ENSAYO CARACTERIZACION DEL CONCRETO Y VIGAS DE CONCRETO
HUGO ANDRES FRANCO ANDRES GRISALES NATALIA PRADA JUAN CAMILO RUEDA IVAN FELIPE VELASQUEZ
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES MATERIALES EN INGENIERIA CIVIL ICYA 1122 MARTES 22 DE OCTUBRE DE 2013
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1. Resumen El presente informe consta de ensayos hechos en concreto. Dichos ensayos constituyen en generar cilindros de concretos y vigas de concretos con especificaciones distintas y someterlas a cargas, siguiendo normas y estándares internacionales, se realizó una serie procedimientos que van desde el análisis y prueba de los componentes del concreto, hasta la prueba y falla del producto final. Todos los procedimientos, cálculos y resultados están consignados en el presente informe. En el primer segmento del ensayo se realizó un análisis de los agregados y componentes del concreto (Análisis granulométrico, masa unitaria, peso específico y módulo de finura.); luego con distintos diseños de mezclas determinados, debido a que se tuvieron en cuenta distintas cantidades para hacer comparaciones después entre distintos concretos, se procedió a realizar el vaciado de vigas y cilindros; finalmente se hicieron pruebas de comprensión, tracción indirecta y flexión (según correspondió) a cada elemento . Con los resultados obtenidos a partir de los ensayos de laboratorio lab oratorio se hizo una comparación con los datos teóricos lo que permite determinar si la mezcla obtenida es pertinente o no para las especificaciones dadas. Del mismo modo, las comparaciones hechas permiten determinar cuáles de las características y propiedades del concreto deben ser modificadas para obtener el producto deseado.
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Contenido 1.
Resumen ...................................... ......................................................... ....................................... ........................................ ....................................... ....................................... .................................. .............. 2
2.
Introducción................................... Introducción...................................................... ...................................... ...................................... ....................................... ........................................ ............................... ........... 4 Objetivos ..................................... ........................................................ ....................................... ....................................... ...................................... ....................................... ....................................... ....................... 4 Hipótesis ..................................... ........................................................ ....................................... ....................................... ...................................... ....................................... ....................................... ....................... 5 Marco teórico ..................................... ........................................................ ...................................... ...................................... ....................................... ........................................ ............................... ........... 5 Materiales .................................... ........................................................ ....................................... ...................................... ....................................... ........................................ .................................. .............. 5 Propiedades físicas y mecánicas: .................................. ...................................................... ....................................... ....................................... ............................ ........ 6
3.
Procedimientos ..................................... ........................................................ ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................... 7 Asentamiento: ..................................... ........................................................ ....................................... ....................................... ...................................... ....................................... ......................... ..... 7 Peso específico: ..................................... ........................................................ ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................... 8 Ensayos en cilindros y vigas: .................................................... ........................................................................ ....................................... ..................................... .................. 8 Compresión para cilindros: ....................................... .......................................................... ....................................... ........................................ .................................. .............. 8
4.
Resultados....................................... .......................................................... ...................................... ....................................... ....................................... ....................................... ............................... ........... 9 Asentamiento ..................................... ........................................................ ...................................... ...................................... ....................................... ........................................ ............................... ........... 9 Peso específico del concreto ....................................................... ........................................................................... ....................................... ...................................... ....................... 9 Ensayo de cilindros................................... cilindros...................................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................... 9 Ensayo de vigas ....................................... .......................................................... ....................................... ....................................... ...................................... ....................................... ........................ 13 Ensayo de tracción indirecta (ensayo brasilero) br asilero) ................................. ..................................................... ...................................... .................. 13
5.
Discusión ..................................... ........................................................ ....................................... ....................................... ....................................... ........................................ ............................... ........... 15
6.
