ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO MECÁNICO DEL CONCRETO SIMPLE ELABORADO CON CASCOTE DE LADRILLO
STUDY OF THE MECHANICAL BEHAVIOR OF COCRETO MADE WITH BRICK RUBBLE INVESTIGACIÓN PRESENTADA POR Richard Culque Ch 1, Mirian Chávez C 2, Juan Urtega M 3 UNIVERSIDAD PRIVADA DEL NORTE-CAJAMARCA CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL RESUMEN El presente trabajo de investigación tiene como objetivo general estudiar, analizar y discutir las propiedades mecánicas del concreto elaborado con cascote de ladrillo, éste se compone básicamente de cemento, agregado fino, agua y cascote. La investigación detalla los materiales utilizados, diseño de mezcla, el procedimiento de elaboración de concreto, elaboración de probetas, curado de probetas y ensayos realizados a éstas, análisis de resultados, y conclusiones respectivas en base a nuestros resultados. Finalmente basándose en los resultados elaboramos las recomendaciones sobre nuestra investigación.
Palabras clave: concreto, cascote, agregados, cemento, cantera, ladrillo, ensayos de laboratorio, propiedades mecánicas. Abstract: This research has the general objective study and analyze the mechanical properties of concrete made with brick rubble, this is basically composed of cement, fine aggregate, and water and brick rubble. The research details the manufacturing process, materials used, mix design, and tests performed on the samples, the concrete under study. Finally based on the results obtained in the laboratory, we conducted an analysis and recommendations on our research. Keywords: concrete, rubble, aggregate, cement, stone, brick, testing, mechanical properties.
Realizamos esta investigación con el propósito de llegar a determinar las características características mecánicas del concreto con cascote de ladrillo, además de aprender a diseñar la mezcla para este tipo de concreto simple, elaborar el concreto en laboratorio, etc. El presente trabajo de investigación estudia el comportamiento mecánico del concreto simple elaborado con cascote de ladrillo. La investigación detalla los siguientes aspectos: componentes del éste tipo de concreto, el diseño de mezcla elaborado por el método ACI, el procedimiento de elaboración del concreto con cascote en laboratorio, elaboración y curado de probetas cilíndricas, determinación de la resistencia a compresión promedio.
Realizamos éste proyecto de investigación con el fin de afianzar nuestros conocimientos sobre este tema ya que como estudiantes de ingeniería civil, es de mucha importancia conocer las propiedades de todos los tipos de concreto existentes, pues este tipo de concreto aparece en nuestro Reglamento Nacional de Edificaciones. Esperamos que sea de mucha importancia para todos los alumnos en general de nuestra nu estra facultad, y demás personas.
General: Estudiar las propiedades propiedades mecánicas mecánicas del concreto concreto elaborado con cascote cascote de ladrillo. Específicos: Diseñar una mezcla de concreto con cascote de ladrillo. Determinar la resistencia a la compresión del concreto elaborado con cascote de ladrillo. Determinar el módulo de elasticidad del concreto elaborado con cascote de ladrillo Determinar en qué elementos estructurales se podría utilizar éste concreto.
La demanda del concreto en los últimos años se ha incrementado considerablemente en el Perú debido al boom de la construcción. Al mismo tiempo el precio económico de los agregados ha ido incrementándose paulatinamente, limitando su uso en algunos casos. Otro factor relevante causante del encarecimiento de los agregados es la escasez de éstos en algunos lugares. Los agregados constituyen alrededor del 60% a 75% del material estructural más utilizado en la construcción. Precisamente Precisamente la carestía de éstos es uno de los problemas que afecta el presupuesto de la obra. Frente a esta problemática proponemos reemplazar el agregado grueso con cascote de ladrillo, aprovechando la enorme cantidad que se produce y desperdicia en obra por corte o rotura de éste, el cual no es reutilizado de manera responsable y por el contrario es arrojado en muchos casos de manera irresponsable en las calles, ríos, desmontes u otros.
