Imprimir Republicar

Ingeniería civil

Hormigón duradero

Construcciones más resistentes a la acción del tiempo también soportan mejor el fuego

MARCIA MINILLO Pilares de la construcción del estacionamiento actual del edificio e-Tower, en São PauloMARCIA MINILLO

 

La convicción generalizada en el ámbito técnico de la construcción civil al respecto de que el hormigón de alta resistencia (CAR, sigla en portugués) explota o se degrada masivamente al ser expuesto a elevadas temperaturas, tal como en un caso de incendio, puede ser una equivocación. El material resiste bastante bien ante ese tipo de eventualidad, tal como lo demostró un estudio realizado por el ingeniero civil Carlos Amado Britez para su tesis doctoral intitulada Evaluación de pilares de hormigón armado coloreado de alta resistencia sometidos a elevadas temperaturas, defendida en marzo de este año en la Escuela Politécnica de la Universidad de São Paulo (Poli-USP). La tesis demostró que, dependiendo de las condiciones, el CAR  puede resistir muy bien al fuego, tanto como el hormigón común. En general, se considera CAR – a veces, también denominado en Brasil, hormigón de alto desempeño (CAD) – a aquél apropiado para su uso en construcciones que tendrán una larga vida útil con pocas intervenciones para mantenimiento, pudiendo durar más de 100 años, porque presenta mayor resistencia a la intemperie.

La principal característica del CAR es que presenta una resistencia superior a 50 megapascales (MPa), la unidad que mide la presión y la tensión a la que son sometidos los materiales. Un MPa equivale a 10,19 kilogramos fuerza (kgf) – o newton (N) – por centímetro cuadrado. Esto equivale a colocar, sin dañarlo, 10 kilogramos sobre un centímetro cuadrado de hormigón calculado para esa finalidad. El experimento contó con la participación de 10 empresas de ingeniería y construcción para la financiación y la provisión de los materiales y productos, aparte de contar con la supervisión de cinco entidades relacionadas con el sector, tales como la Asociación Brasileña de Cemento Portland (ABCP) y el Instituto Brasileño de Concreto (Ibracon).

El CAR surgió a finales de los años 1950 en Noruega, para contemplar las necesidades de seguridad y durabilidad en grandes obras, que requerían un material con baja permeabilidad y alta resistencia mecánica, tales como túneles y construcciones en alta mar, industriales y nucleares. En aquella época, una “elevada”  resistencia correspondía a algo entre 50 y 60 MPa. Comparativamente, el hormigón común iba entre 12 a 15 MPa. Para cualquier tipo de este material, las características dependen de las proporciones de los componentes con los que está construido, tales como el tipo de cemento y los aditivos. El agua es uno de los ingredientes que más influyen en ese aspecto. “Cuanto mayor es la cantidad utilizada para su composición, menor resistencia presenta el hormigón”, explica Britez. Los agregados granulados, tales como las piedras, y pulverizados, como la arena, también cumplen un rol fundamental.

069_Concreto_188Pero también existen otros ingredientes importantes, denominados adiciones, tales como la sílice activa y el metacaolín, que lo tornan más compacto y ocupan los espacios vacíos que las piedras, con su estructura irregular, no logran rellenar. En la composición también intervienen sustancias químicas disgregantes (aditivos), que, por ejemplo, sirven para disminuir la cantidad de agua necesaria para la hidratación de las partículas de cemento. Luego, todo eso es “empaquetado” o unificado en un producto que es el hormigón. El CAR es más compacto y exhibe una menor porosidad. Paradójicamente, esta última característica también  representa su punto débil. En Europa, luego de algunas décadas de uso, se descubrió que, bajo ciertas condiciones, puede desplazarse o incluso explotar cuando queda expuesto a altas temperaturas, tal como sucedió, durante la década de 1990, en algunos túneles europeos que soportaron grandes incendios. Se trata de un fenómeno denominado spalling, o desprendimiento, que en algunos casos puede ser explosivo. “Algunas hipótesis indican que esto ocurre porque, cuando el material es expuesto a elevadas temperaturas durante un determinado tiempo, el agua libre presente en su composición se calienta convirtiéndose en vapor”, explica Brites. “En el caso del CAR, su baja porosidad provoca que no pueda extravasarse, aumentando la presión interna a punto tal de provocar el spalling”. Fue entonces que surgió la desconfianza hacia el uso de ese tipo de hormigón en las grandes obras. La tesis mencionada logró desmitificar ese escenario.