Referencias ..................................... ........................................................ ...................................... ...................................... ....................................... ........................................ ............................ ........ 15
3
2. Introducción Objetivos
El objetivo principal es involucrar al estudiante en el proceso de fabricación y prueba del concreto y así complementar el conocimiento teórico obtenido en las clases magistrales de materiales en ingeniería civil, dictadas por el profesor Fernando Ramírez. Además de este objetivo principal se tienen otros objetivos descritos a continuación:
Aunque no es muy relevante debido a que los ensayos son supervisados por los ayudantes de laboratorio y los monitores que han sido capacitados para tal trabajo, es pertinente que el estudiante sepa las normas para los ensayos. Este primer objetivo es muy importante porque esas normas son las que manejan el mercado y el mundo real competitivo, y es por esto que la Universidad de los Andes, en su meta de ser una de las mejores universidades del mundo busca que los estudiantes conozcan estas normas para que sobresalgan como profesionales. El segundo objetivo hace hincapié a la capacidad del estudiante de evaluar las propiedades de los agregados que se usarán para las mezclas y vaciados de concreto, con el fin de comprender y desarrollar los ensayos de análisis granulométrico, masas unitarias, peso específico y módulo de finura para los cilindros y vigas de concreto. El tercer objetivo es saber preparar la mezcla y realizar el vaciado de concreto (con las proporciones adecuadas) en cilindros y vigas, con base en los resultados de ensayos realizados por el Laboratorio de Ingeniería Civil y Ambiental de la Universidad de Los Andes. Así mismo antes de realizar el vaciado de concreto, el estudiante debe realizar ensayos de asentamiento y peso específico. Una vez los cilindros y vigas se hallan dejado el tiempo específico en el cuarto de curado, el estudiante debe realizar, comprender y analizar los datos obtenidos para cada ensayo (pruebas de tensión, compresión y flexión). El objetivo de lo descrito anteriormente hace énfasis a que el estudiante comprenda las propiedades físicas y mecánicas de cada mezcla y así sea capaz de hacer una valoración profesional y pueda tomar una decisión sobre el uso de cada mezcla.
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Hipótesis
Como las mezclas son otorgadas con sus datos teóricos ya se sabe que se espera que unas mezclas resistan más que otras y es por esto que se espera que los resultados de los ensayos sean parecidos a los teóricos. También debido a que los datos obtenidos en el laboratorio no son los mismos que los teóricos, porque son muchos los factores que afectan los resultados experimentales, se espera que estos no sean los mismos, pero si cada grupo de estudiantes siguió las instrucciones tal y como se debía estos valores experimentales no deben ser muy distintos a los teóricos. Se creería que los esfuerzos que resista cada cilindro sean menores a los teóricos, debido a imperfecciones y demás factores que pueda haber en todo el proceso. Marco teórico
Ciñéndose por el objetivo de analizar y comprender a fondo lo realizado en este experimento es importante resaltar las siguientes definiciones y concepciones. A continuación, se especificará algunos de los materiales más relevantes, después, se nombrarán sus principales características y por último se dará a conocer algunos de los significados más relevantes para este estudio: Materiales
Concreto: Es una materia formada por la unión de otros materiales que – al
combinar las diferentes propiedades de estos- lo forman, es decir, es reconocido por ser un material compuesto; sus principales componentes son: cemento, agua, aire y agregados. Sin embargo, al ser un material compuesto, la cantidad de mezclas que se pueden realizar dependen de la proporción de compuestos con que sea combinado. Por ejemplo, una mezcla de agua y cemento puede producir una pasta; una mezcolanza entre la pasta y algunos agregados como la arena pueden generar un mortero y así sucesivamente. Aunque el concreto se conoce como un componente imprescindible para la construcción de edificaciones, vías y andenes, entre otros; se s e caracteriza por ser un material resistente al fenómeno de la compresión, pero p ero también, por ser muy débil ante la tensión. Debido a esto, en los últimos años se ha venido implementando la adición de aditivos – productos que mezclados con el concreto a niveles entre 0.1% y 0.5% de la masa de este, es te, generan modificaciones en el comportamiento- para suplir las necesidades del constructor constructor y el consumidor.
Cemento: reconocido como un material que logra unir fragmentos de distintas
materias primas, mediante las específicas reacciones químicas en su masa para generar cohesión entre estas, se puede denominar al cemento como un conglomerante – sobre todo porque después del proceso pro ceso anteriormente descrito se crea una resistencia especial al concreto. Está formado por una mezcla entre 5
caliza y arcilla, que son calcinadas y molidas respectivamente, y que al tener contacto con el agua se endurece. Uno de los tipos más destacados es el el cemento hidráulico Portland excelente para la construcción.
Razón agua-cemento (reacción agua-cemento) : Es uno de los procesos más
influyentes en la historia tecnológica del cemento; básicamente es una razón matemática que siempre consta de una mayor proporción de concreto en relación al agua para generar un alto grado gr ado de resistencia de este como material para la construcción.
Propiedades físicas y mecánicas:
Siendo consecuentes con la presentación de este segmento, a continuación, se presentarán las principales características de los materiales más relevantes en el estudio.
i. ii.
iii. iv.
