Estudio experimental sobre las propiedades mecánicas dinámicas y modelos de mecanismos de daño del hormigón bajo ciclos de congelación–descongelación

Por qué el invierno castiga al hormigón

En regiones frías, puentes, presas y cauces deben soportar años de agua que se congela y descongela dentro del hormigón. Cada ciclo invernal puede ensanchar lentamente poros y fisuras ocultas, amenazando la seguridad y la vida útil de grandes estructuras hidráulicas como presas y vertederos. Este estudio examina de cerca cómo los ciclos repetidos de congelación–descongelación, combinados con condiciones de carga realistas, debilitan gradualmente el hormigón y cambian su modo de fallo, aportando pistas para diseñar estructuras que resistan mejor los climas severos.

Observando el hormigón en una congelación profunda

Para reproducir lo que ocurre en el campo, los investigadores fabricaron probetas cilíndricas estándar de hormigón y las expusieron hasta 75 ciclos controlados de congelación–descongelación. En cada ciclo de cuatro horas, las muestras saturadas de agua se enfriaron hasta aproximadamente −20 °C y luego se calentaron de nuevo a 20 °C, tal como sucede durante noches y días invernales. Entre series de ciclos midieron la masa, la velocidad de ondas ultrasónicas y la rigidez del hormigón. Tras el tratamiento de congelación, las mismas probetas se colocaron en una potente máquina de ensayo y se sometieron a cientos de cargas repetidas y luego se trituraron a diferentes velocidades de carga, representando carga lenta, servicio normal y eventos rápidos como impactos o pequeños terremotos.

La resistencia disminuye, pero la deformación aumenta

El equipo observó un patrón claro: conforme aumentaba el número de ciclos de congelación–descongelación, la resistencia a compresión y la rigidez del hormigón (su resistencia a ser aplastado y su “elasticidad”) disminuían de forma sostenida. Tras 75 ciclos, la resistencia cayó casi una quinta parte y la rigidez se redujo aproximadamente a la mitad bajo la carga más lenta. Al mismo tiempo, la deformación residual y la deformación máxima—cuánto quedaba deformado y hasta qué se estiraba antes de fracturarse—aumentaron de forma notable. En términos sencillos, el material se volvió más blando y más deformable. La carga rápida enmascaró en parte este daño: cuando se comprimía rápidamente, el hormigón conservaba más de su resistencia aparente, lo que muestra que la carga rápida puede ocultar temporalmente el deterioro interno.

Poros ocultos, grietas crecientes y cambios en las formas de fallo

Las imágenes de la estructura interna revelaron cómo se acumula el daño. Inicialmente, el hormigón contenía solo poros diminutos y dispersos. Tras 25 ciclos aparecieron más poros, pero seguían siendo mayoritariamente aislados. A los 50 ciclos, poros y microfisuras se habían expandido y empezaron a conectarse, y a los 75 ciclos se había formado una densa red de cavidades grandes y conectadas. Esta evolución microscópica coincidió con lo observado en la superficie cuando las muestras se fracturaron. El hormigón sin daño tendía a partirse a lo largo de una o dos grietas agudas, rompiéndose en unos pocos fragmentos en cuña. Tras muchos ciclos de congelación–descongelación, las probetas fallaron de manera más gradual pero mucho más extensa, con una forma abultada, numerosas fracturas finas y gran cantidad de detritos pulverulentos, lo que indica que el armazón interno había perdido coherencia.

Cómo interactúan la velocidad de carga y el daño

Probando a varias velocidades de carga, los investigadores cuantificaron la sensibilidad del hormigón dañado a la tasa de deformación—la velocidad a la que se deforma. A medida que aumentaba el daño por congelación–descongelación, la respuesta del material a la velocidad de carga se volvía más pronunciada. A altas tasas de deformación, la inercia del agua atrapada en los poros y el tiempo limitado para que las grietas crezcan retardaron la propagación del daño, por lo que la resistencia parecía relativamente mayor y la pérdida de rigidez fue menos severa que con carga lenta. Sin embargo, esto no supuso una verdadera recuperación: la red de poros subyacente y la densidad de grietas continuaron empeorando con cada ciclo, como mostraron las medidas ultrasónicas y las reconstrucciones tridimensionales de los poros. Las curvas tensión‑deformación captaron este desplazamiento: los picos se movieron hacia abajo y hacia la derecha, y el área sombreada bajo la curva—que representa la energía que el hormigón podía absorber antes del fallo—se redujo, indicando que el material perdió capacidad para disipar cargas.

Qué supone esto para las estructuras reales

Para presas, vertederos y otras obras hidráulicas en climas fríos, estos resultados subrayan que la congelación y descongelación repetidas erosionan silenciosamente tanto la resistencia como la rigidez, incluso cuando la estructura aún parece íntegra. Con el tiempo, el hormigón se vuelve más flexible pero menos capaz de absorber cargas súbitas sin agrietarse. El estudio proporciona relaciones matemáticas que vinculan el número de ciclos de congelación–descongelación con los cambios en resistencia, rigidez y deformación, ofreciendo a los ingenieros herramientas para estimar la vida útil restante y planificar el mantenimiento. En lenguaje claro, el trabajo muestra que el daño invernal no es solo un problema estético: remodela el hormigón desde el interior, y comprender este proceso es clave para mantener la seguridad de infraestructuras hidráulicas críticas durante décadas.

Cita: Cao, Y., Zhou, J., Shao, Y. et al. Experimental study on dynamic mechanical properties and damage mechanisms models of concrete under freeze-thaw cycles. Sci Rep 16, 7796 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39345-2

Palabras clave: daño por congelación–descongelación, durabilidad del hormigón, estructuras hidráulicas, carga dinámica, regiones frías