colado en clima frío - pca 2a ed (5)

Capítulo 14
Colado en Clima Frío
El concreto se puede colocar (colar) de manera segura, sin
daños debidos a la congelación, durante los meses de
invierno, en climas fríos, si se toman ciertas precauciones.
El ACI comité 306 define clima frío como el periodo en que
durante más de 3 días sucesivos el promedio de la temperatura del aire sea menor de 4°C (40°F) y permanece bajo
10°C (50°F) durante más de la mitad de cualquier periodo
de 24 horas. Bajo estas circunstancias, todos los materiales
y equipos necesarios para la protección y el curado adecuados deben estar disponibles y listos para el uso antes
del inicio de la colocación (colado) del concreto. Se pueden
recobrar las prácticas normales de colocación cuando la
temperatura ambiente sea mayor que 10°C (50°F) por más
de medio día.
Durante el clima frío, la mezcla de concreto y su temperatura se deben adaptar a los procedimientos constructivos y a las condiciones del clima. Se deben hacer
preparativos para proteger el concreto. Los recintos,
rompevientos, calentadores (calefactores) portátiles, cimbras (encofrados) aisladas y mantas deben estar listos para
mantener la temperatura del concreto
(Fig. 14-1).
Las cimbras (encofrado), el acero de refuerzo y los
accesorios que se vayan a insertar deben estar libres de
nieve e hielo en el momento que se coloque el concreto.
Deben estar disponibles termómetros e instalaciones de
almacenamiento de cilindros de prueba para verificar si
estas precauciones son adecuadas.
EFECTO DE LA CONGELACIÓN DEL
CONCRETO FRESCO
El concreto desarrolla muy poca resistencia a bajas temperaturas. Por lo tanto, el concreto fresco se debe proteger
contra los efectos perjudiciales de la congelación (Fig.
14-2) hasta que su grado de saturación se haya reducido
suficientemente por el proceso de hidratación. El
momento en que se logra esta reducción corresponde
aproximadamente al tiempo necesario para que el concreto desarrolle una resistencia de 35 kg/cm2 o 3.5 MPa
(500 lb/pulg2) (Powers 1962). Esto ocurre durante las
primeras 24 horas después del colado, bajo temperaturas
normales y relaciones agua-cemento menores que 0.60.
Reducciones significativas de la resistencia última, hasta
cerca de 50%, pueden ocurrir si el concreto se congela
pocas horas después
del colado o antes que
se desarrolle una resistencia de 35 kg/cm2
o 3.5 MPa (500 lb/
pulg2) (McNeese 1952).
El concreto que se va a
exponer a productos
descongelantes debe
desarrollar una resistencia de 290 kg/cm2
o 28 MPa (4,000 lb/
pulg2) antes de los
ciclos repetidos de
congelación y deshielo
(Klieger 1957).
Fig. 14-1. El clima frío no es un obstáculo para la construcción en concreto, cuando se hacen las
preparaciones adecuadas para construir protecciones y equipos aisladores. (IMG12272,
IMG12271)
285
Diseño y Control de Mezclas de Concreto
◆
EB201
Se puede restaurar la resistencia del concreto que se haya
congelado a edad temprana sólo una vez, aproximándose
a la resistencia normal, a través del curado adecuado posterior. Sin embargo, este concreto no va a ser tan resistente
a las intemperies, ni va a ser tan estanco como un concreto
que no se haya congelado. El periodo crítico, después del
cual el concreto no se daña seriamente por uno o dos ciclos
de congelación, depende de los ingredientes del concreto
y de las condiciones de mezclado, colocación, curado y
posterior secado. Por ejemplo, el concreto con aire
incluido (incorporado) es menos susceptible a los daños
causados por la congelación a edades tempranas que el
concreto sin aire incluido. Para más información, consulte
el capítulo 8 “Concreto con Aire Incluido”.
Fig. 14-2. Vista en primer plano de las impresiones del hielo
en la pasta congelada de concreto fresco. Las formaciones
de cristal de hielo ocurren a medida que el concreto no
endurecido se congela. Sin embargo, esto no ocurre en el
concreto adecuadamente endurecido. La rotura de la pasta
por congelación puede reducir el desarrollo de la resistencia y aumentar la porosidad. (IMG12273)
Porcentaje del fraguado
final a 23OC (73OF)
200
32
Temperatura de colocación, OF
52
72
DESARROLLO DE RESISTENCIA A
BAJAS TEMPERATURAS
La temperatura afecta la velocidad de hidratación del
cemento – bajas temperaturas retardan la hidratación y,
consecuentemente, retardan el endurecimiento y el desarrollo de la resistencia del concreto.
Si el concreto se congela y se mantiene congelado a una
temperatura mayor que -10°C (14°F), va a desarrollar resistencia lentamente. Abajo de esta temperatura, la hidratación
del cemento y el desarrollo de la resistencia se paralizan.
Las figuras 14-3 y 14-4 muestran el efecto de las bajas
temperaturas sobre el tiempo de fraguado y sobre el revenimiento (asentamiento), respectivamente. Las figuras 14-5
y 14-6 enseñan la resistencia a compresión a lo largo del
tiempo, con relación a la temperatura de colado y curado.
Observe que en la figura 14-6 los concretos colados y
curados a 4°C (40°F) y a 13°C (55°F) presentaron resistencias más bajas en la primera semana, pero después de 28
92
150
100
Proporciones de la mezcla
mantenidas constantes
Cemento A
0
Porcentaje del fraguado
final a 23OC (73OF)
200
0
32
Cemento B
10
20
30
Temperatura de colocación, OC
Temperatura de colocación, OF
52
72
40
Porcentaje en relación al revenimiento a 23oC (73oF)
50
92
150
100
Proporciones de la mezcla
mantenidas constantes
50
Cemento A
0
0
10
20
30
Temperatura de colocación, OC
Cemento B
40
32
250
Temperatura de colocación, oF
52
72
92
200
150
100
Proporciones de la
mezcla mantenidas
constantes
50
Cemento A
0
0
10
20
30
Temperatura de colocación, oC
Cemento B
40
Fig. 14-4. Características del revenimiento en función de la
temperatura de colocación (Burg 1996).
Fig. 14-3. Características de inicio de fraguado (superior) y
final de fraguado (inferior) en función de la temperatura de
colocación. (Burg 1996).
286
Capítulo 14 ◆ Colado en Clima Frío
%
o
3
(7
4
HR
23
C
F)
50%
3
2
100
oC
-4
0
1
3
o F)
(25
HR
0%
10
1
7
28
Edad del ensayo, días
90
Resistencia a compresión, 1000 lb/pulg
(7
3o
F)
23 o
C
200
6
5
o
HR
300
días, cuando los especimenes (probetas) se curaron a 23°C
(73°F), sus resistencias crecieron más rápidamente que el
concreto colado y curado a 23°C (73°F) y con un año sus
resistencias se presentaron un poco mayores.
Se pueden lograr altas resistencias iniciales con el uso
de cemento de alta resistencia inicial, como se puede
observar en la figura 14-7. Las principales ventajas se presentan en los primeros 7 días. A una temperatura de
curado de 4°C (40°F), las ventajas del cemento de alta
resistencia inicial son más marcadas y persisten por más
tiempo que en altas temperaturas.
2
50
10
0%
Resistencia a compresión, kg/cm2
400
HR
CALOR DE HIDRATACIÓN
El concreto genera calor durante su endurecimiento como
consecuencia del proceso químico a través del cual el
cemento reacciona con el agua para formar una pasta
endurecida y estable. El calor generado se llama calor de
hidratación y su cantidad y tasa de liberación varían con
el tipo de cemento. Además de esto, las dimensiones del
elemento de concreto, la temperatura ambiente, la temperatura inicial del concreto, la relación agua-cemento, los
aditivos y la composición, finura y cantidad del material
cementante también afectan el calor de hidratación.
El calor de hidratación es muy útil durante el clima
frío, pues contribuye para que se logre una temperatura
adecuada de curado, generalmente sin que sean necesarias otras fuentes temporarias de calor, principalmente
en elementos de concreto masivo.
El concreto se debe entregar en una temperatura adecuada y se debe tener en cuenta la temperatura de las cimbras (encofrados), acero de refuerzo, terreno u otro
concreto sobre el cual se colará el concreto. No se debe
colar el concreto sobre un concreto o terreno congelados.
0
365
Fig. 14-5. Efecto de la temperatura sobre el desarrollo de la
resistencia del concreto. El concreto de la curva inferior se
colocó a 4°C (40°F) y se almacenó inmediatamente en un
cuarto de curado a -4°C (25°F). Ambos concretos recibieron
el curado húmedo con 100% de humedad relativa por 28
días, seguidos de curado con humedad relativa de 50%.
