3.1 Mudanza de desempeño con el tempo

La vida precoz de materiales artesanales, estructuras y sistemas es caracterizada frecuentemente por una probabilidad elevada de falla. Es necesario algun tiempo para superar problemas iniciales inevitables de alcanzar el nivel necesario de madurez y estabilidad. Una vez que ese punto es abordado, un período de "silencio" sigue hasta que llegamos nuevamente a un período de probabilidad creciente de falla. Exceder una determinada probabilidad predefinida de falla marca el fin de la vida útil de una estructura o sistema. La alta probabilidad de falla al início, o período posterior de "reposo" y el período siguiente de aumento da probabilidad de falla puede ser presentado con la curva de la “bañera” (Figura 1a).

Figura 1 Evolución de la probabilidad de falla (curva de bañera) y de desempeño (derecha) de sistemas complejos (luego de ^{Van Breugel, 2014}) 

En escencia, la curva de “bañera” también se aplica a nuestros activos fijos, aun cuando no haya sido muy frecuentemente utilizada para infraestructura. La duración del período en que la probabilidad de falla es baja es de crucial importancia para el desempeño económico de esos activos. La curva de la “bañera” sugiere que este período es un período durante el cual "nada sucede". Es el período de "descanso", o período "dormido". Asumir que en el período de baja probabilidad de falla nada sucede, sin embargo, es engañoso. Se hubiese realmente "descanso", lo que pudeira ser la fuerza motriz por detras del aumento de la probabilidad de falla con el transcurrir del do tiempo? Para ilustrar el razonamiento anterior, colocar la curva de “bañera” de la Figura 1a invertida puede ayudar, como se ve en la Figura 1b. En el eje vertical, ahora colocamos 'Desempeño' en vez de la 'Probabilidad de falla'. Luego de un corto período de problemas iniciales, el material, la estructura o el sistema alcanzaron el nivel (elevado) de desempeño necesario. Esse es el nivel en que el material debe demostrar su capacidade de atender a los critérios de seguridad y funcionales, si es posible sin intervención para mantenimiento o reparación. Es el período de "deporte de alto nivel" para todos los bloques de construcción básicos, es decir, átomos, moléculas y sus interfases, a partir del cual es hecho un material o estructura. Cuando estos bloques de construcción básicos desisten y abandonan su posición, o período de deterioro que empieza. Entonces el envejecimiento há empezado! Estos primeros pasos minúsculos de decaimento probablemente no serán observados en la macro escala inmediatamente.

El momento en que los primeros bloques de construcción básicos ceden solo se puede comprender con modelos apropiados de comportamiento de los materiales como resultado de niveles subsecuentes de observación. Aqui la química, la física, la eletroquímica, la mecánica y la matemática se encuentran y necesitan unos de los otros para desarrollar herramientas para describir y preveer procesos de envejecimiento a un nivel fundamental.

3.2 Fuerzas motrices por detras del envejecimiento - Una mirada mas atenta.

Envejecimiento puede ser definido como una mudanza de desempeño de un material, estructura ó sistema con el tiempo. Como el tiempo por si solo puede resultar en um cambiode desempeño, no es fácil de entender a primera vista. Como un material "en reposo" puede mudar su desempeño con el tiempo? Una mirada mas atenta a cualquier parte de materia "en reposo" dice que el status de reposo solo se aplica a una cierta escala de longitud. Para la escala atómica el mundo está en movimiento todo el tiempo! Las entidades fundamentales, esto es, bloques de construcción básicos, se mueven continuamente con una cierta probabilidad de dejar su posición para aquella que mejor se adapta a ellas. Ese fenómeno ocurre en el domínio del tiempo. Es una característica inherente dde laa materia y es la base del envejecimiento de los materiales. Sobre esta característica inherente vemos, en diferentes escalas, un número de gradientes, lo que puede hacer con que los bloques básicos de construcción de la materia para comenzar a moverse. Gradientes son las fuerzas motrices causando cambios al material con el transcurrir del tiempo. Observe que el limite de cualquier parte del material con sus gradientes de ambiente existe. Estos gradientes se refieren, por ejemplo, a la temperatura, humedad y la radiación y pueden causar alteraciones sobre la superfície del material.

