DIEGO SANCHEZ DE GUZMAN
Ingeniero Civil, MIC, MSdS.
Biblioteca de la Construcción
TE N RET Y EL
lA EL
RTER
TECNOLOGIA DEL CONCRETO Y DEL MORTERO © La Facultad de Ingeniería de la Pontificia Universidad Javeriana es titular de los derechos de autor sobre el libro "Tecnología del
concreto y del mortero" cuyo autor es el doctor Diego Sánchez de Guzmán, por tanto sus textos y gráficos no pueden reproducirse por medio alguno sin previa autorización escrita del autor y de la Universidad Javeriana. Para la presente edición, se ha autorizado a Bhandar Editores Ltda., a efectuar su edición y distribución.
Primera Edición: 1986:
Pontificia Universidad Javeriana ·Facultad de Ingeniería
Segunda Edición: 1993:
BHANDAR EDITORES LTDA.
Tercera Edición: 1996:
BHANDAR EDITORES LTDA.
Cuarta Edición: 2000
BHANDAR EDITORES LTDA..
Quinta Edición 2001
BHANDA.R EDITORES LTDA.. Carrera 13A No 90 ·21 ofc 205 Santafé de Bogotá, D.C. ·Colombia Pontificia Universidad Javeriana ·Facultad de Ingeniería Carrera 7a. No. 40-62, Zona Postal No. 1 ·Teléfono: 288 02 00 Santafé de Bogotá, D.C. ·Colombia
ISBN 958-9247-04-0
Fotografía:
Alicia María Durán Franch Alvaro Mejía Oribe Gilberto Londoño O. Ilustraciones:
Ximena Duque Valencia Hugo César Castro Chamucero © 1986, Pontificia Universidad Javeriana . Facultad de Ingeniería © 1991, Pontificia Universidad Javeriana ·Facultad de Ingeniería Diagramación
y artes:
Multiletras Editores Ltda.
Impresión: Cargraphics S.A.
Impreso en Colombia · Printed in Colombia PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA ·FACULTAD DE INGENIERIA CARRERA DE INGENIERIA CIVIL Carrera ?a. No. 40-62, Santafé de Boaotá, Zona Postal No. l. Teléfono: 288 02 00
Reconocimientos, De manera especial deseo agradecer a todas las personas y entidades que colaboraron para hacer' posible la realización de esta obra, pero especialmente a las siguientes instituciones que fomentaron mis · · conocimientos de la Tecnología del Concreto y me permitieron acceso a las publicaciones que se encuentran debidamente re{erenciadas al final de la obra, y por capítulos. FACULTAD DE INGENIERIA- PONTifiCIA UNIVERSIDAD JAVERIANA FACULTAD DE INGENIERIA- UNIVERSIDAD DE LOS ANDES ' FACULTAD DE INGENIERIA- UNIVERSIDAD MILITAR NUEVA GRANADA DEPARTMENT OF INDUSTRIAL SCIENCES- COLORADO STATE UNIVERSITY (U.S.A.) INSTITUTO COLOMBIANO DE PRODUCTORES DE CEMENTO -l.C.P.C. ASOC/ACION COLOMBIANA DE PRODUCTORES DE CONCRETO - ASOCRETO INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TECN/CAS - ICONTEC INSTITUTO MEXICANO DEL CEMENTO Y DEL CONCRETO, A.C. -!MCYC AMERICAN CONCRETE INSTITUTE- A.C./. (U.S.A.) PORTLAND CEMENT ASSOC/ATION- P.C.A. (U.S.A.) CENTRAL DE MEZCLAS S.A.
Contenido
Reconocimientos ..................................................................................................................................
5
Prólogo......................................................................................................................................................
15
Capítulo 1
EL CONCRETO - GENERALIDADES.................................................................................................. Introducción .......................................................................................................................................... Definición ............................................................................ ................................................................... Reseña histórica.................................................................................................................................... Composición y definición de términos .............................................................................................. Características y funciones de los componentes ........................................................,..............;...... Conceptos básicos ........................................................................... ....................................................
19 19 19 19 22 22 24
Capítulo 2
CEMENTO PORTLAND ...........................................................................................................................
27
Introducción .......................................................................................................................................... Definición...............................................................................................................................................
27 27
Contenido
Desarrollo del cemento en Colombia .............................................................................................. Fabricación
·······································································································································
Propiedades químicas ...................................................................................................................... Propiedades físicas y mecánicas..................................................................................................... Clasificación del cemento portland ................................................................................................. Calidad del cemento portland .........................................................................................................
27 28 35 41
48
52
Capítulo 3 AGUA ....................................................................................................................................................
Introducción Definición .......................................................................................................................................... ................................................................................................... .
.
.
.
.
u• ••• ••• ••• ••• •• ••• ••• ••• •
57 57 57 57 59
Agua de mezclado ............................................................................................................................ Agua de curado ................................................................................................................................ Características químicas y físicas del agua de mezclado .............................................................. 60 Características del agua de curado ................................................................................................. 63 Especificaciones y calidad del agua ............................................................................................... 63
CONCRETO FRESCO ......................................................................................................................... Introducción ...................................................................................................................................... Manejabilidad .................................................................................................................................... Consistencia ..................................................................................................................................... Plasticidad ......................................................................................................................................... Medida de la manejabilidad ............................................................................................................. Factores que influyen en la manejabilidad ..................................................................................... Segregación ...................................................................................................................................... Exudación ......................................................................................................................................... Temperatura .....................................................................................................................................
65 LOS AGREGADOS O A.R.IDOS
........................................................................................................
Introducción ...................................................................................................................................... Definición Origen de los agregados naturales ................................................................................................. Petrografía y mineralogía ................................................................................................................. Clasificación de los agregados ........................................................................................................ Propiedades químicas ...................................................................................................................... Propiedades físicas........................................................................................................................... Propiedades mecánicas .........................................................;......................................................... Sustancias perjudiciales .................................................................................................................. Selección y producción de agregados ............................................................................................ Especificaciones y calidad del agregado ........................................................................................ .
u........................................................................................
65 65 65
68 69 70
72 98 100
102 108
TECNOLOGIA DEL CONCRITO Y DEL MORTERO
111 111 111 111 112 112 115 123 123
124.
Capítulo 6
RESISTENCIA DEL CONCRETO ......................................................................................................
Capítulo 4
8
Capítulo 5
Introducción ...................................................................................................................................... Relación agua-cemento ..................................................................................................................... Naturaleza de la resistencia del concreto ....................................................................................... Factores que influyen en la resistencia ........................................................................................... Medida de la resistencia a la compresión ....................................................................................... Medida de la resistencia a flexión y tracción .................................................................................. Comparación de las pruebas ........................................................................................................... Pruebas aceleradas .......................................................................................................................... Madurez del concreto .......................................................................................................................
127 127 127 129 130 138 141 142 143 145
Capítulo 7 DURABILIDAD DEL CONCRETO ....................................................................................................... Introducción ....................................................................................................................................... Definición ..........................................................................................................................................
Contenido
149 149 149
9
Permeabilidad .............................................................................................................................
·t' .· '
......
Humedecimiento-secado
................................................................................................................. Congelamiento
y
deshielo ............................................................................................................... Exposición del concreto a sustancias químicas agresivas ............................................................ Eflorescencias ............................................................................................................................. ..... Corrosión del acero de refuerzo y otros materiales embebidos en el concreto ...........................
Resistencia
a
la
abrasión
................................................................................................................. Resistencia
a la
meteorización ........................................................................................................ Resistencia al
fuego
Reacciones
149
150 151 153 156 157 158 161 161 162
......................................................................................................................... químicas
de
los
agregados
.......................................................................................... 165
Capítulo 8
Capítulo 10 CONTROL DE CALIDAD DEL CONCRETO ....................................................................................
185
Introducción ............................................................................................................................... ....... Organización del control de calidad del concreto en la obra ........................................................ Ejecución del control de calidad del concreto en la obra .............................................................. Variaciones en la resistencia ........................................................................................................... Análisis de los resultados de resistencia ......................................................................................... Requisitos del nivel de resistencia ................................................................................................... Criterios de evaluación para diseño de mezclas ............................................................................ Ejemplo de aplicación ..................................................................................................................... Formatos gráficos de control ........................................................................................................
185 186 188
190 190
196 199 201 203
PESO UNITARIO Y APARIENCIA DEL CONCRETO ......................................................................
Introducción ............................................................................................................................... .......
165 165 166
Peso unitario del concreto
.
............................................................................................................... ' Medida del peso unitario en el concreto fresco ..............................................................................
204 y
Pruebas de resistencia del concreto en la obra .............................................................................. Capítulo 11
.·
..
·
......·.
Medida del peso unitario en ......................................................................
el
concreto
Apariencia del ...................................................................................................................
endurecido
DISEÑO DE MEZCLAS DE CONCRETO CAMBIOS VOUIMETRICOS DEL CONCRETO ..............................................................................
concreto Introducción ............................................................................................................................. .........
Capítulo 9
221
Cambios
volumétricos
en
estado
plástico
....................................................................,................. Cambios volumétricos en estado endurecido
................................................................................
Deformación
.......................................................................................................................
elástica
Fl ue nc ia .... .... .... .... .... ....
.......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......
168 168
I n t r o d u c c i ó n
171 171 171 174 178 180
................................................................................................................................... Consideraciqnes básicas ................................................................................................................. Información ret¡\)erida de los materiales ........................................................................................ Procedimiento de diseño.................................................................................................................. Método A.C.l. 21 J. .1 ......................................................................................................................... Método gráfico .................................................................................................................................. Ejemplo de aplicación .....................................................................................................................
MORTt:RO
TE:CNOLOGIA DEL CONCRUO Y DEL
222
224 226
239 242
252
Capítulo 12
261
ADITIVOS PARA CONCRETO ...........................................................................................................
261
. . . 10
221
Introducción ............................................................................................................................... ....... Definición .................................................................:........................................................................ Con len/do
11
261
Desarrollo del empleo de aditivos ................................................................................................... Filosofía de la utilización de aditivos............................................................................................... Clasificación de los aditivos ............................................................................................................ Aditivos indusores de aire ............................................................................................................... Aditivos reductores de agua ............................................................................................................ Aditivos retardantes ......................................................................................................................... Aditivos acelerantes ......................................................................................................................... Aditivos superplastificantes ............................................................................................................. Aditivos minerales............................................................................................................................ Otros aditivos ................................................................................................................................... Especificaciones y calidad de los aditivos......................................................................................
261 262
263 263 268 270 271 272 273 275 276
Capítulo 15 CONCRETOS POR ESPECIALIDAD - NUEVAS TECNOLOGIAS...............................................
Introducción ...................................................................................................................................... Clasificación general del concreto ........................................,......................................................... Concretos por especialidad ............................................................................................................. Nuevas tecnologías .......................................................................................................................... REFERENCIAS ....................................................................................................................................
319
319 319 325 331 341
Capítulo 13 PRODUCCION Y MANEJO DEL CONCRETO ................................................................................
279
Introducción...................................................................................................................................... Instalaciones para la producción de concreto................................................................................ Proceso de producción de concreto................................................................................................ Proceso de manejo del concreto ..................................................................................................... Protección y curado .........................................................................................................................
279 280 283 292 297
Capítulo 14 MORTEROS ........................................................................................................................................... 303
Introducción...................................................................................................................................... Definición ........................................................................................................................................., Tipos y usos de los morteros .......................................................................................................... Propiedades del mortero de cemento portland .............................................................................. Diseño de morteros de cemento portland ...................................................................................... 12
303 303 303 308 310
TECNOLOGIA DEL CONCRuO Y DEL MOIITERO
Contenido
13
Ejemplo de aplicación .....................................................................................................................
12
316
TECNOLOGIA DEL CONCRuO Y DEL MOIITERO
Contenido
13
Prólogo
El hormigón de cemento, o concreto, es la única roca fabricada por el hombre. Hay muchas clases de hormigón, según el aglutinante o pegante que se use, pero el de cemento portland, que a propósito es el pegante más barato y más versátil que existe, es el único que adquiere las características de la roca en resistencia a la compresión, duración, impermeabilidad, peso unitario, dureza y apariencia, entre muchas otras. El concreto, como comúnmente se le denomina en nuestro país, no es un bien genérico como las piedras naturales o la arena, sino un material de construcción que se diseña y se produce de conformidad con normas rigurosas, para los fines y aplicaciones que se requieren en un proyecto determinado y con las características de economia, facilidad de colocación y consolidación, velocidad de fraguado y apariencia adecuada según su aplicación. Estos hechos no son bien conocidos o frecuentemente olvidados. Otro tanto acontece con los morteros, su fabricación, usos y aplicaciones. El cemento y sus deriuados, el concreto, los morteros y todos sus subproductos son resultados de "dise· ños", trabajos reales de ingenieria, susceptibles de toda acción de ajuste, modificación y, lo que es más importante, de optimización. Ello no debe implicar que hacer un buen concreto sea difícil. La experiencia ha confirmado que los materiales y procedimientos de un concreto bueno y uno malo pueden ser los mismos y que la diferencia entre los dos radica en los criterios juiciosos que se aplican durante su diseño, elabora· ción, colocación, curado y protección; lo cual en ningún momento genera un costo adicional como general· mente se cree. Estas elementales consideraciones, que deben ser tenidas en cuenta por quienes tienen en sus manos la preparación de especificaciones, construcción o supervisión de obras de interés público o privado, Prólogo
15
ponen de presente la necesidad de estudiar, conocer e investigar nuevos materiales y soluciones que permitan
Prólogo
15
mejores formas de hacer las cosas, de disminuir los costos y, en general, de mejorar la calidad de vida de nuestros compatriotas. Porque precisamente los países en vía de desarrollo, los que viven una permanente angustia económica, donde los recursos son verdaderamente escasos, son los países que, paradójicamente, no pueden darse el lujo de despilfarrar recursos, ni de improvisar soluciones, ni de acometer obras transito rias, pues todas estas acciones se traducen en mayores costos para la comunidad y en demora de las solucibnes sociales requeridas. En ello, el concreto compite ampliamente {rente a otros materiales de cons trucción. Por otra parte, es menester destacar la necesidad de "adaptar" (léase alpargatizar) las tecnologías foráneas a las condiciones técnicas, económicas, financieras y sociales del país o de la región receptora. No esdable, o por lo menos es un riesgo innecesario, pretender trasladar técnicas de un lugar a otro sin antes evaluar las consecuencias de la adopción y hacer los ajustes necesarios para obtener las ventajas buscadas sin sorpre sas o sobresaltos. Dentro de los anteriores órdenes de ideas, el cabal conocimiento de las propiedades y características de materiales como el concreto y el mortero en el ejercicio de la Ingeniería, la Arquitectura y la construcción modernas, permitirá mejorar cada vez más las relaciones beneficio/costo de una estructura de concreto simple o reforzado y optimizar estos recursos en la edificación. Esta obra pretende ser un modesto aporte a ello. Para cualquier autor resulta satisfactorio que su obra tenga una amplia difusión a medida que pasa el tiempo. Quince años han trascurrido, desde la primera aparición de esta obra como documento de soporte del curso de "Tecnología del Concreto", dentro del Programa de Educación Continuada de la Facultad de lngenieria de la Pontificia Universidad Javeriana, y trece desde que la Oficina de Publicaciones de la misma Universidad lo imprimió formalmente, para quienes toman el mismo curso a nivel de pregrado. Lo interesante de este proceso es que un gran número de Facultades de Ingeniería y de Arquitectura dei país y del extranjero, así como muchos profesionales, lo han adoptado, igualmente, como texto guía o Libro de consulta. Ello puede interpretarse y denotar el creciente interés e importancia que han adquirido el concreto y el mortero como materiales de construcción en Colombia y Latinoamérica. Lo que se enfatiza en esta obra es la adaptabilidad de estos materiales a una amplia variedad de usos y aplicaciones que los han convertido en un verdadero medio universal de construcción. Pues han demostra do tener una versatilidad ajena a cualquier otro material, y tienen la ventaja adicional de que se pueden elaborar con componentes que en su mayoría están disponibles localmente. Sin embargo, la investigación
y el desarrollo de nuevas tecnologías y aplicaciones es interminable. Los conocimientos avanzan, y por ello se ha elaborado una nueva edición. En esta oportunidad no sólo se han actualizado los últimos avances y aspectos relativos a la normaliza ción de los componentes del concreto y el mortero, sino que también se han ampliado algunos temas sobre propiedades, control de calidad, producción y manejo del concreto. Del mismo modo, se replanteó enteramente el capítulo 11, con base en una nueva adaptación que se hizo de la excelente metodología que sigue el Comité A.C.l.-2111 para diseñar mezclas de concreto de peso normal, y que ia hacen más adecuada a las condiciones y materiales del medio colombiano. Dentro del replanteo presentado en este capítulo, cabe destacar lo siguiente: En primer lugar, una guía más específica de la consistencia requerida por el concreto para diferentes tipos de construcción y condiciones de colocación y consolidación. En segunda instancia, unas nuevas tablas de estimación del contenido de agua de mezclado, por volu men unitario de concreto, para producir diferentes asentamientos en mezclas con y sin aire incluido, tenien do en cuenta, además, la demanda de agua para partículas de agregado de forma redondeada y textura lisa, o para partículas de agregado de forma angular y textura rugosa. Como tercer aspecto, la inclusión de la determinación de la resistencia de diseño de la mezcla, como un paso más del proceso. En cuarto y último lugar, la estimación de las proporciones de agregados por dos vías: una, usando el valor b/bo que tradicionalmente ha empleado el A.C./.-211 para agregados que cumplen las granulometrías propuestas en la norma A.S.T.M. C 33 (ICONTEC 174); y otra, utilizando el método gráfico que puede ser alternativamente empleado con agregados cuya gradación puede estar dentro o fuera de los límites de las especificaciones granulométricas, ya que se procede a optimizar su granulometria a través de una curva continua de gradación propuesta por el autor. Finalmente, se insertó un nuevo y último capítulo sobre concretos por especialidad y sobre nuevas tecnologías, que contempla un compendio de clasificaciones y tipos de concreto, según sus propiedades y características, según el sistema de colocación que se emplee, y según los desarrollos y nuevas tecnologlas que ha habido en años recientes. Pr6/ogo
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TECNOLOGIA DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
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e
Aunque ellCONTEC se refiere en sus normas tecnicas al Hormigón y no al Concreto, en esta segunda edición del libro se sigue utilizando extensamente ésta última denominación, que es la más común en nuestro país.
CAPITULO
1
Con esta nueva edición, al igual que con las anteriores, se pretende hacer un aporte actualizado sobre el "estado del arte" de la Tecnología del Concreto y del Mortero, en una impresión de lujo adelantada por Bhandar Editores, dentro de su colección Biblioteca de la Construcción.
El concreto - generalidades El autor
Introducción Durante el curso del presente siglo, el concreto se ha convertido en el material de construcción más ampliamente utilizado en todo el mundo debido a su extraordinaria versatilidad en cuanto a forma (se pue de moldear), función (uso estructural y no estructural) y economía, ya que la tecnología desarrollada a su alrededor hace posible su competencia no sólo con las construcciones de piedra y madera, sino también con las de acero. Su desarrollo se ha visto estrechamente vinculado al del "concreto armado", debido a que inicialmente se le concibió para fines estructurales, pues la asociación de concreto propiamente dicho y armaduras o varillas de acero forman un sólido único desde el punto de vista mecánico. El concreto ofrece, como las piedras naturales, una resistencia muy grande a los esfuerzos de compresión y muy escasa a los de tracción (por lo general, su resistencia a la tracción es del orden de un 10% de su resistencia a la compresión); por lo tanto, es inadecua do para formar piezas que han de resistir tracciones o flexiones. Pero al disponer varillas de acero en las zonas de tracción, se suple esta deficiencia, teniendo 18
TECNOLOG1A DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
El concreto -generalidades
entonces una pieza resistente a la flexión. De manera que, el "concreto armado" es una piedra artificial que puede resistir esfuerzos de compresión, tracción y flexión, circunstancia que no se da en las piedras naturales. Por tal motivo, las propiedades y características del concreto se estudian con el fin de determinar el diseño de mezcla adecuado (proporcionamiento de sus ingre dientes) para las condiciones especificadas en un proyecto dado.
