DISEÑO DE MEZCLAS PARA CONCRETO El diseño de mezclas es un pro ceso que consiste de pasos dependientes d ependientes entre si: a) Selección de los ingredientes convenientes (cemento, agregados, agua y aditivos). b) Determinación de sus cantidades relativas ³propo rcionamiento´ para producir un, tan económico como sea posible, un concreto de trabajabilidad, resistencia a compresión y durabilidad apro piada.
Consideraciones basicas de diseño Economía El costo del concreto es la suma del costo de los materiales, de la mano de obra empleada y el equipamiento. Sin embargo excepto para algunos concretos especiales, el costo de la mano de obra y el equipamiento son muy independientes del tipo y calidad del concreto producido. Por lo tanto los costos de los materiales son los más importantes y los que se deben tomar en cuenta para comparar mezclas diferentes. Debido a que el cemento es más costoso que los agregados, es claro que minimizar el contenido del cemento en el concreto es el factor más importante para reducir el costo del concreto. En general, esto puede ser echo del siguiente modo: - Utilizando el menor slump que per mita mita una adecuada adec uada colocación. - Utilizando el mayor tamaño máximo del de l agregado (respetando las limitaciones indicadas en el capítulo anterior). - Utilizando una relación óptima del de l agregado grueso al agregado fino. fino. - Y cuando sea necesario utilizando un aditivo conveniente. Es necesario además señalar que en adición al costo, hay otros beneficios relacionados con un bajo contenido de cemento. En general, las contracciones serán reducidas y habrá menor calor de hidratación. Por otra parte un muy bajo contenido de cemento, ce mento, disminuirá disminuirá la resistencia temprana del de l concreto y la uniformidad del concreto será una consideración crítica.
Trabajabilidad Claramente
un concreto apropiadamente diseñado debe permitir ser colocado y compactado apropiadamente con el equipamiento disponible. El acabado que permite el concreto debe ser el requerido y la segregación y sangrado deben ser minimizados. Como regla general el concreto co ncreto debe ser suministrado con la trabajabilidad mínima que permita una adecuada colocación. La cantidad de agua requerida por trabajabilidad dependerá principalmente de las características de los agregados en lugar de las características características del cemento. Cuando la trabajabilidad debe ser mejorada, el rediseño de la mezcla debe consistir en incrementar la cantidad de mortero en lugar de incrementarsimplemente el agua y los finos (cemento). Debido a esto es esencial unacooperación entre el diseñador y el constructor para asegurar una buenamezcla de concreto. En algunos casos una menos mezcla económica podríaser la mejor solución. Y se deben prestar oídos sordos al frecuente pedido, enobra, de ³más agua´.
Resistencia y durabilidad En general las especificaciones del concreto requerirán una resistencia mínima a compresión. Estas especificaciones también podrían imponer limitaciones limitaciones en en la máxima relación agua/cemento (a/c) y el contenido mínimo de cemento. Es importante asegurar que estos requisitos no sean mut uamente incompatibles. Como veremos en otros capítulos, no necesariamente la resistencia a compresión a 28 días será la más importante, debido a esto la resistencia a otras edades podría controlar el diseño. Las especificaciones también podrían requerir que el concreto cumpla ciertos requisitos de durabilidad, tales como resistencia al congelamiento y deshielo ó ataque químico. Estas consideraciones podrían establecer limitaciones adicionales en la relación agua cemento (a/c), el contenido de ce mento y en adición podría requerir requer ir el uso de aditivos.
INFORMACION REQUERIDA PARA EL DISEÑO DE MEZCLAS M EZCLAS y y y y
y y y y y
Análisis
granulométrico de los agregados Peso unitario compactado de lo agregados (fino y grueso) Peso específico de los agregado s (fino (fino y grueso) Contenido de humedad y porcentaje de absorción de los agregados (fino y grueso) Perfil y textura de los agregados Tipo y marca del cemento Peso específico del cemento R elaciones elaciones entre resistencia y la relación agua/cemento, para combinaciones posibles de cemento y agregados.
PASOS PARA EL PROPORCIONAMIENTO 1.
