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CLIMA FRIO - AYACUCHO 22 - 10 - 10

19/10/2010

II SEMINARIO NACIONAL “TECNOLOGIAS APLICADAS EN OBRAS CIVILES” Ayacucho, 21 de Octubre del 2010

EL CONCRETO EN CLIMA FRIO (PARTE I ) EXPOSITOR: Ing. Rafael Cachay Huamán

RESISTENCIA AL CONGELAMIENTO Y AL DESHIELO ACCION DEL CONGELAMIENTO El agua pura al descubierto se congela a 0 °C , en el concreto el “agua” agua es realmente una solución de varias sales, su punto de congelación es mas bajo. Más aún, la temperatura a la cual se congela es mas baja mientras menor es el tamaño de los poros, llenos de agua. En el concreto, los poros van de muy grandes a muy pequeños, por lo que no hay un único punto de congelación. 2

La congelación se produce en los poros capilares. Los grandes vacíos originados en la compactación incompleta se encuentran llenos de aire y no están sujetos apreciablemente a la acción inicial de la congelación. Cuando el agua se congela hay un incremento de volumen de aproximadamente 9%. Al caer la temperatura del concreto, la congelación se produce gradualmente, por lo que el agua que aun no se congela en los poros capilares está sometida a presión hidráulica por el volumen expandido del hielo. Esa presión si no se libera, da por resultado esfuerzos internos de tensión interna cuya magnitud es suficiente para causar fractura local en el concreto.

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La presencia de poros con aire adyacentes y capilares permite un alivio de la presión hidráulica (causada por la formación de hielo) por el flujo de agua en esos espacios; ésta es la base del arrastre deliberado de aire. El efecto neto del alivio es una contracción del concreto, esta contracción es mayor que la contracción térmica sola, debido al alivio de la presión adicional inducida por al difusión del gel de agua y por ósmosis.

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La extensión del daño causado por ciclos repetidos de congelación y deshielo abarca, desde la escamación de la superficie, hasta la completa desintegración al formarse las capas de hielo; comienza por la superficie expuesta del concreto y progresa a través de su profundidad. Los bordillos de los caminos que permanecen mojados durante largos periodos son más vulnerables a la congelación que cualquier otro concreto.

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Los principales factores para determinar la resistencia del concreto a la congelación y al deshielo son el grado de saturación y la estructura del poro de la pasta de cemento; otros factores son la resistencia, la elasticidad y el flujo plástico del concreto. Es un valor crítico de saturación (80 a 90%), 90%) el concreto es altamente resistente a la congelación, mientras que el concreto seco no resulta afectado.

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Cuando se repiten ciclos de congelación y deshielo, se puede introducir aire deliberadamente en la pasta de cemento mediante el uso de un aditivo incorporador de aire, que es efectivo sólo cuando se aplica a mezclas con bajas relaciones de agua/cemento, de modo que la pasta de cemento tenga sólo un pequeño volumen de capilares. Para condiciones menos severas de congelación, puede ser suficiente un concreto de buena calidad sin aditivos incorporadores de aire. La resistencia de un concreto al ataque por congelación se determina por pruebas de congelamiento y deshielo. 7

REQUISITOS PARA EL CONCRETO

Clase de exposición

Rel. a/mc máx.

f’c min. MPa

Requisitos mínimos adicionales

F0

N/A

17

N/A

F1

0.45

31

Tabla 4.4.1

F2

0.45

31

Tabla 4.4.1

F3

0.45

31

Tabla 4.4.1

Contenido de aire

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Requisitos adicionales para exposición a congelamiento y deshielo El concreto de peso normal y liviano expuesto, debe tener aire incorporado, con el contenido de aire indicado. La tolerancia en el contenido de aire incorporado debe ser de ± 1.5 por ciento. Para un f ’C mayor de 35 MPa, se puede reducir el aire incorporado indicado en la tabla.

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Contenido Total de Aire para Concreto Expuesto a Ciclos de Congelamiento y Deshielo Tamaño max. nominal del agregado (mm)

Contenido de aire, porcentaje Exposición clase F1

Exposición clases F2 y F3

7.5

9.5

6

12 5 12.5

55 5.5

7

19.0

5

6

25.0

4.5

6

37.5

4.5

5.5

50

4

5

75

3.5

4.5 10

Al ensayar estos concretos, sin embargo, se retiran las partículas de agregado mayores de 40 mm. sacándolas mediante tamizado. El contenido de aire de la mezcla total se calcula a partir del valor determinado en la fracción que pasa el tamiz de 40 mm.

