I.- TITULO: Importancia en la resistencia inicial a la compresión el concreto estructural utilizando diferentes aditivos acelerantes de fragua y plastificantes, en la zona alto andina de Tacna (Alto Perú) PALCA 1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA El desarrollo lento de la resistencia a la compresión del concretodebido a la hidratación lenta y prolongación del tiempo de fraguado en las zonas alto andinas de Tacna con heladas y bajas temperaturas que varían desde -4°C hasta 20°C 1.2 FORMULACION DEL PROBLEMA Dado que en la construcción de distintos
tipos de
estructuras serequiere de
concretoestructural, lo que ha generado una necesidad del uso de este en la construcción de obras en la zona alto Andina de Tacna, especialmente en el Anexo de Alto Perú - Palca, donde la Municipalidad cuenta con buenos presupuestos producto del canon minero de la explotación de importantes yacimientos mineros de la Zona. Teniendo en cuenta las bajas temperaturas, temperaturas, el clima y la humedad hacen que el fraguado fraguado requiera de mayor tiempo para su secado así como mejorar su resistencia, para salvar este problema se recurre al uso de aditivos de fragua y plastificantes que las fabricas ofrecen de distintas propiedades, por lo cual se hace necesario realizar un diseño experimental para determinar el mejor aditivo considerando considerando la mejor calidad y su precio de venta venta en el mercado. Debido a la falta de conocimiento de la población muchas veces se elige el producto de menor precio en el mercado, pesando que se genera un ahorro sin embargo no necesariamente el producto más económico no es aquel que asegure una buena calidad en las estructuras de concreto armado. Teniendo en cuenta estas consideraciones
se plantean las siguientes interrogantes del
problema de investigación: 1.2.1 PROBLEMA PRINCIPAL ¿Cuál es el aditivo acelerante de fragua y plastificante que genera la mejor resistencia a la compresión inicial en el concreto estructural y mejor comportamiento a temperatura ambiente en las zonas alto andinas de Tacna?
1
1.2.2 PROBLEMAS SECUNDARIOS ¿Cuál es el aditivo acelerante y plastificante de menor costo que genera una mayor mayor resistencia a la comprensión inicial del concreto armado en la zona alto andina de Tacna? ¿Con qué temperatura el aditivo acelerante de fragua y plastificante logra la l a mayor resistencia a la comprensión inicial del concreto estructuralen la zona alto andina de Tacna? 1.3 OBJETIVOS DE LA INVESTIGACION: 1.3.1 OBJETIVO GENERAL Determinar el mejor aditivo acelerante de fragua y plastificante que muestre la mejor resistencia a la compresión inicial, el menor costo, y mejor comportamiento a temperatura ambiente para el concreto estructural en las zonas alto andinas de Tacna 1.3.2OBJETIVOS ESPECIFICOS: -
Determinar el aditivo de fragua acelerante plastificante que genera mayor resistencia a la comprensión inicial del concreto estructural en la zona alto andina de Tacna
-
Obtener el aditivo acelerante y plastificante de menor costo que genera una mayor resistencia a la comprensión inicial del concreto armado en la zona alto andina de Tacna.
-
Evaluarla temperatura que el aditivo acelerante de fragua y plastificante logra la mayor resistencia a la comprensión inicial del concreto armado en la zona alto andina de Tacna.
1.4 JUSTIFICACION DEL ESTUDIO Este problema se justifica en la necesidad de tener un mejor desempeño del concreto en las condiciones ambientales de la zona alto andina de Tacna con ayuda de aditivos que aceleren el proceso de fraguado, de acuerdo a una temperatura y tengan una mejor resistencia a la compresión a un bajo costo.
2
1.5 PLANTEAMIENTO DE HIPOTESIS 1.5.1 HIPOTESIS GENERAL Existe diferencia significativa entre los diferentes tipos de aditivos acelerantes de fragua y plastificantesen relacióna la resistencia a la compresión inicial, costo y comportamiento a temperatura ambiente para el concreto armado en las zonas alto andinas de Tacna. 1.5.2 HIPOTESIS ESPECÍFICAS: -
La resistencia a la comprensión inicial del concreto armado en la zona alto andina de Tacna es diferente según el tipo aditivo usado
-
Según el costo del
tipo aditivo acelerante y plastificante varia varia la resistencia a la
comprensión inicial del concreto armado en la zona alto andina de Tacna. -
la temperaturainfluye significativamente en la comprensión inicial del concreto armado en la zona alto andina de Tacna
1.6 VARIABLES: 1.6.1 VARIABLE DEPENDIENTE: Resistencia a la comprensión comprensión del concreto concreto armado Indicadores: % de Resistencia 1.6.2 VARIABLES INDEPENDIENTES: Tipo de aditivo Costo del aditivo en Soles Temperatura 8 am y 12 pm Indicadores: Tipo aditivo: bueno, regular, óptimo Precio del aditivo: Nuevos soles Temperatura: grados centígrados
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CAPITULO
II
2.- MARCO TEORICO 2.1 CONCRETO El concreto es básicamente una mezcla de dos componentes: Agregado y pasta. La pasta, compuesta de Cemento Portland y agua, une a los agregados (arena y grava o piedra triturada) para formar una masa semejante a una roca pues la pasta endurece debido a la reacción química entre el Cemento y el agua. Los agregados generalmente se dividen en dos grupos: finos y gruesos. Los agregados finos consisten en arenas naturales o mano facturadas con tamaños de partículas que pueden llegar hasta 10mm; los agregados gruesos son aquellos cuyas partículas se retienen en la malla No. 16 y pueden variar hasta 152 mm. El tamaño máximo de agregado que se emplea comúnmente es el de 19 mm o el de 25 mm. La pasta está compuesta de Cemento Portland, agua y aire atrapado o aire incluido intencionalmente. Ordinariamente, la pasta constituye del 25 al 40 % del volumen total del concreto. El volumen absoluto del Cementoestá comprendido usualmente entre el 7 y el 15 % y el agua entre el 14 y el 21 %. El contenido de aire y concretos con aire incluido puede llegar hasta el 8% del volumen del concreto, dependiendo del tamaño máximo del agregado grueso. Como los agregados constituyen aproximadamente el 60 al 75 % del volumen total del concreto, su selección es importante. Los agregados deben consistir en partículas con resistencia adecuada así como resistencias a condiciones de exposición a la intemperie y no deben contener materiales que pudieran causar deterioro del concreto. Para tener un uso eficiente de la pasta de cemento y agua, es deseable contar con una granulometría continua de tamaños de partículas. La calidad del concreto depende en gran medida de la calidad de la pasta. En un concreto elaborado adecuadamente, cada partícula de agregado está completamente cubierta con pasta y también todos los espacios entre partículas de agregado. Para cualquier conjunto especifico de materiales y de condiciones de curado, la cantidad de concreto endurecido está determinada 4
por la cantidad de agua utilizada en la relación con la cantidad de Cemento. A continuación se presenta algunas ventajas que se obtienen al reducir el contenido de agua: • Se incrementa la resistencia a la compresión y a la flexión. • Se tiene menor permeabilidad, y por ende mayor hermeticidad y menor absorción.
• Se incrementa la resistencia al intemperismo.
• Se logra una mejor unión entre capas sucesivas y entre el concreto y el esfuerzo. • Se reducen las tendencias de agr ietamientos por contracción.
Entre menos agua se utilice, se tendrá una mejor calidad de concreto – a condición que se pueda consolidar adecuadamente. Menores cantidades de agua de mezclado resultan en mezclas más rígidas; pero con vibración, aun las mezclas más rígidas pueden ser empleadas. Para una calidad dada de concreto, las mezclas más rígidas son las más económicas. Por lo tanto, la consolidación del concreto por vibración permite una mejora en la calidad del concreto y en la economía. Las propiedades del concreto en estado fresco (plástico) y endurecido, se puede modificar agregando aditivos al concreto, usualmente en forma líquida, durante su dosificación. Los aditivos se usan comúnmente para: 1.
ajustar el tiempo de fraguado o endurecimiento,
2.
reducir la demanda de agua,
3.
aumentar la trabajabilidad,
4.
incluir intencionalmente aire, y
5.
ajustar otras propiedades del concreto.
