Barreras de vapor bajo placas de concreto

Aunque su uso puede ser común, es importante que al especificar las barreras se contemplen las variables físicas que pueden alterar el comportamiento de las losas de concreto; algunos diseñadores requieren una capa de arena o una base triturada encima de la barrera de vapor, otros insisten en que debe ser colocada directamente bajo la losa, finalmente otros deciden simplemente no colocarla.

Las barreras de vapor tradicionalmente son especificadas para minimizar la entrada de humedad a través del concreto, ya sea por contacto directo con aguas subterráneas (zonas con niveles freáticos altos), por vapor de agua proveniente del subsuelo o en el caso de los cuartos refrigerados donde se requiere una barrera de vapor para que el agua de mezclado no llegue a la base o en la fase constructiva donde el agua de manejabilidad del concreto puede filtrarse y llegar hasta el aislante térmico. Las barreras de vapor también son usadas para proteger revestimientos, equipos electrónicos que puedan ser dañados por la humedad que pueda moverse través de la losa, recientemente han sido también usadas para minimizar infiltraciones dañinas del subsuelo. El Instituto Americano del concreto ACI comité 302 “Guide for Concrete Floor and Slab Constrution” sugiere que las barreras de vapor, pueden no ser necesarias donde no hayan problemas de suelos, drenajes o de niveles altos de aguas subterráneas, sin embargo, algunos diseñadores siempre especifican una barrera de vapor porque es económica, tanto en su costo como en su instalación y es importante que el diseñador contemple esta opción sabiendo lo difícil que es corregir los problemas de humedad después de la construcción.

Desde el punto de vista estructural el factor de restricción entre la losa y la base de apoyo es calculado teniendo en cuenta el espaciamiento entre juntas, el espesor de la losa y la fricción entre el material de apoyo y la losa de concreto, este factor de fricción varía dependiendo el tipo de material, por ejemplo una subbsase arcillosa tiene un factor de rozamiento o fricción de 1,7; mientras una interface plástica doble tiene un factor de rozamiento de 0,5.

Las barreras de vapor efectivamente minimizan el paso del agua, pero algunos vapores de agua todavía pasan a través de las losas. La Portland Cement Association (PCA) hizo pruebas de migración de humedad en losas de concreto que fueron apoyadas directamente sobre una arcilla húmeda como base de apoyo, la prueba fue desarrollada con y sin barrera de vapor, y con y sin capa de gravilla, que serviría en ultimas como capa capilar. Las barreras de vapor usadas fueron de polietileno de 55 libras y espesor de 4 – mil (1 pulgada = 1000 mils).

Los resultados mostraron que usando una barrera de vapor con o sin capa de gravilla, la cantidad de agua que pasa a través de la losa de concreto disminuye; después de 2 meses de pruebas en el concreto con una relación agua/cemento de 0.70, la humedad de entrada a través de la placa sin barrera de vapor fue 3 veces mayor que la humedad a través de la placa con barrera de vapor.

El mismo estudio muestra que una capa granular como capa capilar, reduce la cantidad de agua incluso sin una barrera de vapor. Sin embargo, una barrera de vapor aplicada encima de una base granular reduce considerablemente el movimiento del agua del subsuelo a través de la losa de concreto.

Las hojas de polietileno negro son el material más común como barrera de vapor de 4 a 6 mils (para convertir a mm = mils*0,0254) de ancho, son los típicos espesores utilizados sobre una base compactada o una capa de arena fina esparcida sobre la base.

