propiedades especiales

PROPIEDADES ESPECIALES DEL CONCRETO

PROPIEDADES TRMICAS DEL CONCRETO

Es importante contar

con datos confiables del comportamiento trmico de los diferentes materiales de construccin para poder disear y evaluar la edificacin, en aras de lograr el confort trmico humano en su interior

El conocimiento de dichas propiedades es requerido para el diseo de estructuras en cuyo comportamiento tienen particular influencia, como puede ser el caso de las grandes presas de concreto, o de estructuras en las que se esperan fuertes cambios volumtricos de origen trmico. .


1.- COEFICIENTE DE EXPANSIN TRMICA 2.-CONDUCTIVIDAD TRMICA 3.-CALOR ESPECFICO 4.-DIFUSIVIDAD TERMICA

1.- COEFICIENTE DE EXPANSIN TRMICA:

Se define como el cambio de dimensin

que se produce en la unidad de longitud por efecto de una variacin unitaria de temperatura.

Se expresa en: 10-6 /C


Tipo de Roca Coeficiente de expansin

trmica Lineal Cea, 10-6 /C.

Calcedonia o pedernal (Chert)

Cuarcita.

Cuarzo.

Arenisca.

Mrmol.

Caliza silcea.

Granito.

Dolerita

Basalto.

Caliza.

11.8

10.3

11.1

9.3

8.3

8.3

6.8

6.8

6.4

5.5

Tabla: valores medios del coeficiente de expansin trmica lineal de los agregados, segn el tipo de

roca.


Tabla. Coeficientes trmicos de diferentes materiales.


Las caractersticas de los agregados son el principal factor que determina el comportamiento trmico del concreto,

Al igual que la mayor parte de los materiales, el concreto se expande al calentarse y se contrae al enfriarse, cuyas variaciones constituyen los cambios volumtricos de origen trmico


El concreto tambin manifiesta cambios volumtricos por otras causas, que la mayora de las veces son contracciones, por secado y carbonatacin principalmente.


Para evaluar la magnitud de la contraccin trmica, es necesario conocer:

El intervalo de descenso de la temperatura. El coeficiente de expansin trmica del concreto.



Este ltimo puede ser determinado experimentalmente en el concreto especfico para la aplicaciones en que se requiere mayor precisin

Puede ser estimado de acuerdo con el informe del Comit ACI 209

Cec= Kh + 3.1 + 0.72 Cea

Frmula recomendada por el Comit ACI 209 para calcular el coeficiente de

expansin trmica

Condiciones del Medio

externo al Concreto

Grado de

Humedad

Valor Correctivo

por Humedad, Kh

Estructuras sumergidas;

condiciones de alta humedad.

Saturado 0

Colados de concreto masivo;

muros, vigas, columnas y losas

gruesas, particularmente

donde la superficie se

encuentra sellada.

Entre parcialmente

saturado y saturado

1.3

Losas, muros, vigas, columnas y

techos exteriores, expuestos

al secado; muros, columnas, y

losas interiores sin recubrir,

donde existe calefaccin.

Parcialmente saturado

para disminuir con el

tiempo a condiciones

ms secas

Desde 1.5

Hasta 2.0

Tabla: valores sugeridos de correccin por condiciones de humedad, para la estimacin del coeficiente de expansin

trmica del concreto.


Tipo de Roca Coeficiente de expansin

trmica Lineal Cea, 10-6 /C.

Calcedonia o pedernal (Chert)

Cuarcita.

Cuarzo.

Arenisca.

Mrmol.

Caliza silcea.

Granito.

Dolerita

Basalto.

Caliza.

11.8

10.3

11.1

9.3

8.3

8.3

6.8

6.8

6.4

5.5

Tabla: valores medios del coeficiente de expansin trmica lineal de los agregados, segn el tipo de

roca.


En el caso de concretos de alta resistencia, las temperaturas inusitadamente altas como es el caso de incendios tienen bastantes efectos negativos en el concreto ya que al existir descantilladuras en el concreto, debido a que la relacin agua/cemento es baja, gracias a estas descantilladuras, se transmite ms fcilmente las altas temperaturas a las capas interiores del concreto, llegando incluso al acero de refuerzo.

