En el campo de la ingeniería de la construcción, el hormigón es un material de construcción ampliamente utilizado, y su rendimiento está directamente relacionado con la seguridad y la durabilidad de toda la estructura del edificio. Sin embargo, en las regiones frías o durante la construcción en invierno, a menudo se producen daños por congelación del hormigón, que causan muchos problemas en la construcción. Para garantizar la calidad de los proyectos de construcción, es fundamental conocer en profundidad las causas de los daños causados por las heladas en el hormigón y aplicar medidas preventivas eficaces.
Comprender los peligros y el impacto de los daños por heladas en el hormigón
Los daños por congelación del hormigón no son sólo un problema superficial. Puede tener un profundo impacto en la estructura interna y el rendimiento del hormigón. A nivel microscópico, los daños por heladas provocan cambios en la estructura de los poros del hormigón. Los poros, que originalmente estaban distribuidos uniformemente, se destruyen, formando grietas y agujeros irregulares. Estos cambios microscópicos afectan directamente a la resistencia, durabilidad e impermeabilidad del hormigón. Desde una perspectiva macroscópica, los daños causados por las heladas en el hormigón pueden provocar deformaciones y grietas en la estructura del edificio, e incluso provocar daños estructurales, poniendo en peligro el uso seguro del edificio y causando enormes pérdidas económicas. Por lo tanto, la investigación y la prevención de los daños causados por las heladas en el hormigón tienen una gran importancia práctica.
Análisis de las causas de los daños causados por las heladas en el hormigón
(1) Expansión del agua helada
El agua desempeña un papel vital y desafiante en el sistema de composición del hormigón y es uno de los factores principales que causan daños por heladas en el hormigón. El agua en el hormigón existe principalmente en dos formas: agua libre y agua adsorbida. El agua libre es agua libre que existe en los poros del hormigón. Tiene una gran movilidad y sólo mantiene una simple relación física de llenado con las partículas de cemento circundantes, los áridos, etc. El agua adsorbida son moléculas de agua adsorbidas en la superficie de las partículas de cemento, que están limitadas por fuerzas superficiales y tienen una movilidad relativamente débil.
Cuando la temperatura ambiente desciende por debajo del punto de congelación (0°C), el agua libre del hormigón experimentará primero un cambio de fase debido a su estado relativamente libre, transformándose de líquido a hielo sólido. Cuando el agua se congela, su volumen se expande alrededor de un 9%. Este importante cambio de volumen generará una enorme tensión de expansión en el estrecho espacio poroso del interior del hormigón. Desde un punto de vista mecánico, el hormigón es un material frágil con una resistencia a la tracción relativamente baja. Cuando esta tensión de expansión supera la resistencia a la tracción del hormigón, es como colocar una «bomba de relojería» dentro del hormigón, provocando la formación de grietas en su interior.
A medida que la temperatura ambiente sigue bajando, el agua adsorbida, relativamente estable, también tiene dificultades para soportar los efectos de las bajas temperaturas y empieza a congelarse gradualmente. El proceso de formación de hielo en el agua adsorbida agrava aún más la tensión de expansión en el interior del hormigón. Debido a que el agua adsorbida estaba originalmente fuertemente adsorbida en la superficie de las partículas de cemento, su expansión de volumen al congelarse ejerce un efecto de extrusión más directo e intenso sobre la estructura de piedra de cemento circundante, haciendo que las grietas existentes continúen expandiéndose y extendiéndose, y que la anchura y longitud de las grietas aumente gradualmente, dañando seriamente la integridad de la estructura interna del hormigón.
(2) El efecto de la reacción de hidratación del cemento
La reacción de hidratación del cemento es un proceso clave en el que el hormigón pasa de ser una lechada plástica a un sólido con cierta resistencia y estabilidad. Este proceso es esencialmente una reacción exotérmica. En condiciones normales de temperatura ambiente, después de que las partículas de cemento entren en contacto con el agua, se producirá rápidamente una serie de reacciones químicas complejas que generarán diversos productos de hidratación, como hidróxido de calcio e hidrato de silicato de calcio. Estos productos de hidratación se entrecruzan y fusionan entre sí, formando gradualmente piedra cementicia con cierta resistencia y estructura, de modo que el hormigón se endurece y gana resistencia gradualmente.
Sin embargo, cuando la temperatura ambiente desciende a una temperatura baja, especialmente por debajo de 0°C, la reacción de hidratación del cemento se verá gravemente inhibida. Esto se debe a que la reacción de hidratación del cemento requiere ciertas condiciones de temperatura para proporcionar la energía necesaria para la reacción. Las bajas temperaturas reducen la actividad de las partículas de cemento y ralentizan el movimiento de las moléculas de agua, lo que provoca una disminución significativa de la velocidad de las reacciones químicas entre el cemento y el agua. Cuando la temperatura desciende por debajo de 0°C, la reacción de hidratación del cemento casi se detiene. En este punto, se forma muy poco producto de hidratación en el interior del hormigón, y el crecimiento de la resistencia del hormigón se vuelve extremadamente lento, o incluso puede llegar a paralizarse por completo.
En este caso, la estructura interna del hormigón está lejos de estar completamente formada, su microestructura interna está relativamente suelta, la porosidad es relativamente alta, y carece de la suficiente compacidad y resistencia para resistir los efectos de la tensión de las heladas. En este momento, el hormigón es como una «planta de semillero» inmadura, que es muy vulnerable a los daños por heladas y se daña con mayor facilidad, lo que desencadena el fenómeno de daños por heladas en el hormigón.
