Laboratorio de Suelos y Hormigones II - Dosificación y Resistencia Mecanica

AREA CONSTRUCCIÓN Asignatura: Lab de suelos y hormigones II Código: TTLB02/Dosificación TTLB02/Dosificación y Resistencia mecánica Unidad de Aprendizaje N°3: Comportamiento de los suelos, Resistencia Real del hormigón . Aprendizajes Esperados 1. Aplica técnicas de de dosificación de Hormigones

1.0

OBJETIVO.

Mostrar a los estudiantes el método de dosificación sugerido por la NCh 170 of 1985 y enseñar a calcular la resistencia potencial de los hormigones

Preparación del hormigón

2.0

Preparación probetas de hormigón

ANTECEDENTES GENERALES.

Hormigón según la NCh 170 se define como “Material que resulta de la mezcla de agua, arena, grava, cemento y eventualmente aditivos y adiciones, en proporciones adecuadas que, al fraguar y endurecer, adquiere resistencia.” Esas proporciones adecuadas corresponden a la dosificación del hormigón la cual corresponde a determinar mediante un algoritmo las diferentes cantidades ya se en masa o en volumen que conforman un determinado volumen de hormigón.

1

AREA CONSTRUCCIÓN Asignatura: Lab de suelos y hormigones II Código: TTLB02/Dosificación TTLB02/Dosificación y Resistencia mecánica

La dosificación se calcula para cumplir ciertos requisitos especificados entre los que se destacan:    

Por resistencia mecánica a compresión uniaxial. Por dosis de cemento especificada. Por razón agua cemento especificada. Por dosis de cemento especificada.

Existen muchos métodos para dosificar hormigones, algunos de ellos corresponde a métodos métodos empíricos dado que utilizan para dosificar valores previamente tabulados a partir de investigaciones experimentales (praxis), otros corresponden a métodos racionales donde el análisis análisis analítico se enfoca enfoca principalmente en la distribución granulométrica de los áridos áridos y el cemento y por últimos están los prácticos prácticos basados principalmente en en ensayo y error. De los métodos mencionados están:      

Método de Fuller (Racional) Método de de Bolomey (Racional) Método de Faury (Racional) Método de Vallette (Práctico) Método ACI (Empírico) Método Normado NCh 170 (Empírico)

En esta guía práctica, se enseña a dosificar hormigones mediante el método de la NCh 170 of 1985. Para cumplir con resistencia mecánica a compresión y dosis de cemento especificada.

3.0 Especificación del Hormigón En Chile la especificación del tipo de hormigón, se realiza conforme a la NCh 170 of 1985 la cual clasifica el hormigón según su resistencia mecánica en:

3.1 Resistencia Mecánica a la compresión Grado H5 H10 H15 H20 H25 H30 H35 H40 H45 H50

Resistencia especificada, Fc Mpa 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Kgf/cm² 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

Esta especificación del hormigón es para cumplir con resistencia mecánica a la compresión un axial en probeta cubica normal de 20 cm de arista.

2

AREA CONSTRUCCIÓN Asignatura: Lab de suelos y hormigones II Código: TTLB02/Dosificación y Resistencia mecánica 3.2 Resistencia mecánica a la flexotracción Grados de Flexotracción

Resistencia Especificada Ft Mpa 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0

HF 3.0 HF 3.5 HF 4.0 HF 4.5 HF 5.0 HF 5.5 HF 6.0

Kgf/cm³ 30 35 40 45 50 55 60

3.3 Por CLASE Clase de hormigón según NCh 170 of 52 Designación

A B C D E

Resistencia mínima Kgf/cm²

Resistencia Media Resistencia media

120 160 180 225 300

Valores promedio, Kgf/cm² Desviación Resistencia Característica fc estándar Para niveles de confianza indicados Desviación estándar

150 190 222 277 346

30 35 41 48 51

80%

125 160 190 235 300

90%

110 145 170 215 280

95%

100 130 155 200 260

Las Exigencias por resistencia mecánica pueden complementarse con otros requisitos tales como;        

