3.1 RETRACCiNLa retraccin es el decrecimiento del volumen de hormign con el tiempo, sntoma del cambio en el contenido de humedad del hormign y cambios fsico-qumicos ocurridos sin esfuerzos atribuibles a acciones externas al hormign.

Esta deformacin inelstica del hormign, aunque fue observada con anterioridad, su importancia fue reconocida solo cuando White (1911), en un articulo de la American Society for Testing Materals, escribi sobre el desarrollo de tensiones en el hormign a causa de la retraccin.

La retraccin es un fenmeno indeseable aunque inevitable en el hormign que se encuentra expuesto por debajo de la condicin de saturacin, se encuentra ligada a fenmenos patolgicos de las construcciones, siendo una de las principales causas de fisuracin, afectando directamente la durabilidad del hormign, apariencia y perdida de tensin en miembros pretensados.

Uno de los estudios ms anticipados reportando deformaciones tiempo- dependientes en el hormign cargado y sin carga, fue el de McMillan (1915). Desde ah hasta nuestros das, la relacin retraccin-fluencia sigue siendo un punto de preocupacin desde el punto de vista terico y de!diseo estructural.

3.1.1 Factores que Afectan la Retraccin.La retraccin depende de factores como: contenido de pasta de cemento, relacin agua fcemento, proporciones de la mezcla, caractersticas de los ridos, grado de

compactacin, tiempo, temperatura y humedad del curado, temperatura ambiental, humedad relativa, geometra del elemento, adiciones y aditivos.

Es conocido que los ridos tienen un efecto restrictivo sobre la retraccin del hormign, probablemente fue Carlson (1937) el primero en sugerir este resultado [94]. Como fase inerte definieron al rido, Pickett (1956) y L'Hermite (1960), definiendo la matriz cementicia como la fase responsable de los cambios volumtricos del hormign. [95][96]PickeU, desarroll un modelo del efecto de restriccin de los ridos partiendo de una esfera de rido embebido en una esfera de pasta de cemento.

=> log(SO 'j=a'loi-.S \l-gEcuacin 15, Modelo de efecto de restriccin de los ridos, lineal y logartmica (Pickett 1956)Esta ecuacin relaciona, la retraccin lineal del hormign (S), con la retraccin lineal de la matriz cementicia (So), a travs del volumen relativo de rido (g).

(a) Corresponde a una constante que representa el efecto de restriccin, que toma segn Carlson valores entre 1.6 y 2.3, para grava y ridos calizos respectivamente.Powers (1961) aplica el concepto de efecto restrictivo del rido al cemento, considerndolo como filler, siendo ms importante en hormigones con muy baja relacin agua/cemento, en los cuales el cemento no ser hidratado totalmente. [97]Shah (1994) observa que un mayor contenido de ridos y con buenas caractersticas, como dureza, baja absorcin, densidad alta, y superficie ruqosa,favorecen el control paralelo de la retraccin y la fluencia, puesto que restringen las deformaciones que se presenten en la pasta de cemento. [98)Fumas (1997) observa el efecto del tamao del rido en la retraccin por secado de un hormign de relacin a/c 0.4, al aumentar el tamao de la fraccin la retraccin fue notablemente reducidaJ99)

Fraccin Granulomtrica (mm)Pasta 10,3 - 0,610,6 - 1,21 1,2 - 2,4 I 2,4-4,8 14,8 - 9,51 9,5 - 19Retraccin 1 ao (xl0-) 2710 I 1190 I 1240 i 1220 I 1160 I 940 I 690Tabla 12, Efecto del Tamao de los ridos sobre la retraccinMindess (2003) Observa que un tamao mximo de rido mayor, provee un mayor efecto restrictivo de la retraccin [100). Esto es razonable pues es posible utilizar ms volumen de ridos cuando se utiliza un tamao mximo de rido mayor.

