INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE CINTALAPA.
DIVISIÓN DE INGENIERÍA CIVIL
TECNO LO GÍA D EL CO NCRE TO
UNIDAD 5. CONCRETO ENDURECIDO
ING. ÁLVARO CRUZ MORALES.
NOVIEMBRE 2014.
UNIDAD 5 CONCRETO ENDURECIDO ENDURECIDO 5.1 CONCEPTOS FUNDAMENTALES FUNDAMENTALES Fraguado del concreto Una vez que el cemento y el agua entran en contacto, se inicia una reacción química que determina el paulatino endurecimiento de la mezcla; mientras exista agua en contacto con el cemento, progresa el endurecimiento del concreto. Antes de su total endurecimiento, la mezcla experimenta dos etapas dentro de su proceso general que son: el fraguado inicial y el fraguado final. El primero corresponde cuando la mezcla pierde su plasticidad volviéndose difícilmente trabajable. Conforme la mezcla continua endureciendo, esta llegará a su segunda etapa alcanzando una dureza tan apreciable que la mezcla entra ya en su fraguado final. Concreto endurecido: es aquel que tras el proceso de hidratación ha pasado del estado plástico al estado rígido. Estado endurecido Después de que el concreto ha fraguado empieza a ganar resistencia y endurece. Las propiedades del concreto endurecido son resistencia y durabilidad el concreto endurecido no tendrá huellas de pisadas si se camina sobre él. Resistencia y durabilidad El concreto bien hecho es un material naturalmente resistente y durable. Es denso, razonablemente impermeable al agua, capaz de resistir cambios de temperatura, así como también resistir desgaste por interperismo. La resistencia y la durabilidad son afectadas por la densidad del concreto. El concreto más denso es más impermeable al agua. La durabilidad del concreto se incrementa con la resistencia. La resistencia del concreto en el estado endurecido generalmente se mide por la resistencia a la compresión usando la prueba de resistencia a la compresión. La resistencia y la durabilidad son afectadas por: La compactación. Significa remover el aire del concreto. La compactación apropiada da como resultado concreto con una densidad incrementada que es más resistente y más durable. Curado. Curar el concreto significa mantener húmedo el concreto por un periodo de tiempo, para permitir que alcance la resistencia máxima. Un mayor tiempo de curado dará un concreto más durable. Clima. Un clima más caluroso hará que el concreto tenga un mayor resistencia temprana
5.2 CURADO El curado adecuado es uno de los factores individuales más importantes para poder lograr la máxima calidad del concreto. La permeabilidad, durabilidad, resistencia y apariencia superficial del concreto dependen en gran parte de si el concreto ha sido curado en forma adecuada. El curado adecuado cumple dos funciones muy importantes: 1). Conservar la humedad del concreto para asegurar que exista la cantidad suficiente de agua para permitir la completa hidratación del cemento. 2). Estabilizar la temperatura a un nivel adecuado. Las condiciones adecuadas de curado se logran cuando el concreto se mantiene a una temperatura cercana a los 20-25ºC y totalmente húmedo por un mínimo de 7 días. Los primeros tres días son los más críticos en la vida del concreto. En este periodo, cuando el agua y el concreto se combinan rápidamente, el concreto es más susceptible de sufrir algún daño. A la edad de siete días, el concreto ha obtenido aproximadamente 70% de la resistencia, a los catorce días aproximadamente el 85% y los 28 días, la resistencia de diseño. Existen varios métodos para curar el concreto, entre los más comunes tenemos: 1) Curado con agua 2) Materiales selladores 3) Curados a vapor 1). Curado con agua Cuando se elige una aplicación de agua debe estudiarse la economía del método particular que se usará en cada obra, puesto que la disponibilidad de agua, mano de obra y otros factores influirán en el costo. A continuación se describen varios métodos de curado con agua. a) Anegamiento o inmersión Se emplea rara vez, sin embargo es el método mas completo de curado; todo depende de que el elemento a curar se preste. Algunas veces se emplea en losas planas, puentes, pavimentos, atarjeas, es decir en cualquier elemento donde sea posible crear un charco. b) Rociado de niebla o aspersión El rociado de niebla o aspersión mediante boquillas o aspersores proporcionan un curado excelente. Una de las desventajas es el costo del agua a menos que se cuente con toda la necesaria. El uso de mangueras es útil, especialmente cuando se tienen superficies verticales. Sin embargo debe tenerse cuidado de no provocar la erosión de la superficie.