Definición En términos generales, el concreto u hormigón puede definirse como la mezcla de un material agluti nante (Cemento Portland Hidráulico), un material de relleno (agregados o áridos), agua y eventualmente aditivos, que al endurecerse forma un todo compacto (piedra artificial) y después de cierto tiempo es capaz de soportar grandes esfuerzos de compresión.
Reseña histórica Probablemente la historia de los cementantes es tan antigua como la propia humanidad. Su empleo se
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remonta a las épocas en que el hombre se vio en la necesidad de construir su propia habitación utilizando arcilla o una mezcla de cal y arena para mantener juntas las piedras o ladrillos de ésta. No hay forma de averiguar cuándo se descubrió por primera vez un ma terial aglomerante, pero seguramente fue después del primer uso inteligente del fuego. Uno puede imaginar se al hombre primitivo encendiendo su fuego en un hoyo rodeado de piedras de caliza y yeso; el calor descarbonata o deshidrata una parte de las piedras, que caen convertidas en polvo entre las restantes.Una ligera lluvia por la noche moja este polvo y los trozos de piedra quedan sólidamente unidos, formándose la primera mampostería. Tal vez el dato más exactodeempleo de materiales cementantes se remonta hacia el año 2690 A.C., cuan do los egipcios construyeron la pirámide de Gizeh, en donde los bloques de piedra de esta obra de cuarenta pisos fueron pegados con un mortero hecho de yeso calcinado impuro y arena; a esta obra siguieron las que aún hoy en día se encuentran a lo largo del rio Nilo. Más tarde en Grecia y Roma se produjeron morte ros hechos a base de pasta de caliza calcinada (cal vi va) y agua, a la cual se adicionaba arena, para unir las estructuras de piedra y ladrillo. Posteriormente a estas .mezclas se incorporaron piedra triturada, tejas rotas o ladrillo, dando origen al primer concreto de la historia Debido a que los morteros de cal viva no resistían muy bien la acción del agua durante periodos largos, se presume que a esta mezcla se incorporaron toda clase de agregados en una u otra época y pronto se descubrió que la arena proveniente de ciertas rocas volcánicas tenía mayor resistencia y duración tanto en aguas dulcescomo saladas. Igualmente sucedió con la arcilla quemada que era finamente triturada e incorpo rada al mortero. Por ejemplo, los griegos emplearon una toba volcánica extraída de la isla de Santorin y los romanos usaron un material similar que se encuentra en gran cantidad alrededor de la bahía de Nápoles, el cual fue conocido como cemento puzolánico debido a 20
que se le encontró por primera vez en las cercanías del pueblo de Pozzuoli, cerca del Vesubio.
sólo podía obtenerse de una caliza que tuviera un alto contenido de impurezas de tipo arcilloso.
De tal manera que de una mezcla de este material con cal y piedras están construidas algunas estructu ras como el Panteón Romano, el Coliseo,la Basílica de Constantino, el Puente de Gard, cerca de Nimes, al sur de Francia, y otras estructuras que han llegado hasta nuestros días y han resistido notablemente los emba tes del tiempo.
En losañossiguientesa este hallazgo se desarrolla ron muchos tipos de cementos hidráulicos y a partir de ese momento mejora la calidad de los morteros y co mienza el desarrollo del concreto, gracias a los adelan tos conseguidos en el conocimiento de los cementos. Así, en 1824 Joseph Aspdin, un constructor de Leeds (Inglaterra), calcinó en un horno una mezcla de tres partes de piedra caliza por una de arcilla, la cual molió y pulverizó, obteniendola patente del cemento Portland, que debe su nombre a unas piedras calizas extraídas de la región de Portland, al sur de Inglaterra (en la -can tera de Dorset), ya que al fraguar y endurecer tomaba un aspecto parecido en color y calidad a estas piedras.
Igualmente, a nivel latinoamericano hay muestras de desarrollo de materiales cementantes y estructuras imponentes como las ciudades construidas por los mayas y los aztecas en México o las construcciones de Machu Picchu en el Perú, entre otras. Por otra parte, la mala calidad de los morteros usa dos en la Edad Media parece ser debida a una cocción incompleta de la cal, descuido en la mano de obra y carencia de tobas volcánicas. Después del siglo XII · mejoró la calidad y de nuevo se notó que esto iba · acompañado de una perfecta calcinación de la cal y del uso de algún material similar en propiedades a las to bas volcánicas anteriormente mencionadas. El Trass de Andemach, junto al Rhin, cerca de Coblenza, era un material de este tipo. Durante los siglos posteriores, los avances fueron pocos hasta el punto de que sólo llegó a producirse un mortero débil hecho únicamente de cal y arena.A prin cipios de la edad moderna se presentó no sólo una dis minución general en calidad, sino que la fabricación y uso del cemento se acabó. Solamente hacia el siglo XVlll, en el cual se desarrolló un desmesurado afán por la investigación, el ingeniero inglés John Smeaton, a quien se le encomendó construir el faro de Eddyston, en la Costa de Cornwall (Inglaterra) en 1756, decidió adelantar una serie de estudios tendientes a encontrar el mejor mortero para que el faro pudiera soportar el azote casi continuo del agua y de estos estudiosdedujo que la cal hidráulica (resistente a la acción del agua)
TECNOLOGIA DEL CONCREJU Y DEL MORTERO
A Aspdin se le reconoce como el actual inventor del cemento Portland, aunque su método de fabrica ción fue conservado con mucho secreto. Su patente fue escrita en forma tan confusa y oscura, que nadie fue capaz de imitar a pesar de los esfuerzos hechos. Unicamente hasta 1845, el inglés Isaac Johnson logró con éxito perfeccionar y fabricar este producto quemando una mezcla de caliza y arcilla hasta la for mación del clinker, el cual después fue pulverizado ob teniendo un compuestofuertemente cementante.John son encontró que la temperatura de calcinación debía elevarse hasta el máximo que pudiera lograrse con los métodos de ese tiempo y describió sus experimentos más explícitamente que Aspdin. Tamando como base losexperimentosdeJohnson, la fabricación de cemento Portland se inició en varias factorías, no sólo en Inglaterra, sino también en toda Europa. La cantidad producida fue muy pequeña. Unicamente hasta el año 1900, aproximadamente, empezó el crecimiento notable de la industria del cemento, debido fundamentalmente a dos factores. En primer lugar, los experimentos realizados por los químicos franceses Vicat y Le Chatelier y el alemán El concreto - generalidades
Michaélis, con los cuales se logró producir cemento de una calidad uniforme, de modo que pudiera ser usado en la industria de la construcción. En segundo lugar, dos invenciones mecánicas muy importantes se hicie ron al principio del siglo: los hornos rotatorios para la calcinación y el molino tubular para la molienda. Con estas dos máquinas pudo entonces producirse el ce mento Portland en cantidades comerciales.A partir de este momento se desarrolla el rápido crecimiento de esta industria que hoy en día produce un material de construcción imprescindible dentro del actual sistema de vida. El desarrollo del concreto propiamente dicho, como material de construcción, empezó hada principios del siglo pasado poco después de la obtención de la patente del "Cemento Portland" (1824) y posterior mente se afianzó con la invención del concreto armado que se atribuye al jardinero parisiense Jack Monier, quien, hacia el año 1861, fabricó un jarrón de mortero decemento, reforzadocon un enrejado dealambre.Es te material se vino a conocer como ferrocemento, un· siglo más tarde. La verdad es que antes de esta fecha ya se habían construido diversos objetos aplicando la misma idea, pero sin que tuvieran trascendencia en la industria ni en la construcción.Así, por ejemplo, Lambot construyó en 1850 una barca de cemento reforzada con hierro, que pudo verse en la Exposición Universal de París del año 1855 y que aún se exhibe en el parque Miraval. En el mismo año de 1861, el ingeniero francés Coignet estableció normas para fabricar bóvedas, vi gas, tubos, etc., con este novedoso material, del cual presentó, asociado con Monier, algunos ejemplares en la misma exposición del año1867.En este mismo año, Monier obtuvo sus primeras patentes para hacer estos elementos. Posteriormente, en manos de los ingenieros y de múltiples investigadores, la tecnología del concreto nació en los albores del presente siglo y alcanzó para lelamente al estudio del concreto reforzado la impor-
21
( ( (
tanda trascendental que tiene en la técnica construc tiva de la civilización industrializada que hoy conoce mos. Por tal motivo, es llamado la piedra del siglo XX.
Composición y definición de términos De acuerdo con lo descrito en la definición de con creto, en la figura 1.1 se esquematizan las proporcio nes, por volumen, de cada uno de los materiales que lo constituyen, con el objeto de dar una idea acerca de la incidencia que tienen las caracteristicas y funciones de éstos, dentro de la masa, así como definir algunos términos que son de uso común. P a s t a o p e g a n t e El término pasta se refiere a la mezcla de cemento,
agua, aire (naturalme nte atrapado o intencional mente incluido) y aditivos (cuando son añadidos ). M o r t e r o Este ·término, que ya ha sido mencionad o con anteriorida d, se refiere a la mezcla de pasta y agregado fino (arena), la cual es muy utilizada en la pega de ladrillos para hacer muros de mamposter ía o en el recubrimie nto de éstos últimos, caso en el cual se le conoce como pañete, repello o revoque.
C o n c r e t o El mortero mezclado con agregado grueso (pie dra), da como resultado el concreto u hormigón. Adicionalment e, cuando al concreto se agregan pie dras de gran tamaño (piedrabola, rajón, mediazonga, etc.) cuyo diámetro es del orden de 20 cm o más, se le conoce con el nombre de concreto de agregado precolocado, y más comúnmente en nuestro medio como concreto ciclópeo.
Figura 1.1 Componentes del concreto (1.8)
Concreto con
aire Incluido
Características y funciones de los componentes Cemento El cemento que se utiliza, como ya se mencionó, es cemento portland hidráulico, el cual tiene propiedades tanto adhesivascomo cohesivas, que le dan capacidad de aglutinar los agregados o áridos para conformar el concreto. Estas propiedades dependen de su compo sición química, el grado de hidratación, la finura de las particulas, la velocidad de fraguado, el calor de hidratación y la resistencia mecánica que es capaz de desarrollar. Agua La razón de que los cementos sean hidráulicos es que éstos tienen la propiedad de fraguar y endurecer con el agua, en virtud de que experimentan una reac ción química con ella, de tal manera que el agua como material dentro del concreto esel elemento que hidrata las particulas de cemento y hace que éstas desarrollen sus propiedades aglutinantes.
Al mezclarse el agua con el cemento se produce la pasta, la cual puede ser más o menos diluida, según la
cantidad de agua que se agregue. Al endurecer la pasta, como consecuencia del fraguado, parte del agua queda fija (agua de hidratación) en la estructura rígida de la pasta y el resto queda como agua evapo rable. A i r e Cuando el concreto se encuentra en proceso de mezclado, es normal que quede aire incluido dentro de la masa (aire naturalmente atrapado), el cual poste riormenteesliberad o porlos procesosdecompa ctación a que es sometido el concreto una vez ha sido coloca do. Sin embargo, como la compactación no es perfec ta, queda siempre un aire residual dentro de la masa endurecida. Por otra parte, en algunas ocasiones se incluyen burbujas de aire, por medio de aditivos, con fines específicos, como se verá más adelante. F u n ci o n e s d
la past a de cem ento Cuando la mezcla se encuentra en estado plástico, la pasta actúa como lubricante de los agregados, co municando fluidez a la mezcla, lo cual permite que la colocación y consolidación del concreto sean adecua das, ya que un alto grado de confinamiento conduce a una mayor resistencia.
Agregados o áridos Como agregados o áridos para concreto pueden tomarse en consideración todos aquellos materiales que, poseyendo una resistencia propia suficiente (re sistencia del grano), no perturban ni afectan el proceso de endurecimiento del cemento hidráulico, es decir que son inertes y garantizan una adherencia suficiente con la pasta de cemento endurecida. Estos materiales pueden ser naturales o artificiales, dependiendo de su origen. Funciones de los agregados
Cuando la mezcla se encuentra en estado sólido, la pasta de cemento obtura los espacios que hay entre las particulas al aglutinarse, reduciendo la permeabilidad del concreto y evitando el desplazamiento de agua dentro de la masa endurecida, lo cual es crítico en es tructuras hidráulicas o en concretos que estén expues tos a la acción de aguas agresivas que eventualmente puede degradar la estructura de la masa haciéndole perder resistencia.
Los agregados, en combinación con la pasta fra guada, también proporcionan parte de la resistencia mecánica característica a la compresión, debido a que, como se mencionó anteriormente, éstos tienen una resistencia propia que aportar al concreto como masa endurecida.
Adicionalmente, la pasta fraguada y endurecida en unión de los agregados contribuye a suministrar la resistencia mecánica característica a la compresión, lo cual depende la llamada interfase agregadopasta, o agregado matriz.
Cuando la mezcla de concreto pasa del estado plástico al estado endurecido durante el proceso de fraguado, losagregados controlan loscambios volumé tricos de la pasta, evitandó que se generen agrie tamientos por retracción plástica que puedan afectar la resistencia del concreto.
La razón principal de la utilización de agregados dentro de una mezcla de concreto, es que éstos actúan como material de relleno, haciendo más económica la mezcla. ·
Aditivos Desde mediados del presente siglo se ha desarro llado toda una tecnología sobre la utilización de los
aditivos, que son materiales distintos del agua, los agregados y el cemento hidráulico que se utilizan como ingredientes en
concretos y morteros y se aña den a la mezcla inmediatamente antes o durante su mezclado.
22 TECNOLOGIA DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
En términos de su función, éstos pueden ser reductores de agua, retardantes o acelerantes. Hay El concreto - generalidades
23
algunos otros, como los inclusores de aire, las puzolanas, los colorantes, etc.
Funciones de los aditivos Pueden ser utilizados para modificar las propieda des del concreto de manera que lo hagan más adecua do para las condiciones de trabajo. Pero, también pue den ser usados por razones de orden económico, ya que permiten, en algunos casos, reducir los costos de fabricación del concreto.
Conceptos básicos Como se ha visto, el concreto está compuesto principalmente de cemento, agregados y agua.Contie ne asimismo alguna cantidad de aire atrapado y puede contener aire incluido intencionalmente mediante el uso de un aditivo o un cemento inclusor de aire. Las propiedades del concreto y del mortero se estudian primordialmente con la finalidad de determi nar el diseño de la mezcla, el cual se define como el
proceso para seleccionarlos ingredientes adecuados y determinar sus cantidades relativas, con el objeto de producir, tan económicamente como sea posible, un concreto o un mortero con un mínimo de ciertas propiedades. De tal manera que los factores básicos en el diseño de una mezcla de concreto o de mortero son los siguientes: -
Economía Facilidad de colocación y consolidación Velocidad del fraguado Resistencia Durabilidad Impermeabilidad Peso unitario Estabilidad de volumen Apariencia adecuada
Estos factores o características requeridas están determinados por el uso al que estará destinado el concreto y por las condiciones esperadas en el mo mento de su colocación.
Primera parte
Materiales
24
TECNOLOGIA DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
CAPITUL O
Ceme nto portla nd
Introducción
Definición
primas y Prácticamente pueda excelencia versátil,compacto con resistencia mecánicas y durabilidad adecuadas. de usos. Esta definición no sólo abarca los cementos el propia mente dichos, sino concreto una gran variedad de materiales de cementación tales como las cales, los entonces, asfaltos y los materiales alquitranes. con describirá En el medio de la estudiarán construcción, y más físicasespecífica mente en el de las la fabricación de concreto finalmente para estruc turas, es procedimientos reconocidorecomendados que al control.mencionar la palabra cemento, implícitamente ésta se refiere a cemento portland, o cemento a base de portland, el cual tiene la propiedad de palabrafraguar y endurecer en presencia de agua ya que aglomerante con ella experimenta una adherencia reacción quími ca. Este permiten se llama sí, proceso hidratación, por lo cual son también llamados cementos hidráulicos.
Desarrollo cemento Colombia
del en
Durante la primera década del presente siglo, en el año de 1905, se inició la instalación de la primera planta para fabricar portland en el país, por parte de la entonces naciente factoría de "Cemento Samper", en la ciudad de Bogotá. Esta empezó a operar en el año de 1909 con una producción diaria de 1O toneladas, en un pequeño horno. Como es de imaginar, por aquella época Bogotá era todavía una dudad de calles empe
dradas, las obras eran muy escasas y en las estructu-
Cemento portland
27
ras de alguna importancia se empleaban principal mente elementos metálicos o mamposteria de piedra. A medida que se fue desarrollando la industria de la construcción, la mencionada fábrica fue aumentan do su producción, pero sólo hasta los años de 1933 y
1934 se montaron los dos primeros hornos rotatorios de 100 y 150 ton/dia, en la Calera (Cundinamarca) y n Apulo (Cundinamarca) por parte de Cementos Samper y Cementos Diamante. Más tarde, en 1936, Cementos Argos inició operaciones en la ciudad· de Medellin, con una producción de 50 ton/día. A partir de 19411a producción en el Valle del Cauca la comienza Cementos del Valle; en 1943 se inicia en el Magdalena Medio con Cementos del Nare, luego en 1949 se extiende a la Costa Atlántica con Cementos Caribe en Barranquilla y más tarde, en 1959, al oriente del país, en San Gil (Santander), con Cementos Hércules. Posteriormente se crearon varias fábricas distribui das por 5 zonas del país, tal como lo muestra la figura 2.1, llegándose hoy en día a un total de 16 fábricas distribuidas en 10 departamentos del país.
Fabricación Como se ha podido observar, el cemento portland se fabrica generalmente a partir de materiales minera.Je{calcáreos, tales como la caliza, y por alúmina y sílice, que se encuentran como arcilla en la naturaleza. En ocasiones es necesario agregar otros productos para mejorar la composición química de las materias primas principales; el más común es el óxido de hierro. Las calizas, que afortunadamente se presentan con frecuencia en la naturaleza, están compuestas en un alto porcentaje (más del 60%) de carbonato de calcio (CaCO), e impurezas tales como arcillas, sílice y dolomita, entre otras. Hay diferentes tipos de calizas y prácticamente todas pueden servir para la produc ción del cemento, con la condición de que no tengan cantidades muy grandes de magnesio, pues si el 28
cemento contiene más cantidad del límite permitido,el concreto producido con él aumenta de volumen con el tiempo, generando fisuras y por lo tanto pérdidas de resistencia.
Figura 2.1 Industria Colombiana del Cemento. Distribución
geográfica de los mercados y localización de las fábricas.