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wr.~un,": j quartzo 100Ilustracin 38, Relacin entre la retraccin ultima del hormign y el modulo elstico de los ridos(Neville 1970)Neville (1970) observa que al usar ridos de menor rigidez generalmente causanmayor retraccin del hormign. En estudios modernos, Moon (2005) expresa que la retraccin adems del volumen relativo de rido y la rigidez del mismo, depende tambin de la relacin de Poisson del rido, la forma del rido y el espacio entre partculas. [101]Tras el efecto de los ridos, el segundo factor en importancia que ejerce gran influencia sobre la retraccin es la relacin agua/cemento, para relaciones agua/cementobajas la retraccin disminuye. Estos efectos estn unidos principalmente al cambio sobre la relacin pasta/rido de las mezclas.

Smadi (1987) observa que baja relacin agua/cemento para obtener resistencias mayores, permite un decrecimiento de la retraccin, pues resulta en estructuras menos porosas de mayor rigidez [102], adems las relaciones agua cemento altas permiten que un exceso de agua permanezca en el hormign despus de la hidratacin, traducindose en potencial de retraccin por secado.

Tazawa (1995) revelo que la retraccin autgena de una mezcla con relacin a/c

0.4 fue 100 us, lo que representaba el 40% del total de la retraccin total (250 us), por otro lado la retraccin autgena de una mezcla, con relacin a/c 0.17 fue 700 us, equivalente al 100% de la retraccin total. [103]Neville (1996) presenta una relacin entre el efecto del volumen de rido, la relacin agua/cemento y la retraccin, observando que el efecto sobre esta del contenido de ridos es mas importante cuando la relacin agua/cemento disminuye drsticamente, posiblemente por el cemento no hidratado, como explicaba Powers (1959) para relaciones a/c menores a 0.4, mas del 50% del cemento no es hidratado sin necesidad de agua adicional externa. [104].80OL-

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L_ ....J03 04 05 06 07 08Water I eernent RatioIlustracin 39, Efecto de relacin a/c y el volumen de ridos sobre la retraccin (Neville 1996)1,0.3 I0.2 r ,1'0.1 ~ .. ,'

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_, ' .O 0.1 0.2 0.3 004 0.5 0.6 0.7Warer-ro-cemenr ratio of fresh paste (in weight)Ilustracin 40, Relacin estimada entre la relacin a/c y el grado de hldratacin: (Powers 1959)Smadi (1987) observa como el hormign con contenidos elevados de cemento como es el caso de hormigones de alta resistencia presentan mayor retraccin_[1021Chern (1989); Furnas (1997) observan que la parcial sustitucin de cemento con materiales puzolnicos como cenizas volantes y escorias tiende a incrementar laretraccin por refinamiento de la pasta de cemento. La utilizacin de escorias con menor gravedad especifica que el cemento Prtland hace que el volumen de pasta aumente y por consiguiente la retraccin. [103]Brooks & Neville (1992) asevera que los materiales cementantes suplementarios que refinan la estructura de poro del hormign generalmente incrementaran la retraccin, sin embargo, no es posible generalizar, pues la sustitucin de cenizas volantes, escoria de alto horno y humo de slice, tiene efectos diferentes sobre la retraccin y dependen del nivel de sustitucin, composicin qumica y finura. [104]De Larrard (1994) igualmente, observa que el incremento de humo slice causa el refinamiento de la estructura de poro del hormign desarrollando una permeabilidad muy baja que disminuye la tasa de secado y consecuentemente una ligera disminucin de la retraccin por secado, por otro lado incrementan las tensiones de capilaridad por tanto la retraccin autgena del hormign aumenta.!105]Belaribi (1997) reporto despus de ensayos a un ao, que morteros con sustitucin parcial de cemento por materiales cementantes de origen calcreo presentaron4% menos deformacin de retraccin que especimenes de control solo con cemento, la disminucin fue del orden de 23% cuando los materiales cementantes utilizados fueron de origen silicio. [106]Shah (1994) explica que el tipo de cemento tiene una incidencia fuerte sobre la retraccin, pues los cementos de endurecimiento rpido, debido a su fineza demandan mayor cantidad de agua, lo que implica que retraigan ms [98l. Expresaadems que la cantidad de cemento en la mezcla de hormign tambin influye en la retraccin durante la hidratacin, mayor contenido de cemento acelera la tasa de hidratacin y por tanto ms perdida temprana de humedad.Brooks (1989) Observa que el efecto del plastificante en la retraccin no es concluyente, pues as como pueden aumentar la retraccin, cuando se utilizan para disminuir la cantidad de agua, tienden a disminuir la retraccin [107]