Para poder diseñar la mezcla de concreto se realizaron ensayos a los materiales utilizados los cuales se describen a continuación. 1 Para determinar el contenido de humedad que tienen los materiales se siguió la siguiente secuencia. La norma que se consideró para realizar este ensayo fue ASTM C70 Obtuvimos las muestras, el agregado fino se obtuvo de la cantera “El gavilán”. Una vez obtenida las muestras respectivas, se procedió a pesar la tara. Pesamos la muestra humedad con la tara en conjunto. Colocamos la muestra en el horno y dejamos secar durante 24 horas a una temperatura de 105° ±10°. Finalmente se procedió a pesar la muestra seca sacada del horno. Finalmente se calculó los resultados en gabinete para cada material.
Imagen N°1: Determinación del contenido de humedad de los materiales Fuente: Urteaga Montoya, J. (5 de mayo 2016)
Se selección la muestra. Luego se secó la muestra durante 24 horas aprox Se procedió a obtener el peso seco de la muestra(SSS) Despues de obtener el peso seco se procedió a obtener el peso saturado del cascote, para lo cual se utilizó la canastilla de alambre.
Imagen N°2: Determinación del peso específico del cascote de ladrillo Fuente: Urteaga Montoya, J. (5 de mayo 2016)
Primeramente se obtuvo la muestra y se procedió a pesarla. Luego se colocó los tamices estándares de mayor a menor. Posteriormente se procedió a colocar la muestra por parte y tamizar. Finalmente se pesó el retenido en cada malla Finalmente se limpió las mallas y se procedió a determinar resultados en gabinete.
Imagen N°3: Ensayo de granulometría-Laboratorio de concreto UPN-CAJAMARCA Fuente: Urteaga Montoya, J. (5 de mayo 2016)
Primeramente se obtuvo el peso seco de la muestra Luego se procedió a saturar la muestra durante 24 horas y se obtuvo el peso saturado Finalmente se calculó el porcentaje de absorción e gabinete.
Imagen N°4: Ensayo de absorción laboratorio de concreto UPN-CAJAMARCA Fuente: Urteaga Montoya, J. (5 de mayo 2016)
Materiales. Los materiales que se han utilizado son: Agregado fino, Cascote de ladrillo, Cemento y agua, los datos como peso específico, contenido de humedad, absorción, han sido calculados en laboratorio.
2. Cemento Portland Tipo1 Peso específico: 3,12 2. Agregado Fino Peso específico de masa: 2,5 Absorción: 1,7% Contenido de humedad: 1,5% Módulo de finura: 3,0
1. Cascote de ladrillo Tamaño Máximo Nominal: 2 ” Peso seco compactado. 855kg/ Peso específico: 1.6 Absorción: 19% Contenido de humedad: 2.7%
1. Determinación de la Resistencia Promedio(kg/ ) Primeramente la Resistencia de diseño que proponemos es de 140kg/ En este caso como no disponemos de un registro de datos para este tipo de concreto, utilizamos la Tabla N°1 para determinar la Resistencia promedio. Tabla N°1 f´c <210 210 a 350 >350