Resistencia al Hendimiento Dosis de cemento Docilidad Tamaño máximo nominal del árido Tipo de aditivo Durabilidad Permeabilidad Resistencia a edades distintas que 28 días

4.0 Especificación del hormigón según NCh 1924 of 92 Los hormigones prefabricados para su compra se deben especificar incluyendo al menos las siguientes características:    

Resistencia especificada Fracción defectuosa o nivel de confianza Tamaño máximo nominal del árido Docilidad del hormigón según asentamiento en el cono de Abrams

3

AREA CONSTRUCCIÓN Asignatura: Lab de suelos y hormigones II Código: TTLB02/Dosificación y Resistencia mecánica 4.1 H30 (10)20/6 Corresponde a un hormigón con resistencia especificada a la compresión de 30 MPa a los 28 días en probeta cubica de 20 cm de arista, con un 10% de fracción defectuosa o un 90 % de nivel de confianza, con un tamaño máximo nominal del árido grueso de 20 mm, docilidad de 6 cm de asentamiento de cono y sin especificaciones especiales.

4.2 HF 4.5 (20) 40/4 Este caso corresponde a un hormigón con una resistencia especificada a la flexo tracción de 4,5 MPa a los 28 días en probetas prismática de 15 x 15 x 53 o 60 cm, con un 20 % de fracción defectuosa o 80 % de nivel de confianza, tamaño máximo nominal del árido grueso de 40 mm, docilidad de 4 cm de asentamiento de cono y sin especificaciones especiales.

5.0

Glosario de Términos.

Hormigón: Material que resulta de la mezcla de agua, arena,grava, cemento, eventualmente aditivos y adiciones, en proporciones adecuadas que, al fraguar y endurecer, adquiere resistencia. Aditivos: materiales activos agregados al hormigón en pequeñas cantidades para modificar alguna de sus propiedades por acción física o química. Adiciones: materiales solidos inertes que se agregan al hormigón. Dosificación: El la cantidad de los distintos materiales expresadas en masa o en volumen que constituyen un determinado volumen de hormigón. Agua de amasado o agua libre: agua que contiene el hormigón fresco descontada el agua absorbida por los áridos absorbida por los áridos hasta la condición de saturado superficialmente secos Razón agua cemento : Cuociente entre la masa de agua libre y de aditivos líquido y la masa de cemento Resistencia media requerida o de dosificación, Fr: Valor medio estimado de los resultados de la resistencia mecánica que se necesita alcanzar para satisfacer la resistencia especificada. Resistencia media del hormigón, Fm: promedio aritmético de los resultados de la resistencia mecánica del hormigón de un mismo grado y edad . Nivel de confianza: Fracción, expresada en porcentaje o en fracción decimal, de resultados iguales o mayores que un valor especificado. Fracción defectuosa: Fracción, expresada en porcentaje o en fracción decimal, de los resultados menores que un valor especificado. Resistencia mecánica : tensión máxima que soporta el hormigón ( de compresión, tracción de flexión, de hendimiento) expresada en MPa o kgf/cm² ( 1 MPa = 10 kgf/cm² ).

4

AREA CONSTRUCCIÓN Asignatura: Lab de suelos y hormigones II Código: TTLB02/Dosificación y Resistencia mecánica Resistencia potencial: Resistencia de una muestra de hormigón extraída según NCh 171, confeccionada según NCh 1017 y ensayada según NCh 1037, expresada como resistencia a los 28 dias, cuyas condiciones de curado , edad y grado son según NCh 170.