Composición variada
El punto principal del trabajo consiste en que la demostración  de la ocurrencia o no del spalling depende de una serie de circunstancias y características del hormigón de alta resistencia sometido a altas temperaturas, tales como su composición, que puede variar según el país. Su director de tesis, el profesor Paulo Roberto Helene, del Departamento de Ingeniería de Construcción Civil, de la Poli-USP, recuerda que en la mayoría de los estudios realizados en Brasil y en el exterior se utilizan cuerpos de prueba (muestras de hormigón) pequeños, de unos pocos centímetros cúbicos, sin acero en su estructura. “En esas condiciones, efectivamente, en algunos casos, el CAR se destruye”, dice Paulo Roberto. La edad del material es otra cuestión que incide para la ocurrencia del spalling, tanto en experimentos como en situaciones reales. Britez dice que en diversas investigaciones se utilizan muestras que no cuentan con más de un mes de edad. Difícilmente, en una situación real, una estructura con ese tiempo se vería sometida a altas temperaturas a causa de un incendio. “En un edificio, por ejemplo, un pilar de un mes de antigüedad raramente sería afectado por un incendio, ya que la edificación aún se hallaría en construcción y no existirían muebles ni otros materiales inflamables que provocaran un incendio”, explica. Con el paso del tiempo, el hormigón adquiere resistencia y disminuye su humedad interna. Por eso, lo ideal es el uso de muestras de al menos un año de edad para los ensayos de simulación de incendios. “De ahí la importancia que reviste el trabajo de Britez, quien realizó los ensayos en una muestra con dimensiones reales: un pilar con una estructura similar a la utilizada en un edificio realmente construido”, dice Paulo Roberto. Él se refiere al e-Tower, un edificio construido en 2002, en la calle Funchal, en Vila Olímpia, en la zona sur de São Paulo. En esa época, el hormigón utilizado en sus pilares batió el record mundial de resistencia, con 125 MPa. Una réplica de uno de esos pilares, de 70 por 70 centímetros de lado y dos metros y medio de altura, permaneció durante ocho años al aire libre en un patio de la Poli, hasta que fue utilizada en la investigación.

CARLOS BRITEZ El pilar de 2,5 metros de altura, antes de ser conducido al horno y el resultado posterior con un 95% de su estructura intactaCARLOS BRITEZ

En un horno del Instituto de Investigaciones Tecnológicas (IPT), tres de las caras del pilar fueron sometidas – la restante quedó hacia afuera, porque no había espacio -, durante tres horas, a temperaturas que llegaron a los 1.200 ºC. Para medir la temperatura alcanzada en el interior del pilar, se instalaron en su interior, en varias profundidades, diversas termocuplas, una especie de termómetros. “Comprobé que en el núcleo, la temperatura alcanzó unos 40 ºC, el calor que soportaría normalmente en algunos días de verano”, comenta. “En ese sector, fue como si el pilar no supiese que estaba expuesto al fuego”. Pero incluso en los sectores externos, los daños fueron relativamente pequeños. “En el área de la sección transversal del pilar, un 95% se mantuvo perfectamente y un 5% se redujo por efecto del spalling”, comenta Britez. Solamente una capa superficial, de alrededor de cinco milímetros (mm) de espesor, donde la temperatura llegó a más de 1.000 ºC quedó de color anaranjado y se vio muy afectada. Pero en el interior, donde la temperatura promedio fue de 600 ºC, apareció luego del fuego una capa negra, de alrededor de 55 mm de espesor.