f´cr f´cr+70 f´cr+84 f´cr+98
F´c=Resistencia a la compresión de diseño=140kg F´cr=140+70 F´cr =210kg/
2. Selección del tamaño máximo Nominal del agregado grueso (cascote de ladrillo). TMN: 2”
3. Selección del asentamiento En este caso consideramos que nuestro concreto tenga un asentamiento de 3” 4”.
4. Volumen unitario de agua (lt/ ). Tabla 12.2.2.VOLUMEN UNITARIO DE AGUA
ASENTAMIENTO
1" a 2" 3" a 4" 6" a 7" 1" a 2" 3" a 4" 6" a 7"
Agua de 1/m³. para los tamaños máx nominales de agregado grueso y consistencia indicados 3/8" 1 ½" 1/2" 3/4" 1" 2" 3" CONCRETOS SIN AIRE INCORPORADO 207 199 190 179 166 154 130 228 216 205 193 181 169 145 243 228 216 202 190 178 160 CONCRETOS CON AIRE INCORPORADO 181 175 168 160 150 142 122 202 193 184 175 165 157 133 216 205 197 184 174 166 154 Fuente: ACI
Volumen unitario de agua=169Lt/ 5. Contenido de Aire (%) TABLA 12.2.1 CONTENIDO DE AIRE ATRAPADO Tamaño Máximo Aire atrapado Nominal 3/8" 1/2" 3/4" 1" 1 1/2" 2" 3" 6"
3 2.5 2 1.5 1 0.5 0.3 0.2
Fuente: ACI
Según la tabla anterior el porcentaje de aire que corresponde al TMN de 2” es 0.5
6"
112 124 107 119 -
6. Relación agua-cemento. En este caso hemos considerado que el concreto no va a estar expuesto a condiciones donde tengamos que considerar su durabilidad. F´cr 28 días 150 200 250 300 350 400 450
Relación agua - cemento de diseño en peso Concretos sin aire Concretos con aire incorporado incorporado 0.8 0.71 0.7 0.61 0.62 0.53 0.55 0.46 0.48 0.4 0.43 --0.38 -- Fuente: ACI
Interpolando
250 − 200 0.62 − 0.7 = 250 − 210 0.62−
De donde x=0.68
7. Factor cemento(kg/)
= 169 / = 0.68 = 249/=5.85 bolsas
8. Contenido de agregado grueso(kg/ ) TABLA:16.2.2.PESO DEL AGREGADO GRUESO POR UNIDAD DE VOLUMEN DEL CONCRETO
Tamaño Máximo Nominal del agregado grueso 3/8" 1/2" 3/4" 1" 1 ½" 2" 3" 6"
Volumen de agregado grueso, seco y compactado, por unidad de volumen de concreto, para diversos módulos de fineza del fino 2.4 2.6 2.8 3 0.5 0.48 0.46 0.44 0.59 0.57 0.55 0.53 0.66 0.64 0.62 0.6 0.71 0.69 0.67 0.65 0.76 0.74 0.72 0.7 0.78 0.76 0.74 0.72 0.81 0.79 0.77 0.75 0.87 0.85 0.83 0.81 Fuente: ACI
De acuerdo a la tabla anterior el factor del agregado grueso: 0.72 Peso seco del agregado cascote=0.72*855=616 kg/ 9. Calculo de volúmenes absolutos( ) .∗
Cemento=
=0.09
Agregado grueso (cascote)= =0.17 ∗
=0.39 .∗
Agua=
Aire=0.001 Suma de volúmenes conocidos: 0.08+0.39+0.17+0.001=0.65 10. Contenido de agregado fino(/ ) Volumen absoluto=1 − 0.66 = 0.35 Peso del agregado fino seco: 0.34*2.5+1000=850 kg/ 11. Valores de diseño de la mezcla
= 249/ = 850/ () = 616/ ñ = 169/
12. Corrección por humedad de los agregados Peso húmedo:
: 850 +
1.5 (859) = 863/ 100
(): 616 +
2.7 (616) = 633/ 100
Humedad superficial del:
Agregado fino=(1.5% − 1.7%) = 0.2% Agregado grueso (cascote) = (2.7% − 19) = −16.30% Aporte de agua del Agregado fino=0.002(850)=1.7lt Aporte de agua del Agregado grueso (cascote):-0.163(616)=-100lt Agua efectiva=169+100-1.7=267.3 lt
Peso de los materiales ya corregido
= 249/ ℎ = 863/ ℎ() = 633/ = 267/ 13. Proporción en peso
249 863 633 267 : : :/ / 249 249 249 5.85 1:3,46:2,54/46lt/saco
14. Proporción por tanda de un saco Cemento:142.5 = 42.5/ Agregado fino:3.4642.5 = 147/ Agregado grueso:2.5442.5 = 108/ Agua efectiva: 46lt
Una vez realizado el diseño de mezcla, se procedió a obtener el volumen del molde cilíndrico utilizado para la elaboración de las probetas, la cantidad de probetas que se han considerado son 2. Volumen del molde cilíndrico: el molde cilíndrico utilizado tiene una altura de 30cm, y un diámetro igual a 15 cm
(0.15) = ∗ 0.3 = 0.005 4
Una vez obtenido el volumen del molde cilíndrico procedemos a calculas las cantidad de materiales que se necesitaran para elaborar 2 probetas.
Cemento
249 → 1 → 0.005 = 1,245
Cascote de ladrillo
Agua
633 → 1 → 0.005 = 3,165
Agregado Fino.