En los siguientes grficos se muestra, un experimento publicado por el Journal of Materials in Civil Engineering, ASCE Marzo, Abril-2003; en la que se hace compraciones de la expansin trmica comparando


a) Effect of aggregate type

CONDUCTIVIDAD TERMICA

La conductividad trmica de un material es la propiedad que permite valorar su aptitud para conducir el calor

As, los metales suelen ser buenos conductores del calor, en tanto que los gases (incluyendo el aire) por lo comn son malos conductores.

Dentro de esta apreciacin cualitativa el concreto ocupa una posicin intermedia ms bien con tendencia a ser un mal conductor trmico, lo que representa una ventaja para su buen desempeo en muchas de sus aplicaciones y condiciones de servicio.

CONDUCTIVIDAD TERMICA

UNIDADES DE MEDIDA

La conductividad se mide por la cantidad de Joules (J) que fluyen en un segundo (s) a travs de las caras de opuestas de un cuerpo cbico de un metro (m) por lado, entre las cuales existe una diferencia de un grado centgrado.

De este modo, las unidades en que se expresa la conductividad trmica (C), son: J/m s C; si viene suelen utilizarse mltiplos as: kJ/m hrC.

Considerando que un Watts (W) es igual a un Joule sobre segundo, en el sistema internacional (SI) la conductividad trmica se expresa Watts divididos entre metros multiplicados por grados Kelvin (K) cuya equivalencia es:

1 W / m K = 3.6 KJ / m hr C

Sustancia Conductividad trmica (W/m C)

Metales (a 25 C)

Aluminio 238

Cobre 397

Oro 314

Hierro 79,5

Plomo 34,7

Plata 427

Gases (a 25 C)

Aire 0,0234

Helio 0,138

Hidrgeno 0,172

Nitrgeno 0,0234

Oxgeno 0,0238

No metales (valores aproximados)

Asbestos 0,08

Concreto 0,8

Diamante 2.3

Vidrio 0,8

Hielo 2

Hule 0,2

Agua 0,6

Madera 0,08

Se dice que la conductividad trmica de la pasta de cemento hidratada vara poco con los cambios de relacin agua/cemento y de edad, de modo que en condiciones ordinarias de humedad y temperatura ambiente se le puede suponer una conductividad trmica del orden de 1.2 W / m K (4.3 KJ / m hr C).

En cambio, en el concreto de peso normal, la conductividad trmica s manifiesta variaciones significativas, ya que es influida por diversos factores; principalmente:

1. La naturaleza de las rocas que constituyen los agregados, 2. El contenido de humedad del concreto y 3. El nivel de la temperatura.

La conductividad de los concretos de peso normal, en estas condiciones, vara aproximadamente entre 2 y 4 W /m K (entre 7 y 14 KJ / m hr C)

TIPO DE

AGREGADO

PESO VOLUMETRICO

DEL CONCRETO

SATURADO

CONDUCTIVIDAD

TERMICA

CUARCITA 2400 4.10

CUARCITA 2440 3.50

CUARCITA 2350 3.10

DOLOMIA 2500 3.30

CALIZA 2450 3.20

CALIZA 2420 2.60

CALIZA 2440 2.20

ARENISCA 2130 2.90

ARENISCA 2400 2.90

GRANITO 2420 2.60

MARMOL 2440 2.20

RIOLITA 2340 2.00

DOLERITA 2350 2.00

BASALTO 2520 2.00

BASALTO 2350 1.90

El contenido de humedad del concreto tiene una influencia muy significativa en la magnitud de su conductividad trmica.

De esta manera, cuando el concreto se halla totalmente seco y sus poros slo contienen aire, su conductividad trmica es mnima; pero a medida que el concreto adquiere humedad, y el agua desplaza el aire de los poros, comienza a incrementar su conductividad, la cual se hace mxima en el concreto completamente saturado.

A manera de ejemplo en la tabla se indica la variacin que manifiesta la conductividad trmica de tres concretos hechos con diferentes tipos de agregados de peso normal, al pasar del estado seco a la condicin hmeda, aunque sin llegar a saturarse completamente.