Algunos diseñadores prefieren las hojas de polietileno gruesas debido a que esta será capaz de resistir mejor el tráfico durante la construcción, especialmente si la barrera de vapor estará en contacto con una base de gravilla, otros recomiendan el uso de geomembranas o una capa de asfalto de tipo base de rodadura MDC-3 Invias, éstos permiten un menor paso de vapor de agua. Independiente del espesor de la hoja, las barreras de vapor deben tener un traslapo de mínimo 30 cm con el fin de ayudar a prevenir la entrada de vapor de agua; el ACI 302 recomienda usar 3 pulgadas (7,62 cms) como traslapo con una capa de arena encima de la barrera de vapor antes de que el concreto sea colocado, sin embargo algunos colegas prefieren usar una capa de entre ½” a 1” (1,27 cms a 2,54 cms) de arena, esto debido a que 3 pulgadas de arena, pueden ser fácilmente desplazadas durante la colocación del concreto, se puede mezclar con el concreto contaminándolo o variar el espesor de la losa, ambos resultados producirán losas con zonas o puntos de debilidad. Por otra parte, una capa de arena gruesa puede provocar bombeo en las juntas de las losas cuando están son sometidas a cargas dinámicas; algunos otros prefieren colocar una capa de gravilla encima de una hoja de polietileno de 50-mil de espesor para que esta no sea punzonada. La gravilla no es fácil de desplazar durante la fundida, esta puede soportar equipos de construcción y eliminar cualquier bombeo en las juntas. Adicionalmente una fina capa de arena es usualmente usada en la parte superior de la base triturada, minimizando la fricción entre la gravilla y la placa de concreto.

Aunque el ACI 302 recomienda colocar una capa de arena sobre la barrera de vapor, algunos Diseñadores colocan el concreto directamente sobre la barrera de vapor, cuando esto se da a propósito se pueden perforar unos agujeros en la barrera de vapor para reducir la evaporación de agua en la superficie de la losa y permitir de esta forma una perdida uniforme de agua en toda su área disminuyendo el efecto de alabeo diferencial por humedad, de la misma forma permite que la placa de punto más rápido. Si el propósito de la barrera de vapor es utilizarla solo para reducir la fricción entre la base y la placa, los agujeros de perforación en la barrera de vapor se permiten, de lo contrario no. En este punto es importante que el ingeniero analice los pros y contras de mantener por más tiempo una losa en estado plástico.

Como lo dijimos anteriormente algunos ingenieros utilizan una barrera de vapor en contacto con la placa de concreto para reducir la fricción de la base, esto no es fácil de entender teóricamente pues al hacer los cálculos de esfuerzo encontramos que hay una proporcionalidad directa entre las variables y el coeficiente de fricción, esto quiere decir que si el factor de fricción es menor, pues menor será el esfuerzo por tensión generado.

Hay que tener en cuenta que, al usar una barrera de vapor podemos reducir la fricción entre la base y la placa de concreto, pero encontramos que el agua de evaporación y de manejabilidad de la mezcla se encuentran por un tiempo más largo trabajando juntas en el proceso hidratación de las partículas de cemento, haciendo que inicialmente se presente una expansión en el concreto y al mismo tiempo por efecto de la reacción química se inicia el proceso de contracción, hasta aquí no habría problemas porque se tendría por algún tiempo una compensación o equilibrio entre la expansión y la contracción en donde el concreto es el beneficiado, el problema será cuando el concreto se encuentre con una cantidad de agua que debe evaporar por la cara superior de la losa haciendo que una contracción diferencial ocurra. Como concurren más movimientos hay mayor posibilidad de que algunas fisuras se formen.

Algunos estudios han mostrado que la fricción de la base no tiene mucha influencia en movimiento de losas cortas causados por cambios de temperatura o contenidos de humedad. Un investigador calculó el esfuerzo máximo de tensión real producido por la fricción en 13 psi (0,09Mpa) en el centro de una losa con juntas de contracción de 20 pies (6,1 m.). Para losas cortas, el investigador recomienda diseñar por efecto de alabeo e ignorar la restricción por contracción.

Las barreras de vapor pueden afectar el comportamiento de las losas de concreto y tiene una significativa influencia sobre los tiempos de acabado de la placa, el fisuramiento y la resistencia. Tanto el Ingeniero como el contratista deben entender como son afectadas las propiedades del concreto por el uso de una barrera de vapor así:

Colocar el concreto directamente sobre una barrera de vapor incrementa la cantidad de agua que llega a la superficie de la losa. Incrementando el tiempo de espera necesario para el acabado de la placa, los operarios deben esperar hasta que el agua superficial desaparezca (que la placa de punto) antes de entrar los equipos de allanado. Entonces colocar el concreto directamente sobre una barrera de vapor incrementa el tiempo de acabado y por lo tanto las posibilidades de obtener defectos en la superficie (especialmente en climas fríos). El ACI 302 dice que colocar una barrera de vapor directamente bajo la losa de concreto agrava la fisuración por contracción plástica, o llamada recientemente contracción autógena.

