Dosificación de Aire en Hormigón para Climas Helados y su Curado

La **dosificación de aire en el hormigón** es un factor crucial en la construcción, especialmente en climas fríos. El clima tiene una incidencia significativa en diversos aspectos de la vida útil de los proyectos de construcción. Las reacciones esperadas del material no siempre son las mismas, pues dependen no solo de la tecnología utilizada, sino también de la condición ambiental en la que el material vaya a ser vaciado.

Las reacciones químicas de la mezcla entre el cemento y el agua, conocidas como calor de hidratación, son fundamentales. Si no se logra esta reacción, el proceso de endurecimiento progresivo será nulo o tendrá demoras que desfavorecen el proceso constructivo y la integridad de la microestructura del hormigón final, afectando finalmente el elemento construido.

Los climas fríos son ambientes típicos en algunas latitudes geográficas. Conocer las condiciones ambientales previamente permite definir la ruta más segura frente a los procesos de producción, vaciado y curado del hormigón.

Definición de Hormigonado en Clima Frío por Organizaciones Profesionales

Para ayudar a los equipos de construcción a manejar mejor las condiciones de baja temperatura, muchas organizaciones profesionales de concreto han definido claramente la «construcción de concreto para clima frío».

Estándares en Canadá y Estados Unidos

• CSA de Canadá A23.1: Se considera clima frío cuando la temperatura del aire es ≤ 5 °C, y cuando existe la probabilidad de que la temperatura caiga por debajo de 5 °C dentro de las 24 horas posteriores a la colocación del hormigón.
• American Concrete Institute (ACI 306): Un período en el que durante más de tres días consecutivos la temperatura promedio diaria del aire desciende por debajo de 40 °F (~ 4.5 °C) y la temperatura se mantiene por debajo de 50 °F (10 °C) durante más de la mitad de cualquier período de 24 horas.

Cuando el hormigón se maneja en clima frío, debe ser protegido de la congelación poco después de ser vertido. Además, debe ser capaz de desarrollar la resistencia necesaria para la eliminación segura de los encofrados, reduciendo al mismo tiempo las circunstancias en las que debe aplicarse un calor excesivo para ayudar al hormigón a desarrollar la resistencia necesaria. Otros factores importantes que deben tenerse en cuenta son las condiciones de curado adecuadas que eviten el agrietamiento y proporcionen la utilidad prevista de la estructura.

Problemas del Hormigón en Climas Fríos y Soluciones

Impacto de las Bajas Temperaturas

En invierno, las bajas temperaturas pueden hacer que el agua del hormigón se congele. Cuando el agua se convierte en hielo, se expande, lo que puede dañar los enlaces químicos entre el cemento y el agregado. Esto ralentiza o incluso detiene el proceso de curado.

El hormigón fresco congelado durante las primeras 24 horas puede perder el 50% de su fuerza potencial de 28 días. Si no se logra un desempeño adecuado en clima frío, se pueden presentar problemas en relación con la reacción química del cemento por bajo calor de hidratación, generando posibles retrasos de fraguado en los elementos vaciados bajo esta condición.

Patologías por Ciclos de Congelación/Deshielo

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. 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.

Métodos de Curado del Hormigón en Climas Fríos

Muchos investigadores han demostrado que, si el hormigón alcanza una resistencia crítica mínima antes de que se detenga el proceso de hidratación del cemento, puede resistir el daño por congelación sin perder su resistencia final. Para proteger el hormigón de la congelación, es crucial mantener el agua en su estado líquido durante el mayor tiempo posible. Esto permite tiempo suficiente para que ocurra la reacción de hidratación, lo que ayuda al hormigón a alcanzar su resistencia crítica mínima y al mismo tiempo reduce la cantidad de agua libre en el interior.

Curado Físico

Antes de verter hormigón, el sitio de construcción debe calentarse para asegurar que la temperatura se mantenga dentro de un rango adecuado (generalmente por encima de 5 °C). Después de verter, se deben tomar medidas de aislamiento inmediatamente para evitar que el hormigón se enfríe demasiado, lo que podría afectar su proceso de fraguado y endurecimiento.

Herramientas y Métodos Comunes

• Mantas aislantes: Se colocan sobre la superficie de hormigón para atrapar el calor generado por el proceso de hidratación.
• Cerramientos calefactados: Estructuras temporales con equipos de calefacción para mantener la temperatura del hormigón.
• Sistema de circulación de agua caliente: Tuberías instaladas debajo del hormigón para hacer circular el agua caliente y proporcionar calor.
• Barreras contra el viento: Se colocan alrededor del sitio de construcción para reducir la pérdida de calor causada por los vientos fríos.