c) Costales, carpetas de algodón y alfombras al fombras Estos elementos y otras cubiertas de material absorbente retendrán agua sobre la superficie del concreto, sea esta vertical u horizontal. Estos materiales deben estar libres de substancias dañinas tales como: Azúcar o fertilizantes, que si puedan dañar al concreto y decolorarlo. Los costales deben lavarse muy bien con agua para eliminar estas substancias y hacerlos más absorbentes. d) Arena y aserrín La arena y aserrín mojados proporcionan por mayor tiempo la humedad y pueden proteger la superficie del elemento en caso de lluvias para que no se despostille. 2) Materiales selladores Los materiales selladores son hojas o membranas que se colocan sobre el concreto para reducir la pérdida del agua por evaporación. Estos, proporcionan varias ventajas; por ejemplo, cuando se impide la pérdida de humedad mediante el sellado, existe menos la posibilidad de que el concreto se seque antes de tiempo debido a un error en el mantenimiento de la cubierta húmeda. Asimismo, los materiales selladores son más fáciles de manejar y pueden aplicarse más temprano. te mprano. a). Película plástica La película plástica es de peso ligero y está disponible en hojas transparentes, blancas y negras. La película blanca es la más costosa, pero refleja los rayos del sol considerablemente, mientras que la transparente tiene poco efecto sobre la absorción de calor. La película negra debe evitarse en clima cálido, excepto para interiores, sin embargo, tiene sus ventajas en clima frío por su absorción abso rción de calor. b) Papel impermeable El papel impermeable está compuesto de dos hojas de papel kraft unidas entre si mediante un adhesivo bituminoso, e impermeabilizadas con fibras. El papel impermeable puede emplearse por segunda vez siempre y cuando conserve su capacidad para retardar eficazmente la pérdida de humedad. c) Compuestos líquidos para formar membranas de curado Estos compuestos consisten esencialmente en ceras, resinas naturales o sintéticas, así como solventes de volatilidad elevada a la temperatura atmosférica. Los compuestos de curado no deben emplearse sobre superficies que vayan a recibir capas adicionales de concreto, pintura o mosaicos que requieran buena adherencia.
3) Curados a vapor Estos curados se llevan a cabo cuando se pretende que el concreto obtenga su resistencia máxima antes de los 28 días. Las ventajas que se tienen son: descimbrado a los tres días, el elemento puede cargar más pronto, el tronado de cilindros nos darían resultados inmediatos, etc. a) Curado con vapor a baja presión Este se lleva a cabo a presión atmosférica, envolviendo el elemento con un plástico para que el vapor no se escape. b) Curado con vapor a alta presión Este curado, por lo general se lleva a cabo en un autoclave, este se hace necesario en productos que no tengan contracciones a la hora del secado. c) Tina de curado La tina de curado se utiliza especialmente para los cilindros de prueba, acelerando su resistencia a temprana edad; por medio del calentamiento del agua a cierta temperatura según el tiempo en el que se pretenda tronar los cilindros. Propiedades físicas y químicas Densidad La densidad del concreto se define como el peso por unidad de volumen. Depende de la densidad real y de la proporción en que participan cada uno de los diferentes materiales constituyentes del concreto. Para los concretos convencionales, formados por materiales granulares provenientes de rocas no mineralizadas de la corteza terrestre su valor oscila entre 2.35 y 2.55 2. 