GRANULOMETRI PORCIONAMIENTO DE PA R DE CONCRETO* Lucas E.
RESUMEN Este artículo consta de dos partes. En la primera se examinan los pasos usualmente seguidos a efecto de lograr un correcto proporcionamiento de los agregados comprendidos en la producción de e concreto. Se examinan los instrumentos etc.), y se analizan las diversos criterios d proporcisnamiento, dependiendo de la finura de los agregados. En la segunda parte se describen los procedimientos que dieron origen a la ciencia del diseño y control de mezclas para bloques de concreto.
This of two parts. In the first, are discussed the usual for achieving a proportioning of aggregates con block pprroduction; as as we well aass tthhe ssccreens, and r e l a t i o n sh i p b e t we e n proportion ju dgem dg emen ents ts subo su bord rdin in ated at ed to fine fi ne ne ss of ag rega re gate te s. In dures which were n d control of concrete block
Publicado originalmente en la “Gerente del Centro de
Vol. 10,
l
14
1985.
y REVISTA
VOL. 25, NUM.
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PARTE
La selección y mezcla de buenas materias primas (agregados) sigue siendo un factor importante en la producción de bloques de calidad. Al hablar de este tema con clientes y estudiantes del Blockmakers Workshop (Taller de Trabajo de los Fabricantes de Bloques de Concreto), a menudo surge la pregunta sobre los métodos de análisis y evaluación a seguir. Debido a esto, se pensó que sería bueno hacer una revisión de los procedimientos recomendados, para así contestar muchas de las preguntas hechas por los interesados. Af ortu na da ment e, vari os in ve stigadores han explorado este tema y han desarrollado lineamientos que son prácticos y reproducibles en las actividades cotidianas del control de calidad. Muchos se encuentran en las normas de la ASTM.
partículas blandas, deleznables, que se desintegrarán al quedar expuestas a las condiciones climáticas. La ASTM ha establecido métodos de prueba para evaluar agregados en la norma C 142 -Método de Prueba para Arcillas y Partículas Deleznables de Agregados-; en la C 40 -Método de Prueba para la Presencia de Impurezas Orgánicas en Agregados Finos para Concreto-; en la C 123 -Método de Prueba para Piezas Ligeras en los Agregados (carbón, lignito y pedernal)-; y en la C 851 -Práctica para Evaluar la Dureza en Partículas de Agregado Grues o - . Las limitaciones de las especificaciones están anotadas en la tabla 3 de la norma C 33 -Especificación para Agregados de Concreto.’
Las muestras se pueden tomar del de almacenamiento (pila, vagón, camión o silo) o por medio de una banda transportadora en moviSELECCION Y MUESTREO El principal componente de un blo- miento. De nuevo, se puede usar la que de concreto es la porción de norma ASTM D75 Estánagregados, que consiste más o me- dar para Muestrear nos en el 85 a 90% de la unidad. Las como guía para obtener muestras rematerias primas deben tener la posi- presentativas. Las figuras 1 y 2 ilusbilidad de aglutinarse entre ellas por tran los métodos adecuados para medio del cemento Portland, para for- muestrear partiendo de una pila y de mar un cuerpo Por lo tanto, la descarga de una banda transporlas dos características importantes tadora. del agregado son limpieza y durabilidad. Limpieza implica que esté libre Después de seleccionar el matede arcillas, de sedimentos limosos y rial representativo, hay que reducir el materiales como raí- tamaño de la muestra. Los mejores ces, corteza, varitas, hojas, lignito, procedimientos consisten en formar y otros materiales nocivos. La conos, dividir en cuartos y separar la durabilidad implica que libre de muestra. Las instrucciones para IMCYC, VOL. 25, NUM. 198
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Fig. 1. Muestreo de agregados de una pila. La pala impide que los finos excedentes caigan en cascada al agujero de muestreo, para asegurarse de que se obtiene un espécimen representativo.