La arcilla que se emplea en la fabricación del ce mento está constituida principalmente por un silicato hidratado complejo de aluminio, con porcentajes me nores de hierro y otros elementos. La arcilla aporta al proceso los óxidos de sílice (SiO), hierro (Fep) y aluminio (Alp). El
OCEANO ATIANTICO
.A. • Cemento gris
t ·Cemento blanco
8 -Ciudades
sulfato de calcio hidratado (CaSO¡Hp), es un producto que se agrega al final del proceso de producción, con el fin de controlar el tiempo de fragua do del cemento.El proceso de fabricación del cemento comprende las siguientes etapas principales: -
yeso,
VENEZUELA
Explotación de materias primas Preparación y dosificación de materias primas Homogeneización Clinkerización Enfriamiento Adiciones finales y molienda Empaque y distribución
Como la mezcla y pulverización de materias pri mas puede efectuarse tanto en presencia de agua co mo en seco, existen actualmente dos procesos univer salmente usados para la producción de cemento: el proceso húmedo y el proceso seco. La utilización de uno u otro dependede muchosfactorestantofisicos (cal dad de la caliza, humedad de la arcilla, etc.) como eco nómicos. A continuación se detallarán brevemente las etapas anteriormente mencionadas, que se compren derán mejor haciendo referencia a lasfiguras 2.2 y 2.3.
Explotación de materias primas Las materias primas se extraen de las canteras por procedimientos normales para este tipo de explota ción. Las calizas pueden ser de dureza elevada, de tal modo queexijan el usodeexplosivos y luegotrituración,
CONVENCIONES
OCEANO PACIFICO
BRASIL ZONAS
G) @
Costa Atlántica:San Andrés y Providencia Guajira - Cesar - Magdalena - Atlántico - Sucre - Córdoba - Amazonas NorOeste:Antioquia -Chocó
Sur Oeste: Caldas - Quindlo - Risaralda 0 VaUeCauca- Nariño- Putumayo
@
@
Central: Bogotá, D.C.- Cundinamarca- Te lima - Huila - Caquetá - Boyacá - Meta -
Arauca
(
Nor Este:Santander·Norte de Santander
¿ TECNOLOG/A DEL CONCRf:TO Y DEL MORTERO
Cemento portland
29
(
( ( (
o suficientemente blandas como para poderse explo tar sin el uso de explosivos. Las arcillas normalmente se encuentran en condiciones de poder mezclarse directamente con la caliza y su extracción generalmen· te es por arrastre, o sea a través de palas mecánicas, cargadores y traíllas. Preparación, dosificación y molienda Una vez explotada la caliza, ésta se transporta de la cantera a una trituradora (o a una planta de trituración) para una trituración primaria que la deja con un tama ño máximo de partículas de aproximadamente 25 mm (1"), antes de pasarla a molienda con la arcilla. Tomando en consideración el proceso por vía húmeda, si la arcilla es bastante húmeda y tiene la pro piedad de desleírse o derretirse en el agua, debe ser so metida a la acción de mezcladores para formar la lechada·esto se efectúa en un molino de lavado, el cual es un p zo circular con brazos revolvedores radiales con rastrillos, los cuales rompen los aglomerados de materias sólidas. La mezcla de la caliza triturada y la lechada de arcilla, en proporciones predeterminadas, que depen den de la pureza de los materiales (su propia compo sición química) y de la composición que se debe obtener del cemento una vez producido, se lleva a un molino de cuerpos moledores (bolas o barras), llama do molino de crudo, que muele y pulveriza los materia les hasta un tamaño medio de 0.05 mm. Aquí se inicia la mezcla íntima de los dos materiales.
Como se puede ver, e11el proceso por vía húmeda esta molienda se efectúa en presencia de agua y el producto que sale del molino tiene aproximadamente entre 35% y 50% de agua y se conoce con el nombre de "pasta". En los procesos por vía seca o semiseca, las ma terias primas se trituran y adicionan en las proporcio nes correctas en el molino de crudo, donde se secan
(conteniendo menos de 1 a 2% de agua) y se reduce su tamaño a un polvo fino. Este polvo seco que sale se llama grano molido, crudo o "harina".
Figura 2.2 Proceso de fabricación del cemento portland por vía húmeda
Homogeneización Las materias primas debidamente proporcionadas y molidas a finas partículas, como se indicó en el punto anterior, deben homogeneizarse en la mejor forma po sible, ya que en las reacciones químicas que se suce den en el proceso, es de importancia definitiva el contacto íntimo entre los distintos componentes. En el proceso de fabricación por vía húmeda, la "pasta" es por tanto bombeada a tanques de homogeneización llamados "balsas", que son grandes tanques cilíndri cos con un equipo que gira en torno a un eje central y con una serie de aspas que a su vez giran suspendidas del soporte principal con el objeto de impedir la sedimentación de los sólidos mediante agitación me cánica y burbujeo de aire comprimido.
FABRICACION DE CEMENTO PORTLA!'ID
EXPLOTACION DE lA CANTERA DE CAUZA DEPOSITO DE CAUZA Y ARC lA
TRITURADORA PRIMARIA
La pasta permanece en las balsas durante varias horas, en tanto que se controla su homogeneidad química y se hacen las correcciones que sean del caso, basadas en muestras periódicas que se toman para analizar en el laboratorio. En el proceso por vía seca, el grano molido o "hari na" que sale del molino de crudo se transporta por me dios mecánicos o neumáticos a unos silos de homoge neización, que son tanques cilíndricos de gran altura en los cuales se hacen los ajustes finales y la mezcla se ho mogeneíza inyectando aire a presión por la parte inferior del silo.
HORNO
De las balsas o los silos de homogeneización, se gún sea el caso, la mezcla pasa a tanques o silos de almacenamiento, donde queda lista para entrar a la siguiente etapa del proceso.
COLECTOR DE POLVO
HOMOOENEIZAOORES DE
DEPOSITO DE
P.\STA(BA!SAS)
PASTA
ENFRIADOR DE
CUNKER
Clinkerización La mezcla de materias primas debidamente dosi ficada, pulverizada, corregida, mezclada y hornoCemento portland
30
TRITURADORA SECUNDARIA
TECNOLOGIA DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
31
Figura 2.3 Proceso de fabricación del cemento portland por vía seca
FABRICACION DE CEMENTO PORTLAND EXPlOT CION DE lA C NTERDE C UZA DEPOSrTOOE
C ZA Y ARCillA
geneizada, se somete a continuación a un tratamiento térmico en grandes hornos rotatorios. El hornoes un cilindrode acero de gran tamaño, re cubierto de material refractario (forro de ladrillos re fractarios) para protegerlo del calentamiento y dis minuir pérdida de calor por radiación, con un diámetro interior hasta de 5 m y una longitud que a veces al canza 150m, el cual gira lentamente alrededor de su eje. Está hecho con una ligera inclinación en relación con la horizontal, para que el material que se echa por
la parte superior, baje lentamente hacia la salida inferior, a medida queel horno gira. En la salida inferior del horno se encuentran grandes quemadores que proyectan hacia el interior un chorro encendido de ACPM, fuel-oil, gas o carbón pulverizado, donde la temperatura alcanza de 1.400 a 1.5000<:.
En el proceso por vía húmeda, la pasta es bombea da al horno, por donde empieza a descender, encon trando progresivamente mayores temperaturas. Los cambios ocurridos se muestran en la tabla 2.1.
· Tabla 2.1 Cambiosocurridos en el proceso de cllnkerlzaclón dentro del horno rotatorio TRrTURAOORA PRIMARIA
TRrTURAOORA SECUNDARIA
RECUPERADOR DE CALOR
• PARA EL HORNO
Hasta 1OO"C
Evaporación de agua libre.
Endotérmica
Por encima de 500"C
Deshidratación de los minerales arcillosos.
Endotérmica
800"C
Uberación de C02 Cñstalización de los productos minerales descompuestos
Exotérmica
Por encima de 900"C
Exotérmica
De goo·c a 1.200"C
Descomposición del carbonato
Endotérmica
Reacción del CaO con los silicoaluminatos.
Exotérmica
SILOS DE MATERIA PRIMA
PARA EL HORNO
De 1.250"C a 1.280"C
ENFRIADOR DE
COUECTOR DE POLVO
CUNKER
Por encima de 1.280"C (hasta 1.500"C)
MOUNODE CEJ'IENTO
Se inicia la formaciónde líquidos. Endotérmica Formación de líquidos y de los compuestos del cemento (clinkerización\ Endotérmica
Primero se elimina el agua y se libera el C02; posteñormente, el material seco sufre una serie de reacciones químicas hasta que, finalmente, en la parte inferior del horno (zona de cocción) un 20 a 30 por 32
TECNOLOGI/\ DEL CONCRETO Y DE:L MORTERO
Cemento portland
ciento del material se vuelve líquido y la cal, la sílice y la alúmina vuelven a combinarse. Posteriormente la masa se funde en bolas de diámetro que varían entre 3 y 30 mm conocidas como clinker. El clinker calenta33
do al rojo es pasado del horno a un enfriador, en donde su temperatura se baja a 70oC por medio de aire y éste, intensamente calentado, se vuelve a usar como aire de combustión en el horno. En el proceso por vía seca, el horno está constitui do por una parte fija y una móvil. La parte móvil for mada por un cilindro rotatorio es básicamente igual a la del proceso húmedo, mencionado anteriormente. El precalentador, que constituye la parte fija, se compone de cuatro gruesos ciclones dispuestos en serie y conec tados a un potente ventilador extractor. Los gases calientes originados en la parte rotativa del horno son extraídos por el ventilador y circulan a gran velocidad en los ciclones. La materia cruda pulve rulenta es inyectada en la parte superior y desciende por gravedad en los ciclones sucesivos para, finalmen te, penetrar en el horno en un estado de descarbo natación parcial, encaminándose luego hacia la zona de cocción bajo el efecto de rotación del horno. A partir de este momento, las operaciones posteriores son las mismas que en el proceso por vía húmeda. La materia se calienta a medida que desciende, mientras que los gases que salen del horno se enfrían subiendo. El intercambio de calor se efectúa gracias a un movimien to turbulento en el interior de los ciclones. Enfriamiento Como ya se mencionó, a la salida del horno el material se presenta en forma de bolas de dimensión máxima entre 3 y 30 mrn que se conoce como dinker, el cual sale a una temperatura cercana a 1.200°C o 1.300°C, ya que en la parte final del horno mismo se presenta un principio de enfriamiento. El descenso de temperatura del dinker hasta 50 o 70°C debe ocurrir en forma brusca y rápida, debido a que si se enfría lentamente se presenta óxido de magnesio en forma cristalina (periclasa), el cual se puede hidratar en presencia de humedad, con aumen to de volumen y posibilidad de desintegración del con34
· creto hecho con tal cemento. El enfriamiento brusco se logra haciendo pasar aire frío por el clinker en enfriadores de tipo parrilla. Adiciones finales y molienda El clinker frío, que es característicamente negro, reluciente y duro, se lleva a un almacenamiento, o directamente a un molino de cuerpos moledores com puestos de diversos compartimientos, los cuales tie nen bolas de acero cada vez más pequeñas. En él se pulveriza con una pequeña adición de yeso (2 a 5%), el cual, como ya se indicó, sirve para evitar el fraguado relámpago del cemento y regular la velocidad de endurecimiento del mismo. El producto así obtenido, es lo que se conoce como cemento portland, es decir, que no recibe adición distinta al yeso. Sin embargo, durante las últimas décadas se han desarrollado gran cantidad de cementos a "base de portland", los cuales reciben adiciones importantes. Por ejemplo, el cemento portland siderúrgico se obtie ne de mezclar dinker de cemento portland con esco rias de alto horno y yeso; éste recibe entre e115 y el65% de escoria granulada de alto horno, en peso del total; o el cemento portland puzolánico, que se obtiene de la mezcla y pulverización del dinker de cemento portiand con puzolanas (material natural o artificial que contie ne silice en forma reactiva) tales como ceniza volante, arcilla calcinada o pumicita, entre otros, y cierta dosis de yeso, en el cual el contenido de puzolanas varía entre el 15 y el 50% del peso total. En estos cementos, la resistencia aumenta más lentamente que la del "cemento portJand puro", pero la resistencia final puede ser un poco superior a la de éste. En Colombia la mayoría de cementos son a base de portland. Empaque y distribución
El cemento resultante del molino se transporta en forma mecánica o neumática a silosdealmacenamiento TECNOLOGIA DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
y una vez hechos loscorrespondientes ensayos de con trol de calidad, es empacado en el momento de des pacharlo al consumo (las fábricas no almacenan ce mento en bultos), o distribuido a granel en camiones especiales (pipas). La operación de empacado se hace en máquinas especiales que llenan los sacos y automáticamente
los sueltan cuando tienen un peso de 50 kg (este es el peso por saco estandarizado por las normas colombianas), sin embargo, en otros países los sacos son de 94 lb (42.5 kg) como en los Estados Unidos, o de 80 lb como en el Canadá.
Propiedades químicas Composición química Como se ha visto, las materias primas utilizadas en la fabricación de cemento portland consisten principal mente de cal, sílice, alúmina y óxido de hierro. Estos compuestos interactúan en el horno rotatorio de pro ducción, para formar una serie de productos más complejos, hasta alcanzar un estado de equilibrio químico, con la excepción de un pequeño residuo de cal no combinada, 'que no ha tenido suficiente tiempo para reaccionar. Para efectos prácticos, se entiende como química del cemento, la química de los silicatos y aluminatos cálcicos anhidros e hidratados. En la química del cemento, las fórmulas se expresan a menudo con la suma de óxidos; asi, el silicato tricálcico (Ca3SiOJ puede escribirse en la forma 3Ca0Si0t Esta forma no implica, por supuesto, que los óxidos constituyentes tengan una existencia independiente dentro de la estructura del compuesto. En general, se emplean abreviaturas para las fórmulas químicas de los óxidos más frecuentes, como C para CaO y S para SiOt El silicato tricálcico Ca Si05 (3Ca0Si0) se transforma así en C3S. Este sist ma se usa con frecuencia, justa-
Cemento portland
mente con la notación química ordinaria dentro de una simple ecuación química. Por ejemplo:
La lista completa de abreviaturas de uso general se puede apreciar en la tabla 2.2. Tabla 2.2 Abreviaturas para las fórmulas químicas de
losóxidos másfrecuentes
Oxido de calcio Dióxido de silicio Oxido de aluminio Oxido férrico Agua Oxido de magnesio Trióxido de azufre Oxido de potasio Oxido de sodio Oxido de litio Oxido de fósforo Oxido de hierro Oxido de titanio
CaO Si02 Alp3 Fep3 Hp MgO
so3
Kp Nap up Pp5 FeO Ti02
e
S A F H
M S
K
N L p
f
T
Como se ha dicho, el clinker portland es un mineral artificial formado por silicatos, aluminatos y ferroalu minatos de calcio, por lo cual se suelen considerar cua tro compuestos principales del cemento que se pue den observar en la tabla 2.3. Tabla 2.3 Compuestos del cemento portland
Silicatotricálcico Silicato dicálcico Aluminiotricálcico Ferroaluminatotetracálcico
3Ca0Si02 2Ca0Si02 3Ca0Alp3 4Ca0Fepj\lp3
C3S C2 S
C¡\ Cj.F
35
Estos compuestos se forman en el interior del horno cuando la temperatura alcanza el punto en que la mezcla cruda se transforma en un líquido pastoso, que al enfriarse da origen a sustancias cristalinas de los primeros compuestos citados, rodeados por un mate rial intersticial que contiene Cj.Fy otros compuestos secundarios. Estos compuestos, llamados potenciales, no se presentan aislados sino que más bien puede hablarse de "fases" que los contienen en una gran proporción junto con algunas impurezas, por lo cual no son ver daderos compuestos en el sentido químico, pero las proporciones calculadas de ellos revelan valiosa infor mación en cuanto a las propiedades del cemento. De esta forma se habla de la fase Alita, a base de C3S; de la fase Belita, a base de C2S; de la fase Aluminato, rica en CrA, y de la fase ferrito, solución sólida que consiste en ferritas y aluminatos de calcio. Para el cálculo de esta composición potencial del cemento portland se han desarrollado muchos méto dos, pero el más reconocido de todos se basa en el tra bajo de R.H. Bogue y otros, y a menudo se denomina "Composición Bogue". Las ecuaciones de Bogue, las cuales se encuentran en la norma NTC- 321 (Especificaciones Químicas del Cemento Portland), para determinar el porcentaje de compuestos principales en el cemento se indican a continuación. En ellas, los símbolos entre paréntesis representan el porcentaje de óxido dado respecto al peso total del cemento. Estos porcentajes de óxidos se determinan a partir de los procedimientos descritos en la norma NTC - 184 (Cementos hidráulicos - mé todos de análisis químicos). C3S
C2S
C
= =
c¡.F =
4,071 (% CaO) - 7,600 (% Si0 2 ) - 6,718 (%Aip3) -1,430 (%Fep3 ) -2,852(%SO) 2,867 (% S102)- 0,7544 (% C3S) 2,650 (% Alp3 ) - 1,692 (Fep3 ) 3,043 (% Fep3 )
· La "Alita" (a base de C3S) es la fase principal en la mayoría de los dínkeres portland y de ella dependen en buena parte las características de desarrollo de re sistencia mecánica; el C3S endurece más rápidamente y por tanto tiene mayor influencia en el tiempo de fraguado y en la resistencia inicial.
La "Belita" es usualmente la segunda fase en im portancia en el dinker y su componente principal, el e S, se hidrata más lentamente y su contribución al d sarrollo de la resistencia empieza a sentirse después de una semana.
Bogue y Lerch han comprobado en extensas inves tigaciones que estas dos fases ( C S y C2S) determinan decisiv11mente el desarrollo de la resistencia y que difieren entre sí por su tasa de endurecimiento (ver fig. 2.4). El contenido de estas dos suman aproximada mente el 75% del cemento. Figura 2.4 Resistencia a la compresión del clinker a diferentes edades (2.7) Kg/cm'
60o
/r-'
c,s
500 400 300
V
./
1
¿_c,s
L
200
10o
/
seables, como cambios volumétricos y resistencia pobre a los sulfatos, razón por la cual su contenido se limita entre 5 y 15% según el tipo de cemento.
Tabla 2.4 Umites de composición aproximados en óxidos para el cemento portland (2.2)
La fase "Ferrito" (Cj.F), llamada también Brown millerita, es realmente una solución sólida que fluctúa
desde e F hasta Ci'l· Esta fase, aunque disminuye la temp ratura de clinkerización, debe mantenerse en un mínimo por tratarse de un "relleno". Fuera de las fases principales citadas anteriormen te (Tabla 2.3) existen algunos "compuestoso fases me nores" como cal libre (CaO), periclasa (MgO), Ti02, Mn O K O y Na O, que generalmente no sobrepasan 2 3' 2 2 de un pequeño porcentaje del peso del cemento.
60-67
3-8
Fep3
0.5-6.0 0.1-4.0 0.2-1.3
MgO Alea lis S03
1-3
Tabla 2.5 Proporciones aproximadas de los compuestos del cemento portland
Algunos de éstos pueden presentarse en estado puro, especialmente el CaO y el MgO, pero en general puede decirse que las fases no tienen una composición exacta, especialmente las más importantes, pues to das están modificadas por solución sólida, ya sea de los óxidos comunes o de los compuestos menores. De los compuestos menores revisten interés los óxidos de sodio y de potasio, Nap y Kp, conocidos como álcalis, ya que se ha encontrado que estos com ponentes reaccionan con algunos agregados y que los productos de esa reacción ocasionan una desinte gración del concreto, además de afectar la rapidez con que el cemento adquiere resistencia.
17-25
Si02
A1p3
20-70
5-50 1 - 15 1'-17
Para el caso de un cemento típico colombiano, se tienen los valores de la tabla 2.6. Tabla 2.6 Oxidos y compuestos de un cemento portland típico del medio colombiano
Finalmente, las cantidades efectivas de los diferen tes tipos de compuestos varían considerablemente de un cemento a otro y realmente es posible obtener dis
V ll'
21
C,AF 25
90
180
La fase "Numinato" está constituida básicamente por C A, aunque no es un compuesto puro, sino más bien una solución sólida de con algo de impu rezas de Si O y de MgO. Contribuye a una alta resisten cia inicial, p ro con calor de hidratación relativamente alto; además confiere al concreto propiedades inde-
is
e;
tintos tipos de cemento agregando en forma propor cional los materiales correspondientes, como se verá más adelante. Para obtener una idea general de la composición del cemento, en la tabla 2.4 se dan los límites aproxi mados de los diferentes óxidos y en la tabla 2.5 se muestran las proporciones en que se encuentran los compuestos en las distintas marcas de cemento tam bién de manera aproximada.