55 kg./dm3. Resistencia La resistencia es una de las propiedades más importantes del concreto, principalmente cuando se le utiliza con fines estructurales. El concreto, en su calidad de constituyente de un elemento estructural, queda sometido a las tensiones derivadas de las solicitaciones que actúan sobre éste. Variaciones de volumen y fisuración El concreto experimenta variaciones de volumen, dilataciones o contracciones, durante toda su vida útil por causas físico - químicas. El tipo y magnitud de estas variaciones están afectados en forma importante por las condiciones ambientales existentes de humedad y temperatura y también por los componentes presentes en la atmósfera. Durabilidad Como ya se ha indicado, un concreto será bueno si es durable. La durabilidad expresa la resistencia al medioambiente. La impermeabilidad, la cual está directamente relacionada con la durabilidad, se consigue con la consolidación, relación agua-
cemento adecuada y curado conveniente, según el lugar donde se encuentre la obra. El ensayo de resistencia, es el más común de los aplicados al concreto y constituye un índice de su calidad. La resistencia final del concreto, es función de la relación aguacemento, del proceso de hidratación del cemento, del curado, de las condiciones ambientales y de la edad del concreto. La durabilidad expresa el comportamiento del material para oponerse a la acción agresiva del medio ambiente u otros factores como el desgaste, asegurando su integridad y la de las armaduras de refuerzo durante el período de construcción y después, a lo largo de toda la vida en servicio de la estructura. Impermeabilidad Es una característica estrechamente ligada a la durabilidad y la que más colabora con ésta. La impermeabilidad es el resultado de disponer de un concreto compacto y uniforme, con la suficiente cantidad de cemento, agregados de buena calidad y granulometría continua, dosificación racional, relación agua/cemento lo más baja posible dentro de las condiciones de obra para permitir un excelente llenado de encofrados y recubrimiento de jmarmadura, eliminando toda posibilidad de que queden en la masa bolsones de aire o nidos de abeja a fin de impedir que ingresen a la masa del concreto los elementos agresivos. Los factores que afectan la durabilidad del concreto, son aquellos que producen el deterioro del mismo. Estos factores se clasifican en 5 grupos: 1. Congelamiento y deshielo 2. Ambiente químicamente agresivo 3. Abrasión 4. Corrosión de metales en el concreto 5. Reacciones químicas en los agregados. Congelamiento y deshielo El congelamiento y deshielo, constituye un agente de deterioro que ocurre en los climas en que la temperatura desciende hasta provocar el congelamiento del agua contenida en los poros capilares del concreto. En términos generales el fenómeno se caracteriza por introducir esfuerzos internos en el concreto que pueden provocar su figuración reiterada y la consiguiente desintegración. Control de la durabilidad frente al congelamiento y deshielo: a) Aditivos inclusores de aire. En concretos normales, existe un promedio de 1% de poros de aire atrapado, los cuales no son suficientes para evitar el deterioro del concreto cuando el agua llega a congelarse en los poros saturados del mismo. b) Curado. No se puede pensar que sólo con los aditivos inclusores de aire se soluciona el problema, si no le damos al concreto la posibilidad de desarrollar resistencia, de nada servirá la precaución anterior entre la fatiga que va produciendo la alternancia de esfuerzos en los ciclos de hielo y deshielo.