863 → 1 → 0.005 = 4,315
249 → 1 → 0.005 = 1,355
1. Cantidades requeridas de concreto para elaborar 2 probetas cilíndricas estándares. Cemento:2,490 kg Agregado fino:8,630 kg Cascote de ladrillo:6,330 kg Agua:4,065 lt
Imagen N°5: cantidades requeridas Fuente: Urteaga Montoya, J. (24 de mayo 2016)
2. Posteriormente se introduce los materiales a la mezcladora.
Imagen N°6: Introducción de materiales a la mezcladora Fuente: Urteaga Montoya, J. (24 de mayo 2016)
3. Se esperó el completo mezclado de los agregados con el cemento y el agua. 4. se vació el concreto de la mezcladora en un recipiente
Imagen N°7: vaciado del concreto en un recipiente. Fuente: Urteaga Montoya, J. (24 de mayo 2016).
5. Se realizó la prueba consistencia del concreto. Se obtuvo un Slump de 4”
Imagen N°8: Prueba del slump Fuente: Urteaga Montoya, J. (24 de mayo 2016).
Con el concreto ya elaborado en estado fresco procedemos a elaborar nuestras probetas según la Norma ASTM C192 “Método estándar para hacer y curar especímenes de prueba de concreto, en el laboratorio”
Materiales. Concreto Herramientas. Molde cilíndrico de 15cm de diámetro y 30 cm de altura. Varilla de acero compactadora de 30cm de largo, con un diámetro de 1.2cm. Martillo de goma. Plancha de albañil, badilejo, etc.
Imagen N°9: Herramientas y materiales. Fuente: Urteaga Montoya, J. (24 de mayo 2016).
Primeramente se limpian los moldes. Poner petróleo a los moldes. Llenar los moldes en 3 capas iguales, se debe apisonar cada capa 25 golpes con la varilla de acero y además golpear los lados de los moldes con el martillo de goma una cantidad de 10 golpes aproximadamente para eliminar el aire atrapado. Una vez llenado por completo las probetas, se enraza de tal forma que su superficie quede liza. Finalmente se marcan las probetas y se ubican en un lugar de ambiente fresco, para que éstas sean desencofradas a las 48 horas después de iniciado el fraguado.
Imagen N°10: Elaboración de probetas cilíndricas. Fuente: Urteaga Montoya, J. (24 de mayo 2016).
DESENCOFRADO Y CURADO DE PROBETAS Las probetas se ubicaron en pozas de curado durante a7 días.
Imagen N°11: Desencofrado y curado de las probetas. Fuente: Urteaga Montoya, J. (24 de mayo 2016).
ENSAYO DE RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN DEL CONCRETO CON CASCOTE DE LADRILLO El ensayo se realizó a los de 7 días de curado de las probetas, siguiendo el siguiente procedimiento. Colocar las probetas cilíndricas en la máquina universal de compresión. Aplicar la carga axial y anotar las deformaciones marcadas por el deformímetro. Anotar la carga máxima que resiste la probeta.
Imagen N°12: Resistencia a la compresión. Fuente: Urteaga Montoya, J. (24 de mayo 2016).
Imagen N°13: Resistencia a la compresión. Fuente: Urteaga Montoya, J. (24 de mayo 2016).
Falla de las Probetas
Imagen N°14: Falla por agrietamiento Fuente: Urteaga Montoya, J. (24 de mayo 2016).