Después de un proporcionamiento adecuado, así como, dosificación, mezclado, colocación, consolidación, acabado, y curado, el concreto endurecido se transforma en un material de construcción resistente, no combustible, durable, resistencia al desgaste y prácticamente impermeable que requiere poco o nulo mantenimiento. El concreto también es un excelente material de construcción porque puede moldearse en una gran variedad de formas, colores y texturizados para ser usado en un número ilim itado de aplicaciones. 2.2 PROPIEDADES MECANICAS Y FISICAS DE LOS CEMENTOS. Fraguado. La velocidad de fraguado se mide a partir del amasado, mediante la aguja de Vicat. 5
El cemento de resistencia muy alta se inicia pasado 45 minutos, mientras que el de resistencia alta, media y baja, se inicia pasados 60, aunque todos ellos finalizan antes de 12 horas. El fraguado es más corto y rápido en su comienzo a mayor finura del cemento. La presencia de materia orgánica, retrasa el fraguado y puede llegar a inhibirlo. A menor cantidad de agua, así como a mayor sequedad del aire ambiente, corresponde un fraguado más corto. Expansión. Los ensayos mediante las agujas de Chatelier, tienen por objeto medir el riesgo de expansión tardía que puede tener un cemento fraguado, debido a la hidratación del óxido de calcio y/o oxido de magnesio libres. No debe ser superior a 10 milímetros. Finura del molido. Está ligada al valor hidráulico del cemento, ya que influye en la velocidad de las reacciones químicas de fraguado y endurecimiento. Si el cemento posee una finura excesiva, su retracción y calor de fraguado son muy altos (por lo que en general resulta perjudicial), pero la resistencia mecánica aumenta con la finura. Para la determinación de la finura se utiliza el método de la superficie específica de Blaine, (más conocido) la cual está comprendida entre 2.500 y 4.000 cm2/g. Y los métodos de tami zado en seco y tamizado húmedo. Resistencias mecánicas. Se realizan pruebas de probetas de cemento, las cuales se rompen primero por flexo-tracción con carga centrada y luego por comprensión, realizándose estas a los 2, 7 y 28 días. La resistencia aumenta a mayor cantidad de cemento emp leado.
2.3 LOS MATERIALES CEMENTANTES Son materiales aglomerantes que tienen las propiedades de adherencia y cohesión requeridas para unir fragmentos minerales entre sí, formando una masa sólida continua, de resistencia y durabilidad adecuadas. Dentro de esta categoría, además de los cementos propiamente dichos, se encuentran materiales empleados con menos frecuencia como las cales, los asfaltos y los alquitranes. Para fabricar hormigón estructural se utilizan únicamente los cementos hidráulicos (utilizan agua para reaccionar químicamente y adquirir sus propiedades cementantes durante los procesos de endurecimiento inicial y fraguado). Entre los diferentes cementos hidráulicos
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destaca, por su uso extendido, el cemento Portland, existiendo además los cementos naturales y los cementos con alto contenido de alúmina. El cemento Portland es un polvo muy fino, de color grisáceo, que se compone principalmente de silicatos de calcio y de aluminio, que provienen de la combinación de calizas, arcillas o pizarras, y yeso, mediante procesos especiales. El color parecido a las piedras de la región de Portland, en Inglaterra, dio origen a su nombre. El proceso de manufactura del cemento consiste, esencialmente, en la trituración de los materiales crudos (calizas y arcillas); su mezcla en proporciones apropiadas; y su calcinación a una temperatura aproximada de 1400°C, dentro de un cilindro rotativo, lo que provoca una fusión parcial del material, conformándose bolas del producto llamadas Clinker. El clinker es enfriado y luego es molido junto con el yeso hasta convertirlo en un polvo fino llamado cemento Portland Existen diversos tipos de cemento Portland: Tipo I: Se lo conoce como cemento Portland ordinario, que es el de mayor utilización en el mercado. Se lo utiliza en hormigones normales que no estarán expuestos a sulfatos en el ambiente, en el suelo o en el agua del subsuelo. Tipo II: Son cementos con propiedades modificadas para cumplir propósitos especiales, como cementos anti-bacteriales que pueden usarse en piscinas; cementos hidrófobos que se deterioran muy poco en contacto con sustancias agresivas líquidas; cementos de albañilería que se los emplea en la colocación de mampostería; cementos impermebilizantes que se los utiliza en elementos estructurales en que se desea evitar las filtraciones de agua u otros fluidos, etc. Tipo III: Son los cementos de fraguado rápido, que suelen utilizarse en obras de hormigón que están en contacto con flujos de agua durante su construcción o en obras que pueden inestabilizarse rápidamente durante la construcción. Tipo IV: Son los cementos de fraguado lento, que producen poco calor de hidratación. Se los emplea en obras que contienen grandes volúmenes continuos de hormigón como las presas, permitiendo controlar el calor emitido durante el proceso de fraguado. Tipo V: 7
Son cementos resistentes a los sulfatos que pueden estar presentes en los agregados del hormigón o en el propio medio ambiente. La presencia de sulfatos junto con otros tipos de cementos provoca la desintegración progresiva del hormigón y la destrucción de la estructura interna del material compuesto. 2.3 HORMIGON El hormigón es una piedra artificial formada al mezclar apropiadamente cuatro componentes básicos: cemento, arena, grava y agua. Las propiedades del hormigón dependen en gran medida de la calidad y proporciones de los componentes en la mezcla, y de las condiciones de humedad y temperatura, durante los procesos de fabricación y de fraguado. Para conseguir propiedades especiales del hormigón (mejor trabajabilidad, mayor resistencia, baja densidad, etc.), se pueden añadir otros componentes como aditivosquímicos,
microsílice,
limallas de hierro, etc., o se pueden reemplazar sus componentes básicos por componentes con características especiales como agregados livianos, agregados pesados, cem entos de fraguado lento, etc. El hormigón ha alcanzado importancia como material estructural debido a que puede adaptarse fácilmente a una gran variedad de moldes, adquiriendo formas arbitrarias, de dimensiones variables, gracias a su consistencia plástica en estado fresco. Al igual que las piedras naturales no deterioradas, el hormigón es un material sumamente resistente a la compresión, pero extremadamente frágil y débil a solicitaciones detracción Para aprovechar sus fortalezas y superar sus limitaciones, en estructuras se utiliza el hormigón combinado con barras de acero resistente a la tracción, lo que se conoce como hormigón armado 2.4 CONCRETO ARMADO El concreto armado es el material de construcción predominante en casi todos los países del mundo. Esta aceptación universal se debe en parte, a la disponibilidad de los elementos con los cuales se fabrica el concreto armado; grava, arena, cemento, agua y barras de refuerzo. También se debe a su economía, en comparación con otros materiales de construcción, y a la facilidad con la cual mientras el concreto se encuentra en estado plástico, puede colocarse en los encofrados y moldes casi de cualquier forma y tamaño. El concreto armado no se restringe a lo que denominamos concreto vaciado en sitio, hoy en día el concreto prefabricado en planta y luego transportado y colocado en la obra, representa una alternativa que permite ahorros importantes en costo y tiempo de ejecución. 8
Otra variante importante del concreto armado la constituye el concreto pre-esforzado, en la cual se combinan aceros y concretos de alta resistencia. El acero se encuentra sometido a un esfuerzo inicial (pre-esfuerzo) alto el cual se equilibra con los esfuerzos de compresión en el concreto. Debido a esta pre-compresión, el concreto en las zonas de tracción por flexión, por ejemplo en una viga, se agrietara para cargas o momentos flectores mucho más altos que los correspondientes al concreto armado convencional. Esto permite reducir significativamente el agrietamiento por flexión y las deflexiones así como extender de manera importante las luces que es posible cubrir con elementos de concreto reforzado. 2.5 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL CONCRETO ARMADO. El hecho de que el concreto armado sea uno de los materiales de construcción más utilizados en el mundo, estriba en las innumerables ventajas que ofrece, algunas de ellas se describen a continuación: PRINCIPALES VENTAJAS a) Es un material con aceptación universal. Es relativamente fácil conseguir o transportar los materiales necesarios para su fabricación b) No se necesita mucha habilidad para su fabricación y utilización. No es necesario contar con mano de obra altamente calificada. c) Es económico comparado con otros materiales. d) El concreto armado se emplea en casi cualquier tipo o forma estructural, es decir su uso no está limitado a un tipo o forma estructural particular. Se emplea en la construcción de: Represas, puentes, edificios, casas, tanques, tuberías, postes, túneles, muelles, losas de piso, pistas, veredas, etc. e) Es un material de construcción con buena durabilidad y bajo costo de mantenimiento. f)
Pueden ser capaces de soportar los efectos de un incendio durante 1 a 3 horas.