c) Diseños de mezcla. Los diseños de mezcla deben ejecutarse buscando concretos con la menor permeabilidad posible, lo cual se logra reduciendo la relación agua/cemento a mínimo compatible con la trabajabilidad para lo cual el aci recomienda relaciones entre 0.45 y 0.50. Ambiente químicamente agresivo El concreto es un material que en general tiene un comportamiento satisfactorio ante diversos ambientes químicamente agresivos. El concepto básico reside en que el concreto es químicamente inalterable al ataque de agentes químicos que se hallan en estado sólido. Los ambientes agresivos usuales están constituidos por el aire, agua y suelos contaminados que entran en contacto con las estructuras de concreto. Efecto de compuestos químicos corrientes sobre el concreto: Dentro de este panorama, los compuestos que por su disponibilidad en el medio ambiente producen la mayoría de casos de ataque químico al concreto están constituidos por cloruros y sulfatos. a) Cloruros. Los cloruros se hallan en el ambiente en las zonas cercanas al mar, en el agua marina, y en ciertos suelos y aguas contaminadas de manera natural o artificial. b) Sulfatos. Los sulfatos que afectan la durabilidad, se hallan usualmente en el suelo en contacto con el concreto, en solución en agua de lluvia, en aguas contaminadas por desechos industriales o por flujos en suelos agresivos. Abrasión Se define la resistencia a la abrasión como la habilidad de una superficie de concreto a ser desgastada por roce y fricción. Este fenómeno se origina de varias maneras, siendo las más comunes las atribuidas a las condiciones de servicio, como son el tránsito de peatones y vehículos sobre las veredas y losas, el efecto del viento cargado de partículas sólidas y el desgaste producido por el flujo continuo de agua. Corrosión de metales en el concreto El concreto por ser un material con una alcalinidad muy elevada (ph > 12.5), y alta resistividad eléctrica constituye uno de los medios ideales para proteger metales introducidos en su estructura, al producir en ellos una película protectora contra la corrosión. Pero si por circunstancias internas o externas se cambian estas condiciones de protección, se producen el proceso electroquímico de la corrosión generándose compuestos de óxidos de hierro que llegan a triplicar el volumen original del hierro, destruyendo el concreto al hincharse y generar esfuerzos internos. Reacciones químicas en los agregados Las reacciones químicas en los agregados que se pueden producir desintegración han sido y continuarán siendo muy investigadas a nivel mundial en relación a su repercusión en el concreto. Las reacciones químicas que se presentan en estos agregados están constituidos por la llamada reacción sílice-álcalis y la reacción carbonatos-álcalis.
5.3 PRUEBAS DE CALIDAD CLASIFICACIÓN CLASIFICACIÓN SEGÚN SU NATURALEZA: NATURALEZA: Destructivas: determinan Destructivas: determinan la resistencia mediante la rotura de probetas o piezas de concreto. Las pruebas destructivas que comúnmente se utilizan son: Prueba a la compresión simple, prueba de flexión, prueba de tensión. No destructivas: determinan destructivas: determinan la calidad sin destruir la estructura. Las pruebas no destructivas más comunes tenemos; prueba del martillo de rebote (esclerómetro), (escle rómetro), prueba de resistencia a la penetración (pistola de windsor), prueba de pulso ultrasónico, pruebas dinámicas o de vibración y prueba de extracción de corazones, esta última algunos autores la consideran como prueba semidestructiva. 5.3.1 PROCEDIMIENTO DE MUESTREO Prueba de compresión (ASTM C-39)
Para una prueba de resistencia se necesitan preparar como mínimo dos cilindros estándar de una muestra de concreto. Muestreo. Muestreo. Para que el muestreo sea representativo deberemos tomar porciones de diferentes puntos de la mezcla a muestrear. La muestra deberá ser transportada al lugar donde se van a preparar los cilindros y luego se volverá a mezclar con una pala para asegurar su uniformidad. Moldes. Moldes. Los moldes para poder colar los especimenes cilíndricos para pruebas de resistencia a la compresión deberán estar construidos a base de materiales no absorbentes y ser lo suficientemente rígidos para no deformarse. Además deberán ser impermeables. Elaboración de los especimenes. especimenes. Los moldes deberán colocarse sobre una base lisa y rígida, metálica de preferencia, para lograr que la base del cilindro de concreto sea tersa y evitar que se obtenga una superficie curva. El concreto se deberá compactar perfectamente dentro del molde cilíndrico. La mejor forma para lograr esto es colocando la muestra de concreto en el molde en tres capas del mismo volumen aproximadamente. Esto debe hacerse con un cucharón, de tal manera que se logre una distribución uniforme. Cada capa deberá varillarse con 25 golpes con una varilla de 5/8” y punta en forma de bala. Los golpes se deberán
distribuir uniformemente en toda la sección transversal del molde e introducir la varilla hasta apenas penetrar la capa inferior 2 cm. El varillado no deberá abollar ni deformar la placa metálica del fondo. Curado de los especimenes de prueba. prueba . Se deberán curar a una temperatura de 16 a 17 ºC durante 24 horas en el sitio de la obra. Posteriormente se transportarán al laboratorio, se extraerán de los moldes y se almacenarán en condiciones controladas de laboratorio a una temperatura de 23 ± 2ºC y humedad relativa de mínimo el 95%. Cabeceo de especimenes. especimenes. Los especimenes deben tener sus bases superior e inferior planas con una tolerancia de 0.05 mm y a escuadra con el eje del cilindro. Generalmente se requiere del cabeceo para cumplir con esta tolerancia. Este se lleva a cabo con una pasta de cemento o con mezclas de azufre con material mate rial granular fino.