6.0

Aparatos. - Balanza capacidad 50 kg Con una sensibilidad de 5 gr

Foto catalago mecsuelo

- Betonera capacidad 250 litros

Foto catalogo Homecenter

5

AREA CONSTRUCCIÓN Asignatura: Lab de suelos y hormigones II Código: TTLB02/Dosificación y Resistencia mecánica

Carretilla y pala punta de huevo


Balde concretero


Vibrador de inmersión

Foto Catalogo Homecenter

6

AREA CONSTRUCCIÓN Asignatura: Lab de suelos y hormigones II Código: TTLB02/Dosificación y Resistencia mecánica Prensa ensayo de compresión y Flexotracción

Foto catalogo mecsuelo

7.0 Dosificación de Hormigón Según NCh 170 of 1985 I.

Etapa definición del requisito H30 (10)20/6

II.

Etapa Calcular la resistencia media requerida o de de dosificación Fr

La resistencia media requerida o de dosificación es el valor medio estimado de los resultados de la resistencia que se necesita alcanzar según especificación, La resistencia media requerida tiene que ser mayor que la resistencia especificada en el proyecto Fc, a fin de que absorba cualquier variación en el proceso de fabricación. La resistencia media requerida se calcula como:

Donde

Fr: Resistencia madia Requerida Fc: Resistencia especificada t: Factor estadístico que depende del nivel de confianza. s: Desviación Estándar.

7


Factor t

Nivel de confianza %

t

95

1,645

90

1,282

85

1,036

80

0,842

Factor S Condiciones previstas para la ejecución de la obra

s Mpa ≤ H 15

> H 15

Regulares

8

-

Media

6

7

Buenas

4

5

Muy buenas

3

4

Muy Buenas: Dosificaciones en peso Buenas: Dosificaciones en peso o en volumen controlado

Medias: Dosificaciones en volumen controlado Regulares: Cuando no hay control y en caso de hormigones inferiores a H15

III.

Etapa determinar la razón agua cemento

La razón agua cemento se puede obtener por resistencia o por durabilidad o por ambas condiciones. De preferencia la razón agua cemento debe obtenerse a partir de resultados obtenidos de muestras de prueba. Se puede también obtener a partir de la resistencia media requerida.

8

AREA CONSTRUCCIÓN Asignatura: Lab de suelos y hormigones II Código: TTLB02/Dosificación y Resistencia mecánica Determinación de la razón agua cemento por resistencia media requerida. Razón agua-cemento en masa

Resistencia media requerida, ft, Mpa Cemento grado corriente

Cemento grado alta resistencia

0,45

34

43

0,50

29

36

0,55

25

31

0,60

21

26

0,65

18

23

0,70

16

20

0,75

14

17

0,80

12

15

0,85 Nota: Interpolar valores intermedios.

10

13

Razón agua cemento por durabilidad para casos de exposición severa Tipo de estructura Secciones delgadas (e≤ 20 cm) y

Estructura continua o frecuentemente húmeda o expuesta a los ciclos hielo -deshielo 0.45

Estructura expuesta a agua agresivas, en contacto con el suelo o ambientes salinos 0.40

secciones con recubrimiento < a 2 cm. Toda otra estructura

0.50

0.45

IV.

Eleccion de la docilidad La docilidad se puede elegir de acuerdo a la tabla Nº 5, cuando esta no este especificada. Tipo de estructura Hormigón armado Hormigón sin armar Pavimentos

Asentamiento de cono para compactación por vibración , en cm 4 a 10 2a8 Inferior a 5

9


V.

Dosis de agua

De preferencia se debe adoptar aquella obtenida de hormigones de prueba, de no existir se puede utilizar la siguiente tabla, según tamaño máximo nominal del árido. Volumen estimado de agua de amasado en (m³)

VI.