g) Material apropiado para cumplir funciones estructurales y arquitectónicas. Es posible obtener diferentes texturas y acabados. h) Las estructuras de concreto armado poseen masa y rigidez, esto las hace menos sensibles a las vibraciones verticales y laterales. PRINCIPALES DESVENTAJAS El concreto tiene baja resistencia a los esfuerzos en tracción. La resistencia en tracción directa es de alrededor del 10% de su resistencia en compresión. Debido a su baja resistencia en tracción las grietas o fisuras en las zonas sujetas a esfuerzos de tracción son casi inevitables, en consecuencia es necesario adicionar refuerzo de acero para absorber los esfuerzos en tracción y controlar el agrietamiento. 9
Las grietas hacen permeable al concreto armado y pueden producirse o acelerarse la corrosión de las armaduras en concretos poco densos y permeables. Para la construcción de elementos de concreto armado son necesarios los encofrados mientras el concreto se encuentra en estado plástico. El proceso constructivo puede ser lento. La secuencia de: encofrar, colocar armaduras de refuerzo, vaciar el concreto, esperar el desarrollo de la resistencia, desencofrar, etc. genera gran lentitud. El concreto sufre cambios de volumen con el tiempo como por ejemplo La contracción del secado, flujo plástico. El concreto armado es un material de baja resistencia por unidad de volumen si se le compara con otros materiales como por ejemplo el acero o madera. 2.6 ADITIVOS La definición propuesta por el Comité ACI 116(26), según la cual un aditivo es un material distinto del agua, los agregados, el cemento hidráulico y las fibras de refuerzo, que se utilizan como ingrediente del mortero o del concreto, y que se añade a la revoltura inmediatamente antes o durante el mezclado Los aditivos son productos que se adicionan en pequeña proporción al concreto durante el Mezclado en porcentajes entre 0.1% y 5% (según el producto o e l efecto deseado) de la masa o peso del cemento, con el propósito de producir una modificación en algunas de sus propiedades originales o en el comportamiento del concreto en su estado fresco y/o en condiciones de trabajo en una forma susceptible de ser prevista y controlada. Esta definición excluye, por ejemplo, a las fibras metálicas, las puzolanas y otros. En la actualidad los aditivos permiten la producción de concretos con características diferentes a los tradicionales, han dado un creciente impulso a la construcción y se consideran como un nuevo ingrediente, conjuntamente con el cemento, el agua y los agregados. Existen ciertas condiciones o tipos de obras que los hacen indispensables. Tanto el Comité 116R del ACI como la Norma ASTM C 125 definen al aditivo como: “Un material distinto del agua, de los agregados y cemento hidráulico que se usa como componente del concreto o mortero. Las dosis en las que se utilizan los aditivos, están en relación a un pequeño porcentaje del peso de cemento, con las excepciones en las cuales se prefiere dosificar el aditivo en una proporción respecto al agua de amasado”.
El uso de aditivos está condicionado por: 10
a) Que se obtenga el resultado deseado sin tener que variar sustancialmente la dosificación básica. b) Que el producto no tenga efectos negativos en otras propiedades del concreto. c) Que un análisis de costo justifique su empleo. 2.7 CLASIFICACION DE LOS ADITIVOS Debido a que sus efectos son muy variados, una clasificación así es muy extensa, además debido a que un solo aditivo modifica varias características del concreto, además de no cumplir todas las que especifica. Según la norma técnica ASTM-C497 es: • Tipo A: Reductores de Agua • Tipo B: Retardadores de Fragua • Tipo C: Aceleradores de Fraguado y Resistencia temprana. • Tipo D: Reductores de Agua y Retardantes • Tipo E: Reductores de Agua y Aceleradores
Según el comité 212 del ACI, los clasifica según los tipos de materiales constituyentes o a los efectos característicos en su uso: a) Aditivos acelerantes. b) Aditivos reductores de agua y que controlan el fraguado. c) Aditivos para inyecciones. d) Aditivos incorporadores de aire. e) Aditivos extractores de aire. f) Aditivos formadores de gas. g) Aditivos productores de expansión o expansivos. h) Aditivos minerales finamente molidos. i) Aditivos impermeables y reductores de permeabilidad. j) Aditivos pegantes (también llamados epóxicos).
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k) Aditivos químicos para reducir la expansión debido a la reacción entre los agregados y los alcalices del cemento. Aditivos inhibidores de corrosión. l) Aditivos fungicidas, germicidas o insecticidas. m) Aditivos floculadores. n) Aditivos colorantes. Según la norma francesa AFNOR P 18- 123 “Betons: Definitions et Ma rquage des Adjuvants du Betons”, Establecen una clasificación más amplia:
a) Aditivos que modifican las propiedades reológicas del concreto fresco: - Plastificantes – Reductores de agua. - Incorporadores de aire. - Polvos minerales Plastificantes - Estabilizadores b) Aditivos que modifican el fraguado y endurecimiento: - Aceleradores de fraguado y/o Endurecimiento. - Retardadores de Fraguado. c) Aditivos que modifican el contenido de aire: - Incorporadores de Aire - Antiespumantes. - Agentes formadores de Gas. - Agentes formadores de Espuma. d) Aditivos que modifican la resistencia a las acciones físicas: - Incorporadores de Aire. - Anticongelantes. - Impermeabilizantes. e) Aditivos misceláneos - Aditivos de cohesión – emulsiones - Aditivos combinados - Colorantes - Agentes formadores de espuma 12
Debido a que esta clasificación está hecha desde el punto de vista de su influencia en determinadas propiedades del concreto, algunos productos utilizados para confeccionar estos aditivos se repiten en más de un grupo 2.7.1 ADITIVOS ACELERANTES
Sustancia que reducen el tiempo normal de endurecimiento de la pasta de cemento y/o aceleran el tiempo normal de desarrollo de la resistencia. Proveen una serie de ventajas como son: a) Desencofrado en menor tiempo del usual b) Reducción del tiempo de espera necesario para dar acabado superficial c) Reducción del tiempo de curado d) Adelanto en la puesta en servicio de las estructuras e) Posibilidad de combatir rápidamente las fugas de agua en estructuras hidráulicas f) Reducción de presiones sobre los encofrados posibilitando mayores alturas de vaciado g) Contrarrestar el efecto de las bajas temperaturas en clima frío desarrollado con mayor velocidad el calor de hidratación, incrementando la temperatura del concreto y consecuentemente la resistencia. En general los acelerante reducen los tiempos de fraguado inicial y final del concreto medios con métodos estándar como las agujas proctor definidas en ASTM – C – 403 que permiten cuantificar el endurecimiento en función de la resistencia a la penetración. Se emplean agujas metálicas de diferentes diámetros con un dispositivo de aplicación de carga que permite medir la presión aplicada sobre mortero obtenido de tamizar el concreto por la malla N° 4. Se considera convencionalmente que se ha producido el fraguado inicial cuando se necesita aplicar una presión de 500 lb/pulg2 para introducir la aguja una pulgada, y el fraguado final cuando se necesita aplicar una presión de 4,000lb/pul2 para producir la misma penetración. Este método se emplea con los acelerantes denominados convencionales cuya rapidez de acción permite mezclar y producir el concreto de manera normal, pero en los no convencionales que se emplean para casos especiales como el del concreto lanzado 13
(shotcrete) se utilizan otros métodos como el de las agujas Gillmore dado que el endurecimiento es mucho más rápido. Una particularidad que se debe tener muy presente en los acelerante es que si bien provocan un incremento en la resistencia inicial en comparación con un concreto normal, por lo general producen resistencias menores a 28 días. Mientras más acelerante se emplea para lograr una mayor resistencia inicial, se sacrifica acentuadamente la resistencia a largo plazo. Tienden a reducir la trabajabilidad si se emplean solo, pero usados conjuntamente con incorporadores de aire, la mejoran, ya que contribuyen a incrementar el contenido de aire incorporado y su acción lubricante. Disminuyen la exudación pero contribuyen a que aumente la contracción por secado y consecuentemente la fisuración si no se cura el concreto apropiadamente. Tienen una gran cantidad de álcalis por lo que aumenta el riesgo de reactividad alcalina con cierto tipo de agregados. Los concretos con acelerantes provocan una menor resistencia a los sulfatos y son más sensibles a los cambios volumétricos por temperatura. Los convencionales usualmente tienen en su composición cloruros, carbonatos, silicatos, fluorsilicatos e hidróxidos, así como algunos compuestos orgánicos como trietanolamina, siendo la proporción normal de uso del orden del 1% al 2% del peso del cemento. Los no convencionales se componen de carbonato de sodio, aluminato de sodio, hidróxido de calcio o silicatos y su proporción de uso es variable. Sea que se suministren líquidos o en polvo, deben emplearse diluidos en el agua de mezcla para asegurar su uniformidad y el efecto controlado. El acelerante más usado mundialmente o que es ingrediente de muchos productos comerciales es el cloruro de calcio (C12Ca). Su mecanismo de acción se da reaccionando con el Aluminato Tricálcico y actuando además como catalizador del silicato tricálcico provocando la cristalización más rápida en la forma de cristales fibrosos.