Procedimiento
1. Antes de colocar el espécimen en la máquina de ensaye, deberá comprobarse la total limpieza de las superficies de las placas que deberán estar en contacto con las cabezas del espécimen. 2. El eje del espécimen estará perfectamente alineado con el centro de aplicación de la carga de la máquina de ensaye. 3. Se comenzará a aplicar una carga en forma continua y sin impacto. La velocidad de aplicación de la carga deberá mantenerse dentro del intervalo de 1.5 a 3.5 kg/cm2/seg. Durante la aplicación de la primera mitad de la carga total podrá permitirse una velocidad ligeramente mayor, pero no deberán hacerse ajustes en los controles de la máquina de prueba cuando el espécimen comienza a deformarse rápidamente, inmediatamente antes de la falla. 4. La carga deberá aplicarse hasta que el espécimen haya fallado, registrándose la carga máxima soportada. También debe anotarse el tipo de falla y la apariencia del concreto en las zonas de falla. 5. La resistencia a compresión del espécimen deberá calcularse dividiendo la carga máxima soportada durante la prueba, en kilogramos, entre el área promedio de la sección transversal, en cm2. el resultado deberá aproximarse a proximarse a 1.0 kg/cm2. Prueba de flexión (ASTM C-78)
Esta prueba se usa para determinar la resistencia a la flexión del concreto, empleando una viga simplemente apoyada con carga en los tercios del claro. Procedimiento El espécimen de ensaye será girado sobre uno de sus lados, respecto a la posición en que fue colado, y centrado sobre los apoyos. Los dispositivos de aplicación de carga se pondrán en contacto con la superficie del espécimen en los tercios del claro entre los apoyos. Si no se logra un contacto completo entre el espécimen, los dispositivos de aplicación de la carga y los apoyos, las superficies de contacto serán cabeceadas, pulidas o calzadas con tiras de piel en todo el ancho de los especimenes. La carga se aplicará rápidamente hasta alcanzar el 50%, aproximadamente, del valor de ruptura. Después, la velocidad de aplicación será uniforme de tal manera que los incrementos del esfuerzo en las fibras extremas del espécimen no excedan de 10 kg/cm2 por minuto. Después del ensaye se medirá en la sección de falla el ancho y el peralte promedio del espécimen aproximando las lecturas al milímetro. Método del esclerómetro. El esclerómetro o martillo de Schmidt, es en esencia, un medidor de la dureza de la superficie que constituye un medio rápido y simple para revisar la uniformidad del concreto. Mide el rebote de un émbolo cargado con un resorte después de haber golpeado una superficie plana de concreto. La lectura del número de rebote da una indicación de la resistencia a compresión del concreto. Los resultados de la prueba con esclerómetro (ASTM C-805) se ven afectados por la lisura de la superficie, el tamaño, forma y rigidez del espécimen; la edad y condición de
humedad del concreto; el tipo de agregado grueso; y la carbonatación de la superficie del concreto. Cuando se reconocen estas limitaciones y el esclerómetro se calibra para los materiales particulares que se utilicen en el concreto, entonces este instrumento puede ser útil para determinar la resistencia a la compresión relativa y la uniformidad del concreto en la estructura. Método de penetración. El sondeo Windsor (ASTM C-803), como el esclerómetro, es básicamente un probador de dureza que brinda un medio rápido para determinar la resistencia relativa del concreto. El equipo consiste de una pistola accionada con pólvora que clava