El precedente ilustra que un material "en reposo" es dificilmente concebible. En menores escalas hay movimento el tiempo todo es una variedad de gradientes causan los bloques básicos de construcción de la materia para cambiar su posición. En escencia, eso vale para todos los materiales y sistemas. Bloques de construcción básicos se dirigen para una posición (nivel de energia), donde se sienten más confortables. Al concebir materiales de una forma inteligente, esto es, minimizando gradientes internos y concentraciones de tensiones y deformaciones, habrá una menor razón para bloques de construcción básicos abandonar su posición. Así, el proceso de envejecimiento disminuirá, la vida útil de los materiales, estructuras y sistemas aumentará.

4.1 Desempeño de tableros de puentes - Un inventario.

En marzo de 2001, los resultados de un estudio muy interesante fueron publicados por ^{Mehta (Mehta e Burrows, 2001}). El analizó el desempeño de tableros de puentes construídos en cuatro períodos subsecuentes del siglo XX. El primero fué el período anterior a 1930, el segundo entre 1930 y 1950, el tercero de 1950 a 1980 y el cuarto de 1980 hasta hoy. Las mezclas de concreto utilizadas para los tableros de puentes fueron caracterizadas por la composición química y por la finura del cemento. Los cementos utilizados en el primer período, antes de 1930, tenían una dosis de C₃S inferior a 30% y una superfície Blaine de 180 m²/kg. Consecuentemente, la hidratación fué baja. El desempeño de muchos de los tableros de puentes hechos con estos cementos fué muy bueno.

Los cementos utilizados en el segundo período fueron triturados con una finura Blaine entre 180 y 300 m²/kg. La tecnologia de construcción usada para los tableros de puentes fué semejante a la utilizada en el primer período. Los autores relatan que los tableros del puente construídos en el segundo período fueron menos durables que aquellos construídos antes de 1930.

Las estructuras construídas entre 1950 y 1980 parecen tener más problemas de durabilidad que las construídas antes de 1950. Los cementos utilizados en este período tuvieron una finura hasta 400 m²/kg y un contenido de C₃S superior a 60%. Con el objetivo de obtener un concreto más denso y mas durable, la relación a/c fué menor que en lós dos primeros períodos. El mayor contenido de C₃S y la mayor finura del cemento aumentaron la resistencia inicial de estas mezclas. Esto hizo posible la construcción más rápida. Sin embargo esto logro una mayor probabilidad de fisuración térmica agravada por una mayor retracción autógena de la relación agua cemento baja. La mayor tendencia para la micro fisuración en una edad precoz fué la razón más plausible para explicar problemas de durabilidad en edades posteriores.

En el cuarto período, la tendencia para alcanzar resistencias más elevadas continuó. Generalmente, esto fué posible usando mezclas con una baja relación a/c. El uso de mezclas con baja a/c aumentó aún más el riesgo de fisuras. Para tableros de puentes, fueron encontrados resistencias moderadas entre 30 MPa y 45 MPa. Entre 29 tableros de puentes, la fisuración en tableros de puentes de 44 MPa fué dos veces mayor en tableros de puentes de 31 MPa.

4.2 Estudio de tipos de mezclas y tendencia al envejecimiento

El estúdio de Mehta sobre el desempeño de tableros de puentes ilustra como la presión del mercado para construir más rapidamente crea una demanda por mezclas con una resistencia inicial elevada. Esto fué posible usando cementos más finos con una maiyor cantidad de C₃S. El precio de esto, entretanto, era una probabilidad más alta de fisuración en las primeras edades de los tableros del puente.

Para la construcción de estructuras más esbeltas y más elegantes es necesaria una resistencia final más elevada. Las altas resistencias son alcanzadas por la reducción de la relación a/c. El uso de superplastificantes hizo posible reducir la relación a/c de dosis de concretos para valores hasta inferiores a 0,2. Con estas mezclas de baja a/c, se obtuvieron concretos densos con baja permeabilidad. Ello se consideró benéfico para la durabilidad del concreto. Así mismo, se observó un aumento en la tendencia del concreto microfisurarse, principalmente por causa del aumento de la retracción autógena.

