PROPIEDADES Y DISEÑO DE CONCRETO Jony C. Gutiérrez Abanto Laboratorio de Ingeniería Civil
INTRODUCCION
El conocimiento de las propiedades del concreto tanto en estado fresco como en estado endurecido tiene como finalidad primordial la de determinar el diseño de la mezcla. Para el proporcionami proporcionamiento ento de los ingredientes ingredientes de una mezcla de concreto concreto se han sugerido sugerido much muchos os méto métodos dos dent dentro ro de los los cual cuales es se cuen cuenta tann los los anal analít ític icos, os, exper experim imen enta tale les, s, semianalíticos y empíricos. Estos métodos han evolucionado desde los volumétricos arbitrarios (por ejemplo mezclas 1:2:4) de comienzos del presente siglo, al método de peso y volumen absoluto actual, propuesto por el ACI. El méto método do util utiliz izad adoo en el presen presente te diseñ diseñoo tien tienee como como base base los los proce procedi dimi mient entos os del American Concrete Institute elaborado por el Comité ACI 211 y el de la Road Note Laboratory (RNL). El método americano ACI es el más conocido y ampliamente usado. Se fundamenta en el principio básico de la relación agua/cemento desarrollado por Abrams. Consiste en seguir en forma ordenada una secuencia de pasos y determinar la cantidad de cada material en peso y en volumen, para 1 m3 de concreto. Sin embargo el método ACI ha sido concebido de tal manera que el proporcionamiento de los agregados agregados se hace teniendo en cuenta que estos cumplan cumplan con las recomendaciones recomendaciones granulométricas de la Norma Norma ASTM C 33. Cuando las granulometrías no cumplan con lo establecido establecido en ACI-211 es recomendable recomendable el procedimiento procedimiento propuesto propuesto por la RNL de Gran Bretaña que consiste en hacer una optimización granulométrica. La práctica sugerida no pretende profundizar los principios en que se basó el método sino mostrar mostrar los diferentes diferentes pasos que deben seguirse, aplicando aplicando los conceptos conceptos estudiados en las prácticas anteriores.
INTRODUCCION
El conocimiento de las propiedades del concreto tanto en estado fresco como en estado endurecido tiene como finalidad primordial la de determinar el diseño de la mezcla. Para el proporcionami proporcionamiento ento de los ingredientes ingredientes de una mezcla de concreto concreto se han sugerido sugerido much muchos os méto métodos dos dent dentro ro de los los cual cuales es se cuen cuenta tann los los anal analít ític icos, os, exper experim imen enta tale les, s, semianalíticos y empíricos. Estos métodos han evolucionado desde los volumétricos arbitrarios (por ejemplo mezclas 1:2:4) de comienzos del presente siglo, al método de peso y volumen absoluto actual, propuesto por el ACI. El méto método do util utiliz izad adoo en el presen presente te diseñ diseñoo tien tienee como como base base los los proce procedi dimi mient entos os del American Concrete Institute elaborado por el Comité ACI 211 y el de la Road Note Laboratory (RNL). El método americano ACI es el más conocido y ampliamente usado. Se fundamenta en el principio básico de la relación agua/cemento desarrollado por Abrams. Consiste en seguir en forma ordenada una secuencia de pasos y determinar la cantidad de cada material en peso y en volumen, para 1 m3 de concreto. Sin embargo el método ACI ha sido concebido de tal manera que el proporcionamiento de los agregados agregados se hace teniendo en cuenta que estos cumplan cumplan con las recomendaciones recomendaciones granulométricas de la Norma Norma ASTM C 33. Cuando las granulometrías no cumplan con lo establecido establecido en ACI-211 es recomendable recomendable el procedimiento procedimiento propuesto propuesto por la RNL de Gran Bretaña que consiste en hacer una optimización granulométrica. La práctica sugerida no pretende profundizar los principios en que se basó el método sino mostrar mostrar los diferentes diferentes pasos que deben seguirse, aplicando aplicando los conceptos conceptos estudiados en las prácticas anteriores.
OBJETIVOS
•
Analiz Anal izar ar los los mate materi rial ales es comp compone onent ntes es para para dise diseñar ñar las las mezcl mezclas, as, veri verifi fica carr sus propiedades recién preparadas y fundamentalmente para comprobar la calidad del concreto en la estructura.
•
Analizar los resultados obtenidos tanto del agregado fino como del agregado grueso ensayados anteriormente al diseño del concreto.
•
Calcular las cantidades de cada uno de los materiales que se utilizaran en la mezcla.
•
Verificar la calidad del concreto en términos de su resistencia y uniformidad, en relación relación con las especificadas especificadas en los laboratorios laboratorios y fundamentar fundamentar así el criterio para la aceptación de la estructura.
•
Determinar, mediante el asentamiento natural de una muestra tomada con un molde normalizado, su grado de fluidez.
•
Escoger bajo criterio fundamentado el método para el diseño de la mezcla.
•
Verificar que al momento de desencofrar los cilindros de prueba estos no presenten demasiados espacios vacíos; de lo contrario analizar el por que de esta situación.
•
Observar la resistencia que tiene el concreto o la muestra después de los 3, 7, 14 y 28 días, por medio del ensayo de los cilindros en el laboratorio.
