en su intradós. pequeños desprendimientos localizados
Las fisuras de retracción en láminas en zonas del recubrimiento.
deformables, pero coaccionadas en sus
bordes, son muy parecidas a las de flexión e.6 – Fisuración por entumecimiento
presentando una abertura variable que va hidráulico
disminuyendo desde el intradós hasta la El caso opuesto a la retracción también
línea neutra de la sección. puede presentar patologías. Aquellas
que aparecen a consecuencia del
e.4.4 – Muros de contención aumento de volumen del hormigón,
Los muros de contención de tierras son como consecuencia de un contacto
elementos de gran masa con tendencia a permanente con el agua. Desde el punto
sufrir los efectos de la retracción. Por lo de vista de la fisuración, son menos
general, las fisuras en estos muros, suelen peligrosas que las de retracción debido
presentarse en su coronación y van a la menor resistencia a tracción de los
decreciendo hacia el terreno a la vez que hormigones y a los valores relativos más
van cerrándose hasta llegar a desaparecer altos de las retracciones con respecto a
en la proximidad de éste debido a que la los entumecimientos. E.T.S. CAMINOS, CANALES Y
humedad y el abrigo que proporciona el PUERTOS - VALENCIA
terreno son unas condiciones muy e.7 – La fisuración del hormigón
favorables para el curado. Finalmente queda exponer la famosa
figura de Beeby (1984) donde se recoge
e.5 – Algunos ejemplos de fisuración por un resumen de todas las causas que
retracción hidráulica pueden producir fisuración en el
La fisuración por retracción hidráulica hormigón:
puede afectar solamente a
los recubrimientos. Esto ocurre en los

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Fig. 6 Las causas de la fisuración en el hormigón (Beeby, 1984)

f- Cálculo de la retracción por secado Siendo:

Vamos a introducir un modelo de cálculo fcm resistencia media a compresión del
muy aproximado para la obtención de la hormigón a la edad de 28 días, en MPa
retracción por secado εcs(t,ts) en una pieza βsc coeficiente función de la velocidad
de hormigón. intrínseca de hidratación del cemento

βsc=4 velocidad lenta (CEM 32,5)
εcs (t,ts) = εcs0 * βs (t-ts) βsc=5 velocidad normal (CEM 32,5R y
CEM 42,5)
βsc=8 velocidad rápida (CEM 42,5R y
Siendo: CEM 52,5)
t edad del hormigón, en días, en el
instante de la evaluación HR humedad relativa de la atmósfera
ts edad del hormigón, en días, en tanto por ciento
cuando comienza la retracción
εcs0 coeficiente básico de retracción
βs (t-ts) coeficiente que modula la f.2- A continuación calcularemos el
evolución de la retracción en el tiempo coeficiente βs (t-ts), mediante la
expresión:
f.1- Abordemos a continuación el cálculo
de los coeficientes que intervienen. En
primer lugar calcularemos el coeficiente
básico de la retracción εcs0: Donde:

εcs0= εs * βHR
PUERTOS - VALENCIA Donde: espersor medio de la pieza, en
milímetros
εs=[160+ βsc(90-fcm)]x10-6
Siendo:
βHR=-1,55[1-(HR/100)3]
si 40%≤HR<99% βs1 Ac área de la sección transversal del
elemento en mm2
βHR=0,25 u perímetro de ésta en contacto con el
medio exterior en mm
si HR≥99% βs1
βs1=(0,35/ fcm)0,1

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Bibliografía

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