Ca O Si02
Alp3
Fep3 MgO
S03
Kp
Nap
Otros Pérdida al fuego Residuo insoluble
62 4.5 3.5 1.0
2.0 0.4 0.1
l.O
3.0
1.5 Continúa Tabla 2.6
36
TECNOLOGIA DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
Cemento portland
37
Continuación Tabla 2.6
51.86 21.08
6.00 10.65
De este análisis químico se pueden derivar varias cosas. En primer lugar, el residuo insoluble, determina do por el tratamiento con ácido clorhídrico (norma NTC - 184), es una medida de la adulteración del
cemento, que proviene principalmente del yeso y de las adiciones finales (puzolanas) que se hacen en la molienda del clinker durante el proceso de fabricación. La norma ASTM C-150 limita el residuo insoluble a un 0.75 por ciento del peso del cemento y la norma lcontec-321 a un 3 por ciento. En segundo lugar, la pér dida por ignición o pérdida al fuego, muestra la medida de carbonatación e hidratación de la cal y el magnesio libre, debido a la exposición del cemento a la atmósfe ra; pero también puede indicar un contenido de adicio nes en el cemento. La máxima pérdida por ignición a l.OOO'C del cemento permitida por la norma ASTM C150 es de 3 por ciento, y de la norma lcontec-321 es de 4 por ciento del peso del cemento. Por último, se observa que aparece el término SO como integrante de los óxidos del cemento, lo cual s debe a que en esta forma se expresa el contenido de sulfato de calcio (yeso), el cual, como ya se mencionó, es adicionado para regular el fraguado del cemento.
Hidratación del cemento La reacción mediante la cual el cemento portland se transforma en un agente de enlace, se genera por los procesos químicos responsables de la formación de compuestos durante la hidratación, los cuales origi nan propiedades mecánicas útiles en las aplicaciones estructurales. Los fenómenos que ocurren durante la hidratación del cemento son sumamente complejos;
·sin embargo, existen algunos aspectos generales que permiten formarse una idea global de los procesos. Para comprender estos fenómenos, el estudio de las reacciones de hidratación del cemento suele hacer se sobre la pasta de cemento, la cual consiste en sól dos, agua y poros. Los sólidosson en realidad un con junto de particulas que difieren en cuanto a su compo sición química, morfológica y calidad cementante. Los poros difieren principalmente en tamaño y, por lo tan to, controlan el movimiento y el comportamiento del agua necesaria paralosprocesosquímicosdehidratación.
Formación de la pasta de cemento
Las reacciones de hidratación Las reacciones de hidratación del cemento son principalmentelas reaccionesde hidratación del clinker, sumándose a ellas las debidasa la presencia del sulfato de calcio (yeso), de las adiciones activas (si las hay) y de los aditivos y compuestos menores. Pueden con siderarse como principales reacciones de hidratación del clinker las correspondientes a la hidratación de los silicatos y aluminatos de calcio. Durante la reacción con el agua lossilicatos y aluminatos liberan hidróxido de calcio Ca(OH)7
Tabla 2. 7 Secuencia de las reacciones básicas de hidratación del cemento portland (2.8)
En términos generales, puede decirse que la pas ta de cemento se forma como consecuencia de las reacciones químicas del cemento con el agua. Depen diendo de la composición del cemento y de las condi cionesde hidratación (temperatura, humedad, etc.),lo c,ual hace que la pasta sea un sistema dinámico que
cambia con el tiempo, se forma un conjunto complejo de productos de hidratación.Loscompuestos anhidros del cemento portland reaccionan con agua dando origen a compuestos de dos categorias: compuestos cristalinos hidratados y gel.
En forma resumida, un grano de cemento, que tiene un diámetro medio cercano a 50 micras, después de cierto tiempo de estar en contacto con el agua, empieza a dar señales de actividad química en su superficie, ya que aparecen cristales que van crecien dolentamente y seforma una sustancia gelatinosa que los envuelve, llamada gel; este gel que se forma inicialmente se llama gel inestable por poseer un porcentaje muy elevado de agua, tanto que al cabo de poco tiempo la totalidad del agua disponible está transformada en gel. Los compuestos cristalinos nece
sitan agua para desarrollarse y por lo tanto la retiran del gel, el cual a medida que va perdiendo agua se trans forma en gel estable, que en gran medida es responsa ble de las propiedades mecánicas de las pastas endu recidas.
Los cristales que se forman se presentan alarga· dos, prismáticos oen agujas, de monosilicato de calcio hidratado y de aluminatos hidratados. Estos cristales se van entrelazando a medida que avanza el proceso de hidratación, dando lugar a una estructura que va a garantizar la resistencia de las pastas, morteros y con cretos. Los espacios vacíos son ocupados principal mente por gel, hidróxido de calcio y agua. En la tabla 2.7 se ofrece una descripción simplificada de la hidratación.
de la 3a. a la 12a. (etapa de aceleración)
Rápida disolución inicial de sulfatos y aluminatos de álcali; hidratación inicial de C3S; formación de etringita.
Alta velocidad de evolución de calor.
Disminución desilicato, pero aumentoen la concentración de iones de Ca; se inicia la formación de núcleos deCH y C-5-H; la concentración de Ca alcanza un nivel de supersaturación.
Formación de los primeros productos de la hidratación; baja velocidad de evolución de calor.
La formación de cristalescon forma de barra o placa por bala.nce inadecuado de los iones de aluminato y sulfato pueden influir en el fraguado y la trabajabilidad. La tación de los silicatos de . do determina el inicial.
Rápida reacción química de los silicatos de Ca para for mar C-5-H y CH; disminu ción de la supersaturación de Ca.
La rápida formación .de hidratos provoca una dismi nución en la porosidad; alta velocidad de evolución de calor.
Fraguado inicial; éambio de consistencia plástica a rígi da; desarrollo de la resisten cia temprana; fraguado rial.
Formación de CH y C-S-H
Disminución evolución
Continuo desarrollo de la a
controlada por difusión; recristalización de etringita a monosulfato y polimeri zación de posibles siHcatos.
de calor. Continua disminu· ción de la porosidad.Forma ción de la adherencia entre partículas y entre la pasta y el agregado.
Etapa de post-aceleración
en
la
resistenci a velocidad creciente. La porosidad y la morfologla del sistema hi dratado determina la resis tencia final, la estabilidad del la durabilidad.
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TECNOLOGIA DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
Cemento portland
39
En términos generales, se puede decir que hasta los 3 días de edad, el desarrollo de resistencia se debe a hidratación del C S y del C,A; hasta los 7 días, prácticamente por ef aumento efe hidratación del C3S; hasta los 28 días, el incremento se debe principalmen te al C3S, con pequeña contribución del C2S y, final mente, después de los 28 días el incremento se debe a hidratación del C2S. Calor de hidratación El proceso de hidratación es un proceso exotérmico, lo cual hace que los concretos al fraguar y endurecer aumenten de temperatura; este incremento es impor tante en concretos masivos, debido a que cuando ha ocurrido el fraguado y se inicia el descenso térmico, se origina contracción del material, que puede conducir a graves agrietamientos. El calor de hidratación es la cantidad de calor, en calorías por gramo de cemento deshidratado, después de una hidratación completa a una temperatura dada. El procedimiento para medirlo se encuentra descrito en la norma ASTM C-168. De hecho, el calor de hidratación depende de la composición química del cemento, y el calor de hidratación del cemento es aproximadamente igual a la suma de los calores de hidratación de los compues tos individuales, hidratados por separado. En la tabla 2.8 se dan algunos valores típicos del calor de hidra tación de los compuestos puros para varias edades. Tabla 2.8 Calor liberado por los distintos compuestos
del cemento para varias edades
A partir de lo anterior, varios investigadores, des pués de estudiar un gran número de cementos, desa rrollaron fórmulas para obtener el calor de hidratación de una manera aproximada. Por ejemplo, se tiene que Woods, Steinour y Starke en los EE.UU. desarrollaron la siguiente fórmula: Calor de hidratación de 1 g de cemento=
136 (% C,Sl + 62 (% 9l + zoo (%e¡.¡+ 30 (% c¡.F)
Donde los términos entre paréntesis indican el porcentaje en peso de los compuestos individuales presentes en el cemento. En un cemento portland normal, el calor de hidratación es del orden de 80 a 100 cal/g. Finalmente, en la tabla 2.9 se puede observar que el aluminato tricálcico (C¡4) desarrolla el más alto calor de hidratación, por lo cual se debe controlar su contenido en un cemento. Resistencia a los sulfatos
Debido a que los sulfatos atacan el concreto endu recido porque reaccionan con el aluminato tricálcico para formar el sulfoaluminato de calcio, el cual tiene un volumen mayor que el de los componentes que lo ori ginan, es conveniente desde este punto de vista con trolar también el contenido de·C¡4. Las consecuencias de este aumento de volumen son la aparición de esfuerzos internos que pueden desintegrar el concreto. Por último, haciendo un resumen de lo anterior, en la tabla 2.9 se indican de manera cualitativa las carac terísticas de los diferentes compuesos del cemento.
Propiedades físicas y mecánicas Las propiedades físicas y mecánicas del cemento portland permiten complementar las propiedades quí micas y conocer algunos otros aspectos de su bondad como material cementante.
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TECNOLOGIA DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
plo, una baja densidad y una alta finura indican que el cemento, casi con seguridad, contiene adiciones cuan do no se dispone de un análisis químico.
Tabla 2.9 Características de los
compuestos del cemento
Resistencia
buena
buena
pobre
pobre
Intensidad de reacción
media
lenta
rápida
rápida
Calor desarrollado medio Resistencia a los sulfatos
buena
pequeño grande buena
pobre
pequeño media
Estas propiedades dependen del estado en el cual se
encuentre y son medidas a través de ensayos que se pueden clasificar en ensayos sobre el cemento puro, sobre la pasta de cemento, y sobre el mortero; los cuales determinan las características físicas y mecáni cas del cemento antes de ser utilizado. Ellas son: Peso específico (densidad) La densidad o peso especifico del cemento es la relación existente entre la masa de una cantidad dada y el volumen absoluto de esa masa. Su valor varía muy poco y en un cemento portland normal cuando no hay adiciones distintas al yeso, suele estar comprendida entre 3.1O y 3.15 g/cm 3• En el caso de cementos con adiciones, desde luego es menor, ya que el contenido de clinker por tonelada de cemento es menor y su valor puede estar comprendido entre 3.00 y 3.1O gjcm 3, dependiendo del porcentaje de adiciones que tenga el cemento. En realidad el peso específico del cemento no indica directamente la calidad del mismo, pero a partir de él se pueden deducir otras características cuando se analiza en conjunto con otras propiedades. Por ejemCemento portland
Pero su utilidad principal está relacionada con el diseño y control de mezclas de concreto, debido a que éstas se diseñan "por peso" para un volumen unitario de concreto (generalmente 1 m3). De manera que hay necesidad de conocer el volumen que ocupa una masa determinada de cemento dentro de un metro cúbico de concreto. Esto se hace aplicando la sencilla ecuación que establece que la densidad de un material es igual a su peso dividido por su volumen.
Densidad=
Peso
-Volumen
Existen muchos métodos para determinar la den sidad del cemento, entre los cuales se encuentran los de Le Chatelier, Schumann, Mann, Candlot y el método del picnómetro. De éstos, el más conocido en nuestro medio es el de Le Chatelier, que se encuentra especi ficado en la norma NTC - 221. Este frasco permite medir el volumen correspondiente a una cierta masa de cemento, por medio del desplazamiento de un liqui do, que no reacciona con el cemento (generalmente kerosene), aprovechando el conocido principio de Arquímedes. Superficie específica (finura) Como se vio anteriormente, una de las últimas etapas del proceso de fabricación del cemento es la molienda del dinker con yeso. La finura de molido es una de las propiedades físicas más importantes del. cemento, ya que está íntimamente ligada a su valor hidráulico. Puesto que la hidratación de los granos de cemen to ocurre desde la superficie hacia el interior, el área superficial total de las partículas de cemento constitu ye el material de hidratación. El tamaño de los granos,
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o sea la finura del cemento, tiene una gran influencia sobre sus propiedades, especialmente sobre la veloci dad de hidratación, desarrollo de calor, retracción y aumento de resistencia con la edad. que endurecen más rápidamente y por lo tanto tam bién tienen un desarrollo rápido de resistencia. Sin embargo, un alto grado de finura representa un costo considerable debido a que aumenta el tiempo de mo lienda; además, cuanto más fino sea un cemento, se deteriorará con mayor rapidez por la exposición a la atmósfera (es más higroscópico). Adicionalmente, li bera mayor cantidad de calor de hidratación dando una mayor retracción y por lo tanto es más susceptible a la fisuración. Pero un cemento fino exuda menos que uno más grueso, debido a que retiene mejor el agua al tener mayor superficie de hidratación. Por otro lado, los cementos con granos muy grue sos se hidratan y endurecen muy lentamente y pueden producir exudación de agua por su escasa capacidad para retenerla. De hecho, la hidratación de los granos de cemento es muy lenta y se estima que la velocidad de. hidratación es del orden de 3.5 micras en 28 días, lo cual significa que las partículas relativamente grue sas pueden durar varios años en hidratarse e inclusive no llegar a hidratarse nunca en forma total, quedando en su interior un núcleo anhídrido, lo cual daría un rendimiento pequeño del cemento. De acuerdo con lo anterior, se puede observar en tonces que la finura es una propiedad vital del cemen to, que tiene que someterse a un control cuidadoso. La medida de la finura, hoy en día, se expresa por el área superficial de las partículas contenidas en un gramo del material,lo cual se denomina "Superficie Específi ca" y se mide en cm2/g. La finura se puede medir por métodos directos o poi métodos indirectos. Dentro de los primeros, están los procedimientos de tamizado que se utilizaban en el pasado y aún hoy en día se usan pero con menor frecuencia. Un proce-
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dimiento que se encuentra descrito en!a norma NTC 226, consiste en tamizar una muestra de 50 g de cemento por un tamiz de 74micras (No. 200), o por un tamiz de 149 micras (No. 100) y determinar el porcen taje que pasa por el tamiz. El tamizado por la malla de ño de las partículas, sí permite detectar la presencia anormal de granos muy gruesos, que pueden ser debidos a deficiencias en la molienda o a principio de hidratación del cemento almacenado por un tiempo relativamente largo. Pero no da información sobre el tamaño de los granos menores que pasan por este tamiz, siendo las partículas más finas las que aportan la mayor superficie especifica al cemento y las que juegan el papel más importante en la hidratación temprana. Adicionalmente, las normas colombianas no estipulan un límite de porcentaje retenido en el tamiz, aunque en otros paísesse especifica un retenido en las mallas de 74 micras no mayor del15%.
mentación y que se mide por medio de una celda foto eléctrica. Una forma típica de la distribución del tama ño de las partículas se muestra en la figura 2.5. Figura 2.5 Distribución típica del tamaño 100
80
o o
Distrib
Dentro de los métods indirectos, el procedimiento del turbidímetro de Wagner, que fue desarrollado en los Estados Unidos y que se encuentra descrito en la norma lcontec-597, consiste en medir, de manera aproximada, la distribución del tamaño de las partícu las del cemento por sedimentación. Este método se fundamenta en la variación de la turbidez de una suspensión de cemento en un fluido (kerosene) en función del tiempo, aprovechando la ley de Stokes que da la velocidad final de caída, bajo la acción de la gravedad, de una partícula esférica en un medio Huido. Para determinar la concentración de partículas en suspensión a un nivel dado en el kerosene, se utiliza un haz de luz que puede recorrer todo el tanque de sediTECNOLOGIA DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
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Un segundo procedimiento, que se encuentra des crito en la norma NTC - 294, es algo similar, aunque la muestra del cemento es de 1 g y el tamizado se hace sobre una malla de 44 micras (No. 325) bajo la acción de un chorro de agua a una presión de 0.7 kg/cm2• Sin embargo, este método tampoco da una idea muy clara de la finura del cemento, a pesar de que la malla de tamizado es mucho más fina.
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Tamaño de partlculam
Un procedimiento más reciente consiste en hacer circular aire a través de una capa de cemento para medir su permeabilidad al aire. En este sistema se basan los métodos del permeabilímetro de Blaine y de Lea Nurse. En nuestro medio, el más ampliamente utilizado es el método del permeabilímetro de Blaine, que se encuentra descrito en la norma NTC - 33. El método de Blaine para determinar la superficie espe cífica del cemento se basa en que la cantidad y el tamaño de los poros de una muestra de determinada densidad son funciones del tamaño de las partículas y de su distribución granulométrica y se pueden determi nar por la permeabilidad al aire de un conjunto de partículas de cemento. El ensayo consiste en medir el tiempo necesario para que una determinada cantidad de aire pueda atra vesar una muestra de densidad conocida, calculándo se entonces la superficie específica, por comparación con datos obtenidos para una muestra patrón de su perficie específica conocida (ver norma NTC - 33).