1. MARCO TEORICO
El objetivo que se persigue en el diseño de las mezclas de concreto es determinar la combinación más práctica y económica de materiales disponibles para producir un concreto que satisfaga sus requerimientos bajo condiciones particulares de uso. Una mezcla se debe diseñar tanto para estado fresco como para estado endurecido. Las principales exigencias que se deben cumplir para lograr una dosificación apropiada en estado fresco son las de trabajabilidad en la colocación y economía, y para concreto endurecido son las de resistencia, durabilidad, acabado y en algunos casos el peso volumétrico Por lo común, las propiedades del concreto fresco se rigen por el tipo de estructura a fundir (vigas, muros, zapatas, etc.) y por las técnicas de colocación y transporte (bomba, banda transportadora, carretilla, etc.); así mismo, las propiedades del concreto en estado endurecido se establecen para las características mecánicas y de durabilidad especificadas en el Diseño Estructural. En el primer caso, la resistencia específica a la compresión f'c se involucra dentro del análisis estructural como un parámetro que determina el material, dependiendo del tipo de estructura que se vaya a crear. En el segundo caso, se trata de definir aspectos del concreto relacionados con la afectación por exposición ambiental. El costo de la elaboración de una mezcla de concreto está constituida básicamente por el costo de los materiales, equipo y mano de obra. La variación en el costo de los materiales se debe a que el precio del cemento por kilo, es varias veces mayor que el de los agregados y de allí, que el proporcionamiento debe minimizar la cantidad de cemento sin sacrificar la resistencia y demás propiedades del concreto. La diferencia en costo entre los agregados generalmente es secundaria; sin embargo, en algunas localidades o con algún tipo de agregado especial pueden ser suficiente para que influya en la selección y dosificación. El costo del agua usualmente no tiene ninguna influencia, mientras que el de los aditivos puede ser importante por su efecto potencial en la dosificación del cemento y los agregados.
El costo de la mano de obra depende de la trabajabilidad de la mezcla y de los métodos de colocación y compactación. Una mezcla poco trabajable con un equipo de compactación deficiente aumenta los costos de mano de obra.
1.1 DATOS PREVIOS Antes de dosificar una mezcla de concreto además de conocer los datos de la obra o estructura que se va a construir y de las condiciones de transporte y colocación, también se deben conocer las propiedades de los materiales con los que se va a preparar la mezcla.
1.1.1 Datos de la obra Los datos que se deben conocer de la obra son: • • • • • • • • •
Máxima relación agua/cemento Tamaño máximo nominal del agregado Asentamiento (consistencia) recomendado Mínimo contenido de cemento Dimensión mínima del elemento a construir Espaciamiento del acero de refuerzo Condiciones a que estará expuesta la estructura Resistencia a la compresión mínima necesaria por consideraciones estructurales. Densidad mínima para pesas de gravedad y estructuras similares.
Generalmente la totalidad de estos datos se obtiene de planos y especificaciones de la obra y la norma sismo resistente.
1.1.2 Datos de los materiales De las propiedades de los materiales que se van a utilizar se debe conocer: • • • • • • • •
Granulometría Módulo de fineza de la arena Tamaño máximo de la piedra Peso específico de la piedra y de la arena Absorción de la piedra y de la arena Peso unitario compactado de la piedra Humedad de los agregados inmediatamente antes de hacer las mezclas. Peso específico del cemento.
1.2 MÉTODO DE DOSIFICACIÓN Se puede apreciar que para el diseño de mezclas se recurre tanto a datos reales como a datos empíricos o de experiencia que con la ayuda de tablas, gráficas y ábacos, se obtiene una guía para alcanzar combinaciones óptimas de los materiales. La optimización de las proporciones de la mezcla de concreto que cumpla con las características deseadas con los materiales disponibles, se logra mediante el sistema de ajuste y reajuste. Dicho sistema consiste en preparar una primera mezcla de prueba con unas proporciones iniciales calculadas por los métodos que se explican a continuación. A la mezcla de prueba se le efectúa el ensayo de asentamiento y si su valor es diferente del recomendado, se reajustan las cantidades. Cuando se logra el asentamiento requerido con las proporciones reajustadas, se elaboran muestras de cilindros a los que se les determina su resistencia a la compresión; se compara con la resistencia especificada y si son diferentes, se vuelven a reajustar las cantidades. Una vez reajustadas las cantidades, se elabora otra mezcla que debe cumplir con el asentamiento y la resistencia requeridas; si por algún motivo no se cumple alguno de los requerimientos debido a peculiaridades que no se detectan con los ensayos corrientes que se efectúan a los materiales, se pueden hacer ajustes similares a los indicados hasta lograr los resultados deseados. El método de dosificación se basa en la secuencia mostrada en la figura 11.1 (ver anexos).
1.2.1. Elección del asentamiento Los valores de asentamiento recomendados se muestran en la tabla 11.1. (ver anexos). Hay que tener en cuenta que los valores de asentamiento indicados se usan cuando el método de compactación utilizado es la vibración. Cuando se empleen otros métodos diferentes a los datos de la tabla 11.1. se deben aumentar en 2.5 cm. Cuando el asentamiento no se encuentra especificado en la tabla mostrada se puede adoptar un valor apropiado para la obra recordando siempre que se deben usar mezclas con la mínima consistencia que permitan una colocación eficiente.