140
Datos de la mezcla:
Relación agua-cemento = 0.43
Contenido de aire: 4 a 5%
Cemento: ASTM Tipo I,
310 kg/m3 (517 lb/yd3)
Resistencia a compresión, porcentaje en relación al
concreto curado por 28 días a 23oC
120
(40 o
F)
100
40
1
3
Datos de la mezcla:
Relación agua-cemento = 0.43, cemento tipo I ASTM
= 0.45, cemento tipo III ASTM
Contenido de aire: 4 a 5%
Contenido de cemento 310 kg/m3 (517 lb/yd3)
4 oC
Curado:
Las temperaturas que se enseñan
son las temperaturas para la
colocación y el curado húmedo de
los especímenes en los primeros
28 días. Después de esto, todos se
sometieron al curado húmedo
a 23oC (73oF).
20
0
Resistencia a compresión, kg/cm2
23 o
C
(7
3o
F)
60
500
13 o
C(
55 o
F)
80
7
28
Edad del ensayo, días
90
365
Fig. 14-6. Efecto de las bajas temperaturas sobre la
resistencia a compresión en varias edades. Observe que en
esta mezcla producida con el cemento tipo I ASTM, la mejor
temperatura para la resistencia a largo tiempo (1 año) fue
13°C (55°F) (Klieger 1958).
400
7
6
5
300
4
3
200
Tipo III, mezclado y curado
a 23OC (73OF)
Tipo I, mezclado y curado
a 23OC (73OF)
Tipo III, mezclado y curado
a 4OC (40OF)
Tipo I, mezclado y curado
a 4OC (40OF)
100
0
1
3
7
Edad del ensayo, días
2
1
Resistencia a compresión, 1000 lb/pulg2
Relación agua-cemento = 0.43
Contenido de aire: 4 a 5%
Cemento: ASTM Tipo I,
310 kg/m3 (517 lb/yd3)
28
Fig. 14-7. Comparación entre las resistencias tempranas de
mezclas de concreto con los cementos I y III ASTM curados
a 4°C (40°F) y a 23°C (73°F) (Klieger 1958).
287
Diseño y Control de Mezclas de Concreto
◆
EB201
3. Aceleradores químicos
La figura 14-8 muestra la instalación de una lona
sobre un pedestal (base de fundación) de concreto
después de la colocación del concreto. Normalmente son
necesarias lonas y mantas aisladoras para retener el calor
de hidratación de manera más eficiente y conservar el concreto lo más caliente posible. Las lecturas de la temperatura del concreto con el termómetro indicarán si la
cubierta es adecuada o no. El calor liberado durante la
hidratación va a compensar, hasta un grado considerable,
la pérdida de calor durante el colado, acabado y operaciones de curado temprano. A medida que la liberación de
calor de hidratación disminuye, la necesidad de cubierta
para el concreto se vuelve más importante.
Se pueden emplear pequeñas cantidades de aceleradores, tales como cloruro de calcio (con una dosis
máxima de 2% por masa de cemento portland), para acelerar el fraguado y el desarrollo de la resistencia temprana
del concreto en clima frío. No se deben usar los aceleradores que contienen cloruro donde exista un potencial
para la corrosión, tal como en elementos de concreto que
contienen acero de refuerzo o donde se vayan a usar
insertos de aluminio o acero galvanizado. No se recomiendan los cloruros para concretos expuestos a suelos o
aguas que contengan sulfatos o para concretos susceptibles a la reacción álcali-agregado.
No se deben emplear los aceleradores como sustitutos
del curado adecuado o de la protección en contra de la
congelación. Los aditivos aceleradores, especialmente diseñados, permiten que se coloque el concreto a temperaturas menores que -7°C (20°F). El objetivo de estos
aditivos es reducir el tiempo de fraguado inicial y final,
pero no acelerarán, necesariamente, el desarrollo de
resistencia. La cubierta del concreto para mantener la
humedad afuera y para retener el calor de hidratación aún
es necesaria. Además, nunca se deben utilizar las soluciones anticongelantes tradicionales, tales como los
usados en automóviles. La cantidad de estos materiales
necesaria para bajar apreciablemente el punto de congelación es tan grande que la resistencia y otras
propiedades pueden ser seriamente afectadas.
Como el objetivo del uso de mezclas especiales
durante la colocación de concreto en clima frío, es la
reducción del tiempo de fraguado, una relación aguacemento baja y un bajo revenimiento (asentamiento) son
particularmente deseables, especialmente en superficies
planas, pues las mezclas de concreto con revenimiento
alto normalmente tienen un fraguado más lento. Además,
se minimiza la evaporación, permitiendo que el acabado
se realice mucho más rápidamente (Fig. 14-9).
MEZCLAS ESPECIALES DE CONCRETO
En la construcción durante el invierno, es deseable
obtener alta resistencia en edades tempranas para reducir
el periodo de tiempo durante el cual se requiere una protección temporaria. El costo adicional del concreto de alta
resistencia normalmente se compensa por la posibilidad
de reutilización de las cimbras (encofrados) y puntales
más rápidamente, ahorro con la disminución del tiempo
de calefacción temporal, fraguado más rápido que permite
que se empiece el acabado más temprano y pronto uso de
la estructura. El concreto de alta resistencia inicial se
puede obtener con el uso de uno o la combinación de
varios de los siguientes puntos:
1. Cemento de alta resistencia inicial
2. Cemento portland adicional (60 a 120 kg/m3 o 100 a
200 lb/yd3)
Fig. 14-9. El acabado de esta superficie del concreto se
puede realizar con el uso de rompeviento, hay calor
suficiente bajo la losa y el concreto tiene bajo
revenimiento. (IMG12278)
Fig. 14-8. El concreto está siendo cubierto con yute para
retener el calor de hidratación. (IMG15125)
288
Capítulo 14 ◆ Colado en Clima Frío
Porcentaje de la resistencia en relación a los 7 días
400
Curado normalmente
(nunca se congeló)
300
Congelación seca
200
Congelación húmeda
100
0
Fig. 14-11. Ejemplo de un piso de concreto que se saturó
con lluvia, nieve o agua y después se congeló, mostrando
la necesidad de la incorporación de aire. (IMG12353)
0
10
20
30
40
50
Número de ciclos de congelación-deshielo
lluvia, nieve o agua de otras fuentes que puedan saturar el
concreto y donde no haya posibilidad de congelación.
La probabilidad que el agua sature un piso de concreto es muy alta. La figura 14-11 presenta las condiciones,
durante el invierno, del último piso de un edificio de
apartamentos. La nieve cayó sobre la cubierta superior.
Cuando se usaron los calefactores debajo de la cubierta
para calentarla, la nieve se derritió y el agua se escurrió, a
través de las aberturas en el piso, hacia un nivel que no
estaba siendo calentado. El concreto saturado de agua se
congeló, causando pérdida de resistencia, principalmente
en la superficie de la losa. Esto también pudo resultar en
mayor deflexión de la losa y una superficie menos
resistente al desgaste.
60
Fig. 14-10. Efecto de la congelación-deshielo sobre la
resistencia del concreto que no contiene aire incluido
(curado por 7 días antes de la primera congelación)
(Powers 1956).
CONCRETO CON AIRE INCLUIDO
El aire incluido (incorporado) es particularmente deseable
en cualquier concreto colado durante climas fríos. Los
concretos sin aire incluido pueden sufrir pérdida de
resistencia y daños internos y de superficie, como resultado de la congelación-deshielo (Fig. 14-10). El aire
incluido proporciona la capacidad de absorber tensiones
debidas a la formación del hielo en el concreto. Consulte el
capítulo 8 “Concreto con Aire Incluido”.
La incorporación de aire se debe usar siempre en construcciones durante los meses de congelación, con excepción al concreto producido bajo tejado, donde no haya
TEMPERATURA DEL CONCRETO
Temperatura del Concreto al Mezclarse
La temperatura del concreto durante el mezclado no debe
ser menor que las líneas 1, 2 o 3 de la Tabla 14-1, para los
respectivos espesores de sección. Observe que se
recomiendan temperaturas de concreto más bajas para el
Tabla 14-1. Temperatura Recomendada de Concreto para la Construcción en Clima Frío – Concreto con Aire
Incluido*
Línea
Condición
1
2
3
Temperatura mínima del concreto fresco cuando es mezclado
durante el clima indicado
Mayor que -1°C (30°F)
-18°C a -1°C (0°F a 30°F)
Menor que -18°C (0°F)
4
Temperatura mínima del concreto al colocarlo y
para mantenerlo**
Espesor de la sección, mm (pulg.)