Cemento portland
En este método se tiene una imagen clara de la va riación relativa en la finura del cemento y para efectos prácticos esto es suficiente. El método de Wagner es un poco más informativo, puesto que indica la distribu ción por tamaño de las partículas. En nuestro medio, dida entre 3.400 y 4.500 cm2/g (Blaine). La norma NTC - 121 establece que como· mínimo debe ser 2.800 cm 2/g (Biaine). Sin embargo, una alta finura por este método, no necesariamente puede indicar una a del dinker, debido a que puede ser buena moliend que éstas son de menor tamaño que las partículas de cemento portland propiamente dicho. Consistencia normal conjunto de cemento, agua y aire se llama pasta. Los cementos portland pueden di ferir entre sí en cuanto al requerimiento de agua y la diferencia es aún mayor en cementos portland con adi ciones, los cuales tienen requerimientos de agua más altos que los cementos normales, por su mayor super ficie específica. La cantidad de agua que se le agrega al cemento le comunica una determinada fluidez, la cual aumenta al incrementarse el contenido de agua. Existe una de terminada fluidez para la cual debe agregarse cierta cantidad de agua. Esta fluidez es lo que se llama con sistencia normal. Originalmente se pensaba que el contenido de agua necesaria para obtener una pasta de consistencia normal, representaba no sólo el requerimiento de agua para una pasta de cemento determinada sino también para un concreto que estuviera hecho de ese cemento. Sin embargo, esto no es así, debido a que por ejemplo el contenido de agua de una pasta de consistencia normal es mayor en cemento fino, pero, por el contra rio, un aumento en la finura del cemento mejorará la trabajabilidad de una mezcla de concreto. La razón de esta paradoja es que los resultados de las pruebas de
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los tiempos de fraguado y la estabilidad de volumen, los cuales se estudiarán más adelante.
consistencia de la pasta de cemento y de la trabajabilidad en el concreto establecen propiedades diferentes de la pasta fresca. En la primera, se mide viscosidad y en la segunda capacidad de lubricación. Adicionalmente, el aire que se encuentra en forma accidental afecta la trabajabilidad de la pasta de cemento y los cementos de diferente finura pueden contener distintas cantida des de aire. De tal manera que los valores encontrados en un ensayo de consistencia normal no se utilizan para el control de calidad del cemento y por eso las nor mas no indican valores mínimos o máximos. El conte nido de agua de una pasta normal se expresa como porcentaje en peso del cemento seco y suele variar entre 23 y 33 por ciento, dependiendo de las caracte rísticas del cemento. La consistencia normal es una característica que se puede considerar complementa ria de otros ensayos que sí tienen relación directa con la calidad del cemento, como son la determinación de
La consistencia de una pasta de cemento se mide
por medio del aparato rle Vicat, representado en la figura 2.6 y el proceclimien_tQ de ensayo se encuentra descrito en la normaNTC - J 10. El ensayo consiste en agregar un volumen conocido de agua a 500 g de cemento, que se amasan y colocan en un molde tron cocónico. Enseguida, se pone la aguja de 1O mm de diflmetro en contacto con la superficie superior de la pasta y se suelta. Por la acción de su propio peso (300 g), la aguja penetra en la pasta y la profundidad de penetraCión depende de la consistencia de la pasta. Si la penetración es de 1O mm ± 1 mm, después de 3() segundos de haber soltado la aguja, se considera que la pasta tiene consistencia normal.
figura 2.6 Aguja de Vicat
1!•-------Aguja ---------•!11. 1+------ Vástago
Móvil ----------+
Fraguado del cemento Este término se usa para describir el cambio del estado plástico al estado endurecido de una pasta de cemento. Aunque durante el fraguado la pasta requie re de alguna resistencia, para efectos prácticos es con veniente distinguir el fraguado del endurecimiento, pues este último se refiere al aumento de resistencia de una pasta de cemento fraguada. En la práctica, cuando una muestra de cemento se mezcla con cierta cantidad de agua, se forma una pasta plástica; ésta se va perdiendo a medida que pasa el tiempo, hasta llegar un momento en que la pasta pierde su viscosidad y se eleva su temperatura; el tiempo transcurrido desde la adición del agua se llama "tiempo de fraguado inicial", e indica que el cemento se encuentra parcialmente hidratado y la pasta semi dura. Posteriormente, la pasta sigue fraguando hasta que deja de ser deformable con cargas relativamente pequeñas, se vuelve rígida y llega al máximo de temperatura; el tiempo así transcurrido desde la mez· da con agua se denomina "tiempo de fraguado final", el cual indica que el cemento se encuentra aún más hidratado (aunque no totalmente) y la pasta ya está dura. A partir de este momento empieza el proceso de endurecimiento de la pasta y la estructura del cemento fraguado va adquiriendo resistencia mecánica. La determinación de los tiempos de fraguado ini
cial y final que, como se puede ver, fueron establecidos arbitrariamente, son importantes por la idea que dan del tiempo disponible para mezclar, transportar, colo car, vibrar y afinar concretos y morteros en una obra, así como para transitar sobre ellos y para mojarlos con miras al curado. Extremo de Sondeo _j..Jib=------Soporte
--------....,===r;--tol
f-\.1------'Molde---------+r Placa de Vidrio
------
= :J ::J,
Parece ser que el fraguado es causado por una hi dratación selectiva de algunos componentes del ce mento: los dos primeros en reaccionar son el C,A y el CS. Las propiedades del fraguado relámpago del Cjl smencionaron anteriormente, pero la adición de yeso retrasa la formación de hidrato de aluminato de
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TECNOLOGIA DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
Cemento portland
calcio, debido a la baja solubilidad de este hidrato en una solución saturada de yeso-cal, de modo que el C3S fragua primero. El C 3S puro mezclado con agua tam bién presenta un fraguado inicial, pero el c2s se endu rece en forma más gradual.
ui medida de estos tiempos de fraguado se hace de acuerdo con los procedimientos descritos en la norma NTC - 118 mediante la aguja de Vicat, o en la norma NTC - 109 mediante las agujas de Gillmore. En nuestro medio el método más generalizado es el de la aguja de Vicat, el cual consiste en medir la penetra ción producida por una aguja de 1 mm de diámetro y 300 g de peso, sobre una pasta de consistencia normal a diferentes tiempos. Cuando la penetración de la agu ja es de 25 mm, se considera que se ha presentado el fraguado inicial y cuando la aguja deja una ligera huella sobre la superficie de la pasta, sin penetrarla, se considera que se ha presentado el fraguado final. Para la determinación exacta del momento del fraguado inicial, se toman lecturas de penetración an tes y después de que dicho fenómeno ocurra y luego al localizar estos puntos sobre un gráfico, como el de la figura 2.7, que tenga en las ordenadas las penetra ciones y en las abscisas los tiempos, se dibuja la línea promedio de los puntos encontrados experimental mente; el tiempo para el fraguado inicial sale del gráfico elaborado, para una penetración de 25 mm. En conclusión, los factores que mayor influencia tienen sobre los tiempos de fraguado son los siguientes: La composición química del cemento. - La finura del cemento, ya que mientras más finos sean los granos, mayor es la velocidad de hidra tación.
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Mientras mayor sea la cantidad de agua de amasado, dentro de ciertos límites, más rápido es el fraguado. 45
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Figura 2.7 Penetración vs. tiempo de fraguado 40 35
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Tiempo en
o
8
horas
- A menos temperatura ambiente más lentamente ocurren las reacciones de hidratación, a tempera turas por debajo de -1oc el cemento no fragua. - A mayor temperatura ambiente más rápidamente ocurren las reacciones de hidratación, pero sobre los 32°C se puede observar un efecto inverso.
Falso fraguado Se da el nombre de falso fraguado a una rigidez pre matura y anormal del cemento, que se presenta dentro de los primeros minutos después de haberlo mezclado con agua. Difiere del fraguado relámpago en que no despide calor en forma apreciable y, si se vuelve a mez clar la pasta de cemento sin adición de agua, se res tablecen su plasticidad y fraguado normales sin pérdi da de resistencia. Este fenómeno se debe a que en algunas ocasio nes, cuando las temperaturas en los molinos de las fábricas de cemento son superiores a 1 oooc, se puede
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cipales; normalmente, es causada por periclasa (MgO cristalino) formada por enfriamiento lento del clinker y de cal libre (CaO), que no se haya combinado en el proceso de dinkerización por deficiente molienda de las materias primas, o por proporcionamiento inadecua do de ellas, o por temperatura insuficientemente alta dentro del horno; también el CaS04 que no se precipite al iniciarse la hidratación puede producir expansión.
Las pruebas de laboratorio que se emplean para
Las normas colombianas limitan la expansión po
detectar e te fenómeno se encuentran descritas en las
tencial de un cel!l.ento por medio del ensayo de auto
normas NTC- '225 y 297. Cuando el fenómeno se presenta, se soluciona sencillamente prolongando el tiempode mezclado y no como sucede con frecuencia, adicionando agua, por confundirse este efecto pasaje ro rigidizante con una falta de la misma para fluidificar la mezcla, lo cual altera la relación agua-cemento, obviamente haciendo decrecer la resistencia.
clave (norma:NJC- .-107) que consiste en medir el cambio de longitud de unas barras de 2,5 x 2,5 x 25,4 cm hechas de pasta (cemento más agua) al iniciarse la hidratación y después de sometidas a una acelera ción del proceso (curado por 3 horas a 2WC y 20.8 kg/cm 2 de presión); el cambio de longitud en porcen taje se denomina expansión en autoclave.
Estabilidad de volumen
A este ensayo se han hecho serios reparos en el sentido de que si un cemento excede el límite permiti do de expansión no necesariamente es un cemento expansivo en condiciones de temperatura y presión ambiente; por esta razón en la mayoría de los países se ha adoptado más bien el ensayo de las agujas de Le Chatelier (norma NTC -· 1514),1as cuales permiten medir el cambio de diámetro de cilindros hechos con pasta de 3 cm de diámetro y 0.5 cm de alto, curados en agua a temperatura ambiente y de ebullición.Cuan do el ensayo se realiza en frío, la expansión se debe a exceso de cal yfo de sulfato de calcio, y cuando se realiza en caliente, la expansión se debe a exceso de cal libre y de periclasa.
La manera más lógica de medir la resistencia me cánica de los cementos es, aparentemente, sobre pro betas hechas con pasta, ya que así se limita la disper sión que aparece en los resultados cuando se usan probetas de mortero o concreto; sin embargo se ha de mostrado en múltiples investigaciones que el compor tamiento mecánico de distintos cementos varía al en sayarlos en probetas con agregados (mortero o con creto) y por tanto, desde el punto de vista de las aplicaciones del cemento, la determinación de resis
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1 15
presentar deshidratación total o parcial del regulador (retardador) de fraguado del cemento que es el yeso. Cuando esto sucede, se puede presentar el fenómeno de "falso fraguado" durante la operación de mezclado del concreto, ya que hay una rigidización parcial y pa sajera en la mezcla como consecuencia del propio fra guado del yeso, dando lugar a grumos o pelotas en el concreto.
Para que un cemento sea estable es necesario que ninguno de sus componentes, una vez hidratados, sufra una expansión perjudicial o destructiva. Los cua tro componentes principales del cemento no pueden producir inestabilidad, ya que sus volúmenes después de hidratados, aunque son mayores que los de los compuestos anhídridos, son inferiores a los volúme nes de éstos más el volumen del agua necesaria para la hidratación; por lo tanto, en circunstancias norma les, los morteros y los concretos se contraen al endu recer, fenómeno éste que recibe el nombre de retrac ción; la casi totalidad de la retracción ocurre en los primeros 2 o 3 meses de hidratación del cemento y en concretos normales llega a ser del orden del 0.015%; las investigaciones sobre el tema han comprobado que el fenómeno está influido por la composición y la finura del cemento, la cantidad de agua en la mezcla, las proporciones de la mezcla, las condiciones de cu rado y el tiempo transcurrido. La posible expansión del cemento proviene enton ces de otras fuentes distintas a sus componentes prinTECNOLOG/A DEL CONCRETO Y DfL MORTERO
Resistencia mecánica La resistencia mecánica del cemento endurecido es la propiedad del material que posiblemente resulta más obvia en cuanto a los requisitos para usos estructu rales. Por lo tanto, no es sorprendente que las pruebas de resistencia estén indicadas en todas las especifica ciones del cemento.
Cemento por!land
tencia mecánica sobre probetas de pasta no tiene ma yor utilidad. Estas consideraciones hacen pensar que la resis tencia mecánica se debería medir sobre probetas de concreto, ya que es esta la aplicación más importante del cemento, pero el tamaño relativamente grande de las muestras y la dificultad de obtener agregados grue sos normalizados han hecho que prácticamente nin gún país del mundo utilice ensayos sobre muestras de concreto con miras a calificar los cementos. Existe entonces en el mundo una unanimidad casi completa en el uso de morteros para estos ensayos, como so lución intermedia entre la pasta y el concreto. En cuanto a la arena normalizada para la prepara ción del mortero, existen dos tendencias: una, preconi zada por ASTM y los países que siguen su orientación, y otra, europea estandarizada por la RILEM; la primera es una arena de gradación abierta, compuesta por tres fracciones de arena natural de Ottawa (Canadá), cada una de ellas de granos de tamaño muy uniforme; en tanto que la arena Rilem es una arena natural, obtenible en varias fuentes y de gradación uniforme,lo cual con duce a mezclas más dóciles y más fácilmente traba jables. En la proporción en que deben mezclarse el ce mento y el agua tampoco hay acuerdo, ya que la mayoría de los países exige una mezcla 1:3 (3 partes de arena por 1 de cemento en peso) en tanto que de acuerdo a la ASTM (NTC- 220) debe ser 1:2,75; sin embargo, se ha demostrado que la variación de resis-
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tenda a compresión variando la proporción entre 1:2 y 1:3,5 cambia muy poco, no más de 7%. En cuanto a la determinación de la cantidad de agua que debe agregarse a la mezcla, de gran impor tancia en el resultado final debido a la influencia enor me que sobre la resistencia mecánica tiene la relación agua-cemento, hay dos posibilidades:la primera consis te en utilizar una relación agua-cemento constante, lo cual conduce a mezclas a veces muy plásticas y a ve ces muy secas, de acuerdo con el tipo de cemento, ello a su vez influye en la dispersión de los resultados por la mayoro menor facilidad de compactar adecuadamen te las probetas; la otra posibilidad para determinar la cantidad de agua es producir siempre morteros de igual consistencia, con lo cual se evita el inconveniente ya anotado; además, las variaciones en relación agua cemento para obtener esta consistencia constante no son grandes; la tendencia europea fija el factor agua cemento en 0.50, en tanto que ASTM pide el empleo de mortero de consistencia normal, o un valor de agua cemento de 0.485. La determinación de la consistencia normal se hace sobre una mesa de caída de flujo, sobre la cual se coloca una muestra en forma de tronco de cono; por medio de un mecanismo con excéntrica, la mesa sube alrededor de 1 cm y baja en caída libre, haciendo que la muestra se extienda sobre el plato; el mortero nor mal debe dar un determinado cambio de diámetro al
final del número estandarizado de caídas. En cuanto al tipo de solicitación a que se someten las probetas, las normas norteamericanas especifican la compresión, en tanto que los europeos hacen ensa yos a flexión y compresión; al ensayo se le critica por conducir a resultados pocos reales, debido al compor tamiento no elástico del mortero, que hace que los es fuerzos máximos a flexión que se presentan en el ensa yo sean distintos a los calculados aplicando las fórmulas clásicas de la resistencia de materiales.
El ensayo de tracción, usado profusamente duran te más de 40 años, presenta serios inconvenientes cuando se aplica a materiales pétreos, como lo es en este caso el mortero; además en las probetas en forma de corbatín que se usan para este ensayo se presentan concentraciones de esfuerzos hasta de un 80% por encima del esfuerzo promedio, lo cual conduce a una dispersión muy alta en los resultados (hasta del35%); por éstas y otras razones, este tipo de solicitación ya prácticamente no se usa, sin embargo el ensayo se encuentra descrito en la norma lcontec119. El ensayo Rilem se hace sobre una probeta prismá tica de 16 x 4 x 4 cm sometida a flexión (norma lcontec120) y las dos fracciones resultantes se someten a compresión sobre una superficie de 4 x 4 cm; el ensayo a compresión de acuerdo a ASTM y a la norma:NTC220 se hace sobre cubos de 5,08 cm de arista. Vale la pena observar que la fricción que ejercen los platos de la máquina de ensayo sobre las caras a compresión de la probeta, impiden la expansión lateral de la misma y por tanto aparecen esfuerzos secunda rios de relativa importancia en la medida de la resisten cia final. Se ha demostrado que este efecto desaparece en la parte central de una probeta de altura mayor de 1.5 veces al ancho de la misma y precisamente bus cando esta ventaja, en el Brasil los ensayos de cemen to se hacen sobre cilindros de 5 cm de diámetro por 1O cm de altura, con lo cual además se limita la dispersión en los resultados por una mejor uniformidad del mor tero en un molde carente de aristas vivas.
Clasificación del cemento portland Tipos de cemento portland En el capítulo anterior se ha mencionado el ce mento portland en general; sin embargo, al cambiar su composición química y sus propiedades físicomecáni cas, se pueden obtener caracteristicas diferentes cuando se hidrata, dando lugar a diferentes tipos de cemento.
Hoy en día existen diferentes clasificaciones del ce mento portland de acuerdo con el país de origen de la respectiva normalización. En Colombia, las normas lcontec sobre cemento están basadas en las normas de la ASTM de los Estados Unidos y en la norma NTC 30 se da la siguiente clasificación y nomenclatura. - Cemento portland tipo 1. Es el destinado a obras de hormigón en general, al que no se le exigen propiedades especiales. - Cemento portland tipo 1-M. Es el destinado a obras de hormigón en general, al que no se le exigen propiedades especiales pero tiene resistencias superiores a las del tipo l. - Cemento portland tipo 2. Es el destinado en general a obras de hormigón expuestas a la acción moderada de sulfatos y a obras en donde se requiere modeiado calor de hidratación. - Cemento portland tipo 3. Es el que desarrolla altas resistencias iniciales. Cemento portland tipo 4. Es el que desarrolla bajo calor de hidratación. - Cemento portland tipo 5. Es el que ofrece alta resistencia a la acción de los sulfatos.
- Cemento portland blanco. Es el que se obtiene con materiales debidamente seleccionados que le confieren una coloración blanca. - Cementos portland con incorporadores de aire. Son aquellos a los que se les adiciona un material incorporador de aire durante la pulverización. - Cemento portland tipo 1-A. Es el cemento portland tipo 1 al cual se le adiciona un material incorporador de aire. - Cemento portland 1-M A. Es el cemento portland 1-M, al cual se le adiciona un material incorporador de aire. - Cemento portland tipo 2·A. Es el cemento portland tipo 2, de moderado calor de hidratación, al que se le adiciona un material incorporador de aire. - Cemento portland tipo 3-A. Es el cemento portland tipo 3, al cual se le agrega un material incorporador de aire. En la tabla 2.1O se pueden observar algunos valo res típicos de las propiedades de estos diferentes tipos de cemento.
Tabla 2.1O Valores típicos de las principales propiedades de los diferentes tipos de cemento portland
,p
48
TECNOLOGIA DEL CONCRETO Y DEl. MORTERO
Cemento portland
Tipo 1 Tipo 11 Tipo 111 Tipo IV Tipo V
C3S
C25
C¡\
C F
48 40 62 25 38
27 35 13 50
12 5 9 5 4
8
37
13
8 12 9
min 2800 min 2800 max4000 min 2800 min 2800
1 día
28 días
90 días
100 75 190 55 65
100 90 100
100 100 lOO 100 100
75
85
49
Puede observarse que en el cemento portland tipo 2 se rebaja la cantidad de silicato tricálcico y de alumi nato tricálcico, puesto que son los dos compuestos que tienen individualmente mayor calor de hidratación; además, al reducir el aluminato tricálcico, sus cualida des frente a los sulfatos mejoran notablemente. En el cemento portland tipo 3 se aumenta aprecia blemente el silicato tricálcico, puesto que, como se ex plicó en el aparte de fraguado, es el compuesto que contribuye en mayor proporción a dicho fenómeno y al posterior endurecimiento de la pasta; pero debe notarse además que la finura es mucho más alta que en los otros tipos de cemento, debido a que una mayor super· ficie específica proporciona mayor área para la acción inmediata del agua como agente que propicia las reac ciones químicas que dan lugar al fraguado y sus efec tos posteriores. En el cemento portland tipo 4 se reducen, aún más, los porcentajes de silicato tricálcico y aluminato tri· cálcico, principales responsables del calor de hidrata ción del cemento. Naturalmente la reducción del silicato tricálcico hace que este cemento adquiera en forma lenta su resistencia mecánica. En el cemento portland tipo 5se hace una fuerte re ducción del contenido de aluminatotricálcico, para evitar la formación desulfoaluminio de calcio, cuando el concre toesatacado porsulfatos, sustanciasque al formarse en el concretoendurecido producen su destrucción. Otros cementos portland Además de los cement.os anteriormente mencio nados y especialmente en Colombia, es frecuente el uso de cementos a base de dinker portland y una proporción de otro material que aunque no tenga propiedades aglomerantes por sí mismo, lasdesarrolla cuando se mezcla con el portland. Estos cementos, hasta ciertos límites en la proporción del material no portland, resultan en cuanto a calidad similares (pero nunca iguales) al portland puro, tienen en las especifi-
50
caciones exigencias similares a éste y se usan sin res tricción para concretos estructurales. Dentro de estos se encuentran los siguientes:
como ciertas rocas no reactivas en estado natural, generalmente de carácter arcilloso, o subproductos industriales como residuos de bauxítas utilizadas en la obtención del aluminio (sistoff) o cenizas vo lantes que provienen de la combustión del carbón utilizado en las centrales térmicas.
