Especificación del hormigón por ciclo de congelación/deshielo: Propuesta de zonificación

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Cuando se incluyó al ciclo de congelación/deshielo como uno de los factores externos en la especificación por durabilidad del hormigón en la nueva norma NCh170:2016, no se consideraron los diferentes climas que posee Chile para especificar el diseño de mezcla del hormigón. La propuesta que desarrolla el Comité de Durabilidad del ICH, integra este dato y busca dar certeza al especificador a la hora de determinar qué tipo de hormigón corresponde y qué diseño debe tener, en las diferentes zonas climáticas de nuestro país.

Uno de los nuevos aspectos que se incorporaron a la actualización de la norma NCh170:2016, tiene relación con la especificación por durabilidad del hormigón, capítulo en el que abordó la acción de agentes externos e internos y cómo estos, al estar sometidos a ciertas condiciones o cumplir con ciertos parámetros, afectan a la durabilidad del material.

En ese sentido, uno de los aspectos que se agregó a la normativa es el que se refiere a la exposición del hormigón a agentes externos, puntualizando en tres tipos: congelación y deshielo, sulfatos y por agentes que provoquen corrosión.

Así, la norma establece una serie de requisitos o valores para que el hormigón, si es que se ve enfrentado a alguno de estos agentes externo, mantenga su durabilidad como material, de acuerdo a la especificación dada por el ingeniero calculista, como se mencionó en el artículo referido a la especificación por durabilidad publicado recientemente.

Sin embargo, aún persisten inconsistencias o dudas respecto a cómo especificar el nivel o magnitud del ataque al hormigón, en especial, cuando éste se ve enfrentado a ciclos de congelación y deshielo, dadas las características propias del territorio nacional.

Por este motivo, integrantes del Comité de Durabilidad del Instituto del Cemento y Hormigón de Chile (ICH) preparan un documento que busca aclarar esas dudas y establece una zonificación para determinar el grado de exposición por la acción de ciclos de congelación y deshielo.

Naturaleza de los ciclos de hielo/deshielo y aspectos de la norma NCh170:2016

Al analizar los requisitos de durabilidad del hormigón, en el caso de los ciclos de congelación y deshielo, la norma establece ciertas restricciones en cuanto al grado mínimo de resistencia a especificar y el porcentaje de aire total que debe tener el hormigón en función del tamaño máximo del árido que se utilizará en el diseño de la mezcla.

En ese sentido, Luis Ebensperger, Doctor en Ciencia de los Materiales de la Universidad Técnica de Munich, integrante de ASTM, RILEM, IABSE, además de formar parte del Comité de Durabilidad del ICH, explicó que “las definiciones que entrega la normativa fueron el primer paso para lograr una clasificación de los niveles de agresividad de este efecto sobre el hormigón, basándose en el hecho que existiendo ciclos de congelación/deshielo y presencia de humedad, existirá un daño del hormigón”.

Agregó que “como se trata de la ocurrencia conjunta de a lo menos 2 factores, no queda claro en qué condiciones ocurrirá este daño, a menos que se realice un estudio más acabado de los fenómenos físicos que ocurren al interior del hormigón”.

-¿Qué patologías producen los ciclos de congelación y deshielo en el hormigón, que hacen necesaria su especificación en la norma?
Luis Ebensperger: El efecto de los ciclos de Congelación/Deshielo del agua contenida al interior del hormigón en los poros capilares repercute en la generación de grandes tensiones en la matriz de cemento, debido al efecto que genera el agua al congelarse aumentando su volumen en aproximadamente 9 por ciento. Si la cantidad y distribución de poros dentro del hormigón es la adecuada, los poros son capaces de absorber esta fuerte expansión sin generar un deterioro interno. En caso contrario, se generan grietas, las cuales en cada nuevo ciclo producen un efecto acumulativo hasta llegar al rompimiento de la superficie del hormigón, acompañado incluso de desprendimientos del hormigón de recubrimiento.