Otra razón para un mayor riesgo de fisuración de concretos de alta resistencia y ultra-alta resistencia son las altas temperaturas que ocurrem debido al alto consumo de cemento. Al optimizar la agrupación de las partículas de los agregados, a cantidad de cemento e, consequentemente, as temperaturas máximas, pueden ser reducidas. Un bajo consumo de cemento también es considerado positivo desde el punto de vista de la sustentabilidad (menor contenido de carbono en la mezcla de concreto fresco). Un bajo contenido de cemento, tiene también un inconveniente. Un bajo consumo de cemento reduce la capacidad inherente de autocicatrización del concreto. Desde el puento de vista de la autocicatrización, un consumo de cemento no muy bajo o el uso de cemento "viejo", molido gruesamente, es favorable. Esto explica en parte el resultado del estudio de Mehta que los tableros de puentes antiguos tienen un mejor desempeño que los más jovenes. En la terminologia de este artículo, diríamos que las antiguas dosis de concreto con cementos gruesos con bajo contenido de C₃S eran menos propensos al envejecimiento que las dosis modernas con cementos finamente triturados con alto contenido de C₃S.

5.1 Retracción - factores de influencia.

Vários mecanismos han sido propuestos como posibles causas de retracción autógena y/o factores contribuyentes. Los mecanismos más comunmente relatados son la tensión capilar (en el rango de humedad relativa interna alta), los cambios en las láminas hidratadas (con humedad relativa en escala promedio) y los cambios de tensión superficial de las partículas sólidas de gel. Un parámetro comun en todos esos mecanismos es la humedad relativa interna. Con el proceso de hidratación el agua de la mezcla es gradualmente consumida y la humedad relativa disminuye. Este "secado interno" acompaña el aumento de la presión capilar en el agua de los poros y, cuando la humedad relativa disminuye aún mas, pueden ocurrir destrucciones localizadas. En consecuencia el volumen da pasta de cemento disminuye, lo que es conocido como retracción autógena.

La retracción del secado de la pasta es restringida por las partículas de agregado en la mezcla. Si la restrición de las tensiones de la retracción autógena pueden causar microfisuración, dependerá del tamaño y la rigidez de las partículas de agregado y las propiedades dependientes del tiempo (fluencia, relajamiento) del endurecimiento de la pasta. Como el curado interno de las mezclas de concreto puede ser usada para prevenir una caída en la humedad relativa es, por ló tanto, de la retracción autógena, y será discutida a continuación.

El hecho de la evolución de la retracción autógena estar fuertemente correlacionada con una disminución de la humedad relativa interna no significa que la magnitud da retracción autógena pueda estar directamente relacionada con la humedad relativa. El tipo de cemento también es un parametro importante (^{Tazawa y Miyazawa, 1997}). En la fase temprana de la hidratación algunos tipos de cemento muestran expansión. Esta observación es de extrema importancia cuando se trata de la interpretación de las medidas de retracción. Los investigadores deben estar concientes del hecho que, particularmente en la fase inicial del proceso de hidratación, las tensiones de retracción medidas son el resultado líquido de mecanismos de expansión y contracción simultáneos. En esos casos, atribuir tensiones de retracción medidas en un único mecanismo llevará a conclusiones completamente erradas sobre los mecanismos subyacentes y en consecuencia las medidas erradas para prevenir ó mitigar la retracción autógena.

A partir de esta breve visión general, aprendemos que una serie de parametros afectan la magnitud de la retracción autógena. Al manipular estos parámetros, las consecuencias da retracción autógena pueden ser mitigadas y resultando la susceptibilidad das mezclas del concreto al envejecimiento. En las próximas secciones, el enfoque será la retracción autógena y el curado interno del HPC y como el curado interno reduce la retracción autógena.