Agua: es una sustancia formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno. Dada su composición, esta permite que el cemento experimente aquellas reacciones químicas necesarias para diluir y solidificar los pigmentos de este. Es importante que, durante el transcurso de producción del cemento, el agua sea lo más limpia posible para que no modifique drásticamente las propiedades del concreto. Lo anterior se puede comprobar mediante ensayos e nsayos como los cubos de mortero, tiempos de fraguado y la cantidad de sólidos en el agua. Cemento: Aunque ya se definió qué era el cemento, resulta importante conocer las características más importantes de este. Consistencia: mediante esta propiedad, se puede pronosticar el grado de fluidez de la que tendrá la pasta. Fraguado: definido como el cambio de estado de una pasta plástica a una dura de cemento, cuenta con varias etapas. La primera, conocida como el tiempo de fraguado inicial, establece el momento en el que la pasta pierde su viscosidad inicial y empieza a incrementar su temperatura. Después, se comprenderá el tiempo de fraguado de la mezcla; este, puede durar un promedio de 10 horas, aunque puede variar dependiendo de factores como la humedad relativa, temperatura, etc. Y es importante porque conlleva a la fase final denominada como fraguado final, en este estado la consistencia del material ha llegado al punto deseado, en otras palabras, es el momento en el que la pasta ya no es fácilmente deformable y empieza a endurecer. Resistencia mecánica: Es el período en el que se determina la resistencia del cemento. Finura: Definida como la superficie específica del cemento, es importante porque da a conocer el tamaño de las partículas pertenecientes a la superficie 6
del material. Esta, está expresada en una relación entre superficie y volumen como se muestra a continuación: Superficie específica =
Superficie Volumen
v.
vi.
vii.
viii.
Aire: Después de una serie de procesos necesarios para su manufactura, este es un elemento del concreto que no se puede eliminar en su totalidad del material, pero sí se puede reducir a unas cantidades mínimas. Resulta conveniente tener esas cantidades puesto que aun cuando puede proporcionarle un alto grado de facilidad a la hora de manejarlo, reduce su resistencia dramáticamente. Curado: Se dice del ambiente propicio para que el concreto pueda generar o explotar las propiedades con las cuales fue diseñado. Básicamente, en este tipo de ambientes se debe tener mucho cuidado con la cantidad de agua que se le agrega a este ambiente puesto que es el responsable de la hidratación del material. Agregados: Cumplen la función de aumentar el volumen del concreto y darle resistencia al mismo. Una de las principales razones de usarlos es la significativa reducción de costos que estos representan. Exudación: Dado el peso y la densidad de algunos agregados, la acción de desplazar agua hacia la superficie del concreto se le conoce por este nombre.
3. Procedimientos Asentamiento:
Especificado por la norma NTC-396 busca determinar el asentamiento de la mezcla de concreto. El propósito de hacer este ensayo es ver la fluidez del concreto. Utilizando el cono de Abrams, que permite determinar la consistencia del concreto. El procedimiento de dicho ensayo es el siguiente: 1. Llenar el cono hasta la tercera parte y compactar con 25 golpes de varilla con punta redondeada. 2. Introducir concreto hasta llegar a las dos terceras partes del cono y compactar con 25 golpes de varilla con punta redondeada. es te se rebosa y se limpia la parte 3. Llenar el volumen restante del cono hasta que este superior. Se debe compactar con 25 golpes de varilla con punta redondeada. 4. Remover el cono y medir la diferencia de altura entre éste y la mezcla. 7
El proceso se puede observar gráficamente en la figura a continuación:
Peso específico:
Encontrar el peso específico es de suma importancia para los ensayos realizados debido a que esta es una propiedad intrínseca (no depende de la cantidad de materia que se tiene) y eso lo hace una propiedad que ayuda a relacionar el concreto, independientemente del volumen, con los datos teóricos. El peso toma encuentra el peso del concreto y no su masa ya que este hace hincapié al uso de N/m3 que son unidades que toman encuentra la aceleración debido a la gravedad de donde se encuentra el material. Para determinar el peso específico del concreto se debe seguir el siguiente procedimiento: 1. Pesar los moldes de los cilindros y las vigas vacíos. 2. Engrasar ligeramente los moldes y vaciar el concreto en cada uno. 3. Pesar los moldes llenos. Con los datos obtenidos se procede a usar la siguiente ecuación. í í =
Ensayos en cilindros y vigas:
Luego de realizar el vaciado en los distintos moldes se espera 24h para realizar el desencofrado y colocar los cilindros y vigas en el cuarto de curado o al aire, según corresponda. Después de distintos días se procede a realizar los diferentes ensayos con el fin de determinar las propiedades finales del concreto. Compresión para cilindros:
Regulado por la norma NTC-673 o la norma Norma equivalente ASTM-C39 se busca fallar los cilindros de concreto para determinar los diseños de mezclas. Se procede a ubicar el cilindro en la máquina de pruebas (en este caso la MTS), se deben alinear los ejes de la máquina y de los cilindros para asegurar una aplicación de carga uniforme. 8
Del mismo modo, para asegurar una buena aplicación de carga se deben realizar ensayos de refrendado, en el caso que las superficies tengan muchas imperfecciones se pueden utilizar platos de acero con almohadillas de neopreno en ambos extremos de los cilindros ya que estos, aunque no arreglen la superficie ayudan a que la fuerza aplicada sea más homogénea en el área que se debe debe aplicar. Se procede a aplicar carga hasta fallar el cilindro de cada grupo con distintas composiciones y así poder realizar los análisis pertinentes.
