ANTECEDENTES
Descripción de los materiales
Tradicionalmente se ha considerado al hormigón como un material de construcción compuesto por tres componentes básicos: aglomerante, agregados y agua. Sin embargo en la actualidad, son muy pocos los profesionales del mundo de la construcción que no consideran al hormigón como el material de construcción por excelencia, compuesto por cuatro componentes, los tres anteriormente mencionados y el aditivo. La definición más comúnmente aceptada de lo que es un aditivo del hormigón, figura en el artículo 29º de la EHE que dice lo siguiente: “Aditivos son aquellas sustancias o productos que, incorporados al hormigón antes del amasado (o durante el mismo o en el transcurso de un amasado suplementario) en una proporción no superior al 5% del peso del cemento, producen la modificación deseada, en estado fresco o endurecido, de alguna de sus características, de sus propiedades habituales o de su comportamiento”. (Comisión
permanente del hormigón, 2008)
Origen del proceso
Los primeros aditivos para hormigón empezaron a fabricarse y comercializarse comercializars e en España en la segunda mitad de la década de los cincuenta y primeros años de los sesenta. Eran los años en los que se recurría al aprovechamiento y la utilización de subproductos de otros procesos industriales como el cloruro cálcico resultante r esultante de la fabricación de Sosa, y las lejías sulfíticas procedentes de la fabricación de la pasta de papel. En esa época, a falta de otras referencias, se les consideraba “productos químicos”, y como tales estaban sujetos a
las normas y órdenes del Ministerio de Industria en lo que a la utilización de productos peligrosos y normas de etiquetado se refiere, no existiendo en la mayoría de los los casos algo que se pudiera asimilar a un certificado de calidad. No f ue ue hasta el año 1968, fecha en la que se aprobó la “Instrucción para estructuras de hormigón armado”, conocida también como EH-68, cuando se estableció gracias a la misma una directriz para técnicas de construcción en general y producción del hormigón en particular, teniendo en cuenta ya el uso de los primeros aditivos para el hormigón.
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ANTECEDENTES
Descripción de los materiales
Tradicionalmente se ha considerado al hormigón como un material de construcción compuesto por tres componentes básicos: aglomerante, agregados y agua. Sin embargo en la actualidad, son muy pocos los profesionales del mundo de la construcción que no consideran al hormigón como el material de construcción por excelencia, compuesto por cuatro componentes, los tres anteriormente mencionados y el aditivo. La definición más comúnmente aceptada de lo que es un aditivo del hormigón, figura en el artículo 29º de la EHE que dice lo siguiente: “Aditivos son aquellas sustancias o productos que, incorporados al hormigón antes del amasado (o durante el mismo o en el transcurso de un amasado suplementario) en una proporción no superior al 5% del peso del cemento, producen la modificación deseada, en estado fresco o endurecido, de alguna de sus características, de sus propiedades habituales o de su comportamiento”. (Comisión
permanente del hormigón, 2008)
Origen del proceso
Los primeros aditivos para hormigón empezaron a fabricarse y comercializarse comercializars e en España en la segunda mitad de la década de los cincuenta y primeros años de los sesenta. Eran los años en los que se recurría al aprovechamiento y la utilización de subproductos de otros procesos industriales como el cloruro cálcico resultante r esultante de la fabricación de Sosa, y las lejías sulfíticas procedentes de la fabricación de la pasta de papel. En esa época, a falta de otras referencias, se les consideraba “productos químicos”, y como tales estaban sujetos a
las normas y órdenes del Ministerio de Industria en lo que a la utilización de productos peligrosos y normas de etiquetado se refiere, no existiendo en la mayoría de los los casos algo que se pudiera asimilar a un certificado de calidad. No f ue ue hasta el año 1968, fecha en la que se aprobó la “Instrucción para estructuras de hormigón armado”, conocida también como EH-68, cuando se estableció gracias a la misma una directriz para técnicas de construcción en general y producción del hormigón en particular, teniendo en cuenta ya el uso de los primeros aditivos para el hormigón.
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En la década de los setenta y de los ochenta, la fabricación fabr icación de aditivos ya no se podía hacer en una “vieja cocina” como en algún momento se había llegado a pensar, si no que era
preciso llevarla a cabo en fábricas cada vez v ez más dotadas tanto en medios humanos como técnicos, ya que estas sustancias habían dejado de ser un producto químico más, para pasar a ser un producto de uso habitual en la fabricación del hormigón sujeto a lo expuesto en las diferentes Instrucciones para estructuras de hormigón armado publicadas durante estas dos décadas EH-68, EH-73, EH-80, EH-82 y EH-88. Posteriormente la industria de los aditivos del hormigón obtiene las primeras certificaciones UNE-EN ISO 9000 entre 1990 y 1991. La implantación de estos sistemas de calidad en el sector de los aditivos, consiguieron no sólo s ólo un efecto de mejora de imagen, sino también una mejora efectiva de los procesos de producción, de los productos, de los proveedores y de todos los l os diferentes difer entes elementos que intervienen en la fabricación de d e un aditivo. (Nistal Cordero, Renata Maqueda, & Ruiz Abrio, 2012)
Situación en nuestro medio
En nuestro medio los aditivos se usan en obras de gran envergadura debido a que significan un costo adicional y no se tiene el conocimiento adecuado para su uso, los aditivos retardadores de fraguado se aplican principalmente en hormigones que:
Se coloquen en grandes volúmenes: evita una elevación considerable de la temperatura debida al calor de hidratación.
Tengan que ser transportados a largas distancias: aumenta el tiempo de puesta en obra del hormigón y su manejabilidad.
Las condiciones de colocación sean lentas: por dificultades de acceso o encofrados con formas complicadas.
Se coloquen con temperaturas ambientales altas: compensa la caída rápida de trabajabilidad.
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PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Identificación del problema Actualmente en nuestro medio no se cuenta con parámetros para el diseño de hormigones H21, con aditivo retardador de fraguado y agregados de Santa Cruz. Debido a la carencia de dichos parámetros se realizan dosificaciones erróneas provocando pérdidas de material y de resistencia mecánica del hormigón, las cuales adicionan un costo extra a la construcción y mantenimiento de la estructura.
Formulación del problema ¿De qué manera influye el aditivo retardador de fraguado en las propiedades mecánicas de hormigones H21, para el estado fresco y endurecido, con agregados de Santa Cruz?
OBJETIVOS Objetivo general Determinar mediante ensayos de laboratorio, la influencia del aditivo retardador de fraguado en las propiedades mecánicas de hormigones H21, para lograr dosificaciones optimas y la resistencia requerida con agregados de Santa Cruz , cumpliendo con los requisitos establecidos en las normas bolivianas y ASTM, para ensayos de laboratorio y calidad del hormigón.
Objetivos específicos
Determinar las propiedades mecánicas y físicas de los materiales utilizados en la elaboración del hormigón mediante ensayos de laboratorio.
Establecer un plan de laboratorio para la ejecución y control de los ensayos.
Determinar dosificaciones H21 con aditivo y sin aditivo para la elaboración de probetas.
Determinar la resistencia a la compresión y flexotracción que aporta el aditivo en análisis.
Analizar comparativamente los resultados obtenidos de los ensayos de laboratorio, para las diferentes dosificaciones.
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JUSTIFICACIÓN Justificación técnica Conociendo la variación de las propiedades mecánicas del hormigón debido al uso del aditivo retardador, los ingenieros inmersos en la construcción tomaran mejores decisiones en la aplicación final de este producto, controlando el tiempo de fraguado para obtener una adecuada planificación sobre las operaciones del hormigón en obra.
Justificación económica La investigación planteada permitirá obtener dosificaciones óptimas anulando de esta manera las pérdidas no previstas de material y de resistencia mecánica del hormigón, con la eliminación de dichas perdidas se obtendrá un ahorro económico durante la construcción y vida útil de la estructura.
Justificación social No aplica.
Justificación institucional No aplica.
ALCANCE Alcance temático
Analizar la influencia del aditivo retardador de fraguado en las propiedades mecánicas de hormigones con resistencia a la compresión de 21 Mpa.
Los materiales utilizados en la elaboración del hormigón cumplen con las normas NB637, NB596, NB1001, NB596. Los cuáles serán descritos al igual que los factores climáticos en el plan de laboratorio.
Se excluyen hormigones especiales tales como livianos y refractarios.
Alcance geográfico Bolivia, Santa Cruz de la sierra
Alcance temporal Dos semestres académicos.
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CAPÍTULO 1 MARCO TEÓRICO
1. TECNOLOGÍA DEL HORMIGÓN La tecnología del hormigón hoy en día ya no es una ciencia joven, y ha sufrido una gran revolución en su desarrollo a partir de la década de los años 80 hoy en día es muy sencillo lograr concretos especiales con ayuda de los numerosos productos de adición al hormigón que se encuentran en el mercado, sin embargo, el camino a la optimización del proceso de obtención de estos concretos es aún desconocido en muchos criterios básicos de composición, dosificación y elaboración. Los concretos de con aditivo retardador de fraguado son hoy en día son de gran importancia para la elaboración de hormigones con usos especiales, como llevar a lugares dificultosos, temperaturas elevadas; sus características permiten mejorar la durabilidad del fraguado y permitir un vaciado sin dañar negativamente su resistencia, siendo su uso una alternativa real en la construcción de diversas estructuras con requerimientos especiales, que pueden ser de tipo estructural como medioambiental. En este presente capítulo se desarrolla y discute las definiciones dadas por diferentes instituciones y autores. Así como también se plantea una nueva definición basada en el uso y optimización hormigón del aditivo retardador de fraguado. (Gómez Domínguez, 2011)
2. MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN Los materiales de construcción constituyen un área muy importante en la formación de ingenieros civiles. La gran diversidad de obras civiles en las que el ingeniero puede participar requieren de conocimientos básicos firmemente consolidados y que le permitan, con la práctica profesional ahondar en la tecnología de los materiales empleados en la industria de la construcción. Para el ingeniero civil es muy importante optimizar los recursos económicos disponibles para construir las obras, esto lo puede lograr entre otras cosas haciendo buen uso tanto de los materiales baratos como de los materiales caros.
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A un lado de la búsqueda de una economía bien entendida, el ingeniero tiene la obligación de construir obras que además de ser seguras reflejen la mejor calidad de vida de sus ocupantes o usuarios, apegándose siempre a las especificaciones y reglamentos de construcción vigentes. (Gómez Domínguez, 2011)
2.1. Selección de los materiales de construcción Toda construcción debe ser atendida por una etapa de selección de los materiales. El ingeniero debe evitar hasta donde sea posible el experimentar directamente en la obra con materiales desconocidos, ya que esto acarrea casi siempre defectos en la obra. La experimentación es un medio excelente para verificar el comportamiento de los materiales bajo condiciones especiales, y debe ser estimulada en cualquier organización, pero se debe llevar al cabo con una buena anticipación a la obra. La experimentación tanto en laboratorio como en campo, son igual de provechosas cuando se les interpreta correctamente. La selección de los materiales de construcción depende de muchos factores, y resulta difícil ser muy específico al respecto, como por ejemplo considere que la selección del material puede depender desde la disponibilidad del mismo en una determinada localidad hasta el gusto del dueño de la obra, quien puede decidirse por alguno o algunos de los materiales que se emplearán en la misma. En ocasiones la selección de un determinado material puede ser tan complicada que requiera de un complejo estudio estadístico para decidirse ya sea por un determinado banco de material, por un determinado lote de material o por un determinado fabricante. La gran mayoría de las veces es el ingeniero quien propone al dueño de la obra los materiales que se deben emplear, por lo tanto, estas personas deben tener los conocimientos suficientes para lograr que se cumplan los objetivos de la obra y se satisfaga el presupuesto de la misma. Particularmente el ingeniero civil debe tener la capacidad técnica suficiente para realizar la selección de los materiales de una manera más científica de lo que generalmente se cree. La base primordial para la selección de los materiales de construcción generalmente lo constituyen las propiedades ingenieriles de los mismos. (Gómez Domínguez, 2011)
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2.2. Propiedades de los materiales de construcción Algunas de las propiedades de los materiales que se contemplan en la construcción son del tipo; físico, químico, mecánico, térmico, óptico, eléctrico y acústico, la Tabla 1 ejemplifica lo anteriormente mencionado. Tabla 1 Algunas Propiedades de los Materiales de Construcción Físicas
Químicas
Composición química Dimensiones
Mecánicas
Térmicas
Eléctricas
Acústicas
tención
Capacidad conductica
Capacidad conductiva
Transmisión del sonido
Aislamient o eléctrico
Reflexión del sonido
Forma
Acidez o alcalinidad
Compresión cortante
Expansión térmica
Peso Especifico
Reactividad química
Flexión Impacto
Contracció n térmica
Porosidad
Facilidad de corrosión
Rigidez elasticidad
Aislamient o térmico
Contenido de humedad Textura
Aislamiento del sonido
Plasticidad Ductilidad Dureza
Nota: Tomada de Gómez Domínguez (2011)
El principal material de construcción utilizado en obras civiles es el hormigón, por lo cual es imprescindible verificar la o las propiedades de mayor interés en los materiales antes de hacer uso de ellos. La verificación se realiza por medio de ensayos. Usualmente los ensayos ya sean de laboratorio o de campo se realizan siguiendo normas estándar o procedimiento aceptados de común acuerdo entre los interesados en el buen uso de los materiales.
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3. HORMIGÓN 3.1. Definición La asociación colombiana de productores indica que el hormigón puede ser definido como la mezcla de un material aglutinante, un material de relleno, agua y eventualmente aditivos, que al endurecerse forma un sólido compacto y después de cierto tiempo es capaz de soportar grandes esfuerzos de compresión. La pasta es el resultado de la combinación química del cemento, aditivo y el agua. Se le considera la fase continua del concreto, ya que siempre está unida con algo de ella misma a través de todo el conjunto. El agregado es la fase discontinua del concreto, dado que sus diversas partículas no están unidas o en contacto unas con otras, sino que se encuentran separadas por espesores diferentes de pasta endurecida. Las propiedades del concreto están determinadas fundamentalmente por las características físicas y químicas de sus componentes, pudiendo ser mejor comprendidas si se analiza la naturaleza del concreto. (Peredo Romero, 2000)
3.2. Clasificación de los hormigones Los hormigones se pueden clasificar de acuerdo muchas características pero las que describiremos a continuación son las más utilizadas en la tecnología del hormigón.
3.2.1. Según la resistencia a la compresión Esta clasificación está determinada según sea la resistencia mínima a la ruptura por compresión a los 28 días en probetas cubicas cuyas dimensiones deben cumplir con lo establecido en la norma NB 586, los limites mostrados en la Tabla 2.
Tabla 2 Clasificación según la resistencia a la compresión Tipo
Resistencia a la compresión a los 28 días en kg/cm 2
Hormigones de baja resistencia
175
Hormigones de resistencia media
> 175 y < 420
Hormigones de alta resistencia
> 420
Nota: tomada de hormigones ingeniería de la edificación (2007)
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3.2.2. Según la densidad aparente Según la densidad aparente los hormigones se puede clasificar en liviano, normal y pesado, la Tabla 3 se muestran la densidades aparentes de acuerdo al tipo de hormigón esta clasificación depende principalmente de los agregados que la componen.
Tabla 3 Clasificación según la densidad aparente
Tipo
Densidad aparente en kg/cm3
livianos
300 a 180
normales
2000 a 2800
pesados
3000 a 4500
Nota: tomada de hormigones ingeniería de la edificación (2007)
3.3. Propiedades del hormigón Para cada caso particular de empleo del concreto se requiere determinadas propiedades, es por ello que el conocimiento de todas y cada una de las propiedades del concreto es importante, al analizarlas se debe recordar las limitaciones de las mismas en función de las múltiples variables que pueden actuar sobre el concreto, modificándolo. Es importante recordar que el concreto, como cualquier material, puede experimentar adicionalmente modificaciones en el tiempo y que puede claudicar por fallas atribuidas a problemas de durabilidad, aun cuando su resistencia haya sido adecuada. En el análisis de las propiedades del concreto es importante recordar que ellas están íntimamente asociadas a las características y proporciones relativas de los materiales integrantes; de la calidad, cantidad y densidad de la pasta es determinante en las propiedades del concreto; y que la relación agua-cemento lo es sobre las características de la pasta. (Peredo Romero, 2000). Las propiedades más importantes del concreto en estado no endurecido incluyen la trabajabilidad, consistencia, fluidez, cohesividad, contenido de aire, segregación, exudación, peso unitario, así como tiempo de fraguado.
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Las propiedades más importantes del concreto en estado endurecido son; las resistencias mecánicas, durabilidad, propiedades elásticas, cambios de volumen, impermeabilidad, resistencia al desgaste y cavilación, propiedades térmicas y acústicas, apariencia.
3.3.1. Propiedades en estado fresco. Las propiedades en estado fresco del hormigón en estado fresco deben permitir que se llenen adecuadamente las formaletas y los espacios alrededor del acero de refuerzo o armadura, así como también obtener una masa homogénea sin grandes burbujas de aire o agua atrapada. Es claro que las propiedades del hormigón en el sitio no pueden ser obtenidas directamente en su estado fresco, puesto que las características de los elementos estructurales se ven afectadas por las prácticas en obra. (Asociación Colombiana de Productores de Concreto, 2010) En la Tabla 4 se puede visualizar las propiedades del concreto en estado fresco, que pueden ser determinadas mediante ensayos de laboratorio.
Tabla 4 Propiedades del concreto en estado fresco Propiedad
Ensayos Norma internacional
Norma boliviana
Consistencia
C 143
NB 589
Segregación
C 238
-
Exudación
C 232
Peso unitario
C 138
NB 590
Contenido de aire
C173 y C371
-
Contenido de agua
C 1078
-
Nota: Elaboración propia
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3.3.1.1. Trabajabilidad López Rivva (2002:40) indica que es aquella propiedad que determina cual es el trabajo utilizado en vencer la fricción entre los componentes del concreto, y entre este y el encofrado o refuerzo, para lograr una compactación adecuada. En otras palabras, es la capacidad que tiene para ser colocado y compactado apropiadamente sin que se produzca segregación alguna. La trabajabilidad está representado por el grado de compacidad, cohesividad, plasticidad y la consistencia.
La compacidad: Es la facilidad con la que el concreto o mortero fresco es compactado o consolidado para reducir el volumen de vacíos y por tanto el aire atrapado.
La cohesividad: Es la aptitud que tiene el concreto o mortero fresco para mantenerse como una masa estable y sin segregación.
La plasticidad: Es la condición del concreto o mortero fresco que le permite deformarse como una masa estable y sin segregación.
Consistencia: Es la capacidad del mortero y hormigón fresco para fluir, es decir la capacidad de adquirir la forma de los encofrados que lo contienen y de llenar los espacios vacíos alrededor de los elementos que absorbe. El ensayo más conocido para determinar la consistencia es el cono de Abrams, el procedimiento y control que se debe tener al momento de realizarlo esta descrito en la norma NB 589 y ASTM C143.
3.3.1.2. Segregación Un aspecto importante de la trabajabilidad y que generalmente se considera como otra propiedad, es la inclinación a la segregación, definida como la tendencia de separación de las partículas gruesas de la fase mortero del concreto y la colección de esas partículas deficientes de mortero en el perímetro del concreto colocado, esto por su falta de cohesividad, con lo cual su distribución y comportamiento deja de ser uniforme, y homogéneo. Esto conduce a que la no segregación sea una condición implícita del concreto para mantener una trabajabilidad adecuada.
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Por otra parte, las principales causas de segregación que se presentan son: la diferencia de densidades entre sus componentes, el tamaño y forma de las partículas y la distribución granulométrica, también pueden influir otros factores como un mal mezclado, un inadecuado sistema de transporte, una colocación deficiente y un exceso de vibración en la compactación. Para poder controlar la segregación debida a efectos externos al concreto el comité ACI-304 describe una serie de procedimientos. (Asociación Colombiana de Productores de Concreto, 2010)
3.3.1.3. Exudación o sangrado. Es una forma de segregación o sedimentación, en la cual parte del agua de mezclado tiende a elevarse a la superficie de una mezcla de concreto recién colocado. Esto obedece a que los constituyentes sólidos de la mezcla no pueden retener toda el agua cuando se asientan durante el proceso de fraguado. La exudación del concreto está influenciada por las proporciones de la mezcla y las características de los materiales, el contenido de aire, el uso de aditivos convencionales o minerales y particularmente por la angularidad y gradación del agregado fino. Las normas ASTM C232 comprenden dos métodos para determinar las propiedades de exudación del concreto fresco. Un método compacta el espécimen por apisonamiento sin perturbaciones posteriores y el otro lo hace por vibración luego de la cual el espécimen es vibrado de manera intermitente durante el ensayo. La cantidad de agua de exudación en la superficie se expresa como el volumen de agua por área unitaria del concreto descubierto, o como el porcentaje de la cantidad neta de mezclado en el espécimen del ensayo. Este ensayo rara vez se realiza en campo. (Asociación Colombiana de Productores de Concreto, 2010)
3.3.1.4. Peso unitario El peso unitario del concreto fresco y del endurecido depende del tamaño máximo, granulometría y densidad de los agregados, así como también de la cantidad de aire atrapado e incorporado, el contenido de agua y cemento.