1.2.2. Elección del tamaño máximo nominal (TMN) El TMN está limitado por las dimensiones de la estructura teniéndose presente que en ningún caso debe exceder de un quinto la menor dimensión entre los lados de la formaleta, de un tercio el espesor de las losas, ni de las tres cuartas partes del espaciamiento libre entre varillas individuales de refuerzo, haces de varillas o cables pretensados. Estas restricciones
se pueden evitar, si a juicio del ingeniero, la trabajabilidad y los métodos de compactación son tales que el concreto se puede colocar sin que se produzcan cangrejeras o vacíos . De otra parte, los agregados con una buena granulometría y con mayor TMN tienden a formar masas más compactas y con menos vacíos que los de menor TMN; en consecuencia, si se aumenta el TMN de los agregados en una mezcla de concreto para un asentamiento dado, tanto el contenido de agua como de cemento se disminuyen, con lo que se consiguen concretos más económicos y con menor retracción por fraguado. Sin embargo cuando se desea obtener concreto de alta resistencia, se debe reducir el TMN de los agregados, debido a que estos producen mayores resistencias con una determinada relación agua cemento. En la tabla 1 1.2. (ver anexos) se muestran valores recomendados por la selección del TMN de acuerdo con el tipo de construcción y la dimensión mínima del elemento. En algunas ocasiones la elección del TMN puede no estar limitada por la dimensión mínima del elemento a construir sino de otros factores como el equipo disponible para mezclar o el método de colocación del concreto que se requiera.
1.2.3. Estimación del contenido de aire Con el objeto de tener un mejor criterio acerca de la cantidad de aire en el concreto, en la tabla 11.3 (ver anexos) se enseñan los valores que recomienda la norma técnica para varios grados de exposición. Es importante anotar que cuando se prevea que la estructura no estará expuesta a ambientes severos, la incorporación de aire incluido es notoriamente menor. El aire incluido beneficia la manejabilidad y la cohesión de la mezcla (Ver anexos Tabla 1 1.3) , con la mitad de los valores de contenido de aire que se recomienda para concretos con aire incorporado.
1.2.4. Estimación de la cantidad de agua de mezclado (a) Se puede anotar que la cantidad de agua por volumen unitario de concreto que se requiere para producir un asentamiento dado depende del tamaño máximo del agregado, la forma y textura de las partículas así como de la gradación de los agregados, de la cantidad de aire incluido y de los aditivos reductores de agua (cuando son utilizados). De la figura 1 1.2 (ver anexos) se pueden obtener estimativos aproximados de la cantidad de agua de mezclado. Los curvas que aparecen están en función del TMN del agregado, del asentamiento deseado y de la forma y textura de las partículas de agregado. Es necesario hacer hincapié en que el valor encontrado para la figura 1 1.2. hay que sumarle el agua de absorción de los agregados o restarle el agua libre de los mismos. Esto se debe a
que la cantidad de agua calculada asume que los agregados son lisos y no absorbentes, o sea que están en la condición saturada y superficialmente seca (sss). De allí la importancia de medir el contenido de humedad de los agregados con la mayor exactitud posible inmediatamente antes de colocarlos en la mezcladora. De otra parte, cuando se hacen mezclas de prueba para establecer relaciones de resistencia o para verificar la capacidad de producción de resistencia de una mezcla, se debe usar la combinación menos favorable de agua de mezclado y contenido de aire. En otras palabras, se debe utilizar el máximo contenido de aire permitido o el que probablemente ocurra, y el concreto se debe calcular con el asentamiento más alto permisible. Con estas precauciones se evita que se haga una estimación demasiado optimista de la resistencia, bajo la suposición de que las condiciones promedio más que las extremas son las que predominan en el campo.
1.2.5. Elección de la relación agua/cemento (a/c) La relación agua/cemento, medida en peso, es uno de los factores más importantes en el diseño de mezclas de concreto y por lo tanto se le debe prestar mucha atención a su selección, la relación agua/cemento requerida se determina básicamente por requisitos de resistencia, durabilidad, impermeabilidad y acabado. Puesto que los diferentes agregados y cementos producen generalmente resistencias distintas con la misma relación agua/cemento y además cuando no se le ejerce un control a la durabilidad, la selección de la relación agua/cemento se debe hacer con base en el desarrollo de gráficas en donde se relacione la resistencia a la compresión y la relación agua/cemento, tal como se muestra en la figura 1 1.3 (ver anexos) para un cemento portland tipo I. En tales casos, si es posible, las pruebas se deben efectuar con los materiales que van a ser utilizados en la obra. Si por el contrario, los datos de las pruebas de laboratorio o registros de experiencia para llevara acabo esta relación no pueden ser obtenidos por limitaciones de tiempo o por algún otro motivo, se pueden usar los de la tabla 1 1.5 (ver anexos) o los de la figura 1 1.3 (ver anexos) que aunque aproximados, son relativamente seguros para concretos elaborados con cemento Portland tipo I. Los valores tabulados y graficados deben cumplir las resistencias mostradas, las cuales están basadas bajo condiciones normalizadas de laboratorio. De otro lado, cuando se prevean condiciones severas de exposición, la elección de la relación agua/cemento debe ser lo más baja posible, aún cuando los requisitos de resistencia puedan cumplirse con un valor más alto. En la tabla 1 1.6 (ver anexos). Se indican estos valores límites.
1.2.6. Cálculo del contenido de cemento El cálculo de la cantidad de cemento por metro cúbico de concreto es muy sencillo. Simplemente, como ya se tienen la relación agua/cemento y el contenido de agua, calculados en los dos pasos inmediatamente anteriores se despeja el contenido de cemento (c). O sea, a c = a
/c
1.2.7. Verificación de las especificaciones granulométricas Un buen concreto fresco y endurecido depende en gran medida de la granulometría de los agregados. Por este motivo, antes de dosificar las cantidades de arena y grava es necesario verificar que su distribución de tamaños esté comprendido dentro de un rango preestablecido y no obtener proporciones de agregado grueso y fino, no convenientes. La verificación se lleva a cabo bien sea elaborando una curva granulométrica de los agregados de que se dispone y compararla con la recomendada en la norma (ASTM C 33), o bien tabulando. Dependiendo de sí están o no dentro del rango granulométrico recomendando, la dosificación de grava y arena se puede lograr por uno de los métodos siguientes:
Método ACI: Se utiliza cuando los agregados cumplen con las recomendaciones granulométricas (ASTM C-33).
