La importancia en la elección de los agregados para los pavimentos de hormigón

Primera Parte: Desempeño a edad temprana de los hormigones elaborados con cada uno de los áridos

* Por los Ing. Daniel Violini, gerente de Calidad I+D y Asistencia Técnica de Cementos Avellaneda; Ing. Mariano Pappalardi, adjunto Asistencia Técnica; y el Mg. Ing. Carlos A. Milanesi, jefe del Departamento Técnico.

En este trabajo se refleja las dificultades que se presentaron cuando se seleccionó el tipo de agregado destinado al hormigón de calzada para la Ruta Nacional 14, considerando en particular los cantos rodados silíceos del río Uruguay (CRS) y la piedra partida basáltica (PPB), de la misma región. La problemática de la evaluación rápida de la reacción Álcalis-Sílice (RAS), definió para el acopio previo de los agregados al CRS como única alternativa de uso, aunque las evaluaciones de mayor peso obtenido al año, cuando ya se había iniciado la obra, indicaron que éste era más reactivo que la PPB. Al iniciar la construcción con el CRS, se observó una alta tendencia a la fisuración a edad temprana del hormigón, que obligó a acotar el uso de este agregado a no más del 50 %. El desarrollo de este tema conforma la primera parte de esta publicación, en donde se analizan y se indican las causas de dichos efectos.

EXPERIENCIA
A partir de nuestra participación en la construcción de algunos de los tramos de la Ruta Nacional 14 de Argentina, y del estudio de otros emprendimientos anteriores, surgieron un conjunto de patologías y requerimientos de durabilidad, que estaban íntimamente vinculados al agregado empleado. En la zona de la obra de referencia,  existen para tal fin dos tipos de agregados que se observan en las Figuras 1 y 2.

Los aspectos más singulares de cada uno de ellos se indican en la Tabla 1.

La necesidad de cumplir con los requisitos de durabilidad en relación a la RAS, y ante la falta de estudios anticipados de mayor certeza, obligó a definir los materiales mediante los resultados de los ensayos del mortero acelerado (IRAM 1674, con resultados a los 16 días), el cual habilitó únicamente al CRS, porque con dicho ensayo el basalto presentaba una expansión muy superior al límite permitido. En paralelo se realizaron estudios sobre hormigones (IRAM 1700), cuyos resultados finales se obtuvieron al año. Durante el transcurso del ensayo, se había avanzado en forma significativa en la construcción de la ruta.

Diferencias entre el trabajo de juntas transversales de los pavimentos de hormigón

El uso del basalto quedó condicionado al resultado de un estudio detallado que hemos realizado sobre la Ruta Nacional 127, que por la época presentaba en alguno de sus tramos, un deterioro significativo que se produjo principalmente por falencias de diseño y constructivas, y un sector acotado por razones de durabilidad. En general, el basalto tuvo un desempeño adecuado y sin signos de RAS, a excepción de un pequeño tramo, cuya problemática va a ser explicitada en la segunda parte de esta publicación.
La primera parte de este trabajo trata sobre el desempeño a edad temprana de cada uno de los hormigones elaborados, en primer término con CRS y luego con PPB, describiendo todos los problemas observados durante la construcción y los estudios que explican las causas de dichas patologías.

DESEMPEÑO A EDAD TEMPRANA DE LOS HORMIGONES ELABORADOS CON CADA UNO DE LOS ÁRIDOS

Trabajo de juntas
Al emplear el CRS como único agregado grueso para el hormigón de la ruta, se observó a edad temprana un trabajo de juntas mucho mayor a lo habitual, hecho que nos puso en alerta. Por ejemplo, para una condición climática normal, con saltos térmicos ambientales comprendidos entre 10 °C y 12 °C, se produjo a la edad promedio de 15 horas el trabajo de todas las juntas transversales de contracción. Mientras que en el hormigón con PPB, en condiciones climáticas similares, se produjo el trabajo de una junta cada tres, como es normal que suceda. La gran diferencia del trabajo de juntas entre uno y otro pavimento de hormigón, lo expresamos en términos cuantitativos mediante la abertura de cada una de las juntas transversales, el cual se resume en las Figuras 3.

