El módulo de elasticidad del hormigón es una propiedad mecánica importante que se utiliza para evaluar la rigidez y el comportamiento de deformación del hormigón bajo carga. Describe la relación entre el esfuerzo de compresión y la deformación, y se utiliza ampliamente en el diseño estructural, la investigación del hormigón, el control de calidad y los ensayos de ingeniería.

Debido a que el hormigón es un material heterogéneo y no lineal, su relación entre el esfuerzo y la deformación no es perfectamente lineal durante todo el proceso de carga. Por lo tanto, el módulo de elasticidad debe determinarse bajo condiciones específicas de carga y medición, utilizando un método de ensayo adecuado.

Este artículo explica cómo se determina el módulo de elasticidad del hormigón, los equipos y las probetas necesarios, las principales normas de ensayo y los factores que pueden afectar los resultados del ensayo.

1. ¿Qué es el módulo de elasticidad del hormigón?

El módulo de elasticidad, también conocido como módulo de Young, es una medida de la rigidez de un material. En el caso del hormigón sometido a compresión, representa la relación entre el esfuerzo de compresión aplicado y la deformación longitudinal resultante.

La relación básica puede expresarse de la siguiente manera:

E = Δσ / Δε

donde:

E = módulo de elasticidad

Δσ = cambio en el esfuerzo

Δε = cambio correspondiente en la deformación

Por lo general, un módulo de elasticidad más elevado indica que el hormigón experimenta una menor deformación ante un esfuerzo determinado.

A diferencia de muchos materiales homogéneos, el hormigón no presenta un comportamiento elástico perfectamente lineal. Su respuesta esfuerzo-deformación puede verse afectada por las propiedades de los áridos y de la pasta de cemento, la humedad, las condiciones de carga, la edad y otros factores. Por ello, el módulo se determina en un tramo específico de la curva esfuerzo-deformación, de acuerdo con la norma de ensayo seleccionada.

2. ¿Cómo se determina el módulo de elasticidad del hormigón?

Una prueba típica del módulo de elasticidad del hormigón consiste en aplicar una carga de compresión controlada a una probeta de hormigón mientras se mide con precisión su deformación longitudinal.

El procedimiento general incluye los siguientes pasos:

Paso 1: Preparar la probeta de ensayo

La probeta de hormigón se prepara y cura bajo condiciones especificadas. Dependiendo de la norma aplicable, pueden utilizarse diferentes tipos de probetas.

La norma ASTM C469/C469M abarca cilindros de hormigón moldeados y testigos de hormigón extraídos mediante perforación con diamante, sometidos a esfuerzos de compresión longitudinal. La norma EN 12390-13 establece un método para determinar el módulo de elasticidad secante del hormigón endurecido e incluye disposiciones de medición para probetas prismáticas.

Paso 2: Instale el dispositivo de medición de deformación.

Se instala en la probeta un dispositivo adecuado para medir la deformación del hormigón, como un extensómetro o un compresómetro.

El instrumento mide la variación de longitud de la probeta a medida que se aplica la carga de compresión. Una medición precisa de la deformación es fundamental, ya que incluso pequeños errores de medición pueden afectar al módulo calculado.

Paso 3: Aplicar carga de compresión

La probeta se coloca en una máquina de ensayos de compresión y se somete a una carga de compresión controlada.

La carga se aplica de acuerdo con el procedimiento de ensayo seleccionado, mientras se registra la deformación correspondiente.

Paso 4: Registrar el esfuerzo y la deformación.

El sistema de ensayo registra el esfuerzo de compresión aplicado y la deformación longitudinal correspondiente.

Los datos resultantes pueden utilizarse para generar una curva esfuerzo-deformación del hormigón.

Paso 5: Calcular el módulo

El módulo se determina a partir de la pendiente de la parte especificada de la relación tensión-deformación.

El método de cálculo exacto depende de la norma aplicable. Por tanto, siempre debe indicarse la norma utilizada para el ensayo al comunicar el resultado.

3. Normas de ensayo del módulo de elasticidad del hormigón

Diferentes normas internacionales emplean distintos procedimientos y definiciones para determinar el módulo de elasticidad del hormigón.

ASTM C469/C469M

La norma ASTM C469/C469M —Método de ensayo normalizado para el módulo de elasticidad estático y el coeficiente de Poisson del hormigón a compresión— constituye una referencia importante para determinar el módulo de elasticidad estático y el coeficiente de Poisson del hormigón.

La norma actual ASTM C469/C469M-22 abarca los cilindros de hormigón moldeados y los testigos de hormigón extraídos mediante perforación con diamante sometidos a esfuerzos de compresión longitudinal.

Este método se utiliza ampliamente para evaluar el comportamiento de deformación estática del hormigón y proporciona información que puede emplearse en el análisis y diseño estructural.

EN 12390-13

La norma EN 12390-13 —Ensayos de hormigón endurecido. Parte 13: Determinación del módulo de elasticidad secante a compresión— establece un método europeo para determinar el módulo de elasticidad secante del hormigón endurecido.

La norma distingue entre:

Módulo de elasticidad secante inicial (EC,0)

Módulo de elasticidad secante estabilizado (EC,S)

El módulo inicial se determina durante la primera carga, mientras que el módulo estabilizado se determina tras ciclos de carga repetidos.