Curado Químico

Además de mejorar el entorno físico, los métodos químicos también desempeñan un papel crucial en el curado del hormigón en climas fríos. Los aditivos químicos, como los agentes anticongelantes y los aditivos de concentración temprana, pueden mejorar significativamente el hormigonado en climas fríos.

Formiato de Calcio como Aditivo

El **formiato de calcio** es un aditivo de resistencia temprana comúnmente utilizado en el hormigón. Acelera el proceso de hidratación, aumenta la resistencia temprana del hormigón y mejora el rendimiento a baja temperatura. Es particularmente beneficioso para la construcción en invierno, ya que ayuda a acortar los plazos del proyecto y es un aditivo para hormigón ideal para evitar la congelación.

Consideraciones Importantes al Usar Formiato de Calcio

Cuando se utiliza formiato de calcio para hormigón, la dosis recomendada es de 0,5-1,0% por tonelada de hormigón, con un límite máximo de 2,5%. La cantidad requerida aumenta a medida que bajan las temperaturas, pero debe controlarse cuidadosamente. El uso excesivo puede provocar una reducción de la resistencia del hormigón o agrietamientos. Se recomienda seguir la orientación profesional basada en las condiciones de construcción específicas y los diseños de mezclas de concreto.

Si no se utiliza ningún aditivo de curado del hormigón, es necesaria una mayor dependencia de los métodos de aislamiento físico, como las mantas aislantes y los recintos calefactados, para garantizar un curado adecuado en climas fríos.

La combinación de métodos físicos y químicos mejora significativamente la tasa de éxito del curado del concreto en climas fríos. Ya sea que utilice cerramientos calentados o aditivo de curado de concreto, el objetivo final es mantener una temperatura de curado óptima para garantizar la calidad y durabilidad del concreto.

Dosificación de Aire en el Hormigón

El hormigón en clima frío debe tener la cantidad correcta de **vacíos arrastrados por el aire** que resistirán los efectos de la congelación y el deshielo. Esto se relaciona con la adición de aire, según un número de factores incorporados en la mezcla. Es esencial determinar la dosificación de aire de manera adecuada, ya que una dosificación excesiva o insuficiente puede comprometer la durabilidad del hormigón.

Temperatura Requerida y Período de Curado

El American Concrete Institute (ACI) proporciona pautas detalladas sobre el tiempo de curado y los requisitos de temperatura para el hormigonado en climas fríos en su norma ACI 306R-16: Guía para el hormigonado en climas fríos.

Requisitos de Temperatura

• Temperatura de vertido: El hormigón recién vertido debe mantenerse por encima de 10 °C (50 °F).
• Temperatura durante el curado: Hasta que el hormigón alcance una resistencia resistente a la congelación (generalmente 3.5 MPa o 500 psi), su temperatura debe mantenerse por encima de 5 °C (41 °F).
• Proyectos especiales o de mayor resistencia: Algunos proyectos de construcción especializados o de hormigón de alta resistencia pueden requerir temperaturas de curado más altas.

Período de Curado del Hormigón (IS 456:2000)

De acuerdo con la cláusula 13.5.1 de la norma IS 456:2000, el período de curado del hormigón depende de:

• El curado debe continuarse durante 7 días (manteniendo la temperatura por encima de los 10 grados centígrados) para el cemento Portland ordinario.
• El curado debe continuarse durante 10 días (con la recomendación de extenderlo a 14 días) cuando se usan aditivos minerales o cemento mezclado (como mezclado con cenizas volantes) o cuando el concreto está expuesto a condiciones climáticas cálidas.
• El curado debe continuarse al menos durante 14 días para trabajos de hormigón en masa, zapatas pesadas, pilares grandes.

El tiempo de curado del hormigón en invierno depende de la temperatura y las condiciones de construcción. Por lo general, si la temperatura es superior a 5 °C (41 °F), el hormigón tarda unos 28 días en curarse por completo. A temperaturas más bajas, el curado puede llevar más tiempo. El tiempo exacto de curado también depende de la mezcla de hormigón, los aditivos químicos utilizados y los métodos de construcción aplicados.

Monitoreo de la Temperatura del Hormigón

En climas fríos, el control de la temperatura del hormigón es crucial. Se pueden usar termopares o un termómetro infrarrojo para medir la temperatura. La temperatura exterior debe controlarse al menos cuatro veces al día. También es importante comprobar regularmente la temperatura interna del hormigón para asegurarse de que se mantiene dentro de un rango seguro.

Mantenga la temperatura del hormigón por encima de los 8°C por lo menos cuatro días más después del uso de las mantas aislantes o los recintos calefactados. La temperatura del hormigón no puede bajar más de 8°C en 24 horas.