La retraccin es el resultado de la migracin de agua entre el hormign y el ambiente, las condiciones de curado y almacenaje afecta fuertemente la retraccin. Collins (1989) concluye que el valor de la retraccin es inversamente proporcional al tiempo de curado hmedo. [108]Tazawa (1995) observa que un curado hmedo prolongado mejora la hidratacin, cambia la estructura de poro y mantiene una alta humedad relativa interna en el hormign [1091. Bentz (1999) expresa que la retraccin decrece con largos periodosde curado. [110]rido Quartzto 19mmRetraccin(xl06)

Edad142890180360500

Curado 28 das--5555158250308

Curado 14 das-23-1540200310445

Tabla 13, Influencia del tiempo de curado sobre la retraccin (Fumas 1997)Boukendakdji y Brooks (2000) encontr que el curado al vapor decrece la retraccin por secado del hormign de cemento Prtland y con cemento de escoria en un 14% y 23% respectivamente. [111]Mark (1999) obtuvo resultados mas favorables con el curado acelerado pues observo reducciones significativas de la retraccin por secado de hasta un 75% menos que con un curado a temperaturas estndar [112].

Mokhtarzadeh (2000) confirma que al aumentar la temperatura de curado de 50Ca 65C la retraccin por secado disminuye considerablemente. [113]3.2 TIPOS DE RETRACCiN3.2.1 Retraccin Trmica.Llega a ser importante durante los primeros das despus de la colocacin del hormign donde el calor producido por la hidratacin del cemento aumenta la temperatura del hormign, durante el enfriado subsiguiente, el hormign experimenta acortamiento trmico que crea esfuerzo tensor en el hormign, si el movimiento es restringido el esfuerzo puede fcilmente dominar la baja resistencia a traccin del hormign a temprana edad produciendo grietas.

3.2.2 Retraccin Plstica.Ocurre en el hormign fresco, el mecanismo mas comn es la evaporacin de agua de la superficie del hormign plstico, sin embargo, la perdida de agua a travs de sub-bases o encofrados puede agravar los efectos de evaporacin superficial.

En el hormign fresco las partculas estn completamente rodeadas de agua, si esa agua se remueve del sistema, se forman meniscos entre las partculas, quegeneran presin capilar negativa, lo cual hala de las partculas de cemento a la vez, los esfuerzos de capilaridad tienden a reducir el volumen de pasta de cemento. La presin capilar contina ascendiendo tanto como se pierda agua de la superficie del hormign, cuando las presiones alcanzan valores crticos, el agua que permanece en el hormign se reorganiza para formar discretas zonas con vacos entre ellas donde ocurre retraccin plstica.

Esta es fcilmente distinguible por su disposicin aleatoria, puesto que el hormign con una resistencia mnima libera la tensin a travs de fisuras, con caractersticas de cercana entre si y poca profundidad, "piel de cocodrilo"

3.2.3 Retraccin Autgena.Es un resultado del auto desecacin del hormign. Cuando no es aadida agua adicional al hormign a travs del curado, el hormign comienza a consumir qumicamente el agua durante la hidratacin.

Tradicionalmente, !a retraccin autgena ha sido vista como si fuera de importancia secundaria normalmente englobada dentro de la retraccin por secado, estimada en un 5% del valor mximo que alcanza la de secado, se suele despreciar [114], aunque en las mezclas modernas con fillers y reductores de agua de alto desempeo puede ser una influencia dominante sobre el agrietamiento.

Para hormigones convencionales, la retraccin autgena es relativamente baja con valores tpicos de 40 us a edades tempranas y de 100 a 150 us a largo plazo. Sin embargo incrementa con el aumento de la tasa de hidratacin, uso de cemento de alto contenido en C3A (aluminato tricalcico), cementos mas finos, el uso de algunos materiales cementantes suplementarios, menor relacin agua cemento, uso de

superfinos como humo slice, aditivos reductores de agua y una estructura de poro fina. [109]

Lynam (1937) Y Davis (1940) fueron los primeros en definir y medir la retraccin autgena. Lyman sealo que la retraccin autgena no se debi a ningn efecto trmico ni perdidas de humedad en el aire.