Agregado Fino Peso tara (gr) Peso tara + muestra (gr) Peso tara +muestra seca (gr) Contenido de humedad (%)
72 560 551 1.7
Cascote de ladrillo Peso tara (gr) Peso tara + muestra (gr) Peso tara +muestra seca(gr) Contenido de humedad (%)
Peso en el aire de la muestra seca al horno (gr) Peso en el aire de la muestra saturada con superficie seca (gr) Peso en el aire de la muestra saturada Peso especifico
CASCOTE DE LADRILLO Diámetro del cilindro metálico Altura del cilindro metálico Volumen del cilindro metálico Peso del cilindro metálico Peso cilindro + muestra de cascote Peso seco del cascote compactado que colmata el recipiente
=
71 319.2 312.6 2.7%
586.3 711.4 334 1.6
25.4 27.8 14086,4 4808 gr 17510gr 12702gr
0.254 0.278 0,014864 4.808 Kg 17.510 Kg 12.7 Kg
( ) 12.7 = = 855/ 0.014864
Peso saturado (gr) Peso seco (gr) Absorción (%)
711.9 600 19
Tabla N°1.Tabla Resumen sobre el ensayo de granulometría del cascote de ladrillo. Muestra=8800 gr Tamiz Peso %Retenido Retenido parcial acumulado N° Abertura(mm) retenido(gr) 2965.8 33.78 33.78 2" 50.8 1 1/2'' 38.1 14.79 1298 48.57 1'' 25.4 13.60 1193.7 62.17 3/4'' 19.05 8.01 703.3 70.18 1/2'' 12.7 7.14 626.7 77.32 3/8'' 9.525 2.80 245.6 80.11 4 4.75 5.16 453.4 85.28 10 2 3.56 312.4 88.84 20 0.84 2.69 236 91.52 30 0.59 1.28 112.6 92.81 40 0.426 2.27 198.9 95.07 60 0.25 2.47 216.9 97.54 100 0.149 1.13 98.9 98.67 200 0.075 0.87 76 99.54 Cazoleta 0.47 41.7 100 TOTAL 8779.9 100.0 Fuente: Protocolos de ensayo de granulometría en laboratorio UPN. Elaboración propia TMN: 2”
% Pasante 66.22 51.43 37.83 29.82 22.68 19.89 14.72 11.16 8.48 7.19 4.93 2.46 1.33 0.46 0.00
Tamiz 2" 11/2" 1" 3/4" 1/2" 3/8" 4"
HUSOS GRANULOMÉTRICOS PARA EL AGREGADO GRUESO Abertura del tamiz(mm) Límite superior (%) Límite inferior (%) 50.8 100 95 38.1 25 70 35 19 12.7 30 10 9.5 4.75 5 0
a s a p e u q %
100.00 90.00 80.00 70.00 60.00 50.00 40.00 30.00 20.00 10.00 0.00
Granulometria Limite inferior Limite superior
1
10
100
Abertura tamiz
Fuente: Elaboración propia.
área sección trasversal de la probeta longitud inicial
TIPO DE ESPECIMEN NUMERO DE ESPECIMEN FECHA DE FABRICACIÓN: FECHA DE ENSAYO: DIAS DE CURADO:
CARGA(Kg) 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 12000 13000 14000 15000 15300 CARGA FINAL
Deformación Longitud (Total)mm inicial 0.00 29.80 0.35 29.80 0.60 29.80 0.90 29.80 1.16 29.80 1.25 29.80 1.42 29.80 1.56 29.80 1.75 29.80 2.10 29.80 2.40 29.80 2.55 29.80 2.62 29.80 2.70 29.80 2.75 29.80 2.95 29.80 3.00 29.80
165.13 29.8
PROBETA CILINDRICAS PARA COMPRESIÓN 1 28 DE MAYO DE 2016 03 DE JUNIO DE 2016 7 DÍAS Longitud final 29.80 29.45 29.20 28.90 28.64 28.55 28.38 28.24 28.05 27.70 27.40 27.25 27.18 27.10 27.05 26.85 26.80
Deformación Esfuerzo(kg/cm^2) unitaria 0.00 0 6.05 0.012 12.10 0.020 18.15 0.030 24.20 0.039 30.25 0.042 36.30 0.048 42.35 0.052 48.40 0.059 54.45 0.070 60.50 0.081 66.55 0.086 72.60 0.088 78.64 0.091 84.69 0.092 90.74 0.099 92.56 0.101
15300
Fuente: datos obtenidos en laboratorio-resistencia a la compresión Elaboración: Propia
GRAFICO N°1
ó
100.00 90.00 80.00 70.00 I O60.00 Z R E50.00 U F S40.00 E
30.00 20.00 10.00 0.00 0
0.02
0.04
0.06
0.08
DEFORMACIÓN UNITARIA
Fuente: datos obtenidos en laboratorio-resistencia a la compresión
Elaboración: Propia
Determinación de f´c para la probeta 1, a la edad de 7 días