Cemento portland de escoria de alto horno De acuerdo con la norma NTC ·.-31, es aquel que se obtiene mediante la pulverización conjunta de clínker portland y escoria granulada finamente molida, con adición de sulfato de calcio (yeso). El contenido de es coria granulada de alto horno debe estar comprendido entre ell5% y el85%, en masa de la masa total. Cemento portiand puzolánico Según la misma norma. NTC ··31, estecementoes el quese obtiene mediante la pulverización conjunta de dín kerportland y puzolana,ode una mezcla íntima y uniforme de cemento portland y puzolana finamente pulverizada, con adición de sulfato de calcio.El contenido de puzolana debe estarcomprendidoentre ell5% y el 50% en masa de la masa total. En general seconsideran como puzolanaslos
materia les eminentementesílico-aluminosos naturalesoartificia lesque, carentesde actividad hidráulica y de propiedades cementicias por sí solos, contienen constituyentes quea temperaturasordinarias y en presencia de agua se combi nan con el hidróxidodecalcio para formarcompuestos per manentesinsolublesen agua y estables, loscualesse com portan comoconglomeranteshidráulicos.Las puzolanas,se gún su origen,se pueden clasificarde la siguiente manera: - Naturales: son aquellas que mantienen carácter puzolánico por sí mismas y pueden ser de origen mi· neral eruptivo (geotérmico-igneovolcánico o hidro térmico-geisseriano) o deorigen sedimentario vege tal (como las tierras formadas por esqueletos de plantas llamadas tierras diatomáseas) o animal (como la tierra de ínfusorios formada por capara zones animales). - Artificiales:son aquellas que resultan de tratamien· tos térmicos de activación (entre 600°( y 900°C),
TECNOLOGIA DEL CONCRETO Y DEl MORTERO
-
Intermedias:son aquellas puzolanas naturales que, como las artificiales, se someten a tratamientos térmicos de "ennoblecimiento" aproximadamente a 700oC de temperatura, para incrementar su acti vidad 4 o 5 veces más.
La reactividad de las puzolanasconsiste por definición en su capacidad de combinación con el hidróxido cálcico y eventualmente con los constituyentes hidratados del cemento. Lascausasde la actividad de las puzolanas pare ceque tienen que ver con su constitución y estructura inter na y que la actividad será tanto mayor, cuanto más vítrea o amorfa y menos cristalina sea ésta. La estructura vítrea amorfa sueleser tipica de las puzolanasa causa del enfria miento súbito del magma de las lavas volcánicas. La me teorización posterior puedealterar la red cristalina quese pudo formar. En las puzolanas artificiales el tratamiento térmico causa defectos en la red cristalina. Por lo general tienen una gran superficie específica que puede ser natural, por tener un alto grado de subdi visión o producida por molienda. Los magmas ácidos tienen alto contenido de silicatos y son muy viscosos. A través de éstos salen los gases con gran presión y fuertes explosiones que disgregan y dispersan finamente el material que así se templa al aire formando "aerogeles" activos. Los magmas básicos son muy fluidos, no se pulverizan y por enfriamiento lento cristalizan, por lo cual son menos activos. En conclusión, la actividad no depende de la composición química, pero sí de la es tructura, textura y estado físico. Como se puede observar, los cementos con puzola nas, por las características particulares que les confie ren éstas, tienen propiedades que los diferencian de los portland. Dichas diferencias hacen que los cementos Cemento porUand
con puzolanas tengan camposespecíficos de aplicación, dentro de determinados aspectos, en los cuales pue den sustituir a los portland incluso con ventajas, siendo preferibles a ellos. Esos campos específicos y aspec toscomo la durabilidad, estabilidad, calor de hidratación, plasticidad, etc., son aquellos en los que los cementos portland ordinarios manifiestan alguna insuficiencia. El presente de estos cementos es brillante y parece ser que lo será aún más en su porvenir, ya que alas ven tajas técnicas se unen las ventajas económicas del ahorro de combustible en su fabricación. Dentro de las ventajas de todo orden que pueden derivarse del em· pleo de estos cementos se encuentran las siguientes: - Una economía en el costo del conglomerante, me jor trabajabilidad, menor segregación y menor exudación. - Menor calor de hidratación, fraguado más lento y una consiguiente menor tendencia a la fisuración. - Mayor valor de la relación tracción/compresión, sobre todo a corto plazo. - Mayor resistencia en general a largo plazo. - Menor permeabilidad. -
Mayor durabilidad en general a ataques por sulfatos y reacciones expansivas.
Cemento portland adicionado De acuerdo con la definición dada por la norma NTC ··31, es el producto que se obtiene de la pulve rización conjunta de clinker portland y otros materiales arcillosos, calcáreos-sílico-alumínosos, calcinados o no, que poseen propiedades hidráulicas o puzolánicas. Cemento de albañilería Es el material que se obtiene por la pulverización conjunta de clinker portland y materiales que carezcan 51
de propiedades hidráulicas o puzolánicas con la adi ción de sulfato de calcio. El contenido de materiales adicionabies debe estar cómprendido entre el15% y el 50% en masa, de la masa total
diversas pruebas en los laboratorios de las fábricas de cemento para asegurarse de que éste posee la calidad deseada y está dentro de todos los requisitos que fijan las normas. Sin embargo, muchos consumidores ha cen pruebas de aceptación o, lo que es más común, examinan las propiedades del cementoque va a ser uti lizado para alguna aplicación especial. En estoscasos, las muestras se de.ben tomar de acuerdo con lo descri to por la norma NTC - -108.
Cemento aluminoso Es el material que se obtiene por la pulverización de clinker aluminoso,el cual está constituido en su ma yor parte por aluminato de calcio, que se obtiene de la fusión de una mezcla convenientemente proporcio nada y homogeneizada de materiales seleccionados, siempre que en el clinker que resulte, la cantidad de óxido de aluminio se¡¡ superior al30% y la de óxido de hierro inferior al 20%, expresados ambos porcentajes en masa, de la masa total.
Especificaciones químicas En Colombia, la norma NTC • 321, que ha sido ex tractada de la norma ASTM C-150, fija las especi ficaciones químicas que deJe tener el cemento por·
Calidad del cemento portland
tland. En la tabla 2.11 se presenta un resumen de esta norma.
Como se ha visto, la fabricación del cemento re quiere de rigurosos controles; por lo tanto, se realizan
Tabla 2.// Requisitos químicos del cemento portland
(SiO)
Oxido de aluminio máximo por ciento
(Alp)
6,0
Oxido fénico máximo por ciento
(Fep)
6,0
Oxido de magnesio máximo por ciento
(MgO)
7,0
7,0
Tríóxido de azufre máximo por ciento
(SO)
3,5
3,5
Pérdida al fuego máximo ciento
Silicato dicálcico mínimo por ciento
(2CaO.SiO/
Aluminato trícálcico máximo por ciento
(3Ca0.Alp.J
(3Ca.Si0) + (3Ca0.Alp) máximo por ciento
fenialuminato tetracálcico más el doble d aluminio trícálcico b(4Ca0.A!PJ o solucton sólida (4CaO.Alp3 + 2C O.te2Ó). .· el que sea·aplicable, máxtmo por ctento.
b. El expresar las limitaciones qulmlcas por medio de supue.stos co puestos calculados no significa necesariamente que los óxidos esten presentes realmente como tales compuestos.
6,5
7,0
7,0
7,0
4,5 4,0
(3Ca0.Si0/
Notas:
21,0
5,0
Silicato trícálcico máximo por ciento
Se hace notar que los cementos quese adaptan a los requisitosde los a. tipos 4 y 5 no se tienen generalmente en almacenamiento. Antde especificar su uso,loscompradores o sus representantes detenmna· rán si esos tipos de cemento se encuentran disponibles.
Dióxido de silicio mínimo por ciento
7,0
Residuo insoluble máximo por ciento
4,0
3,5
4,0 Continúa Tabla 2.11
Cuando la relación de porcentaje de óxidoe al mini.a óxidfé co sea 0,64 0 más,los porcentajes desiUcato tncáiCICO, sa1cato dicáloco, aluminato tricálcico y ferrialuminato tetracálcico serán calculados con base en el siguiente anállsis: smcato tricálcico• (4,07x% CaO) • (7,6x%Si0- (6,718x %A1p) - (1,43x%Fep3)- (2,852x%S03). Silicato.dicálcico = (2,867x%S10z)- (0,7544x%C?l Aluminato tricálcico = (2,650x%A1,0)- (1,692x%Fep3l Ferrialuminato tetracálcico = 3,043x%Fep3 Cuando la relación entre la alúmina y el óxido férrico sea menor de 0.64 se formará una solución sólida de ferrialuminato cálcico (expre-
52
TECNOLOGIA DEL CONCRITO Y DEL MORTERO
Cemenlo portland
35,0 40,0 8,0
15,0"
7,0
5,0
58,
20,0 sada como ss(C,AF + Cfl. Los contenidos de esta solución sóUda Y de silicato tricálcico se calcularán por las siguientes fórmulas: ss(C,Af + Cfl
= (2,1x%AI,03)
+ (1,702x%fe,03)
Silicato tricálcico= (4,071x%Ca0)- (7,6x%Si02)- (4,479x%A1p) (2,859xo/ofeAl - (2,852x%S03) Ningún aluminato tricálcico estará presente en los cementos de esta composición.El silicato dicálcico se calculará como se mostró anteriormente. En el cálcude C¡l se usarán los valores de Alp 3 y Fe,03 de terminados al 0,01%.En el cálculode otroscompuestosse usarán los óxidos determinados al 0,1%. Los valores de C¡ly los de la suma deC,t.F+ 2C¡Ise calcularán con aproximación del O,1%. Los valores de otros compuestos se calcula· rán con aproximación del1%. c. Cuando se requiera una resistencia moderada a los sulfatos para el cemento tipo 3, el aluminato tricálcico debe limitarse _al8%. uan.do se requiera una alta resistencia a los sulfatos, el alum1nato tricáloco debe Umitarse al 5%. d. El limite de la suma de silicato tñcálcico y aluminato tñcálcico para el cemento tipo 2 se aplicará cuando se requiera un m erado calor de hidratación y no se requieran ensayos para determ1na o.
53
El significado de algunas de estas limitaciones es el siguiente:
a l.OOOºC en recipiente de platino; la diferencia de peso se debe a:
Porcentaje de MgO
-
El óxido de magnesio (MgO) que se presenta en el cemento proviene generalmente de las calizas, en forma de dolomita y a veces en pequeñas cantidades de arcilla. Es un hecho reconocido que el MgO no se combina en el proceso de fabricación del cemento y que cuando se presenta en forma cristalina o peridasa, al hidratarse en concretos en contacto frecuente con el agua, aumenta de volumen en forma sumamente leninadeta, con posibilidad de desintegración del concreto. Aunque es muy discutible la fijación de un límite al contenido de MgO, las normas más reconocidas especifican un máximo, de 5% a 6% aproximadamente. Anhídrido sulfúrico S03 Su presencia en el cemento se debe exclusivamente a la adición de yeso para control de fraguado, ya que el yeso se combina con el e y forma un precipitado insoluble, evitando la reacción casi instantánea del e . Sin embargo, una cantidad excesiva de yeso puede dar lugar a la formación de sulfoaluminatos (cal de Candlot) que por su naturaleza expansiva pueden dar lugar a desintegración del concreto.
Pérdida de agua de cristalización, lo cual es un indicio de la eventual iniciación de hidratación del cemento. Pérdida de C02 debida a iniciación de carbonatación (reacción del aire) o a la existencia en el cemento de Cae03 pulverizado.
Este ensayo se hace por diferencia de peso de una muestra de cemento llevada a una temperatura de 900
54
finura, superficie específica en m2/kg - Ensayo por medio de permeabilidad al 280
280
280
0,8
0,8
0,8
Ensayo por agujas de Vicat: Tiempo inicial, en minutos, no debe ser menor de
45
45
Residuo insoluble
Tiempo final, en horas, no debe ser mayor de
8
8
El ensayo se hace disolviendo una muestra de cemento en ácido clorhídrico (HCI); como los silicatos y aluminatos del clinker son todos solubles en este ácido, el insoluble proviene de otra fuente, normalmente sílice aportado por el yeso.
Resistencia a la compresión en MPa (aprox. kgfjcm2).
Como se ve, este ensayo, de fácil ejecución, puede ser de gran utilidad para determinar sí un cemento ha sido almacenado largo tiempo, o en condiciones cuadas, o si ha sido adulterado con adición de caliza; además, estas condiciones se muestran también en los ensayos mecánicos.
Especificaciones físicas y mecánicas
Las especificaciones físicas y mecánicas que deben cumplir los cementos colombianos, están La limitación en el contenido de 503 en vez del yefijadas so, se debe a que este último contiene una cantidad vapor la norma NTC. -121 que también ha sido riable de impurezas, lo cual no permite un control extractada de la norma ASTM C-150. En la tabla 2.12 directo sobre él. se presenta un resumen de esta norma. Pérdida al fuego
Tabla 2.12 Requisitos físicos y mecánicos del cemento portland
aire, mínimo
280
280
0,8
0,8
0,8
45
45
45
45
8
8
8
8
Estabilidad Expansión en autoclave, máximo, % Tiempo de fraguado (métodos alternativos)
-
La resistencia a la compresión de cubos de morte-:
ro hechos con una parte de cemento y 2,75 partes de arena gradada normalizada para este ensayo, preparados y probados de acuerdo con la norma lcontec 220, no debe ser menor que los valores indicados abajo, para cada edad. 10,0 (100)
l día 3 días
8,0 (80)
12,5 (125)
10,5 (105)
7 días
15,0 (150)
19,5 (195)
17,5 (175)
28 días
24,0 (240)
21,0 (210)
8,5 (85)
Como se vio anteriormente, los ensayos que se practican al cemento se pueden clasificar según la forma y estado en que se encuentre. A manera de resumen, se tiene entonces:
TECNOLOG/A DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
Cemento portland
7,0 (70)
15,5 (155)
17,5 (175)
21,0 (210) 55
- Ensayos sobre el cemento puro
- Ensayos sobre el mortero
Densidad Finura (superficie específica)
Ensayo de compresión Ensayo de tensión Ensayo de flexión
- Ensayos sobre la pasta de cemento
CAPITULO
3
Adicionalmente, la misma norma tiene algunos requisitos físicos ·opcionales que se muestran en la tabla 2.13.
Consistencia normal Tiempos de fraguado Expansión en el autoclave Calor de hidratación
Agua Tabla 2.13 Requisitos opcionales
Introducción
Tiempo de fraguado (métodos alternativos) - Ensayos por agujas de Gillmore: Tiempo inicial, en minutos, no debe ser menor de Tiempo final, en horas, no debe ser mayor de Falso fraguado, penetración final mínimo%
60
60
60
60
60
10
10
10
10
10
10
50
50
50
50
50
50
60
Calor de hidratación 7 días, máximo kJ/kg (aprox. cal/g)
(70)
28 días, máximo kJ/kg (aprox. cal/g)
290
(60) (70)
Resistencia a la compresión 28 días, MPa (aprox. kgf/cm 2) Expansión a los sulfatos 14 días, máximo%
28,0 (280)
Debidoa que el agua ocupa un papel preponderanLa pasta de cemento, inmediatamete se mezclan te en las reacciones del cemento durante el estado los materiales, es una mezcla plástica de cemento Y plástico, el proceso de fraguado y el estado endurecido agua que va adquiriendo nueva estructura conforme de un concreto o mortero, este capítulo pretende dar se produce la hidratación del cemento. Esta nueva esuna visión generalizada acerca de las características tructura es la formación del llamado gel de cemento y que debe tener este vital elemento de la naturaleza la redistribución del agua dentro de la pasta. En una porción de pasta hidratada, el agua se encuentra en desde el punto de vista de la tecnología del concreto. dos formas básicas, a saber: agua de hidratación (no evaporable) y agua evaporable. Definición Deacuerdo con lo anterior, el agua se puede definir Agua de hidratación como aquel componente del concreto en virtud del. El agua de hidratación es aquella parte del agua cual, el cemento experimenta reacciones químicas original de mezclado que reacciona químicamente con que le dan la propiedad de fraguar y endurecer para formar un sólido único con los agregados. Para ello, se el cemento para pasar a formar parte de la fase sólida del gel. Es también llamada no evaporable porque en clasifica en agua de mezclado y agua de curado. una porción de pasta hidratada se conserva a 0% de
250 290
330 (80)
24 (240)
Agua de mezclado 0,045
El agua de mezclado está definida como la cantidad de agua por volumen unitario de concreto que requiere el cemento, contenido en ese volumen unitario, para producir una pasta eficientemente hidratada, con una fluidez tal, que permita una lubricación ade-
56
cuada de los agregados cuando la mezcla se encuentra en estado plástico.
TECNOLOGIA DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
Agua
humedad del ambiente y llO"C de temperatura.
Agua evaporable El agua restante que existe en la pasta, es agua que puede evaporarse a 0% de humedad relativa del ambiente y 11O"C de temperatura, pero no se encuentra 57
Figura 3.1 Esquema de la ubicación del agua en la pasta de cemento hidratado (3.1) ----------------
1
AGUA EVAPORABLE
1
AGUA DE ADSORCION (capa molecular atraída
AGUA NO
f fuertemente al gel, por las fuerzas de superficie) _,
EVAPORABLE
-L----
-
Angstrom Á0,0000001 mm), es llamada tan:bién "agua activa" por su influencia en el comportamiento del concreto bajo carga.
Agua capilar Es el agua que ocupa los poros capilares de la pas ta a distancias que suelen estar comprendidas en el intervalo de 30 a 107Á, de manera que parte de ella está sujeta (aunque débilmente) a la influencia de las fuer zas de superficie del gel.
Agua libre
Superficie gel de cemento_
-AGUA= ::
:::.C P_I_LAR 1¡
AGUA LIBRE--
AGUA DE HIDRATACION (Formando parte químicamente del gel de cemento)
Límite de influencia de las .. fuerzas de superficie 1
.... Fuerzas, de supert1cie 1 O a 30 A
. (Orden de distancias a la superficie del gel)
_,
Es la que se encuentra fuera de la influencia de las fuerzas de superficie, de tal modo que tiene completa movilidad y puede evaporarse con facilidad. Con cierta aproximación, la porción de agua no evaporable que existe en la pasta puede ser una me dida de grado de hidratación que ha alcanzado. Duran· te el proceso de hidratación de los granos de cemento se produce una especie de desplazamiento de agua del exterior al interior de éstos. Ya que lo primero que se hi drata es la superficie, se forma así en la periferia de ca da grano una estructura hidratada o gel. Para que la hidratación continúe hacia el núcleo de los granos es necesaria la aportación de agua que se obtiene de los poros capilares y que a su vez es repuesta por una par te del agua libre. Mientras permanece vigente este suministro de agua, la hidratación del grano puede continuar hasta el final, suspendiéndose en el momen to que dicho suministro se interrumpe. El agua que el cemento necesita para su completa hidratación representa, como término medio aproxi
lor por mucho, esta situación no representa por sí mis ma una garantía de suministro permanente de agua para la total hidratación del cemento, sin tener que re currir a una fuente de suministro adicional del exterior. Esto es lo que se conoce como agua de curado.