Alta dificultad para iniciar prontamente el aserrado de juntas sin desprendimientos
El uso del CRS condujo a un retraso del aserrado como consecuencia que posee dos singularidades críticas, que son una superficie muy lisa que conduce a una baja adherencia, y una muy elevada dureza.
La más crítica es la falta de adherencia, que impide iniciar el proceso de corte hasta alcanzar una mayor maduración, en comparación con hormigones elaborados con otros agregados, para impedir el desprendimiento del mismo durante el aserrado.
Por su elevada dureza, los procesos de aserrados también se ven fuertemente dificultados, ya que le cuesta cortar, haciendo más lento el proceso y provocando además una pérdida de rendimiento de los discos, potenciando así la dificultad del aserrado.
Los hormigones elaborados con PPB no presentaron ningún inconveniente para iniciar prontamente el aserrado. (Ver Figura 4)

Marcas de borde
Consisten en marcas blanquecinas, que se inician en el vértice del borde de la calzada de hormigón, avanzando hacia el interior y bajando verticalmente (ver figura 5). Se originan por una contracción térmica superficial, restringida por el hormigón interno con mayor temperatura.
Son el resultado de un estiramiento de la membrana de curado. Su efecto desaparece en el tiempo y lo hemos considerado inocuo al verificarlo mediante la extracción de testigos, pero no deja de ser un aviso de alarma, ya que puede derivar en fisuras cuando el salto térmico es mayor, e incluso manifestarse en la superficie.
Este fenómeno ocurrió en el hormigón con CRS bajo condiciones climáticas normales (∆T ambiente entre 10 °C y 12 °C), mientras que en el hormigón con PPB recién ocurrieron con ∆T ambiente superiores a los 15 °C, como es habitual que suceda cuando no se realiza ninguna protección del hormigón.

Marcas de superficie y fisuras de borde
Las marcas de superficie también presentan el tono blanquecino debido al estiramiento de la membrana de curado (ver figura 6), y no inducen a ningún tipo de fisura, pudiendo desaparecer con el tiempo.
Las fisuras de borde tienen un ancho acotado del orden de 0,15 mm (ver figura 7) y no se extienden por lo general más allá de los 30 cm del borde, con una progresión aproximada al doble de la profundidad. Esta problemática resulta también inocua luego del trabajo inicial de las juntas. Esto debido a que se reducen las tensiones del pavimento, y el periodo de hidratación del cemento recién se inicia, por lo que la gran mayoría de estas fisuras se cierran o “cicatrizan” por el fenómeno de autocurado del hormigón.
Ambos fenómenos fueron observados en el hormigón con CRS cuando se produjeron ∆T ambiente superiores a 15 °C, que conducen a una fuerte contracción superficial, mientras que con dicho salto térmico ambiental en el hormigón con PPB estos hechos no se produjeron.

Fisuras transversales activas de todo el ancho y espesor de la calzada
Este tipo de fisuras es típico de los pavimentos de hormigón cuando no se logra la activación correcta de las juntas de contracción mediante el aserrado. Este debe ser realizado en tiempo y en forma, siendo una tarea esencial donde los aserradores deben estar debidamente concientizados.
Cuando el ∆T ambiente superó los 18 °C, en los hormigones con CRS se produjeron una cantidad significativa de fisuras transversales (ver figura 8), mientras que en el hormigón con PPB solamente se produjeron dos fisuras transversales de este tipo en todo el tramo de 35,9 km de longitud, atribuidas a retrasos puntuales del aserrado.

Fisuras longitudinales
Un hecho significativo de esta obra fue la implementación de un diseño estructural con sobre ancho de 60 cm del lado derecho. Esto conllevó a una junta longitudinal excéntrica, que sumado a la costumbre de los aserradores de realizar el corte longitudinal una vez terminado los transversales (incluso en algunos casos se dejaba para el día siguiente), conllevó con el uso del CRS a la formación de fisuras longitudinales al inicio de la obra, que por la propia naturaleza del hormigón aparecieron en el centro de la faja de hormigonado, siendo ésta patología muy grave porque se dificulta evitar la propagación de las fisuras longitudinales (ver figura 9). Esto se pudo corregir realizado el aserrado longitudinal en forma simultánea, por detrás del aserrado transversal.
Con la misma geometría del diseño con sobreancho y dicho aserrado longitudinal simultáneo al transversal, no se produjeron fisuran longitudinales en el hormigón con PPB, a excepción de un caso de una curva particular, que provocaba la rotura del disco de corte, dificultando la operación del aserrado.

Necesidad de hormigonar a determinadas horas del día
A partir del proceso exotérmico del cemento y la radiación solar sobre una superficie muy expuesta, los hormigones presentan una elevación muy significativa de temperatura, con los consecuentes descensos térmicos que pueden conducir según su magnitud, a la fisuración del material. El hormigón se puede fisurar para descensos de temperatura de 3 °C por hora o de más de 20 o 28 °C en 24 horas, según los distintos Reglamentos.
A fin de evitar los efectos de la radiación solar, se modificaron los horarios de hormigonado, mediante el uso de una herramienta computacional de libre distribución, como lo es el HIPERPAV (ver figura 10), y se protegió el borde de mayor asoleamiento, del lado Oeste (ver figura 11).