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La densidad y cantidad de aire de cada agregado afecta al peso unitario del concreto en estado fresco, cuando estos son de muy alta porosidad, el peso unitario del concreto puede variar dependiendo del grado de saturación de los agregados antes de la mezcla. Para medir el peso unitario se debe realizar mediante el ensayo de rendimiento volumétrico descrito en la norma ASTM C138, que consiste en determinar la masa requerida para llenar un molde de volumen conocido. (Asociación Colombiana de Productores de Concreto, 2010)
3.3.1.5. Contenido de aire Este elemento está presente en todos los tipos de concreto, localizado en los poros no saturables de los agregados y formando burbujas entre los componentes del concreto, bien sea porque es atrapado durante el mezclado o al ser intencionalmente incorporado por medio del uso de agentes inclusores, tales como cementos o aditivos incorporadores de aire. El contenido de aire de un concreto sin agentes inclusores normalmente está entre el t% y el 2% del volumen de la mezcla, mientras que en un concreto con inclusores pueden obtenerse contenidos de aire entre el 4% y el 8%. (Asociación Colombiana de Productores de Concreto, 2010) En la Tabla 5 se muestran los tres procedimientos y sus normas respectivas para medir el contenido de aire.
Tabla 5 Normas y métodos para medir el contenido de aire
Método
Norma
método Volumétrico
ASTM C173
método por presión
ASTM C231
método gravimétrico
ASTM C138
Nota: Elaboración propia
A pesar de que estos ensayos miden únicamente el volumen de aire sin considerar las características de los vacíos del aire, por medio de ensayos de laboratorio se ha encontrado que estos métodos son indicativos respecto a la forma del sistema de vacíos.
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3.3.1.6. Contenido de agua y de cemento El contenido de agua es un factor determinante para el desempeño del concreto. Cuando se presenta variación en las propiedades en estado fresco de una mescla a otra, es probable que se deba a un cambio en el contenido de agua de la mezcla, lo cual originaría un efecto desfavorable en las propiedades del concreto endurecido. Para determinar si las variaciones de las propiedades son debidas a cambios en el contenido de agua es importante asegurar que la cantidad real de agua es la estipulada en el diseño. Los ensayos en el concreto fresco, ayudan a tener una estimación de la resistencia y durabilidad potencial que tendrá el concreto una vez fragüe y endurezca, además sirven para confirmar que se ha cumplido con los contenidos de diseño de agua y de cemento. La norma ASTM C1078 describe dos métodos para determinar el contenido de cemento de una de concreto fresco con base en la correlación que existe entre el contenido de ion calcio y el contenido de cemento. (Asociación Colombiana de Productores de Concreto, 2010)
3.3.2. Propiedades en estado endurecido El concreto es capaz de soportar grandes esfuerzos de compresión, dependiendo de las propiedades tanto físicas, químicas, mecánicas de sus componentes y de la interacción de cada uno de ellos. Dentro de las muchas características que posee el concreto se puede mencionar: la masa unitaria, las propiedades mecánicas, térmicas, eléctricas, acústicas; su apariencia, etc. En general, las propiedades mecánicas del concreto están gobernadas por la resistencia de la pasta endurecida, los agregados y la interface pasta-agregados, las cuales a su vez son modificadas por los procesos de colocación y condiciones de curado.
3.3.2.1. Resistencia La Asociación colombiana de productores de concreto (2010: 119) indica que es una capacidad para resistir esfuerzos y de allí que se pueda considerar de cuatro maneras: compresión, tracción, flexión y corte. El concreto presenta una alta resistencia a los esfuerzos de compresión y muy poca a los de tracción, razón por la cual, la resistencia a la compresión simple es la propiedad a la que se le da mayor importancia.
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Desde el punto de vista de la resistencia a compresión se considera que un concreto es de resistencia normal cuando no supera los 42 MPa. Por otra parte, actualmente se considera que un concreto es de alta resistencia cuando esta es superior a 42 MPa e inferior a 100 MPa, a 28 días. Cuando tienen resistencias superiores a 100 MPa se consideran como de ultra alta resistencia.
3.3.2.1.1. Factores que inciden en la resistencia. En general, el más importante en la resistencia de un concreto totalmente compactado es la relación agua/cemento. Sin embargo, para una mezcla trabajable, bien dosificada y en condiciones normales de mezclado, curado y métodos de ensayo, además de la influencia de la relación agua/cemento, intervienen otros elementos como el tipo y calidad del cemento, las características del agregado, el tipo y cantidad de los aditivos, el fraguado y la edad. (Asociación Colombiana de Productores de Concreto, 2010). La asociación colombiana de productores de concreto (2010: 128) indica que los principales factores que inciden en la resistencia son los siguientes:
Relación Agua – Cemento: Un factor que hasta ahora se ha tocado de manera tangencial y que tiene gran influencia en todas las propiedades del concreto es la relación agua/cemento. La relación agua/cemento (a/c) en una mezcla de mortero o concreto se describe como la cantidad de agua en masa, sin incluir el agua absorbida por los agregados, sobre la cantidad de cemento en masa. La resistencia del concreto está estrechamente relacionada con la relación a/c, de tal manera, que entre mayor sea el contenido de agua de mezclado, mayor será la cantidad que no se cambia con el cemento, y por consiguiente, al disiparse la parte de agua evaporable la pasta será más porosa y la resistencia del concreto disminuirá.
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Contenido y tipo de cemento: Lo más importante en lo que respecta al cemento es su contenido dentro del concreto, porque en la medida que se aumenta se consiguen mayores resistencias. Esta afirmación se debe aplicar con precaución, porque sólo es válida hasta un límite, a partir del cual, la cantidad de cemento por encima de este no se hidrata totalmente y por tanto pasa a formar parte del concreto como un material inerte de relleno. Por otro lado, se ha demostrado que para mezclas con una baja relación agua/cemento, en las cuales se incrementa el contenido de este material a valores superiores a 470 kg/m3, se origina una disminución de la resistencia, en especial cuando se utiliza agregado de gran tamaño. Este comportamiento se debe a los esfuerzos inducidos por la contracción, que al ser obstruida por las partículas de agregado, causa agrietamiento de la pasta o una pérdida de adherencia entre el cemento y el agregado.
Resistencia a la compresión: En términos generales, la gran mayoría de estructuras de concreto son diseñadas bajo la suposición de que este resiste únicamente esfuerzos de compresión, por consiguiente, para propósitos de diseño estructural, la resistencia a la compresión es el criterio de calidad, y de allí que los esfuerzos de trabajo estén prescritos por los códigos en términos de porcentajes de la resistencia a la compresión. La medida de la resistencia a la compresión se efectúa por medio de ensayos normalizados. Se utilizan los procedimientos de las Normas NB 639, ASTM C39 donde se describen los métodos realizar los ensayos de los especímenes.
Resistencia a la tracción: Por su naturaleza, el concreto es bastante débil a esfuerzos de tracción, esta propiedad conduce generalmente a que no se tenga en cuenta en el diseño de estructuras normales. La tracción tiene que ver con el agrietamiento del concreto, a causa de la contracción inducida por el fraguado o por los cambios de la temperatura, ya que estos factores generan esfuerzos internos de tracción. La medida a la resistencia a la tracción se debe efectuar según el método especiado en la norma NB 641 y ASTM 496,
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Como es difícil de medir por medio de ensayos directos debido a la dificultad de montar las muestras y las dudas que existen sobre los esfuerzos secundarios inducidos por los implementos que las sujetan, el ensayo se debe realizar mediante métodos indirectos los cuales están especificados en las normas NB 641 y ASTM C496.
Resistencia a la flexión: Los elementos sometidos a flexión tienen una zona sometida a compresión y otra región en que predominan los esfuerzos de tracción. Este factor es importante en estructuras de concreto simple, como las losas de pavimentos. La resistencia a la flexión del concreto se refiere a menudo al módulo de rotura. Comúnmente, se evalúa por medio de ensayos de flexión sobre vigas de sección cuadrada de 15 cm de lado y 50 cm de longitud' Las normas NB 640,
ASTM
C293, y ASTM C78 describen el procedimiento para realizar el ensayo sobre concretos convencionales cargando las vigas en uno y dos puntos, respectivamente y la norma ASTM C 1018 describe el método para concretos reforzados con fibras.
Resistencia a la cortante: La resistencia del concreto a esfuerzos cortantes es baja, sin embargo, generalmente es tenida en cuenta por los códigos de diseño estructural. Este tipo de esfuerzos es importante en el diseño de vigas y zapatas, en donde se presentan en valores superiores a la resistencia del concreto. Hasta este momento no se ha ideado ningún método para medir directamente la resistencia al esfuerzo cortante. Se ha tratado de medir sobre vigas muy cortas, con cargas muy cercanas a los apoyos, sin embargo, estas pruebas no son muy confiables, porque los resultados que se encuentran discrepan en las diferentes investigaciones, especialmente porque durante la realización del ensayo aparecen esfuerzos a compresión y tracción. No existe un consenso claro en cuanto a la relación que existe entre la resistencia al corte calculado directamente, y la resistencia a compresión.
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3.3.2.2. Durabilidad Es claro que la durabilidad de un elemento en concreto depende de las propiedades del mismo y las prácticas de colocación, pero también es función de las condiciones que lo rodean y por esto es importante estudiar muy bien el medio ambiente y las características de servicio a las que estará sometido, para utilizar una mezcla económica de excelente comportamiento. Es importante identificar todas las causas potenciales de deterioro antes de definir las características de la mezcla de concreto o las medidas de protección que se deben tomar. (Asociación Colombiana de Productores de Concreto, 2010)
3.3.2.2.1. Ataque químico Si se revisan los diferentes tipos de cemento se puede apreciar que ninguno tiene la propiedad de resistir los ácidos, lo que hace suponer que el concreto es relativamente débil al ataque de estos con puestos químicos. Los morteros y concretos en servicio, expuestos a ácidos, resultan afectados debido a que las soluciones ácidas reaccionan, en primer lugar, con hidróxido de calcio y luego con hidrosilicatos e hidroaluminatos de calcio del cemento endurecido para formar sales de calcio. En ambientes agresivos en donde el ácido no es reemplazado, el ataque está esencialmente confinado a la superficie expuesta, en la cual este es neutralizado por la alcalinidad del concreto y la reacción se detiene. Además del deterioro del concreto, cuando este es muy permeable, los ácidos pueden llegar hasta el acero de refuerzo y ocasionar su corrosión, con consecuencias lamentables para la estructura. La resistencia al ataque de los ácidos se puede mejorar si se deja secar el concreto antes de que quede expuesto, ya que se forma una capa de carbonato de calcio que bloquea los poros y reduce la permeabilidad en la parte superficial. Existen también tratamientos superficiales con alquitrán de hulla, pinturas bituminosas, resinas epóxicas, sílicofluoruro de magnesio y otros agentes que han demostrado resultados altamente satisfactorios. (Asociación Colombiana de Productores de Concreto, 2010)
3.3.2.2.2. Ataque físico La asociación colombiana de productores de concreto (2010: 137) indica que los ataques físicos producidos en el concreto se deben a los siguientes factores:
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Congelamiento - deshielo. Al disminuir la temperatura de un concreto saturado, el agua que se encuentra dentro de los poros aumenta de volumen por congelación produciendo expansión y fisuras en el elemento. Esta condición se vuelve crítica cuando los ciclos congelamiento - deshielo se hacen repetitivos, porque su efecto es acumulativo.
Humedecimiento y secado. En estructuras hidráulicas, una de las principales causas de deterioro es el continuo humedecimiento y secado, el cual produce expansiones y contracciones creando condiciones de agrietamiento y descascaramiento del concreto, al igual que pueden aumentar la corrosión del acero de refuerzo. Cuando un elemento en concreto está sujeto a ciclos de humedecimiento secado, se presentan eflorescencias en la superficie del concreto, las cuales son el resultado de la percolación de agua a través del material de manera continua o intermitente. Las eflorescencias constan de un depósito de sales, que son lixiviadas del concreto y cristalizadas por la evaporación del agua y la interacción con el dióxido de carbono presente en la atmósfera. Las sales típicas son carbonatos de sodio, potasio o calcio, siendo el mayor constituyente el carbonato de calcio.
Abrasión. La abrasión se ocasiona por fluidos en movimiento que están en contacto con estructuras de concreto, creando fricción o cavitación y produciendo desgaste sobre la superficie de este. En la medida en que la resistencia a la compresión aumenta, se incrementa su resistencia a la abrasión. Esta propiedad es importante en elementos sometidos a tráfico, deslizamientos y rozamiento como son los pavimentos, pisos, túneles y estribos de puentes sujetos a la acción de corrientes de agua, vertederos, etc.
Fuego. En términos generales, el concreto tiene buenas propiedades de resistencia al fuego, siendo este uno de sus méritos como material estructural. La resistencia a los daños producidos por el fuego es cada vez menor a medida que aumenta el espesor de la estructura.
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En el concreto armado sujeto al fuego, las capas superficiales calientes tienden a separarse y descascararse desde la parte de la estructura más fría, en consecuencia, se produce la formación de grietas en la junta, en las paredes de concreto mal compactadas o en los planos de las varillas de refuerzo. Sin embargo, la pérdida de resistencia comienza aproximadamente a los 330 °C y aún a los 500 oC se considera que el concreto, conserva el 80 % de su resistencia inicial. Una vez el refuerzo queda al descubierto, se calienta rápidamente con la consecuente pérdida de resistencia. El acero dulce pierde aproximadamente el 50% de su resistencia a 600 °C mientras que el acero pretensado sufre la misma pérdida, pero a 400 °C.
3.4. Materiales utilizados en la elaboración del hormigón. Los materiales utilizados en la elaboración de construcción constituyen un área muy importante en la formación de ingenieros civiles. La gran diversidad de obras civiles en las que le ingeniero puede participar requieren de conocimientos básicos firmemente consolidados y que le permitan, con la práctica profesional ahondar en la tecnología de los materiales empleados en la industria de la construcción. Para el ingeniero civil e muy importante optimizar los recursos económicos disponibles para construir las obras, esto lo puede lograr entre otras cosas haciendo buen uso tanto de los materiales baratos como de los materiales caros. A un lado de la búsqueda de una economía bien entendida, el ingeniero tienen la obligación de construir obras que además de ser seguras reflejen la mejor calidad de vida de sus ocupantes o usuarios, apegándose siempre a las especificaciones y reglamentos de construcción vigentes.
3.4.1. Cemento portland La norma NB 011 (2012: 2) indica que son productos fabricados a base de Clinker Portland y, en su caso, otro de los componentes principales y/o adicionales definidos en esta norma, en proporciones distintas, según se establece en las correspondientes definiciones particulares de cada tipo incluidas en el siguiente acápite.
3.4.1.1. Clasificación La norma boliviana NB 011 (2012: 3) afirma que con esta denominación existen cinco tipos, los cuales serán descritos a continuación en base a la norma citada.
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Cementos portland, tipo I: Son conglomerantes hidráulico constituidos a base de: Clinker Portland en proporción no menor del 95% en masa y de cualquiera de los componentes adicionales definidos en esta norma, o mezclas de ellos, en proporción no mayor del 5% en masa. Este núcleo no incluye ni el regulador de fraguado, ni los eventuales aditivos.
Cementos portland, tipo IP: Son conglomerantes hidráulicos constituidos a base de: Clinker Portland en proporción no menor del 60% ni mayor del 94% en masa, de puzolana en proporción no menor del 6% ni mayor del 40% en masa y de otros de los componentes adicionales definidos en esta norma, en proporción comprendida entre el 0% y el 5% en masa. Este núcleo no incluye ni el regulador de fraguado, ni los eventuales aditivos.
Cementos portland, tipo IF: Son conglomerantes hidráulicos constituidos a base de: Clinker Portland en proporción no menor del 65% ni mayor del 94% en masa, filler o caliza en proporción no menor del 6% ni mayor del 20% en masa de otros de los componentes adicionales definidos en esta misma norma, en proporción comprendida entre el 0% y el 5% en masa. Este núcleo no incluye ni el regulador de fraguado, ni los eventuales aditivos.
Cementos portland con adición de escoria, tipo IS: Son los conglomerantes hidráulicos constituidos a base de: Clinker Portland en proporción no menor a 65% y no mayor a 94%, escoria en proporción no menor al 6% ni mayor al 35 % en masa y de otros componentes adicionales definidos en esta norma en proporción entre 0% y 5% en masa. Este núcleo no incluye ni el regulador de fraguado, ni los eventuales aditivos.
Cementos portland con adición de escoria, tipo IM: Son los conglomerantes hidráulicos constituidos a base de: Clinker Portland en proporción no menor a 65% y no mayor a 94% y la combinación entre escoria, filler, caliza, puzolana en proporción entre el 6% al 35 % en masa. Este núcleo no incluye ni el regulador de fraguado, ni los eventuales aditivos.
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3.4.1.2. Proceso de fabricación En general el cemento portland se fabrica a partir de materiales calcáreos tales como la caliza y materiales arcillosos con alto contenido de alúmina y sílice. Frecuentemente es necesario adicionar otros productos, como óxido de hierro, para mejorar la composición química de las materias primas principales. La proporción en la que debe mezclarse la caliza con arcilla depende de la composición de los materiales. Debido a que la cantidad de caliza es generalmente cuatro veces mayor a la arcilla, el primer paso a seguir, para seleccionar la localización de una fábrica de cemento, es estudiar los depósitos de caliza y luego proceder a encontrar las fuentes de arcilla cercanas. Existen diferentes tipos de caliza que varían en apariencia y dureza, pero prácticamente todas pueden utilizarse en la manufactura de cemento. El único caso en que no pueden ser empleadas, es cuando tienen cantidades grandes de magnesio, pues si el cemento contiene más de límite permitido, se presentaran cambios volumétricos en la pasta de cemento endurecida, que ocasionaran fisuras y desmejoras de las propiedades mecánicas. Las materias primas se deben moler finamente, mezclar minuciosamente en una cierta proporción y calcinar en un horno rotatorio a una temperatura de aproximadamente 1400 °C, allí el material se sintetiza y se funde parcialmente, formando el Clinker. Este se enfría y se tritura hasta obtener un polvo fino el cual es mezclado con yeso para obtener como producto final el cemento Portland. En algunos casos además de yeso se suman otros materiales con características especiales, formando así los cementos adicionados, de uso muy común en la construcción. (Asociación Colombiana de Productores de Concreto, 2010) El proceso de fabricación empleado en determinada planta productora de cemento varía de acuerdo con sus circunstancias particulares, la Figura 1 muestra un proceso detallado de la producción de cemento, pero en general todas realizan las etapas mostradas a continuación.
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Exploración de materias primas
Dosificación, molienda y homogeneización de materias primas.
Clinkerización
Enfriamiento
Molienda de Clinker, adiciones y yeso
Empaque y distribución
Figura 1. Esquema de producción de cemento. Extraída de revista cementos progreso.
3.4.1.2.1. Exploración de materias primas El procedimiento de exploración se hace de acuerdo a las normas y parámetros convencionales. Dependiendo de la dureza de los materiales se usan explosivos y trituración posterior, en otros casos el simple arrastre es suficiente. Una vez extraídos los materiales de las respectivas canteras, se lleva un proceso de trituración primaria para obtener tamaños máximos de 25 mm, Los materiales que no requieren de esta trituración se llevan a un lugar de almacenamiento.
3.4.1.2.2. Dosificación, molienda y homogeneización La asociación colombiana de productores de concreto (2010: 128) indica que este proceso se puede efectuar de las dos formas descritas a continuación.
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Proceso húmedo Las materias primas se llevan a los molinos, donde son mojados y se obtiene una lechada la cual se lleva a silos de almacenamiento, donde una vez combinadas sus características químicas se dosifican en proporciones de finidas y que se envían a un silo de la normalización. En este lugar se hacen las correcciones para obtener la pasta de la calidad deseada. Una vez normalizada se transporta a un tanque circular denominado balsa donde se almacena y se mantiene la homogeneidad.
Proceso seco Las materias primas se trituran, se dosifican en proporciones definidas y son llevadas al molino de crudo donde se secan y reducen su tamaño a pequeñas partículas, obteniéndose un material denominado harina, el cual se lleva a los silos de homogeneización y allí por medio de aire a presión se obtiene la mezcla de los materiales.
La utilización del procedimiento húmedo o seco depende de muchos factores físicos y económicos. Durante muchos años los procesos húmedos fueron la práctica más empleada a nivel mundial debido a que el mezclado y homogenización se realiza con mayor facilidad en una pasta. Sin embargo, los equipos disponibles hoy en día permiten obtener una buena homogenización de la harina. La ventaja del proceso seco es que por no tener agua que evaporar, requiere menor energía para calentar el material en el proceso de clinkerización.
3.4.1.2.3. Clinkerización Una vez obtenida la pasta en el proceso por vía húmeda y la harina en el proceso por vía seca se someten a un tratamiento térmico en grandes hornos rotatorios. El horno es un cilindro de acero de gran tamaño recubierto de material refractario para conservar mejor el calor. El diámetro generalmente es mayor a 4 m y las longitudes oscilan entre 60 y 150 m. Se construyen con una ligera inclinación para que el material fluya lentamente. En la zona de salida del material , se colocan los quemadores que producen la llama para calentar el horno, éstos trabajan con diferentes tipos de combustibles, inclusive hoy en día se queman en dichos hornos algunos productos de desechos como por ejemplo llantas de vehículos haciendo más económico el proceso y coadyuvando con el medio ambiente. (Asociación Colombiana de Productores de Concreto, 2010)
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Para una mejor comprensión la secuencia de cambios que ocurren dentro de las diferentes secciones del horno se esquematiza en la Tabla 6.