Menos que
300 a 900
900 a 1800
300 (12)
(12 a 36)
(36 a 72)
Más de
1800 (72)
16°C (60°F)
18°C (65°F)
21°C (70°F)
13°C (55°F)
16°C (60°F)
18°C (65°F)
10°C (50°F)
13°C (55°F)
16°C (60°F)
7°C (45°F)
10°C (50°F)
13°C (55°F)
13°C (55°F)
10°C (50°F)
7°C (45°F)
5°C (40°F)
* Adaptado de la Tabla 3.1 del ACI 306R-88.
** Las temperaturas de colado listadas se usan en concreto de peso normal. Se pueden usar temperaturas más bajas para el concreto ligero si
se justifican mediante ensayos. Para la duración recomendada de la temperatura de la línea 4, consulte la Tabla 14-3.
289
◆
EB201
concreto masivo porque el calor generado durante la
hidratación se disipa más lentamente en secciones más
gruesas. También observe que, en temperaturas ambientes
más bajas, se pierde más calor del concreto durante el
transporte y la colocación y, por lo tanto, las temperaturas
de mezclado recomendadas son más altas en climas fríos.
Hay poca ventaja en usar el concreto fresco a una temperatura mucho mayor que 21°C (70°F). Las temperaturas
más elevadas del concreto no garantizan una protección
contra la congelación proporcionalmente más larga
porque la tasa de pérdida de calor es mayor. Además, las
temperaturas altas del concreto no son deseables, pues
aumentan la contracción (retracción) térmica después del
endurecimiento, requieren más agua de mezcla para el
mismo revenimiento (asentamiento) y contribuyen para
una posible fisuración por contracción plástica (causada
por pérdida rápida de humedad a través de evaporación).
Por lo tanto, la temperatura del concreto durante su colocación no debe superar más que 5°C (10°F) las temperaturas mínimas recomendadas en la Tabla 14-1.
pero promueve variaciones de la humedad del agregado,
resultando en un control irregular del agua de mezcla.
En pequeñas obras, los agregados se pueden calentar
almacenándolos sobre tuberías de acero para alcantarillas,
en las cuales se prende fuego. Se debe tener cuidado para
no abrasar el agregado.
Temperatura del Agua de Mezcla. De todos los ingredientes usados para la producción del concreto, el agua es
el que más fácilmente se calienta. La masa de los
agregados y cemento en el concreto es mucho mayor que
la masa del agua, sin embargo, el agua puede almacenar
cinco veces más calor que el cemento y el agregado con la
misma masa. Para el cemento y los agregados, el calor
específico promedio (o sea, unidades de calor necesarias
para aumentar la temperatura en 1°C (1°F) por kg (lb) de
material) se puede asumir como 0.925 kJ (0.22 Btu), siendo
que el del agua es 4.187 kJ (1.0 Btu).
La figura 14-12 enseña el efecto de la temperatura de
los materiales sobre la temperatura del concreto fresco. El
gráfico se basa en la ecuación:
Temperatura del Agregado. La temperatura de los agregados varía con el clima y el tipo de almacenamiento. Los
agregados normalmente contienen terrones congelados e
hielo cuando la temperatura está por debajo de la congelación. Los agregados congelados deben ser descongelados para evitar bolsones de agregados después de
dosificar, mezclar y colocar el concreto. Si el derretimiento
ocurre en la mezcladora, se deben evitar contenidos de
agua excesivamente altos y el efecto conjunto del
enfriamiento debidos al derretimiento del hielo.
Cuando las temperaturas son mayores que la de congelación, raramente se hace necesario el calentamiento de
los agregados y la temperatura deseada del concreto se
puede obtener con el calentamiento del agua de mezcla.
Cuando las temperaturas son menores que la de congelación, además del calentamiento del agua, normalmente
sólo los agregados finos se necesitan calentar para producir
un concreto con las temperaturas requeridas, siempre que
el agregado grueso esté libre de terrones congelados.
Los tres métodos más comunes de calentamiento de
agregados son: (1) almacenamiento en cubos o tolva de
pesaje, calentados por espirales de vapor o vapor directo;
(2) almacenamiento en silos calentados por aire caliente o
espiral de vapor y (3) amontonamiento de agregados en
pilas sobre losas o tuberías calentadas. A pesar que la calefacción del agregado almacenado en cubos o tolvas es el
método más comúnmente usado, el volumen de agregado
que se puede calentar normalmente es limitado y rápidamente consumido durante la producción del concreto. La
circulación de vapor a través de tuberías sobre las cuales
los agregados están amontonados es un método recomendado para el calentamiento de los agregados. Las pilas se
pueden cubrir con lonas para retener y distribuir el calor
y prevenir la formación de hielo. El vapor vivo se puede
inyectar directamente en la pila de agregados, preferiblemente a presiones de 500 a 900 kPa (75 a 125 lb/pulg2),
T=
0.22(Ta Ma + Tc Mc ) + Tw Mw + Twa Mwa
0.22( Ma + Mc ) + Mw + Mwa
Donde
T = temperatura del concreto fresco en °C (°F)
Promedio ponderado de la temperatura
de los agregados y del cemento, oF
40
50
60
70
Datos de la mezcla:
Agregado = 1360 kg (3000 lb)
Humedad del agregado
= 27 kg (60 lb)
Agua de mezcla adicionada
= 108 kg (240 lb)
Cemento Portland
= 256 kg (564 lb)
Temperatura del agua de mezcla, oC
78
70
Temperatura del concreto
24oC
(75oF)
62
54
180
160
140
20oC
(68oF)
120
16oC
(61oF)
46
12oC
(54oF)
38
Temperatura del agua de mezcla, oF
Diseño y Control de Mezclas de Concreto
100
8oC
(46oF)
30
0
4
8
12
16
20
Promedio ponderado de la temperatura
de los agregados y del cemento, oC
80
24
Fig. 14-12. Temperatura necesaria del agua de mezcla para
producir un concreto calentado con la temperatura
requerida. Las temperaturas se basan en la mezcla presentada pero son razonablemente precisas para otras
mezclas típicas.
290
Capítulo 14 ◆ Colado en Clima Frío
Ta , Tc , Tw y Twa = temperatura en °C (°F) de los agregados, cemento, agua de mezcla y humedad libre en los
agregados, respectivamente. Generalmente Ta = Twa.
Ma , Mc , Mw y Mwa = masa en kg (lb) de los agregados,
cemento, agua de mezcla y humedad libre en los agregados, respectivamente.
Si el promedio ponderado de la temperatura de los
agregados y cemento es mayor que 0°C (32°F), se puede
seleccionar, de la figura 14-12, la temperatura adecuada
para el agua de mezcla, para la obtención de la temperatura requerida del concreto. El rango de las temperaturas del concreto en el gráfico corresponde a los valores
recomendados de las líneas 1, 2 y 3 de la Tabla 14-1.
Para evitar la posibilidad del fraguado rápido o
relámpago del concreto, cuando el agua o los agregados se
calientan a una temperatura mayor que 38°C (100°F),debe
combinárselos con agua antes de la adición del cemento.
Si se sigue esta secuencia de carga en el mezclado, se
pueden usar temperaturas de agua hasta el punto de ebullición, siempre que los agregados estén suficientemente
fríos para reducir la temperatura final de la mezcla para
menos de 38°C (100°F).
Se deben evitar las fluctuaciones en la temperatura
del agua de una bachada a la otra. La temperatura del
agua de mezcla se puede ajustar con la mezcla de agua
caliente y agua fría.
Tabla 14-2. Caídas Máximas de Temperatura
Permitidas Durante las Primeras 24 Horas después
del Fin del Periodo de Protección*
Tamaño de la sección, dimensión mínima, mm (pulg.)
Menos que
300 a 900
900 a 1800
Más de
300 (12)
(12 a 36)
(36 a 72)
1800 (72)
28°C (50°F)
22°C (40°F)
17°C (30°F)
11°C (20°F)
* Adaptado de la Tabla 5.5 del ACI 306R-88.
ENSAYOS DE CONTROL
Los termómetros son necesarios para la verificación de la
temperatura del concreto en la entrega, colado y manutención. Un termómetro de bolsillo barato se presenta en
la figura 14-13.
Después que el concreto se haya endurecido, las temperaturas se pueden verificar con termómetros de superficie especiales o con un termómetro común que se
mantiene cubierto con cubierta aislante. Una manera sencilla de verificar la temperatura bajo la superficie del concreto se presenta en la figura 14-14. En vez de llenarse con
un fluido el vacío presentado en la figura 14-14, se lo
puede llenar con un material aislante, excepción del área
cerca del bulbo.