La Figura 12 representa las variaciones de temperatura típicas encontradas en los hormigones de obra durante el mes de noviembre. Se aprecia que la temperatura ambiente máxima (azul) se ubica ligeramente por sobre los 30 °C, los hormigones colocados a las 13 horas (rojo) alcanzan una temperatura máxima del orden de 53 °C y un salto térmico de 20 °C, mientras que en los que se colocan a las 16 horas (verde) la máxima temperatura resulta del orden de 43 °C. Esto generó una reducción del salto térmico de 10 °C. Además el hormigón colocado a las 22 horas del primer día (marrón), alcanza la máxima temperatura al día siguiente, del orden de 53 °C. A partir de estas observaciones se adoptó como acción correctiva, el acotar la hora de inicio y fin de hormigonado. Se destaca que las losas elaboradas tres semanas antes, en donde ya se había completado buena parte del proceso de hidratación, presentaban a las 17 horas una temperatura del orden de  44 °C.

CAUSAS DE LA ALTA TENDENCIA A LA FISURACIÓN CON CRS
Para explicar la alta tendencia a la fisuración del CRS respecto a la PPB, se deben considerar  dos conceptos esenciales:
Uno de los factores lo constituyen las Tensiones Inducidas, que dependen principalmente del Coeficiente de Dilatación Térmica (CDT), del Módulo de Elasticidad (E) y la resistencia a tracción del hormigón (ft). El CRS posee un CDT significativamente mayor a la PPB.
El otro factor clave, lo conforman las condiciones para el corte de las juntas, que  dependen de la adherencia pasta-agregado, la dureza del mismo y la ventana de aserrado.

Efecto de las Tensiones inducidas
A fin de evaluar las causas que generan una mayor tendencia a la fisuración del CRS, se desarrollaron estudios de hormigones y se evalúa entre otros: el coeficiente de expansión térmica del hormigón, la resistencia a compresión y tracción, a edad temprana. Se calculan las tensiones inducidas a la edad de 15 horas, para un ∆T del hormigón (diferencia entre el borde y el interior) particular de 5°C, despreciando la fluencia del material, e incluyendo como agregado de referencia, los hormigones con piedra partida granítica. Los datos se resumen en Tabla 2.

Los resultados indican claramente que con el uso del CRS las tensiones inducidas superan la resistencia a tracción, provocando la fisuración, pese a haber considerado un ∆T del hormigón relativamente bajo (5°C).
Por el contrario los hormigones con PPB presentaron tensiones inducidas que no superan la resistencia del material, alejándolo de la tendencia a la fisuración, con un comportamiento similar a la PPG.

Condicionamiento de la ventana de aserrado
Como se indicó anteriormente, el CRS de superficie cuasi vítrea, no permite una adecuada adherencia del mortero, hecho que no ocurre con la PPB. Esto se traduce en que para iniciar el proceso de aserrado, se debe dejar un mayor tiempo (maduración), que para los hormigones con agregados basálticos. Lo indicado se ve potenciado por la dureza del CRS que retrasa los procesos del corte.
Complementariamente, la baja adherencia del CRS conduce a una menor resistencia a la tracción del hormigón, que obliga a acortar los tiempos máximos para el aserrado.
Estos dos hechos, se observan esquemáticamente en la siguiente ventana de aserrado, donde el hormigón con CRS se ve fuertemente reducido y favorece a la fisuración. (Ver figura 13)

CONCLUSIONES
A partir de los estudios y  experiencias realizadas surgen las siguientes conclusiones sobre los agregados que se emplearon en la construcción de la Ruta Nacional 14.
Los hormigones con CRS, poseen una mayor tendencia a la fisuración, por generar una tensión inducida más elevada, a raíz del alto Coeficiente de Dilatación Térmica.
Este hecho se ve potenciado, porque los hormigones con CRS poseen una menor resistencia a la tracción, como consecuencia de su baja adherencia pasta-agregado.
La menor adherencia y la elevada dureza conducen además, a un retraso del inicio del aserrado y se destaca que hemos comprobado, que el aserrado puede iniciarse a partir del tiempo de fraguado final (TFF) del hormigón y esta regla no se pudo aplicar con el CRS.
La generación de tensiones inducidas mayores y la menor resistencia a tracción acortan el tiempo final del aserrado. Al reducirse la ventana de aserrado, se incrementa significativamente el riesgo de fisuración.
A partir de este estudio se acuerda limitar el uso del CRS a un 50 % del total. Por el contrario el empleo de una PPB adecuada, posibilitó la construcción de la ruta sin inconvenientes.
Un problema adicional a resolver de los hormigones con CRS, se produce por la elevada separación de las juntas constructivas de inicio de jornada, que llegaron hasta 12 mm, y que se incrementarán considerablemente en el período invernal. Este hecho, obligaría a efectuar un tratamiento especial por su mayor movimiento.