´(/ ) = : : Á ó 15300 ´ = 4 (14.5)
´ = 92.65 / Estimación de f´c para la probeta 1, a la edad de 28 días
´ =
0.99(92.65) 0.65
´ = / Módulo de elasticidad
= 15100√ 141 = /
0.1
0.12
área sección trasversal de la probeta longitud inicial
TIPO DE ESPECÍMEN NUMERO DE ESPECIMEN FECHA DE FABRICACIÓN: FECHA DE ENSAYO: DIAS DE CURADO: Deformación CARGA(Kg) (Total)mm 0 0.00 1000 0.29 2000 0.70 3000 1.10 4000 1.40 5000 1.46 6000 1.65 7000 1.76 8000 1.80 9000 1.95 10000 2.03 11000 2.12 12000 2.20 13000 2.50 14000 2.60 14800 2.75 CARGA FINAL(KG)
Longitud inicial 29.90 29.90 29.90 29.90 29.90 29.90 29.90 29.90 29.90 29.90 29.90 29.90 29.90 29.90 29.90 29.90 14800
165.13 cm2 29.90 cm
PROBETA CILINDRICA PARA COMPRESIÓN 2 28 DE MAYO DE 2016 03 DE JUNIO DE 2016 7 DÍAS
Longitud final 29.90 29.61 29.20 28.80 28.50 28.44 28.25 28.14 28.10 27.95 27.87 27.78 27.70 27.40 27.30 27.15
Esfuerzo(kg/cm^2) 0.00 6.05 12.10 18.15 24.20 30.25 36.30 42.35 48.40 54.45 60.50 66.55 72.60 78.64 84.69 89.53
Fuente: datos obtenidos en laboratorio-resistencia a la compresión
Elaboración: Propia
Deformación unitaria 0 0.010 0.023 0.037 0.047 0.049 0.055 0.059 0.060 0.065 0.068 0.071 0.074 0.084 0.087 0.092
GRÁFICO N°2: ESFUERZO VS DEFORMACIÓN
ó 100.00 80.00 O Z R E U F S E
60.00 40.00 20.00 0.00 0
0.02
0.04
0.06
0.08
DEFORMACIÓN UNITARIA
Determinación de f´c para la probeta 1, a la edad de 7 días
´(/ ) = : : Á 14800 ´ = 4 (14.5)
´ = 89.626 / Estimación de f´c para la probeta 1, a la edad de 28 días
´ =
0.99(89.626)) 0.65
´ = / Módulo de elasticidad
= 15100√ 137 = /
0.1
Resistencia a la compresión promedio del concreto con cascote de ladrillo
´ =
137 + 141 2
´ = / Módulo de elasticidad promedio del concreto con cascote de ladrillo
=
176741 + 1799303 2
= /
De acuerdo a los resultados obtenidos se puede inferir que es un concreto con baja resistencia y que no debe ser utilizado en elementos estructurales como vigas, zapatas, columnas, etc. Al analizar la falla en cada una de las probetas, nos damos cuenta que la probeta ha fallado por agrietamiento y que el cascote de ladrillo estaba partido.
La Resistencia a compresión promedio obtenida del concreto con cascote de ladrillo es 139/ El módulo de elasticidad obtenido es 178022 / Este concreto se podría utilizar en solados, falsos pisos, y en general que elementos donde no se requieres una alta resistencia del concreto.
En concordancia a los resultados obtenidos se puede recomendar la utilización de este concreto en estructuras que no se requieran un concreto con alta resistencia o elementos no estructurales. Desde nuestro punto de vista recomendamos hacer el ensayo de re sistencia a la compresión a los 28 días, ya que el cascote de ladrillo conserva mucha agua dentro de él. Cuando realizamos éste ensayo nos fijamos que el ladrillo aún estaba húmedo, talvés esa sea la razón por la que hemos obtenido un concreto con baja resistencia.
1. CANTERA Los datos corresponden a la cantera de donde se obtuvo el agregado fino NOMBRE: “El gavilán”
UBICACIÓN: Se encuentra a 3250 m.s.n.m. al sur este de Cajamarca, en las faldas del cerro “ventanilla” al costado derecho de la carretera Cajamarca. Pacasmayo.
Imagen N°15: Vista en planta de la cantera Google Eart.
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