Tabla 6 Cambios que ocurren dentro del horno
Temperatura °C
Zona
Cambio que ocurre dentro del horno
20 - 100
A
Evaporación del agua libre
>a500
B
Deshidratación de los minerales arcillosos
800
C
Liberación de CO2
900
D
Cristalización de los productos minerales descompuestos
900 - 1200
E
Reacción del CaO con los Sílico - aluminatos
>a1250
F
Formación del líquido y de los compuestos del cemento
1450
G
Se completa la reacción
Nota: Extraída de asociación colombiana de productores de concreto (2010)
3.4.1.2.4. Enfriamiento El material transformado en Clinker que sale del horno en forma de bolas, las cuales tienen una dimensión que va de 3mm a 30 mm y con una temperatura entre 1200 °C y 1300 °C, debe ser enfriado rápidamente a 70 °C para garantizar que el cemento fabricado, después de fraguado, no presente cambio de volumen. Los diferentes tipos de enfriadores que existen en el mercado tienen en común hacer pasar corrientes de aire frío a través del Clinker.
3.4.1.2.5. Molienda de Clinker, adiciones y yeso Durante este proceso se transforma el Clinker en polvo y se agregan las adiciones por ejemplo, puzolanas naturales o artificiales, cenizas volantes o escoria de alto horno. Luego, se introduce el yeso y así se hace el cemento propiamente dicho. El yeso es indispensable para controlar el endurecimiento del cemento una vez entra en contacto con el agua, porque cuando su cantidad es muy baja el endurecimiento puede ocurrir de manera instantánea.
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3.4.1.2.6. Empaque y distribución El cemento resultante del molino se transporta en forma mecánica o neumática a silos de almacenamiento y posteriormente se empaca en bultos. También se puede descargar directamente en carros cisternas para su distribución a granel. La operación de empacado se hace en máquinas especiales que llenan los sacos.
3.4.1.2.7. Almacenamiento del cemento El tiempo durante el cual puede ser almacenado antes de utilizarse, depende principalmente del lugar y de las condiciones del clima. El cemento almacenado a granel en un silo en buenas condiciones puede durar en buen estado alrededor de tres meses, sin embargo, el cemento en sacos de papel triple puede perder cerca del 20% de la resistencia al cabo de 4 o 6 semanas. El cemento en sacos puede dañarse por el aire húmedo, así como también por la exposición directa con el agua o debido a un almacenamiento prolongado o en arrumes muy altos o en condiciones húmedas donde se puede presentar el fraguado por aire. Este ocurre cuando el vapor presente en el aire se va filtrando lentamente a través del papel y es absorbido por el cemento, causando una reacción parcial. Como regla general, el cemento grueso que no puede pulverizarse fácilmente entre los dedos, no debe utilizarse para concreto estructural. De cualquier manera, el cemento fraguado por aire que se considere utilizable, habrá perdido algo de resistencia y deberá incrementarse del 10 al20% la cantidad de cemento en la mezcla, para compensar esta pérdida. El almacenamiento del cemento a granel es preferible al del empacado en sacos, por ser el primero más barato y permitir que el cemento más viejo se gaste primero, además, no requiere personal para descargar y evita tanto el desperdicio por rotura de sacos como el fraguado por aire. (Asociación Colombiana de Productores de Concreto, 2010) 3.4.1.3. Componentes del cemento portland
La norma boliviana NB 011 define a los componentes que en la actualidad deben formar parte de un cemento Portland, dichos serán componentes serán mostrados en la Tabla 7, los cuales se pueden clasificar en principales y minoritarios adicionales.
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Tabla 7 Clasificación y composición de los cementos Proporción en masa, en %
Tipo de cemento
Componentes principales
Denominación Designación Tipo Clinker Puzolana
Cemento Portland
Filler Escoria
Componentes adicionales
Portland
I
95 a 100
-
-
-
0a5
Portland con. Puzolana
IP
60 a 90
60 a 40
-
-
0a5
Portland con filler calizo
IF
65 a 90
-
6 a 35
-
0a5
Portland con IS escoria
65 a 90
-
-
6 a 35
0a5
Portland mixto Cemento Puzolánico
IM
65 a 90
P
45 a 60
6 a 35 45 a 60
40 a 55
0a5 -
0a5
Nota: Extraída de norma boliviana NB 011.
3.4.1.3.1. Componentes principales
Clinker Portland La norma boliviana NB 011(2012: 2) indica que es un producto constituido en su mayor parte por silicatos de calcio, obtenido por la cocción hasta fusión parcial de una mescla convenientemente proporcionada y homogeneizada que contiene principalmente cal y sílice, con pequeñas proporciones de alúmina y óxido férrico.
Escoria granulada de alto horno Este producto se obtiene por enfriamiento rápido de una escoria fundida de composición adecuada, obtenida por la fusión del mineral de hierro en un alto horno y constituida al menos en dos tercios de su masa, por escoria vítrea y que posee propiedades hidráulicas cuando se activa de manera adecuada. Debe cumplir con el índice de actividad, de acuerdo a lo establecido en las normas ASTM. (Torre Castillo, 2004)
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Materiales puzolánicos
Materiales naturales o productos artificiales capaces de combinarse con la cal grasa, hidráulica o de hidrolisis de los cementos a la temperatura ambiente y en presencia de agua, para formar compuestos hidráulicos semejantes a los originados en la hidratación de los constituyentes del Clinker Portland. El material debe cumplir con el índice de actividad puzolánica del 75%, de acuerdo a lo establecido en la norma ASTM C 311. (Torre Castillo, 2004)
Caliza
La norma boliviana NB 011 afirma que la caliza es un componente calcáreo, que puede emplearse como adición y que debe tener un contenido de carbonato de calcio CaCO3 >= 75%.
3.4.1.3.2. Minoritarios adicionales La norma boliviana NB 011 (2012: 5) afirma que los siguientes productos son los componentes minoritarios adicionales a menos que sean componentes principales y da las siguientes definiciones.
Filler Material orgánico, natural o artificial, especialmente seleccionado, que mejora las propiedades del cemento como ser la trabajabilidad o retención de agua. Pueden ser inertes o poseer propiedades ligeramente hidráulicas o puzolánica.
Aditivos Productos que en pequeñas dosis – inferiores en todo caso al 1% en masa- se pueden utilizar eventualmente para facilitar el proceso de fabricación del cemento o para aportar al cemento o sus derivados- morteros y hormigones- algún comportamiento especifico. En ningún caso perjudican las propiedades y el comportamiento de los conglomerados frescos o endurecidos. Tampoco provocarán, acelerarán o facilitarán la corrosión de las armaduras.
Reguladores de fraguado Materiales naturales o productos artificiales que, añadidos a los clínkeres Portland y a los otros contribuyentes eventuales de los cementos, en proporciones adecuadas y molidos conjuntamente con ellos, proporcionan cementos de los establecidos en
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la tabla 1, que fraguan, de acuerdo con lo especificado en esta norma, al aplicarles el método de ensayo de la norma NB 063. El regulador de fraguado más usual es el sulfato cálcico en algunas de sus variedades como el yeso o en mezclas de ellas. El sulfato de cálcico en cualquiera de sus formas puede ser también un subproducto de determinados procesos industriales y ser utilizado como regulador de fraguado las impurezas que pudieran acompañar a este subproducto no deben afectar desfavorablemente en los procesos de fraguado y endurecimiento, ni a las propiedades y comportamiento de los conglomerados frescos o endurecidos.
3.4.1.4. Propiedades del cemento El estudio de las propiedades del cemento permite conocer algunos aspectos de su bondad como material cementante. Estas propiedades son de carácter químico, físico y mecánico, las cuales dependen del estado en el cual se encuentren.
3.4.1.4.1. Propiedades químicas El proceso de clinkerización del cemento involucra la transformación de las materias primas a productos más complejos, por medio de reacciones en estado sólido. Razón por la cual, la química del cemento frecuentemente emplea un modelo basado en abreviaturas para las formulas químicas de los óxidos más frecuentes, tal como se ilustra en la
Tabla 8. Tabla 8 Abreviaturas de los óxidos del cemento Formulación
Nomenclatura
Abreviatura
CaO
Oxido de calcio
C
SiO2
Dióxido de Sílice
S
Al2O3
Oxido de Aluminio
A
Fe2O3
Óxido de hierro
F
Nota: Tomada de asociación colombiana de productores de concreto
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Los cuatro compuestos principales del cemento se forman a partir de estos óxidos, son los que se enumeran en la Tabla 9. Estos compuestos se forman en el interior del horno cuando la temperatura alcanza el punto en que la mezcla cruda se transforma en un líquido pastoso, que al enfriarse da origen a sustancias cristalinas de los primeros compuestos citados, rodeados por un material intersticial que contiene C4AF y otros elementos secundarios. Estas composiciones, llamadas potenciales, no se presentan aisladas. Se puede hablar de que las contienen en una gran proporción junto con algunas impurezas, por lo cual no son verdaderos compuestos en el sentido químico, pero las proporciones calculadas de ellos revelan valiosa información, en cuanto a las propiedades del cemento. (Asociación Colombiana de Productores de Concreto, 2010)
Tabla 9 Compuestos principales del cemento
Nombre
Abreviatura
Silicato tricálcico
C3S
Silicato dicálcico
C2 S
Aluminato tricálcico
C3A
Ferroaluminato tetracálcico
C4Af
Nota: Tomada de asociación colombiana de productores de concreto.
De esta forma se dan origen a las fases: alita con alto contenido de C3S, la belita a base de C2S, la Celita rica en C 3A y la ferrito.
La Alita Es la fase principal de la mayoría de los clinkers Portland y de ella dependen en buena parte las características de desarrollo de resistencia mecánica, el C3S reacción rápidamente con el agua, endurece en corto tiempo y tiene alto calor de hidratación, de tal manera, que afecta el tiempo de fraguado y la resistencia inicial.
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La Belita Es usualmente la segunda fase en importancia del Clinker y su componente principal es el C2S, este reacciona lentamente con el agua, consecuentemente bajo calor de hidratación y una contribución al desarrollo de la resistencia a partir de siete días.
Celita Genera poca resistencia, pero es fundamental ya que reacciona con el agua responsable del fraguado, libera una gran cantidad de calor durante los primeros días de endurecimiento, en la primera semana se hidrata casi completamente contribuyendo ligeramente con la resistencia temprana. Su principal función es facilitar la reacción de la sílice con la cal. Los cementos con un bajo contenido de C3A son especialmente resistentes a los suelos y aguas que contengan sulfatos.
Felita Esta controla a la fase CELITA, regulando la temperatura de calcinación en el horno rotatorio, ayudando, por tanto, a la fabricación del cemento. Se hidrata con relativa rapidez, a los tres días casi en su totalidad, pero contribuye muy poco a la resistencia.
La Figura 2 muestra esquemáticamente la contribución de las faces anteriormente mencionadas.
Figura 2. Fases de resistencia del Clinker
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En general las porciones generales que intervienen deben cumplir con los parámetros de la Tabla 10 según las especificaciones de la norma NB 011.
Tabla 10 Especificaciones químicas para cementos Características químicas
Tipos de cemento
(según norma NB 061)
I
IP
IF
IS
IM
IP
Perdida por calcinación, en % máximo
5
7
20
-
-
8
Residuo insoluble, en % máximo
5
-
5
-
-
-
3,5
4
4
4
4
4
Oxido de magnesio MgO, en % máximo
6
6
6
6
6
6
Puzolanicidad para 8 días ó 15 días
-
-
-
-
-
+
Trióxido de azufre SO 3, en % máximo
Nota: Tomada de norma bolivina NB 011
3.4.1.4.2. Propiedades físicas y mecánicas Es interesante anotar que en general los cementos nacionales siguen los comportamientos típicos a largo plazo, que es factible esperar de cementos similares fabricados en el extranjero, sin embargo la experiencia en el uso de ellos a la variabilidad que se puede apreciar en las tablas nos permiten afirmar que las propiedades a corto plazo no siempre mantienen parámetros constantes, por lo que nunca debe confirmarse a priori en ellas sin efectuar pruebas de control, las Tablas 11,12,13,14 especifican los parámetros físicos y mecánicos que debe cumplir el cemento portland, según las norma NB 011.
Tabla 11 Especificaciones físicas para los cementos
Categorías
Fraguado según NB 063
Superficie específica Blaine, en cm2/g según norma NB 472
resistentes
Inicial, en min.
Final, en h.
Alta
> 45
<7
> 2800
Media y baja
> 45
<7
> 2600
Nota: Tomada de NB 011
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Tabla 12 Especificaciones físicas para los cementos Tipos
Expansión Autoclave, en % máximo según norma NB 471
Le Chatelier, en mm máximo según norma NB 643
I
1
8
IP, IF, P
1
8
Nota: Tomada de NB 011
Tabla 13 Categorías resistentes de los cementos según la norma NB 470 Categorías resistentes
Resistencia a la compresión, en MPa Mínimas a 30 días
Mínimas a 7 días
Mínimas a 28 días
alta
40
17
25
40
baja
30
10
17
30
media
25
-
15
25
Nota: Tomada de NB 011
Tabla 14 Categorías resistentes de los cementos según la norma NB 644 Categorías resistentes
Resistencia a la compresión, en MPa Mínimas a 30 días
Mínimas a 7 días
Mínimas a 28 días
alta
40
≥ 20
-
≥ 52.5
baja
30
≥ 10
-
≥ 42.5 y ≥ 62.5
media
25
-
≥ 16
≥ 32.5 y ≥ 52.5
Nota: Tomada de NB 011
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Fraguado y endurecido
El fraguado es la pérdida de plasticidad que sufre la pasta de cemento. La velocidad de fraguado viene limitado por las normas estableciendo un periodo de tiempo, a partir del amasado, dentro del cual debe producirse el principio y fin del fraguado. Las normas NB 063 y ASTM C191establecen un proceso que es controlado por medio del ensayo del aparato de Vicat mostrado en la Figura 3 , que mide el inicio y fin del fraguado en mediciones de penetraciones cada 15min, de la siguiente manera:
Inicio del Fraguado: Cuando la aguja no penetra más de 25 mm en la pasta. Se recomienda que una vez iniciado el fraguado el cemento ya debe estar totalmente colocado y no debe moverse de su lugar, ya que se originaran fisuras.
Fin del Fraguado: Cuando la aguja no deja marcas e la superficie de la pasta.
Figura 3. Aparato de Vicat tomado de NB 011
Como resultado del ensayo puede dibujarse un diagrama mostrando las mediciones en la escala graduada del aparato de Vicat, como se muestra en la Figura 4.
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Figura 4. Curva de fraguado de un cemento tomada de Asociación colombina de productores de concreto
Falso Fraguado o endurecimiento prematuro Se manifiesta por un endurecimiento rápido del hormigón poco después del mezclado. Si este es resultado de la deshidratación del yeso durante el proceso de molido, por lo general desaparecerá con un mezclado adicional. Si es resultado de la interacción cemento-aditivo, es posible que se requieran agua y mezclado adicionales para mitigar el problema.
Fraguado por compactación En ocasiones, en el manejo del cemento a granel, se encuentra que el cemento presenta cierta dificultad para fluir o que fluye mal. Este “fraguado por compactación”, no tiene efecto sobre las propiedades del cemento para producir el
hormigón. El problema suele ser la humedad, instalaciones de manejo inadecuadamente diseñadas o haber dejado que el cemento se asentara, por demasiado tiempo sin moverlo. El fraguado por compactación puede presentarse en donde, durante el tránsito, la vibración ha eliminado la mayor parte del aire que rodea las partículas de cemento, como en los vagones de ferrocarril. Se puede tener una situación semejante en los silos de almacenamiento. Por lo general, la aplicación de chorros de aire esponjará bastante el cemento como para permitir que fluya. El uso de sustancias para ayudar a la pulverización del cemento ha reducido de manera significativa los problemas de flujo. Los sistemas modernos de aireación, los vibradores adecuados para los depósitos y los depósitos y silos correctamente diseñados experimentan pocos problemas, en caso de haberlos. (Asociación Colombiana de Productores de Concreto, 2010)
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Superficie especifica del cemento Las partículas de cemento, debido a su pequeño tamaño, no pueden caracterizarse por medio de tamices; de este modo, se necesitan otros métodos para medir el tamaño de partícula. El método más común es el de permeabilidad al aire de Blaine la norma NB 472 nos describe el método, el cual depende del flujo de aire a través de un lecho de cemento preparado en la celda del aparato. El flujo de aire es función del tamaño y número de poros, lo cual es función del tamaño de partícula. Para determinar la superficie específica, se considera a las partículas como esferas. El área superficial se expresa en centímetros cuadrados sobre gramos de cemento. Los resultados dependerán de la temperatura a la que se haga el ensayo. (Torre Castillo, 2004)
Fineza Influye decisivamente en la velocidad de reacciones químicas que tienen lugar durante el fraguado y el principio de este. Al entrar en contacto con el agua, los granos de cemento solo se hidratan en una profundidad de 0,01 mm, por lo que si dichos granos fuesen muy gruesos, su rendimiento sería muy pequeño, al quedar en su interior un núcleo prácticamente inerte, como se ilustra en la Figura 5.
Figura 5. Hidratación de los granos de cemento en función a la finura
Si el cemento posee una finura excesiva, su retracción y calor de hidratación serán muy altos, se vuelve más susceptible a la meteorización y disminuye su resistencia a las aguas agresivas, lo que en general resulta muy perjudicial. La finura influye sobre las propiedades de ganancia de resistencia, en especial hasta un envejecimiento de 7 días. Por esta razón, el cemento del Tipo III se muele más fino que los otros tipos.
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La mayor parte de los cementos sobrepasan este mínimo en entre un 20 y un 40%. Una señal práctica de que las partículas son muy pequeñas, es cuando durante el almacenamiento y manejo, una cantidad muy pequeña de humedad pre-hidrata el cemento. Algunos usuarios especifican un mínimo de finura, en un esfuerzo por minimizar la contracción por secado del hormigón. (Asociación Colombiana de Productores de Concreto, 2010)
3.4.2. Áridos La norma boliviana NB 594 define árido como Material granular, generalmente inerte, resultante de la desintegración natural y desgaste de las rocas o que se obtiene mediante la trituración de ellas, de escorias siderúrgicas o de otros materiales suficientemente duros que permiten obtener partículas de forma y tamaño estables.
3.4.2.1. Clasificación de los agregados para hormigón Las clasificaciones de los agregados para hormigón son variadas, pero las que describiremos a continuación son de práctica usual en la tecnología del hormigón.
3.4.2.1.1. Clasificación según procedencia De acuerdo con el origen de los agregados, según su procedencia ya sea de fuentes naturales o a partir de productos industriales, se pueden clasificar de la siguiente manera.
Agregados Naturales Son los formados por los procesos geológicos naturales que han ocurrido en el planeta durante miles de años, y que son extraídos, seleccionados y procesados para optimizar su empleo en la producción de concreto.
Agregados Artificiales Son procedentes de la trituración por medios mecánicos de las rocas o gravas naturales. También se incluyen dentro de esta definición, algunos residuos de la industria y otros productos que por su naturaleza y tamaño, cumplan con los requisitos necesarios para el fin que destinan.
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3.4.2.1.2. Clasificación según su densidad Esta clasificación depende de la cantidad de masa por unidad de volumen y del volumen de los poros, ya sean agregados naturales o artificiales. Esta distinción es necesaria porque afecta la densidad del concreto ligero, normal o pesado, que se desea producir, como lo indica la Tabla 15.
Tabla 15 Clasificación de los agregados según su masa unitaria Tipo de concreto
MU
Ejemplos de agregados
ejemplos de utilización
Piedra pómez agregado ultraligero. Perlita agregado ultraligero.
Concreto para aislamiento. Rellenos y mampostería no estructural. Concreto estructural y no estructural. Concreto para proteger de radiaciones y contrapesos.
Ultraligero
Concreto 500 - 800
Agregado -
Ligero
950 - 1350
480 – 2000
Normal
2250 - 2450
2300 - 2800
Agregado de rio o triturado.
Pesado
3000 - 5600
2900 - 3500
Hematita, barita, coridón, magnetita.
Nota: Tomado de Rivera López (2010: 65) MU = Masa unitaria aproximada en kg/m 3
Ligeros Los agregados ligeros, como la arcilla esquistosa y la expandida, la escoria expandida, la Vermiculita, la Perlita, la Piedra Pómez y las Cenizas, se utilizan para producir hormigón aislante, para unidades de mampostería o estructural ligero que pesa entre 400 y 2000 kg/m3.
Normales Los materiales principales que se usan en el hormigón de peso normal, por lo común de 2300 a 2800 kg/m3, incluyen las arenas y gravas, roca triturada y escoria siderúrgica. Las rocas trituradas de uso más común son el Granito, Basalto, Arenisca, Piedra Caliza y Cuarcita.
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Pesados Los agregados pesados, como la Magnetita, la Barita o el Hierro de desecho, se usan para producir hormigón de 2900 a 3500 kg/m3, utilizado para blindaje contra la radiación y para contrapesos de hormigón.