Docilidad según descenso de cono, cm

Tamaño máximo nominal, mm

(0 -2)

(3-5)

(6-9)

( 10 - 15 )

( 16 )

63

0,135

0,145

0,155

0,165

0,170

50

0,145

0,155

0,165

0,175

0,180

40

0,150

0,160

0,170

0,180

0,185

25

0,170

0,180

0,190

0,200

0,205

20

0,175

0,185

0,195

0,205

0,210

12

0,185

0,200

0,210

0,220

0,230

10

0,190

0,205

0,215

0,230

0,240

Dosis de cemento Se deben respetar las dosis mínimas de cemento, cuando el caculo de este de resultados inferiores a los indicados  

Hormigón armado protegido de la intemperie: 270 kg/m³ Hormigón armado expuesto a la intemperie : 270 kg/m³ Calcular la cantidad de cemento en kg, despejando la razón agua cemento como:

/(A/C) Donde: C= Cemento en kg A = agua en litros A/C= Razón agua cemento

10

AREA CONSTRUCCIÓN Asignatura: Lab de suelos y hormigones II Código: TTLB02/Dosificación y Resistencia mecánica VII.

Aire atrapado Se obtiene a partir del tamaño máximo nominal. En la siguiente tabla

Tamaño máximo nominal del árido Volumen medio de aire atrapado, en mm m³ 63 50 40 25 20 12 10

VIII.

0,003 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030

Proporción de los materiales, áridos Despejando la ecuación de compacidad con aquellos valores ya conocidos, se puede obtener el valor de los áridos en m³

C = Cemento W= Agua U= Aire G= Graba A= Arena

IX.

Conocidos todos los componentes del hormigón se puede ahora indicar la dosificación en masa y volumen para 1m³ de hormigón.

X.

La dosificación debe ajustarse según condiciones de humedad real ( ver ejemplo)

11


8.0 Ejemplo de dosificación

Dosificación de H 20(90)20/6 I Datos     

Hormigón a compresión Resistencia de proyecto especificada a la compresión en MPa de 20 ó 200 Kgf/cm2 Nivel de confianza 90% o 10 % de fracción defectuosa . Tamaño máximo nominal de árido 20 mm. Docilidad medida en el cono de Abram 6.0 cm

II Fr: Resistencia Requerida o de dosificación. Fr = 200 + (t x s) Fr = 200 + (1,282 x 50) Fr = 264 Kgf/cm² Factor T

Nivel de confianza %

t

90

1,282

Factor S

Condiciones previstas para la ejecución de la obra

s Mpa ≤ H 15

> H 15

4

5

Buenas

III Razón Agua Cemento.W/C según tabla

Razón agua-cemento en masa

Resistencia media requerida, ft, Mpa Cemento grado corriente

Cemento grado alta resistencia

0,50

29

36

0,55

25

31

12


IV Docilidad 6.0 centímetros según especificación. V Dosis de agua (W) Según tabla, para un cono 6.0 cm y un tamaño máximo nominal de 20 mm W = 0,195 m³

Docilidad según descenso de cono, cm

Tamaño máximo nominal, mm

(0 -2)

(3-5)

(6-9)

( 10 - 15 )

( 16 )

20

0,175

0,185

0,195

0,205

0,210

VI Dosis de cemento /(A/C) /0,53lt/kg

13


VII Aire atrapado Tamaño máximo nominal del árido en mm

Volumen medio de aire atrapado, m³

20

0,020

VIII Áridos

Árido = 0,122 m³ + 0,195 m³ + 0,020 m³ Árido = 0,663 m³ Antecedentes granulométricos y constante áridos para mezcla gravilla y arena

Tamiz mm ASTM 50 2” 40 1 ½” 25 1” 20 3/4” 12,5 1/2” 10 3/8” 5 #4 2,5 #8 1,25 #16 0,630 #30 0,315 #50 0,160 #100 Fino por lavado NCh 1223 of. 77 Módulo de finura ρRSSS; ρRT;

Kg/m³ Kg/m³ Absorción % Humedad real % Kg/m³ ρac ρas Kg/m³ % de Huecos Desgaste de los ngeles % Chancado %

% EN PESO QUE PASA Arena Gravilla

100 79 54 37 22 11 4 1,0 3,38

100 65 28 1 6,71

2659 2571 3,6 6.4 1744 1618 36,4 ---------

2663 2625 1,5 2.2 1541 1433 41,3 --------14


Tamiz mm

ASTM

50 40 25 20 12,5 10

2” 1 ½” 1” 3/4” 1/2” 3/8”

