Sistemas de refrigeración del hormigón de las presas

1.Introducción a los Sistemas de refrigeración

La colocación de hormigones en grandes masas genera un incremento importante de la temperatura en el material debido a la hidratación de los cementos empleados en la mezcla.

Si, además, la propia temperatura de puesta en obra del hormigón es elevada, se alcanzarían valores que contrastarían con la temperatura ambiente, y estas grandes variaciones de temperatura podrían generar fisuras de retracción que pueden afectar a la funcionalidad de la presa.

La temperatura del hormigón colocado se eleva como consecuencia del calor de hidratación del cemento, la evacuación de este calor se produce con el hormigón endurecido y, por tanto, tiene una capacidad de deformación baja, pudiendo formarse tensiones que pueden dar lugar a fisuras.

Las variaciones diarias de temperatura afectan a capas superficiales de la presa, pero el ciclo anual penetra más profundamente y da lugar a tensiones locales adicionales.

1.1 Diseño y construcción con Hormigón

Todo esto se tiene en cuenta en el diseño de la construcción y para evitar el riesgo se toman varias medidas clásicas:

• Disposición de juntas longitudinales y transversales
• Disminución de la temperatura del hormigón colocado
• Procedimientos para acelerar la evacuación del calor de hidratación

Para evacuar de forma acelerada el calor generado, las medidas adoptadas van desde la elección de áridos de alta difusividad, la división en tongadas que permitan la evacuación del calor entre dos consecutivas o la refrigeración artificial del hormigón ya colocado mediante serpentines o drenajes de calor.

Para disminuir la generación del calor de hidratación del hormigón amasado se suelen emplear cementos de bajo calor de hidratación, mezclas de conglomerante con cementos y cenizas, aditivos para rebajar la relación agua/cemento o agua/conglomerante, o tomar medidas de refrigeración del hormigón colocado.

2. Sistemas de refrigeración de hormigón para presas

Nos referimos en este apartado a los distintos sistemas aplicados en la obtención de un hormigón cuya temperatura de salida en planta debe ser controlada, manteniéndose siempre por debajo del límite establecido.

Unas medidas básicas para controlar la temperatura del hormigón fresco serían: ensilamiento de los áridos y sobredimensionado en acopio de cemento.

3. Agua fría en amasado

Se dosifica el agua de amasado a una temperatura que puede estar en torno a los 4º a 5º C. Esta medida es poco eficaz en hormigones de cuerpo de presa por dos motivos:

• El agua de dosificación supone poca cantidad por ser un hormigón normalmente con dosificaciones pequeñas de agua. Además, hay que descontar las humedades de los áridos.
• Por otra parte, el salto térmico hasta llegar al equilibrio de temperaturas es pequeño y supone un intercambio de calor poco significativo.

Hay dos sistemas diferentes de producción de agua fría para esta aplicación:

4.Refrigeración de componentes

Además del agua podemos refrigerar el resto de los componentes del hormigón: áridos y conglomerantes.

En cuanto a la forma de refrigerar los áridos con agua fría también hay dos sistemas:

En cualquier caso, los áridos refrigerados se pasan por un escurridor vibrante para entregarlos con un mínimo de humedad (2-3%) y recuperar el agua nuevamente.

Como es lógico, las arenas no se refrigeran con agua ya que no quedarían en condiciones de ser manejadas.

El agua que se recoge para reciclar se hace pasar por un decantador para clasificarla y desechar los finos que ha incorporado por contacto con los áridos.

Comparando estos dos sistemas de refrigeración de áridos hay que decir que el de tolvas es más caro, pero más versátil en cuanto a suministro a la planta de hormigón, aunque las temperaturas alcanzadas en áridos no difieran mucho ya que en cualquier caso dependen del tiempo de permanencia del árido en el proceso.

Con estos procedimientos es posible rebajar la temperatura del hormigón en su puesta en obra, del orden de 8ºC a 10ºC.

Se han instalado también sistemas de refrigeración de silos de cemento mediante tubos interiores centrales en el silo, por donde circulaba agua fría. No es un método corriente ya que encierra siempre el peligro de entorpecer la salida del cemento.

5.Dosificación de hielo en el hormigón

Consiste en sustituir parte del agua de amasado por el mismo peso de hielo en escamas.

La instalación frigorífica es pues una fábrica de hielo con un silo regulador para almacenarlo y no depender de las necesidades de la planta de hormigón que siempre son intermitentes.

Es un procedimiento bastante eficaz debido fundamentalmente a la gran cantidad de calor que absorbe en la fusión.