3.4.2.1.3. Clasificación según su tamaño La forma más generalizada de clasificar los agregados es según su tamaño, el cual varía desde fracciones de milímetros hasta varios centímetros de sección, ésta distribución del tamaño de las partículas, es lo que se conoce con el nombre de granulometría.
Agregado fino La norma boliviana NB 594 indica que es un árido o fracción del mismo que al ser tamizado en el tamiz 5 mm pasa como mínimo el 95% y queda retenido en su totalidad en el tamiz 75 µm. El agregado fino utilizado en nuestro medio se denomina Arena, este resulta de la desintegración y abrasión naturales de la roca.
Agregado grueso La norma boliviana NB 594 indica que es un árido o fracción del mismo que al ser tamizado en el tamiz 5 mm queda retenido como un mínimo el 95%. El agregado grueso utilizado en nuestro medio es denominado Grava, que resulta de la desintegración y abrasión naturales de la roca o procede de la trituración de esta.
3.4.2.2. Funciones de los agregados en el concreto La asociación colombiana de productores de concreto (2010: 65) indica que cumple tres funciones principales las cuales serán descritas a continuación.
Proporcionar un relleno adecuado a la pasta, reduciendo el contenido de esta por unidad cúbica de volumen y, por lo tanto, reduciendo el costo de la unidad cubica de concreto.
Proporcionar una masa de partículas capaz de resistir las acciones mecánicas, de desgaste, o de intemperismo, que puedan actuar sobre el concreto.
Reducir los cambios de volumen resultantes de los procesos de fraguado y endurecimiento; de humedecimiento y secado; o de calentamiento de la pasta.
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3.4.2.3. Interrelación agregado - concreto Las propiedades del concreto resultan del empleo de un agregado determinado dependen de las siguientes características.
La composición mineral de las partículas del agregado, la cual influye fundamentalmente sobre la resistencia, durabilidad y elasticidad del concreto.
Las características superficiales de las partículas, las cuales influyen especialmente sobre la trabajabilidad, fluidez y consistencia del concreto; así como sobre la adherencia entre la pasta y el agregado.
La granulometría de los agregados fino y grueso, definida por sí misma, así como por la superficie específica, módulo de fineza y tamaño máximo nominal del agregado grueso. Estas propiedades influyen fundamentalmente sobre las propiedades del concreto al estado no endurecido, sobre su densidad y sobre la economía de la mezcla.
El volumen del agregado por unidad de volumen de concreto, el cual influye especialmente en los cambios de volumen debido a los procesos de humedecimiento y secado; a los procesos de calentamiento y enfriamiento; así como en el costo de la unidad cubica de concreto.
La porosidad y absorción del agregado, las cuales influyen sobre la relación agua cemento afectiva, así como sobre las propiedades del concreto al estado no endurecido.
3.4.2.4. Criterios para la elección de los agregados Peredo romero (2000: 92) indica que las propiedades de los agregados empleados en la elaboración de concreto afectan las características mecánicas de este, es importante seleccionarlos cuidadosamente, teniendo en cuenta el carácter del trabajo, las condiciones climáticas, los factores que afectan la durabilidad y la economía
Carácter de trabajo Las condiciones que deben cumplir los agregados para presas de concreto, son diferentes a las que se usan para pavimentos en este material. En las presas, las propiedades importantes del agregado son las que tienen efecto en el contenido de agua de la mezcla y las propiedades térmicas del concreto resultante. 40
En pavimentos, la resistencia a la flexión es lo más importante por lo cual la forma de las partículas toma mayor significado. La eficiencia de los sistemas de colocación depende también de las propiedades de los agregados.
Condiciones climáticas Especial atención se le debe prestar a la mineralogía y solidez de los agregados usados en concreto colocado en medios ambientes agresivos, con el objeto de prevenir problemas de rompimiento o deterioración.
Factores que afectan la durabilidad En condiciones de abrasión y erosión severas, son los agregados los que proporcionan la resistencia y no la matriz de cemento, por lo cual en estructuras hidráulicas o de drenaje, las características más importantes de ellos son la dureza, forma de partículas y granulometría.
Economía Los factores económicos que se deben considerar en la selección de los agregados son los siguientes. Efecto del costo del agregado sobre el precio del concreto basado en la calidad del agregado. Efecto del agregado sobre los costos de construcción asociado con la facilidad y velocidad de colocación. Costo de juntas u otras medidas de diseño necesarias basadas en las propiedades del agregado y el concreto. Costo de mantenimiento y reparaciones de acuerdo con la velocidad en que un concreto con diferentes agregados se deteriora en un determinado medio ambiente.
3.4.2.5. Búsqueda y exploración Al considerarse los agregados como elementos fundamentales, es necesario analizar las propiedades físicas y ventajas ve ntajas que podrían brindar en la elaboración de hormigones, de acuerdo al banco de provisión del cual son extraídos.
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La exploración o búsqueda del material adecuado para usarse como agregado del hormigón puede tomar una o varias rutas, dependiendo de la cantidad de material necesario, la ubicación y del conocimiento ya adquirido o de la facilidad con la que puede procurarse. Después de que se localiza una fuente potencial de agregado para hormigón, es necesario determinar si están presentes la calidad y tamaño deseados de agregados, o si estas características se pueden conseguir, de modo que se pueda calificar la operación como económicamente factible.
3.4.2.6. Toma de muestras y recepción de los agregados Los ensayos para determinar las propiedades de un lote recibido o en existencia de agregado, se practican sobre pequeñas muestras, que deben ser representativas de la totalidad de los agregados, razón por la cual se tienen que tomar precauciones que permitan afirmar, con cierto grado de confianza, que las propiedades de la pequeña muestra son las que presenta el resto de los agregados. El muestreo se define como la operación de remoción de una parte, conveniente en tamaño para el ensayo, ens ayo, de un todo que es de un volumen mucho más grande, de forma tal que qu e la proporción y distribución de las calidades a ser ensayadas son las mismas en la parte removida y el volumen total. La norma NB 595 y ASTM D75 expone algunas técnicas para el muestreo que son efectivas para asegurar que las muestras de ensayo de agregados sean representativas del suministro de volumen del cual son obtenidas. Ya que las condiciones de almacenamiento del agregado y los medios por los cuales se pueden obtener las muestras varían, se presentan varias formas para par a muestreo. De igual importancia para obtener muestras no sesgadas, representativas, es asegurar que el manejo y envío de las muestras se lleve a cabo de manera que no ocurra la contaminación o degradación de las calidades del material y que la identificación de las muestras se mantenga todo el tiempo.
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En ocasiones, se vuelve necesario muestrear materiales para agregados en condiciones no cubiertas por la norma NB 595 y ASTM D75. Cuando se encuentran estas condiciones, todas las partes incluyendo el productor deben reunirse y acordar el plan de muestreo a ser empleado. En cualquier caso, es importante que el técnico tenga siempre presente que la muestra debe ser representativa y tome algunas precauciones para que los resultados de los ensayos tengan un alto grado de confianza. La muestra principal está compuesta por varias porciones, tomadas de diferentes partes de toda la muestra que se desea analizar. El número mínimo de estas partes son llamadas incrementos, y su masa combinada no debe ser menor que las cantidades de la Tabla 16, para partículas de diferentes tamaños. No obstante, si la muestra es variable o está segregada, se deberán tomar más incrementos y, por consiguiente, la muestra será mayor.
Tabla 16 Tamaño de las muestras Tamaño Máximo Nominal de agregados 2.36 mm
Masa mínima aproximada de muestras de campo, kg Agregado fino 10
4.75 mm
10
Agregado grueso 9.5 mm
10
12.5 mm
15
19.0 mm
25
25.0 mm
50
37.5 mm
75
50 mm
100
63 mm
125
75 mm
150
90 mm
175
Nota: tomada de la norma ASTM D75
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3.4.2.7. Formación de la muestra para el laboratorio Como se puede apreciar en la Tabla 16, la muestra principal puede ser bastante grande, especialmente cuando es necesario conocer las propiedades del agregado grueso, de modo que es necesario reducirla antes del ensayo. En todas las etapas de reducción es preciso retener el carácter representativo de la muestra, con el objeto de que la ensayada, tenga las mismas propiedades de la principal y, en consecuencia, las del agregado general. La norma ASTM C702 propone tres métodos para de reducir el tamaño de la muestra, partición por mitades, partición por cuartos y cuarteo de pequeñas muestras.
3.4.2.8. Propiedades de los agregados Para su interacción con el hormigón, los áridos deben cumplir ciertas condiciones, en cuanto a sus propiedades mecánicas, físicas y químicas.
3.4.2.8.1. Propiedades físicas En general, las características físicas más importantes de los agregados son las que están referidas a su peso unitario, peso específico, contenido de humedad, porosidad y la distribución volumétrica de las partículas, que se suele denominar granulometría. Asociadas a estas características, se encuentran una serie de ensayos de laboratorio estandarizados que miden estas propiedades para compararlas con valores de referencia, establecidos por las normas o para emplearlos en el diseño de mesclas del hormigón. En los numerales siguientes serán abordados con mayor profundidad cuando se estudien las principales características físicas, tanto del agregado fino como del grueso.
3.4.2.8.1.1. Granulometría Es la composición, en porcentaje de los diversos tamaños de agregado en una muestra. Esta proporción se suele indicar de mayor a menor tamaño, por una cifra que representa, en peso el porcentaje parcial de cada tamaño que pasó o quedó retenido en los diferentes tamices que se usan obligatoriamente para tal medición. La variación del tamaño de partículas se enseña en la Figura 6. El tamaño de la partícula del agregado se determina por medio de tamices de malla de alambre con aberturas cuadradas. Los siete tamices normalizados para el agregado fino tienen aberturas que varían de 150 mm a 9.5 mm, mientras que el agregado grueso se ensaya con 13 tamices estándar, con aberturas que varían de 1.18 mm a 100 mm según la ASTM C 33.
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Figura 6 . Varios tamaños de partículas que se encuentran en los agregados para uso en concreto.
Los números de tamaño de los agregados gruesos se aplican a las cantidades de agregado, en porcentaje que pasa a través de un conjunto de tamices. En la construcción de autopistas, la ASTM D 448 lista los mismos 13 números de tamaño de tamices de la ASTM C 33 más seis números adicionales de agregados gruesos. El agregado fino o la arena tiene solamente un rango de tamaño de partículas para la construcción en general y para la construcción de carreteras. Hay muchas razones para que se especifiquen los límites granulométricos y el tamaño máximo nominal de los agregados, pues afectan las proporciones relativas de los agregados, bien como la demanda de agua y de cemento, trabajabilidad, bombeabilidad, economía, porosidad, contracción y durabilidad del concreto. Las variaciones en la granulometría pueden afectar seriamente la uniformidad del concreto de una amasada a otra. Las arenas muy finas son normalmente antieconómicas, mientras que arenas y gravas gruesas pueden producir mezclas sin trabajabilidad.
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En general para obtener un buen hormigón, es necesario que la mezcla del agregado fino y grueso logren una granulometría que proporcione masa unitaria máxima, puesto que con esta condición el volumen de los espacios entre partículas es mínimo y por consiguiente la cantidad de pasta necesaria para pegarlas y para llenar los espacios entre ellas será mínimo, lo cual dará lugar a una mezcla de mejores condiciones técnicas y, además, económica.
Curva granulométrica Es una representación gráfica de los resultados obtenidos en el análisis granulométrico representando generalmente sobre el eje de las ordenadas el porcentaje que pasa y en las abscisas la abertura de los tamices, generando puntos que son interceptados por una línea quebrada denominada curva granulométrica, siendo esta un medio identificativo del material y de su composición.
En la figura 7 se representa, a manera de ejemplo, los límites granulométricos para agregado fino indicados por la norma ASTM C33.
Figura 7. Curva granulométrica especifica los límites especificados
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3.4.2.8.1.2. Módulo de Finura El módulo de finura es un factor empírico que permite estimar que tan fino o grueso es un material, de acuerdo con la ASTM C125 para agregados gruesos y finos se calcula sumando los porcentajes acumulados de la masa retenida en cada uno de los tamices de la serie especificada y dividiéndose esta suma por 100%. El módulo de finura se puede calcular a cualquier material, sin embargo, se recomienda determinar el módulo de finura al agregado fino y según su valor, este agregado se puede clasificar tal como se presenta en la Tabla 17.
Tabla 17 Clasificación del agregado fino según el módulo de finura Módulo de finura
Agregado fino
Menor que 2.00
Muy fino o extra fino
2.00 – 2.30
Fino
2.30 – 2.60
Ligeramente fino
2.60 – 2.90
Mediano
2.90 – 3.20
Grueso
3.20 – 3.50
Muy grueso o extra grueso
Mayor que 3.50 Nota: tomada de Rivera
3.4.2.8.1.3. Tamaño máximo nominal La norma boliviana NB 594 indica que es aquel árido de tamaño equivalente al orificio del tamiz que deja pasar como mínimo un 95% del material en análisis. El estudio del tamaño máximo nominal de los agregados y su influencia en las propiedades del concreto han sido ampliamente investigados, para obtener una óptima resistencia a la compresión de los concretos con baja relación agua / cemento diversos investigadores han concluido que el tamaño máximo a utilizarse debe variar entre ½” a ¾” , no es recomendable usar tamaños mayores a 1”, se ha encontrado que la adherencia de partículas de agregados de 3” es solamente cerca de 1/10 de la de los agregados de ½”.
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Los agregados con tamaño menor contribuyen a producir concretos más resistentes debido a una menor concentración de esfuerzos alrededor de las partículas causados por la diferencia de módulos de elasticidad entre la pasta y el agregado. Respecto al efecto en la trabajabilidad sabemos que mientras más grande sea la partícula del agregado, menor será el área superficial que se debe humedecer. De tal forma que, si se aumenta la granulometría del agregado a un tamaño mayor, se disminuirán los requisitos de agua de mezclado; o sea que, para obtener la trabajabilidad y riqueza que se indican en las especificaciones, se puede disminuir la relación agua/cemento, con el consecuente aumento de resistencia, este aumento se compensa con los efectos nocivos de una menor área de adherencia. (Giraldo Bolívar, 2003) La norma boliviana NB 1225001-1(2017: 44) indica que el tamaño máximo de agregado grueso que se puede utilizar no puede exceder lo establecido a continuación.
1/5 de la menor separación entre los lados del encofrado.
1/3 de la altura de la losa.
3/4 del espaciamiento mínimo libre entre las barras o alambres individuales de la armadura, paquetes de barras, cables individuales, paquetes de cables o ductos.
3.4.2.8.1.4. Forma La forma del agregado depende mucho del tipo de roca que lo originó, que para ciertas piedras resulta determinante el sistema de clivaje, las posibles instrucciones en la roca y su estado de meteorización. Las arenas, por su propio origen geológico, suelen ser de forma redondeada, pero cabe recordar que es posible obtenerlas mediante trituración, y en este caso la forma también va a depender de modo importante del sistema o maquinaria que se use para la fragmentación de la roca original en la producción de arena. La forma del agregado influye directa o indirectamente en el comportamiento del concreto, ya que se relaciona con la trabajabilidad, resistencia y otras propiedades descritas en los acápites hormigón fresco y endurecido.
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En todo caso, en agregados gruesos las formas perjudiciales son las muy alargadas y/o escamosas. Individualmente, ese tipo de granos puede definir, un punto o una zona de debilidad dentro de la masa de hormigón, en su comportamiento ante esfuerzos mecánicos. Colectivamente, un ligero exceso de granos de estas formas puede afectar la trabajabilidad. En los agregados para hormigón, el contenido de las partículas planas o de las alargadas debe ser mínimo, puesto que esta clase es perjudicial para el buen comportamiento del concreto. La norma ASTM C33 especifica que este contenido no debe ser superior al 50% de la masa total del agregado sobre la base de las siguientes definiciones:
Partícula larga: aquella cuya relación entre longitud y ancho es mayor de 1.5. (L / b) > 1.5
(1)
Donde: L = Longitud de la partícula b = Ancho de la partícula
Partícula plana: aquella cuya relación entre espesor y ancho es menor de 0.5. (d / b) < 0.5
(2)
Donde: d = Espesor de la partícula b = Ancho de la partícula La clasificación más utilizada para definir la forma de la partícula del agregado, es descrita en la norma británica B.S.812, como se indica en la Tabla 18.
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Tabla 18 Clasificación de las partículas según su forma Clasificación
Descripción
Redondeada
Totalmente desgastada por el agua o completamente limitada por frotamiento
Irregular
Irregular natural o parcialmente limitada por frotamiento y con caras redondeadas
Angular
Posee caras bien definidas, que se forman en la intersección de caras más o menos planas
Escamosa
Material en el cual el espesor es pequeño en relación con otras dimensiones
Alargada
Material normalmente angular, en el cual la longitud es considerablemente mayor que las otras dos dimensiones
Escamosa y alargada
Material cuya longitud es considerablemente mayor que el ancho y este es considerablemente mayor que el espesor
Nota: tomada de Asociación colombiana de productores de concreto (2010).
3.4.2.8.1.5. Textura Reviste especial importancia por su influencia en la aderencia entre los agregados y la pasta de cemento fraguado, así como también, por su efecto sobre las propiedades del hormigon endurecido, tales como, densidad, resistencia a la compresion y a la flexión, cantidad requerida de agua, etc. En términos generales, se puede decir que la textura superficial es áspera en piedras obtenidas por trituracion y lisa en los cantos rodados de río, quebrada o mar. La clasificasion más utílizada está dada por la norma britanica BS-812, que se puede apreciar en la Tabla 19 , la cual divide las superfisies en terminos de si es pulida, mate, suave o áspera, ligado a la dureza, tamaño, forma y estructura de la roca original. Es deseable que las partículas tengan superficie áspera para que haya biena adherencia con las pasta de cemento, especialmente en los concretos con resistencia superior a los 28 Mpa, a 28 dias de edad. Sin embargo, haciendo los ajustes necesarios en el diseño de la mezcla, con otros tipos de textura en los agregados también se puede producir un bueno hormigón.
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Tabla 19 Clasificacíon de la textura superficial de los agregados Grupo
Textura superficial
Caracteristicas
1
Vitrea
Fractura coloidal
2
Lisa
Desgastada por el agua
3
Granular
Fractura que muestra grános más o menos uniformemente redondeados
4
Áspera
Fractura aspera de roca con granos finos o medianos que contienen particulas cristalinas no facilmente visibles
5
Cristalina
Contiene partículas cristalinas fásilmente visibles
6
Apanalada
Con poros o cabidades visibles
Nota: tomada de Asociación colombiana de productores de concreto (2010).
3.4.2.8.1.6. Peso unitario El peso unitario o peso aparente del agregado, es el peso que alcanza un determinado volumen unitario, el cual se expresa en Kg/m3 El peso unitario de pende de ciertas condiciones intrínsecas de los agregados, tal como su forma, humedad; también depende de factores externos como el grado de compactación impuesto, el tamaño máximo del agregado en relación con el volumen del recipiente, la forma de consolidación, etc.
PU=
Pc+m - Pc Vc
(3)
Donde: PU = Peso Unitario del agregado Pc = Peso del cilindro vacío Vc = Volumen del cilindro vacío Pc+m = Peso del cilindro más muestra En el momento de realizar el ensayo se debe definir si la determinación corresponde al agregado suelto o compactado.
51
Peso unitario suelto. Es el peso unitario que se obtiene al llenar el recipiente en una sola capa sin ninguna presión.
Peso unitario compactado Es el peso unitario que se obtiene cuando se ejerce presión al llenar el recipiente en tres capas.
3.4.2.8.1.7. Peso específico Es el cociente de dividir el peso de las partículas entre el volumen de las mismas sin considerar vacíos entre ellas. Las normas ASTM C-127 y C-128, establecen el procedimiento estandarizado para su determinación en laboratorio, distinguiéndose tres maneras de expresarlo en función de las condiciones de saturación. El peso específico, es la relación entre el peso del material y su volumen, su diferencia con el peso unitario está en que este no toma en cuenta el volumen que ocupan los vacíos del material. Es necesario tener este valor para realizar la dosificación de la mescla y también para verificar que el agregado corresponda al material de peso normal. (Peredo Romero, 2000) A continuación, se darán a conocer algunas definiciones sobre las expresiones del peso específico en función a su condición de saturación.