CONDUCTIVI.

EN KJ/m hr C

TIPO DE ROCA DE

LOS

AGREGADOS

Seco en

Horno

Al ambiente

50 % HR

Hmedo

Caliza 5 6.1 7.9

Arenisca 5 7.9 10.4

Grava

Cuarcfera 8.3 9.7 11.9

Como tendencia general suele considerarse que la Conductividad Trmica del concreto de peso normal disminuye a medida que aumenta su temperatura, lo cual se atribuye inicialmente a la prdida de humedad y despus a las alteraciones intrnsecas que sufre en altas temperaturas

Comparativamente la forma como suele

evolucionar la Conductividad Trmica del concreto al incrementarse la temperatura, considerando dos estados iniciales de humedad:

1. Completamente Saturado y 2. Totalmente Seco.

CALOR ESPECIFICO

El calor especfico de un material corresponde a la cantidad de calor que requiere comunicarle a la unidad de masa para que se produzca un incremento de la unidad de temperatura.

Causas de Variacin del Calor Especfico

Las principales causas de variacin de este calor especfico son atribuidas a cambios en el contenido de humedad y en la temperatura del concreto, pues el cambio en la naturaleza de los agregados no ejerce influencia significativa en esta propiedad.

El contenido de humedad influye directamente debido a que el calor especfico del agua suele exceder en algo ms de cuatro veces el del concreto; por lo tanto, a medida que el concreto contiene ms agua libre, mayor resulta su calor especfico. El efecto de la temperatura tambin es directo, pues al aumentar la temperatura se incrementa el calor especfico del concreto

Causas de Variacin del Calor

Especfico

DIFUSIVIDAD TERMICA

Grado de facilidad con que se difunde el calor a travs de un material, permite evaluar la velocidad con que se propaga el calor en todas direcciones en el seno de un cuerpo y se considera como una medida de la rapidez con que este puede cambiar de temperatura

La difusividad trmica del concreto es influida por los mismos factores que afectan las otras propiedades trmicas con que se relaciona. As, resulta susceptible a los cambios en el tipo de agregados, en el contenido de humedad del concreto y en su temperatura.

Factores que influyen

VALORES CARACTERSTICOS DE LA DIFUSIVIDAD TRMICA DEL CONCRETO HECHO EN DIVERSOS TIPOS DE AGREGADOS

TIPO DE ROCA DEL

AGREGADO GRUESO

DIFUSIVIDAD TERMICA DEL CONCRETO

Pie2/dia m2/hr m2/dia

CUARCITA 1.39 0.0054 0.129

CALIZA 1.22 0.0047 0.113

DOLOMIA 1.20 0.0046 0.111

GRANITO 1.03 0.0040 0.096

RIOLITO 0.84 0.0033 0.078

BASALTO 0.77 0.0030 0.072

RESISTENCIA AL FUEGO

Resistencia al Fuego

Cuando el concreto esta expuesto a la intemperie, las temperaturas ordinarias de servicio pueden ser muy variables, de acuerdo a las caractersticas climatolgicas del lugar.

El concreto es un material incombustible, pero si es sometido a temperaturas que exceden el lmite ordinario de servicio, se afectan sus propiedades .

La propiedad del concreto para resistir altas temperaturas, puede ser considerablemente disminuida por el astillamiento del mismo bajo la accin del fuego.


En los concretos normales y en los livianos, la temperatura del concreto al momento del astillamiento est entre 100 C y 250 C, lo cual indicara que la humedad es el principal problema.

Se sabe que la humedad del concreto, junto con factores de trabajo desfavorables, es la causa del astillamiento, tambin en los concretos de alta resistencia, causan astillamiento los mismos factores de los concretos normales.

RESISTENCIA AL FUEGO Para explicar el comportamiento de los concretos de alta resistencia

bajo la accin del fuego, se cita lo siguiente : El astillamiento en el concreto se presenta generalmente en las

etapas iniciales del fuego. Las causas del astillamiento no pueden ser atribuidas enteramente

al espesor del recubrimiento, porque similares coberturas en otros concretos no lo causan.