Pruebas efectuadas por la PCA muestran que cuando una losa de concreto es colocada directamente sobre una barrera de vapor, en lugar de colocarla sobre una capa de arena, el flujo de agua o de humedad era mayor a edades tempranas, y es comprensible pues la placa de concreto está sangrando su agua evaporable.

Cuando no se usan barreras de vapor, un poco de agua de la mezcla agua evaporable podría perderse en la capa de base, reduciendo así la cantidad de agua total evaporable de la mezcla medida en la superficie de la losa.

Nicholson estudio los efectos de las barreras de vapor en el comportamiento de la fisuración con tres casos colocando una la losa de concreto sobre una barrera de vapor (hoja de polietileno), sobre una capa de 3 pulgadas de arena sin barrera de vapor, y sobre una capa de arena-cemento de 3 pulgadas. Los resultados que muestra la figura fueron dramáticos. Había fisuración extensiva en las losas fundidas sobre polietileno y una pequeña fisuración en las losas fundidas sobre arena. Nicholson atribuye la reducción del fisuramiento a la absorción de agua por la base de arena.

Es interesante resaltar que las mezclas de concreto usadas en el estudio tenían una variación en la relación A/C de entre 0,7 a 0,8 y el asentamiento fue de 8 a 9 pulgadas (20,32 cms a 22,86 cms).

La dramática reducción en el fisuramiento y la pérdida de agua de evaporación por la base de arena es probablemente más significativa en las mezclas con relaciones A/C más altas y con un mayor asentamiento.

Nicholson también estableció con la misma prueba que el concreto colocado sobre una cama de arena fue más resistente alrededor del 30% que el concreto colocado sobre polietileno.

Aunque es válido el estudio mi opinión es que por lo menos las resistencias iniciales deberían ser mayores en placas colocadas directamente sobre polietileno por el efecto que tendría la mayor permanencia de tiempo de las partículas de cemento en contacto con el agua (curado intensivo).

Una publicación de la PCA sugiere que una relación A/C baja debe usarse en concretos colocados sobre una barrera de vapor (hoja de polietileno). Como la barrera de vapor evita la perdida de agua, la relación A/C debe ser ajustada (reducida), en el momento de la dosificación para proporcionar la resistencia equivalente como si el concreto fuera colocado sobre una capa de arena.

Para las relaciones A/C altas, tomadas en las pruebas de Nicholson, la cama de arena trae obvios beneficios. La diferencia en resistencia entre el concreto colocado directamente sobre una barrera de vapor versus una capa de arena, al igual que la formación de fisuras estas deben ser menores si la relación A/C es baja. Es por esta razón que la tecnología para concretos diseñados por módulo de rotura (MR), son contempladas relaciones A/C lo más baja posible (A/C =0,45).

De otro lado, el investigador Blumer cree que colocando una capa de arena, la resistencia del concreto baja, eliminando el agua que es necesaria para la hidratación. Blumer dice que la barrera de vapor debe ser colocada en contacto con la losa de concreto, y una hoja de polietileno en la superficie debe ser usada para minimizar la perdida de agua y promover la hidratación del cemento como método de curado.

Si la relación A/C es al menos 0.42, hay suficiente agua en el concreto para hidratar completamente el cemento. Si el concreto fue colocado con una relación agua-cemento < 0.42 las pérdidas de agua por efecto de la cama de arena pueden ser importantes, sin embargo los concretos para pisos industriales y pavimentos apoyadas sobre el terreno son dosificados con relaciones A/C entre 0.45 y 0.50, así mismo la cantidad de agua que se pierde por la capa de arena dependerá de la humedad de la misma.