Los cilindros para ensayo de concreto se deben mantener a una temperatura entre 16°C (60°F) y 27°C (80°F) en
la obra por 48 horas, hasta que sean llevados para el laboratorio para el curado (ASTM C 31, AASHTO T 23, IRAM
1524, Nch1017, NMX C 160, NTP 339.033). En mezclas de
concreto con resistencia igual o mayor que 410 kg/cm2 o
40 MPa (6,000 lb/pulg2), la temperatura inicial de curado
debe estar entre 20°C y 26°C (68°F y 78°F). Durante este
periodo, los cilindros se deben mantener en una caja de
curado y se deben cubrir con una bolsa plástica impermeable o con una chapa no absorbente y no reactiva. La
temperatura en la caja debe ser controlada con precisión
Temperatura del Concreto al Colarse y
Mantenerse
Después del mezclado, siempre hay alguna pérdida de
temperatura mientras el camión se está dirigiendo para la
obra o está esperando para descargarse. Se debería colar el
concreto en las cimbras (encofrados) antes que su temperatura bajara para la temperatura de la línea 4 de la Tabla
14-1. Aquella temperatura se debería mantener durante
todo el periodo de protección presentado en el capítulo 12
“Periodo y Temperatura de Curado”.
Enfriamiento Después del Periodo de
Protección
El ACI comité 306 requiere que la fuente de calor y la
cubierta de protección se remuevan lentamente cerca del
fin del periodo de curado, para evitar el agrietamiento
del concreto, resultante de cambios repentinos de la temperatura. La caída máxima permitida de la temperatura,
durante las primeras 24 horas después del fin de la protección, se presenta en la Tabla 14-2. La caída de temperatura se aplica a la temperatura de la superficie. Observe
que las tasas de enfriamiento para la superficie del concreto masivo (secciones de gran espesor) son menores que
elementos delgados.
Fig. 14-13. Termómetro del bolsillo bimetálico con sensor
metálico apropiado para verificar la temperatura del
concreto fresco. (IMG12352)
291
Diseño y Control de Mezclas de Concreto
◆
EB201
Termómetro
Superficie del concreto
Además de los cilindros curados en laboratorio, en el
clima frío, es útil curar algunos cilindros en las condiciones
de campo. Algunas veces es difícil encontrarse el lugar
adecuado para el curado en la obra. Las diferencias de la
relación área-volumen entre los cilindros y la estructura, en
conjunto con diferencias en la masa, dificultan las correlaciones entre las resistencias de los cilindros curados en el
campo y de la estructura. Un lugar preferible es en una caja
en la losa de piso o muro, cubierta con aislamiento térmico.
Cuando se los coloca sobre un borde de la cimbra
(encofrado), poco debajo de un piso suspendido calentado,
las posibles temperaturas elevadas no duplicarán el
promedio de temperatura en la losa, ni la temperatura más
baja en la parte superior de la losa. Los cilindros curados en
condiciones de campo son más indicativos de la resistencia
real del concreto que los cilindros curados en laboratorio.
Se debe tener un cuidado especial para proteger los
cilindros contra el congelamiento, pues su pequeña masa
puede generar calor insuficiente para su protección.
Los cilindros desmoldados después de 24 horas se
deben envolver ajustadamente en bolsas de plástico o el
curado en laboratorio debe empezar inmediatamente.
Cuando se recogen los cilindros para su entrega en el laboratorio, se los deben mantener a una temperatura de
16°C (60°F) a 27°C (80°F) hasta que sean colocados en la
sala de curado en el laboratorio.
Los cilindros colados en el lugar (ASTM C 873, Nch
1171, NMX C 236) y los métodos de ensayos no destructivos discutidos en el Capítulo 16, bien como las técnicas
de madurez, discutidas más adelantes en este capítulo,
son útiles para el control de la resistencia del concreto en
la estructura.
Envoltorio obturador
Agua o alcohol
Agujero perforado o
preformado
Fig. 14-14. Esbozo para la medición de las temperaturas del
concreto, bajo la superficie, con un termómetro de vidrio.
por un termostato (Fig.14-15). Cuando los cilindros se
almacenan externamente, en cajas de curado aisladas, es
menos probable que se muevan por la vibración, que si
dejados en el piso del remolque. Si se los deja en el
remolque, donde la calefacción se puede apagar durante
la noche, fin de semana o feriado, los cilindros no van a
estar a las temperaturas de curado prescritas, durante el
periodo crítico.
COLOCACIÓN AL NIVEL DEL TERRENO
El colado (colocación) al nivel del terreno, durante el clima
frío, envuelve cierto esfuerzo y gastos adicionales, pero
muchos contratistas reconocen que son medidas que se
pagan por si mismas. En el invierno, el sitio donde se
ubica la estructura puede estar congelado en vez de ser
cenagoso. El concreto proverá algún, si no todo, el calor
que sería necesario para el curado adecuado. La temperatura interna del concreto debe ser controlada. Las mantas
para aislamiento o los recintos sencillos pueden ser fácilmente provistos. Los terraplenes están congelados y
requieren menos ademe (escora). Con un buen inicio
durante los meses de invierno, la construcción llega arriba
del terreno antes que empiece el clima más caluroso.
El colado del concreto a nivel del terreno envuelve
diferentes procedimientos de aquéllos usados en los
niveles más elevados: (1) el terreno debe estar descongelado antes de la colocación del concreto; (2) la hidratación
del cemento proporcionará parte del calor de curado; (3) la
construcción de los recintos es mucho más sencilla y la utilización de mantas aisladoras puede ser suficiente; (4) en
el caso de losas de piso, si el área está encerrada, se
requiere un calentador con ventilación y (5) los calenta-
Fig. 14-15. Caja aislada de curado con termostato para curado de cilindros. El calor se provee por capas eléctricas de
caucho colocadas en el fondo. Una gran variedad de
diseños es posible para cajas de curado. (IMG12268)
292
Capítulo 14 ◆ Colado en Clima Frío
dores hidrónicos se pueden usar para descongelar las subrasantes, empleando mantas aisladoras o para calentar
recintos sin preocuparse por la carbonatación. Para más
información sobre calefactores hidrónicos, consulte
“Calentadores”, más adelante en este capítulo.
Una vez colados, se deben rellenar las zanjas de los
cimientos, lo más pronto posible, con relleno descongelado. Nunca se debe colocar el concreto sobre una subrasante congelada, ni se deben rellenar las zanjas con relleno
congelado, pues cuando se descongelen, podrá ocurrir
hundimiento irregular, causando agrietamientos.
El ACI comité 306 especifica que no se debe colar el
concreto sobre cualquier superficie que pudiera bajar la
temperatura del concreto para temperaturas inferiores a
las presentadas en la línea 4 de la Tabla 14-1. Además, las
temperaturas de colocación del concreto no deben exceder
a estos valores mínimos en más de 11°C (20°F) para
reducir la pérdida de humedad y el desarrollo potencial
de grietas por contracción plástica.
Cuando la subrasante está congelada hasta una profundidad de 80 mm (3 pulg.), se puede descongelar la
superficie a través de: (1) vapor; (2) esparcimiento de una
capa de arena, grava u otro material granular caliente,
donde lo permitan las elevaciones de la rasante; (3) remoción y reemplazo con relleno descongelado; (4) protección
de la subrasante, por algunos días, con mantas aisladoras
o (5) el uso de calentadores hidrónicos bajo mantas aisladoras puede descongelar el terreno congelado a una tasa
de 0.3 m (1 pie) en 24 horas, hasta una profundidad de 3 m
(10 pies) (Grochoski 2000). El colado de concreto en losas
de piso y cimientos expuestos se debe retrasar hasta que el
terreno se haya descongelado y calentado suficientemente
para asegurar que no se van a congelar nuevamente
durante el periodo de protección y curado.
Las losas se pueden colar al nivel del terreno a temperaturas ambientes tan bajas como 2°C (35°F), siempre
que la temperatura mínima del concreto, durante la colocación, no sea menor que la presentada en la línea 4 de la
Tabla 14-1. La temperatura de la superficie no necesita ser
Tabla 14-3.
A. Duración Recomendada de la Temperatura del Concreto con Aire Incluido, en Clima Frío*
Protección contra la congelación temprana
Concreto
Concreto de alta
convencional**
resistencia a edad
días
temprana,† días
Sin carga, sin exposición‡
Curado húmedo favorable
Sin carga, expuesto, pero
posteriormente tiene
curado húmedo favorable
Carga parcial, expuesto
Totalmente cargado, expuesto
2
1
3
2
Para resistencia de decimbrado seguro
Concreto
Concreto de alta
convencional**
resistencia a edad
días
temprana,† días
2
1
3
2
6
4
Consulte la tabla abajo
Tabla 14-3.