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Normalmente se suministra en escamas con una pureza. Al diluirse siempre debe depositar en agua para entrar en solución y no al revés pues sino se forma una película dura muy difícil de disolver. El riesgo de usar cloruro de calcio reside en que aumenta la posibilidad de corrosión en el acero de refuerzo por lo que su empleo debe efectuarse en forma mu y controlada. 2.7.2 ADITIVOS INCORPORADORES DE AIRE El congelamiento del agua dentro del concreto con el consiguiente aumento de volumen, y el deshielo con la liberación de esfuerzos que ocasionan contracciones, provocan fisuración inmediata si el concreto todavía no tiene suficiente resistencia en tracción para soportar estas tensiones o agrietamiento paulatino en la medida que la repetición de estos cielos va fatigando el material. A fines de los años cuarenta se inventaron los aditivos incorporadores de aire, que originan una estructura adicional de vacíos dentro del concreto que permiten controlar y minimizar los efectos indicados. El mecanismo por el cual se desarrollan estas precisiones internas y su liberación con los incorporadores de aire se explica en detalle en el Capítulo 12 en la parte relativa a durabilidad ante el hielo y deshielo así como las recomendaciones en cuando a los porcentajes sugeridos en cada caso, por lo que aquí sólo trataremos sobre las características generales de este tipo de aditivos. Existen dos tipos de aditivos incorporadores de aire: a) Líquido, o en polvo soluble en agua Constituidos por sales obtenidas de resinas de madera, detergentes sintéticos sales lignosulfonadas, sales de ácidos de petróleo, sales de materiales proteínicos, ácidos grasosos y resinosos, sales orgánicas de hidrocarburos sulfonados etc. Algunos son de los llamados aniónicos, que al reaccionar con el cemento inducen iones cargados negativamente que se repelen causando la dispersión y separación entre las partículas sólidas y un efecto lubricante muy importante al reducirse la fricción interna. Existe un campo muy grande de materiales con los cuales se pueden obtener incorporadores de aire, sin embargo no todos pueden producir la estructura de vacíos adecuada para combatir el hielo y deshielo, lo que ha motivado una gran labor de 15
investigación por parte de los fabricantes y científicos para hallas las combinaciones más eficientes contra el fenómeno. Este tipo de incorporadores de aire son sensibles a la compactación por vibrado, al exceso de mezclado, y a la reacción con el cemento en particular que se emplee, por lo que su utilización debe hacerse de manera muy controlada y supervisada para asegura los resultados pues de otro modo estaremos incorporando menos vacíos y de calidad diferente a la requerida. Una de las ventajas de estos incorporadores, es que el aire introducido funciona además como un lubricante entre las partículas de cemento por los vacíos adicionales en su estructura. Las proporciones en que se dosifican normalmente estos aditivos oscilan entre el 0.02% y el 0.10% del peso del cemento consiguiéndose incorporar aire en un porcentaje que varía usualmente entre el 3% y el 6% dependiendo del producto y condiciones particulares. b) En partículas sólidas Consistentes en materiales inorgánicos insolubles con una porosidad interna muy grande como algunos plásticos, ladrillo molido, arcilla expandida, arcilla pizarrosa, tierra diatomácea etc. Estos materiales se muelen a tamaños muy pequeños y o lo general deben tener una porosidad del orden del 30% por volumen. La ventaja de estos aditivos con respecto a los anteriores estriba en que son más estables ya que son inalterables al vibrado o al mezclado. No obstante, al ser su obtención y uso más complicados desde el punto de vista logístico, de fabricación y de transporte, los grandes fabricantes a nivel mundial han desarrollado m ás los primeros. Hemos realizado algunos estudios preliminares con sillar de la región de Arequipa, que como se sabe es un material de origen volcánico con porosidad del orden del 25% al 30%, que indican que podrían ser un incorporador de aire barato y eficiente, por lo que debería investigarse con mayor profundidad en este s entido En nuestro medio se emplean usualmente incorporadores de aire líquidos, ya sea importados o de fabricación nacional con insumos importados, estando el campo virgen para desarrollar incorporadores de aire con materiales locales de adquisición corriente, 16
que puedan abaratar su uso, de modo de poder difundir su empleo normal en regiones donde por las condiciones climáticas son imprescindibles. Un aspecto que hay que tener muy presente al usar estos aditivos es el que ningún fabricante puede garantizar a priori el contenido del aire que inducen, pues depende como hemos dicho de muchos factores, por lo que se requiere un chequeo permanente con equipos para medición de aire incorporado y compatibilizar estas mediciones con las operaciones de mezclado y transporte, para asegurar que no hay pérdida de aire incorporado durante el proceso constructivo. 2.7.3 ADITIVOS REDUCTORES DE AGUA – PLASTIFICANTES. Son compuestos orgánicos e inorgánicos que permiten emplear menor agua de la que se usaría en condiciones normales en el concreto, produciendo mejores características de trabajabilidad y también de resistencia al reducirse la Relación Agua/Cemento. Trabajan en base al llamado efecto de superficie, en que crean una interfase entre el cemento y el agua en la pasta, reduciendo las fuerzas de atracción entre las partículas, con lo que se mejora el proceso de hidratación. Muchos de ellos también desarrollan el efecto aniónico que mencionamos al hablar de los incorporadores de aire. Usualmente reducen el contenido de agua por lo menos en un 5% a 10%. Tienen una serie de ventajas como son: a) Economía, ya que se puede reducir la cantidad de cemento. b) Facilidad en los procesos constructivos, pues la mayor trabajabilidad de las mezclas permite menor dificultad en colocarlas y compactarlas, con ahorro de tiempo y mano de obra. c) Trabajo con asentamientos mayores sin modificar la relación Agua/cemento. d) Mejora significativa de la impermeabilidad e) Posibilidad de bombear mezclas a mayores distancias sin problemas de atoros, ya que actúan como lubricantes, reduciendo la segregación.
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En general, la disminución del asentamiento en el tiempo es algo más rápida que en el concreto normal, dependiendo principalmente de la temperatura de la mezcla. Las sustancias más empleadas para fabricarlos son los lignosulfonatos y sus sales, modificaciones y derivados de ácidos lignosulfonados, ácidos hidroxilados carboxílicos y sus sales, carbohidratos y polioles etc. La dosificación normal oscila entre el 0.2% al 0.5% del peso del cemento, y se usan diluidos en el agua de mezcla. 2.7.4 ADITIVOS SUPERPLASTIFICANTES Son reductores de agua-plastificantes especiales en que el efecto aniónico se ha multiplicado notablemente. A nivel mundial han significado un avance notable en la Tecnología del Concreto pues han permitido el desarrollo de concretos de muy alta resistencia. En la actualidad existen los llamados de tercera generación, que cada vez introducen mejoras adicionales en la modificación de las mezclas de concreto con reducciones de agua que no se pensaba fueran posible de lograrse unos años atrás. Se apl ican diluidos en el agua de mezcla dentro del proceso de dosificación y producción del concreto, pero también se pueden añadir a una mezcla normal en el sitio de obra un momento antes del vaciado, produciendo resultados impresionantes en cuanto a la modificación de la trabajabilidad. Por ejemplo, para una mezcla convencional con un slump del oren de 2” a 3”, el añadirle superplastificante puede producir asentamientos del orden de 6” a 8” s in alterar
la relación Agua/Cemento. En efecto es temporal, durando un mínimo del orden de 30 min a 45 min dependiendo del producto en particular y la dosificación, pero se puede seguir añadiendo aditivo si es necesario para volver a conferirle plasticidad al concreto. La dosificación usual es el 0.2% al 2% del peso del cemento, debiendo tenerse cuidado con las sobre dosificaciones pues pueden producir segregación si las mezclas tienen tendencia hacia los gruesos o retardos en el tiempo de fraguado, que obligan a prolongar e intensificar el curado, algunas veces durante varios días, aunque después se desarrolla el comportamiento normal. 18
Las mezclas en las que se desee emplear superplastificantes deben tener un contenido de finos ligeramente superior al convencional ya que de otra manera se puede producir segregación si se exagera el vibrado. Producen generalmente incremento de burbujas superficiales en el concreto por lo que hay que optimizar en obra tanto los tiempos de vibrado como la secuencia de estas operaciones, para reducir las burbujas al m ínimo. Si se desea emplear al máximo sus características de reductores de agua, permiten descensos hasta del 20% a 30% trabajando con slumps del orden de 2” a 3”, lo que ha
permitido el desarrollo de concretos de muy alta resistencia (750 kg/cm 2) con relaciones Agua/Cemento tan bajas como 0.25 a 0.30, obviamente bajo optimizaciones de la calidad de los agregados y del cemento. Su empleo sólo como plastificantes permite como hemos dicho, el suministrar características autonivelantes a concretos convencionales, lo que los hace ideales para vaciados con mucha congestión de armadura donde el vibrado es limitado. En nuestro medio se han utilizado relativamente poco los super-plastificantes, siendo uno de los casos más saltantes en el concreto pesado del Block del Reactor en Huarangal – Lima, donde la alta concentración de armadura y elementos metálicos embutidos, motivó que los empleáramos, con excelentes resultados debido a sus características de mejoradores de la trabajabilidad. En el Proyecto Majes Secciones D y E, hemos empleado super-plastificants como reductores de agua, para obtener Relaciones Agua/Cemento bajas con trabajabilidades altas (Agua/Cemento < 0.50, slump 3” a 4”), al existir estos condicionantes por razones
de impermeabilidad y durabilidad de las estructuras hidráulicas, ante el riesgo potencial de agresividad por cloruros y sulfatos de los suelos circundantes. Los resultados obtenidos han sido muy satisfactorios. Como complemento, debemos mencionar que son auxiliares muy buenos para las invecciones o rellenos (grouting), por su efecto plastificante. En el Perú se han usado los de procedencia norteamericana y europea, pero es interesante anotar que el Japón tiene el liderazgo actual en cuanto al desarrollo de estos productos, con versiones sumamente especiales.