Peso específico de masa, base muestra seca = PEseco Es la relación entre el peso de la masa del agregado y el volumen total incluyendo los poros permeables e impermeables, naturales del material. PEseco =
Ps ( Psss -Psum )
(5)
Peso específico de masa superficialmente seca = PESSS Es la relación entre el peso de la masa del agregado saturado superficialmente seco y el volumen del mismo. PEsss =
Psss ( Psss -Psum )
(6)
52
Peso específico Aparente = PEap Es la relación entre el peso de la masa del agregado y el volumen impermeable de la masa del mismo. PEap =
Ps ( Ps-Psum )
(7)
Donde: Ps = Peso de la muestra secada en el horno Psum = Peso de la muestra sumergida Psss = Peso de la muestra saturada con superficie seca PEsss = Peso específico masa superficialmente seca PEseco = Peso específico masa, base muestra seca PEap = Peso específico aparente
3.4.2.8.1.8. Humedad Es la cantidad de agua superficial que tienen en un momento determinado las partículas de agregado, esta es una característica importante pues contribuye a incrementar el agua de mezcla en el concreto, razón por la que se debe tomar en cuenta conjuntamente con la absorción para que se cumplan la hipótesis asumida. La humedad se expresa de la siguiente manera según la ASTM C-566. H% =
Ph -Pss Pss
*100
(8)
Donde: Ph = Peso del suelo húmedo Pss = Peso del suelo seco H% = Porcentaje de humedad
53
Las condiciones de humedad de los agregados se presentan en la Figura 8 y se las puede definir como:
Secado al horno: Totalmente absorbente
Secado al aire: La superficie de las partículas está seca, pero su interior contiene humedad y, por lo tanto, aún es ligeramente absorbente
Saturado con superficie seca: No absorben ni ceden agua al concreto
Húmedos: Contiene un exceso de humedad sobre la superficie
Figura 8. Condiciones de humedad de los agregados
La cantidad de agua que se adiciona en la planta de concreto se debe ajustar para las condiciones de humedad de los agregados, a fin de que se atienda a la demanda de agua del diseño de la mezcla de manera precisa. Si el contenido de agua del hormigón no se mantiene constante, la relación agua-cemento variará de una amasada a la otra, resultando en la variación de otras propiedades, tales como la resistencia a compresión y la trabajabilidad. (Peredo Romero, 2000)
3.4.2.8.1.9. Porcentaje de vacíos Peredo Romero (2000:43) indica que es la medida del volumen expresado en porcentaje de los espacios entre las partículas de agregados. Depende también del acomodo entre partículas, por lo tanto, que su valor es relativo como en el caso del peso unitario. La norma ASTM C-29 establece la fórmula para calcularlo, empleando los valores de peso específico y peso unitario estándar.
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V% = [SB x Da − u Da]x 100
(9)
Dónde: V% = Porcentaje de vacíos SB = Peso específico de masa Da = Densidad del agua Pu = Peso unitario compactado seco
3.4.2.8.1.10. Absorción Es la capacidad de los agregados de llenar con agua los vacíos internos en las partículas. El fenómeno se produce por capilaridad, no llegándose a llenar absolutamente los poros indicados pues siempre queda aire atrapado. El porcentaje de absorción tiene mucha importancia, pues se refleja en le concreto reduciendo el agua de mezcla, con influencia en las propiedades resistentes y en la trabajabilidad, por lo que es necesario tenerlas siempre en cuenta para hacer las correcciones necesarias. (Peredo Romero, 2000) Las normas ASTM C-127 y 128 establecen la metodología para su determinación expresada en la siguiente formula:
Ab% =
Psss -Ps Ps
*100
(10)
Donde: Ps = Peso de la muestra secada en el horno Psss = Peso de la muestra saturada con superficie seca Ab% = Porcentaje de absorción
3.4.2.8.1.11. Porosidad Es el espacio dentro de las partículas de agregado, el cual tiene gran influencia en todas las demás propiedades de los agregados, pues es representativa de la estructura interna de las partículas.
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No hay un método estándar en la ASTM para evaluarla, sin embargo, existen varias formas de determinación por lo general complejas y cuya validez es relativa. Una manera indirecta de estimarla es mediante la determinación de la absorción, que da una orden de magnitud de la porosidad normalmente un 10 % menor que la real, ya que nunca llegaran a saturarse completamente todos los poros de las partículas. Los valores usuales en agregados normales pueden oscilar entre 0 y 15% aunque por lo general el rango común es del 1 al 5%.
3.4.2.8.2. Propiedades mecánicas
Dureza
Propiedad que depende de la constitución mineralógica de la estructura y la procedencia del agregado. En la elaboración de concreto sometidos a elevadas tasas de desgaste por rose o abrasión. La dureza generalmente se determina indirectamente, por medio de un ensayo denominado desgaste en la máquina de los ángeles.
Resistencia
El agregado grueso, en mayor medida que el fino, va a resultar relacionado con el comportamiento de la resistencia del concreto, por su aporte en tamaños de grano dentro de la masa de la mescla. En tal sentido, una de las posibilidades de ruptura de la masa es por el medio del agregado grueso. De esta manera, la resistencia de los agregados cobra importancia y se debe buscar que este nunca falle antes que la pasta de cemento endurezca. Por tal motivo, se han desarrollado ensayos de resistencia a la trituración sobre muestra de rocas y valores de trituración de los agregados a granel, los cuales dan una idea acerca del comportamiento de los agregados en el concreto.
Tenacidad
La tenacidad o resistencia a la falla por impacto es una propiedad que depende de la roca de origen y se debe tener en cuenta ya que tiene mucho que ver con el manejo de los agregados, porque si estos son débiles antes las cargas de impacto, se puede alterar su granulometría y también disminuir la calidad del concreto que con ellos se él se elabore.
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Adherencia
Se conoce con el nombre de adherencia la interacción que existe en la zona de contacto agregado-pasta, la cual es producida por fuerza de origen físico-químico. Entre más adherencia se logre entre la pasta de cemento endurecido y los agregados, mayor será la resistencia del concreto. La adherencia depende de la calidad de la pasta de cemento y, en gran medida, del tamaño y forma, rigidez y textura de las partículas de los agregados.
3.4.2.8.3.
Propiedades químicas
Los agregados pueden tener las siguientes reacciones químicas en la masa de concreto, las varían de acuerdo a los componentes geológicos o mineralógicos que contengan.
Epitaxia
La única reacción química favorable de los agregados, conocida hasta el momento, es la llamada epitaxia. La cual da mejor adherencia entre ciertos agregados calizos y la pasta de cemento, a medida que transcurre el tiempo.
Reacción álcali-agregado
La sílice activa, presente en algunos agregados, reacciona con los álcalis del cemento produciendo expansiones, destrucción de la masa y pérdida de características resistentes. Las rocas que por lo general la contienen son las silíceas, como el pedernal, calizas, dolomitas y las volcánicas ácidas e intermedias, como las rolitas, latitas, dacitas, andesitas. Para detectar la presencia de sílice activo en los agregados, es necesario efectuar ensayos de reactividad potencial por el método químico descrito en la norma ASTM C289, el ensayo de expansión del mortero por el método de barras descrita en la norma ASTM C227 o por la de reactividad potencial a los álcalis que se describe en la norma ASTM C586, las cuales deben ir acompañadas de un detallado análisis petrográfico de acuerdo a la norma ASTM C295.
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3.4.2.9. Sustancias perjudiciales Las sustancias perjudiciales que pueden estar presentes en los agregados son la arcilla, partículas orgánicas, partículas deleznables, sales solubles y otras sustancias que pueden estar presentes en pequeñas porciones. El contenido de estos materiales varía de acuerdo a las características geológicas de la zona de extracción.
Contenido de arcilla
La presencia excesiva de tamaños muy pequeños en la grava y en la arena puede afectar el comportamiento deseado de la mezcla de concreto, perjudicando el fraguado y la adquisición de resistencia mecánica de este. En el caso de apariencia de finos en las gravas, es posible que estos pasen a engrosar parte de la granulometría de la arena, ya que sus granos quedan comprendidos en esos tamaños. Desde luego, la presencia excesiva de finos puede plantear la mayor avidez de agua y con ella, crear una pasta fina que envuelva los granos de agregado y dañe sus condiciones de adherencia. Esta misma avidez de agua puede llegar a afectar las condiciones de trabajabilidad.
Partículas orgánicas
En algunos casos se puede encontrar presencia de altos contenidos de materia orgánica en los agregados. Las menos perjudiciales son las de tipo visible, tales como ramas o raíces, ya que pueden ser fácilmente detectadas y removidas. El peligro lo significa en mayor proporción la materia orgánica no visible que se impregna o adhiere a los granos de agregado. La presencia de elevadas cantidades de ese tipo de sustancias puede interferir con las reacciones químicas de la hidratación del cemento, así como también puede resultar en un concreto de menor resistencia y puede afectar la velocidad de reacción del cemento, ocasionando retrasos considerables en su tiempo normal de fraguado, Los agregados expuestos al peligro de arrastrar este tipo nocivo de sustancias pueden provenir de áreas ganaderas, o de cierta clase de cultivos, o bien donde se produzca concentración de ácido tánico o húmico, derivado de la abundancia de follaje.
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Partículas deleznables
El agregado grueso no debe contener terrones de arcilla u otros granos o grumos de material deleznable, tales como partículas blandas, madera, carbón, lignito o mica, los cuales se confunden con el agregado grueso por su forma. En la masa de concreto, los materiales deleznables significan puntos débiles que disminuyen las propiedades mecánicas del concreto o su durabilidad, en el caso de estar expuestos a la abrasión. La norma ASTM C33 establecen los límites del contenido de partículas deleznables determinadas según la norma ASTM C42.
Sales solubles
Algunos agregados pueden estar contaminados con un elevado contenido de sulfatos o de cloruros, adheridos a su superficie, por lo cual la arena resulta el agregado de mayor peligro, dada su elevada medida de superficie específica. Estas circunstancias no pueden ser detectadas por la vista ni por el gusto, pues muy pequeñas cantidades ya son suficientes para significar un peligro para el concreto. Los sulfatos atacan al cemento produciendo reacciones expansivas que agrietan y desmoronan su masa. Los cloruros corroen el acero del concreto reforzado, perdiendo sus condiciones resistentes, aumenta el volumen y agrieta las secciones de concreto. Si el ataque corrosivo de los cloruros se produce en un medio ambiente agresivo, las primeras grietas se abren camino al posterior ataque de las soluciones presentes en el ambiente, y el ciclo destructivo se hace de tipo acelerado. Los agregados que pueden arrastrar este tipo de sustancias agresivas, suelen provenir de zonas cercanas a descargas de afluentes industriales, o de lugares relacionados con el mas tanto del dragado del fondo marino, como de las playas, en zonas donde en alguna época llegó el mar y dejó restos de su salinidad.
3.4.2.10. Transporte y almacenamiento Los agregados deben manejarse y almacenarse de manera que sea mínima la segregación, evitándose de esta manera la contaminación con sustancias perjudiciales. Los montones de los almacenamientos deben formarse por capas de espesor uniforme y no ser muy altos porque se produce segregación; cuando se deja caer material de bandas
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transportadoras o cucharones el viento puede llevarse las partículas más finas lo que debe evitarse en lo posible. Cuando el material se almacena en silos estos deberán ser circulares o casi cuadrados, sus fondos deberán tener una inclinación no menor de 50 grados con la horizontal de todos los lados hacia la salida central. Al cargar los silos los materiales deben caer verticalmente sobre la salida, si el material cae sobre los costados formando ángulo puede producirse segregación. Para evitar la segregación y variaciones en la granulometría se deben almacenar por separado los agregados de acuerdo con su tamaño, así por ejemplo: agregado de tamaño máximo 1 ½" en una parte, agregado de tamaño máximo 1" en otra y la arena en otra; si se tienen diferentes arenas también se deben separar.
3.4.3. Agua para hormigones El agua es un elemento esencial dentro del hormigón, por lo que necesita un cuidado especial debido al papel que desempeña, como agua de mezcla y principalmente como agua de curado.
3.4.3.1. Agua de mezcla
El agua de mezcla en el concreto tiene tres funciones principales:
Reaccionar con el cemento para hidratado
Actuar como lubricante para contribuir a la trabajabilidad del conjunto y
Procurar la estructura de vacíos necesaria en la pasta para que los productos de hidratación tengan espacio para desarrollarse.
Por lo tanto, la cantidad de agua que interviene en la mezcla de concreto es normalmente por razones de trabajabilidad, mayor que la necesaria para la hidratación del cemento. El problema principal del agua de mezcla reside en las impurezas y la cantidad de estas, que ocasionan reacciones químicas que alteran el comportamiento normal de la pasta de cemento.
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Una regla empírica que sirve para estimar si determinada agua sirve o no para emplearse en la producción de concreto, consiste en establecer su habilidad para el consumo humano, ya que si no daña al hombre no daña al concreto. En muchos casos esta regla empírica no suele ser muy efectiva debido a que muchas aguas no cumplen con los parámetros de potabilidad, pero pueden ser utilizadas para hormigón. 3.4.3.2. Agua de curado Esta es muy importante durante la etapa del fraguado, su objetivo es evitar la desecación, aumentar la hidratación del cemento y evitar la retracción prematura.
En general, los mismos requisitos que se exigen para el agua de mezcla deben ser cumplidos por las aguas de curado, y por otro lado en las obras es usual emplear la misma fuente de suministro de agua tanto para la preparación como para el curado del concreto. 3.4.3.3. Calidad del agua En general se puede usar para mezclado y curado del hormigón, sin necesidad de realizar análisis, agua clara que no tenga sabor ni olor notorio, con excepción, casi exclusivamente, a las aguas de alta montaña ya que su gran pureza les confiere carácter agresivo para el hormigón. El agua de ciénagas o de lagos estancados puede contener ácido tánico, el cual puede causar retardo en el fraguado y desarrollo de la resistencia. No obstante, algunas aguas visiblemente insalubres pueden también ser utilizadas, previo análisis de estas: aguas bombeadas de minas, algunas de residuos industriales, aguas pantanosas, etc. (Asociación Colombiana de Productores de Concreto, 2010) En la tabla 20 se puede apreciar los requisitos exigidos por la norma boliviana NB 637.
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Tabla 20 Requisitos precisos para calidad de agua Requisitos
Limites
Método de ensayo
≥5
NB 518-85
Substancias disueltas
≤ 15 g/L
NB 587-91
Sulfatos expresados en ión, sulfato SO 4
≤ 1 g/L
NB 523-85
Cloruros expresados en ión, cloruro Cl
≤ 6 g/L
NB 520-85
0
NB 588-91
≤ 15 g/L
NB 638-94
Exponente de hidrogeno pH
Hidratos de carbono Solubles en éter
ota: tomada de Asociación colombiana de productores de concreto (2010).
3.4.3.4. Efecto de las impurezas en el agua de mezcla Cuando el agua para una obra proviene de un pozo, es conveniente analizarla periódica y sistemáticamente para comprobar que no varía el pH o las impurezas a través del tiempo. Las impurezas pueden interferir con el fraguado del cemento, afectar adversamente la resistencia del hormigón o causar manchas en la superficie y provocar, además, la corrosión de los aceros de refuerzo. Las siguientes aguas se aceptan para elaborar hormigón, sobre la base de alcanzar más del 85% de las resistencias respecto a un agua destilada: aguas con un contenido máximo de 1 % de Sulfatos; agua de mar pero no para hormigón armado, aguas alcalinas con un contenido máximo del 0.15 % de Na2SO4 o NaCl, aguas provenientes de minas de carbón y yeso y aguas de desecho de fábricas como por ejemplo: cerveza, plantas de gas, pinturas y jabón. Las provenientes de abastecimientos desconocidos, frecuentemente se usan en la elaboración de morteros u hormigones en obra o construcción. Por lo cual es necesario plantear los riesgos que se afrontan, respecto a conseguir hormigones técnica y económicamente aceptables, al utilizar aguas desconocidas que puedan aportar, substancias nocivas disueltas o en suspensión, tales como, materia orgánica, azúcares, sulfatos o cloruros.
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El agua que se emplea para lavado de las ollas mezcladoras o cubas hormigoneras se puede utilizar para elaborar hormigón, siempre y cuando antes del lavado cumpla con los requisitos para ser empleada en el amasado.
3.4.3.5. Efecto del agua en función a su procedencia 3.4.3.5.1. Agua de Mar El agua de mar está principalmente compuesta de sulfatos y cloruros de sulfato y magnesio. Tiene una salinidad de 3.5 %, lo cual hace que se afecten los tiempos de fraguado y que se produzca una resistencia temprana mayor, pero a largo plazo menor. Por lo general no son importantes los efectos sobre el fraguado, siempre y cuando la pérdida de resistencia sea inferior al 15 %. El agua con grandes cantidades de cloruro tiende a causar humedad persistente, eflorescencia y descascaramientos en la superficie del hormigón. En el hormigón reforzado, el agua de mar aumenta el riesgo de corrosión del acero de refuerzo, por lo que en la práctica no es recomendable utilizarla en la mezcla. Sin embargo, en los casos en que sea imposible evitar su utilización es necesario proteger la armadura con recubrimientos y utilizar hormigones densos para evitar los problemas de corrosión.
3.4.3.5.2. Aguas con impurezas orgánicas o algas Aguas coloreadas generalmente indican la presencia de material orgánico disuelto, el cual, al igual que la presencia de algas en el agua de mezcla, tiende a generar una gran inclusión de aire y reducción de adherencia, con Ia consecuente pérdida de las resistencias mecánicas.
3.4.3.5.3. Aguas con azúcar La presencia de azúcar en pequeñas cantidades 0,03 % - 0,15 %, por masa de cemento, en el agua de mezcla generalmente retarda el fraguado del cemento. Cuando la concentración se incrementa al 0,2 % por masa de cemento, el fraguado generalmente se acelera y si se incrementa a 0,25 % o más, puede causar fraguado rápido y una sustancial reducción de resistencia a 28 días.
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Cuando es menos de 500 partes por millón de azúcar en la mezcla, generalmente no tiene efecto adverso sobre la resistencia del hormigón, pero al exceder esa cantidad, deberá probarse el tiempo de fraguado y la resistencia.
3.4.3.5.4. Aguas ácidas Las aguas que contengan ácidos inorgánicos comunes, tales como el clorhídrico o el sulfúrico, en concentraciones inferiores a 10 000 partes por millón no tienen efectos adversos en la resistencia del hormigón. Sin embargo, aguas naturales que contengan ácidos orgánicos, tales como, el húmico, son peligrosas para su elaboración, ya que pueden atrapar grandes cantidades de aire y ejercer efectos adversos sobre el endurecimiento.
3.4.3.5.5. Aguas alcalinas Aguas que tengan concentraciones de hidróxido de sodio de 0.5% en masa de cemento, no afectan las resistencias, siempre que no aceleren el fraguado; pero mayores concentraciones pueden reducir la resistencia. Para algunos cementos pueden permitirse aguas con concentración de hidróxido de potasio hasta de 1.2 % de la masa del cemento, valor que puede ser peligroso para otros cementos.
3.4.4. Aditivos para hormigones Aditivo es una sustancia química, generalmente dosificada por debajo del 5% de la masa del cemento, distinta del agua, los agregados, el cemento y los refuerzos de fibra, que se emplea como ingrediente de la pasta, del mortero o del concreto, y se agrega al conjunto antes o durante el proceso de mezclado, con el fin de modificar alguna o algunas de sus propiedades físicas, de tal forma que el material se adapte de una mejor forma a las características de la obra o las necesidades del constructor. Los aditivos se emplean cada vez en mayor escala en la fabricación de morteros y hormigones, para la elaboración de productos de calidad, en procura de mejorar las características del producto final.
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No se trata en ningún modo de aditivos del cemento, pues la misión del aditivo no consiste en mejorar el cemento, sino permitir la transformación o modificación de ciertos caracteres o propiedades de un producto acabado, que, según los casos, puede ser un hormigón, un mortero o una lechada para inyecciones. En resumidas cuentas, el aditivo no se limita a actuar sobre el cemento, sino que su acción se ejerce sobre los tres componentes de la mezcla: el árido o agregado, el cemento y el agua. En esta acción influyen en gran manera la naturaleza y la dosificación de cada uno de esos componentes. (Rivera López, 2003)
3.4.4.1. Clasificación La norma ASTM C494 clasifica a los aditivos de la siguiente forma.
Tipo A – Plastificante Es el aditivo que permite disminuir la cantidad de agua necesaria para obtener una determinada consistencia del hormigón.
Tipo B – Retardador Es aquel que demora el fraguado del hormigón.
Tipo C – Acelerante Es aquel que acelera tanto el fraguado como la ganancia de resistencia a temprana edad del concreto.
Tipo D - Plastificante retardador Es aquel que permite disminuir la cantidad de agua necesaria para obtener un hormigón de una determinada consistencia y retardar su fraguado.
Tipo E - Plastificante acelerante Es aquel que permite disminuir la cantidad de agua necesaria para obtener un hormigón de determinada consistencia y acelerar tanto el fraguado como la resistencia del hormigón a temprana edad.
Tipo F – Superplastificante Es el aditivo que permite la reducción del agua de mezcla en más de un 12% para obtener una determinada consistencia del hormigón
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Tipo G – Superplastificante retardador Es el aditivo que permite la reducción del agua de mezcla, en más de un 12%, para obtener una determinada consistencia del hormigón y además retarda el fraguado.
Tipo H – Superplastificante acelerante Es el aditivo que permite la reducción del agua de mezcla, en más de un 12%, para obtener una determinada consistencia del hormigón y además acelera tanto el fraguado como la resistencia del hormigón a temprana edad.