Los ms altos contenidos de humedad encontrados en los concretos de alta resistencia, indican que estos tienen una velocidad de secado ms lenta que los concretos normales.

Es necesario investigaciones adicionales para llegar a conclusiones definitivas sobre la influencia de los microslices, presentes en los concretos de alta resistencia, sometidos a la accin del fuego.


El concreto, sometido a un calentamiento a elevadas temperaturas, conserva su apariencia pero no sus caractersticas ni propiedades originales.

Durante el calentamiento del concreto se dilatan sus componentes, de acuerdo a sus respectivos coeficientes de expansin trmica, as, al exceder una temperatura del orden de 60 a 70 C, la incipiente vaporizacin del agua libre del concreto, origina expansiones diferenciales a las producidas por el gradiente trmico, generan presiones internas que microfisuran el concreto.


Al pasar los 100 C , toda el agua evaporable se elimina, el concreto ya seco contina expandindose de una manera sensiblemente proporcional con la temperatura hasta alcanzar un nivel aproximado de 300 C, a partir del cual se producen alteraciones intrnsecas que incrementan desproporcionadamente su dilatacin que puede ocasionar su ruptura y desintegracin si la temperatura contina subiendo.

Se puede evaluar experimentalmente la resistencia del concreto al fuego, ensayando con elementos estructurales, sometidos a las cargas de diseo, se introducen en grandes hornos donde se someten a un incendio simulado, en condiciones estndar de calentamiento, hasta que se produce la condicin de falla o de punto final.

Tiempo Temperaturas alcanzadas Transcurrido C F

____________________________________________________________

5 minutos 538 1000 10 minutos 704 1300 30 minutos 843 1550 1 hora 927 1700 2 horas 1010 1850 4 horas 1093 2000 8 horas, en adelante 1260 2300



Al ser expuestas a elevadas temperaturas de un incendio, existen diversos factores que influyen en el comportamiento de una estructura de concreto, entre los cuales cabe destacar:

El proceso trmico a que se somete la estructura, tomando en cuenta la velocidad, duracin y temperatura mxima de calentamiento,

El nivel de esfuerzo, durante el proceso trmico, a que se encuentra sometido el concreto.

La naturaleza y porosidad de los agregados. El estado de humedad del concreto, antes del

calentamiento.

IMPERMEABILIDAD A LAS RADIACIONES

Emisiones radioactivas.

En las plantas generadoras de electricidad cuya fuente de energa primaria es nuclear,

puede considerarse que un blindaje efectivo contra las radiaciones debe reunir dos condiciones bsicas:

a.- Suficiente masa para absorber los rayos gamma.

b.- Componentes adecuados para amortiguar los neutrones que poseen diferente velocidad y energa.

PROPIEDADES DESEABLES DEL CONCRETO

En cuanto a su comportamiento estructural, las propiedades deseables en el concreto para el blindaje contra las radiaciones, deben ser las siguientes:

1.- Un elevado mdulo de elasticidad.

2.- Un bajo coeficiente de expansin trmica.

3.- Reducidas deformaciones elsticas y diferidas.


Bajo tales consideraciones, en la composicin del concreto para el bloqueo de radiaciones resulta deseable:

el uso de agregados con elevado peso especifico y/o con alto contenido de agua de hidratacin

el empleo de componentes que contengan boro. De este modo, en la especificacin ASTM e 637 se

consideran bsicamente dos clases de agregados para el concreto destinado al blindaje contra radiaciones:

Agregados naturales con minerales de alta densidad Agregados sintticos tales como fierro, acero, ferrofsforo y

fritas (escorias) de boro.

MATERIALES :

a.- ARIDOS PESADOS

Se debe utilizar ridos que tienen alta densidad superiores a 3500 (Kg/m)

Los ridos tradicionales, aunque econmicas tienen el inconveniente de obtener hormigones no mayor de 2400 (Kg/m).

Algo importante que se debe tomar en cuenta en la utilizacin de los ridos pesados, que estos materiales deben ser inactivos frente al cemento y no perjudicar sus propiedades mecnicas.

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