B. Duración Recomendada de la Temperatura del Concreto con Aire Incluido, Totalmente Cargado y Expuesto
Porcentaje requerido de la
resistencia a los 28 días
con curado estándar
Días a 10°C (50°F)
Días a 21°C (70°F)
Tipo de cemento portland
I or GU
II or MS
Tipo de cemento portland
III or HE
I or GU
II or MS
III or HE
50
6
9
3
4
6
3
65
11
14
5
8
10
4
85
21
28
16
16
18
12
95
29
35
26
23
24
20
* Adaptado de la Tabla 5.1 del ACI 306. El clima frío se define como aquél cuyo promedio de temperatura diaria es menor que 4°C (40°F) por
3 días sucesivos, con excepción si ocurren temperaturas mayores que 10°C (50°F) por más de 12 horas en cualquier día. En este caso, el concreto no se debe considerar en clima de invierno y se deben emplear las prácticas de curado normal. Para las temperaturas recomendadas
para el concreto, consulte la Tabla 14-1. Para los concretos que no tengan aire incluido, el ACI comité 306 declara que la duración de la protección del concreto debe ser el doble de los días presentados en la Tabla A.
La parte B fue adaptada de la Tabla 6.8 del ACI 306R-88. Los valores presentados son aproximaciones y varían de acuerdo con el espesor
del elemento, las proporciones de mezcla, etc. Se proponen representar las edades en las cuales se pueden remover las cimbras. Para las temperaturas recomendadas del concreto, consulte la Tabla 14-1.
** Producido con los cementos portland ASTM tipos I, II, GU o MS.
† Producido con cemento portland ASTM tipos III o HE, o con acelerador, o con 60 kg/m3 (100 lb/yd3) de cemento adicional.
‡ “expuesto” significa sujeto a congelación-deshielo.
293
Diseño y Control de Mezclas de Concreto
◆
EB201
1. No hay necesidad de cambiarse la mezcla de concreto
para generar más calor, porque se pueden usar calentadores portátiles para calentar las caras inferiores de
losas de piso y techo (azotea). Sin embargo, hay ventajas al tener una mezcla que produce alta resistencia
en edades tempranas. Por ejemplo, la calefacción artificial se puede interrumpir más tempranamente (consulte la Tabla 14-3) y las cimbras (encofrados) se
pueden reutilizar más rápidamente.
2. Se deben construir recintos para retener el calor
debajo de la losa de piso y de techo.
3. Calentadores portátiles, usados para la calefacción de
las caras inferiores del concreto cimbrado (encofrado)
pueden ser unidades de calefacción de flama (llama)
directa (sin ventilación).
Antes de la colocación del concreto, se deben encender
los calentadores bajo la losa cimbrada para precalentar las
cimbras (encofrado) y derretir la nieve o el hielo remanente
en la parte superior. Los requisitos de temperatura para las
superficies en contacto con el concreto fresco son los
mismos presentados en la sección anterior “Colocación al
nivel del terreno”. Los refuerzos de acero a temperaturas
mayor que el punto de congelación más que algunos
grados, pero, preferiblemente, tampoco debe exceder más
que 5°C (10°F) la temperatura mínima de colocación. La
duración del curado no debe ser inferior al descrito en el
capítulo 12, conforme la clasificación de exposición.
Muchos contratistas, que trabajan en regiones de climas
muy fríos, eligen retrasar la colocación del concreto hasta
la primavera, para evitar las imperfecciones que pueden
ocurrir en concretos colados en áreas externas durante el
otoño y el invierno. En estas regiones, en la primavera, las
temperaturas son más favorables para la hidratación del
cemento, ayudando a desarrollar más resistencia, además
de promover suficiente secado, mejorando la resistencia a
los daños causados por congelación-deshielo.
COLOCACIÓN ARRIBA DEL NIVEL DEL
TERRENO
El trabajo por arriba del nivel del terreno, en clima frío,
normalmente involucra varios enfoques diferentes en
comparación al colado al nivel del terreno:
Espesor del muro o de la losa, pulg.
12
24
R=
5
R
0
12
0.3
5 (2
)
=
24
R=
40
(2)
0.
70
(4
)
20
)
=1
10
(6)
=1
R=
.06
)
(6
R
6(
-10
R=
8)
1(
1.4
-25
0
6)
(8)
R=
1.0
.41
1.4
-30
-20
)
1 (8
Temperatura ambiente mínima, oC
.35
=
(4
R
06
1.
-20
=0
50
R
70
=
-15
24
30
0.
)
12
R
0.3
5(
2)
=
(4
R
-10
0
R
0.
70
-5
0
Temperatura ambiente mínima, oF
10
0
-30
-35
-40
-40
Contenido de cemento
237 kg/m3
(400 lb/yd3)
-45
Contenido de cemento
296 kg/m3
(500 lb/yd3)
Contenido de cemento
356 kg/m3
(600 lb/yd3)
-50
0
100 200 300 400 500 600
0
100 200 300 400 500 600
0
-50
-60
100 200 300 400 500 600
Espesor del muro o de la losa, mm
Fig. 14-16. Resistencia térmica (R) de aislamiento requerida para mantener la temperatura de la superficie del concreto de
los muros y losas arriba el nivel del terreno a 10°C (50°F) o superior, por 7 días. Temperatura de colocación del concreto:
10°C (50°F). Velocidad máxima del viento: 24 km/h (15 mph). Observe que para mantener una cierta temperatura mínima,
por un periodo más largo, se necesita de más aislamiento o mayor valor de R (adaptado de ACI 306).
294
Capítulo 14 ◆ Colado en Clima Frío
peraturas iguales o mayores que 10°C (50°F). Para mantener de la temperatura por un tiempo más largo, se hace
necesario más aislamiento. El ACI 306 presenta gráficos y
tablas adicionales para losas colocadas al nivel del terreno
a temperatura de 2°C (35°F). Se puede seleccionar el aislamiento basado en el valor del R, proporcionado por los
fabricantes o usando la información de la Tabla 14-4.
Cuando el desarrollo de la resistencia no está determinado, se puede hacer una estimación conservadora, si se
da durante el tiempo de la Tabla 14-3, la protección adecuada, a las temperaturas recomendadas. Sin embargo, la
cantidad real de aislamiento y la duración del periodo de
protección se debe determinar a través de la temperatura
del concreto controlada en la obra y la resistencia deseada.
La relación entre temperatura de curado, tiempo de curado
y resistencia a compresión se puede establecer a través de
pruebas de laboratorio de una determinada mezcla de con-
menores que el punto de congelación pueden presentar
congelamiento local, disminuyendo su adherencia con el
concreto. El ACI comité 306 sugiere que las barras de
refuerzo con área de sección transversal de cerca de 650
mm2 (1 pulg2) deben tener una temperatura de, por lo
menos, -12°C (10°F) inmediatamente antes de ser envueltas
por concreto a una temperatura de, por lo menos, 13°C
(55°F). Se hacen necesarios cuidados y estudios adicionales
antes que se hagan recomendaciones definitivas. Consulte
el ACI comité 306 para información adicional.
Cuando se termine el acabado de la losa, se deben
colocar, sobre la parte superior, mantas aisladoras u otro
material aislante para garantizar las temperaturas adecuadas de curado. Se puede estimar, a través de la figura
14-16, el valor de aislamiento (R) necesario para mantener
por siete días de la temperatura de la superficie del concreto de muros y losas, arriba del nivel del terreno a tem-
Tabla 14-4. Valores de Aislamiento de Varios Materiales
Material
Tableros y losas
Poliuretano expandido
Poliestireno expandido, superficie extrudida suave
Poliestireno expandido, superficie extrudida de celdas cortadas
Fibras de vidrios, enlace orgánico
Poliestireno expandido, rebordes moldeados
Fibra mineral con aglomerante de resina
Lámina de fibra mineral, con fieltro húmedo
Revestimiento de lámina de fibra vegetal
Vidrio celular
Cartón de papel laminado
Lámina de partículas (baja densidad)
Madera contrachapada
Relleno suelto
Fibra de madera, maderas suaves
Perlita expandida
Vermiculita exfoliada
Vermiculita exfoliada
Aserrín o virutas
Material
Manta de fibra mineral, cimbras fibrosas (roca, escoria o vidrio)
5 a 32 kg/m3 (0.3 a 2 lb/pies3)
Relleno suelto de fibra mineral (roca, escoria o vidrio)
10 a 32 kg/m3 (0.6 a 2 lb/pies3)
Densidad kg/m3 (lb/pies3)
Resistencia térmica, R, para
espesor de material de
10 mm (1 pulg.),* (m2 · k)/W
([°F · hr · ft2)] / Btu)
24 (1.5)
29 a 56 (1.8 a 3.5)
29 (1.8)
64 a 144 (4 a 9)
16 (1)
240 (15)
256 a 272 (16 a 17)
288 (18)
136 (8.5)
480 (30)
590 (37)
545 (34)
0.438 (6.25)
0.347 (5.0)
0.277 (4.0)
0.277 (4.0)
0.247 (3.85)
0.239 (3.45)
0.204 (2.94)
0.182 (2.64)
0.201 (2.86)
0.139 (2.00)
0.128 (1.85)
0.087 (1.24)
32 a 56 (2.0 a 3.5)
80 a 128 (5.0 a 8.0)
64 a 96 (4.0 a 6.0)
112 a 131 (7.0 a 8.2)
128 a 240 (8.0 a 15.0)
0.231 (3.33)
0.187 (2.70)
0.157 (2.27)
0.148 (2.13)
0.154 (2.22)
Espesor mm (pulg.)