La norma EN 12390-13 es especialmente relevante al ensayar probetas de hormigón bajo compresión controlada y al evaluar el comportamiento de deformación del hormigón endurecido.

Al seleccionar un método de ensayo, deben tenerse en cuenta el tipo de probeta, el objetivo del ensayo, el procedimiento de aplicación de carga y los requisitos del proyecto.

4. Ensayo del módulo de elasticidad de prismas de hormigón

La prueba del módulo de elasticidad en prismas de hormigón evalúa el comportamiento de deformación de una probeta prismática de hormigón sometida a una carga de compresión.

Para este tipo de ensayo, la deformación se mide generalmente en la dirección longitudinal de la probeta. Se puede instalar un extensómetro mecánico adecuado entre puntos de medición predefinidos para determinar la variación de longitud.

Los ensayos de prismas de hormigón pueden ser útiles para:

Investigación de materiales de hormigón

Ensayos de componentes estructurales

Evaluación de la rigidez del hormigón

Estudios de deformación a largo plazo

Comparación de diferentes mezclas de hormigón

Investigación de laboratorio e ingeniería

La norma EN 12390-13 contempla los procedimientos de medición para probetas prismáticas, lo que la convierte en una referencia importante al realizar ensayos de módulo elástico del hormigón con probetas de esta forma.

Para obtener resultados fiables, es necesario controlar adecuadamente las dimensiones de la probeta, la longitud de base de medición, la alineación de la carga, el sistema de medición de deformaciones y las condiciones del ensayo.

5. ¿Qué factores afectan al módulo de elasticidad del hormigón?

El módulo de elasticidad medido puede variar en función tanto de las características del hormigón como de las condiciones en las que se realiza el ensayo.

Resistencia del hormigón

La resistencia del hormigón es un factor importante que influye en la rigidez. Por lo general, el hormigón de mayor resistencia posee un módulo de elasticidad más elevado, aunque la relación no es directamente proporcional.

Tipo de agregado

Los áridos representan una gran proporción del volumen del hormigón. Su rigidez, tamaño, tipo y volumen pueden influir significativamente en el módulo global del hormigón.

Relación agua-cemento

La relación agua-cemento afecta a la microestructura y a la resistencia de la pasta de cemento y, por consiguiente, influye en el comportamiento de deformación del hormigón.

La era del hormigón

El módulo de elasticidad generalmente varía a medida que avanza la hidratación del cemento y el hormigón desarrolla resistencia.

Condiciones de curado

La temperatura, la humedad y las condiciones de curado pueden influir en la evolución del hormigón y, en consecuencia, afectar al módulo medido.

Condición de humedad

El estado de humedad de una probeta de hormigón en el momento del ensayo puede afectar a su comportamiento de deformación y a los resultados del ensayo.

Tasa de carga

La velocidad de aplicación de la carga también puede influir en el módulo medido. Las condiciones de carga estática, rápida y de larga duración pueden generar respuestas de deformación diferentes.

Por lo tanto, las condiciones de ensayo deben controlarse y registrarse cuidadosamente al comparar los resultados del módulo del hormigón.

6. Equipo para ensayos del módulo de elasticidad del hormigón

Un sistema típico para ensayar el módulo de elasticidad del hormigón consta de una máquina de ensayo de compresión y un sistema adecuado de medición de deformaciones.

El equipo principal puede incluir:

Máquina de ensayo de compresión

Galgas extensométricas o extensómetro para hormigón

Compresómetro

Accesorios para el posicionamiento de la probeta

Sistema de adquisición de datos

Probetas de hormigón cilíndricas o prismáticas

El dispositivo de medición de la deformación es especialmente importante, ya que el módulo se calcula a partir de la relación entre el esfuerzo y la deformación.

Para los ensayos de módulo elástico en prismas de hormigón, puede utilizarse un dispositivo específico para prismas junto con una máquina de ensayo de compresión y un sistema de medición de deformaciones adecuados. Dicho dispositivo debe permitir una medición estable y precisa de la deformación longitudinal durante la compresión.

Un sistema de ensayo correctamente diseñado debe permitir al operador obtener mediciones de deformación reproducibles, manteniendo al mismo tiempo una alineación adecuada de la probeta y las condiciones de carga correctas.

Conclusión

El módulo de elasticidad del hormigón es un parámetro esencial para evaluar la rigidez y el comportamiento frente a la deformación de este material. Se determina midiendo la relación entre el esfuerzo de compresión y la deformación longitudinal durante la aplicación controlada de carga.

Un ensayo típico requiere una probeta de hormigón adecuada, una máquina de ensayo a compresión y un dispositivo preciso para medir la deformación. La norma ASTM C469/C469M establece un método frecuentemente utilizado para determinar el módulo de elasticidad estático y el coeficiente de Poisson en cilindros y testigos de hormigón, mientras que la norma EN 12390-13 proporciona un método para determinar el módulo de elasticidad secante del hormigón endurecido, incluyendo las mediciones de los módulos inicial y estabilizado.

Para los ensayos de módulo elástico en prismas de hormigón, la medición precisa de la deformación, la correcta alineación de la probeta, los procedimientos de carga adecuados y unas condiciones de ensayo controladas son fundamentales para obtener resultados fiables y reproducibles.

Comprender el método de ensayo y seleccionar el equipo adecuado puede ayudar a laboratorios, instituciones de investigación y organizaciones de ingeniería a evaluar con precisión la rigidez y las características de deformación del hormigón.