Método de la Road Note Laboratory: Se utiliza cuando los agregados no cumplen con las recomendaciones granulométricas (ASTM C-33). Las recomendaciones granulométricas que da la ASTM en su norma C-33 se indican en las tablas 11.7 (ver anexos) y 11.8 (ver anexos), para agregado grueso y fino respectivamente.
1.2.8. Optimización de la granulometría Método de la Road Note Laboratory (RNL) En la práctica, el método más utilizado es el gráfico que consiste en lo siguiente: Se dibuja un cuadro de 10 divisiones en ordenadas y 10 divisiones en abscisas, tal como se aprecia en la figura 1 1.4. Se enumeran los ejes de las ordenadas de abajo hacia arriba de O a 100 y los ejes de las abscisas, el superior de O a 100 de izquierda a derecha y el inferior de derecha a izquierda, de este modo cualquier valor de arriba sumado al correspondiente valor de abajo da 100. Se escoge el eje superior como eje de porcentajes de arena y el inferior como eje de porcentajes de piedra. Sobre el eje de las ordenadas correspondientes al 100% de la arena se coloca la granulometría de la arena y sobre el eje correspondiente al 100% de la piedra se coloca la granulometría de dicho material. Se unen por medio de líneas rectas los puntos correspondientes a cada tamiz en las dos granulometrías. Se tienen entonces líneas inclinadas que representan los posibles porcentajes de mezcla de agregados que pueden pasar por cada uno de los tamices.
Sobre las líneas inclinadas se colocan los puntos correspondientes a la especificación elegida. Se traza un eje vertical que separe los puntos hallados en igual cantidad a izquierda y derecha. A este eje le corresponde un porcentaje de arena y un porcentaje de piedra que representa la mezcla óptima.
1.2.8.1. Estimación del contenido de grava y arena El contenido de piedra y arena por metro cúbico de concreto se calcula de la siguiente manera. Como se tiene el volumen por metro cúbico de concreto del cemento, del agua y del aire, la suma de estos tres valores restándolos a 1m3, se obtiene el volumen de las partículas de agregado (piedra + arena). Conocido el volumen de agregados y calculada la Peso específico promedio de los mismos, puede determinarse la masa de la piedra y de la arena. El peso específico promedio de agregados es un promedio ponderado con base en los porcentajes obtenidos del cuadro granulométrico; se calcula por medio de la expresión 1 1.6 u 11.7. La expresión 1 1.6 se utiliza cuando la diferencia entre las densidades de la arena y
de la piedra es grande, mientras que si los valores son parecidos, caso muy frecuente, puede utilizarse la fórmula 1 1.7. dprom
=
dprom
=
(dg ) x(df ) (% f ) x(dg ) + (% g ) x(df )
(% f ) x(df ) + (% g ) x(dg )
11.6
11.7
Siendo: dg = Peso específico aparente de la grava df = Peso específico aparente de la arena d prom = Peso específico aparente promedio %f = Porcentaje de la arena, en forma decimal %g = Porcentaje de la piedra, en forma decimal Con los datos anteriores se tienen ya la totalidad de los ingredientes de la mezcla para 1 m3 de concreto. De otra parte se tiene que (d prom) x (Vt) = Wt. 11.8 donde: Wt = masa total de agregados por m3 de concreto Vt = volumen total de agregados por m3 de concreto O sea que: Wp = (Wt) x (%p), de donde se tiene que el peso de la piedra (Wp ) será: Wp = (d prom) x (Vt) x (%p) 11.9 y por consiguiente la de la arena (Wf), será: Wf= (d prom) x (Vt) x (%f) 11.10
1.2.8.2. Ajuste de la cantidad de agua de mezclado debido a la humedad de los agregados Las partículas de agregado, debido a la porosidad de los granos, siempre tendrán algún grado de humedad, recordándose que el secado total se logra únicamente mediante un horno a 110°C las 24 horas. De otra parte la estimación de la cantidad de agua de mezclado, se hizo tomando como base que los agregados están en condición sss, lo cual no se logra sino en el laboratorio. En consecuencia, con respecto a la condición sss, siempre tendrá un exceso de agua (agua libre) o un defecto, cantidad que no es independiente del agua de mezclado y por lo tanto se debe o restarle la cantidad de exceso o sumarle la cantidad en defecto. Para determinar el sobrante o faltante de agua se puede utilizar la siguiente expresión. A = M ( H ± Abs) 1.11
De donde A M H Abs
= = = =
Agua en exceso o defecto respecto a la condición sss. Peso de la muestra seca, en kg Humedad del agregado en tanto por uno Absorción del agregado en tanto por uno
Cuando la humedad es mayor que la absorción, indica que el agregado tiene agua en exceso y está aportando agua a la mezcla, de tal forma que hay que restarle agua a la mezcla y por lo tanto se debe usar el signo menos (-). Por el contrario, cuando la absorción es mayor que la humedad indica que el agregado necesita más agua para llegar a la condición sss, entonces hay que agregarle agua a la mezcla puesto que hay defecto de ésta, por lo tanto hay que usar el signo positivo (+).