19
2.7.5 ADITIVOS IMPERMEABILIZANTES Esta es una categoría de aditivos que sólo está individualizada nominalmente pues en la práctica, los productos que se usan son normalmente reductores de agua, que propician disminuir la permeabilidad al bajar la Relación Agua/Cemento y disminuir los vacíos capilares. Su uso está orientado hacia obras hidráulicas donde se requiere optimizar la estanqueidad de las estructuras. No existe el aditivo que pueda garantizar impermeabilidad si no damos las condiciones adecuadas al concreto para que no exista fisuración, ya que de nada sirve que apliquemos un reductor de agua muy sofisticado, si por otro lado no se consideran en el diseño estructural la ubicación adecuada de juntas de contracción y expansión, o no se optimiza el proceso constructivo y el curado para prevenir agrietamiento. Hemos tenido ocasión de apreciar proyectos hidráulicos donde en las especificaciones técnicas se indica el uso exclusivo de aditivos impermeabilizantes, lo cual no es correcto y lleva a confusión pues esta connotación que es subjetiva, la han introducido principalmente los fabricantes, pero en la práctica no son en general otra cosa que reductores de agua. Existe un tipo de impermeabilizantes que no actúan reduciendo agua sino que trabajan sobre el principio de repeler el agua y sellar internamente l estructura de vacíos del concreto, pero su uso no es muy difundido pues no hay seguridad de que realmente confieran impermeabilidad y definitivamente reducen resistencia. Las sustancias empeladas en este tipo de productos son jabones, butilestearato, ciertos aceites minerales y emulsiones asfálticas. Otros elementos que proporcionan características de incremento de impermeabilidad son las cenizas volátiles, las puzolanas y la microsílice, que en conjunción con el cemento generan una estructura mucho menos permeable que la normal, pero su uso es más restringido. 2.7.6 ADITIVOS RETARDADORES Tienen como objetivo incrementar el tiempo de endurecimiento normal del concreto, con miras a disponer de un período de plasticidad mayor que facilite el proceso constructivo. Su uso principal se amerita en los siguientes casos: 20
a) Vaciado complicado y/o voluminoso, donde la secuencia de colocación del concreto provocaría juntas frías si se emplean mezclas con fraguados normales. b) Vaciados en clima cálido, en que se incrementa la velocidad de endurecimiento de las mezclas convencionales. c) Bombeo de concreto a largas distancias para prevenir atoros. d) Transporte de concreto en Mixers a largas distancias. e) Mantener el concreto plástico en situaciones de emergencia que obligan a interrumpir temporalmente los vaciados, como cuando se malogra algún equipo o se retrasa el suministro del concreto. La manera como trabajan es actuando sobre el Aluminato Tricálcico retrasando la reacción, produciéndose también un efecto de superficie, reduciendo fuerzas de atracción entre partículas. En la medida que pasa el tiempo desaparece el efecto y se desarrolla a continuación el de hidratación, acelerándose generalmente el fraguado. Hay que tener cuidado con las sobredosificaciones pues pueden traer complicaciones en el desarrollo de la resistencia, obligando a adoptar sistemas de curado adicionales. Usualmente tienen características plastificantes. Los productos básicos empleados en su fabricación son modificaciones y combinaciones de los usados en los plastificantes y adicionalmente, algunos compuestos de étercelulosa. Se dosifican generalmente en la proporción del 0.2% al 0.5% del peso del cemento. 2.8 RAZONES DE EMPLEO DE UN ADITIVO Algunas de las razones para el empleo de un aditivo son: a) En el concreto fresco:
Incrementar la trabajabilidad sin aumentar el contenido de agua.
Disminuir el contenido de agua sin modificar su trabajabilidad.
Reducir o prevenir asentamientos de la mezcla.
Crear una ligera expansión.
Modificar la velocidad y/o el volumen de exudación. 21
Reducir la segregación.
Facilitar el bombeo.
Reducir la velocidad de pérdida de asentamiento.
b) En el concreto endurecido:
Disminuir el calor de hidratación.
Desarrollo inicial de resistencia.
Incrementar las resistencias mecánicas del concreto.
Incrementar la durabilidad del concreto.
Disminuir el flujo capilar del agua.
Disminuir la permeabilidad de los líquidos.
Mejorar la adherencia concreto-acero de refuerzo.
Mejorar la resistencia al impacto y la abrasión.
2.9 MODOS DE USO Los aditivos se dosifican hasta en un 5% del peso de la mezcla y comúnmente son usados entre el 0.1 % y 0.5 % del peso del cemento. La utilización de aditivos no debería, con toda objetividad ser subestimada o menospreciada. El efecto deseado y su uso lo describen los propios fabricantes pero algunos son desconocidos incluso por ellos, por lo que es importante que antes de su uso se realicen pruebas a fin de constatar las propiedades del material. El uso del aditivo debe incluirse en el diseño de mezcla de concreto.