4. Resultados Asentamiento Tabla 1 Asentamiento muestra de concreto diseñando para 21 MPa
Resistencia del Concreto (Mpa)
Asentamiento(cm) Asentamiento(cm)
21
16
Peso específico del concreto Tabla 2 Peso especifico para una muestra de concreto diseñado para 21 MPa
Resistencia teórica del concreto
21Mpa
Peso del molde vacío Peso del molde lleno Volumen del molde Peso Específico Concreto
10.95 Kg 22.74Kg 5.3*10-3m3 46981.7 Kg/m3
í í =
∗ í í
í í =
22.7 22.74 4 10.95 10.95 5.3 ∗ 10−
í í = 46981.7 46981.7 / /
Ensayo de cilindros
Para comprobar el aumento y la adquisición de resistencia del concreto se realizan pruebas de compresión a muestras de cemento a diferentes edades. Este ensayo sigue la norma ASTM C39 M (NTC 73). Para comparar la necesidad de hidratar el cemento durante el fraguado se realiza una prueba adicional con un cilindro que se curo en un ambiente seco. Las edades en que se fallan los cilindros y el porcentaje de resistencia que debe soportar son los siguiente: a los siete días soporta el 50%, a los 15 días soporta el 75% y a los 28 días el fraguado se ha completado por lo cual debe soportar la carga a la que fue diseñado el concreto. Por otro lado se tomaron datos de uno de los cilindros en la parte lineal de la deformación para obtener el modulo de elasticidad. A continuación se presentan los resultados: 9
Tabla 3 Resultados concreto diseñado a 21 MPa
Edad Cilindro (días) 7
Carga (Ton) 15
diámetro (cm) 0.155
Resistencia esperada (Mpa) 10.50
Resistencia alcanzada (Mpa) 7.80
14 28 (húmedo)
24 27.5
0.156 0.154
15.75 21.00
12.32 14.48
28 (húmedo)
32
0.157
21.00
16.47
21 MPa de fc 25.00 ) 20.00 a P M ( 15.00 a i c n e10.00 t s i s e R 5.00
Alcanzado Esperado
0.00 0
10
20
30
Dias Grafico 1 comparación de resistencias para el diseño de 21 MPa
Esfuerzo Vs Deformacion 21 MPa 8 7 ) 6 a P M5 ( o z4 r e3 u f s E2
y = 3,702.34x 3,702.34x - 257.13 R² = 0.99
1 0 0.069
0.0695
0. 07
0.0705
0.071
0.0715
Deformacion unitaria Grafico 2 Parte lineal curva esfuerzo deformación deformación concreto diseñado para 21 MPa
Modulo de elasticidad : 3 702.34 MPa 10
Tabla 4 Resultados concreto diseñado a 28 MPa
Edad Cilindro (días) 7 14
Carga (Ton) 20 24
diámetro (m) 0.154 0.154
Resistencia esperada (Mpa) 14.00 21.00
Resistencia alcanzada (Mpa) 10.53 12.64
28
34.5
0.154
28.00
18.17
28 (seco)
32.5
0.154
28.00
17.12
28 MPa de fc 30.00 25.00 ) a P20.00 M ( a i c 15.00 n e t s i s 10.00 e R
Alcanzado Esperado seco
5.00 0.00 0
5
10
15
20
25
30
Dias Grafico 3 Comparación de resistencias para el diseño de 28 MPa
Esfuerzo Vs Deformacion 28 MPa 8 7 ) 6 a P M5 ( o z4 r e3 u f s E2
y = 6,882.79x 6,882.79x - 480.50 R² = 0.99
1 0 0.07
0.0702
0.0704
0.0706
0.0708
0.071
Deformacion unitaria Grafico 4 Parte lineal curva esfuerzo deformación deformación concreto diseñado para 28 MPa
Modulo de elasticidad: 6 882.79 MPa 11
Tabla 5 Resultados concreto diseñado a 35 MP
Edad Cilindro (días) 7
Carga (Ton) 34
diámetro (cm) 0.152
Resistencia esperada (Mpa) 17.50
Resistencia alcanzada (Mpa) 18.39
14
41
0.152
26.26
