Efecto combinado de la velocidad de descarga y el contenido de agua en mortero bajo carga cíclica diferencial

Por qué importan el agua y el esfuerzo para el hormigón cotidiano

Desde presas y diques hasta puentes y túneles, gran parte de nuestra infraestructura crítica está hecha de hormigón o mortero que se moja y seca constantemente y que sufre la presión y la tracción de cargas cambiantes. Cuando los niveles de embalse suben y bajan o el tráfico y las olas actúan de forma cíclica, el hormigón en estas estructuras se comprime y libera repetidamente. Este estudio explora una pregunta simple pero importante: ¿cómo afectan conjuntamente las variaciones del contenido de agua y los ciclos de carga‑descarga desiguales a la resistencia y la durabilidad a largo plazo del mortero, la mezcla de cemento y arena que liga el hormigón?

Hormigón bajo empujes y tirones del mundo real

La mayoría de las pruebas de laboratorio comprimen y liberan el hormigón a la misma velocidad en cada ciclo, lo que facilita el análisis de datos pero no refleja la realidad. En presas reales, por ejemplo, los niveles de agua a menudo suben despacio y bajan rápido, de modo que el material se carga y descarga a distintas velocidades. Los autores denominan esto «carga cíclica diferencial multinivel»: la carga máxima en cada ciclo aumenta por fases y la velocidad de carga difiere de la de descarga. Al mismo tiempo, el hormigón puede estar seco, parcialmente húmedo o completamente saturado. Para imitar estas condiciones, el equipo moldeó prismas de mortero, controló cuidadosamente su contenido de humedad en tres niveles (0,00 %, 6,99 % y 13,98 % en masa) y luego los sometió a ciclos de carga repetidos en una máquina de ensayo mientras registraban cómo se deformaban y fracturaban.

Diseñar pruebas sistemáticas con humedad controlada

Para establecer estados de humedad realistas, los investigadores secaron completamente algunas muestras y después las empaparon en agua, midiendo cómo aumentaba su masa con el tiempo. Esto les permitió identificar un estado medio‑saturado alrededor del 6,99 % de agua y un estado totalmente saturado en 13,98 %. Ensayos de compresión únicos confirmaron que las muestras más húmedas eran más débiles y más deformables que las secas. Con esta línea base, realizaron en total 45 ensayos cíclicos, combinando los tres niveles de humedad con cinco velocidades de descarga diferentes, que iban de ultra‑lenta a ultra‑rápida, manteniendo fija la velocidad de carga. En cada ensayo, la carga máxima se incrementó en una cantidad fija por ciclo hasta que la probeta falló, y la máquina registró continuamente esfuerzo y deformación.

Cómo la humedad y la velocidad de descarga reconfiguran el comportamiento

Bajo estos ciclos escalonados, las curvas esfuerzo‑deformación del mortero trazaron bucles que mostraban cuánto de la deformación no se recuperaba entre ciclos. Para muestras más húmedas y descargas más rápidas, estos bucles se volvieron más densos y desplazados hacia la derecha, lo que significa que el material acumulaba más deformación permanente mientras fallaba a esfuerzos menores. Los autores siguieron cómo se acumulaba la deformación ciclo a ciclo y encontraron una relación clara, casi lineal, entre la deformación acumulada y el número de ciclos. Esa ley lineal simple se mantuvo a través de diferentes contenidos de humedad y trayectorias de carga, lo que sugiere que podría usarse para predecir cuándo una estructura hecha con mortero similar se aproxima a la falla. También separaron la rigidez en un módulo de carga (qué tan rígido es el mortero mientras se comprime) y un módulo de descarga (mientras se libera). El ciclaje repetido tendió a compactar grietas y poros microscópicos al principio, aumentando temporalmente la rigidez, pero un mayor contenido de agua redujo de forma consistente ambos módulos y volvió el material más sensible al patrón de carga.

Energía, daño y umbrales ocultos

Debido a que la fractura y la deformación plástica consumen energía, el equipo analizó cuánta energía mecánica se introdujo en las muestras, cuánto se recuperó y cuánto se disipó de forma irreversible como daño. Mostraron que el mortero más húmedo necesitó mucha menos energía total para fallar: las probetas completamente saturadas requirieron aproximadamente una décima parte de la energía absorbida por las secas. La proporción de energía disipada respecto a la energía de entrada cambió de forma irregular a velocidades de descarga muy lentas, pero se estabilizó una vez que la velocidad de descarga excedió aproximadamente 2,0 kN/s. Asimismo, al comparar estados secos, medio húmedos y totalmente húmedos, descubrieron un umbral pronunciado alrededor del contenido medio de agua (6,99 %), donde las tendencias de los componentes energéticos frente a la velocidad de descarga invertían su dirección. Un indicador de daño derivado de la energía disipada acumulada aumentó exponencialmente con el número de ciclos, y niveles de humedad más altos tanto incrementaron el daño total como difuminaron las diferencias entre velocidades de descarga.

Qué significa esto para presas y otras estructuras

En términos accesibles, el estudio muestra que el agua hace que el mortero sea no solo más blando y débil, sino también más propenso a fatiga oculta cuando las cargas suben y bajan a velocidades desiguales. Existen combinaciones críticas —un nivel de humedad medio alrededor de la semisaturación y una velocidad de descarga de aproximadamente 2,0 kN/s— donde la rigidez y el comportamiento energético del material cambian de carácter. Para los ingenieros, reconocer estos umbrales es vital para evaluar cómo envejecen bajo condiciones operativas realistas las presas, diques y otras estructuras de hormigón expuestas al agua. Los resultados sugieren que la seguridad a largo plazo no puede juzgarse solo por la resistencia; la historia de humedecimiento y secado y los detalles de cómo se aplican y retiran las cargas son igualmente importantes para predecir cuándo el daño se acumulará hasta niveles peligrosos.

Cita: Liu, Z., Cao, P., Liu, L. et al. Coupled effect of unloading rate and water content on mortar under differential cyclic loading. Sci Rep 16, 5927 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36289-5

Palabras clave: durabilidad del hormigón, carga cíclica, saturación de agua, seguridad de presas, fatiga del material