Fig. 2. Muestreo de agregados de la descarga de una banda transportadora. El recipiente se mueve horizontalmente de un lado a otro del flujo de la descarga para obtener un representativo.
están bien documentadas e ilustradas en el Manual 53 de W.S. Tyler y en la norma 35
concreto plástico) en favor de los porcentajes acumulativos. Se dice que éstos son más La industria manufacturera de bloques, sin embargo, ha mantenido el método de los porcentajes separados, porque parece ilustrar más gráficamente los excesos o defectos de los tamaños de las partículas individuales que son importantes en diferentes aplicaciones del producto, texturas formadas por máquinas, superficies de bloques de corte y control de calidad de la materia prima (ver figuras 6Y
Porcentaje retenido 35
25
20
15
10 9
5 4 3 2 1
Malla estándar EUA 12.50 9.50 m m
4 4.75
8 16 2 . 3 6 1.18
30 0.6
50 0.3
OO Charola 0.15
Fig. 6. Ejemplo del método de porcentaje separado del material retenido e n cada malla. Agregado fino de módulo de finura de 2.67.
Porcentaje que pasa por peso 100
1
90 80
El módulo de finura como medida para la granulometría, fue desarrollado por el profesor Duff A. durante el período de 1914 a 1918. Ha demostrado ser un método de diseño seguro cuando se trabaja con concreto. El módulo de finura es un numérico que es aproximadamente proporcional al promedio de las partículas de un agregado dado; mientras más grueso sea el agregado, mayor es el número y mientras más fino sea el agregado, menor es el número. El módulo de finura es la suma de los porcentajes acumulativos retenidos en cada malla, dividida entre 1 OO. El material que queda retenido en la charola no se toma en cuenta. Por definición, el se desarrolla sólo de las partículas retenidas en la tela de alambre. En la tabla 1 se da un ejemplo de los módulos de finura. Los agregados combinados mostrados en la tabla 1 consisten en una mezcla de 63% de agregados finos y 37% de agregados gruesos. Su módulo de finura está en proporción directa con los módulos de finura de los agregados gruesos y finos, y de las cantidades de cada uno.
70 60
30
Por lo tanto:
20 10 Malla estándar EUA m m
63% x 2.67 + 3 7 % x 100
0 0.15
50 0.3
30 0.6
16 1. 18
8 2.36
4 4.75
9.50
g. 7. Ejemplo de los porcentajes acumulados que pasan las mallas. Agregado fino de de finura de 2.67.
38
100
1.6821 + 2.0054 = 3.69
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TABLA 1.
GRANULOMETRICO Y DE CONCRETO
DE FINURA DE AGREGADOS PARA BLOQUES
Agregado fino Tamaño malla escala EUA
Porcentaje retenido
Agregado grueso
Porcentaje acumulado retenido
Porcentaje retenido
Mezcla combinada de 63% finos y gruesos
Porcentaje acumulado retenido
Incrementos porcentaje retenido finoslgruesos
Porcentaje total retenido
Porcentaje acumulado retenido
0
0
0
0
4 8
0
0
63
63
10
10
30
93
23. 3 17. 4
40. 7
16 30
19
29
2
95
12. 7
53. 4
21
50
1
96
13. 6
67. 0
50
33
83 95
1
97 98
21. 2
88. 2
8. 0
96. 2
100 Charol a
Total
12 5
100
Módulo de finura
2.
100
COMPOSICION GRANULOMETRICA PARA PRODUCTOS DE CONCRETO La literatura sobre este tema revela que participaron dos hombres en la idea de mezclar los agregados de peso normal para productos de concreto, con la finalidad de lograr un diseño de mezcla eficiente. Estos investigadores fueron Benjamin Wilk de Standard Building Co., Detroit, Michigan y William Grant de la Oficina de Pruebas, Departamento de Construcciones de Ingeniería de Seguridad, Detroit, Michigan. Muchos contribuyeron a través de los
542
5.