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En el Reglamento se incluye una tabla con los contenidos de aire requeridos para concreto resistente al congelamiento y deshielo. El aire incorporado no protege a los concretos que contengan agregados gruesos que sufran cambios de volumen destructivos cuando se congelen en una condición saturada.

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COLADO EN CLIMA FRIO El concreto se puede colocar de manera segura, durante los meses de invierno, en climas fríos, si se toman ciertas precauciones. El ACI comité 306 define clima frío como el p periodo en que durante más de 3 días sucesivos el promedio de la temperatura del aire sea menor de 4°C y permanece bajo 10°C durante más de la mitad de cualquier periodo de 24 horas.

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LOS ENCOFRADOS El acero de refuerzo y los accesorios que se vayan a insertar deben estar libres de nieve o 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.

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EFECTO DE LA CONGELACION DEL CONCRETO FRESCO El concreto desarrolla muy poca resistencia a bajas temperaturas. El concreto fresco se debe proteger contra los efectos perjudiciales de la congelación hasta que su grado de saturación se haya reducido suficientemente por el proceso de hidratación y desarrolle una resistencia de 35 kg/cm2 o 3.5 MPa. 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.

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El clima frío no es un obstáculo para la construcción en concreto, cuando se hacen las preparaciones adecuadas para construir protecciones y equipos aisladores. 16

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. 17

Se puede restaurar la resistencia del concreto congelado a edad temprana sólo una vez, aproximándose a la resistencia normal, a través del curado adecuado posterior. El periodo crítico, después del cual el concreto no se daña seriamente por uno o dos ciclos de congelación, congelación depende de los ingredientes del concreto y de las condiciones de mezclado, colocación, curado y posterior secado.

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Características de inicio de fraguado (superior) y final de fraguado (inferior) en función de la temperatura de colocación. 19

Características del revenimiento en función de  la temperatura de colocación 20

Efecto de la temperatura sobre el desarrollo de la resistencia del concreto La temperatura afecta la velocidad de hidratación del cemento : Bajas temperaturas retardan la hidratación y el desarrollo de la resistencia del concreto. Si el concreto se congela y se mantiene congelado a una temperatura mayor que ‐10°C, va a desarrollar resistencia lentamente. Abajo de esta temperatura, la hidratación del cemento y el desarrollo de la resistencia se paralizan.

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El concreto de la curva inferior se colocó a 4°C y se almacenó inmediatamente en un cuarto de curado a -4°C. Ambos concretos recibieron el curado húmedo con 100% de humedad relativa por 28 días, seguidos de curado con humedad relativa de 50%. 22

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. 23

Comparación entre las resistencias tempranas de mezclas de concreto con los cementos I y III ASTM curados a 4°C y a 23°C. 24

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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.

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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 temporales 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.

26

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. no

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El concreto está siendo cubierto con mantas para retener el calor de hidratación 28

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 protección temporal. 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. 29

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 7°C C. El objetivo de estos aditivos es reducir el tiempo de fraguado inicial y final, pero no acelerarán, necesariamente, el desarrollo de resistencia.

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El acabado de esta superficie del concreto se puede realizar con el uso de rompe-viento, hay calor suficiente bajo la losa y el concreto tiene bajo revenimiento. 31

Efecto de la congelación-deshielo sobre la resistencia del concreto que no contiene aire incluido (curado por 7 días antes de la primera congelación). 32

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. 33

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Temperatura para la construcción en clima frío – concreto con aire incluido

Espesor de la sección mm.

Condición TTemperatura t mínima í i del d l concreto fresco cuando es mezclado durante el clima indicado

Mayor que -1ºC M 1ºC -18ºC a -1ªC menor que -18ºC

Temperatura mínima del concreto y al colocarlo y para mantenerlo

Menos que 300

300 a 900

900 a 1800

16ºC 18ºC 21ºC

13ºC 16ºC 18ºC

10ºC 13ºC 16ºC

13ºC

10ºC

7ºC

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El aire incorporado es particularmente deseable en cualquier concreto colado durante climas fríos. Los concretos sin aire incorporado pueden sufrir pérdida de resistencia y daños internos y de superficie, como resultado de la congelación‐deshielo.

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La incorporación de aire se debe usar siempre en construcciones durante los meses de congelación, con excepción al concreto producido bajo techo, donde no haya lluvia, nieve o agua de otras fuentes que puedan saturar el concreto y donde no haya posibilidad de congelación.

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La temperatura del concreto durante el mezclado no debe ser menor que las líneas 1, 2 ó 3 de la Tabla 14‐1, para los respectivos espesores de sección. Observe que se recomiendan temperaturas de concreto más bajas para el concreto.