5.2 Retracción autógena en mezclas C55/65 y curado interno.

Según lo indicado en la sección anterior, la retracción autógena de mezclas de baja relación a/c puede ser reducida por el curado interno. Este se puede conseguir adicionando partículas de agregado liviano (LWA) saturadas con agua al concreto (^{Zhutovsky et al., 2001}). Cuando la RH interna cae, el agua almacenada en las partículas de LWA es liberada para la matriz de secado, manteniendo así la RH a un nivel relativamente elevado. Un efecto semejante puede ser obtenido con la adición de polímeros absorbentes (SAP), una tecnologia promovida por ^{Jensen (2013}) y tema del comite RILEM 225-SAP (^{Mechtcherine e Reinhardt, 2012}).

Serán presentados los resultados de los estudios sobre la retracción autógena del concreto y el efecto del curado interno. Los primeros resultados de ensayos sobre la retracción autógena de mezclas de concreto C55/65 son discutidos, seguidos de los resultados obtenidos con las mezclas C28/35 y C35/45.

5.2.1 Antecedentes del estudio.

En los años ochenta y noventa del siglo pasado, el uso de concreto de alto desempeño (HPC) con resistencia C55/65 fué considerado para varios puentes de concreto en Holanda. La norma de proyecto holandesa predominante no exigia que los proyectistas considerasen la retracción autógena de tales mezclas. Por tanto, el proprietário de los puentes, el Ministério de Transportes holandes, exigió una verificación del desempeño general de las mezclas, incluyendo una verificación de la retracción autógena y la eficácia del curado interno para mitigar el riesgo de fisuras a edades tempranas.

5.2.2 Estudio de tipos de mezcla y muestra de prueba.

Cuatro mezclas fueron ensayadas con a/c variando de 0,34 a 0,39. Las composiciones de las mezclas son presentadas en la Tabla 2. El tipo de mezcla I, usó 60 kg de polvo calcáreo, y la cantidad de cemento fué reducida por la misma cantidad. En la mezcla IV, 25% del agregado grueso fué sustituído por agregado liviando saturado con agua , Liapor F10. La retracción autógena fué medida en muestras selladas, 100 x 100 x 400 mm³.

5.2.3 Medidas de deformación autógena y evaluación.

Las retracciones autógenas de las mezclas son presentadas en la Figura 2. Las mediciones comenzaron luego de 1 dia. Esto implica que la primera parte de la deformación autógena no fué registrada. Esto no fué considerado un problema, una vez que el objetivo de la serie de ensayos era cuantificar como la retracción autógena afectaría la retracción por secado. En la prática, la retracción no comenzará generalmente durante el primer dia de vaciado. Para el propósito de este estudo fue apropiado, por tanto, medir solamente la retracción autógena luego del primer dia.

Figura 2 Retracción autógena de las mezclas I a IV. 20ºC. Mediciones iniciadas luego de 1 dia (^{Van Breugel et.al., 2000}) 

Las curvas de retracción de las mezclas I, II y III muestran que una mayor parte de la retracción autógena ocurre en los primeros dias luego del vaciado. Pasados los 28 dias, la retracción autógena aún continua. De 28 a 91 dias, la retracción autógena de las mezclas I, II y III varía de 70 a 90 μm m. La sustitución de 25% del agregado pesado por partículas de agregado liviano saturado con agua fué suficiente para eliminar la retracción autógena de la pasta. Obviamente el curado interno utilizando partículas de agregado liviano saturado (Liapor F10, 4-8 mm) es muy eficaz.