una sonda de aleación acerada (aguja) dentro del concreto. Se mide la longitud expuesta de la sonda y se relaciona con la resistencia a compresión del concreto por medio de una tabla de calibración. Tanto el esclerómetro como el sondeo de penetración dañan la superficie del concreto en cierto grado. El esclerómetro produce una pequeña muesca sobre la superficie; y el sondeo de penetración deja un agujero pequeño y puede causar agrietamientos leves. Pruebas dinámicas o de vibración. Una prueba dinámica o de vibración (velocidad de pulso) (ASTM C-597) se basa en el principio de que la velocidad del sonido en un sólido se puede medir: 1) determinando la frecuencia resonante de un espécimen ó 2) registrando el tiempo de recorrido de pulsos cortos de vibración a través de una muestra. Las velocidades elevadas indican que el concreto es de buena calidad, y las velocidades bajas indican lo contrario. Pruebas de corazones (ASTM C-42). Los corazones de concreto son núcleos cilíndricos que se extraen haciendo una perforación en la masa de concreto con una broca cilíndrica de pared delgada; por medio de un equipo rotatorio como especie de un taladro al cual se le adapta la broca con corona de diamante, carburo de silicio u otro material similar; debe tener un sistema de enfriamiento para la broca, impidiendo así la alteración del concreto y el calentamiento ca lentamiento de la broca. El diámetro de los corazones que se utilicen para determinar la resistencia a la compresión debe ser cuando menos de 3 veces el tamaño del máximo del agregado grueso, y puede aceptarse de común acuerdo por lo menos 2 veces el tamaño máximo del mismo agregado, debiendo anotarse en el reporte.
5.4 INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS
Los requisitos del reglamento de construcción para concreto reforzado ACI 318 señalan que la resistencia a compresión del concreto puede considerarse satisfactoria si los promedios de todos los conjuntos de tres pruebas de resistencia consecutivas igualan o exceden la resistencia especificada a los 28 días y si ninguna prueba de resistencia individual (el promedio de dos cilindros) se encuentra más allá de 35 kg/cm2 debajo de la resistencia especificada.
Si la resistencia de cualquier cilindro curado en el laboratorio es inferior a la resistencia especificada menos de 35 kg/cm 2, se deberá evaluar la resistencia del concreto en el lugar. Cuando sea necesario evaluar la resistencia del concreto en el lugar, deberá determinarse ensayando tres corazones por cada prueba de resistencia en que los cilindros curados en el laboratorio hayan estado por debaj o del f’c en más de 35 kg/cm2. Si la estructura permanece seca durante su servicio, antes de la prueba deberán secarse los corazones 7 días a una temperatura de 16 a 27ºC y a una humedad relativa de menos de 60%. Los corazones deberán sumergirse en agua por lo menos 40 horas antes de la prueba si la estructura va estar en servicio en un ambiente húmedo. Los métodos de prueba no destructivos no sustituyen a las pruebas de corazones (ASTM C- 42). Si la resistencia promedio de tres corazones es de por lo menos 85% del f’c y si ningún es menor que 75% del f’c, se considerará estructuralmente
adecuado al concreto de la zona representada por el corazón. Si los resultados de las pruebas de corazones correctamente realizadas son tan bajos como para poner en duda la integridad estructural del concreto, deberá optarse por demoler el elemento o probar físicamente con la carga a la cual estará trabajando dicho elemento.