2.10 FRAGUADO Y ENDURECIMIENTO Al amasar el cemento con agua, reaccionan sus componentes químicamente, formándose una masa plástica, para su colocación en obra, perdiendo posteriormente su plasticidad (inicio fraguado), volviéndose más o menos quebradiza, no pudiendo ser moldeada o reamasada con agua y después se consolida hasta resistir cierta presión (fin del fraguado), tras lo cual va aumentando su dureza hasta alcanzar un aspecto pétreo (endurecimiento). El cemento fraguado, presenta siempre núcleos sin hidrata, por lo que si se muele el cemento endurecido y vuelve a amasarse con agua, fragua por segunda vez, presentando resistencias menores. 22
Como retardadores del fraguado se emplean el algez o yeso crudo y el semihidrato, detiene el fraguado rápido del aluminato tricálcico, contribuyendo a la extinción de la cal libre y aumentando las resistencias al principio del endurecimiento. También se emplean los cloruros cálcicos y sódicos. El azúcar en pequeña proporción paraliza por completo el fraguado. El frió retrasa el fraguado y lo detiene cuando la temperatura desciende bajo cer o, pero vuelve a fraguar cuando aumenta la temperatura. El calor por el contrario acelera el fraguado, provocando un aumento de la contracción y con ello las grietas. La determinación de estos dos estados, cuyo lapso co mprendido entre ambos se llama tiempo de fraguado de la mezcla, es muy poco precisa y sólo debe tomarse a título de guía comparativa. El tiempo de fraguado inicial es el mismo para los diferentes tipos de cemento existentes y alcanza un valor de 45 a 60 minutos, el tiempo de fraguado final se estima en 10 horas aproximadamente. En resumen, puede definirse como tiempo de fraguado de una mezcla determinada, el lapso necesario para que la mezcla pase del estado fluido al sólido. Así definido, el fraguado no es sino una parte del proceso de endurecimiento. Es necesario colocar la mezcla en los moldes antes de que inicie el fraguado y de preferencia dentro de los primeros 30 minutos de fabricada. Cuando se presentan problemas especiales que demandan un tiempo adicional para el transporte del concreto de la fábrica a la obra, se recurre al uso de “retardantes” del fraguado, compuestos de yeso o de anhídrido sulfúrico; de igual manera,
puede acelerarse el fraguado con la adición de sustancias alcalinas o sales como el cloruro de calcio. 3.- MARCO REFERENCIAL (ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACION) 3.1 CONCRETO Tal vez el ejemplo más importante del uso del concreto simple (sin armaduras de refuerzo) es el Pantheon de Roma. Construido inicialmente por Agrippa alrededor del año 30AC, fue destruido dos veces por el fuego y finalmente reconstruido y modificado por Adriano alrededor del año 120 DC. El Pantheon es un edificio de planta circular de albañilería y concreto con acabado de ladrillo en las paredes exteriores. La cimentación es un anillo de concreto de 4.5m de altura bajo todo el muro experimetral. Destaca el domo o cúpula de 43 m de diámetro, la cúpula es unan media esfera con un lucernario en la parte alta de unos 9 m de diámetro a través del cual se ilumina el 23
interior del edificio. El espesor de la cúpula es variable desde unos 6 m en el arranque hasta 1.20 m en el lucernario. Para la construcción del domo se usó en la parte inferior agregado de pedazos (cascote) de ladrillo y en la parte superior agregados livianos provenientes de rocas volcánicas porosas (pómez). Fue durante muchos siglos la estructura con claro libre más larga, hasta la construcción de la Catedral de Florencia iniciada en el año 1420, cuya cúpula superó ligeramente el diámetro del pantheon. 3.2 CEMENTO PORTLAND En 1824 Joseph Apsdin, patentó un proceso de calentamiento en horno de piedra caliza y arcilla que producía un cemento
artificial que al hidratarse y endurecerse adquiría la misma
resistencia que la piedra de la isla de Portland. En 1845 I.C. Johnson descubrió que la mezcla calentada en exceso (calcinada) originaba un producto duro denominado clinker y que moliendo finamente este producto se obtenía un mejor cemento. Este cemento es el que utilizamos hasta hoy en día, con el nombre de Cemento Portland. En 1871 se produjo Cemento Portland en Pensylvania, sin embargo fue solo hasta principios de los 1880 que se produjo en los Estados Unidos una cantidad significativa de cemento. 3.3 CONCRETO ARMADO Se considera a Joseph Monier (Francés) el creador armado, fue uno de los primeros en patentar su uso. En 1850 comenzó a experimentar con macetas de concreto, reforzadas con malla de alambre. Patentó su idea en 1867 y entre 1868 y 1875 patentó numerosos sistemas de concreto armado para su uso en tanques, tuberías, losas de piso, puentes y escaleras. Entre 1875 y 1900 el desarrollo del concreto armado se produjo a través de numerosas patentes en Europa y Estados Unidos. En 1904 existían 43 patentes registradas en el mundo. En 1894 una publicación de la Sociedad de Ingenieros Civiles de Francia sentó las bases para el diseño en flexión por esfuerzos admisibles. En 1903 en la ciudad de Cincinnati, Ohio, se construyó el IngallsBuilding, el primer edificio alto (rascacielos) integrante en concreto armado. Este edificio de 16 pisos y 64 m de altura fue construido con pórticos y losas monolíticas. Las l osas trabajando como diafragmas rígidos en su plano, permitieron distribuir las cargas laterales de vie nto entre los diversos pórticos. 3.4 ANTECEDENTES DE LOS ADITIVOS PARA CONCRETO Tanto las normas norteamericanas del ASTM como las normas peruanas normalizan a los aditivos de acuerdo a su efecto sobre el concreto (el encargado de la adaptación e incorporación de las normas del ASTM al Perú es INDECOPI). A diferencia de éstos, en la 24
Comunidad Europea de Normas (CEN), los aditivos químicos son normalizados de acuerdo a su aplicación, ya sea a pastas de cemento, morteros, concreto o concreto proyectado. El ingreso de los aditivos químicos al mercado de la construcción se realizó de manera lenta pero progresiva durante la década de los cincuenta. Esto se debió a la actitud conservadora de muchos organismos de los EE.UU., los cuales consideraban a los aditivos como algo misterioso. Sin embargo, la introducción rápida a los aditivos en el mercado de la construcción se fijó en la mira de los investigadores, dando lugar a los primeros eventos técnicos a partir de los años sesenta. En el año 1962 se dieron las primeras normas del ASTM para los siguientes tipos de aditivos:
Tipo A: Reductores de Agua
Tipo B: Retardadores de Fragua
Tipo C: Aceleradores de Fraguado y Resistencia temprana
Tipo D: Reductores de Agua y Retardantes
Tipo E: Reductores de Agua y Aceleradores
Los aditivos químicos se introdujeron al Perú a finales de los años cincuenta. Mientras que la primera norma nacional de aditivos corresponde al año 1981, la cual está basada en la norma ASTM de 1969, incluyendo los 5 tipos mencionados anteriormente. Actualmente, los aditivos son parte esencial de la tecnología del concreto. Tanto los plastificantes y los superplastificantes son los productos más numerosos y ampliamente usados. 3.5 ANTECEDENTES DE COMPARACIONES Ing. Fernando H. Huayco S.: Diseño del Concreto FastTrack en Pavimentos. (Tesis FIC – UNI) El concreto FastTrack es un concreto de alta resistencia inicial que se aplica principalmente en pavimentos, especialmente en zonas urbanas y comerciales para reparaciones de tramos significativos, de manera de no impedir el tránsito más de 24 horas. También es empleado en la pavimentación de carreteras donde existe similar requerimiento y en aeropuertos. Para el caso de Perú, el concreto FastTrack ha sido difundido por ASOCEM en conferencias y publicaciones desde 1993, A pesar de que las primeras aplicaciones en los EE. UU. Se dieron a 25
fines de la década de 1980. Sin embargo, el concreto FastTrack no es muy utilizado en nuestro país. Éste concreto se caracteriza principalmente por la aplicación de dos tipos de aditivos: los aceleradores de resistencia y los plastificantes reductores de agua. En esta investigación se utilizó cementos normales Tipo I de marca Sol de Cem entos Lima S.A., y aditivos reductores de agua y aceleradores de resistencia. 4.- BASES TEORICAS 4.1 CODIGOS O NORMAS DEL CONCRETO ARMADO Cada material suele tener su propio código (concreto, madera, albañilería, etc.).Existe un grupo de códigos generales aplicables a todos los materiales, por ejemplo en el Perú existen, entre otras, la Norma de Cargas E-020, la Norma de Diseño Sismorresistente E-30, la Norma de Suelos y Cimentaciones E-50. Estas se denominan Normas Técnicas de Edificación y forman parte del Reglamento Nacional de Construcciones. El diseño y la construcción de edificios están regulados por Leyes municipales, estatales o nacionales (como en el caso del Perú) denominadas Códigos de Construcción o de Edificación, estos tienen fuerza legal y su función principal es asegurar la seguridad del público. Los códigos o normas establecen los Requisitos Mínimos que deben cumplir las estructuras, el material, los esfuerzos y el diseño. Las normas establecen los niveles mínimos de seguridad que debe tener una estructura o elem ento estructural. Además intentan asegurar que los niveles de seguridad sean más o menos uniformes, es decir, varias estructuras similares diseñadas por distintos ingenieros para un mismo grupo de acciones o solicitaciones y con un mismo código, deberían tener niveles mínimos de seguridad similares. Se dice similares y no idénticos ya que pueden existir diferencias notables en la calidad y control en la ejecución de la obra. Las normas provienen (Riddell, Hidalgo) de las siguientes fuentes: a) Estudios teóricos. Resultados obtenidos a partir de una base teórica o modelo matemático de un fenómeno físico. Los resultados teóricos suelen verificarse experimentalmente en laboratorios para comprobar su validez y si es necesario, se modifica la formulación teórica. b) Evidencias experimentales. Resultados experimentales, muchas veces empíricos, provenientes del estudio en laboratorio de fenómenos muy complicados para ser 26
modelados y analizados teóricamente. Estos resultados conducen a fórmulas o expresiones que deben usarse con cuidado ya que podrían estar extrapolándose a situaciones que escapan del rango de validez de los resultados experimentales. En los códigos de concreto armado es bastante frecuente encontrar fórmulas empíricas provenientes del ajuste de resultados experimentales. Ejemplos de estas fórmulas son las que se utilizan para estimular el módulo de elasticidad delo concreto, la resistencia a latracción por flexión del concreto, la resistencia al corte del concreto. c) Práctica profesional. Buena parte del conocimiento en ingeniería proviene de lo que se ha hecho en el pasado con buenos resultados, representa algo a sí como el “arte” de la profesión. La incorporación en las normas de la experiencia local es importante ya que permiten reflejar las características locales de los materiales, la calidad de la mano de obra, el nivel y calidad de la supervisión de las construcciones, los usos y costumbres. Esto es particularmente importante cuando se adoptan normas extranjeras basadas en otras realidades. d) Avance del conocimiento. Los códigos normalmente tratan de reflejar lo que se suele denominar el “estado del arte” o del nivel de avance del conocimiento sobre el
comportamiento del material ante las distintas solicitaciones o combinaciones de estas. A medida que se acumula o genera mayor información teórica y experimental, así como información sobre el desempeño de las estructuras diseñadas con determinado código – colapsos, mal comportamiento de estructuras reales, excesos de resistencia, etc.- los códigos se modifican y mejoran. Esto es particularmente importante en zonas de alta sismicidad, donde los terremotos fuertes suelen provocar numerosas fallas estructurales las que obligan a revisar las disposiciones de las normas.