Estudio detallado de los planos y especificaciones técnicas de obra. 2. Elección de la resistencia promedio (fcr) 3. Elección del Asentamiento (Slump) 4. Selección del tamaño máximo del agregado grueso. 5. Estimación del agua de mezclado y contenido de aire. 6. Selección de la relación agua/cemento (a/c). 7. Cálculo del contenido de cemento. 8. Estimación del contenido de agregado grueso y agregado fino. 9. A justes por humedad y absorción. 10. Cálculo de proporciones en peso. 11. Cálculo de proporciones en vo lumen. 12. Cálculo de cantidades por tanda.
1. Especificaciones técnicas Antes
de diseñar una mezcla de concreto debemos tener en mente, primero, el revisar los planos y las especificaciones técnicas de o bra(resistencia bra(resistencia del suelo, presencia de sulfatos,etc) donde podremos encontrar todos los requisitos que fijó el ingeniero proyectista para que la obra pueda cumplir ciertos requisitos durante su vida útil.
2. Elección de la resistencia promedio Si se desconoce el valor de la desviación estándar, se utilizara ut ilizara la Tabla1 para la determinación de la resistencia promedio requerida.
f¶c (kg/cm2)
f¶cr (kg/cm2)
< 210
f¶c + 70
210 a 350
f¶c + 84
> 350
f¶c + 99
3. Elección del asentamiento (Slump) Utilizando la tabla 2 podemos seleccionar un valor adecuado para un determinado trabajo que se va a realizar. rea lizar.
Tabla 2 TIPO
DE ESTR UCTURA Zapatas y muros de cimentación reforzados Cimentaciones simples y calzaduras Vigas y muros armados Columnas Muros y pavimentos Concreto ciclópeo
SLUMP MAXIMO
SLUMP MINIMO
3"
1"
3"
1"
4" 4" 3"
1"
3" 1"
2"
1"
4. Selección de tamaño máximo del agregado Las Normas de Diseño Estructural recomiendan que el tamaño máximonominal del agregado grueso sea el mayor que sea económicamentedisponible, siempre que sea compatible con las dimensiones y característicasde la estructura. La Norma La Norma Técnica de Edificación E. 060 prescribe 060 prescribe que el agregado grueso no deberá ser mayor de: a) 1/5 de la menor dimensión entre las caras de encofrados b) 1/3 del peralte de la losa; o c) 3/4 del espacio libre mínimo entre barras individuales de refuerzo, paquetes de barras, tendones o ductos de presfuerzo. En general este principio es válido con agregados hasta 40mm (1½¶¶). En tamaños mayores, sólo es aplicable a concretos con bajo co ntenido de cemento.
5. Estimación del agua de mezclado y contenido de aire La tabla 3 preparada en base a las recomendaciones del Comité 211 del ACI, nos proporciona una primera estimación del agua de mezclado para concretos hechos con diferentes d iferentes tamaños máximos de agregado con o sin aire incorporado.
Tabla3 Tamaño
SLUMP
Maximo de Agregado 3/8" Concreto
1"
a 2" 3" a 4" 6" a 7"
1/2"
3/4"
1"
1 1/2"
2"
3"
4"
185
180
160
155
145
125
200 210
195
175
170
160
140
205
185
180
170
---
Sin Aire Incorporado
205 225 240
200 215 230
Concreto Con Aire Incorporado 1"
a 2" 3" a 4" 6" a 7"
181
175
168
160
150
142
122
107
202 216
193
184
175
165
157
133
119
205
197
184
174
166
154
---
6. Elección de la relación agua/cemento (a/c) La relacion agua cemento lo determinamos según la siguiente Tabla4:
Tabla4 elacion R elacion Agua/Cemento
f'cr a 28 dias (kg/cm2)
en
peso Sin Aire Incorporado
Con Aire Incorporado
450
0.38
---
400
0.43
---
350
0.48
0.40
300
0.55
0.46
250
0.62
0.52
200
0.70
0.61
150
0.80
0.71
7. Cálculo del contenido de cemento Una vez que la cantidad de agua y la relación a/c han sido estimadas, la cantidad de cemento por unidad de volumen del concreto es determinada dividiendo la cantidad de agua por la relación a/c. Contenido
del cemento= Contenido del agua de mezclado elacion a/c R elacion
8. Estimación del contenido de agregado grueso y agregado fino Se determina el contenido de agregado grueso mediante la tabla 5, elaboradapor el Comité 211 del ACI, en función del tamaño máximo nominal delagregado grueso y del módulo de fineza del agregado fino. La tabla 5 permiteobtener permiteobtener un coeficiente 0 b / b resultante de la división del peso seco delagregado grueso entre el peso unitario seco y compactado del agregadogrueso expresado en kg m3 .