50 a 70 (2 a 2.75)
75 a 85 (3 a 3.5)
90 a 165 (5.5 a 6.5)
Resistencia térmica, R, para
el espesor de material,*
(m2 · k)/W ([°F · hr · ft2)] / Btu)
1.23 (7)
1.90 (11)
3.34 (19)
95 a 125 (3.75 a 5)
165 a 220 (6.5 a 8.75)
190 a 250 (7.5 a 10)
260 a 350 (10.25 a 13.75)
1.90 (11)
3.34 (19)
3.87 (22)
5.28 (30)
* Valores de ASHRAE Manual de Fundamentos, Sociedad Americana de los Ingenieros de Calefacción, refrigeración y aire acondicionado,
(ASHRAE Handbook of Fundamentals, American Society of Heating, Refrigerating and Air-conditioning Engineers, Inc.), Nueva Cork, 1977
y 1981.
Los valores de R son recíprocos de los valores de U (conductividad).
295
Diseño y Control de Mezclas de Concreto
◆
EB201
creto usada en la obra (consulte el “Concepto de Madurez”
discutido más adelante en este capítulo). El ACI 306
declara que el concreto con 35 kg/cm2 o 3.5 MPa (500
lb/pulg2) normalmente tiene resistencia suficiente para
resistir a los daños tempranos de congelamiento. Si el concreto va a estar en la condición saturada cuando se congele,
debe tener adecuado contenido de aire incluido y desarrollar una resistencia a compresión de 290 kg/cm2 o
28 MPa (4,000 lb/pulg2).
Esquinas y bordes son particularmente vulnerables
durante el clima frío. Como resultado, el espesor del aislamiento en estas áreas, especialmente en columnas, debe
ser cerca de tres veces mayor que el espesor requerido
para mantener el mismo concreto en muros o losas. Por
otro lado, si la temperatura del ambiente aumenta mucho
más que la temperatura asumida en la selección del valor
de aislamiento, la temperatura del concreto se puede
volver excesiva. Esto aumenta la probabilidad de choque
térmico y de agrietamiento cuando se remueven las cimbras (encofrados). En consecuencia, las lecturas de temperatura del concreto aislado se deben tomar en intervalos
regulares y no deben discrepar de la temperatura del aire
ambiente más que los valores presentados por el ACI 306.
Además de esto, las temperaturas del concreto aislado no
deben superar mucho los 27°C (80°F). En el caso de un
aumento súbito de la temperatura, a 35°C (95°F), puede
ser necesaria la remoción de parte del aislamiento o aflojar
la cimbra. La diferencia máxima entre la temperatura
interna del concreto y la temperatura de la superficie no
debe ser mayor que 20°C (35°F), para minimizar la
fisuración. Se debe consultar la predicción del clima y se
deben tomar las precauciones adecuadas para los cambios
de temperatura esperados.
No se deben colar columnas y muros sobre cimientos
con temperaturas bajo 0°C (32°F), porque el enfriamiento
de la parte inferior de la columna o muro va a retardar el
desarrollo de la resistencia. No se debe colocar el concreto
sobre cualquier superficie que pueda disminuir la temperatura del concreto recién colado bajo las temperaturas
mínimas de la línea 4 de la Tabla 14-1.
Fig. 14-17. Aún en el invierno, se puede construir
una piscina externa si se usa una protección calentada.
(IMG12269)
RECINTOS
Recintos con calefacción son muy eficientes para proteger
el concreto, pero son probablemente los más dispendiosos
(Fig. 14-17). Los recintos pueden ser de madera, de lona o
de polietileno (Fig. 14-18). También están disponibles los
recintos prefabricados de plástico rígido. Los recintos
plásticos, que admiten el pasaje de la luz del día, son los
más populares, pero la calefacción temporal en estos
recintos puede ser costosa.
Al construirse un recinto bajo un tablero, se puede
extender su estructura o marcos hasta arriba del tablero
para que sirvan de rompeviento. Normalmente, una
altura de 2.00 m (6 pies) va a proteger el concreto y los trabajadores contra vientos penetrantes que disminuyen la
Fig. 14-18. (superior) Los recintos de lona con calefacción
mantienen una temperatura adecuada para el curado y
protección apropiados durante el invierno prolongado y
severo. (inferior) Las hojas de plástico de polietileno, que
permiten el paso de la luz, se usan para cerrar la estructura
del edificio. La temperatura en el interior se mantiene a
10°C (50°F) a través de calefactores de espacio. (IMG12205,
IMG12204)
296
Capítulo 14 ◆ Colado en Clima Frío
Los pavimentos de concreto se pueden proteger del
clima frío esparciéndose sobre la superficie 300 mm (1 pie)
o más de paja o heno secos. Se deben usar lona, láminas de
polietileno o papel impermeable como cubierta protectora
sobre la paja o el heno, para que el aislamiento sea más eficiente y para prevenir que estos materiales vuelen con el
viento. La paja y el heno se deben mantener secos para
que su valor de aislamiento no disminuya considerablemente.
Las cimbras (encofrados) aislantes permanentes se
volvieron populares en la construcción en clima frío en los
años 90 (Fig. 14-20). Las cimbras construidas para el uso
repetido se pueden aislar económicamente con mantas
comercialmente disponibles o con materiales fibrosos aislantes. El aislamiento debe tener un revestimiento duro a
prueba de agua para resistir a las solicitaciones del manejo
y de la exposición a las intemperies. El aislamiento rígido
también se puede usar (Fig. 14-21).
Las mantas aisladoras para la construcción se producen con fibras de vidrio, esponja de hule, espuma de
poliuretano de celdas abiertas, espuma de vinilo, lana
mineral o fibras de celulosa. Las cubiertas externas se producen con lona, polietileno tejido u otras telas duras que
van a resistir al manejo brusco. El valor de R para las
mantas aisladoras típicas es cerca de 1.2 m2 · °C/W, para
un espesor de 50 a 70 mm, 7 (°F · hr · pies2)/Btu, pero
como los valores de R no se marcan en las mantas, su eficiencia se debe verificar con un termómetro. Si es necesario, se las pueden usar en dos o tres capas para lograr el
aislamiento deseado.
temperatura y aumentan excesivamente la evaporación.
Los rompevientos pueden ser más altos o más bajos,
dependiendo de las velocidades del viento, las temperaturas ambientes, la humedad relativa y la temperatura
de colocación del concreto esperadas.
Los recintos se pueden fabricar para que se muevan
junto con las cimbras (encofrados) volantes, aunque normalmente, deben ser removidos para que el viento no
interfiera con el manejo de las cimbras hacia su posición.
De la misma manera, los recintos se pueden construir en
paneles largos, tales como cimbras (encofrados) con los
rompevientos incluidos (Fig. 14-1).
MATERIALES AISLANTES
El calor y la humedad se pueden retener en el concreto con
las mantas aisladoras comercialmente disponibles (Fig. 1419). La eficiencia del aislamiento se puede determinar con
la colocación de un termómetro debajo de éste y en contacto con el concreto. Si la temperatura baja para menos
que el mínimo requerido en la línea 4 de la Tabla 14-1, se
debe aplicar un material aislante suplementario o un
material con un valor de R mayor. Las esquinas y los
bordes son más vulnerables a la congelación. En vista de
esto, las temperaturas en estas áreas se deben verificar con
frecuencia.
Los valores de la resistencia térmica (R) para los materiales de aislamiento comunes se presentan en la Tabla 144. Para que se logre una mayor eficiencia del material
aislante, se lo debe mantener seco y en contacto con el concreto o la cimbra.