Los códigos suelen ser una ayuda para el ingeniero, sin embargo, las disposiciones contenidas en ellos no deben seguirse ciegamente, es preciso entender el porqué de ellas para poder aplicarlas correctamente, ya que usualmente se han derivado para las situaciones más comunes que no pueden extrapolarse a cualquier caso. También se mencionó que los códigos fijan, los requisitos mínimos que deben cumplirse, el ingeniero estructural deberá aplicar su criterio y conocimiento para discernir los casos o situaciones en las que las disposiciones de las normas pueden ser insuficientes o exageradas. 4.2 CODIGO DEL AMERICAN CONCRETE INSTITUTE - ACI El American Concrete Institute (ACI), es una organización científica y educacional sin fines de lucro. Comenzó sus actividades en 1904, con otro nombre, con la finalidad de servir como foro 27
de discusión de todos los aspectos relacionados con el uso del concreto como material de construcción. En 1910 en los Estados Unidos la NationalAssociation of CementUsers, organización que luego en 1913 se convertiría en el American Concrete Institute (ACI) publicó un conjunton de regulaciones para el uso del concreto ar mado en edificaciones titulado “Standard BuiuldingRegulationsforthe Use of Reinforced Concrete”. Este documento se considera el
primer código de edificaciones (BuildingCode) del ACI. El ACI publica periódicamente el “BuildingCodeRequirementsforStructural Concrete ACI-318”. El
primer código con el título ACI-318 se publicó en 1941. El ACI-318 es una suerte de código modelo para el diseño del concreto armado, tiene fuerza legal solo si es adoptado como parte de un código local. El ACI-.318 ha servido y sirve de base para el desarrollo de numerosos códigos en todo el mundo, por ejemplo en Canadá, Nueva Zelanda, Australia y varios países de Latino América, entre ellos, Perú, Chile, Colombia, Ecuador. El Código del ACI se suele renovar cada seis años, la última edición corresponde al año 2005. La anterior edición corresponde al año 2002. El ACI del 2005 conjuntamente con el de 1999 y con la Norma Peruana, son las normas que se han utilizado en estos apuntes. 4.3 CODIGO O NORMA PERUANA En el Perú la norma que rig e el diseño de las estructuras de concreto armado es la “Norma Técnica de Edificación E-060- Concreto Armado”, que forma parte del Reglamento Nacional de Construcciones. Fue publicada en abril de 1989 por el extinbtoIninvi (Instituto Nacional de Investigación y Normalización de la Vivienda) La Norma Peruana vigente está basada fundamentalmente en el código del ACI-318 del año 1983 y en el suplemento del mismo del año 1986. La Norma E.060 se encuentra actualmente en revisión por un comité nombrado por el SENCICO (Servicio Nacional de Capacitación para la Industria de la Construcción) y estará basada en el ACI del 2005.
28
CAPITULO III
5.0 MARCO METODOLOGICO 5.1 CAMPO DE LA INVESTIGACION Programa: Mejoramiento en Proceso de Construcción de Edificaciones 29
Área: Problemas y demora en la resistencia a la compresión inicial del concreto frente a diversos climas. Línea: Construcción. 5.2 HIPÓTESIS CIENTÍFICA La hipótesis que se quiere demostrar es que todas las marcas de aditivos tienen un desempeño similar en relación a la compresión inicial del concreto armado y que las diferencias son despreciables por lo que la variable a considerar debería ser el precio y temperatura. 5.3 MODELO COMPLETAMENTE ALEATORIZADO TRATAMIENTOS Y BLOQUES CON REPETICION Esté modelo trata de dos clases o factores independientes, sin embargo, aquí se considera dos o más observaciones en cada casilla; es decir, cada casilla contiene una muestra conn ij≥ 2 seleccionada de la población AiB j. Los efectos de columna y fila j y Bi suponemos que son dependientes y que "interactúan" el uno con el otro.
Si suponemos que yijk la k-ésima observaciones en la muestra extraída de la población A iB j de tratamiento combinado está distribuida normalmente alrededor de la media, entonces podemos expresar el modelo siguiente:
yijk i j ij ijk : i = 1, 2, ..., c ; j = 1, 2, .., r ; k = 1, 2, ..,n
Donde el término error, se considera con una variable normal con media cero y varianza 2. PRESENTACION DE LOS DATOS
30
Los datos muéstrales se presentan en el cuadro No. 3.1 donde hemos supuesto que hay c de los Ai, r B jde tratamientos combinados.
B1
B2
A1
A2
Y111
Y211
YC11
Y112
Y212
YC12
.
.
.
.
.
.
.
.
.
Y11
Y21
YC1
Y121
Y221
YC11
Y122
Y212
YC22
.
.
.
.
.
.
.
.
.
Y12
Y22.
TC2.
…
AC
Y.j.
Y.1.
Y.2.
………………………………………………………………………. B3
Y1r1
Y2r1
YCr1
Y1r2
Y2r2
YCr2
.
.
.
Y1r.
Y2r.
YCr.
Y.r.
Yi...
Y1..
YC..
T
CUADRO No. 3.1: DATOS MUESTRALES PARA EL MODELO COMPLETAMENTE ALEATORIZADOS CON TRATAMIENTOS Y BLOQUES CON REPETICION
DESCOMPOSICION DE LA SUMA DE CUADRADOS
FACTOR DE CORRECCION:
C = T2/r n c
SCT =
Σ ΣΣ yijk 2 - C 31
SCTr =
(Σ ΣΣ yi..2 )/ r n- C
SCB =
(ΣΣΣ y. j.2 )/c n - C
2
SCE ijk
1
n
2
ij
.
SCI SCT SCTr SCB SCE
Las sumas de cuadrados, junto con sus respectivos grados de libertad y medias cuadráticas, se dan en el cuadro sgte.
Fuente Variac.
G.L.
SC
Tratam.
c-1
SCTr
Bloque
r-1
SCB
CM
F
32
Interac
(r-1)(c-1)
SCI
Error
rc(n-1)
SCE
Total
SCT
CUADRO No. 3.2:ANALISIS DE VARIANZA DEL MODELO COMPLETAMENTE ALEATORIZADO TRATAMIENTOS Y BLOQUES CON INTERAC.
5.4 DOCIMACIA Nos interesa realizar tres dócimas en este modelo: 1. Los efectos de tratamiento de columna son nulos; es decir i=0 la estadística a dócimar es: Fc-1, rc(n-1) = F1. 2. Los efectos de bloques son nulos; es decir j=0, para la estadística a docimar es: Fr-1, rc(n-1)=F2. 3. Los efectos conjuntos son nulos; es decir ()ij=0 docimamos esta hipótesis nula por: F(r-1)(c-1),rc (n-1) = F3
Los procedimientos de decisión son los mismos que en los casos anteriores, cuando los valores calculados de F es 1 ó cerca a 1, se acepta Ho. Cuando F es significativamente mayor que 1 se rechaza Ho.
5.5 HIPOTESIS ESTADISTICA Para nuestra hipótesis tomaremos pruebas con 5 marcas de aditivos que llamaremos “A”, “B”, “C”, “D”, Y “E” esto para hacer del estudio más imparcial.