Precauciones en el Hormigonado en Climas Fríos

• Planifique con anticipación: Preste atención a los pronósticos meteorológicos y evite verter hormigón durante temperaturas extremadamente bajas.
• Prepare materiales y herramientas aislantes: Use mantas aislantes u otros materiales aislantes. También puede usar equipos de calefacción, agentes humectantes y otras herramientas para calentar y aislar el hormigón.
• Calentamiento indirecto: Al calentar el hormigón, evite el calentamiento directo. Utilice métodos de calentamiento indirecto para evitar dañar la calidad de la superficie del hormigón.
• Controle el entorno: Utilice barreras contra el viento o recintos calefactados para mantener un entorno de curado estable, evitando grandes fluctuaciones de temperatura o humedad.
• Tiempo de curado: El tiempo de curado depende de la temperatura ambiente, pero suele durar entre 2 y 3 semanas.
• Nunca vierta el hormigón sobre suelo congelado, nieve o hielo. Utilice calentadores para descongelar el suelo antes de verter el hormigón.
• Determine si se deben cumplir consideraciones especiales y requisitos de resistencia; en caso afirmativo, proteja el hormigón a temperaturas específicas.
• Si se van a utilizar recintos calefactados, asegúrese de que deben ser resistentes al viento y a la intemperie.
• Si se utilizan calentadores de combustión, ventile el exterior para evitar la carbonatación.
• Se recomienda que el hormigón en clima frío tenga un bajo asentamiento y una mínima relación agua/cemento, para reducir el sangrado y disminuir el tiempo de fraguado.
• No comience las operaciones de acabado final mientras haya agua de sangrado.
• No sellar el hormigón recién colocado hasta que haya sangrado y el proceso de fraguado haya comenzado.

Consideraciones Adicionales

Métodos de Refrigeración de Componentes

En algunos casos, para controlar la temperatura de la mezcla en ambientes cálidos o cuando se requiere un control específico, se utilizan métodos de refrigeración. Sin embargo, para la dosificación de aire en climas helados, el enfoque es el opuesto, buscando aumentar o mantener la temperatura.

Se dosifica el agua de amasado a una temperatura que puede estar en torno a los 4º a 5º C. El agua de dosificación supone poca cantidad por ser un hormigón normalmente con dosificaciones pequeñas de agua. Se han instalado también sistemas de refrigeración de silos de cemento mediante tubos interiores centrales en el silo, por donde circulaba agua fría.

La dosificación de hielo en el hormigón se puede realizar por tornillo sinfín o por un sistema neumático si la distancia es larga. La instalación de fabricación y suministro de hielo, por su funcionamiento automático, se suele dimensionar de modo que tenga los equipos de producción pequeños y un silo de almacenamiento grande ya que los primeros pueden funcionar las 24 h.

La refrigeración de componentes con nitrógeno líquido consiste en inyectar nitrógeno líquido a presión entre el material a refrigerar. Al evaporarse el nitrógeno enfría los materiales de su entorno permaneciendo secos ya que se convierte en un gas seco, inocuo y que no contamina. Hay que tener en cuenta que en el caso del nitrógeno líquido la amortización y montajes del equipo pesan muy poco, pero la adquisición del N2 mantiene su coste que no baja en ningún caso.

Costos del Hormigonado de Invierno

La construcción en invierno suele ser más costosa debido a la necesidad de materiales adicionales (como mantas aislantes, equipos de calefacción y aceleradores) y mano de obra. Sin embargo, estos costos suelen ser más económicos en comparación con el costo de la repetición del trabajo o los problemas estructurales causados por el curado fallido.

Plan de Protección para el Hormigonado Invernal

La creación de un plan de protección detallado es clave para garantizar el éxito del hormigonado invernal. Este plan debe incluir:

1. Plan de control de temperatura: Determine el aislamiento, las medidas de calentamiento o el uso de aditivos químicos para garantizar que el hormigón se cure dentro del rango de temperatura adecuado.
2. Plan de curado posterior a la finalización: Diseñe un proceso de curado adecuado para garantizar que el hormigón adquiera suficiente resistencia y durabilidad después de ser retirado de los moldes. Esto evita problemas de calidad causados por un curado insuficiente.
3. Plan de monitoreo: Verifique regularmente la temperatura y el estado del hormigón para asegurarse de que se mantenga dentro de un rango de temperatura seguro.
4. Plan de emergencia: Prepare planes de respaldo para cambios climáticos repentinos (como olas de frío o tormentas de nieve), incluidos materiales de aislamiento adicionales, equipos de calefacción o ajustes en el cronograma de construcción para manejar desafíos imprevistos de bajas temperaturas.

Al perfeccionar estos detalles, su plan de protección será más completo, asegurando un hormigonado invernal suave y salvaguardando la calidad y durabilidad del proyecto.

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