El experto añadió que “por esta razón, en climas fríos es necesario especificar hormigones con aditivos incorporadores de aire para asegurar que el hormigón sea durable y no se deteriore rápidamente. De este modo, los niveles de contenido de aire medidos en el hormigón fresco, considerados habitualmente en 1% y 2%, para un tamaño máximo de agregado de 40 y 20mm, respectivamente, deben ser aumentados con los incorporadores de aire hasta los valores indicados en la NCh170”.

Asimismo, comentó que “en este aspecto es importante señalar que adicionalmente es de gran importancia obtener una distribución óptima de microporos de aire incorporado < 300um, siendo estas micro burbujas, que no se encuentran interconectadas entre sí, las que permiten la ocurrencia de procesos expansivos del hielo en su interior reduciendo y distribuyendo las tensiones generadas en la matriz de cemento”.

Foto: Vista al microscopio de burbujas de aire incorporado

Hacia una zonificación de la especificación por ciclos de Congelación/Deshielo

La generación de un mapeo que identifique las zonas donde se producen ciclos de congelación y deshielo en Chile es un tema complejo, reconoció Ebensperger. “Este tipo de estudio no es simple, dado que deben analizarse datos climatológicos de temperatura, precipitaciones, presencia de nieve, uso de sales descongelantes altura geográfica, cantidad de ciclos, etc., queda claro que para el ingeniero especificador no es simple la determinación del Grado de Exposición a definir. Al no contar con un modelo cuantitativo, la clasificación puede no ser representativa de la situación real esperada en terreno para una obra en particular, tal como planteaban algunos colegas ingenieros”.

Esa línea fue, precisamente, la que desarrolló una tesis de grado[1] guiada por Carmen Paz Muñoz, académica y directora de la carrera de Ingeniería en Construcción de la Universidad Andrés Bello y también, integrante del Comité de Durabilidad del ICH. “Nuestra propuesta consideró la determinación del número de ciclos hielo-deshielo dañinos para el hormigón. Hay que destacar que esta tesis fue desarrollada antes de la propuesta de zonificación que actualmente se discute en el comité”, puntualizó Carmen Paz Muñoz.

“La tesis realizada en la Universidad Andrés Bello permitió, de manera preliminar, proponer una zonificación, que sin duda contribuye como información cuantitativa para el proyectista estructural, de modo de entregar datos para especificar el grado de exposición a ciclos hielo-deshielo de acuerdo a ubicación del proyecto, sin subestimar el riesgo de la estructura, considerando también no sobrestimar el grado de exposición, principalmente por el impacto económico que pudiera tener ambas situaciones”, dijo Ebensperger.

Con ese material como base, el experto presentó una propuesta en el Comité de Durabilidad del ICH para determinar, mediante el mapeo del territorio nacional, “el desarrollo de una zonificación nacional que considere todos estos aspectos y entregue como resultado una zonificación del Grado de Exposición a especificar según la ubicación de cada proyecto”.


[1] Peyresblanques, I. (2019), Propuesta de zonificación nacional de los grados de exposición de ciclos de hielo-deshielo expuestos en la NCh 170-2016, Facultad de Ingeniería UNAB.

-¿Qué otros documentos se consideraron en la elaboración de esta propuesta?
Luis Ebensperger: Se tomó como base la Clasificación de Climas de Köppen[2] para Chile, la cual define 4 Clasificaciones Principales del Clima, desde Clima Cálido (zonas tropicales sin presencia en Chile), Clima Seco, pudiendo ser Árido o Semiárido, Clima Templado, con lluvias en invierno o todo el año, y Clima Frío propiamente tal, tipo tundra por altura geográfica o latitud y hielo por altura o polar.

“Esta primera clasificación -agregó Ebensperger- permitió dividir el país en zonas, las cuales fueron variando desde norte a sur afectados por su distancia desde el Ecuador (latitud) y por su ubicación geográfica cercano a la costa o a la Cordillera de Los Andes (altitud)”, similar a la forma en que se trabajó la Reglamentación Térmica de Viviendas[3].