Fig. 14-20. Las cimbras de concreto aislado (ECA o CCAcimbras de concreto aislado) permiten la colocación del
concreto durante el clima frío. (IMG5003)
Fig. 14-19. Pila de cubiertas de aislamiento. Estas cubiertas
atrapan el calor y la temperatura en el concreto, proporcionando un curado adecuado. (IMG12270)
297
Diseño y Control de Mezclas de Concreto
◆
EB201
Aire
Aire,
CO,
CO2,
Suministro
de aire
Aire
Ventilador
Flama
a) Calentador de flama directa
Aire,
CO,
CO2,
Recinto
Chimenea de ventilación
Aire
Sólo aire
calentado
limpio
Suministro
de aire
Aire
Ventilador
Flama
b) Calentador de flama indirecta
Fig. 14-21. Como la temperatura del aire estaba abajo de
-23°C (-10°F), se colocó el concreto en esta cimbra aislada
de columna, fabricada con madera contrachapada de alta
densidad de 19 mm (3⁄4 pulg.) de espesor en su interior, con
poliestireno rígido de 25 mm (1 pulg.) de espesor en el
centro y, por fuera, madera contrachapada áspera de
13 mm (1⁄2 pulg.) de espesor. Valor de R: 1.0 m2 · °C/W
(5.6 [°F · hr · ft2] / Btu). (IMG12274)
Fig. 14-22. Dos tipos de calefactores de aire.
CALENTADORES
En la construcción de concreto en clima frío, se pueden
emplear tres tipos de calentadores o calefactores: flama
directa, flama indirecta y sistemas hidrónicos (Figs. 14-22 a
14-25). Los calefactores de flama indirecta poseen ventilación para remover los productos de la combustión.
Donde se vaya a proveer calor a la parte superior del concreto fresco, como por ejemplo en una losa de piso, se
requieren calentadores con ventilación. El dióxido de carbono (CO2) en el tubo de salida se debe transportar hacia
afuera y se debe prevenir su reacción con el concreto fresco
(Fig. 14-23). Las unidades de flama directa se pueden utilizar para calentar los recintos encerrados debajo del concreto colocado en losas de piso y techo (Fig. 14-24).
Los sistemas hidrónicos transfieren calor a través de
la circulación de una solución de glicol/agua en un sistema encerrado de tuberías y mangueras (véase Fig. 1425). Estos sistemas transfieren calor más eficientemente
que los sistemas de aire forzado, sin los efectos negativos
de los gases de escape y del secado del concreto por
movimiento del aire. El calor específico de la solución
glicol/agua es más que seis veces mayor que el del aire.
Fig. 14-23. Calefactor de flama indirecta. Observe la tubería
de ventilación que transporta los gases de combustión
para fuera del recinto. (IMG12275)
298
Capítulo 14 ◆ Colado en Clima Frío
Como resultado, los calefactores hidrónicos pueden
proveer una gran cantidad de calor, con diferenciales de
temperatura entre la manguera y el concreto iguales o
menores que 5°C (10°F). El agrietamiento y el alabeo
inducidos por las diferencias de temperatura a lo largo del
elemento de concreto, el peligro del calentamiento excesivo y los daños al desarrollo de resistencia a lo largo del
tiempo son casi totalmente eliminados.
Las aplicaciones más comunes de los sistemas
hidrónicos incluyen descongelamiento y precalefacción de
las subrasantes. También se los puede utilizar para curar
losas elevadas y sobre el terreno, muros, cimentaciones y
columnas. Normalmente, las mangueras de calefacción
hidrónicas se las pone o se las cuelga adyacente a la estructura y se las cubre con mantas aisladoras y, algunas veces,
con hojas de plástico. Generalmente, no se hacen necesarios los recintos temporales. Los sistemas hidrónicos se
usan en áreas mucho mayores que serían funcionales para
los recintos. Si se hace necesario el recinto calentado para
otro trabajo, se pueden sacrificar las mangueras hidrónicas
(se las deja debajo de una losa sobre el terreno) para transformar la losa en un calefactor radiante para la estructura
construida arriba (Grochoski 2000)
Cualquier calentador que queme combustible fósil
produce dióxido de carbono (CO2), el cual reacciona con el
hidróxido de calcio en la superficie del concreto fresco
para formar una capa frágil de carbonato de calcio, que
interfiere en la hidratación del cemento (Kauer y Freeman
1955). El resultado es una superficie débil, gredosa que se
va a espolvorear bajo la acción del tránsito. La profundidad y el grado de la carbonatación dependen de la concentración del CO2, temperatura de curado, humedad,
porosidad del concreto, periodo de exposición y método
de curado. Por lo tanto, no se deben utilizar los calefactores de flama directa para la calefacción inmediatamente
después de las operaciones de colado, sino se debe
esperar, por lo menos, 24 horas. Además, el uso de
equipos de construcción movidos a gasolina también se
los debe restringir en los recintos durante este periodo. Si
se usan calefactores sin ventilación, el curado húmedo
inmediato o el uso de un compuesto de curado minimizarán la carbonatación.
El monóxido de carbono (CO), otro producto de la
combustión, normalmente no es un problema, a menos
que el calentador utilice aire recirculante. Una exposición
por cuatro horas a 200 partes por millón de CO producirá
dolores de cabeza y náuseas. Tres horas de exposición a
600 ppm puede ser fatal. Los requisitos estándar de
seguridad norteamericanos para aparatos temporales y
portátiles de calefacción de ambientes empleados en la
industria de la construcción (ANSI A10.10) limitan las
concentraciones de CO a 50 ppm, en el nivel de respiración de los trabajadores. La norma también establece
reglas de seguridad para la ventilación y la estabilidad,
operación, alimentación de combustible y manutención de
los calentadores.
Fig. 14-24. Calefactor de flama directa instalado fuera del
recinto, así abasteciéndose de aire puro. (IMG12206)
Fig. 14-25. Sistema hidrónico mostrando mangueras (superior) dejadas sobre el suelo para descongelar la subrasante y (inferior) para calentar las cimbras mientras se
bombea el concreto fresco. (IMG12349, IMG12348)
299
Diseño y Control de Mezclas de Concreto
◆
EB201
La salamandra es un calefactor de combustión
económico, sin ventilador que descarga sus productos de
combustión en el aire circundante, siendo que la calefacción se logra por la radiación de su revestimiento
metálico. Las salamandras usan coque, aceite, madera o
propano líquido y son un tipo de calefactor de flama
directa. La primera desventaja de las salamandras es la
temperatura elevada de su revestimiento metálico, constituyendo un riesgo de incendio. Las salamandras se deben
posicionar de tal forma que no calienten sobremanera las
cimbras o los materiales del recinto. Cuando son colocadas sobre las losas de piso, debe estar a un nivel elevado
para evitar abrasamiento del concreto.
Algunos calentadores queman más de un tipo de
combustible. Los valores aproximados de calor de los
combustibles son los siguientes:
No. 1 combustóleo
Queroseno (keroseno)
Gasolina
Gas de propano
líquido
Gas natural
DURACIÓN DE LA CALEFACCIÓN
37,700 kJ/L (135,000Btu/gal)
37,400 kJ/L (134,000Btu/gal)
35,725 kJ/L (128,000Btu/gal)
Después del colado del concreto, se lo debe proteger y conservar en la temperatura recomendada en la línea 4 de la
Tabla 14-1. Estas temperaturas de curado se deben mantener hasta que se haya desarrollado resistencia suficiente
para resistir a la exposición a bajas temperaturas, al medio
ambiente previsto y a las cargas de construcción y de servicio. El periodo de protección necesario para que se logre
esta resistencia dependerá del tipo de cemento, existencia o
no de aditivos aceleradores y de las cargas que soportará.
Los periodos mínimos de protección se presentan en la
Tabla 14-3. La duración de la calefacción del concreto
estructural, que se requiere para soportar la carga de servicio total antes que se remuevan las cimbras (encofrados)
y puntales, se debe basar en la adecuación de la resistencia
a compresión del concreto en la estructura y no en un
periodo de tiempo arbitrario. Si no hay datos disponibles,
se debe hacer una estimación conservadora del periodo de
tiempo de calefacción y protección a través de la Tabla 14-3.
25,500 kJ/L (91,500Btu/gal)
37,200 kJ/m3 (1,000Btu/pies3)
CURADO HÚMEDO
La capacidad de un calentador portátil es, normalmente, el contenido de calor del combustible consumido
por hora. Una estimación aproximada es que se requiere
cerca de 134,000 kJ para desarrollar un aumento de temperatura de 10°C (20°F) por cada 100 m3 de aire (36,000
Btu por cada 10,000 pies3).