1.2.8.3. Ajustes a las mezclas de prueba El diseño explicado anteriormente para calcular las proporciones de los diferentes materiales que componen el concreto, permiten conocer unas cantidades que teóricamente producen un concreto con las propiedades deseadas. Sin embargo, existen algunos factores de los materiales que no se detectan en los ensayos y que traen como consecuencia un
concreto con propiedades algo diferentes a las esperadas. Por esto es necesario comprobar las cantidades teóricas por medio de mezclas de prueba La mezcla de prueba se debe efectuar de acuerdo con la norma. A dicha mezcla se le verifica el peso unitario y el rendimiento volumétrico del concreto (Norma ASTM C 1 38) así como el contenido de aire. También se debe observar que el concreto tenga la trabajabilidad y el acabado adecuado y que no se presente exudación ni segregación. De acuerdo a ello, se puede llevar a cabo los ajustes pertinentes con las proporciones de las mezclas subsecuentes siguiendo el procedimiento sugerido por el ACI y que se indica a continuación: • Se estima de nuevo la cantidad de agua de mezclado necesaria por metro cúbico de concreto, dividiendo el contenido neto de agua de mezclado de la mezcla de prueba entre el rendimiento de la mezcla de prueba en metros cúbicos. Si el asentamiento de la mezcla de prueba no fue el correcto, se aumenta o se disminuye la cantidad estimada de agua en 2 kg por cada centímetro de aumento o disminución del asentamiento requerido. • Si el contenido de aire que se obtuvo no es el deseado (para concreto con aire incluido), se estima nuevamente el contenido de aditivo requerido para el contenido adecuado de aire, y se aumenta o se reduce el contenido de agua de mezclado indicando en el párrafo (a) en 3 kg / m3 por cada 1 % de contenido de aire que deba disminuirse o aumentarse en la mezcla de prueba previa. • Se calculan los nuevos pesos de la mezcla partiendo de la elección de la relación agua/ cemento. Si es necesario, se modifica el volumen de agregado grueso mostrado en la tabla 1 1.9. (ver anexos) con el objeto de lograr una trabajabilidad adecuada.
1.2.8.4. Cálculo del peso unitario y rendimiento volumétrico El peso unitario del concreto consiste en determinar el volumen del concreto producido a partir de una mezcla de cantidades conocidas de los materiales componentes con el fin de verificar la correcta dosificación y rendimiento de los materiales. El peso unitario se determina por medio de la expresión 11.15 y el rendimiento volumétrico por la 11.16. W= (Wmat. + recip-Wrecip) / Vrecip (kg/m3) 11.15 Donde W= peso unitario del concreto Wmat.+recip. = peso de la mezcla fresca + peso del recipiente de medida Wrecip. = peso del recipiente de medida V= Volumen del recipiente de medida
Y =
W 1 W (m3)
11.16
Donde: Y= volumen de concreto producido por dosificación (rendimiento volumétrico) W= peso unitario del concreto W1= peso total de todo el material dosificado (W1 = Wagreg. + Wcemento +Wagua)
1.3 ENSAYOS DEL CONCRETO
1.3.1 ENSAYO DE CONSISTENCIA/ASENTAMIENTO (Slump) La medida del asentamiento mediante el cono de Abrams, aunque es el más antiguo de los procedimientos de control, todavía constituye el primero de los ensayos para verificar por muestreo las mezclas de concreto, antes de fundirlas.
1.3.1.1. ELEMENTOS a) MOLDE. (Cono de Abrams) De forma tronco – cónica, con base de 20 cm de diámetro, el extremo superior de 10 cms y altura de 30 cm. El molde puede ser de metal u otro material liso no absorbente e inatacable por el concreto, provisto de dos estribos en la base inferior para que el operario pueda sujetarlo con los pies durante la fase de llenado y dos agarraderas en la parte alta, para extraerlo verticalmente.
b) VARILLA DE COMPACTAR. De acero, lisa, de 0.60 cm de longitud y 16 mm de diámetro (5/8”) con el extremo de compactar terminado en semiesfera.
c) BASE. Para apoyar el molde, puede ser metálica o de cualquier material desde que sea plana, impermeable, lisa, rígida y este debidamente húmeda y nivelada al hacer el ensayo.
1.3.1.2. PROCEDIMIENTO Incluye las fases de toma de muestra, llenado del molde, compactación, nivelación, desmoldeada y medición.
a) TOMA DE LA MUESTRA. Se toman 3 porciones distintas de concreto, que no sean precisamente al iniciar o al concluir la descarga del camión y se remezclan debidamente para llenar el molde.
b) LLENADO DEL MOLDE Se realiza en tres capas, de respectivamente 1/3 del volumen del cono.
c, d, e) COMPACTACIÓN Cada capa, una vez colocada, debe apisonarse con 25 golpes de varilla, dados desde la periferia hacia el centro del molde, en forma de que esta penetre algo dentro de la colocada inmediatamente antes.
f) NIVELACIÓN. La última capa se echa con un cierto exceso de mezcla el cual se elimina, una vez compactada, enrasándola con el borde superior del molde, pudiendo utilizar para tal efecto la misma varilla.
g) RETIRO DEL MOLDE. En un lapso de 5 + 2 segundos, el cono se retira alzándolo verticalmente en forma continua, sin efectuar ningún movimiento lateral o de torsión que de forme la muestra, pues en caso de que ocurriese sería necesario repetir el ensayo.
h) MEDICIÓN. El descendimiento experimentado por el hormigón se mide por la diferencia entre la altura del molde y la de la mezcla asentada, para lo cual se coloca la varilla horizontalmente sobre el borde superior del mismo y se toma en sentido vertical la distancia al punto mas alto del concreto asentado, con una aproximación de 0,5 cm (1/4”).
1.3.2 ENSAYO DE CILINDROS Así como la prueba del asentamiento ( slump) del hormigón fresco es básica para verificar las mezclas en cuanto a su consistencia para su recibo en la obra el ensayo de cilindros tomados en ésta y fallados a la compresión a diferentes edades, es el método usual de control técnico, o sea de la calidad de los concretos.