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Hay poca ventaja en usar el concreto fresco a una temperatura mucho mayor que 21°C. 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. 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 asentamiento y contribuyen para una posible fisuración. 38

EL CONCRETO EN CLIMA FRIO Ayacucho 21 de Octubre del 2010 ALTURA = 2746 msnm VILCASHUAMAN = 3470 msnm

FIN PARTE I EXPOSITOR: Ing. Rafael Cachay Huamán

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II SEMINARIO NACIONAL “TECNOLOGIAS APLICADAS EN OBRAS CIVILES” Ayacucho, 21 de Octubre del 2010 EL CONCRETO EN CLIMA FRIO ( PARTE II ) EXPOSITOR: Ing. Rafael Cachay Huamán

Temperatura del Agregado Los agregados congelados deben ser descongelados para evitar bolsones de agregados después de dosificar, mezclar y colocar el concreto. Cuando las temperaturas son mayores que la de congelación no se hace necesario el calentamiento de los agregados y la temperatura deseada se obtiene calentado el agua. Cuando las temperaturas son menores que la de congelación, sólo los agregados finos se necesitan calentar. 41

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. La calefacción del agregado almacenado en cubos o tolvas es el método más comúnmente usado. 42

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En pequeñas obras, los agregados se pueden calentar almacenándolos sobre tuberías de acero para alcantarillas, en las cuales se prende fuego. 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 t en ell concreto t es mucho h mayor que la l masa del d l agua, sin i 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 por kg de material) se puede asumir como 0.925 kJ, siendo que el del agua es 4.187 kJ.

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Ta, Tc, Tw y Twa = temperatura en °C 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. 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, se puede seleccionar, la temperatura adecuada para el agua de mezcla, para la obtención de la temperatura requerida del concreto.

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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, debe combinárselos con agua antes de la adición del cemento. Si se sigue esta secuencia de carga en el mezclado, se pueden d usar temperaturas t t d agua hasta de h t ell punto t de d ebullición, siempre que los agregados estén suficientemente fríos para reducir la temperatura final de la mezcla para menos de 38°C. Se deben evitar las fluctuaciones en la temperatura del agua de una tanda a la otra. 45

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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. 46

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 colocar el concreto en los encofrados antes que su temperatura baje.

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Enfriamiento después del Período 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.

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Caídas Máximas de Temperatura Permitidas Durante las Primeras 24 Horas después del Fin del Periodo de Protección.

Tamaño de la sección sección, dimensión mínima mínima, mm mm. Menos que 300

300 a 900

900 a 1800

Más de 18000

28ºC

22ºC

17ºC

11ºC

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ENSAYOS DE CONTROL Los termómetros son necesarios para la verificación de la temperatura del concreto en la entrega, colado y manutención. Después que el concreto se haya endurecido, las temperaturas p se p pueden verificar con termómetros de superficie especiales o con un termómetro común que se mantiene cubierto con cubierta aislante. Los cilindros para ensayo de concreto se deben mantener a una temperatura entre 16°C y 27°C en la obra por 48 horas, hasta que sean llevados para el laboratorio para el curado. 50

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 i ió por un termostato. t t t

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Termómetro del bolsillo bimetálico con sensor metálico apropiado para verificar la temperatura del concreto fresco 52

Esbozo para la medición de las temperaturas del concreto bajo la superficie, con un termómetro de vidrio 53

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. 54

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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.

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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. L cilindros Los ili d desmoldados d ld d después d é de d 24 horas h se deben d b envolver l 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 a 27°C hasta que sean colocados en la sala de curado en el laboratorio. 56

COLOCACIÓN AL NIVEL DEL TERRENO 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 calentadores hidrónicos se pueden usar para descongelar las subrasantes.

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COLOCACIÓN ARRIBA DEL NIVEL DEL TERRENO 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. 59

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).

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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 o superior, por 7 días. Temperatura de colocación del concreto: 10°C. Velocidad máxima del viento: 24 km/h. 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). 61

El ACI comité 306 sugiere que las barras de refuerzo con área de sección transversal de cerca de 650 mm2 pueden tener una temperatura, de por lo menos -12°C, inmediatamente antes de ser envueltas por concreto a una temperatura de, por lo menos 13°C. 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.

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REQUISITOS GENERALES PARA EL VACIADO EN  CLIMA FRIO ¾ Prevenir al concreto de los daños que se pueden producir a tempranas edades, por los ciclos de hielo‐ deshielo. ¾ El grado de saturación del concreto fresco se va reduciendo a medida que endurece el concreto y el agua se utiliza en el proceso de hidratación.