Hoy en da la estructura de la pasta de cemento a cambiado drsticamente, con el uso de reductores de agua, y materiales cementantes suplementarios, lo cual a aumentado la retraccin autgena considerablemente hacindola incluso mayor en algunos casos que la retraccin trmica.

3.2.4 Retraccin Qumica.Es la que acompaa a la hidratacin del cemento Prtland, Le Chatelier alrededor del 1900 estableci que el volumen de los productos formados durante la hidratacin del cemento Prtland es considerablemente menor que la suma del volumen del agua y el cemento (entre el 8 y 12%). Este fenmeno conocido como la contraccin Chatelier's es la causa de la retraccin qumica.

Mientras la pasta de cemento es fluida, la retraccin qumica es totalmente convertida a un cambio de volumen externo. En otras palabras la pasta fluida no es capaz de soportar los vacos internos creados por la retraccin qumica y se contrae.

Cuando los hidratos se filtran y los primeros caminos slidos se forman en la pastaendurecida, la rigidez incrementa y las burbujas de gas comienzan a agruparse y desarrollar en poros mayores.

Estos aumentos de la formacin de meniscos agua-aire y las cadas de humedad relativa interna se conoce como ley de Kelvin y la presencia de meniscos causante de esfuerzos de tensin en los poros del fluido (Ley de Laplace).La cada de humedad relativa resulta en un cambio en el espesor de la capa de agua absorbida sobre las superficies slidas. Esto acompaado por cambios en la tensin superficial de los slidos y en las desencajadas presiones del agua absorbida entre las superficies slidas. A este temprano estado de hidratacin, la rigidez de la pasta es tan baja y el comportamiento viscoso tan pronunciado que el mas ligero esfuerzo actuando sobre el sistema resulta en una gran de formacin.La retraccin qumica es de cerca de 6 a 7 ml/100g de cemento reaccionado, resulta no solo de la hidratacin del principal mineral, clinker sino tambin de las reacciones secundarias, incluyendo formacin de ettringita (sulfa-aluminato de calcio). Una mayor retraccin se encuentra en la reaccin del humo de slice con hidrxido de calcio, cerca de 20 mll100g de humo slice reaccionado.3.2.5 Retraccin de SecadoSe diferencia de la retraccin autgena en que la perdida de agua no es usada en la reaccin del cemento, se pierde al ambiente.Pickett en (1946) propone un modelo sobre la retraccin de secado que relaciona el cambio de volumen del hormign en proporcin a su perdida de agua. Posteriormente se refina y aparecen los tres mecanismos principales de retraccin de secado: Esfuerzo capilar, presin de ruptura y tensin superficial.Cada mecanismo es dominante en un diferente rango de humedad relativa. El mas relevante rango de humedad relativa para condiciones de campo es entre 45% a90%, en este el esfuerzo capilar es el ms dominante.Cuando el agua evapora, los esfuerzos de tensin que fueron confinados por la tensin superficial del agua son transferidos a las paredes de los poros capilares50nm), resultando en retraccin del hormign. [115]La remocin capilar y agua absorbida es incrementalmente mas difcil cuando el agua esta fuertemente oprimida a la pasta de cemento hidratado. Consecuentemente, la perdida de agua presenta un decrecimiento con el tiempo.Para hormigones convencionales bajo condiciones estndar (23C y humedad relativa del 50%), la retraccin por secado medida sobre probetas entre 75 y 150mm, generalmente se encuentra en rangos de 400 a 800 !-lE despus de dos aos.10 ,_'_;'I!IIRi_1; 70 x 70 x 280 mm (2,8 x 2.8 x 11.2 i11)"';:f: 7 .5

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Age (years)Ilustracin 41, Perdida de humedad con el tiempo, para distintos tamaos de probetas3.2.6 Retraccin por Carbonatacin.Se presenta cuando queda cierta proporcin de material cementante sin hidratar,susceptible de reaccionar con el dixido carbnico del aire, produciendo carbonato de calcio, combinacin qumica que tiene un carcter contractivo, por lo cual el espesor de hormign afectado por l, disminuye su volumen inicial, generndose la denominada retraccin por carbonatacin.