Para completar la propuesta, agregó Luis Ebensperger, utilizó, adicionalmente a la Base de Datos de los últimos 5 años de la Dirección Meteorológica de Chile[4], otras fuentes como los datos aportados por el sitio web Meteoblue[5] para la identificación de los días de precipitación tipo nieve: “Fue posible identificar la cantidad promedio anual de ciclos congelación/deshielo esperados por cada zona, cantidad y meses con precipitaciones, y meses con presencia de nieve y eventualmente uso de sales descongelantes en zona urbanas para permitir la continuidad del tráfico”, explicó el experto.

Al añadir estas precisiones, se continuó el trabajo en el proyecto y “al incorporar otras restricciones impuestas al modelo en desarrollo, la zonificación entregó resultados satisfactorios”.

“Es importante señalar -puntualizó Ebensperger- que de igual modo podrán darse condiciones especiales de Exposición, las cuales deberán ser analizadas por el Experto en Durabilidad cuando corresponda, como lo es, por ejemplo, si la estructura estará sujeta a las condiciones ambientales exteriores, o se trate de elementos interiores”.

Foto: Zonificación climática del país considerando el efecto de la latitud y la altura geográfica

[2] Proyecto Innova-Corfo (2014), Guía para la utilización del método AASHTO 2008 para el diseño de pavimentos rígidos en Chile, Clasificación Köppen para Chile (Rioseco y Tesser, 2014).

[3] Instituto de la Construcción (2006), Manual de Aplicación de Reglamentación Térmica.

[4] www.meteochile.cl

[5] https://www.meteoblue.com/es/tiempo/historyclimate/climatemodelled/

Propuesta de zonificación: Certezas para el diseño

Uno de los aspectos esenciales que considera la propuesta de zonificación son la ocurrencia de una serie de factores para elaborar el diseño de mezcla del hormigón y así, que éste cumpla con la especificación entregada de acuerdo a la zona donde se utilizará.

Al respecto, Luis Ebensperger comentó que existen cinco factores: la ocurrencia de ciclos de Congelación/Deshielo, la cantidad acumulada de ciclos de Congelación/Deshielo, la Vida Útil de Diseño especificada para la estructura, el grado de saturación del hormigón y la presencia de nieve. “Para la ocurrencia del deterioro por ciclos de congelación/deshielo -explicó el ingeniero- deben ocurrir de forma simultánea a lo menos estas 2 condiciones: ocurrencia de ciclos en el hormigón saturado”.

Tanto en la Tesis ya mencionado como otros estudios[6] demuestran que el punto de congelación del agua para efectos de ocurrencia de un ciclo ocurre a los -2°C. Por esta razón los datos determinados para determinar la cantidad de ciclos anuales promedio por localidad fueron corregidos a la condición que se haya medido temperaturas en un mismo día menores a -2°C y mayores a 0°C.

El experto puntualizó en la cantidad acumulada de ciclos de Congelación/Deshielo y la vida útil. “Estudios internacionales muestran que aproximadamente a partir de 250 ciclos de congelación/deshielo el hormigón presenta un Factor de Durabilidad del 60%, con respecto a la condición inicial sin ningún ciclo, según la normativa ASTM C666[7], corresponde a la condición límite de deterioro”, subrayó.

Por el lado de la saturación del hormigón -explicaba el experto- se consideraron los mm de lluvia caída mensualmente en cada zona. Por ejemplo, para meses con menos de 10mm de lluvia se consideró que el Grado de Saturación es “Nulo”, sobre 50mm como saturación Alta, y los valores intermedios como “Bajo”.

En ese mismo aspecto, la académica de la UNAB comentó que “de acuerdo al estudio bibliográfico[8], se incorpora el supuesto de que la vida útil nominal de la estructura se fija en el proyecto por el mandante de la obra y no podrá ser inferior a 50 años (viviendas, oficinas, estructuras de ingeniería civil menores) o a 100 años (estructuras de ingeniería civil importantes, monumentos), entre 15 – 50 años (edificios agrícolas e industriales), o entre 3 a 10 años (estructuras temporales)”.