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¾El tiempo en el que el tiempo de saturación alcanza el nivel en que no se producen daños por la helada, corresponde mas o menos con el tiempo en el que el concreto alcanza una resistencia a la compresión de 35 kg/cm2. para temperaturas de 10ºC la mayoría de los concretos bien dosificados alcanzan esta resistencia durante el segundo día. ¾ Mantener las condiciones de curado que protegerán el normal desarrollo de la resistencia, sin un excesivo calentamiento ni una saturación crítica del concreto al final del periodo de protección.

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¾ Limitar los cambios rápidos de temperatura, sobre todo antes de que la resistencia se haya desarrollado lo suficiente como para soportar las tensiones térmicas. ¾ Una helada repentina de la superficie del concreto puede dar lugar a una fisuración en detrimento de la resistencia y la durabilidad. Acabado el periodo de protección, la transición en la temperatura de cualquier porción del concreto será gradual y no excederá durante 24 horas.

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¾ Obtener la protección adecuada a la finalidad de la estructura. ¾ Una resistencia satisfactoria a los 28 días en probetas cilíndricas no será suficiente si la estructura muestra esquinas deterioradas por la helada, fisuración por un calentamiento excesivo o superficies deshidratadas como consecuencia de una protección y curado inadecuados.

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PREPARATIVOS PARA EL VACIADO EN CLIMA FRÍO Antes de la colocación del concreto, todo el hielo y toda la nieve tienen que retirarse de las superficies que van a estar en contacto con el concreto. La temperatura de las superficies que van a estar en contacto con el concreto debe de ser tan próximo como se pueda, a la del concreto. Ningún concreto se debe colocar sobre un lecho helado o que contenga materiales helados. Cuando sea preciso colocar el concreto sobre un lecho que está permanentemente helado, la superficie exterior del lecho tendrá que ser deshielada hasta la profundidad suficiente para asegurar que no se helará el concreto durante el periodo previsto, o ser cubierto el lecho con un material granular seco de altura suficiente. 67

TEMPERATURAS DEL CONCRETO Para estar prevenidos frente a la eventualidad de una helada y hasta que pueda establecerse la protección del concreto, la temperatura del concreto durante su colocación. La protección contra la helada no aumenta proporcionalmente a la temperatura del concreto, ya que las pérdidas de calor son tanto mayores cuanto mas elevada sea la diferencia térmica. Mayores temperaturas exigen mayores cantidades de agua de mezclado, producen variaciones en la consistencia y a veces fraguad rápido. Las rápidas pérdidas de humedad de las superficies calientes del concreto pueden ser causa de la aparición de fisuras. Por lo tanto, la temperatura del concreto fresco en el momento de su colocación se debe de mantener tan próxima como se pueda a los mínimos indicados. 68

DURACION DE LA PROTECCIÓN La duración de la protección dependen para las temperaturas indicadas en la línea 1 de la tabla, de la característica que se quiere proteger, únicamente la durabilidad o la resistencia y para cada uno de estos conceptos del tipo de cemento utilizado y de las características de la estructura. Por condiciones de durabilidad, la duración de la protección es recomendable no sea inferior a tres (3) días. Por condiciones de resistencia, la duración de la protección varía entre amplios límites, dependiendo de la temperatura visible.

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Tabla SECCIONES  MUY  DELGADAS

SECCIONES  DELGADAS

SECCIONES  MEDIAS

SECCIONES  GRANDES

1.- Temperatura mínima del concreto (grados centígrados).

13

10

7

4.5

2.2 C íd Caída gradual d l máxima permisible de la temperatura durante las primeras 24 horas, después de finalizada la protección.

28

22

17

11

70

REFERENCIAS 1.- ACI Committee 306, Cold-Weather Concreting (Colado en Clima Frío), ACI 306R-88, reaprobado en 1997, American Concrete Institute, Farmington Hills, Michigan, 1997, 23 páginas. 2.- Klieger, Paul, Effect of Mixing and Curing Temperature on Concrete Strength (Efecto de las Temperaturas de Mezclado y Curado sobre la Resistencia del Concreto), Research Department Bulletin RX103, Portland Cement Association, Association http://www.portcement.org/pdf_files/RX103.pdf, 1958. 3.- Powers, T. C., Resistance of Concrete to Frost at Early Ages (Resistencia a Congelación del Concreto a Bajas Edades), Research Department Bulletin RX071, Portland Cement Association, http://www.portcement.org/pdf_files/ RX071.pdf, 1956.

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