5 2,5 1,25 0,630 0,315 0,160

#4 #8 #16 #30 #50 #100

Fino por lavado NCh 1223 of. 77 Módulo de finura

Mezcla por tanteo % EN PESO QUE PASA Mezcla Arena Gravilla 50 % 50%

100 100 100 79 54 37 22 11 4

100 65 28 1 0 0 0 0 0

1

-

3,38

6,71

100 82,5 64 40 27 18,5 11 5,5 2

Mezcla 45 % 55%

100 84,25 67,6 43,9 29,7 20,35 12,1 6,05 2,2

Mezcla en banda granulométrica sugerida según NCh 163

15


Nota: Se puede mezclar de otras maneras como utilizando los módulos de finura en un sistema de ecuaciones 3.38 (X/100)+6.71(Y/100)= MF Banda X+Y = 100

IX Dosificación para 1 m³ de hormigón Arido total = 0,663 m³ Gravilla = 663 lt *55% = 365 lt = 365 lt * 2,659 kg/lt = 970 kg Arena = 663 lt* 45% = 298 lt = 298 lt * 2,663 kg/lt = 794 kg Dosificación final para 1m³ en masa en condición SSS 1m³ CEMENTO

Kg 368

Litros ------

AGUA TOTAL GRAVILLA ARENA Densidad del Hormigón

195 970 677 794 491 2327 kg/m³

Ajustes en masa considerando la humedad natural indicada en Estado Árido

Seco

SSS

Húmedo

Cemento kg

368

368

368

Agua de docilidad lt

195

195

70-442 =28 195-28= 167 lt

Agua de absorción

(14 +28) = 42

------

42

Agua de humedad

------

------

70

Gravilla kg

956

970

977

Arena kg

766

794

815

2327

2327

(368+167+977+815)=2327

Densidad kg/m³

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9.0 Resistencia Mecánica Es la capacidad que tiene el Hormigón para soportar las cargas para las cuales fue diseñado sin que evidencie alguna patología como agrietarse o de laminaciones u otras. La resistencia mecánica es diferente según el tipo de esfuerzos de que se trate las cuales pueden ser de compresión o flexo tracción, existen equivalencia entre sus resistencias tanto entre ellas como entre las probetas que se utilicen para registrarla. Un ejemplo de esto es su resistencia a la compresión que es unas diez veces mayor que su resistencia a flexo tracción. Desde el momento en que los granos del cemento inician su proceso de hidratación comienzan las reacciones de endurecimiento en el hormigón , que se manifiestan inicialmente con el “atiesamiento” del fraguado y continúan luego con una evidente ganancia de resistencias, al principio de forma rápida y disminuyendo la velocidad a medida que transcurre el tiempo. La edad en que las normas miden la resistencia mecánica del hormigón es a los de 28 días, Es frecuente determinar la resistencia mecánica en periodos de tiempo distinto a los de 28 días, pero suele ser con propósitos informativos. Las edades más usuales en tales casos pueden ser 1, 3, 7, 14, 28 y 90 días. En algunas ocasiones y de acuerdo a las características de la obra, esa determinación no es solo informativa, si no normativa, o según necesidades como adelantar el descimbre de alzaprimas, destensar en casos de hormigones pretensados, permitir el tránsito de vehículos cundo corresponde a pavimentos u otros, En general se especifica unas probetas a 7 días y 2 a 28 días cuando no hay condiciones especiales. Los factores que influyen en la Resistencia del hormigón son 