67
PARTE II La primera parte de este artículo trató de los procedimientos recomendados para seleccionar y muestrear agregados, el uso de la escala de mallas para calibrar la distribución del tamaño de partículas, y la herramienta matemática llamada módulo de finura, utilizada para controlar la mezcla y la composición final de los agregados. Varios estudiantes del Blockmaker’s shop han preguntado dónde proviene el MF (módulo de finura) de 3.70 recomendado para los bloques de peso normal?“. Como continuación del tema general, pensé que valdría la pena revisar los resultados obtenidos por varios investigadores.
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3. 1
2
267
Oi 23. 3
42
mités del Concrete Institute (Instituto Americano del Concreto), pero estas dos personas transmitier on s us r es ul ta do s a lo s fa br ic an te s de productos de concreto en forma concluyente y utilizable. Primero se comentará el trabajo hecho por Benjamin Wilk. Aun cuando el estudio se hizo con la aplicación de máquinas apisonadoras de bloques, su información es básica y aplicable a las máquinas vibradoras de la actualidad. Anteriores investigadores del concreto reconocieron la importancia de la composición nulométrica de los agregados sobre la resistencia del concreto. “Señalaron que debería preferirse arena gruesa en lugar de arena fina. La frase ‘predominio de partículas gruesas’, al describir agregados, se utilizó con frecuencia en las especificaciones. Aunque esta información tuvo un cierto valor en la producción de concreto masivo o reforzado, fue especialmente importante para los fabricantes que usan agregados menores de pulg (13 mm)“.* Esta fue una de las bases del estudio de Wilk, quien observó que una mezcla más gruesa con un módulo de finura de 4.25 y una relación cemento-agregado de era equivalente en resistencia a una mezcla más fina con módulo de finura de 2.80 y una relación cemento-agregado de En la
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23. 3
3. 8
100
368. 8
3. 69
tabla 2 se hace una comparación tre los lotes A y F. A de m ás , i nd i có q ue d e u n ro de mezclas probadas, las lometrías registradas en la tabla 3 fueron las mejores.
Wilk reconoció que el módulo de finura, por sí solo, no era el único factor y que una mezcla gruesa, por sí sola, no bastaba. Una serie de pruebas reportadas por el Comité 710 del ilustró la necesidad de emplear una cierta cantidad de agregados finos para lograr los mejores resultados. La tabla 4 representa la granulometría de los agregados usados en la serie, para mostrar el efecto de un material más fino que la malla No. 50 (0.3 mm). La tabla 5 ilustra el efecto sobre la resistencia a la compresión. Como resultado de este estudio, además de otro trabajo hecho por el Comité 710 del Wilk recomendó la granulometría que se incluye en la figura 8. Esta información está en la figura 9 con los límites permisibles. En los últimos años, se ha aceptado esta composición granulométrica como la adecuada para todos los agregados de peso normal. Los depósitos glaciales o las arenas y gravas arrastradas por los ríos son, por la naturaleza de su formación, lisos y redondeados. Por lo tanto, al formar una masa consolidada como el concreto, fluyen juntos y se anidan bien para producir un número mínimo de cavidades. En los agregados fracturados como la caliza, granito o trapa, triturados, la es más difícil. El 25% de material retenido en la malla No. 4 (4.75 mm) con frecuencia se reduce debido a la aspereza de las superficies fracturadas. En este campo William Grant hizo una contribución en el método para determinar la densidad máxima, que se comentará más adelante, en el proporcionamiento de los agregados.
DE AGREGADOS DE PESO NORMAL El uso del módulo de finura para diseñar las mezclas de concreto se explicó en la parte de este artículo, El ejemplo ilustrado en la tabla 1 de dicho se calculó en la siguiente Dado que: A = ag re ga do gr ue so co n MF de 5.42 42
TABLA 2. COMPORTAMIENTO DE LA RESISTENCIA QUE INDICA EL EFECTO DEL MODULO DE FINURA CON DOS NIVELES DE CONTENIDO DE CEMENTO
A
Mezcla Mezcla
Aren a medi ana 100 %
C D
Mezcla Mezcla
Are na med ian a 66 Gravilla 33 113%
3.75 3.75
E F
Mezcla Mezcla
Aren a medi ana 50% Gravilla 50%
4.25 4.25
105.5 81.6
111.1 90.7
TABLA 3. GRANULOMETRIAS COMPROBADAS PARA PRODUCTOS DE CONCRETO Composición granulométrica de mezclas Tamaño de la malla
EUA No.