Tabla5 Volumen de A°G° Compactado en Seco Tamaño
Maximo
Modulo de Fineza de la
de Agregado 3/8 " 1/2 " 3/4 " 1 " 1 1/2 " 2 " 3 " 6 "
2.40 0.50 0.59 0.66 0.71 0.76 0.78 0.81 0.87
2.60 0.48 0.57 0.64 0.69 0.74 0.76 0.79 0.85
Arena
2.80 0.46 0.55 0.62 0.67 0.72 0.74 0.77 0.83
Obtenido b / b0 procedemos a calcular la cantidad de agregado grueso necesario para un metro cúbico de concreto, de la siguiente manera:
Peso seco del A grueso( kg/m3)= b x Peso unitario compactado del A grueso b0
Entonces los volúmenes de los agregados agregado s grueso y fino serán: agregado grueso(m3)= Peso seco del A grueso Peso especifico del A grueso ol V ol
ol .agregado V ol
fino (m ) =1- (V ol ol .agua+V ol ol .aire+V ol ol .cemento+V ol ol .agregado grueso )
Peso agregado fino (k g /m ) = (V ol ol .agregado fino) ( Peso Peso especifico del agregado fino)
3.00 0.44 0.53 0.60 0.65 0.69 0.72 0.75 0.81
9. Ajustes por humedad y absorción Si los agregados están secos al aire absorberán agua y disminuirán la relación a/c y la trabajabilidad. Por otro lado si ellos tienen humedad libre en su superficie agregados mojados) aportaránalgo de esta agua a la pasta aumentando la elación a/c, la trabajabilidad ydisminuyendo la resistencia a compresión. Por lo tanto la mezcla debe ser ajustada tomándolos en cuenta.
Calculo: 1. Especificaciones técnicas Se pide el diseño de mezcla para una columna, co lumna, en condiciones normales (sin aire incorporado), con una resistencia de suelo de 0.8. -
-
-
-
-
-
-
Agregado
grueso, su tamaño máximo 1´ pulgada Peso Unitario ( AG) = 1750 kg/m3 A bsorción = 1.30% Humedad = 0.33% Peso Unitario del agregado fino = 1460 A bsorción ( AF) = 2.80 Humedad ( AF)= 0.45
2. Elección de la resistencia promedio f cr cr = f c + 84 cr = 210 +84=294 kg/cm3 f cr
3. Elección del asentamiento (Slump) El asentamiento hallado es de 7.8 cm aprox.por lo q cumple los parámetros de una
4. Selección de tamaño máximo del agregado El tamaño máximo es de 1´ pulgada
Columna.
5. Estimación del agua de mezclado y contenido de aire Según la tabla 3, la estimación del agua de mezclado es de
A= 195
kg/m3
6. Elección de la relación agua/cemento (a/c) Guiandonos
de la tabla 4 (sin aire incorporado), interpolamos int erpolamos para obtener el a/c de nuestro f cr (294
kg/cm3).
a/c= 0.618
7. Cálculo del contenido de cemento Cc = 195= 315.53 kg 0.618
8. Estimación del contenido de agregado grueso y agregado fino Tamaño
máximo = 1´ pulgada Modulo de Fineza= 2.4 y
Y según la tabla 5, Vol ( AG) = 0.71
y
Peso (AG)= 1750 x 0.71 = 1242.5 kg
-
-
Peso del Cemento (según tabla) = 2380 Kg Peso (AF) = 2380 ± (195+315.53+1242.5) = 626.97 kg
9. Ajustes por humedad y absorción
y
y
Peso A.G húmedo= 1242.5 ( 1 + 0.33 ) = 1246.60 kg kg 100 Peso A.F Humedo Humedo = 626.97 ( 1+ 0.45 ) = 629.79 kg 100
Agua Efectiva Agua
en A.G = 1242.5 ( 0.33- 1.30) = - 12.05
100 Agua
en A.F = 626.97 ( 0.45- 2.80) = - 14.73
100 Agua
= 195 ± (-12.05 ± 14.73) = 221.78 kg
10. Cálculo de las proporciones en peso
315.53 :626.97 : 1246.60 : 221.71 315.53315.63315.63315.63
1
:
1.99
:
3.95
:
0.70