22.17
28
50
0.154
35.01
27.04
28 (seco)
56
0.152
35.01
30.28
35 MPa de fc 40.00 35.00 ) 30.00 a P M ( 25.00 a i c 20.00 n e t s 15.00 i s e R10.00
Alcanzado Esperado seco
5.00 0.00 0
5
10
15
20
25
30
Dias Grafico 5 Comparación de resistencias para el diseño de 35 MPa
Esfuerzo Vs Deformacion 35 MPa 10 9 8 ) a 7 P M 6 ( o z 5 r e 4 u f s 3 E 2 1 0 0.0696
y = 5,531.93x 5,531.93x - 383.94 R² = 0.99
0.0698
0.07
0.0702
0.0704
0.0706
0.0708
0.071
Deformacion unitaria Grafico 6 Parte lineal curva esfuerzo deformación deformación concreto diseñado para 35 MPa
Modulo de elasticidad: 5 531.93 MPa 12
Ensayo de vigas
Este ensayo sigue la norma ASTM C78 (NTC 2871) con el fin para determinar la resistencia de flexión del concreto y calcular el modulo de rotura con la siguiente ecuación =
á á ∗ ℎ ∗
Esto se hace con los datos de dos vigas de 60 cm, por falta de información proporcionada por nuestros compañeros no se tiene la luz, pero se asumirá como dice en la norma, que los apoyos están a 2.5 cm del borde aproximadamente
Ilustración 1 Esquema del montaje según la norma C78 Tabla 6 Resultados Ensayo de flexión de viga diseñada para 21 MPa
Falla a los 28 Días (100%) - húmedo Dimensiones Viga carga alcanzada modulo de rotura Alto [m] Ancho [m] Luz [m] 0.148 0.15 0.54 0.149
0.148
0.55
Ton 1.9
Mpa 0.312271731
2.1
0.351518132
Ensayo de tracción indirecta (ensayo brasilero) b rasilero)
Este ensayo calcula de forma indirecta la resistencia del concreto a la tracción. Esto lo hace sometiendo a compresión el cilindro colocando la carga paralela al ej e longitudinal como se indica en la norma NTC 722 y se muestra en la imagen a continuación. Con la siguiente ecuación se obtiene la resistencia a tensión. 13
=
2 ∗ á á ∗ ∗
Ilustración 2 falla del ensayo brasilero Tabla 7 Resultados ensayo tracción indirecto
Cilindro Diámetro Altura Carga resistida Resistencia en tensión 1
m 0.153
m 0.306
kg 15000
Mpa 0.10198
2
0.153
0.31
9000
0.05962
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5. Discusión Como se puede observar en las graficas anteriores las cargas soportadas por los cilindros son inferiores a los valores esperados, esto se puede deber a que el asentamiento del concreto fue bajo y esto reduce la manejabilidad del concreto dificultando la realización del laboratorio. Además, se encuentra que el cilindro seco tubo una resistencia cercana o mayo en los diseños de 28 y 35 MPa esto no se puede considerar un buen resultado debido a que este cilindro no fue fu e curado en seco como se esperaba sino fue colocado en el mismo cuarto que los otro, pero en la zona que menos agua caía, sin embargo, el ambiente húmedo del cuarto de curado hizo que el cilindro recibiera agua en forma de vapor que ayudo a que el curado fuera muy parecido al de las muestras curadas húmedas.
6. Referencias http://enterprise2.astm.org.ezproxy.uniandes.edu.co:8080/DOWNLOAD/C78.617737 -1.pdf http://enterprise2.astm.org.ezproxy.uniandes.edu.co:8080/DOWNLOAD/C39.617737 -1.pdf
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