Métrico mm
4 8 16 30 50 100 Charola
4.75 2.36 1. 18 0.60 0.30 0.15 Charola
Retenido 25 25 10 5 17 10 8
Acumulado retenido %
Retenido
25 50 60 65 82 92
24 13 18 16 17 6 6
Total
Acumulado retenido 24 37 55 71 88 94
100
Módulo de finura
3.74
3.69
TABLA 4. GRANULOMETRIA DE AGREGADOS Porcentaje retenido acumulado granulometría
Tamaño de la malla EUA No.
Métrico mm
4 18 16 30 50 100
4.75 2.36 1.18 0.60 0.30 0.15
Módulo d e finura
(950.3
mm)
(9.5-0.15 mm)
mm)
24 46 66 84 100 100
23 43 60 76 89 100
23 42 58 72 83 92
4.20
3. 91
3.70
B
agregados combinados con MF de 3.70 C = agregado fino con MF de 2.67 X = porcentaje deseado de gado fino REVISTA
Y
Porcentaje deseado de gado grueso
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=
disponibles en la distribución de maño de partículas como para que estén dentro de los límites de la ra 9, 0 quizás las partículas con angularidades agudas no puedan anidar o encajar con tanta facilidad
100
como las arenas y gravas de glacial. Hay un método de ba en la norma ASTM C-29, Método de Prueba Estándar para Peso tario y Cavidades en que permite maximizar la densidad
= 63% de agregado fino x = 100% 63% = 37% de agregado grueso Cuando un productor tiene tres agregados disponibles, se puede usar el método de cálculo anterior, considerando primero las arenas y mediana a un MF de 2.74, y después calcular las arenas combinadas y el agregado grueso a un MF de 3.70. Como se mencionó anteriormente, los agregados triturados como liza, granito y trapa pueden no estar REVISTA IMCYC, VOL. 25, NUM. 196
TABLA 5. EFECTO DE LA GRANULOMETRIA SOBRE LA RESISTENCIA A LA COMPRESION USANDO CEMENTO NORMAL (TIPO Y DE ALTA RESISTENCIA TEMPRANA (TIPO RESISTENCIA A A LA COMPRESION, , DESIGNACION DE LA GRANULOMETRIA (950.3
mm)
(950.15
mm)
(950.075 (9.5-0.075 mm)
Edad
Normal
A.R.T. 4.R.T.
Normal
A.R.T.
Normal
A.R.T.
142 10 196
180 237 22 66 66
150 186 22 11 33
170 228 22 55 22
155 214 233
20 1 25 1 289
7 28
A.R. T. = Alta resi sten cia temprana tempr ana Estudio hecho usando 42.6 kg (94 Ib) de cemento normal, comparado con 31.8 kg (70 Ib) de cemento de alta resistencia temprana.
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43
gados en proporciones controladas para minimizar las cavidades entre las partículas y, como consecuencia, maximizar la densidad. Un ejemplo de este tipo de mezcla se muestra en la figura 10. 9.5 PROPORCIONAMIENTO DE AGREGADOS LIGEROS En este artículo se subraya la importancia del proporcionamiento y la granulometría para lograr la máxima
densidad, usar la menor cantidad posible de cemento y obtener el mejor comportamiento en cuanta a resistencia. En los bloques con agregados ligeros, las propiedades del agregado y las aplicaciones del producto final crean un conjunto diferente de condiciones. La mayoría de los agregados ligeros tienen una superficie fracturada con poros tos que se tiene que recubrir. Parte del cemento se pierde en las
Porcentaje
25 2.36
16
30 0.60 malla
11 2
12. 50
9.50
4 4.75
16 2.36
30 0.6
50 0.3
Charola 0.15
sugerida Límites prácticos
finura 3.70
Fig. 8. recomendada para bloques de arena y grava (de Benjamin Wilk).