Agua de curado El curado puede definirse como el conjunto de con diciones necesarias para que la hidratación de la pasta evolucione sin interrupción hasta que todo el cemento se hidrate y el concreto alcance sus propiedades po tendales. Estas condiciones se refieren básicamente a la humedad y la temperatura. Por lo tanto, el agua de curado constituye el sumi nistro adicional de agua para hidratar eficientemente el cemento. En primer lugar, este suministro adicional depende de la humedad del ambiente, ya que la eva poración del agua libre de la pasta ocurre con tanta ma· yor rapidez cuanto menor es la humedad relativa del ambiente. En segundo lugar, el agua y el cemento al mezclar se ocupan un espacio inicial que permanece constante y que tiende a ser llenado gradualmente por los pro ductos de hidratación (gel). Como éstos desarrollan un volumen que es dos veces mayor que el del cemento original, resulta que con relaciones agua-cemento dema siado bajas puede no haber espacio suficiente en la pasta para acomodar todo el gel potencialmente desa rrollable y la completa hidratación del cemento no llega a producirse por esta limitación. En tercer lugar, el agua químicamente combinada
'
libre en su totalidad.El gel de cemento cuya caracterís tica sobresaliente es un enorme desarrollo supert1cial interno, ejerce atracción molecular sobre una parte del agua evaporable y la mantiene atraída. En la figura 3.1 se puede observar que el agua evaporable puede estar en tres condiciones distintas, de acuerdo con su proxi midad a la superficie del gel: 58
Agua de adsorción Es una capa molecular de agua que se halla fuertemente adherida a las superficies del gel por fuerzas intermoleculares de atracción. El agua adsorbida, cuyas distancias con respecto a la superfi cie del gel están en el intervalo de O a 30 Á (un
TECNOLOGIA DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
mado, un 23% de su peso; es decir: Agua de hidratación en kg 0 23 Cemento en kg '
(3.l)
Aunque las relaciones agua/cemento que suelen emplearse en las mezclas de concreto exceden este vaAgua
con el cemento (agua no evaporable) tiene una densi dad mayor que el agua capilar. Esto significa que, en un momento dado, puede ser mayor el espado que ha dejado libre en los poros capilares, que aquel con el que ha contribuido a formar el gel. Si no existe aporta ción de agua exterior para suplir este déficit, la hidratación se vuelve más lenta, e incluso se detiene. 59
En resumen, al mezclarse el agua con el cemento se produce una pasta que puede ser más o menos flui da, según la cantidad de agua que se adicione. Al endu recerse la pasta, como consecuencia del fraguado, parte del agua queda fija en la estructura rígida de la pasta y el resto queda como agua libre. Si la cantidad de agua de mezclado se aumenta, la parte que de ella queda fija es la misma y por consiguiente el agua libre aumenta, con lo cual aumenta la porosidad, ya que con el tiempo esta agua libre se evapora y queda en el in terior del concreto endurecido un conjunto de peque ños conductos que se llenan de aire. Con este aumento de la porosidad, la pasta pierde resistencia y el concre tose hace más permeable. De ahi el hecho de que deba hacerse un estricto control sobre el agua de mezclado en el momento de dosificarla.
Características químicas y físicas del agua de mezclado Por lo general, se recomienda que el agua que sea potable y que no tenga un pronunciado olor o sabor puede u"sarse para mezclas de concreto o mortero. Sin embargo, esto no es rigurosamente cierto, debido a que dentro del agua potable se pueden encontrar disueltas en altas concentraciones sales, cítricos o azúcares, en tre otros, que pueden ser perjudiciales para el concreto o mortero. De otra parte, el agua que es buena para el concreto no necesariamente es buena para beber. Para verificar la calidad del agua, se acostumbra hacer un ensayo de relación de resistencias sobre cu bos de mortero a 7, 28 y 90 días de edad, de manera que se considera que el agua es apta para el concreto, si la resistencia de los cubos hechos con el agua cues tionada no es inferior al 90% de la resistencia de los cubos testigo confeccionados con agua destilada. Los cubosde mortero deben ser hechos de acuerdo con la especificaciones de la norma NTC - · 220. Adicionalmente,. el ensayo de la aguja de Vicat descrito en la norma NTC - -118 puede dar indicios de
60
impurezas en el agua que eventualmente afecten de manera adversa los tiempos de fraguado del cemento. Un exceso de impurezas en el agua de mezclado puede causar además manchas (eflorescencias), o corrosión en el acero de refuerzo de un concreto. Por ello se de ben especificar ciertos límites de cloruros, sulfatos, ál calis y sólidos dentro del agua de mezclado. Puesto que no es deseable introducir grandes can tidades de sedimentos en el concreto, se ha comproba do que las aguas que contengan menos de 2.000 par tes por millón (ppm) de sólidos disueltos, generalmente son satisfactorias para hacer concreto. Aguas que con tengan más de 2.000 ppm de sólidos disueltos deben ser ensayadas para determinar sus efectos sobre la re sistencia y el fraguado de un concreto. Un resumen de los efectos de ciertas impurezas en el agua de mezcla do sobre la calidad del concreto se explica a conti nuación: Carbonatos y bicarbonatos alcalinos Los carbonatos y bicarbonatos de sodio y potasio tienen diferentes efectos sobre los tiempos de fraguado de los distintos cementos. El carbonato de sodio puede causar muy rápidos fraguados, los bicarbonatos pue den también acelerar o retardar el fraguado. En altas concentraciones estas sales pueden reducir la resisten cia del concreto. Cuando la suma de estas sales disuel tas excedan de 1.000 ppm, los ensayos sobre sus efec tos en los tiempos de fraguado y relación de resistencias a 28 días de edad deben ser efectuados. Cloruros y sulfatos Un alto contenido de cloruros en el agua de mezcla do puede generar corrosión en el acero de un concreto reforzado o en los cables de tensionamiento de un con creto preesforzado, debido a que el ión doro ataca la película de óxido que se forma en el acero. Como los cloruros se pueden introducir al concreto dentro de ca da uno de sus componentes por separado (cemento, agregados, agua de mezclado o aditivos), o por expo-
TECNOLOGIA DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
sición a algunas sales o agua de mar, los límites de aceptación de cloruros en el_ agua de me c do depen den de la permeabilidad y mvel de expos1c1on del con creto y del nivel de contribución del agua de mezclado en el contenido total de cloruros.
dades hasta del2% del peso de cemento para acelerar el endurecimiento y la resistencia temprana del concreto.
Un alto contenido de sólidos disueltos dentro del agua generalmente pres:nta altosconte.nidos de cloruro de sodio o sulfato de sodto. Concentraciones de 20.000 ppm de cloruro de sodio son generalmente tolerables en concretos que estarán secos y con bajo potencial de reacciones corrosivas durante su vida útil. Por el con trario, el agua usada en concreto preesforzado no debe presentar concentraciones del ión doro superiores a 500 ppm y para el caso de concretos con elementos de aluminio embebidos o galvanizados u otros concretos expuestos a humedad ambiente, el agua no debe pre sentar concentraciones superiores a 1.000 ppm del ión cloro.
Las aguas naturales rara vez contienen más de 20 a 30 ppm de hierro; sin embargo, algunas aguas ácidas pueden tener grandes cantidades. Las sales de hierro en concentraciones hasta de 40.000 ppm usualmente no presentan efectos adversos en la resistencia de un concreto o un mortero.
Finalmente, el agua de mezclado que contenga hasta 10.000 ppm de sulfato de sodio puede ser usada satisfactoriamente. Si los sulfatos se presentan como 504, su cantidad está limitada a 3.000 ppm. Otras sales comunes Los carbonatos de calcio y magnesio no son muy solubles en agua y éstos rara vez se encuentran en con centraciones tales que puedan afectar la resistencia del concreto. Sin embargo, concentraciones superio res a 400 ppm del ión bicarbonato en cualquiera de es tas formas es considerado dañino. Los sulfatos de magnesio y los clorurosde magnesio pueden estar presentes en altas concentraciones sin causar efectos dañinos en la resistencia. Buenas resis tencias han sido obtenidas con concentraciones hasta de 40.000 ppm de cloruro de magnesio. Las concentra ciones de sulfatos de magnesio deben ser menores de 25.000 ppm. El cloruro de calcio es algunas veces utilizado en concreto que no es preesforzado en cantiAgua
Sales de hierro
Sales inorgánicas Las sales de manganeso, estaño, zinc, cobre y plo mo en el agua de mezclado pueden causar reduccio nes significativas en la resistencia y grandes variacio nes en los tiempos de fraguado. De éstas, las sales de zinc, cobre y plomo son muy activas. Otras sales que son bastante activas como retardadoras del fraguado incluyen los yodatos, fosfatos, arsenatos y boratos de sodio. Todas pueden retardar los tiempos de fraguado y afectar el desarrollo de resistencia cuando se presen tan en concentraciones por encima del 10% del peso del cemento. Generalmente, cohcentraciones de estas sales de hasta 500 ppm pueden ser toleradas en el agua de mezclado. Otra sal que puede deteriorar el concreto es el sulfito de sodio, el cual se limita a 100 ppm. Aguas ácidas La aceptación del agua de mezclado ácida debeser basada en la concentración (ppm) de ácidos en el agua. Ocasionalmente su aceptación es basada en el pH, el cual es una medida de la concentración del ión hidrógeno. El vapor del pH es índice de una intensidad (por debajo de 7,0 indica acidez y por encima de 7,0 alcalinidad) pero no es una buena medida de!potencial ácido o básico de reacción del agua. Sin embargo, al gunas normas como la del Cuerpo de Ingenieros de los EE.UU. estipula un valor de pH entre 6,0 y 8,0.
61
Generalmente, aguas de mezclado que contienen ácido sulfúrico, ácidoclorhídrico y otros ácidos inorgá nicos comunes en concentraciones tan altas como 10.000 ppm no tienen efectos adversos en la resisten cia del concreto. Las aguas ácidas con valores de pH por debajo de 3,0 pueden crear problemas de manejo y deben ser evitadas en lo posible.
Aguas alcalinas Aguas con concentraciones de hidróxido de sodio del 0,5% por peso de cemento (6.000 a 10.000 ppm) no afectan la resistencia o los fraguados. Sin embargo, más altas concentraciones pueden reducir la resisten cia del concreto o del mortero. El hidróxido de potasio en concentraciones por en cima del 1,2% por peso de cemento (18.000 a 24.000 ppm) tiene pequeños efectós sobre el desarrollo de re sistencia de algunos cementos, y en otros la puede reducir sustancialmente.
Agua con azúcar
· Partículas en suspensión Cerca de 2.000 ppm de partículas de arcilla o limos suspendidos en el agua de mezcladose pueden tolerar. Cantidades más altas pueden no afectar la resistencia pero sí inHuir en otras propiedades de algunas mezclas de concreto.
Agua con aceite Varias clases de aceite están ocasionalmente pre sentes en el agua de mezclado. El aceite mineral (pe tróleo) por sí solo tiene menos efectossobreel desarro llo de resistencia del concreto que los aceites animales o vegetales. Sin embargo, el aceite mineral en concen traciones superiores al 2% por peso de cemento, pue de reducir la resistencia del concreto tanto como un 20%omás.
Agua con algas El agua que contiene algas no es recomendable para haéer concreto debido a que la presencia de éstas produce inclusión de aire con una consecuente pér& da de resistencia y además puedeafectar la hidratación
del cemento. El azúcar en pequeñas cantidades como 0,03% a 0,15% por peso de cemento, generalmente retarda el fraguado de la pasta de cemento; de acuerdo con el tipo de cemento, la resistencia a los 7 días de edad se puede reducir mientras que la de 28 días puede mejo rar. Cuando la cantidad de azúcar se incrementa a un 0,20% por peso de cemento, el fraguado generalmente se acelera; si la cantidad es de 0,25% o más por peso de cemento, puede causar un fraguado rápido y una sustancial reducción de esístencia a los 28 días de edad. Menos de 500 ppm de azúcar en el agua de mez clado generalmente no afecta la resistencia del concre to, pero si la concentración excede este límite, deben ser efectuados los ensayos de tiempos de fraguado y relación de resistencias.
to hecho con agua de mar produce una resist ncia t mprana ligeramente mayor pero una menor reslsten ca a largo plazo; usualmente la pérdida de resistencia no es mayor del15%. En el caso de concreto reforzado, se cree que el gua de mar incrementa el riesgo de corrosión del acearo de refuerzo, especialmente en pa1·ses tropt•ca 1es como el nuestro, por lo cual no se considera recomenda .ble el uso de agua de mar en el mezclado, a menos que sea inevitable. En tal caso se deben hacer las pruebas respectivas.En concretos preesforzados noe per i e el uso de agua de mar debido a que la pequena secc1on transversal de los cables de preesfuerzo hace que los efectos de la corrosión sean relativamente más graves.
Características del agua de curado
De acuerdo con lo anterior, en la tabla 3.1 se pre senta un resumen de las tolerancias máximas de con centraciones de impurezas en el agua de mezclado de concretos o morteros. Algunos de los ensayos normalmente especifica dos para el análisis del agua son los siguientes: Calcio y magnesio en el agua - Norma ASTM D-511 Cloruros, como ión Cloro - Norma ASTM D-512 Sulfatos, como 504 - Norma ASTM D-516 pH del agua - ASTM D-1293 Acidez y alcalinidad del agua ASTM D-1067 Definición de términos relativos al agua ASTM D-1129 Partículas y materia disuelta en el agua ASTM D-1888 De otra parte, los criterios de aceptación del agua respecto de los tiempos de fraguado y la resistencia del concreto se dan en la tabla 3.2.
Con respecto al agua de curado, el agua que es sa tisfactoria para el mezclado también lo es para el cura do. Sin embargo, la materia orgánica o ferrosa puede causar manchas, particularmente si el agua fluye len tamente sobre el concreto y se evapora rápidamente. Tabla 3.1 Tolerancias de concentraciones de Impurezas en el agua de mezclas
Aguas negras Un agua negra típica contiene cerca de 400 ppm de materia orgánica. Después de que esta agua ha sido eficientemente tratada, su concentración se puede re ducir a cerca de 20 ppm o menos. Esta cantidad es tan pequeña que no tiene un efecto significativo sobre la resistencia del concreto.De otra manera, en ningún ca so se debe emplear agua con un contenido de materia orgánica mayor.
Agua de mar El agua de mar, que tiene una salinidad total hasta del3.5% (35.000 ppm), es generalmenté recomenda da para concréto no reforzado.Sin embargo,el concre-
Carbonatos de sodio y potasio Cloruro de sodio Cloruro, como Cl (concreto preesforzado) .. Cloruro, como Cl {concreto húmedo o con elementos de alum1mo, metales similares o galvanizados) Sulfato de sodio Sulfato, como 504 Carbonatos de calcio y magnesio, como ión bicarbonato Cloruro de magnesio Sulfato de magnesio Cloruro de calcio (por peso de cemento en el concreto)
TECNOLOGIA DEL CONCRUO Y DEL MORTERO
1.000 20.000 500
ppm ppm ppm
1.000 10.000
ppm ppm ppm ppm ppm ppm
3.000
400 40.000 25.000 2%
Continúa Tabla 3.1
Agua
62
Especificaciones y calidad de agua
63
Continuación Tabla 3.1
CAPITULO
ppm ppm ppm ppm
Sales de hierro Yodato, fosfato, arsenato y borato de sodio Sulfito de sodio Acido sulfúrico y ácido clorhídrico pH H dr x do de sodio (por peso de cemento en el concreto) H1drox1do de potasio (por peso de cemento en el concreto) Azúcar
Los agregados o áridos 1,2% 500 2.000
Partículas en suspensión Aceite mineral (por peso de cemento en el concreto) Agua con algas Materia orgánica Agua de mar (concentración total de sales para concreto no reforzado) Agua de mar para concreto reforzado o preesforzado
2%
ppm ppm
o
20
ppm 35.000 ppm No recomendable
Tabla 3.2 Criterios de aceptación de un agua cuestionable para concreto o mortero
Desviación de los tiempos de fraguado con respecto al testigo (hr:min)
No más temprano de 1:00, ni más tarde de 1:30
lcontec 118
Resistencia mínima a los 7 días de edad con respecto al testigo
90%
lcontec 220
Introducción Debido a que el concreto está constituido en suma yor parte por agregados (70-80% en volumen), éstos no son menos importantes que la pasta de cemento en durecida, el agua libre, el aire naturalmente atrapado o los aditivos. Por el contrario, gran parte de las caracte rísticas del concreto, tanto en estado plástico como en estado endurecido,dependen de las características y pro piedades de los agregados, las cuales deben ser estu diadas para obtener concretos de calidad y económicos. El objeto de este capítulo es iniciar el estudio de los agregados naturales, repasando algunos conceptos de su origen y clasificación para posteriormente entrar en el estudio de sus propiedades, selección, produc ción y control, de acuerdo con las normas y los pro cedimientos adecuados establecidos para tal fin.
Definición En el sentido general de la palabra, los agregados, también llamados áridos, son aquellos materiales iner· tes, de forma granular, naturales o artificiales, que aglo merados por el cemento portland en presencia de agua conforman un todo compacto (piedra artificial) cono cido como concreto u hormigón. 64
TECNOLOGIA DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
los agregados o arldos
Como agregados para concretose pueden conside rar todos aquellos materiales que teniendo una resisten cia propia suficiente (resistencia del grano), no pertur ban ni afect
senta actividad en virtud de sus propiedades hidráuli cas, colaborando con el desarrollo de la resistencia me cánica característica del concreto, tales como las esco rias de alto horno de las siderúrgicas, los materiales de origen volcánico en que hay sílice activo, y elladríllo triturado, entre otros. Pero hay algunos otros que pre sentan elementos nocivos o eventualmente inconve nientes que reaccionan afectando la estructura interna del concreto y su durabilidad, como por ejemplo los que presentan compuestossulfurados, losque contienen par tículas pulverulentas más finas o aquellos que se encuen tran en descomposición latente como algunas pizarras.
Origen de los agregados naturales Como el objetivo principal de este capítulo se re fiere a los agregados naturales, conviene estudiar su 65
origen y naturaleza, ya que todas sus partículas provie nen de una masa mayor que puede haberse fragmen tado por procesos naturales talescomoel intemperismo y la abrasión, o mediante la trituración mecánica por el hombre, por lo cual la gran mayoría de sus propieda des y características dependen de la roca madre.Esto se refiere a sus propiedades mineralógicas o susbtanciales, petrografia, pureza, densidad, dureza, porosidad, propie dadesfisicomecánicas, composición química y estructu ra, entre muchas otras que se estudiarán más adelante.
Reseña histórica De acuerdo con la geología histórica, se sabe que por fenómenos geológicos internos de la tierra, al soli dificarse y consolidarse el magma (mezcla heterogénea de diversos silicatos), se formaron las rocas originales o ígneas y que posteriormente, por fenómenos geoló gicos externos, tales como la meteorización, con el tiempo se formaron las rocas sedimentarias. Adicio nalmente, las rocas ígneas y las sedimentarias, al sufrir la acción de procesos de presión y temperatura, forma ron el tercergrupo de rocasdenominadas metamórficas. Esto se conoce como el ciclo geológico de las rocas, que se puede visualizar fácilmente en la figura 4.1.Este ciclo está permanentemente en actividad.
M
T D
=
= = C = Q = S = P =
Meteorización Transporte Depósito Consolidación Calor Solución Presión
tánea (erupción de un volcán) quedan hechas granos (piedra pómez).
Rocas sedimentarias
Rocas ígneas La mayor parte de la corteza terrestre está formada por rocas ígneas y de ellas se derivan las otras rocas, razón por la cual son llamadas rocas originales. Se les llama también endógenas porque se originan en proce sos internos y "magmáticas• porque provienen del magma.Según la velocidad desolidificación del magma (mezcla heterogénea de diversos silicatos) y del lugar dentro de la tierra donde ocurre esta consolidación se clasifican como aparece en la tabla 4.1.
según el agente geológico externo
64.5
Conglomerado
5-0,074
Arenisca Limolitos
Río Lago
TECNOLOGIA DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
Conglomerado muy grueso
< 0,002
Depósitos lacustres en horizontales.