También se puede utilizar electricidad para el curado
del concreto en el invierno. Un método es emplear mantas
eléctricas grandes equipadas con termostatos. Además, las
mantas se pueden utilizar para descongelar las subrasantes o los cimientos de concreto.
Otro método es el uso de alambres de resistencia eléctrica que se cuelan dentro del concreto. La corriente que se
provee es menor de 50 voltios y se requiere de 7.0 a 23.5
MJ (1.5 a 5 kilowatios-hora) de electricidad por metro
cúbico (yarda cúbica) de concreto, dependiendo de las circunstancias. Este método ha sido empleado en Montreal,
Québec, durante muchos años. Donde se usen los alambres de resistencia eléctrica, se deben incluir aislamiento
durante el periodo de fraguado inicial. Si se retira el aislamiento antes del periodo recomendado, se debe cubrir el
concreto con una cubierta impermeable y la corriente debe
continuar por el periodo de tiempo requerido.
El vapor consiste en otra fuente de calor para el
colado en el invierno. Se puede conducir el vapor vivo o
directo por medio de una tubería hacia dentro del recinto
o se lo puede proveer a través de unidades radiantes.
Al elegirse una fuente de calor, se debe tener en
cuenta que el propio concreto suministra calor durante la
hidratación del cemento y este calor frecuentemente es
suficiente para las necesidades de curado, si se lo retiene
en el concreto, a través de aislamiento.
El desarrollo de la resistencia se paraliza cuando la
humedad necesaria para el curado no está disponible. El
concreto retenido en las cimbras (encofrados) o cubierto
con aislamiento raramente pierde humedad suficiente
para perjudicar el curado, cuando está entre una temperatura de 4°C a 15°C (40°F a 55°F). Sin embargo, se hacen
necesarias medidas para que se establezca un curado
húmedo y se compense el secado resultante de las bajas
humedades durante el invierno o debido a los calefactores
utilizados en los recintos.
La disipación de vapor directamente dentro del
recinto, alrededor del concreto, es un método excelente de
curado porque da ambos calor y humedad. El vapor es
especialmente práctico en climas extremamente fríos,
pues la humedad que se suministra compensa el secado
rápido que ocurre cuando el aire muy frío se calienta.
Los compuestos líquidos formadores de membrana se
pueden utilizar para el curado temprano de las superficies
de concreto en los recintos con calefacción.
TÉRMINO DEL PERIODO DE
CALEFACCIÓN
Se debe evitar el rápido enfriamiento del concreto al final
del periodo de calefacción. El enfriamiento repentino de la
superficie de concreto, mientras que el interior aún esté
cálido puede causar agrietamiento térmico, especialmente
en concreto masivo, tales como columnas de puentes,
estribos, presas y elementos estructurales de gran volumen, y por lo tanto, el enfriamiento debe ser gradual. La
diferencia segura de temperatura entre el muro de concreto
y el aire ambiente se puede obtener en el ACI 306R-88. La
300
Capítulo 14 ◆ Colado en Clima Frío
caída uniforme máxima en la temperatura en las primeras
24 horas después del fin del periodo de protección no
debe superar los valores de la Tabla 14-2. El enfriamiento
gradual se puede obtener con la disminución de la calefacción o simplemente cerrando el calor y permitiendo
que el recinto enfríe hasta la temperatura ambiente
externa.
peraturas de curado hayan fluctuado. El concepto se
puede expresar por la ecuación:
Métrica: M = ∑ (C + 10) Δt
Unidades en pulgadas-libras: M = ∑ (F – 14) Δt
Siendo:
M = factor de madurez
∑ = sumatoria
C = temperatura del concreto en grados Celsius
F = temperatura del concreto en grados Fahrenheit
Δt = duración del curado a la temperatura C (F), normalmente en horas
REMOCIÓN DE LAS CIMBRAS Y
REAPUNTALAMIENTO
Una buena práctica durante el clima frío es dejar las cimbras (encofrados) en el lugar el mayor tiempo posible,
pues, dentro de los recintos con calefacción, sirve para distribuir el calor más uniformemente y ayuda a prevenir el
secado y el calentamiento excesivo.
Si las temperaturas de curado presentadas en la línea
4 de la Tabla 14-1 se mantienen, se puede utilizar la Tabla
14-3 para determinar el periodo mínimo en días que se
debe dejar el soporte vertical de las cimbras. Antes que se
remuevan los puntales y las cimbras, se deben hacer
pruebas en el concreto estructural totalmente cargado
para determinar si las resistencias del concreto en la
estructura son adecuadas, al revés de esperar un periodo
de tiempo arbitrario. La verificación de las resistencias en
la estructura se hace usando uno de los siguientes
métodos: (1) cilindros curados en la obra (ASTM C 31,
AASHTO T 23, IRAM 1524, Nch1017, NMX C 160, NTP
339.033); (2) ensayos de penetración (ASTM C 803, NMX
C 301); (3) cilindros colados en el lugar (ASTM C 873, Nch
1171, NMX C 236); (4) ensayos de arrancamiento (ASTM C
900) o (5) ensayos de madurez (ASTM C 1074). Muchas de
estas pruebas son métodos indirectos de evaluación de la
resistencia a compresión y requieren una correlación
anticipadamente, con cilindros estándar antes que se haga
estimación de la resistencia del concreto en la estructura.
Si las resistencias en la estructura no se documentan,
la Tabla 14-3B lista periodos de tiempo conservadores para
que se logren varios porcentajes de la resistencia a los 28
días obtenidas con curado húmedo. El ingeniero responsable por los diseños y las especificaciones del proyecto,
junto con el contratista de cimbras (encofrados), deben
determinar cual es el porcentaje requerido de la resistencia
de diseño (consulte ACI comité 306). Las cimbras laterales
se pueden remover anteriormente a los apuntalamientos y
a la obra falsa temporal (ACI comité 347).
La ecuación se basa en la premisa de que el concreto
desarrolla resistencia (esto es, el cemento continua
hidratándose) a una temperatura mayor que -10°C (14°F).
Antes del inicio de la construcción, se establece una
curva de calibración, enseñando la relación de la
resistencia a compresión y el factor de madurez para una
serie de cilindros de prueba (de un concreto con proporciones de mezclas específicas) curados en laboratorio y
ensayados a resistencia a compresión en edades sucesivas.
El concepto de madurez no es preciso y tiene algunas
limitaciones, pero es útil para la evaluación del curado del
concreto y para estimar la resistencia en relación al tiempo
y a la temperatura. Se asume que todos los otros factores
que afectan la resistencia del concreto se hayan controlado
adecuadamente. Teniéndose en cuenta tales limitaciones,
el concepto de madurez ha ganado gran aceptación para
representar la resistencia a compresión del concreto para
la remoción del apuntalamiento o para la abertura del
pavimento para el tráfico, pero no es un sustituto del control de calidad y de las prácticas adecuadas de colado
(Malhotra 1974 y ACI comité 347).
Las siguientes informaciones deben estar disponibles
para el control del desarrollo de la resistencia del concreto
en la estructura, a través del concepto de madurez:
1. La relación entre resistencia y madurez del concreto
usado en la estructura. Los resultados de los ensayos
de resistencia a compresión en varias edades en una
serie de cilindros producidos con un concreto similar
al usado en la estructura, sirven para determinar la
curva de relación entre la resistencia y el factor de
madurez. Estos cilindros se curan en el laboratorio a
una temperatura de 23°C ± 2°C (73°F ± 3°F).
2. Registro de la temperatura del concreto en la obra a lo
largo del tiempo. Las lecturas de la temperatura se
obtienen con la colocación en el concreto de termistores o termopares en diversas profundidades. El
lugar en el cual se obtienen los valores más bajos proporciona las lecturas de temperatura que se van a usar
en la computación (Fig. 14-26).
CONCEPTO DE MADUREZ
El concepto de madurez se basa en el principio de que el
desarrollo de la resistencia en el concreto es función del
tiempo de curado y de la temperatura. Conforme el ACI
306R-88 y la ASTM C 1074, se puede usar el concepto de
madurez para la evaluación del desarrollo de la resistencia
cuando las temperaturas de curado prescritas no se hayan
mantenido durante el tiempo requerido o cuando las tem-
Consulte el ACI 306R-88 para ejemplos de cálculos,
usando el concepto de madurez.
301
Diseño y Control de Mezclas de Concreto
◆
EB201
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Fig. 14-26. (superior) Registrador automático de temperatura. (inferior) Termopares y cable. (IMG12276, IMG12277)
302
Capítulo 14 ◆ Colado en Clima Frío
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