（3）La proporción de la mezcla de hormigón no es razonable
La proporción científica y razonable de la mezcla de hormigón es como el plano de un edificio, que determina directamente las diversas propiedades del hormigón, especialmente su resistencia a las heladas. Entre los muchos factores que afectan a la resistencia del hormigón a las heladas, la relación agua-cemento es un indicador de control clave. La relación agua-cemento se refiere a la relación entre la cantidad de agua utilizada y la cantidad de cemento empleada en el hormigón, y afecta directamente a la cantidad de agua libre en el hormigón.
Cuando la relación agua-cemento es demasiado alta, significa que se ha mezclado demasiada agua en el hormigón. Es más probable que este exceso de agua libre alcance el punto de congelación y se congele a bajas temperaturas. La expansión de volumen tras la congelación generará una mayor tensión de congelación en el interior del hormigón, aumentando en gran medida la posibilidad de daños por congelación en el hormigón. Además, un exceso de agua también provocará que el hormigón produzca poros más grandes durante el proceso de endurecimiento, reduciendo la densidad del hormigón y debilitando aún más su resistencia a las heladas.
Además de la relación agua-cemento, la calidad y la granulometría de los áridos también influyen significativamente en la resistencia del hormigón a las heladas. El árido forma el esqueleto del hormigón, y su calidad y granulometría afectan directamente a la densidad y resistencia del hormigón. Si el árido contiene demasiada arcilla, las partículas de arcilla rellenarán los huecos entre el árido, no sólo reduciendo la unión entre el árido y la pasta de cemento, sino también aumentando la porosidad del hormigón, proporcionando más espacio para que el agua se acumule y se congele. Cuando la distribución granulométrica del árido es deficiente, éste no puede formar una estructura compacta de apilamiento, lo que provocará más huecos en el interior del hormigón y lo hará más vulnerable a los daños por heladas.
(4) Técnicas de construcción inadecuadas
Durante la construcción del hormigón, cada eslabón de la operación es como un eslabón de una cadena. El funcionamiento incorrecto de cualquier eslabón puede convertirse en un peligro oculto que desencadene daños por heladas en el hormigón. Las medidas de aislamiento tras el vertido del hormigón son un paso clave para garantizar que el hormigón se endurezca adecuadamente en entornos de bajas temperaturas. Si el hormigón no se cubre y aísla a tiempo tras el vertido, intercambiará rápidamente calor con el frío ambiente exterior, haciendo que la temperatura de la superficie del hormigón descienda bruscamente.
Antes de que el hormigón alcance cierta resistencia, su estructura interna aún no es lo suficientemente estable. Si se expone a un ambiente frío, el agua en el hormigón se congelará más fácilmente, causando la formación de escarcha y desencadenando daños por congelación. Además, el proceso de vibración del hormigón es crucial para garantizar su compacidad. Si el hormigón no se vibra densamente, se producirán más huecos en su interior. Estos huecos se convertirán en lugares donde se acumula el agua en entornos de bajas temperaturas. Una vez que el agua se congele, la expansión de volumen comprimirá la estructura de hormigón circundante, causando daños por congelación y reduciendo la calidad general y la resistencia a las heladas del hormigón.
(5) La influencia de los factores ambientales
Los factores ambientales son desencadenantes externos de daños por heladas en el hormigón, entre los cuales el rango y la duración de los cambios en la temperatura ambiente tienen el impacto más directo y significativo en los daños por heladas en el hormigón. Cuando la temperatura ambiente desciende repentinamente, el agua del interior del hormigón no puede migrar a tiempo a los alrededores debido a la conducción del calor y al gradiente de temperatura, y se congelará rápidamente en el lugar. Este rápido proceso de congelación generará grandes tensiones de expansión, porque el agua cambia de líquido a sólido en un corto período de tiempo, y no hay suficiente espacio y tiempo para que el drástico cambio de volumen libere la tensión, causando así un gran impacto en la estructura interna del hormigón.
Los ciclos repetidos de congelación-descongelación son también un factor importante para acelerar el deterioro del hormigón. Durante cada ciclo de congelación-descongelación, el agua del hormigón experimenta dos procesos: congelación y fusión. La tensión causada por la expansión de volumen durante la congelación puede provocar la formación de microgrietas en el interior del hormigón. Cuando el agua se funde, rellena estas grietas, y cuando se congela de nuevo, las grietas se expanden aún más. Después de muchos ciclos de congelación y descongelación, estas microfisuras se conectarán gradualmente entre sí para formar macrofisuras, lo que reducirá en gran medida la resistencia y durabilidad del hormigón.
Además, factores ambientales como la humedad del aire y la velocidad del viento también afectan al grado de deterioro del hormigón por las heladas. Cuando el aire es húmedo, el hormigón absorbe más agua del entorno, por lo que el contenido de humedad del hormigón es relativamente alto, y es más probable que sufra daños por congelación a bajas temperaturas. Cuando la velocidad del viento es alta, se acelerará la evaporación del agua en la superficie del hormigón y la pérdida de calor, haciendo que la temperatura de la superficie del hormigón disminuya rápidamente, reduciendo la resistencia a las heladas de la superficie del hormigón y aumentando el riesgo de daños por heladas en la superficie del hormigón.