3.4.4.2. Aditivo retardador Son aditivos que aumentan el tiempo de fraguado, es decir la mezcla permanece fluida más tiempo. Al uso de retardadores, en general, lo acompaña alguna reducción en la resistencia, principalmente en los primeros días, mientras que los efectos de estas sustancias en las demás propiedades del concreto, como la contracción, pueden no ser previsibles. Por tanto, las pruebas de aceptación para los retardadores deberán hacerse con materiales de la obra para las condiciones previstas. Es preferible que el aditivo sea presentado bajo forma líquida y las dosis a utilizar varían, en la práctica, entre el 0,1 y el 1% de la masa del cemento. La dosis media debería ajustarse para el cemento y los demás materiales que se va a emplear en la construcción. (Rivera López, 2003)
3.4.4.2.1. Mecanismo de acción de los aditivos retardadores Kosmatka (2004: 143) indica que los retardadores no disminuyen la temperatura inicial del concreto, en cambio aumentan la tasa de exudación y la capacidad de sangrado del concreto. La acción de un aditivo retardador cambia mucho con, la naturaleza del cemento, su dosificación, la dosis del aditivo, la relación agua cemento, por lo cual se deben realizar ensayos para previos obtener la dosificación requerida. Rivera (2003: La desaceleración del proceso de fraguado mediante aditivos, además de afectar la velocidad de obtención de resistencia del hormigón a corto plazo, tiene efecto sobre la resistencia del hormigón a largo plazo. El retardo inicial del proceso determina resistencias mayores a largo plazo, pues el curado se vuelve más eficiente, en la figura 8
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se puede apreciar el comportamiento de los hormigones en cuanto a resistencias a la compresión de tres hormigones.
Figura 9. Efecto de aditivos en la resistencia de hormigones Tomada de Quiroz Crespo & Salamanca Osuna (2006: 73)
3.4.4.2.2. Productos utilizados en la Fabricación Quiroz crespo & Salamanca Osuna indican que los productos base que se emplean para fabricar estos aditivos son los siguientes.
Los ácidos fosfórico, fluorhídrico, húmico.
La glicerina.
Fosfatos y fluoruros.
Óxidos de zinc y plomo.
El bórax.
Sales de magnesio y sales solubles de zinc.
Sulfato de cobre.
Compuestos de boro y caseína.
Hidratos de carbono de fórmula general Cn(H20)m. Los azúcares y sus compuestos como las glucosas, las sacarosas, el almidón, la celulosa.
El yeso crudo o piedra de yeso puede también ser considerado como un aditivo.
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3.4.4.2.3. Campo de aplicación Los aditivos retardadores se emplean particularmente en los siguientes casos.
Colocación del concreto en época de calor, para contrarrestar el efecto acelerante de la alta temperatura.
Cuando se desea suprimir el efecto de las reanudaciones de trabajo.
Para transporte a larga distancia del hormigón.
3.4.4.3. Precauciones durante el empleo de aditivos Quiroz crespo & Salamanca Osuna (2006: 203) indican que el empleo de un aditivo suponiendo que, en primer término, que haya sido correctamente escogido, y a continuación que está bien utilizado. Las recomendaciones de empleo están dadas en general por las informaciones del fabricante. Las precauciones que deben tomarse son las siguientes.
Los productos en polvo, deben ser conservados en un sitio seco, sobre todo si el envase es defectuoso.
En los aditivos líquidos, pueden formarse sedimentos, de manera que es preferible agitarlos antes de su utilización.
En invierno, en regiones donde desciende mucho la temperatura, es necesario conocer su punto de congelación y almacenarlos.
Cerciorarse de que no se ha excedido el plazo límite de utilización.
Atenerse a las instrucciones para su empleo, en especial en el caso de tener que manipular productos tóxicos.
3.4.4.4. Recomendaciones durante las dosificaciones Los aditivos se adicionarán según indicaciones del fabricante, por lo general en una cantidad menor al 5% de peso del cemento, pudiendo ser en el agua de amasado, en el agregado, etc. Una dosificación que no sea la conveniente puede influir de forma indeseable, a veces opuesta a la que se quería conseguir. Todos los aditivos se pueden adicionar después de que el hormigón se ha mezclado parcialmente. En ninguna circunstancia los aditivos deben adicionarse al cemento Portland antes de la adición del agua de mezclado.
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Es posible que sea necesario adicionar dos o más aditivos de tipos diferentes a la mezcla de hormigón para obtener las características deseadas. La mayor parte de los aditivos son compatibles cuando se mezclan en el hormigón pero, en ninguna condición, debe permitirse que dos aditivos de tipos diferentes se mezclen entre sí, antes de su adición a la mezcladora, ya que en la mayor parte de los casos, los aditivos reaccionarán provocando precipitación y pérdida de eficacia. (Quiroz Crespo & Salamanca Osuna, 2006)
3.4.4.5. Errores en el empleo de aditivos Los errores más comunes durante el empleo de aditivos, para la elaboración de hormigones son los siguientes.
Errores de dosificación.
Exceso global, por ejemplo, confusión entre las unidades de medida.
Exceso de dosificación local debido al mal reparto del producto. La homogeneidad y la buena distribución del aditivo en la masa de los morteros o de los hormigones es fundamental.
Las incompatibilidades con ciertos conglomerantes. Esta es la razón por la cual conviene siempre controlar los productos en la obra, mediante ensayos preliminares y luego durante la producción del hormigón.
La utilización simultanea de varios tipos de aditivos que pueden no ser compatibles.
3.4.4.5. Control de calidad de los aditivos El control de los aditivos se hace cada vez más necesario por diversas razones, pero fundamentalmente con objeto de evitar la utilización de aquellos productos cuyas propiedades y efectos sobre los hormigones no se conozcan con la suficiente garantía. Para conseguir aditivos de calidad es necesario que el fabricante, en primer lugar, realice su propio control de un modo permanente, de tal modo que pueda garantizar una calidad y una eficacia constante de los productos que suministra a lo largo del tiempo. Para ello, debe establecer los controles correspondientes en las materias primas que utilice, desechando aquellas que no sean aptas (o reciclándolas), así como de los diversos procesos de producción y de los productos elaborados, de tal modo que éstos respondan a la calidad fijada previamente.
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Pero, además, si se quiere garantizar la calidad de dichos productos y, muy especialmente, el porvenir de esta industria, se necesita la existencia de centros o laboratorios especializados con personal adecuado que tenga amplio conocimiento de la fisicoquímica de los cementos y de los restantes componentes del hormigón, así como de su elaboración, transporte y puesta en obra. (Gaspar Tebar, 1994)
3.4.4.6. Almacenamiento Los aditivos deberán transportarse y almacenarse de forma que su calidad no resulte afectada por influencias físicas o químicas. El almacenamiento se debe realizar en envases bien cerrados, en lugares secos, frescos y bajo techo. Para todos los casos deben seguirse las direcciones de almacenamiento que indique el fabricante. Ciertos aditivos se embarcan en forma de polvo para ser disueltos en agua antes de su adición al hormigón. En esos casos, sólo deben mezclarse en tanques de almacenamiento para tener la seguridad de que se adicionan todos los componentes del aditivo para cada amasado. Tanto la calidad como las condiciones de almacenamiento y utilización, deberán aparecer claramente. (Quiroz Crespo & Salamanca Osuna, 2006)
4. Diseño de mezclas de concreto El diseño de mezclas, consiste en aplicar técnicamente los conocimientos sobre sus componentes para obtener requerimientos particulares del hormigón requerido en el Proyecto u Obra. Como se sabe el diseño de mezclas de hormigón ha estado enfocado muy a menudo de acuerdo a las normas, que debiera cumplir cada elemento del diseño, pero estas normas están enfocadas a un cierto número de condiciones específicas que muchas veces, van en contra de las nuevas circunstancias que se generan en el desarrollo de la tecnología del hormigón a nivel mundial.
4.1. Consideraciones y criterios para el diseño de las mezclas En necesario enfocar el concepto del diseño de mezcla para producir un buen concreto tan económico como sea posible, que cumpla con los requisitos requeridos para el estado fresco y en el estado endurecido.
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En general, se piensa que todas las propiedades del concreto endurecido están asociadas a la resistencia y, en muchos casos, es en función del valor de ella que se las califica. Sin embargo, debe siempre recordarse al diseñar una mezcla de concreto que muchos factores ajenos a la resistencia pueden afectar otras propiedades. Es usual suponer que el diseño de mezclas consiste en aplicar ciertas tablas y proporciones ya establecidas que satisfacen prácticamente todas las situaciones normales en las obras, lo cual está muy alejado de la realidad, ya que es en esta etapa del proceso constructivo cuando resulta primordial la labor creativa del responsable de dicho trabajo y en consecuencia el criterio personal. Finalmente debemos advertir que la etapa de diseño de mezclas de concreto representa sólo el inicio de la búsqueda de la mezcla más adecuada para algún caso particular y que esta necesariamente deberá ser verificada antes reconvertirse en un diseño de obra. Conseguir una mezcla con un mínimo de pasta y volumen de vacíos o espacios entre partículas y consecuentemente cumplir con las propiedades requeridas es lo que la tecnología del concreto busca en un diseño de mezclas. (Torre Castillo, 2004) Antes de dosificar una mezcla se debe tener conocimiento de la siguiente información:
Los materiales.
El elemento a vaciar, tamaño y forma de las estructuras.
Resistencia a la compresión requerida.
Condiciones ambientales durante el vaciado.
Condiciones a la que estará expuesta la estructura.
4.2. Métodos de diseño de mesclas de hormigón Los métodos de dosificación de hormigones tienen por finalidad encontrar las proporciones en que hay, que mezclar a los diferentes componentes de los mismos para conseguir hormigones que posean determinadas características de trabajabilidad, compacidad, resistencia mecánica, durabilidad, etc. No existe un método único de dosificación sino que, dependiendo de las condiciones que deba reunir el hormigón, hay que elegir uno entre varios de los muchos existentes y los resultados que se consigan con él serán buenos cuando éste se haya elegido
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convenientemente y se hayan realizado las correcciones oportunas mediante masas de prueba. (Giraldo Bolivar, 1987) Los métodos de dosificación pueden dividirse en dos grupos fundamentales.
Dosificaciones basadas en el contenido de cemento
Dosificaciones basadas en la resistencia mecánica a la compresión
4.2.1. Dosificación basada en el contenido de cemento El formado por los que tienen como dato principal de partida la dosificación de cemento, teniendo además en cuenta otras características como pueden ser la consistencia, tamaño máximo del árido a emplear, tipos de áridos, aire ocluido en determinadas proporciones, clase de ambiente, etc.
4.2.1.1. Método Fuller-Thompson El método de dosificación de Fuller- Thompson es uno de los más clásicos y fáciles de aplicar de los que se basan en una dosificación fija de cemento. Se recomienda utilizar este método cuando:
La cantidad de cemento por metro cubico de hormigón es mayor de 300 kg.
La estructura no este fuertemente armada
El tamaño máximo del agregado es menor de 50 ± 20 mm
Los agregados son preferiblemente de forma redondeada.
Desde el punto de vista de aplicación del método se considera como tamaño del árido al que corresponde al tamiz más pequeño de la serie utilizada que retenga menos del 10 % del peso total del árido. Dato que la composición del árido conjunto no se conoce hasta haber realizado la composición de todas las fracciones del árido y a fin de evitar tanteos se considera como tamaño máximo la abertura del menor tamiz que retiene menos del 25% al cribar por la grava, es decir, el árido de mayor tamaño, no entrando en esta determinación los gránulos de grandes dimensiones. La cantidad de cemento a introducir en el diseño de la mezcla será la real que se vaya a emplear en la fabricación del hormigón.
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La cantidad de agua se elige de acuerdo con el tipo de árido utilizado, su tamaño máximo y la consistencia que deba tener el hormigón. Si los hormigones han de colocarse mediante bombeo o en secciones estrechas es conveniente emplear consistencia blanda, las consistencias blandas permiten, por otra parte, colocar el hormigón mediante picado con barra logrando un ahorro importante de energía. Si se van a consolidar por vibración la consistencia más adecuada es la plástica y si estos van a consolidarse con vibración enérgica e incluso compresión, puede emplearse consistencia seca. (Giraldo Bolivar, 1987) En el ano de 1907 Fuller y Thompson seleccionaron una curva granulométrica continua para la composición óptima de los agregados en el hormigón la cual se puede apreciar en la Figura 10. La ecuación de la curva está dada de la siguiente forma.
√
Y=100*
d
D
(11)
Donde: Y = Porcentaje en peso de agregados que pasan por cada tamiz de abertura d d = Abertura de cada uno de los tamices de serie empleada D = Tamaño máximo del árido
Figura 10. Curva de Fuller- Thompson.
73
4.2.1.2. Método Bolomey En el año 1925, Bolomey propuso una curva granulométrica continua de agregado más cemento, muy similar a la propuesta por Fuller- Thompson. La curva de Bolomey tiene su aplicación más importante en la dosificación de hormigones masivos es decir para grandes macizos como en presas, muros de gravedad, vertederos, etc. Procedimiento de diseño es muy similar al método de Fuller- Thompson la única diferencia que se puede apreciar es la curva propuesta para combinar los agregados incluido el cemento, la cual está represada por la siguiente ecuación.
√
Y=A+ 100-A *
d
(12)
D
Donde: Y = Porcentaje en peso de agregados que pasan por cada tamiz de abertura d d = Abertura de cada uno de los tamices de serie empleada D = Tamaño máximo del árido
A = Coeficiente que depende de la forma del agregado y de la consistencia del hormigón, sus valores se muestran en la Tabla 10
Tabla 21 Valores del coeficiente A para la curva de Bolomey
Forma del agregado
Redondeada
Angular
Consistencia de la
Asentamiento en
A
mezcla
milímetros
Seca – plástica
0 - 50
10
Blanda
50 - 100
11
Fluida
100 - 200
12
Seca – plástica
0 - 50
12
Blanda
50 - 100
13
Fluida
100 - 200
14
Nota: tomada de Giraldo Bolívar (1987)
74
Dada la poca homogeneidad de los agregados usualmente utilizados en la industria de la Construcción, se proponen valores promedios para A, cuando los agregados sean una mezcla entre angulares y redondeados.
4.2.1.3. Método de Faury Se fundamenta esencialmente en principios granulométricos para determinar las cantidades de los materiales que permiten otorgar a un determinado hormigón las características previstas. Se basa en las experiencias realizadas por su propio autor, las que constituyen una continuación de las que ya anteriormente habían ejecutado sobre principios similares otros investigadores tales como Fuller, Bolomey y principalmente Caquot, quien le proporciona el fundamento teórico de los conceptos de mayor importancia contenidos en el método. Este método de dosificación introduce una serie de mejoras muy importantes sobre los anteriores, con lo cual puede considerarse como un método bastante perfecto en la aplicación a todo tipo de hormigones, bien en masa o armados y especialmente, en la construcción de piezas prefabricadas en las que predomina la superficie del molde sobre su volumen, es decir, en aquellas piezas en las que el efecto pared tiene un valor preponderante. Este método es, por tanto, muy adecuado para dosificar hormigones destinados a prefabricados de viguetas, vigas, dovelas, grandes paneles empleados en construcción industrializada, etc. (Giraldo Bolivar, 1987)
4.2.2. Dosificaciones basadas en la resistencia a la compresión El formado por los hormigones definidos por sus características mecánicas, especialmente la de compresión y a la que deben acompañar otros datos como los indicados en los hormigones definidos por su dosificación de cemento.
4.2.2.1.
Método Español
Este método es general y se puede aplicar cuando los agregados no cumplen con la granulometría especificada por la norma ASTM C33. Así mismo se debe usar en hormigones con más de 300 kg de cemento por metro cubico de hormigón y para un tamaño máximo del agregado grueso comprendido entre 20mm y 50mm. Este método diferencia agregado de canto rodado y chancado. (Belen Rojas, 2016)
75
La base fundamental de este método es la resistencia y la relación agua- cemento.
Resistencia
Para el diseño de hormigón se debe determinar la resistencia media a compresión el cual debe ser superior a la resistencia a compresión característica exigida en el proyecto, con el objeto de garantizar la obtención de la resistencia de proyecto en obra. Dicho valor puede obtenerse aplicando la Tabla 22.
Tabla 22 Valores orientativos de la resistencia media en función de fck
Condiciones previstas para la ejecución de la
fcm en kg/cm2
obra Medias
1.5 x fck + 20
Buenas
1.35 x fck + 15
Muy buenas
1.20 x fck + 10
Nota: tomada de Quiroz Crespo & Salamanca Osuna(2006) Fck = Resistencia a la compresión a los 28 días, exigida en proyecto Fcm = Resistencia media a la compresión, para dosificación
Relación agua cemento
La resistencia del hormigón y la durabilidad está en función de muchos factores como el tipo, clase y cantidad de cemento, características, granulometría y tamaño máximo del árido, compactación, curado, y otros; pero fundamentalmente de la relación agua cemento. Como primera aproximación se puede utilizar la siguiente relación: a / c = k x f cm+ 0.5
(13)
Donde: a/c = Relación Agua- Cemento fcm = Resistencia media expresada en MPa La durabilidad del hormigón está ligado a su compacidad o impermeabilidad, por esta razón se limita la relación a/c y el contenido de cemento. La máxima relación a/c y mínimo contenido de cemento a aplicarse se puede obtener de la figura 11.
76
Figura 11. Máxima relación a/c y mínimo contenido de cemento, Tomada de Quiroz Crespo & Salamanca Osuna (2006)
4.2.2.2. Método ACI 211.1 Este método es el resultado de extensas investigaciones, en el campo del hormigón, de varias organizaciones norte americanas entre ellas; el A.C.I., P.C.A., U.S.B.R., el cual se fundamenta en los trabajos experimentales de Andrew Duff, Abrams, Richard y Talbot, Goldbeck y Gray. Es un método empírico cuyos resultados han sido confirmados por una amplia información experimental. El procedimiento de diseño se puede realizar ya sea mezclando los materiales por volumen absoluto y luego calculando los pesos de cada uno de los componentes, o directamente calculando el peso del hormigón y deduciendo luego el peso de cada uno de los ingredientes, siempre para obtener un metro cubico de hormigón. Ambas formas de cálculo de la mezcla tienen en cuenta todo relacionado con la facilidad de colocación, resistencia a la compresión, durabilidad y economía. (Giraldo Bolivar, 1987)
77
4.2.2.2.1. Campo de aplicación El campo de aplicación del método se limita a la fabricación de hormigones con dos agregados y con un peso unitario superior a 2.0 g/cm3, además se tienen en cuenta requisitos tales como la trabajabilidad, la resistencia y la durabilidad exigidas para cualquier mezcla de hormigón fabricado en el sitio. El proceso de diseño se basa en la utilización de la técnica de ensayo y error. Partiendo de unas proporciones iniciales obtenidas utilizando los resultados empíricos del método, vamos corrigiendo gradualmente la mezcla con patrones de prueba, hasta obtener las características deseadas para el hormigón definitivo.
4.2.2.2.2. Procedimiento de diseño de mescla de hormigón La estimación de los pesos requeridos para la mezcla de hormigón implica una secuencia de nueve pasos, dados a continuación.
Selección del revenimiento Si el revenimiento no ha sido especificado, se lo puede seleccionar en base a la Tabla
23, tomando en cuenta la compactación y consistencia que se desea obtener en el hormigón de acuerdo a las necesidades de bombeo.
Tabla 23 Revenimiento para diferentes estructuras
Tipo de estructura y técnica de construcción
Asentamiento en cm mínimo
máximo
Hormigón sin armar
2
8
Muros armados de fundación y zapatas
4
8
Losas, vigas y muros armados
5
10
Columnas
5
10
Pavimentos
2
5
Elementos prefabricados
0
2
Hormigón bombeado
7
12
Hormigón bajo agua
15
---
Nota: tomada de Quiroz Crespo & Salamanca Osuna (2006)
78
Selección del tamaño máximo nominal del agregado grueso Este procedimiento se debe realizar previo a la compra u obtención de agregados debido a que, si las dimensiones del agregado nominal sobre pasan los límites especificados, se tendrá problemas durante el proceso de vaciado del hormigón, provocando cangrejeras y vacíos. La norma boliviana NB 1225001-1 especifica los siguientes límites para el tamaño máximo nominal del agregado grueso. 1/3 de la altura de losas 3/4 separación mínima entre armaduras 1/5 de la menor dimensión estructural
Estimación de la cantidad de agua de mezclado y del contenido de aire
La cantidad de agua por unidad de volumen de hormigón requerida para producir un revenimiento dado depende del tamaño máximo nominal, forma de la partícula, gradación de los agregados, temperatura del hormigón, cantidad de aire incluido y el uso de aditivos. La Tabla 24 proporciona estimaciones del requerimiento de agua de mezclado para varios tamaños máximos nominales de agregado, con y sin aire incluido. Para determinar el contenido de agua y contenido de aire se debe realizar lo especificado a continuación. Determinar si la dosificación a realizar va a ser con aire o sin aire, buscar el valor de revenimiento y tamaño máximo nominal en la tabla. Trazar una línea horizontal y vertical sobre los valores encontrados anteriormente de tal manera que se intersecten, si el valor de revenimiento no se encuentra en ningún rango se deben realizar dos líneas horizontales sobre los rangos adyacentes. El valor que está en la intersección es la cantidad de agua necesaria para el mesclado, si existen dos intersecciones se debe realizar una interpolación lineal entre el revenimiento los contenidos de agua. El contenido de aire será el valor inferior en dirección del tamaño máximo nominal.