de agregados gruesos, medios y finos. William trató esta técnica usando una medida de 1 pie cúbico (0.028 y una varilla. La técnica consiste en mezclar agre44
9. Composición granulométrica recomendada con límites prácticos para bloques
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ñas aberturas. Las excepciones son esqui stos expand idos recubi ertos de cerámica y escoria expandida El uso del producto final es diferente, porque los bloques ligeros se venden más para dar la apariencia de una superficie texturizada, ya que absorben el sonido, son ligeros y tienen una textura fina como para aplicar sólo una mano de
se a cabo regularmente para determinar el peso unitario no sólo desde el punto de vista del agregado celular sino también de la cantidad de agua ab sor bida . Algun os pro duct ores prefieren dosificar por volumen el agregado ligero, como una opción diferente a la dosificación por peso. Esto les permi te eliminar la variación del peso unitario.
Se deberá tener cuidado con las fuentes de agregado ligero para asegurarse del peso unitario. La piedra pómez, escoria, cenizas, escoria de altos hornos y esquistos, arcillas y pizarras expandidas, pueden variar en peso unitario. Un productor fácilmente puede tener menores rendimientos, consumiendo así más cemento 0 tener mayores rendimientos, pero produciendo bloques de menor resistencia. La norma ASTM C 331, Agregados Ligeros para Unidades de Mampostería de Concreto, proporciona las limitaciones del tamaño de las partículas y un máximo de 10% de variación del peso unitario. Esto no significa que todas las entregas de material del proveedor cumplirán con los límites. Un muestreo de los agregados adquiridos deberá
Para el uso de estos bloques en el mercado normal de ventas, la adición de una pequeña cantidad de agregados de peso normal al agregado ligero de la mezcla para el bloque, se muestra La aplicación de un agregado derivado o subproducto, como sería la ceniza de fondo de las plantas generadoras de electricidad por carbón, introduce otra serie de condiciones. A menudo estos materiales tienen un comportamiento marginal, no obstante se aplican por razones de tipo económico. Algunas fuentes de ceniza la producen con peso extremadamente ligero, 448 kg por metro cúbico. Estos materiales pueden dosificarse por peso, pero se debe determinar el cionamiento original con base en el
1750-
1720106
1600-
a 70% de la combinación de agregados gruesos y medianos y de
100
98
0
10 20 30 40 50 60 POR CIENTO POR PESO DE LA MEZCLA “A”
70
Fig. 10. Diseño de mezclas para bloques de concreto usando tres grupos de agregado: grueso, mediano y fino, para obtener la densidad máxima. (Observe que la curva no es crítica.) (De William Grant y Leo C. Jensen.) REVISTA IMCYC, VOL. 25, NUM. 196
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volumen.