Las deformaciones por retraccin de carbonatacin son muy pequeas y despreciables, en general, el espesor afectado es pequeo, alcanzando slo un par de milmetros en la zona cercana a la superficie en contacto con ei aire. Sin embargo, por el confinamiento que produce el hormign interior adyacente, esa capa queda sometida a tensiones de traccin, pudiendo presentarse fisuracin.

El punto al cual el hormign puede reaccionar con el C02 es una funcin de la

humedad relativa, a altas humedades relativas los poros cercanos a la superficie son principalmente llenos con agua, previniendo el ingreso de C02 y limitando la reaccin.

3.3 MECANISMOS y TEORAS DE LA RETRACCiNIlustracin 42, Representacin del modelo de micro estructura de la pasta de cemento (Feldman 1968)Cada uno de los mecanismos de la retraccin por secado, estn relacionados con la migracin del agua en la pasta de cemento, el cambio en el volumen de retraccin del hormign no es el mismo para cada uno de ellos, debido a la diferencias en como firmemente el agua esta adherida a la micro estructura. Inicialmente, el agua capilar es relativamente fcil de remover, la fuerza de secado requerida es inversamente proporcional al tamao del poro. Por consiguiente primero el agua es retirada del poro grande seguido por los mayoritarios poros pequeos. [116]Segundo, el agua absorbida, la cual esta fsicamente adherida a la gran rea superficial presente en los hidratos de silicato de calcio, las paredes del poro capilar o superficie u otro producto de hidratacin tales como ettrinqta. Esta agua es mas difcil de remover que el agua capilar.

Tercero hay agua entrelazada, usualmente adherida a dos o ms laminas de hidratos de silicato de calcio. El agua entrelazada es mas difcil de remover por que esta unida a dos superficies de hidratos de silicato de calcio y solo una capa de molculas de agua.

Finalmente, hay un cuarto tipo llamada agua qumicamente adherida, presente en cualquier producto de hidratacin, esta es removida solo a altas temperaturas donde los productos de hidratacin se descomponen.

La remocin de la pasta de cemento hidratado, del agua capilar, absorbida y entrelazada es incrementalmente ms difcil, consecuentemente, la perdida de agua presenta una tasa decreciente con el tiempo.

Esfuerzo Capilar.Cuando el agua es removida de los poros capilares, se crea una interfase liquido- gas que induce un esfuerzo. Esto crea un menisco en el agua (superficie

curvada) en la pared del poro. Como resultado el agua est bajo esfuerzo de tensin capilar y las paredes del poro estn bajo compresin. [117JPresin de ruptura.Power (1965) observo que a humedad relativa por debajo del 40%, la retraccin del hormign fue mayor que la prevista por la teora de esfuerzo capilar y concluyo que hubo otro mecanismo afectando la retraccin. De hecho, si la humedad relativa es mucho menor, la fuerza de secado es bastante alta, el agua de los capilares es removida y los hidratos de silicato de calcio comenzaran a perder su agua absorbida. [118]El agua absorbida puede tener varias capas de agua dependiendo de la humedad relativa, cuando esta decrece, el espesor del agua absorbida decrece, reduciendo la presin de ruptura. A este nivel el cambio en volumen de la pasta de cemento in confinada es fuertemente relacionada al volumen del agua removida.

Tensin superficialCuando la humedad relativa interna esta por debajo del 50%, la presin de ruptura desaparece, la mayora del agua absorbida ha sido removida y la energa superficial libre de los hidro-silicatos de calcio se incrementa causando extensa compresin. De hecho, hay una relacin lineal entre el cambio de la energa superficial y el cambio de longitud.

El agua entrelazada puede tambin ser removida en una cmara trmica causando mayor cambio volumtrico que puede causar por remocin del agua absorbida, sin embargo, este cambio depende altamente de la superficie de los hidratos de

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