Por ello, para efectos de la propuesta, se establecieron rangos de vida útil de 25 años para pavimentos y de 50 años, en el caso de estructuras en general, tal como fue en el caso de la investigación supervisada por Carmen Paz Muñoz. Con eso, “el promedio de ciclos aceptables, con tal de controlar los daños por efectos de estos ciclos, es de hasta 10 ciclos por año para pavimentos y 5 ciclos por año, en el caso de otras estructuras”, detalló Ebensperger.

“Esta simultaneidad de factores -agregó- fue analizada para diferentes localidades del país, detectándose casos como el de Calama, donde el período de lluvias no coincide con el período de clima frío, o zonas como Coyhaique con varios meses de clima frío bajo -2°C, niveles de saturación Bajo y Alto, correspondiendo a un Grado F1 o F2 (acorde a NCh170:2016) según el mes analizado, pero dadas las condiciones de nieve durante el invierno, el Grado definitivo a especificar para estructuras exteriores corresponde a Grado F3”.

Grado de ExposiciónMín. Grado de Resistencia
F0Hormigón no expuesto a congelación y deshieloSin restricción
F1Hormigón expuesto a congelación y deshielo y ocasionalmente expuesto a la humedadG30
F2Hormigón expuesto a congelación y deshielo y en contacto continuo con la humedadG30
F3Hormigón expuesto a congelación y deshielo y en contacto continuo con humedad y expuesto a productos químicos descongelantesG35
Clasificación de Exposición por Ciclos de Congelación/Deshielo según NCh170:2016

El Diagrama de Flujo del proceso de la definición de la Zonificación se muestra en la siguiente figura:


[6] Ebensperger, L. (2019), Diagnóstico de Pavimentos Urbanos sujeto a Condiciones de Congelación y Deshielo durante su Vida Útil.

[7] ASTM C666 (2015). Standard Test Method for Resistance of Concrete to Rapid Freezing and Thawing.

[8] Instrucción de Hormigón Estructural EHE-08 (2008), Capítulo I-Principios Generales.

-A su juicio, ¿cuál es la importancia del desarrollo de una zonificación de estas características?
Carmen Paz Muñoz: Una zonificación responde a una necesidad de los profesionales calculistas. Considerando que la nueva norma indica en clausula 6.2.1 que es el proyectista estructural quien debe asignar las clases de exposición, es importante para este profesional el ubicar el proyecto y cuantitativamente establecer las condiciones a la que el hormigón estará expuesto.

El Doctor en Ciencias de Materiales resaltó que esta propuesta busca “brindar certeza al mercado, en cuanto a contar con una metodología precisa de definición de los requisitos por efectos de la acción de ciclos de Congelación/Deshielo. Por desconocimiento, se acostumbra a exigir la condición más desfavorable, lo cual trae consigo un aumento real del costo del m3 de hormigón, más aún en zonas de clima frío”.

En esa misma línea, Carmen Paz Muñoz explicó que el beneficio de tener esta zonificación, “principalmente pasará por entregar al calculista herramientas para la asignación del grado de exposición, lo que contribuirá a no subestimar o sobreestimar los requisitos del hormigón para realizar una dosificación que responda a los requerimientos técnicos del material”.

Asimismo, agregó que ya se está trabajando en un segundo estudio “que considera todos los agentes de exposición externa. En esta oportunidad, determinamos que una errónea consideración de los grados de exposición puede repercutir en el costo del hormigón significativamente, esto hace fundamental que la especificación del grado de exposición sea certera y adecuada”.

Finalmente, se espera que este estudio ingrese como un anexo normativo a la NCh170:2016, ya que haría que “su aplicación sea obligatoria, a diferencia de un anexo informativo, en que su aplicación es recomendada, a criterio del especificador”, explicó el ingeniero.

“Esa es nuestra aspiración”, complementó la académica. “Al presentar este trabajo al Comité de Durabilidad, nos ha permitido ajustar detalladamente -tomando como base este estudio- las condiciones de exposición y de este modo proponer una Versión 2.0 de la zonificación inicial que esperamos se incluya como anexo normativo”.

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