79
Tabla 24 Requerimiento de agua de mesclado Tamaño máximo nominal del árido en mm. Revenimiento
10
12.5 20
25
40
50
70
150
Hormigón sin aire incorporado 3 – 5
200
195
180
175
155
150
141
125
8 – 10
220
213
195
190
170
165
155
140
15 – 18
240
230
210
205
185
180
170
-
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0.3
0.2
Cantidad de aire atrapado aproximado %
Hormigón con aire incorporado 3 – 5
180
175
165
160
145
140
135
120
8 – 10
200
190
180
175
160
155
150
135
15 – 18
215
205
190
185
170
165
160
-
Cantidad de aire
Exposición suave
4.5
4.0
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
total promedio
Exposición moderada
6.0
5.5
5.0
4.5
4.5
4.0
3.5
3.0
aproximado %
Exposición extrema
7.5
7.0
6.0
6.0
5.5
5.0
4.5
4.0
Nota: tomada de Quiroz Crespo & Salamanca Osuna (2006)
Selección de la relación agua-cemento
La relación agua- cemento requerida es determinada no solamente por requisitos de resistencia sino también por factores tales como la durabilidad. Dado que diversos agregados y cementos producen diferentes resistencias para la misma relación agua cemento. Estos valores deben ser tomados de la figura 12 en base a durabilidad y Tabla 25 en base a la resistencia, si el valor requerido no se encuentra en la tabla se debe interpolar para encontrar la relación agua cemento requerida, con los valores obtenidos se debe realizar un promedio o la menor esto depende de la experiencia del proyectista y la importancia de la obra.
80
Tipo de estructura
Secciones delgadas como barandas, ornamentos, pilotes armados, tuberías y toda sección con menos de 2,5 cm de recubrimiento Secciones moderadas como muros de contención, estribos, pilares y vigas Exterior de elementos en gran masa Hormigón sumergido Pavimentos Hormigón protegido de la intermedie, en interiores o enterrados Hormigón que será protegido, pero estará expuesto por varios años al hielo - deshielo
Condiciones de exposición Climas extremos con frecuentes ciclos de Temperaturas moderadas, congelación- deshielo solo raramente por debajo de hormigón con aire cero. Clima lluvioso o árido incorporado Al nivel del agua o Al nivel del agua o en zonas de en zonas de fluctuación o fluctuación o salpicadura salpicadura Al aire Al aire En agua En En En agua de de mar o agua agua mar o con con dulce dulce sulfatos sulfatos
0.5
0.4
0.4 (1)
0.55
0.50
0.40 (1)
0.55
0.50
0.45 (1)
(2)
0.55
0.45 (1)
0.60
0.50
0.45
(2)
0.45
0.45 (1)
-0.55
0.45 --
0.45 --
(2) (2)
0.45 0.45
0.45 0.40
(2)
--
--
0.55
0.5
0.45
0.55
--
--
(2)
0.45
0.40
Figura 12. Relación agua- cemento en base a durabilidad del hormigón, (1) Se debe usar cementos resistentes a los sulfatos, la relación agua – cemento máximo se puede aumento en 0.05 (C 3A < 5%), (2) Cantidad de agua determinada por condiciones de resistencia y docilidad, Tomada de Quiroz Crespo & Salamanca Osuna (2006)
81
Tabla 25 Relación agua – cemento en base a resistencia
Resistencia media a la compresión a los 28 días en kg/cm2
Relación agua- cemento Sin aire
Con aire incluido
incluido 420
0.39
--
400
0.42
--
350
0.44
--
300
0.50
0.39
280
0.52
0.45
250
0.56
0.47
210
0.61
0.52
200
0.64
0.58
150
0.74
0.60
Nota: tomada de Quiroz Crespo & Salamanca Osuna (2006)
Cálculo de la cantidad del cemento
La cantidad de cemento por unidad de volumen de hormigón está fijada por lo determinado en los pasos 3 y 4. La cantidad requerida de cemento es igual al contenido estimado de agua de mezclado dividido por la relación agua – cemento. Si las especificaciones incluyen un límite mínimo de cemento además de los requisitos para la resistencia y la durabilidad, en la mezcla se usará el que sea mayor.
Determinación de contenido de agregado grueso La determinación del tamaño máximo aceptable del árido más grueso de la dosificación del hormigón se efectúa con tabla 28 que establece un rango de tamaños máximos aplicables a diversos elementos estructurales en función de la dimensión mínima de la sección. El tamaño máximo debe precisarse en el rango señalado, aumentándolo mientras mayor sea la dimensión del elemento.
82
Tabla 26 Contenido de agregado grueso
Tamaño máximo
Volumen de varillado seco de agregado grueso por
nominal de agregado
unidad de volumen de hormigón para diferentes
en mm
módulos de finura de la arena 2.4
0.6
0.8
3
9.5
0.5
0.48
0.46
0.44
12.5
0.59
0.57
0.55
0.53
19
0.66
0.64
0.62
0.6
25
0.71
0.69
0.67
0.65
37.5
0.75
0.73
0.71
0.69
50
0.78
0.76
0.74
0.72
75
0.82
0.8
0.78
0.76
150
0.87
0.85
0.83
0.81
Nota: tomada de Quiroz Crespo & Salamanca Osuna (2006)
El contenido de agregado grueso se debe determinar mediante la fórmula mostrada a continuación. CG = C x PUc
(14)
Donde: CG = Contenido de agregado grueso C = Coeficiente extraído de tabla 26 PUc = Peso unitario compactado del agregado grueso
Determinación del contenido de agregado fino
Hasta el paso 6 todos los ingredientes del hormigón se han determinado, excepto el agregado fino, la cantidad de este será lo que falta para completar 1m3 de hormigón. Existen dos procedimientos: el método por peso y el método por volumen absoluto.
83
Por peso El peso requerido de agregado fino es simplemente la diferencia entre el peso del hormigón fresco y el peso total de los otros ingredientes. A menudo el peso unitario del hormigón es conocido por tabla, este método no da resultados muy exactos.
Por volumen Un procedimiento más exacto para calcular la cantidad requerida de agregado fino implica el uso de volúmenes desplazados por los ingredientes. En este caso, el volumen total desplazado por los ingredientes conocidos como el agua, aire, cemento y agregado grueso, se quitan del volumen unitario del hormigón para obtener el volumen requerido de agregado fino. La ecuación 12 permite determinar el volumen de agregado fino, pero antes de deben encontrar los valores de las ecuaciones 13, 14 y 15.
R + VFR + VGR + VAR VH + P = VcR + VH2O ViR = P / PE VAR = % A x VH Psf = VFR x PE
(15) (16) (17) (18)
Donde: VH = Volumen de 1 m3 de hormigón P = Pérdidas durante la dosificación PE = Peso específico del material
ViR = Volumen que corresponde a cualquiera de los materiales = Volumen real de cemento = Volumen real de agua = Volumen real de agregado fino = Volumen real de agregado grueso = Volumen de aire Pf s = Peso seco de agregado fino
84
Dosificación básica Esta dosificación está formada por las cantidades de materiales ya encontradas en los anteriores cálculos, la cual esta expresada en kilogramos para los agregados y el cemento, y en litros para la cantidad de agua, esta dosificación no toma en cuenta él cuenta el contenido de humedad y porcentaje de absorción de los agregados
Corrección por humedad Debido a que los agregados generalmente cuentan con un contenido de humedad el cual altera el porcentaje de absorción se debe realizar una corrección de la misma la cual ocasionara una disminución o aumento de la cantidad de agua. Las ecuaciones utilizadas para realizar esta corrección serán mostradas a continuación.
%H) PHi = Psi x (1 + 100
(20)
Ai = Psi x (%H100- %A)
(21)
ACH2O = AbH20 +∑Ai
(22)
Donde:
PH = Peso Corregido por humedad para los agregados
% H = Porcentaje de humedad del agregado % A = Porcentaje de absorción Ai = Cantidad de agua que contienen los agregados
= Cantidad de agua corregida por humedad = Cantidad de agua de dosificación básica 85
Dosificación activa u operativa Esta dosificación será la que se utilizara en el momento de elaborar el hormigón, la cual puede variar frecuentemente debido a los cambios de humedad del material, a esta dosificación se le deben realizar correcciones por asentamiento, en el caso de que no se determine la cantidad de humedad mediante métodos rápidos, un método efectivo es el que esta descrito en la ASTM C 556.
86
CAPÍTULO 2 MARCO PRÁCTICO 1. PLAN DE LABORATORIO El presente plan de laboratorio tiene la finalidad determinar los materiales a utilizar en la elaboración de los hormigones tomando en cuenta los criterios de disponibilidad y calidad del mismo, así como también planificar las acciones y ensayos de laboratorio a realizar para lograr un análisis correcto de la influencia del aditivo retardador de fraguado en las propiedades mecánicas del hormigón.
1.1. Determinación de materiales a utilizar en la elaboración del hormigón. Para la selección de los materiales se tomaron en cuenta factores como la disponibilidad, frecuencia de uso y calidad. Para la verificación de calidad se realizaron ensayos de laboratorio en base a las normas bolivianas y se complementaron con certificados de laboratorios otorgados por las empresas proveedoras.
1.1.1. Aditivos para hormigones El aditivo a utilizar tiene la característica de retardador de fraguado y cumple con la norma NB 1001 en cuanto a especificaciones físicas y químicas de los aditivos para hormigón en la Tabla 27 se presenta las características del aditivo a utilizar.
TABLA 27 Características generales del aditivo utilizado
Clasificación Nombre
Característica
ASTM
NB 1000 Aditivos que modifican el fraguado
HT Sika Retarder
Retardador de fraguado
Tipo B
y/o el endurecimiento de los hormigones, morteros o pastas
Nota: Elaboración propia
87
1.1.2. Agua para hormigones El agua a utilizar proviene de la red de agua potable extraída de la ciudad de santa cruz en la Tabla 28 e Imagen 13 se muestran la ubicación y sus respectivas coordenadas.
Tabla 28 Coordenadas de Zona de extracción de agua
Ubicación
Descripción
Municipio
Santa Cruz de la Sierra
Distrito
6
UV
141
Barrio
San Lorenzo
Coordenadas UTM Zona
Este
Sur
20 k
486712.23 m
8034960.11 m
Nota: Elaboración propia
Figura 13. Ubicación de la zona de extracción de agua para la elaboración de los hormigones.
88
1.1.3. Cemento portland Los cementos a utilizar cumplen con las especificaciones de calidad de la norma NB 011 en cuanto características físicas, químicas y resistentes, para la selección de estos materiales se tomaron en cuenta criterios como la disponibilidad, frecuencia de uso e influencia en las propiedades del hormigón debido a que son cementos de diferentes tipos, en la Tabla 29 se puede apreciar las características generales de los mismos.
TABLA 29 Características generales de los cementos utilizados Clasificación Nombre
ASTM C 595
NB 1000
Cemento Camba
I
IF-30
Cemento líder superior
IP
IP-30
Nota: Elaboración propia
1.1.4. Agregado fino
El agregado fino a utilizar en el presente tema de tesis es procedente del Rio Piraí, tramo La Guardia- Porongo, la cual es principal cantera de áridos de Santa Cruz, en la Figura 14 y Tabla 30 se muestra la ubicación y las coordenadas de la cantera de extracción, la selección de esta cantera agregados se basó en dos criterios:
Comercial: El precio del material es bastante accesible y es el más utilizado en la ciudad de Santa Cruz para la elaboración de hormigones.
Técnico: Las propiedades que aportan en la elaboración del hormigón son buenas y cumplen con los requisitos establecidos por la norma boliviana NB 594.
Tabla 30 Coordenadas Cantera Rio Piraí Departamento
Santa Cruz
Provincia Zona Tramo
Santa Cruz de la Sierra 20 La guardia - Porongo
Coordenadas UTM 470191.92 E
8023981.11 S
Nota: Elaboración propia, N= Norte, S = Sur.
89
Imagen 14. Ubicación de cantera Rio Piraí tramo la guarda- porongo.
1.1.5. Agregado grueso
El agregado grueso utilizado es de canto rodado las características de la cantera de este material serán mostradas en la Tabla 31.
TABLA 31 Cantera de agregado Grueso
Cantera
Tipo
Característica
Peso
Rio Piraí
Canto rodado
Agregado natural
Normal
Nota: Elaboración propia
Se optó por el uso de este tipo de agregado debido a que es el agregado de mayor uso en nuestra ciudad de Santa Cruz de la sierra, otro factor que influyó en la selección de este material son de carácter comercial y disponibilidad del agregado, en la Tabla 32, se muestra las coordenadas de las canteras de dicho agregado.
90
Tabla 32 Coordenadas de cantera
Descripción
Cantera Rio Piraí
Departamento
Santa Cruz
Provincia
Santa Cruz de la Sierra
Zona
20
Coordenadas UTM
470191.92 S - 8023981.11 N
Nota: Elaboración propia, N= norte, S = sur
En la Figura 15 se puede apreciar la ubicación de la cantera de agregado grueso.
Figura 15. Ubicación de cantera Rio Piraí tramo la guarda- porongo.
91
1.2. Determinación de las propiedades de los materiales Para la determinación de las propiedades físicas, mecánicas y químicas de los materiales utilizados se realizaron ensayos de laboratorio en base a las siguientes normas:
Normas Bolivianas para la verificación de calidad de los materiales, debido a que es un requisito fundamental cumplir con los parámetros de las normas locales y certificar la calidad de los materiales.
Normas ASTM para la dosificación, esto debido a que la dosificación de hormigones se realizara en base a la norma ACI 211.1 y la combinación de normas de dos países puede alterar los resultados, un ejemplo claro es el tamaño nominal proporcionado por la norma ASTM C33 y el de la norma boliviana NB los cuales pueden variar significativamente de acuerdo a la granulometría del agregado y este dato alteraría por completo la cantidad de materiales utilizados en la dosificación.
Los ensayos para la verificación de calidad serán complementados con certificados de análisis de los materiales, proporcionados por las empresas proveedoras.
1.2.1. Ensayos para aditivos 1.2.1.1. Ensayos con aditivos, para dosificación Para los aditivos no se realizaron ensayos de laboratorio debido a que para la dosificación solo se requiere el porcentaje máximo y mínimo que se debe incorporar a la dosificación el cual es otorgado por la empresa proveedora. El porcentaje permitido para el aditivo en uso es de 0.2 a 1% del peso del cemento para obtener retardos hasta de 6 horas y del 1% al 2% para obtener mayores retardos.
1.2.1.2. Ensayos para control de calidad de los aditivos En la Tabla 33 se puede apreciar los datos de la ficha técnica otorgada por la empresa proveedora de aditivos, la cual será utilizada verificar el cumplimiento de las especificaciones exigidas por la norma NB 1001.
92
Tabla 33 Características de aditivo tipo B
Peso específico y asentado de cemento Descripción Unidad Resultados Tipo -Gluconatos modificados Característica -Liquido Color -Ambar claro Ph -12 Densidad kg/lt 1.13 Nota: Tomado de ficha técnica de aditivo Sika Retarder
1.2.2. Ensayos para Cementos 1.2.2.1. Ensayos con cementos, para dosificación Para el cemento en uso se realizó el ensayo de peso específico, el cual será utilizado en la dosificación de hormigones, en la Tabla 34 se muestra un resumen de los resultados obtenidos, el cual se realizó en base a la norma ASTM C188.
Tabla 34 Resultados de ensayo para dosificación de hormigones
Peso específico y asentado de cemento norma ASTM c188 Descripción
Unidad
Peso específico real Peso unitario suelto
Determinación
Resultados
1
2
3
gr/cm3
3.026
2.976
3.004
3.002
gr/cm3
1.216
1.222
1.218
1.219
Nota: Elaboración propia
1.2.2.2. Ensayos para control de calidad de los cementos En la Tabla 35 y Tabla 36 se pueden apreciar los datos de los certificados de laboratorio otorgados por las empresas proveedoras, los cuales serán utilizados verificar el cumplimiento de las especificaciones exigidas por la norma NB 011.
93
Tabla 35 Características del Cemento IF-30 Características físicas Detalle
Unidad
Valor
Inicio de fraguado
min
213.00
Fin de fraguado
min
295.00
Residuo en tamiz 0,075 mm
%
7.43
Residuo en tamiz 0,045 mm
%
22.19
Superficie especifica
m 2/kg
348.40
Peso específico real
g/cm 3
3.12
Expansión en caliente
mm
0.50
Características resistentes Detalle
Unidad
Valor
Agua de consistencia normal
%
26.86
Resistencia a la compresión a los 3 días
Mpa
19.75
Resistencia a la compresión a los 7 días
Mpa
26.35
Resistencia a la compresión a los 27 días
Mpa
35.22
Características químicas Detalle
Unidad
Valor
Perdida al fuego
%
8.14
SIO2
%
17.18
Fe2O3
%
1.93
Al2O3
%
4.24
CaO
%
63.17
MgO
%
3.56
SO3
%
3.37
Na2O
%
0.16
K 2O
%
0.93
Residuo insoluble
%
1.01
Nota: Tomada de certificado de análisis de cemento ITACAMBA IF-30 (2010).
94
Tabla 36 Características del Cemento IP-30 Características físicas Detalle
Unidad
Valor
Inicio de fraguado
min
105
Fin de fraguado
min
115
Residuo en tamiz 0,075 mm
%
-
Residuo en tamiz 0,045 mm
%
-
Expansión Le-Chatelier C-A
mm
0.92
Superficie especifica Blaine
m 2/kg
450.3
Peso específico real
g/cm 3
2.932
Características resistentes Detalle
Unidad
Valor
Resistencia a la compresión a los 3 días
Mpa
21.1
Resistencia a la compresión a los 7 días
Mpa
29.3
Resistencia a la compresión a los 27 días
Mpa
39.7
Unidad
Valor
Perdida al fuego
%
4.46
SIO2
%
-
Fe2O3
%
-
Al2O3
%
-
CaO
%
-
MgO
%
3.44
SO3
%
3.02
Na2O
%
-
K 2O
%
-
Residuo insoluble
%
-
Características químicas Detalle
Nota: Tomada de certificado de análisis Cemento IP-30 (2010).
95
1.2.3. Ensayos para agregado fino 1.2.3.1. Ensayos con agregado fino para dosificación Para los agregados finos se realizaron los ensayos necesarios para la dosificación en la
Tabla 37 y Tabla 38 se puede apreciar un resumen de los mismos, los cuales están basados en los procedimientos establecidos por las normas ASTM para agregados finos. f inos.
Tabla 37 Resultados de ensayos para dosificación dos ificación de hormigones Unidad
Resultado
Norma
Humedad natural agregado fino
%
5.04
ASTM D2216
Análisis granulométrico, módulo de finura
-
2.54
ASTM C136
Porcentaje de Absorción
%
0.87
ASTM C127
Peso específico masa, base muestra seca
gr/cm3
2.40
ASTM C127
Peso unitario Compactado
gr/cm3
1.73
ASTM C29
Peso unitario suelto
gr/cm3
1.56
ASTM C29
Ensayo
Nota: Elaboración Nota: Elaboración propia.
Tabla 38 Granulometría agregado fino según ASTM C33 Tamices
Abertura
Peso retenido
Peso retenido
Porcentaje retenido
Porcentaje
en mm
en Cada tamiz
acumulado
acumulado
más fino
3/8”
9.5
0.00 gr
0.00 gr
0.00 %
100.00 %
N° 4
4.75
0.00 gr
0.00 gr
0.00 %
100.00 %
N° 8
2.36
22.80 gr
22.80 gr
4.83 %
95.17 %
N° 16
1.18
59.90 gr
82.70 gr
17.43 %
82.47 %
N° 30
0.60
120.95 gr
203.65 gr
43.63 %
56.84 %
N° 50
0.30
207.05 gr
410.70 gr
87.05 %
12.95 %
N° 100
0.15
41.75 gr
452.27 gr
95.86 %
4.140 %
Nota: Elaboración Nota: Elaboración propia
La curva granulométrica de agregado fino para dosificación será mostrada en la Figura 16.
96
"
8 / 3
8 ° N
4 ° N
6 1 ° N
0 5 ° N
0 3 ° N
0 2 °
0 1 ° N
100.00 %
100.00 %
100
95.17 %
90
80 77.60 %
70
A S A P E U Q
60 56.50 %
50
% 40
30
20 12.95 %
10 4.14 %
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 . 0 . 0 . . . . 8 7 6 5 0 9 1
0 0 0 . 4
0 0 . 3
0 0 . 2
0 0 0 0 0 0 6 9 8 7 0 . 5 . . . . . 1 0 0 0 0 0
0 4 . 0
0 3 . 0
0 2 . 0
0 9 8 7 6 5 0 0 0 0 1 . . . . 0 . . 0 0 0 0 0 0
4 0 . 0
3 0 . 0
2 0 . 0
1 0 . 0
DIAMETRO (mm)
Figura 16. Curva 16. Curva granulométrica agregado fino con limites granulométricos de norma ASTM C33
1.2.4.1. Ensayos para control de calidad de agregado fino Los ensayos a realizar serán los necesarios para certificar la calidad calidad del material, no se realizaran todos los exigidos por la norma nor ma NB 596 debido a dos factores; el cumplimiento de calidad de algunos ensayos evita el desarrollo de otros, la zona de estudio no está expuesta a heladas ni deshielo, en la Tabla 39, Tabla 40 y Figura 17 se puede apreciar un resumen de los ensayos realizados.