En el núcleo, la coloración quedó tal como era originalmente, roja. Esa pigmentación fue utilizada en algunos pilares del e-Tower para diferenciarlos de los otros, construidos con hormigón común. Ese color se debe a un pigmento fabricado con óxido de hierro (Fe2O3), que hizo posible uno de los descubrimientos más importantes del trabajo. “También puede servir como un excelente termómetro natural, pues ayuda a evaluar la estructura luego del incendio”, explica Britez. “Los análisis realizados revelaron que el color es un indicativo de la temperatura y de la resistencia mecánica”. Su constatación sólo fue posible porque se sabe que el óxido de hierro sufre alteraciones químicas y cambia su coloración con el aumento de la temperatura. Es decir, el hormigón rojizo se oscurece cuando se lo somete a temperaturas de alrededor de 600 ºC. Para temperaturas más altas, por encima de los 900 ºC, puede cambiar de color nuevamente, tornándose anaranjado, según muestra la investigación. El color rojizo en el núcleo de la pieza ensayada indica que allí el calor no fue tanto. “Incluso sin las termocuplas en el cuerpo de prueba, podríamos deducir las temperaturas que se alcanzaron en su interior. Esto es importante, puesto que el pigmento podrá utilizarse en otros experimentos que se realizarán de aquí en adelante”.

Aumento de las obras
Britez espera incluso que su trabajo brinde otro aporte al área de las grandes construcciones: el aumento del uso del hormigón de alta resistencia. “Lo ideal sería que se utilizara en la mayoría de las obras, tales como puertos, puentes y edificios de gran altura, por ejemplo. Eso evitaría muchos problemas y les otorgaría mayor durabilidad. En las obras donde se utiliza el CAR, los agentes ambientales  encuentran mayores obstáculos para penetrar en el hormigón, alcanzar el acero y desencadenar el proceso de corrosión. Esto también reduciría el gasto en mantenimiento de las estructuras”.

Además, el CAR es ambientalmente correcto, según Britez. Al presentar una mayor resistencia, dependiendo del caso es posible que las estructuras puedan proyectarse con menores dimensiones y consumiendo menos cantidad de material. “Esto significa un menor consumo de cemento, piedra, arena y otros materiales que se extraen de la naturaleza”, explica el investigador. El costo constituye otra cuestión que debe tenerse en cuenta a la hora de elegir el tipo de hormigón que se utilizará en una obra. La producción del CAR sigue siendo más cara a causa de los materiales empleados. “Pero en general, es posible que la construcción salga más barata, ya que será necesaria una cantidad menor de hormigón de alta resistencia para construir la obra”.

El profesor Antônio Domingues de Figueiredo, también del Departamento de Ingeniería de Construcción Civil de la Poli-USP, lleva adelante otra línea de investigación en la misma área. En 2005 concluyó un proyecto financiado por la FAPESP sobre altas temperaturas en tipos de hormigón relacionados con  túneles. El objetivo consistía en evaluar la condición de uso de fibras de polipropileno como protección pasiva para el CAR contra el resquebrajamiento explosivo que puede ocurrir durante un incendio. Además, tenía como meta secundaria evaluar en qué condiciones el material era más susceptible a ese tipo de evento.

La principal preocupación de Figueiredo se concentraba en las obras en los túneles, que, a causa de las napas freáticas, generalmente tienen su estructura saturada de agua, lo cual aumenta el riesgo de resquebrajamiento. “Nuestro proyecto demostró que la utilización de fibras de polipropileno mezcladas con el hormigón, efectivamente, pueden reducir ese riesgo”, dice. “En caso de incendio, esas fibras se ablandan y hasta se funden, produciendo un camino para la salida del vapor de agua. Debido a ello, el hormigón puede calcinarse, pero se mantiene íntegro, protegiendo las capas internas del revestimiento del túnel y, consecuentemente, garantizando la estabilidad de la estructura”.

El trabajo realizado por Figueiredo con materiales poliméricos agregados en el hormigón se aprovechó para la construcción de algunos túneles en São Paulo, tal como en el caso de las obras del Rodoanel (carretera de circunvalación) y en la carretera Inmigrantes. Pero también cuenta con otras aplicaciones. La más común es la utilización en pavimentos, en los cuales las fibras poliméricas se utilizan para el control de las fisuras provocadas por la retracción del material luego del secado.

El proyecto
Efecto de las altas temperaturas sobre el hormigón aplicado en túneles (n° 2002/10118-4); Modalidad Apoyo Regular al Proyecto de Investigación; Coordinador Antônio Domingues de Figueiredo – USP; Inversión R$ 56.574,75 (FAPESP)

Republicar