1.3.2.1. ELEMENTOS Los elementos del ensayo de cilindros a la compresión simple son:
a) MAQUINA / PRENSA El equipo debe reunir, de acuerdo con las normas, una serie de condiciones relativas a la capacidad y velocidad de incremento de la carga, las características de los platos, el sistema de lectura y los cuadrantes, cuya verificación compete propiamente el laboratorio, mientras que para efecto del control único de la obra seria conveniente constatar al menos la periódica calibración de la prensa. El certificado de calibración no debiera datar de mas de un año, ya que el patronamiento del equipo permite afinar los resultados y minimizar las distorsiones que pueden producirse cuando lleva mucho tiempo trabajando.
b) MOLDE De forma cilíndrica 15cm + 2 mm de base por 30 + 2 mm de altura, abierto por sus dos extremos, con las paredes interiores lisas, de metal u otro material no absorbente, impermeable e inacatable por el concreto, siempre y cuando tenga iguales medidas y cumpla tales condiciones, como por ejemplo: cartón parafinado, plástico o poliuretano. Cada vez que se utilice el molde metálico para preparar un cilindro, deberá limpiarse con cepillo metálico si fuere necesario, para eliminar cualquier adherencia de materiales extraños y protegerse con una capa de aceite, quedando así listo para fundir un nuevo espécimen.
c) VARILLA COMPACTADORA Idéntica a la utilizada para el ensayo de consistencia con el cono, o sea lisa, de 0.60m de longitud, 16mm de diámetro (5/8”) con un extremo de compactar redondeado. d) BASE De cualquier material desde que sea lisa, resistente, no absorbente y se encuentre nivelada. e) MATERIAL PARA EL REFRENTADO Platinas con empaque de goma. 1.3.2.2. PROCEDIMIENTO El proceso del ensayo conlleva las siguientes operaciones: a) VACIADO La mezcla para elaborar los cilindros se vacía sobre el molde, en tres capas de 0.10 cm, de altura cada una, las cuales se compactan con 25 golpes de varilla dados desde la periferia del molde hacia el centro procurando, en el caso de la capa intermedia y superior, que la varilla penetre algo en la capa inmediatamente inferior. Si se presentan varios cilindros se coloca la primera en todos, luego la segunda y así sucesivamente y al terminar el llenado, puede golpearse el borde del molde con la varilla para mejorar la compactación de las muestras.
b) REPOSO Los cilindros se mantendrán un día sobre una superficie horizontal rígida, libre de vibraciones, impactos o de cualquier agente que pueda alterarlos, evitando que pierdan humedad por asoleamiento, viento o exposición al calor.
c) DESMOLDEADA Se realiza luego de 20 + 4 horas, abriendo el molde y extrayendo el cilindro sin utilizar palancas, ni aplicar golpes.
d) REFRENTADO Esta operación, según se ha visto, consiste en cubrir los dos extremos del cilindro con un material adecuado para proveerlo de dos caras lisas, paralelas entre sí, perpendiculares al eje de la pieza, para garantizar la uniforme distribución de la carga y con ello la axialidad del esfuerzo de compresión.
e) ROTURA El incremento de la carga del ensayo puede elevarse hasta producir la falla del cilindro o su franca rotura. Por esta razón es necesario detectar antes de proceder al ensayo las eventuales fallas que presenten los cilindros como fisuras, huecos, irregularidades, las cuales deberán anotarse para tenerlas en cuenta al evaluar los resultados.
OBSERVACIONES •
•
Debe aplicarse continuamente y sin impacto, en maquinas operadas hidráulicamente la carga debe aplicarse a un ritmo constante entre 20 y 50 libras por pulgada cuadrada por segundo, en la aplicación de la primera mitad de la carga máxima debe permitirse un ritmo mas alto de carga.
Ritmo de carga:
la resistencia a la compresión del cilindro se calcula dividiendo la carga máxima soportada por el cilindro durante el ensayo por el área transversal promedio. La resistencia se expresa con la aproximación de lbs/pulg2 o kgf/cm2. Calculo de la resistencia:
fc
=
Pmáx Area
2. DISEÑO Diseñar La dosificación de los materiales optima, para elaborar una muestra de prueba, con lo cual se elaborarán 3 cilindros por edad, para reventar a los 3, 7 y 28 días respectivamente.
Datos de la obra OBRA
Reconstrucción Puente Jorge Eliecer
Gaitan. ITEM Pilotes en concreto reforzado. DIMENSIONES Espaciamiento del acero 10 cms. GRADO DE EXPOSICION Suave (Cúcuta). RESISTENCIA A LOS 28 DIAS F'c = 245 kg/cm2 (3500 psi) RESISTENCIA ACERO DE REFUERZO Fy 60000 psi GRADO DE CONTROL DE LA OBRA Bueno METODO DE VIBRACION Vibrador eléctrico.
Datos de los materiales De los materiales disponibles para elaborar el concreto se conoce: Del agregado grueso proveniente de la trituradora Saenz.