33
Las marcas han sido escogidas tomando en consideración que son las más usadas actualmente en el mercado. Además que la marca “A” es la más costosa y la marca “E” es la
más económica. Según las especificaciones técnicas de los productos, la resistencia a la compresión inicial a los siete días las mezclas de concreto elaboradas van a ser similares, siendo así: U1 = Resistencia a la compresión del concreto a los 7 días utilizando el aditivo de la marca “A”
U2 = Resistencia a la compresión del concreto a los 7 días utilizando el aditivo de la marca “B” U3 = Resistencia a la compresión del concreto a los 7 días utilizando el aditivo de la marca “C” U4 = Resistencia a la compresión del concreto a los 7 días utilizando el aditivo de la marca “D”
U5 = Resistencia a la compresión del concreto a los 7 días utilizando el aditivo de la marca “E” Hipótesis para el Factor τj para
(tipo de Aditivo)
j= 1,…5
Entonces planteamos la Hipótesis Nula: τ₁ = τ₂ = τ₃ = τ₄ = τ₅=0 Para lo cual la Hipótesis alternante será: τ ≠ τ₂ ≠ τ₃≠ τ₄ ≠ τ₅≠0 Hipótesis para el Factor
βi
Para i = 1, 2
(temperatura ambiental)
Entonces planteamos la Hipótesis Nula: β ₁ = β₂=0
Para lo cual la Hipótesis alternante será: β₁ ≠ β₂ ≠0
Hipótesis para el Factor (τβ)ij para
i=1,2 y
Entonces planteamos la Hipótesis Nula: (τβ)ij=0 Para lo cual la Hipótesis alternante será: (τβ)ij ≠0
j= 1,…5
para i=1,2 y
j= 1,…5
para i=1,2 y j= 1,…5
Todo esto en los escenarios que se especificaron en los objetivos específicos, es decir: • Preparación de concreto con temperaturas de 10 a 18 °C con altitud de 3 500 msnm. • Preparación de concreto con temperaturas de -5 a 9 °C con altitud de 3500 msnm.
34
5.6 METODOLOGÍA DE ESTUDIO: 5.6.1 MÉTODO DE INVESTIGACIÓN La metodología a seguir será mediante el uso del diseño completamente aleatorizado con bloques y tratamientos con interacción, según el diseño descrito anteriormente. Primer Escenario: (Temperaturas de 10 a 18 °C con altitud de 3500 msnm) - Muestra de concreto utilizando el aditivo de la marca “A” - Muestra de concreto utilizando el aditivo de la marca “B” - Muestra de concreto utilizando el aditivo de la marca “C” - Muestra de concreto utilizando el aditivo de la marca “D” - Muestra de concreto utilizando el aditivo de la marca “E” Segundo Escenario: (Temperaturas de -5 a 9 °C con altitud de 3500 msnm) - Muestra de concreto utilizando el aditivo de la marca “A” - Muestra d e concreto utilizando el aditivo de la marca “B” - Muestra de concreto utilizando el aditivo de la marca “C” - Muestra de concreto utilizando el aditivo de la marca “D” - Muestra de concreto utilizando el aditivo de la marca “E”
Para la determinación de la resistencia del concreto a los 7 días, se hará el ensayo de resistencia a la compresión del concreto. Con los resultados de las pruebas de estas muestras se podrá procesar los datos mediante el modelo de diseños de experimentos descrito anteriormente y comparar el comportamiento que tendrán las muestras de concreto con respecto al grupo analizado de manera que se pueda ver la significancia que existe entre las variables analizadas y su resistencia a la compresión a los 7 días. Con esta metodología se podrá descartar las variables que no son representativas en el análisis. 5.6.2CARACTERISTICAS DEL EXPERIMENTO El experimento se llevara a cabo en el Distrito de Palca Provincia de Tacna, Departamento de Tacna, ubicada entre los 3000 a 4500 msnm. 35
Se escogió este lugar debido a su cercanía a la ciudad de Tacna y porque los rangos de temperatura especificados en los dos escenarios se cumplen, ya que la temperatura en la mañana bordea los cero grados centígrados y durante el medio día el clima es templado bordea los 16 grados centígrados. Una vez ahí se escogerá una locación apropiada, de ser posible a cielo abierto, para elaborar las muestras tanto de día como de noche y se procederá a preparar los cinco tipos de muestras con los distintos aditivos y temperaturas correspondientes,para luego mediante el ensayo de compresión determinar su resistencia y de esa manera obtener los datos que se necesita para sustentar la hipótesis. 5.6.3 POBLACION Y MUESTRA La población estará constituida por toda la combinación de tratamientos, (AB) ijy la nuestra de investigación será de 30 briquetas distribuidas de acuerdo al diseño de experimentos formulado anteriormente, de la siguiente manera: Primer Escenario: (Temperaturas de 10 a 18 °C con altitud de 3500 msnm) - 3 Muestra de concreto utilizando el aditivo de la marca “A” - 3 Muestra de concreto utilizando el aditivo de la marca “B” - 3 Muestra de concreto utilizando el aditivo de la marca “C” - 3 Muestra de concreto utilizando el aditivo de la marca “D” - 3 Muestra de concreto utilizando el aditivo de la marca “E” Segundo Escenario: (Temperaturas de -5 a 9 °C con altitud de 3500 msnm) - 3 Muestra de concreto utilizando el aditivo de la marca “A” - 3 Muestra de concreto utilizando el aditivo de la ma rca “B” - 3 Muestra de concreto utilizando el aditivo de la marca “C”
36
- 3 Muestra de concreto utilizando el aditivo de la marca “D” - 3 Muestra de concreto utilizando el aditivo de la marca “E”
5.6.4 PRUEBAS A SER SOMETIDAS Las muestras serán ensayadas con la ayuda de una presa hidráulica para determinar su resistencia a la compresión a los 7 días de haber realizado las probetas. 5.6.5MATERIAL EQUIPOS Y ACCESORIOS Materiales: - Cemento tipo I por cada muestra. - Agua atemperada - Agregado Grueso - Agregado Fino - Aditivos de las 5 marcas mencionadas “A”,”B”,” C”,”D” y “E” Equipo: - Balanza - Prensa Hidráulica para Rotura de Briquetas - Probetas graduadas de 100 y 200 ml - Cronometro - Termómetro digital Accesorios: - Brochas, - Recipientes, - Toallas - Guantes de goma - Espátulas - Placas de vidrio de 10 *10 cm
37
5.6.6 ANALISIS ESTADISTICO Como se explicó con anterioridad el análisis estadístico se realizará mediante la toma de datos, una nuestra de 30 briquetas para aplicar el modelo de diseños de experimentos de dos factores con interacción, para el primer caso, y para el segundo caso será el mismo diseño pero incluyendo el costo de cada aditivo y tomados a dos temperaturas en la mañana y al medio día. Para ser procesados mediante el programa estadístico StatgraphicsCenturion versión XV.2
6.0 6.1
PROGRAMACIÓN Y PRESUPUESTO Programación
ACTIVIDADES
SEMANAS 38
1 Diseño, elaboración y aprobación del Plan de Investigación
2
X
Elaborar o ajustar instrumentos para la recolección de la información Elaborar marco teórico
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12
X X X
Aplicar el instrumento y recoger la información
X
X X
Procesar los datos
X
Describir los resultados Análisis de los resultados
X
Redacción del informe final
x
X
Revisión del informe final por el asesor
X
Entrega del informe final y sustentación
x
X
6.2 Presupuesto de la investigación
CUADRO N° 03 39
PRESUPUESTO DE LA INVESTIGACIÓN
PARTIDA 01 02
PERSONAL Apoyo especializado Apoyo técnico
PARTIDA 01 02 03
BIENES Cemento, arena, agua Aditivos Material de escritorio
VALOR (S/.) 3,000.00 800.00 VALOR (S/.) 440.00 1000.00 80.00
PARTIDA
SERVICIOS
VALOR (S/.)
01 02 03
50.00 1450.00
04
Fotocopias Movilidad y viáticos Servicios de computadora y equipos de laboratorio Otros imprevistos
RESUMEN
CONCEPTOS
VALOR (S/.)
01 02 03
PERSONAL BIENES SERVICIOS TOTAL
1500.00 500.00
3,800.00 1520.00 3500.00 8,820.00
Presupuesto autofinanciado.
7.0 BIBLIOGRAFIA 1. CABALLERO ROMERO, Alejandro (2009). “ Innovaciones en las guías Metodológicas para los planes y tesis de maestrías y doctorado” . Lima Perú.Instituto metodológico ALEN CARO 40