Tabla 39 Resultados de ensayos ensayos para verificación de calidad Ensayo
Unidad
Resultado
Norma
Análisis granulométrico, módulo de finura
-
2.54
NB 598 - 597
Terrones de arcilla
%
0.899
NB 601
y que flota en liquido de masa especifica 2
%
-
NB 612
Compuesto de azufre expresados en SO4 referidos al árido seco
%
-
NB 603
Partículas de bajo peso específico retenidos por el tamiz N°200
Nota. Nota. Elaboración propia
97
Tabla 40 Análisis granulométrico agregado fino
Tamices
Abertura
Peso retenido
Peso retenido
Porcentaje retenido
Porcentaje
en mm
en Cada tamiz
acumulado
acumulado
más fino
5.00 mm
5.00
0.00 gr
0.00 gr
0.00 %
100.00 %
2.36 mm
2.36
22.80 gr
22.80 gr
4.83 %
95.17 %
1.18 mm
1.18
59.90 gr
82.70 gr
17.43 %
82.47 %
600 μm
0.60
120.95 gr
203.65 gr
43.63 %
56.84 %
300 μm
0.30
207.05 gr
410.70 gr
87.05 %
12.95 %
150 μm
0.15
41.75 gr
452.27 gr
95.86 %
4.140 %
Nota. Elaboración propia, basado en norma NB 596.
"
8 / 3
6 1 ° N
8 ° N
4 ° N
0 0 2 °
0 0 1 ° N
0 5 ° N
0 3 ° N
100 100.00 % 95.17 %
90
82.47 %
80
70
A S A P E U Q
60 56.84 %
50
% 40
30
20 12.95 %
10 4.14 % 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 . . 0 . . . . 8 7 6 5 0 9 1
0 0 0 . 4
0 0 . 3
0 0 . 2
0 0 0 0 0 0 8 7 6 0 9 . 5 . . . . . 1 0 0 0 0 0
0 4 . 0
0 3 . 0
0 2 . 0
0 9 8 7 6 5 0 0 0 0 1 0 . . . . . . 0 0 0 0 0 0
4 0 . 0
3 0 . 0
2 0 . 0
1 0 . 0
DIAMETRO (mm)
Figura 17. Curva granulométrica agregado fino
En la Figura 18 se muestra una granulometría con límites granulométricos de la norma ASTM C33 y NB 596 para poder apreciar la diferencia en cuanto a limites granulométricos.
98
"
8 / 3
8 ° N
4 ° N
6 1 ° N
0 0 2 ° N
0 0 1 ° N
0 5 ° N
0 3 ° N
100 100.00 %
100.00 % 95.17 %
90
80
77.60 %
70
A S A P E U Q
60 56.50 %
50
%
40
30
20 12.95 %
10 4.14 % 0 0 0 0 0 0 0 0 0 . . 0 . 0 . 0 . . 9 8 7 6 5 0
0 0 . 4
0 0 . 3
0 0 . 2
1
0 0 0 0 0 0 9 8 7 0 . 6 . 5 . . . . 0 0 0 0 1 0
0 4 . 0
0 3 . 0
7 6 5 0 9 8 0 0 0 0 . 0 . 1 . . . . 0 0 0 0 0 0
0 2 . 0
4 0 . 0
0 3 0 . 0
2 0 .
1 0 .
0
0
DIAMETRO (mm)
Figura 18. Curva granulométrica combinada de agregado fino, elaboración propia. Curva punteada corresponde a norma NB 596, curva delgada ASTM C33 y la línea gruesa a la granulometría del agregado.
1.2.4. Ensayos para agregado grueso 1.2.4.1. Ensayos con agregado grueso, para dosificación Para los agregados gruesos se realizaron todos los ensayos necesarios para la dosificación en la Tabla 41, se puede apreciar un resumen de los ensayos.
Tabla 41 Resultados de ensayos para dosificación de hormigones, agregado chancado Ensayo
Unidad
Resultado
Norma
Humedad natural agregado grueso
%
0.54
ASTM D2216
Análisis granulométrico, tamaño máximo nominal
in
3/4
ASTM C33
Porcentaje de Absorción
%
2.21
ASTM C128
Peso específico masa, base muestra seca
gr/cm3
2.631
ASTM C128
Peso unitario Compactado
gr/cm3
1.649
ASTM C29
Peso unitario suelto
gr/cm3
1.575
ASTM C29
Nota: Elaboración propia
99
El resultado del análisis granulométrico del agregado grueso será mostrado en las Tabla
42, el cual presenta una curva granulométrica continúa, esta será mostrada en la figura 19.
Tabla 42 Granulometría de agregado canto rodado Tamices
Abertura
Peso retenido
Peso retenido
Porcentaje retenido
Porcentaje
en mm
en cada tamiz
acumulado
acumulado
más fino
2 ½”
63
0.00 gr
0.00 gr
0.00 %
100.00 %
2”
59
0.00 gr
0.00 gr
0.00 %
100.00 %
1 ½”
37.5
0.00 gr
0.00 gr
0.00 %
100.00 %
1”
25
0.00 gr
0.00 gr
0.00 %
100.00 %
¾”
19
879.12 gr
879.12 gr
9.32 %
90.68 %
½”
12.5
2611.28 gr
3490.40 gr
37.00 %
63.00 %
3/8”
9.5
1623.29 gr
5113.69 gr
54.20 %
45.80 %
N° 4
4.75
3443.42 gr
8557.11 gr
90.71 %
9.29 %
N° 8
2.36
747.14 gr
9304.26 gr
98.62 %
1.38 %
N° 200
0.075
46.23 gr
9350.49 gr
99.11 %
0.89 %
Nota: Elaboración propia " ½ " 2 2
" ½ 1
100.00 %
" 1
100.00 %
" 4 / 3
" 2 / 1
" 8 / 3
4 ° N
8 ° N 100
100.00 % 90.68 %
90
80
A S A P E U Q
70
63.00 % 60
50
45.80 %
E J A T N E C R O P
40
30
20
9.29 %
10
1.38 % 0 . 0 0 1
0 0 7 6
0 5
0 4
0 3
0 2
0 . 0 1
0 , 0 , 0 , 0 , 0 , 9 8 7 6 5
0 , 4
0 , 3
0 , 2
0 0 . 1
DIÁMETRO (mm)
Figura 19. Curva granulométrica de agregado canto rodado, elaboración propia.
100
1.2.4.2. Ensayos para Control de calidad de agregado grueso
Para los agregados grueso al igual que para los agregados finos se realizaron todos los ensayos necesarios para certificar la calidad del material, no se realizaran todos los exigidos por la norma NB 596 debido a dos factores; el cumplimiento de calidad de algunos ensayos evita el desarrollo de otros, la zona de estudio no está expuesta a heladas ni deshielo, adicionalmente se utilizara la norma ASTM C 131 para determinar la abrasión debido a que la norma boliviana no contempla un procedimiento para agregados menores a 2.54 pulgadas , en la Tabla 43 se puede apreciar un resumen de los ensayos realizados.
Tabla 43 Resultados de ensayos para verificación de calidad agregado canto rodado
Datos
Unidad Resultado
Norma
Valor de trituración
%
-
-
Valor de impacto
%
-
-
Valor de abrasión
%
23.47
ASTM C131
Terrones de arcilla
%
0.28
NB 601
%
-
NB 612
Partículas de bajo peso específico retenidos por el tamiz N°200 y que flota en liquido de masa especifica 2 Nota: Elaboración propia
No se realizaron ensayos de impacto y trituración debido a que la norma boliviana cuenta con metros para su determinación, el tomar métodos de otras normas puede alterar el resultado por lo cual es correcto comparar con las especificaciones proporcionadas por la norma NB 596.
1.2.5. Ensayos de agua para hormigones 1.2.5.1. Ensayos para dosificación y control de calidad de agua para hormigones Los resultados de los ensayos para agua fueron otorgados por la empresa proveedora y no se realizara ensayos para certificar estos resultados debido a que el agua es potable en la
Tabla 44 se puede apreciar los resultados obtenidos por la empresa proveedora, estos valores son los máximos y mínimos del año 2017 según el control correspondiente.
101
Tabla 44 Resumen de ensayos para control de calidad de agua para hormigones
Sustancias perjudiciales
Unidad
Agua para hormigones
Peso específico
g/cm3
1.00
Exponente de hidrógeno
%
7.1
Substancia disueltas
%
0.28
Sulfatos
%
0.014
Cloro
%
0.0152
Hidratos de carbono
%
0
%
-
Sustancias orgánicas solubles en éter Nota: Elaboración propia
1.3. Control de calidad de los materiales 1.3.1. Control de calidad aditivos El aditivo seleccionado cuenta con certificaciones de calidad por lo cual no es necesario realizar un control del mismo, los controles adicionales como color, homogeneidad y otros se realizarán en el momento de realizar las probetas debido a que estos pueden sufrir cambios durante el almacenamiento por factores climáticos. 1.2.5.1. Control de calidad del cemento
Para los cementos se realizarán el control de calidad en base a la norma NB 011, adicionalmente estos materiales al igual que los aditivos cuentan con certificaciones de calidad, por motivos académicos se realizará las verificaciones mostradas en la Tabla 45 y Tabla 46.
102
Tabla 45 Verificación de calidad de cemento IF-30
CARACTERÍSTICAS FÍSICAS Detalle
Unidad
IF30
NB 011
Inicio de fraguado
min
213.00
> 45
Fin de fraguado
min
295.00
< 420
Residuo en tamiz 0,075 mm (N° 200)
%
7.43
-
Residuo en tamiz 0,045 mm (N° 325)
%
22.19
-
Superficie especifica (RI AINF)
m 2/kg
348.40
> 260
Peso específico real
g/cm 3
3.12
-
Expansión en caliente
mm
0.50
< 10
Detalle
Unidad
IF30
NB 011
Agua de consistencia normal
%
26.86
-
03 días
Mpa
19.75
> 10
07 días
Mpa
26.35
> 17
27 días
Mpa
35.22
> 30
Detalle
Unidad
IF30
NB 011
Perdida al fuego
%
8.14
< 20
SIO2
%
17.18
-
Fe2O3
%
1.93
-
Al2O3
%
4.24
-
CaO
%
63.17
-
MgO
%
3.56
<6
SO3
%
3.37
<4
Na2O
%
0.16
-
K 2O
%
0.93
-
Residuo insoluble
%
1.01
<5
CARACTERÍSTICAS RESISTENTES
CARACTERÍSTICAS QUÍMICAS
Nota: Elaboración propia, en base a norma boliviana NB 011.
103
Tabla 46 Verificación de calidad de cemento IP-30
CARACTERÍSTICAS FÍSICAS Detalle
Unidad
IP - 30
NB 011
Inicio de fraguado
min
105
> 45
Fin de fraguado
min
115
< 600
Residuo en tamiz 0,075 mm
%
-
-
Residuo en tamiz 0,045 mm
%
-
-
Expansión Le-Chatelier C-A
mm
0.92
> 200
Superficie especifica Blaine
m 2/kg
450.3
-
Peso específico real
g/cm 3
2.932
-
Detalle
Unidad
ITACAMBA IF30
NB 011
03 días
Mpa
29.3
> 10
07 días
Mpa
39.7
> 17
27 días
Mpa
21.1
> 30
Unidad
39.7
NB 011
Perdida al fuego
%
4.46
<7
SIO2
%
-
-
Fe2O3
%
-
-
Al2O3
%
-
-
CaO
%
-
-
MgO
%
3.44
<6
SO3
%
3.02
<4
Na2O
%
-
-
K 2O
%
-
-
Residuo insoluble
%
-
<5
CARACTERÍSTICAS RESISTENTES
CARACTERÍSTICAS QUÍMICAS Detalle
Nota: Elaboración propia, en base a norma boliviana NB 011.
1.3.3. Control de calidad del agregado fino Los áridos finos del Rio Piraí cumplen con los requisitos en cuanto a granulometría y en cuanto a la cantidad de substancias perjudiciales los cuales serán mostrados en la Tabla
47 y Tabla 48, no se realizará el control de durabilidad debido a la zona de estudio tiene clima cálido y no experimenta heladas.
104
Tabla 47 Control de calidad de agregado fino Rio Piraí Sustancias perjudiciales
Unidad Agregado fino
Terrones de arcilla
NB 011
%
0.899
1.00
%
-
0.50
%
-
1.20
Partículas de bajo peso específico retenidos por el tamiz N°200 y que flota en liquido de masa especifica 2 Compuesto de azufre expresados en SO4 referidos al árido seco Nota: Elaboración propia
Tabla 48 Verificación de límites granulométricos Granulometría Agregado fino Rio Piraí
Limites granulométricos NB 596 Tipo II
-
-
-
100.00 %
95
100
95.17 %
95
100
82.47 %
90
100
56.84 %
80
100
12.95 %
15
50
4.140 %
0
10
-
-
-
Nota: Elaboración propia
1.3.4. Control de calidad agregado grueso Los áridos gruesos seleccionados para el análisis del presente tema de tesis, fueron sometidos a un control de calidad según las especificaciones exigidas por la norma NB 011, los cuales cumplen con dichas especificaciones en cuanto requisitos físicos mecánicos y químicos, los resultados serán mostrados en la Tabla 49, no se realizara el control de durabilidad debido a la zona de estudio tiene clima cálido y no experimenta heladas, adicionalmente se obviara el control de granulometría debido a que en los acápites anteriores las curvas granulométricas muestran que estos materiales cumplen con este requisito.
105
Tabla 49 Control de calidad de agregado grueso Agregado canto
NB 011
Ensayo de laboratorio
Unidad
rodado
Desgaste por abrasión
%
23.47
< 30
Terrones de arcilla
%
0.28
< 1.00
%
-
< 0.50
%
-
< 1.20
Partículas de bajo peso específico retenidos por el tamiz N°200 y que flota en liquido de masa especifica 2 Compuesto de azufre expresados en SO4 referidos al árido seco Nota: Elaboración propia
1.3.5. Control de calidad de agua para hormigones El control de calidad del agua para hormigones se realizó en base a la norma NB 637, para el control se tomaron los valores obtenidos en el acápite de ensayos para calidad de agua, los cuales son los valores máximos y mínimos obtenidos del año 2017, en la Tabla 50 se puede apreciar el control de calidad de este material.
Tabla 50 Control de calidad de agua para hormigones Agua para
Sustancias perjudiciales
Unidad
Exponente de hidrógeno
%
7.1
≥ 5.00
Substancia disueltas
%
0.28
≤ 15.00
Sulfatos
%
0.014
≤ 1.00
Cloro
%
0.0152
≤ 6.00
Hidratos de carbono
%
0
≤ 0.00
Sustancias orgánicas solubles en éter
%
-
≤ 15.00
hormigones
NB 637
Nota: Elaboración propia
106
1.4. Dosificaciones Para la dosificación se optó por el método ACI, debido a que es el más utilizado para en cuanto a dosificación de hormigones, este método parte de la resistencia que debe obtener el hormigón lo cual hace que sea adecuado para cualquier tipo de obra y gracias a esto se obtiene resultados bastante satisfactorios. Los dosificaciones de hormigones seran diceñadas para obtener una resistencia a la comprecion de 21 Mpa a los 28 dias.
1.4.1. Dosificaciones patrón Estas dosificaciones tienen la principal característica de que no están compuestas por ninguna clase de aditivo que afecte sus propiedades, es decir están compuestas por agregado fino, agregado grueso, cemento, arena y agua, de las cuales se tendrán dos dosificaciones las cuales nos servirán para analizar y representar mediante graficas de control, la influencia del aditivo retardador de fraguado en las propiedades mecánicas de hormigones H21, en la Tabla 51 se mostraran los materiales que formaran parte de la composición de las dosificaciones patrón.
Tabla 51 Materiales que componen las dosificaciones
Dosificación Patrón A
Patrón B
Agua
Agua
Agregado fino
Agregado fino
Cemento IF-30
Cemento IP-30
Agregado grueso Canto Rodado
Agregado grueso Canto Rodado
Nota. Elaboración propia
107
1.4.1.1. Dosificación Patrón A Esta dosificación al igual que la dosificación patrón A está compuesta por los materiales ya seleccionados para el estudio del presente tema tesis, la principal característica de esta dosificación es que está compuesta por cemento IF 30, en la Tabla 52 se mostrara un resumen de la dosificación.
Tabla 52 Resumen de dosificación Patrón A
Descripción unidad Datos Características de dosificación Tipo de dosificación Hormigón sin aire incorporado Condición de ejecución Muy buenas Selección de relación agua/cemento 0.55 Selección de asentamiento cm 6 cantidad de aire atrapado aproximado % 2 Dosificación básica por metro cubico de hormigón Contenido de agua lt 186.00 Contenido de cemento 338.18 kg Contenido de agregado grueso 1078.68 m3 Agregado fino 771.35 m3 Dosificación activa u operativa por metro cubico de hormigón Contenido de agua lt 171.93 Contenido de cemento 338.18 kg Contenido de agregado grueso 1084.55 m3 Agregado fino 810.21 m3 Dosificación activa u operativa por bolsa Contenido de agua lt 25.420 Contenido de cemento 50.000 kg Contenido de agregado grueso 160.350 kg Agregado fino 119.789 kg Dosificación activa u operativa por probeta Contenido de agua lt 0.911 Contenido de cemento 1.793 kg Contenido de agregado grueso 5.750 kg Agregado fino 4.295 kg Nota: Elaboración propia
108
1.4.1.2. Dosificación Patrón B Esta dosificación al igual que la dosificación patrón A está compuesta por los materiales ya seleccionados para el estudio del presente tema tesis, la principal característica de esta dosificación es que está compuesta por cemento IP 30, en la Tabla 53 se mostrara un resumen de la dosificación.
Tabla 53 Resumen de dosificación Patrón B
Descripción unidad Datos características de dosificación Tipo de dosificación Hormigón sin aire incorporado Condición de ejecución Muy buenas Selección de relación agua/cemento 0.55 Selección de asentamiento cm 6 cantidad de aire atrapado aproximado % 2 Dosificación básica por metro cubico de hormigón Contenido de agua lt 186.00 Contenido de cemento 338.18 kg Contenido de agregado grueso 1078.68 kg Agregado fino 765.00 kg Dosificación activa u operativa por metro cubico de hormigón Contenido de agua lt 172.20 Contenido de cemento 338.18 kg Contenido de agregado grueso 1084.55 m3 Agregado fino 803.55 m3 Dosificación activa u operativa por bolsa Contenido de agua lt 25.459 Contenido de cemento 50.000 kg Contenido de agregado grueso 160.350 kg Agregado fino 118.804 kg Dosificación activa u operativa por probeta Contenido de agua lt 0.913 Contenido de cemento 1.793 kg Contenido de agregado grueso 5.750 kg Agregado fino 4.260 kg Nota: Elaboración propia
109
1.4.2. Dosificaciones con aditivos Estas dosificaciones nos permitirán determinar la influencia del aditivo retardador seleccionado, en las propiedades mecánicas de los hormigones H21. Las proporciones de los aditivos incorporadas a las dosificaciones serán agregadas según los parámetros especificados por los proveedores de los aditivos en uso y se saldrá en + 0.2% de dichos parámetros para analizar el efecto negativo que causara en el hormigón, en la Tabla 54 se mostrara el porcentaje de aditivo que se incorporara en relación al peso del cemento.
Tabla 54 Porcentajes de aditivo por peso de cemento Porcentaje de aditivo incorporado Dosificación patrón
P1
P2
P3
PF
Patrón A
0.2
1
2
2.2
Patrón B
0.2
1
2
2.2
Nota: Elaboración propia Pi = Porcentajes dentro de parámetros especificados por el proveedor. PF= Porcentaje fuera de parámetros especificados por el proveedor.
Las dosificaciones serán las mismas en cuanto a cantidades de materiales, debido a que el aditivo tiene la característica de solo retardar el fraguado no altera la fluidez del hormigón, por lo cual no es necesario realizar correcciones, para los controles resistencia y tiempo de fraguado los hormigones con aditivo serán denominados con la letra identificativa del hormigón patón más la designación del porcentaje incorporado, un ejemplo para una dosificación con aditivo que tiene las cantidades de material del hormigón patrón A y tiene un 0.2 % de aditivo en relación al peso del cemento, esta dosificación será denominada
Dosificación AP1. 1.5. Elaboración de probetas La elaboración de probetas se realizará de acuerdo las especificaciones de la norma boliviana NB 586, la cantidad de probetas por cada dosificación serán de 12 por cada ensayo de resistencia.
110
1.6.
Ensayos de resistencia
Los ensayos de resistencia se realizarán cada 7 días, para de esta manera obtener un análisis correcto de la influencia de los aditivos en la resistencia mecánica de los hormigones, estos ensayos deben estar basados en las normas NB 639 y NB 640 las cuales especifican la metodología que se be realizar para determinar de manera correcta la resistencia del hormigón.
2. Resultados obtenidos Los resultados serán representados mediante gráficas y planillas. Se realizaran interpolaciones entre los resultados de las dosificaciones que están dentro de los parámetros y se verificaran con los resultados de dosificaciones intermedias, de esta manera se verificara si se puede aplicar esta metodología para incorporar aditivo en proporciones no tomadas en cuenta en la tesis, a continuación se mostrara la metodología de cálculo. Fck 1 = Resistencia en determinado día, de dosificación AP1 Fck 2 = Resistencia en determinado día, Resistencia de dosificación AP2 Fck 3 = Resistencia en determinado día, Resistencia de dosificación AP3 Fckp = Resistencia obtenida mediante interpolación Fckp ≥ Fck 2, si se cumple esta condición se confirmara que la aplicación de otros
porcentajes de aditivos no alterara negativamente la resistencia del hormigón.
111