1. Granulometría
ENSAYO GRANULOMETRICO TAM IZ
PESO RETENIDO % R ETEN ID O
3" 2" 1"1/2 1" 3/4" 1/2" 3/8" #4 FONDO SUMATORIA •
TMA = 1"
•
TMN = 3/4"
0 0 0 33 802 4720 1859 575 5 7994
0 0 0 0,4125 10,025 59 23,2375 7,1875 0,0625 99,925
% R ETEN ID O ACUM ULADO
% PASA
0 0 0 0,4125 10,4375 69,4375 92,675 99,8625 99,925
100 100 100 99,5875 89,5625 30,5625 7,325 0,1375 0,075
2. Peso Unitario •
Peso Unitario Compactado (PUC): 1578.65 Kg/mt3
•
Peso Unitario Suelto (PUS) : 1422.48 Kg/mt3
3. Peso específico y absorción •
Peso específico aparente: 2.551 gr/cm3
•
% de absorción: 1.1475 %
•
% Humedad Natural: 0%
4. Resistencia al desgaste: 31.2% Del agregado fino .
1. Granulometría
ENSAYO GRANULOMETRICO TAMIZ
PESO RETENIDO % RETENIDO
% RETENIDO ACUMULADO
% PASA
3/8"
0
0
0
100
#4
0
0
0
100
#8
3
0,6
0,6
99,4
#16
17
3,4
4
96
#30
84,5
16,9
20,9
79,1
#50
348,5
69,7
90,6
9,4
#100
30,5
6,1
96,7
3,3
#200
10
2
98,7
1,3
FONDO
2,5
0,5
99,2
0,8
SUMATORIA
496
99,2
•
MF = 2.128 finura media
•
TM = # 4
•
TMN = # 16
2. Peso Unitario •
Peso Unitario Compactado (PUC): 1654.79 Kg/mt3
•
Peso Unitario Suelto (PUS) : 1539.20 Kg/mt3
3. Peso específico y absorción •
Peso específico aparente: 2.5508 gr/cm3
•
% de absorción: 1.9409 %
•
% Humedad Natural: 8.10% %H = PH-PS/PS-PM, donde: PH = peso húmedo del agregado en el molde (298.5 gr) PS = peso seco del agregado en el molde (283.5 gr) PM = peso del molde ( 98.5 gr)
4. La colorimetría = 2 ( factor Gardner color amarillo)
Procedimiento de dosificación: 1. Elección del asentamiento: Con base en la tabla 11.1 se puede elegir el rango de asentamiento entre 3.5 y 5.0 cms, como se trata de construcciones en masa voluminosa, se requiere de un grado de trabajabilidad medio con tendencia a ser alto, de tal manera que se puede adoptar un asentamiento de 5.0 cms.
2. Elección del tamaño máximo nominal: De acuerdo con la granulometría del agregado grueso, se dispone de un TMN 3/4" (19.00mm). según la norma, debe cumplir con el parámetro siguiente: TMN < 3/4 espacio entre aceros 19.00 mm < 3/4 (100mm) 19.00 mm < 75.00 mm
3. Estimación del contenido de aire Los pilotes en concreto reforzado no estarán expuestos a ambientes agresivos ni a ciclos de congelamiento y deshielo, sino por el contrario a un clima suave. En cuanto a la estimación de la cantidad total de aire, de la tabla 11.3 para una TMN de 19.00 mm (3/4"), se tiene una cantidad aproximada de 3.5%.
4. Estimación de la cantidad de agua de mezclado (a) Para un TMN de 19.00 mm (3/4"), se tiene un asentamiento de 5.0 cm y concreto sin aire incluido, se tiene de la tabla 11.4 185 kg/m3.
Elección de la relación agua/cemento (a/c) La elección de la relación agua/cemento depende básicamente de la resistencia y la durabilidad, teniendo una resistencia promedio f'c = 245 kg/cm2, se tiene que por medio de la siguiente formula f'cr = 245 + 85 = 330 kg/cm2 se ha obtenido el valor de la resistencia a los 28 días, y para un concreto sin aire incluido, haciendo uso de la gráfica 11.3 se tiene una relación agua/cemento de 0.42.
5. Cálculo del contenido de cemento. Con la relación a/c elegida y la cantidad de agua, se logra la cantidad de cemento por metro cúbico de concreto. C = (185kg/m3)/0.42 = 440.47 kg/m3 El volumen de cemento por metro cúbico de concreto será: Vc = (440.47 kg/m3)/(3100 kg/m3) = 0.142 m3/m3
6. Verificación de las especificaciones granulométricas. Del agregado grueso
Haciendo uso de la tabla 11.7 se puede observar que se trabajara con tamices de 25.40 a 4.76.
Tamiz Porcentaje que pasa recomendado Porcentaje que pasa laboratorio mm Pulg Limite inferior Limite superior 38.10 1 1/2" 100 100 100 25.40 1" 95 100 99.5875 12.70 1/2" 25 60 30.5625 4.76 N° 4 0 10 0.1375 Según lo analizado anteriormente las especificaciones granulométricas del agregado grueso cumplen con las recomendaciones dadas en la tabla. Del agregado fino
Haciendo uso de la tabla 11.8 se puede observar que: Tamiz mm Pulg 9.51 3/8 4.76 N°4 2.38 N°8 1.19 N°16 0.595 N°30 0.297 N°50 0.149 N°100
Porcentaje que pasa recomendado Limite inferior Limite superior 100 100 95 100 80 100 50 85 25 60 10 30 2 10
Porcentaje que pasa laboratorio 100 100 99.4 96 79.1 9.4 3.3
Según lo analizado anteriormente en las especificaciones granulométricas del agregado fino correspondientes a los tamices N°16 y N°30 estas no cumplen con las recomendaciones dadas en la tabla. Por tal motivo es necesario elaborar el diseño de la mezcla utilizando el Método RNL.