5.3 Retracción autógena de mezclas de concreto tradicionales C28/35 y C35/45.

La elevada retracción autógena de la mezcla C55/65, mucho mayor de lós esperado, fue motivo suficiente para iniciar una investigación sobre la retracción autógena de mezclas de concreto tradicionales con relaciones a/c entre 0,44 y 0,50, Clases de resistencia C35/45 y C28/35. ^{Van Cappellen (2009}) relató que, particularmente en edades tempranas, la retracción autógena de mezclas de concreto hechas con cemento de escória de alto horno se desarrolló más rápido que las mezclas de OPC. A los 200 dias la diferencia no era grande. El estudio de Van Cappelle fue continuado por ^{Mors (2011}) para mezclas hechas con dos tipos de agregado, siendo calcáreo y cuarzo. Las composiciones de la mezcla son presentadas en la Tabla 3. Las Figuras 3 y 4 muestran la retracción autógena de las mezclas tradicionales T (0,50) y T (0,44) hechas con agregado de cuarzo y las mezclas N (0,50) y N (0,46) hechas con agregado de calcáreo. Las curvas de retracció muestran de forma convincente que las mezclas con a/c en el rango de 0,44 a 0,5 también presentan sustancial retracción autógena. Más importante aún, estas mezclas también exhiben retracción autógena en edades superiores de 28 dias, la edad en que el concreto generalmente alcanza su mayor madurez!

Figura 3 Retracción autógena de mezclas tradicionales T(0.50) e T(0.44). Agregado de cuarzo. a/c = 0.5 e 0.44 (^{Mors, 2011}; ^{Van Breugel et.al., 2013}) 

Figura 4 Reducción autógena de mezclas N(0.50) y N(0.46). Agregado calcáreo. a/c = 0.46 e 0.50 (luego ^{Mors, 2011}; ^{Van Breugel et.al., 2013}) 

5.5 Retracción y Envejecimiento.

La retracción autógena y de secado acompañan la evolución de las tensiones internas. En ambos casos, la pasta de cemento es el componente que se contrae. Todas las tensiones inducidas por la retracción están sujetas a la relajación. Esa relajación de las tensiones, no es"gratuita". Esta requiere la re estructuración de pequeños bloques de construcción de materia. Es decir: la edad material! En lo que respecta las curvas de contracción autógena, ha sido propuesto que las deformaciones a largo plazo observadas pueden ser curvas de fluencia siguiendo las curvas de retracción elásticas ejercidas por las fuerzas capilares en el agua de los poros. Además esas deformaciones de fluencia no son "gratuitas", pero requieren la re estructuración de los elementos elementales del material: El material envejece! Para el análisis cuantitativo de la fluencia y la relajación, ^{Wittmann (1977)} aplicó el concepto de energia de activación, considerado el enfoque más apropiado para la investigación fundamental de fenómenos de envejecimiento de materiales basados en cemento.

6.1 Diseño de materiales.

El envejecimiento es una característica inherente a los materiales. Las soluciones para problemas de envejecimiento exigen, intervenciones a nivel de los materiales fundamentales. Para lidiar con problemas de envejecimiento, son concebibles dos enfoques, esto es el preventivo y el reactivo.

El enfoque preventivo, el foco está en el proyecto de materiales homogéneos con el menor número posible de gradientes internos, concentraciones de tensiones e interfases. Para materiales heterogéneos, como el concreto, este es um gran desafío. Al pasar por las escalas de estiramiento resultado del nivel (sub) nano al meso, el concreto se comporta como un sistema complejo. Es decir el concreto es un "producto en la mente" (^{McCarter, 2009}), cuyas propiedades son determinadas por las propiedades de los componentes individuales y las interfases entre ellos. Algunos de estos componentes - en verdad todos! - cambian con el tiempo, y así crean las propiedades de las interfases. Eso hace los materiales heterogeneos susceptibles al envejecimiento.

El enfoque reactivo, la heterogeneidad del material y por lo tanto, las concentraciones internas de tensiones y de deformaciones y la ocurrencia de daños internos y envejecimiento, son consideradas una cuentión de hecho. Si el envejecimiento es en verdad, inevitable, la autocicatrización podría ser una solución para problemas de envejecimiento. Cuando se trata de concreto, la presencia de partículas de cemento aún no hidratadas proporciona una capacidad inherente de autocicatrización. A este respecto, el concreto hecho con un cemento grueso es considerado favorable al concreto elaborado con un cemento fino. La observación de ^{Mehta (2001}) de que los tableros de puentes antiguos, construídas con cemento grueso, presentan mejor desempeño que las construídas con cementos más finos, podrían ser explicadas, al menos en parte, por el papel de autocicatrización de las estructuras más antiguas. La tendencia moderna en primer lugar, usar cemento mas fino para acelerar el rango de ganancia de resistencia y en segundo lugar, reducir la cantidad de cemento para reducir la acción del CO₂ del concreto, puede trabajar negativamente sobre la resistencia del material contra el envejecimiento! En estos casos, el análisis envolviendo al ciclo de vida es necesaria para obtener los prós y contras de las tendencias modernas en la concepción del tipo de mezcla de concreto.