El ACI 302 dice que colocar concreto directamente sobre una barrera de vapor incrementa el alabeo de la losa, así la parte inferior de la losa no pierde humedad y la parte superior la pierde rápidamente, la contracción en la superficie es diferencial y obliga a que la losa alabee los bordes hacia arriba. Colocar el concreto sobre una cama de arena espera que ayude a reducir el alabeo minimizando el diferencial de contenido de humedad entre la parte superior y la parte inferior de la losa. Una capa de arena puede también reducir el alabeo localizado causado por contenidos de humedad diferencial.

En un estudio de warping (alabeo por humedad) en pavimentos, mostro que la humedad en las bases de una capa granular con libre drenaje ayuda a distribuir el agua de manera uniforme debajo de la losa mostrando que las diferencias de humedad en toda la placa no fueran tan grandes, aunque hubo una elevación mayor de la losa causado por el hinchamiento de la base.

Aunque las propiedades del concreto y los métodos de acabado probablemente tengan un mayor efecto en el comportamiento del concreto que las barreras de vapor, no es sorpresa que tantos diseñadores y contratistas estén en desacuerdo en la correcta colocación de la barrera de vapor.

Algunos han visto buenos y malos resultados de placas colocadas directamente sobre barreras de vapor. Mi opinión es que el uso de las barreras de vapor depende de cada caso y una vez el diseñador contemple aspectos tales como los esfuerzos en la base, tipo y calidad del acabado, condiciones climáticas (microclimas), características y composición de la estructura de soporte, aguas subterráneas, uso final de la losa y calidad del concreto, podrá determinar con seguridad si la mejor opción es colocar el concreto directamente sobre una barrera de vapor o usar una capa de arena como interface.

1. ACI Committee 302, “Guide for Concrete Floor and Slab Construction,”ACI 302.1R-89, American Concrete Institute, P.O. Box 19150, Redford Station, Detroit, MI 48219.

2. H. W. Brewer, “Moisture Migration Concrete Slab-on-ground Construction,” Bulletin D89, Portland Cement Association, 5420 Old Orchard Rd., Skokie, IL 60077, 1965.

3. Robert F. Ytterberg, “Shrinkage and Curling of Slabs on Grade,” Part 3 of 3, Concrete International, American Concrete Institute, June 1987.

4. W. H. Roor, Chairman, “Report of Committee on Warping of Concrete Pavements,” Proceedings Highway Research Board, National Research

Council, 2101 Constitution Ave., NW, Washington, DC 20418, V. 25, 1945.

5. A. G. Timms, “Evaluating Subgrade Friction-reducing Mediums for Rigid Pavements,” Highway Research Record No. 60, Highway Research

Board, National Research Council, 1963.

6. Bengt F. Friberg, “Frictional Resistance under Concrete Pavements and Restraint Stresses in Long Reinforced Slabs,” Proceedings Highway Research

Board, National Research Council, V. 33, 1954.

7. Shigeyoshi Nagataki, “Shrinkage and Shrinkage Restraints in Concrete Pavements,” Journal of the Structural Division, ST 7, American Society of

Civil Engineers, 345 E. 47th Ave., New York, NY 10017, July 1970.

8. Leo P. Nicholson, “How to Minimize Cracking and Increase Strength of Slabs on Grade,” Concrete Construction, September 1981.

9. Richard H. Campbell, Wendell Harding, Edward Misenhimer, Leo P. Nicholson, and Jack Sisk, “Job Conditions Affect Cracking and Strength of Concrete In-place,” ACI Journal, American Concrete Institute, January 1976.

10. Ralph E. Spears, Concrete Floors on Ground, Portland Cement Association, 1978.

11. H. Maynard Blumer, “New Justifications in an Old Debate: Specifying Vapor Barriers Under Slabs-on-Grade,” The Construction Specifier, Construction Specifications Institute, 601 Madison St., Alexandria, VA 22314, February 1990.

12. Sidney Mindess and J. Francis Young, Concrete, Prentice-Hall, New York, 1981.

13. Bruce A. Suprenant a consulting engineer, an associate professor at the University of Colorado in Boulder, and a contributing editor for Concrete.