7. Optimización de la granulometría método gráfico. (ver anexos) Según la gráfica y con ayuda de la tabla 11.12 se obtuvieron los siguientes datos. Porcentaje granulométrico del agregado fino: 32.5% Porcentaje granulométrico del agregado grueso: 67.5%
Estimación del contenido de piedra y arena 9.1 dprom= ecuación 11.7 dprom= (0.325)*(2550.8 kg/m3)+(0.675)*(2551 kg/m3) = 2550.935 kg/m3 9.2 Vt = 1 - (0.142+0.185+0.035) = 0.638 m3/m3 9.3 Wp = ecuación 11.9 Wp = (2550.935kg/m3)*(0.638 m3/m3)*(0.675) = 1098.56 kg 9.4 Wf = ecuación 11.10 Wf = (2550.935kg/m3)*(0.638 m3/m3)*(0.325) = 528.936 kg Material Cemento Agua Aire Triturado Arena PUFC
Peso Densidad Volumen P.A. Humedad 440.47 3100 0.142 440.47 185 1000 0.185 165.023 0 0 0.035 0 1098.56 2551 0.4306 1098.56 528.936 2550.8 0.2073 571.779 2252.96
P.A. Asentamiento 354.11 148.73 0 1101.24 636.52
8. Estimación del contenido de piedra y arena en estado húmedo. Wph = Wp * (1+%H)
y
10.1 Wph = 1098.56 kg* (1 + 0) = 1098.56 kg 10.2 Wfh = 528.936 * (1 + 0.0810) = 571.779 kg
Wfh = Wf* (1+%H)
9. Ajuste de la cantidad de agua de mezclado debido a la humedad de los agregados A = ecuación 11.11 11.1 At = 1098.56 * ( 0 + 0.11475) = 12.60 11.2 Af = 528.936 * (0.0810 - 0.019409) = 32.577 Agua de mezclado = 185 kg/m3 + 12.60 kg/m3 - 32.577 kg/m3 = 165.023 kg/m3
10. Ajuste a la mezcla de prueba •
Volumen del molde y volumen total V = π . r 2 . h r = 3" h= 12" V = π . (0.762)2 . (0.3048) V = 0.0055 m3 V = 0.0055 m3 x 10 cilindros V = 0.0555 m3 cto ⇒ vol. a preparar
Dosificación de la mezcla de prueba Material Cemento Arena Triturado Agua
Peso ajustado por humedad 440.47 571.779 1098.56 165.023
Volumen 0.0555 0.0555 0.0555 0.0555
Peso material dosificado
Peso muestra 24.446 31.733 60.970 9.158 126.307
11. Ajustes por asentamiento • • • • •
Ajuste estipulado : 5.0 cm Ajuste real : 2.5 cm Cantidad de agua para ser añadida a la mezcla: 2.5 cm x 2k = 5.0 kg Rendimiento volumétrico : peso material dosificado/pufc RV = 126.307/2252.96 = 0.056
14.1 Contenido de agua de mezclado Agua añadida --------------------------- 9.158 Agua sumin triturado ------------------ 0.6993 (+) Agua sumin arena----------------------- 1.8080 (- ) ======= 8.0493 Agua neta ------ 8.0493 / 0.056 = 143.73 kg/m3 Como el asentamiento escogido es de 5cm y el del laboratorio nos dio 2.5cm, entonces 5cm – 2.5cm = 2.5 cm * 2 = 5litros Agua total = 143.73 + 5= 148.73 kg/m3 14.1.2. Ajuste cantidad de cemento a/c = 0.42 a= 148.73
c = a / 0.42
c = 354.11 kg /m3
14.1.3. Ajuste cantidad de agregado grueso Estado Triturado húmedo Triturado seco Triturado sss
Formula 60.970/0.056 (1088.75)/(1+0) (1088.75)*(1+0.011475)
Peso 1088.75 1088.75 1101.24
14.1.4 Ajuste cantidad de agregado fino Estado Arena seco Arena sss
Formula 2252.96-(148.73+354.11+1101.24) (648.88)/(1+0.019409)
Peso 648.88 636.52
PROYECCION DE LA RESISTENCIA
fc
=
Pmáx Area
Area = *r 2 donde r = 3" Edad (días)
Peso ( gr)
Pmáx (Kg)
Area (cm2)
3 3 7 7 14 14 28 28
12800 12700 12850 12800 12800 12750 12800 12800
24300 29150 34600 33150 46500 47500 62500 63300
182.41 182.41 182.41 182.41 182.41 182.41 182.41 182.41
Fc kg/cm2 133.21 159.80 189.68 181.73 254.92 260.40 342.63 347.02
F'c promedio kg/ cm2 146.505 185.705 257.66 344.82
CONCLUSIONES
Es muy importante tanto para el técnico como para el ingeniero tener un claro conocimiento en cuanto a como se lleva a cabo los cálculos para obtener un concreto de buena calidad, analizando previamente las condiciones a que estará expuesta la obra, el grado de control, el tipo de obra a realizar y demás datos que se requieran para un minucioso análisis y un calculo acertado. Para determinar los diferentes ajustes a cada uno de los materiales involucrados en la elaboración del concreto, se debe tener en cuenta las características obtenidas tanto de la obra como de los diferentes laboratorios realizados antes del diseño de la mezcla. Para realizar el ensayo de asentamiento es importante tener en cuenta que el suelo en el que sé esta trabajando no absorba agua, que el molde no este completamente seco. Es indispensable en el vaciado de la mezcla en los cilindros un buen apisonamiento con la varilla de punta redonda, y además el correcto sacado del aire atrapado mediante suaves golpes en las paredes de los cilindros. Al momento de realizar el curado es bueno asegurarse de que a estos no les falte agua, como se vio en el laboratorio todos los cilindros deben quedar completamente sumergidos. Después de un lapso de tiempo se concluye que la mezcla se hace más resistente al pasar el tiempo. La resistencia proyectada a los 28 días esta dentro del parámetro del diseño.