6.2 Envejecimiento y normas de proyecto.

Para la concepción y realización de estructuras de concreto, las normas de proyecto son indispensables. De los numerosos edifícios y obras de construcción fascinantes realizadas en el pasado, hay un alto grado de madurez de estas normas que puede ser inferido. En la sección 5.4, vimos, que las normas prescriptivas normalmente utilizadas fallan en describir el desempeño a largo plazo, es decir la contracción de estructuras de concreto. En esse sentido, es interesante reflexionar sobre la tendencia reciente de cambiar de normas para normas basadas en desempeño. La cuestión es saber sise puede esperar que, con esta mudanza, los aspectos del envejecimiento sean consideradas de forma más adecuada y pasen a formar parte de un abordaje de proyecto integral para las estructuras de concreto. Estrictamente hablando, la mudanza de normas prescriptivas para normas basadas en desempeño es un retorno al origen de la profesión de constructor. Antiguamente, todo el proceso de construcción estaba en las manos de una persona: el constructor. El constructor tenía la responsabilidad integral de cumplir todos los critérios de seguridad y los funcionales establecidos por el propietario.

Como el constructor logra cumplir los critérios del proprietário, no fue establecido en detalles. Todo esto fue considerao competencia y la responsabilidad del constructor. En su libro clásico sobre tecnologia de construcción, Vitrúvio (85-20 a.C.) afirmó que preferiblemente todo el proceso de construcción debería estar en las manos de una persona. Cuando Vitrúvio escribió su libro, algunos años a.C., percibió que es situación ideal ya no era sustentable. El proceso de construcción se volvió mas mucho complicado que una sola pessoa no puederia ser un especialista en todas las áreas del proceso de construcción. Gradualmente, el constructor tuvo que compartir su responsabilidad con los demás. Esta situación comienza a surgir de certificados y, luego, normas prescriptivas. El usuário de estos documentos podrá ser responsabilizado por la correcta interpretación y cumplimiento de normas, pero no por el contenidode la norma.

Las normas pueden ser juzgadas como la consecuencia final de un proceso de creciente fragmentación del proceso de construcción y mas importante, de la Visión de que todo, incluyendo la calidad, es “ingenierible”. Los enormes problemas de sustentabilidad que enfrentamos hoy, nos muestran que esa Visión perdió la mayor parte de su poder convincente. Normas obligatorias, hasta las mas detalladas, son necesarias, pero insuficientes para garantizar calidad y/o sustentabilidad. Normas obligatorias se enfrentan con las propiedades de materiales con el objetivo principal de ofrecer al proyectista los datos necesarios para proyectar estructuras seguras. Cualquier alteración del desempeño de los materiales con el tiempo es considerada una propiedad dependiente del tiempo sin abordar la causa de esas alteraciones.

Con normas basadas en desempeño, el proceso de construcción fue devuelto al constructor, incluyendo el desafio de realizar (a largo plazo) critérios de calidad y metas de sustentabilidad. La libertad del constructor de decidir como atender esos critérios y objetivos puede estimular al constructor a invertir en investigación fundamental de materiales de construcción tradicionales y nuevos y en conceptos de proyecto innovadores. Admas las normas basadas en desempeño, en combinación con los nuevos contratos DBFM (Design-Built-Finance-Maintenance), también obligarán al constructor a enfocarse tanto en desempeño a corto y a largo plazo, así el envejecimiento de materiales y estructuras. Para ello, el constructor necesitará de modelos predictivos confiables, que incluyan modelos para cuantificar la tasa de procesos de envejecimiento y sus consecuencias.