Las formas de fabricación de hielo más tradicionales han sido en barras, tubos y escamas, habiéndose impuesta esta última por su mejor almacenamiento y manejo.

Los generadores de hielo en escamas constan siempre de uno o varios tambores verticales, fijos o móviles por cuya superficie se desliza una fina capa de agua que va quedando congelada conforme desciende.

5.1 Cuchillas

Unas cuchillas se encargan de ir rompiendo esa fina capa de hielo que cae directamente al silo.

Los espesores de escama suelen ser de 1 a 3mm de espesor. Interesa una escama fina para que se funda rápidamente al mezclarse con los áridos, pero también tiene más tendencia a compactarse y formar bloques en el silo y las tolvas por lo que no se debe bajar de 1,5mm de espesor de escama.

El silo de hielo debe estar perfectamente aislado y dotado de un sistema de refrigeración de aire frío que asegure un mantenimiento de la temperatura interior de al menos -5ºC, de modo que el hielo permanezca siempre seco y suelto.

Los silos de hielo pueden ser verticales u horizontales siendo éstos últimos los que ofrecen mayor seguridad de manejo del hielo por ir dotados de rastrillo enrasador y extractor.  El transporte del hielo hasta la planta de hormigón se puede realizar por tornillo sinfín o por un sistema neumático si la distancia es larga. En este último caso hay que tener en cuenta que el aire suministrado por compresores o soplantes rotativos suele estar demasiado caliente por lo que es muy necesario enfriarlo previamente.

La instalación de fabricación y suministro de hielo, por su funcionamiento automático, se suele dimensionar de modo que tenga los equipos de producción pequeños y un silo de almacenamiento grande ya que los primeros pueden funcionar las 24 h. del día y 7 días por semana, recuperando así los consumos de los hormigonados.

Con este método se consiguen reducciones importantes de la temperatura que pueden llegar a ser de 8ºC

6. Refrigeración de componentes con nitrógeno líquido.

Consiste en inyectar nitrógeno líquido a presión entre el material a refrigerar. Al evaporarse el nitrógeno enfría los materiales de su entorno permaneciendo secos ya que se convierte en un gas seco, inocuo y que no contamina. Se trata pues de un sistema abierto, en el que se disponen unos tanques de nitrógeno líquido que hay que ir rellenando mediante camiones cisterna.

Precisa de una instalación bastante sencilla y por lo tanto barata con un consumo de energía casi nulo, siendo el coste de adquisición del refrigerante el principal factor a tener en cuenta.

Se puede emplear indistintamente para enfriar áridos, cemento y también directamente el hormigón conforme se amasa o se transporta.

La refrigeración conseguida es muy elevada, si bien puede ocasionar la rotura de los áridos por congelación súbita, y modificar la dosificación de la mezcla.

7. Comparación de los sistemas de enfriamiento

Atenderemos a las ventajas e inconvenientes de cada sistema desde el punto de vista del coste y eficacia de cada uno.

La dosificación con agua fría en hormigón de presas debe ir acompañada de una refrigeración de los áridos u otro medio adicional debido a su reducida incidencia en la temperatura de la mezcla (descensos del orden de 2 ºC).

La refrigeración de áridos con agua fría no afecta en principio a las producciones de la planta de hormigón, exigiendo únicamente un control más riguroso en las humedades de todos los áridos.

En el caso de necesitar una mayor reducción de temperatura, si se trata de una obra pequeña los costes de implantación y amortización de refrigeración de áridos o hielo son elevados y sería mejor ir a una solución como el nitrógeno líquido, sin embargo, cuando se trata de obras de gran volumen de hormigón la ventaja es clara a favor de hielo y refrigeración de áridos.

Hay que tener en cuenta que en el caso del nitrógeno líquido la amortización y montajes del equipo pesan muy poco, pero la adquisición del N₂ mantiene su coste que no baja en ningún caso. En todo caso será un valor coyuntural.

Para una mayor información respecto a estos sistemas de refrigeración, su razón de ser y sus tipologías, os recomiendo las siguientes publicaciones:

• https://oa.upm.es/69309/1/CRISTIAN_PONCE_FARFAN_01.pdf
• https://www.spancold.org/producto/guia-tecnica-de-seguridad-de-presas-no-6-construccion-y-control-de-calidad/
• https://victoryepes.blogs.upv.es/2017/04/08/
• https://cemento-hormigon.com/realizaciones/la-presa-de-la-brena-ii/

Autor: Victor Florez. Docente del Máster en Diseño, construcción y explotación de Obras hidráulicas.