TABLA 6. RANGOS DE RELACIONES DE CEMENTO-AGREGADO POR PESO, PARA AGREGADOS Y DIVERSOS PRODUCTOS
COMPENSACION DEL AGUA La mayoría de los agregados, tal como se entregan en la planta del productor de bloques, no están se La cantidad de agua, que varía, Peso normal Y se absorbe o está presente en la superficie de las partículas de agregado. Cuando se dosifica por peso, se de altos hornos (enfriada con aire) debe determinar contenido de humedad. Las pruebas han indicado que la arena de variar de 1 a 8% de contenido de humedad. Se han encontrado algu- E s c o r i a fuentes de piedra pómez que Arc illa , esqui sto o piza rra expa ndida s Escoria de altos hornos (expandida) contienen hasta 36% de humedad. Escoria de altos hornos (granulada) La presencia de agua indica la Perlas de poliestireno con arena natural cesidad de recurrir a pesos más tos en la báscula para obtener la cantidad real de agregado deseado. Con el uso de sondas detectoras en los depósitos de agregado o en la salida de descarga de agregados, mencionar las proporciones de cemento que se usan con los se puede lograr en forma automátidiversos agregados. Grant publicó ca la compensación del agua. También se puede compensar manualun de las relaciones agremente mediante un programa gado-cemento, pero se han desarrollado muchos productos y aplicacioplanificado de muestreo, secado y ajuste de las balanzas periódica- nes diferentes desde el decenio de mente para compensar el peso 1960. La tabla 6 ilustra los rangos actuales. agregado del agua. RELACION DE CEMENTO-AGREGADO Este artículo no puede terminar sin
CONCLUSIONES Gracias a los primeros investigadores, como Benjamin Wilk y William
Rangos de las mezclas según la aplicación Uso común
Especiales (adoquín) (bloque de corte)
(bloque de corte) (bloque de corte) (bloque de corte) (bloque aislante) (bloque aislante)
Grant, el diseño y control de mezclas para bloques de concreto dejaron de ser un arte para convertirse en ciencia exacta. Los productores de hoy en día pueden cosechar los beneficios de sus estudios básicos. La práctica continuada del libre intercambio de información técnica y comercial permite que la industria de la mampostería avance y sea más competitiva en el mercado actual de la construcción.
REFERENCIAS
PARTE
PARTE ll
1. Committee C-9 Concrete and Concrete Aggregate, “1984 nual Book of ASTM Standards. Section 04.02”. Amer. For Test. and Mat’ls. Sept. 1984. For C33, Pg. 14 thru 17; C 40, Pg. 30 and 31; C 123, Pg. 76 thru 78; C 142, Pg. 107 and 108, and C 702, Pg. 452 thru 457. 2. Committee D-4 Road and Paving Materials and D 04.30 hods of Sampling, “1984 Annual Book of ASTM Standards. Section 04.02”. Amer. For Test. and Mat’ls. Sept. 1984: For D 75, Pg. 650 thru 654. 3. Anonymous, “Testing Sieves And Their Uses”, W.S. Tyler corporated, Handbook 53, 1982 Edition: Splitring Pg. and 13; Pg. 4 and 5. 4. Proceeding of the Society For Testing Materials, me XIII, 1913, Pages 5. Committee E-29 Size Measurement, “1984 Annual Book S t a n d a c d s , S e c t i o n 04.02”. Amer. For Test. and Mat’ls. S e p t . 1984: For E-l Pg. 800 thru 805. 3. Abrams, Duff A., “Design of Concrete Mixtures”, Research Laboratory, Lewis Institute, Chicago, Illinois, letin No. 1, 7. Walker, Staton, “Measures of and Grading For Sand”, Industrial Sand Presented at Meeting, Sulfur Springs, West Virginia, 23 Sept. 1955.
8. Wilk, Benjamin, “lnfluence of Grading Strength of Concrete”, Concrete Section of Rock February 1947, Pg. 169 and 170. 9. Commi ttee 710 Use of High Early Strength Cements Concrete “High Early Strength Cements In Concrete Masonry Manufacture”, Jour. Amer. Inst. Vol. 7 May-June 1936, Pg. 673 thru 680. 10. Pfeiffenberger, Lucas E., “Aggregate Gradations for Various Formed the Volume 10, No. 2, Spring 1985, Pg. 3 thru 5. ll. Anonymous, “Material and Methods the Manufacture of Concrete Masonry Units Company 1956, 1985, Pg. 56 thru 59. 12. Grant, William, “Manufacture of Concrete Masonry Units”, 2nd Edition Concrete Publishing Corp., 1959, Pg. 19 and 20, Pg. 81-83, and 79. 13. Committee C-9 Concrete and Concrete Aggregate, “1985 nual Book of ASTM Standards, Section , Volume Amer. For Test. and Mat’ls, Sept. 1985, For C29. Pg. 1 thru 3, For Pg. 246 thru 249.
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