La dosis de cemento



Las relación agua cemento y el contenido de aire



Contenido de finos bajo 0.08 mm en los agregados



Fraguado , humedad y temperatura



La compactación .Densidad

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AREA CONSTRUCCIÓN Asignatura: Lab de suelos y hormigones II Código: TTLB02/Dosificación y Resistencia mecánica 9.1 Resistencia potencial a la compresión En Chile la norma Chilena NCh 170 of 1985 indica que el hormigón debe medir su resistencia mecánica a compresión uniaxial en probetas cubicas de 20 cm de arista y permite utilizar alternativas como la cilíndrica o cubica de diferentes aristas tales como la de 10 cm, 15 cm 25 cm y 30 cm respectivamente. No obstante se pueden convertir las resistencias obtenida en probetas distintas a la normal (Cubica de 20 cm de arista) utilizando los factores de conversión siguientes. Cuando una especificación es concebida en el extranjero, hay que tener especial cuidado con el tipo de probeta especificada dado que en general son resistencias especificadas en probetas cilíndricas las cuales en sus países de origen son consideradas normales. Así por ejemplo si la especificación indica hormigón en probeta cilíndrica de 20 Mpa en Chile debes solicitar un Hormigón de 25 Mpa (250 kgf/cm²) el cual equivale a una de 20 Mpa en probeta cilíndrica. Esto significa en la práctica que cuando especificamos un hormigón al proveedor la resistencia esta en probeta cubica normal de 20 cm de arista a 28 días, cuando el esfuerzo al cual estará sometido es de compresión. Por otra parte cuando la especificación es de flexo tracción la probeta utilizada y considerada normal es la prismática de 15 cm x 15 cm x 53 o 60 cm

Factor de conversión de probetas cubicas distintas de 20 cm

Fuente NCh 170 of 85

18


Factores de conversión de probeta cilíndrica a cubica normal

Fuente NCh 170 of 85 Factores de conversión de probeta cilíndrica a cubica normal

9.2 Resistencia mecánica a la compresión

Donde R= Resistencia mecánica a la compresión expresada en Kgf/cm², Mpa, N/mm² P = Carga de rotura en KN o kgf S = Sección de ensayo mm o cm

19


Área o Sección

Área o Sección

Volumen

Volumen

20

AREA CONSTRUCCIÓN Asignatura: Lab de suelos y hormigones II Código: TTLB02/Dosificación y Resistencia mecánica 9.3 Resistencia a flexo tracción con P/2, en los límites del tercio central

Esquema NCh 1038

Donde R= tensión de rotura, N/mm² (kgf/cm²) P= Carga Máxima aplicada, N (kgf) L= luz de ensayo de la probeta, mm (cm) b = ancho promedio de la probeta en la sección de rotura, mm (cm) h = Altura promedio de la probeta en la sección de rotura, mm (cm) a = Distancia entre sección de rotura más próxima, medido a lo largo de la línea central de la superficie inferior de la probeta, cm.

21


9.3 Resistencia a la flexo tracción Con carga en el punto medio de la luz de ensaye

Donde: R= tensión de rotura, N/mm² (kgf/cm²) P= Carga máxima aplicada, N (kgf) L= luz de ensayo de la probeta, mm (cm) b = ancho promedio de la probeta en la sección de rotura, mm (cm) h = Altura promedio de la probeta en la sección de rotura, mm (cm)

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Ejercicios Con los siguientes antecedentes calcule la resistencia a compresión y convierta a cubo normal N°

Dimensión cm

878 989 547 547 1 1

20 x 20 x 20 20 x 20 x 20 15 x 15 x 15 15 x 15 x 15 Ǿ= 15; h=30 Ǿ= 15; h=30

Peso gr

Carga de ruptura KN

19900 19900 8225 8235 12500 12300

Carga de Ruptura Kgf

Densidad de la probeta gr/cm³

Resistencia a compresión Directa Kgf/cm²

Resistencia a compresión Cubo normal Kgf/cm²

1190 1245 764 754 386 377

Con los siguientes antecedentes calcule la resistencia a flexo tracción, considere luz de 45 cm y carga en L/3

N°

Dimensiones cm 1 2

15 x 15 x 53 15 x 15 x 53

Peso gr

28700 29000

Carga de ruptura KN

Carga de Ruptura Kgf

Densidad de la Resistencia probeta A Flexo tracción gr/cm³ gr/cm²

40 45

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