Mar
66
256-64
0,074-0,002
Tabla 4.2 Claslrlcaclón de rocas sedimentarias
Figura 4.1 Ciclo geológico de las rocas
M+T+D+C
elle rocas sedimentarias
Por descomposición y desintegración de las rocas mencionadas sufriendo un proceso de erosión, transpor te, depositación y consolidación; o por precipitación o depositación química (carbonatos). Los agentes que contribuyen al transporte y depósito de este tipo de ro cas permiten hacer la clasificación que se indica en la tabla 4.2.
Agua
De acuerdo con la velocidad de enfriamiento del magma, se obtiene una textura dada, la cual tiene gran incidencia en la capacidad de adherencia del material, como se verá más adelante. Cuando la velocidad de enfriamiento es baja, las partículas son grandes; cuan do es alta, las partículas son pequeñas, y si es instan-
Tabla 4.3. Clasificación de los depósitos
Son las más abundantes en la superficie terrestre (75%). Están constituidas por fragmentos o granos que provienen de rocas ígneas, metamórficas u otras rocas sedimentarias. Su proceso de formación se pue de originar de dos maneras, a saber:
Tabla 4.1 Clasificación de !as rocas ígneas según velocidad de consolidación y localización (origen)
(por erupción volcánica).
que son factores de gran incidencia en la calidad del material como agregado para concreto. Por otra parte, de acuerdo con el tamaño, los depósitos se pueden cla sificar según la tabla 4.3.
Hielo
Glaciar
Mezcla de toda clase de materiales y tamaños por su sistema de formación.
Aire
Viento
Dunasobarjanes (arena) (limo).
Estos agentes arrastran los materiales redondeán dolos y dándoles una forma y tamaño característicos
Los agregados o áridos
Rocas metamórficas Como ya se mencionó, éstas provienen de las ro cas ígneas y las rocas sedimentarias, las cuales expe rimentan modificaciones en sólido originadas por tres factores, a saber: grandes presiones que sufren los es tratos profundos, temperaturas elevadas que hay en el interior, y emanaciones de los gases del magma. Se gún la incidencia de cada uno de estos factores, se pue den tener dos clases de metamorfismo, que son: -
Metamorfismo de contacto: Debido a la intrusión del magma y al calor aportado por éste, la forma ción de la roca es originada por transformación iónica y porque se presenta una fluidez que permite modificar sin fragmentar los cristales que se alar gan y adelgazan.
67
··------- ------Metamorfismo regional o dinámico: Se denomina regional porque generalmente ocupa grandesexten siones y se presenta a gran profundidad en condi ciones de altas presiones de confinamiento, combi nadas con reacciones químicas que originan una reagrupación molecular para conformar una roca más densa en su estructura. Según el grado de metamorfismo, se obtienen es tructuras foliadas (esquistadas) o masivas, las cuales también, inciden notablemente en la forma, tamaño y textura de las partículas de un agregado.
Petrografía y mineralogía De acuerdo con lo expuesto, desde el punto de vis ta petrográfico los agregados naturales se pueden
clasificar mediante exámenes visuales y análisis litoló gkos que permiten evaluar la calidad de los mismos por comparación con otros ya conocidos. Para tal efec to, la clasificación más conocida es la dada por la nor ma BS-812 que agrupa los agregados según el tipo de roca (Tabla 4.4) sin que ello implique que todos sean adecuados para hacer concreto. Las técnicas para eje cutar el análisis petrográfico se encuentran descritas en la norma ASTM C295. Por otra parte, el carácter mineralógico de los agregados está dado por las carac terísticas mineralógicas de la roca madre de donde provengan y pueden ayudar a conocer mejor la cali dad del material en una situación determinada. En este caso la norma ASTM C-294 describe los minerales más omunesde los agregados y los tres tiposde rocas ya mencionados.
Co nti nu aci ón Ta bla 4. 4
G-
Gr up o cal izo Do lo mi ta Ca liz a M ár mo l
r a t ó f i r o Microgranito Pórfido Cuarzoporfirita Reolita Traquita
H G r u p o p o r f i r i t i c o A p l i t a D a c i t a F e l s i t a G r a n ó f i r o Q u e
J. Grupo esquis toso Filita Esquisto Pizarra Todas las piedras severamente
1-
Grupo cuarzoso Arcilla refractaria
Cuarzit a recristal
i z a
clases Bincluyendo Grupo teralita y tesquenitapeder Epidiorita nalino Lamprófiro H Cuarzo-dolerita o Espilita r s D- Grupo t granítico e Gneis n Granito o Granodiorita P Granulita e Pegmatita d diorita e r n a l
G r u p o b a s á l t i c o
An des ita Bas alto Por firit as bás ica s Dia bas a Dol e ri t a s d e t o d a s
fracturadas
Tabla 4.4 Clasificación de los agregados naturales según el tipo de roca. Según BS-81275 (4.5)
A -
d a
EGr up o are nis co
A r c o s a G r a w a c a
Arenilla Arenisca Tufa
C- Grupo gábrico Diorita básica Gneis básico Gabro Hornablenda-roca Norita Peridotita Picrita Serpentina
f- Grupo hornofélsico Rocas que se alteran al contacto de todas clases, excepto mármol
Clasi ficaci ón de los agre gado s En general, los agregados para concreto se han clasificado de varias maneras a través del tiempo, pero principalmente desde los puntos de vista de su tama ño, procedencia y densidad.
C l a s i f i c a c i ó n s e g ú n s u t a m a ñ o ·La forma más generalizada de
clasi fica r los agre ga dos es seg ún su tam año , el cual varí a des de frac cion es de milí met ros hast a vari os cent íme tros en secc ión tran sver sal. Esta distr ibuc ión del tam año de las part icu las es lo que se con oce con el no mbr e de gra nul ome
tría. La fracci ón fina de este mater ial, cuyas partíc ulas tienen un diáme tro inferi or a 4,76 mm y no meno r de 0,074 mm (74 Jl m), es lo que comú nmen te se llama arena y la fracci ón grues a, o sea aquel las partíc ulas que tiene n un diám etro super ior a 4,76 mm, es la que
que se muestra en la tabla 4.5, donde se indican los nombres más usuales de las fracciones y su aptitud co mo agregados para concreto según su tamaño.
C l a s i f i c a c i ó n
A g r e g a d o s n a t u r a l e s Son todos aquellos que provienen de la explota· ción de fuentes naturales tales como depósitos de arrastres fluviales (arenas y gravas de río) o de glaciares (cantos rodados) y de canteras de diversas rocas y pie dras naturales. Se pueden aprovechar en su granula
s e g ú n s u p r o c e d e n c i a De acuerdo
Sienita
con el origen de los agregados, según provengan de fuentes naturales o sean fabricados a partir de productos industriales, se pueden clasificar de la siguiente manera:
Continúa Tabla 4.4
normalmente se denomina agregado grueso o simple
mente grava. Una clasificación más específica es la
ción natural o triturándolos mecánicamente, según sea el Los agregados
68 TECNOLOGIA DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
69
o áridos
caso, de acuerdo con las especificaciones requeridas.
Tabla 4.5 Clasificación general del agr-egado según su tamaño
Inferior a 0,002
Arcilla
Entre 0,002- 0,074 (No. 200)
Umo
Fracción muy fina
Tabla 4.6 Clasificación del agregado según su densidad
Ugero
Entre 0,074-4,76 (No. 200)- (No. 4)
Arena
Agregado fino
Entre 4,76-19.1 (No. 4)- (3/4")
Gravilla
Agregado grueso
Entre 19.1 - 50.8 (3/4")- (2")
Grava
Entre 50.8 - 152.4 (92")- (6")
Piedra
Superior a 152.4 (6")
Rajón, piedra bola
Agregados artificiales
Estos agregados se obtienen a partir de productos y procesos industriales tales como: arcillas expandi das, escorias de alto horno,clinker, limaduras de hierro y otros. Por lo general estos agregados son más ligeros o pesados que los ordinarios.
950-1.350 1.450-2.000
Material apto para producir concreto
60-480
480-1.040
Normal
2.000-2.500
1.300-1.600
Pesado
2.500-5.600
3.400-7.500
Reacción agregado-álcali
Propiedades químicas Tal como se expresó en la definición, la mayoría de los agregados son inertes, es decir, que no reaccionan químicamente con losdemásconstituyentes del concre to. Sin embargo, después de la Segunda Guerra Mun dial se han observado algunas reacciones especialmen te con la pasta de cemento y por lo general dañinas para el concreto. Entre ellas:
Clasificación según su dt!nsidad
Epitaxia
Otra forma de clasificar los agregados es según su densidad, la cual depende de la cantidad de masa por unidad de volumen y del volumen de los poros, ya se trate de agregados naturales o artificiales. Esta distin ción se hace porque afecta la densidad del concreto (ligero, normal o pesado) que se desea producir, corno lo indica la tabla 4.6.
La única reacción química favorable de los agrega dosconocidahasta el momento, es la llamada epitaxia, la cual mejora la adherencia entre ciertos agregados calizos y la pasta de cemento, a medida que transcurre el tiempo.
70
400-800
No recomendable
TECNOLOGIA DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
Existen otros tipos de reacciones que por lo gene ral originan expansiones dentro de la masa endurecida del concreto, las cuales inducen esfuerzos de tensión que pueden hacer fallar la integridad estructural, ya que la resistencia a la tensión del concreto es del orden de un 10% de su resistencia a la compresión. La reacción más común se produce entre los óxidos de silicio (SiOJ) en sus formas inestables y los hidróxidos alcalinos e la pasta de cemento (Nap y Kp). Esta reacción, que es de tipo sólido-líquido, produce un gel de tipo hinchable que aumenta de volumen a medida que absorbe agua, con lo cual apa recen presiones internas en el concreto que conducen a expansión, agrietamiento y ruptura de la pasta de ce mento. Esto es lo que se conoce como reacción álcali sílice, ya que también existe otra reacción similar entre algunos tipos de caliza dolomítica y los álcalis del Los agregados o áridos
Concreto para aislamientos
Piedra pómez
Concreto para rellenos y mampostería no estructural
Perlita
Concreto estructural Concreto estructural y no estructural
Canto rodado Agregados de río
Concreto para protección contra radiación gamma o X, y contrapesas
Piedra barita, magnetita
cemento que es llamada reacción álcalis-carbonato, y que aunque es menos frecuente, de todas maneras vale la pena mencionar. Dadas las circunstancias anteriormente expues tas, conviene tener en cuenta que los agregados pue den reaccionar con los álcalis de cemento, lo cual debe examinarse cuando se presuma que los agregados contengan sílice inestable (estado vítreo, criptocristali no, microcristalino y amorfo). Las rocas que por lo general contienen sílice en estas dos formas son: rocas silíceas, como pedernal (con ópalo y/o calcedonia), calizas y dolomitas silíceas. Rocas volcánicas ácidas e intermedias (con vidrio volcánico) como las riolitas, la titas, dacitas, andesitas y sus respectivas tobas. Algunas formas de cuarzo criptocristalino, microcristalino o cristalino intensa mente deformado.
71
Continuación Tabla 4.7
Para detectar la presencia de sílice activo en los agregados, hay necesidad de efectuar ensayos de reactividad potencial por el método químico descrito en la norma ASTM C-289, la prueba de expansión en mortero por el método de barras descrito en la norma ASTM C-227 o la prueba de reactividad potencial a los álcalis de rocas calizas que aparece en la norma ASTM C-586, las cuales deben ir acompañadas de un detalla do análisis petrográfico de acuerdo con la norma ASTM C-295.
Propiedades físicas Granulometría La granulometría está definida como la distribu ción de los tamaños de las partículas que constituyen una masa de agregados. Se determina mediante el análisis granulométrico que consiste en dividir una muestra de agregado en fracciones de igual tamaño. La medida de la cuantía de cada una de estas fraccio nes es lo que se conoce como granulometría.
Análisis granulométrico
éste a través de una serie de tamices que tienen aber turas cuadradas y cuyas características deben ajustar se a la norma NTC · 32. La denominación de los tamices anteriormente se hacía teniendo en cuenta el tamaño de la abertura en pulgadas para los tamaños grandes y por el número de· aberturas por pulgada lineal para tamices menores de 1/8 de pulgada. De tal manera que, por ejemplo, el tamiz No. 200 tiene 200 x 200 huecos dentro de una pulgada cuadrada con abertura de 0.074 mm cada uno. Hoy en día, la designación de tamices se hace de acuerdo con la abertura de la malla, medida en milíme tros o en micras.
general dedetamices se basa en La queserie la abertura un tamiz está teóricamente en relación 1 N2 con respecto al siguiente tamiz.Sin embargo, hoy en día la serie completa está dada por la serie R 40/3 de la ISO (lnternational Standards Organization).
La norma NTC - 32 incluye algunos tamices inter
La operación de separar una masa de agregado
en fracciones de igual tamaño, consiste en hacer pasar
medios que no cumplen la relación 1 :V2 pero que se emplean con alguna frecuencia para evitar intervalos rnuy grandes entre dos tamices consecutivos. Esta se rie se indica en la tabla 4.7.
Tabla 4.7 Denominación y abertura de tamices
150 mm 125 mm 106mm 90mm 75mm 63mm
107.6mm 101.6 mm 90.5 mm 76.1 mm 64.0mm
4.24" 4" 3Vz"
3"
2W'
6" 5"
4.24"
3W'
53 mm 45mm 37.5 mm 31.5 mm 26.5 mm 22.4 mm 19.0mm 16.0mm 13.2mm
22.4 mm
11.2 mm 9.5 mm 8.0mm 6.7mm
11.2mm
5.6mm 4.75mm 4.00mm 3.35mm 2.80 mm 2.36mm
2.00mm 1.70 mm 1.40 mm 1.18 mm 1.00 mm 850¡Jm 710¡Jm 600¡Jm 500¡Jm 425¡Jm 355¡.tm
3"
8.0mm 5.6mm 4.00 mm
2.00 mm 1.40 mm 1.00 mm 710 ll m 500¡Jm 355 J.l m
2.00 mm 1.68 mm 1.41 mm 1.19 mm 1.00 mm 84111 m 707!1 m 595¡Jm 500¡¡ m 420 ¡Jm 354J,lm
2.12" 2" 1%"
1 Vz" ll;.í''
1.06" 1" 7
/s"
3/4"
/s"
5
0.53" 1
/z"
7/16"
3ja"
5/!6'
0.265" 1/4 "
2" 1W'
lW'
1" 1.06" 1" 7
/s"
3/4" 5
/s"
0.53" 7/16 "
/e" /!6'
3
5
0.265"
Nº 3'l2" No.4 No. 5 No. 6 No. 7 No.8
Nº 3 Vz" No.4 No.5 No. 6 No. 7 No. 8
No. 10 No. 12 No. 14 No. 16 No. 18 No. 20 No.25 No. 30 No. 35 No.40 No.45
No. 10 No. 12 No. 14 No. 16 No. 18 No. 20 No. 25 No. 30 No. 35 No. 40 No. 45 Continúa Tabla 4.7
2W' Continúa Tabla 4.7 Los agregados o áridos
7?
16.0mm
53.8 mm 50.8 mm 45.3 mm 38.1 mm 32.0 mm 26.9 mm 25.4 mm 22.6mm 19.0 mm 16.0 mm 13.5 mm 12.7 mm 11.2 mm 9.51 mm 8.00 mm 6.73 mm 6.35 mm 5.66 mm 4.76 mm 4.00 mm 3.36 mm 2.83 mm 2.38 mm
73
Continuación Tabla 4.7
Continuación Tabla 4.8
Denominación
Desfgnraoon
Designación
A.nligua designación
dellan;¡ iz
ISO
tCONTEC ·NTC
ASTM Eqwiva4enle
Eqwirmlm!e
-
300Jlm 25011m 212¡.tm 180¡Jm 150¡Jm
r r '·
125 Jl m 106¡¡m 90¡¡m 75f.lm 63¡Jm 53¡Jm 45¡Jm 38¡.tm
r·
,"''"
J
250¡.tm 18011 m 125¡J m 901-1 m 63f.l m
Normal 297¡.t m 25011 m 21011 m 177¡Jm 149¡¡ m 125¡Jm 105¡Jm 88¡J m 74¡¡m 63¡¡m 53¡J m 44¡.tm 37¡.tm
.
Designación
A/11/igua designación
dei liJq,¡;¡t/Z
tCONTEC·NK: Equiuél!lmríe
Eq¡uiua,lenle
No. 50 No. 60 No. 70 No.80 No.100 No. 120 No. 140 No. 170 No. 200 No. 230 No. 270 No. 325 No. 400
45¡¡ m
ASTM
12.7 mm 9.51 mm 11 4.76 mm 2.38mm 1.19 mm
• 13.2 mm
Alterno
No. 50 No. 60 No. 70 No.80 No. 100 No. 120 No. 140 No. 170 No. 200 No. 230 No. 270 No. 325 No. 400
Denof.nJinacián
9.5mm 4.75mm 2J6mm 1.18mm
Columna (3): En esta columna cada valor X 1 de la columna (2) se expresa como un porcentaje del peso total de la muestra X7 de acuerdo con la siguiente expresión:
XI
Y=-
Ya "
600 J.l m
595 m
No.4 No.B No. 16 No. 30
300¡.tm 1501Jm 75¡.tm
297JJ m 149!1 m 7411 m
No. 50 No. lOO No. 200
1
X
X
100
(4.1)
T
Columna (4): Esta columna va indicando el acu mulado de los porcentajes retenidos en cada tamiz de acuerdo con la siguiente expresión:
Z 3 : Y 1 + Y2 + Y 3, y así sucesivamente hasta llegar a
z
n
= 100%
Columna (5): Con base en el porcentaje retenido acumulado en cada tamiz se puede determinar el por centaje acumulado que pasa también por cada tamiz. Como el porcentaje retenido acumulado es el comple mento para llegar al 100% del porcentaje que pasa,
NOTA: 'Tamices que no cumplen con la relación 1:2.
Tabla 4.9 Determinación de la granu!ometría de agregados para concreto
NOTA: • Tamices que no cumplen la relación 1 =
(4.2) De tal manera que, por ejemplo Z1 Y 1 ,
Z 2 : Y1 + Y2,
f:
Para fines prácticos, la serie de tamices que se emplea en agregados para concreto se ha establecido de manera que la abertura de cualquier tamiz es aproxi madamente la mitad de la abertura del tamiz inmedia tamente superior. Esto es una relación 1:2, la cual fue establecida por primera vez por Abrams, en el juego de tamices americano Tyler. Esta serie se indica en la ta bla 4.8y de igual manera que en la anterior, se incluyen algunos tamices que no cumplen la relación 1:2 pero que son de uso frecuente para determinar mejor la granulometria de un agregado en su parte gruesa.
La operación de tamizado debe ejecutarse de acuer do con la norma NTC -77, en la cual se describen el tamaño de la muestra a ensayarse y los procedimien tos adecuados para realizar el análisis. Los resultados de este análisis generalmente se expresan en forma tabulada, como se muestra en la tabla 4.9. 74
Tabla 4.8 Serie de tamices más usuales en agregados para concreto
DPnominación del !amiz
150.0 *125.0 *112.0 *110.0 • 90.0 75.0 • 50.8 37.5 • 26.5 19.0
mm mm mm mm mm mm mm mm mm mm
Designación Antigua designación lCONTEC ·NTC ASTM Equivalen:!e Eqru iva len!e
6"
38.1- 1\12 25.4- 1 19.0- :y, 12.7- 1h
x,
Y,
X)
y2 y]
x5
y5
9.51- 3/a
4.76- No. 4 Fondo
x2
x, X.
X'¡
Y, y6 y)
z, z2 z) z, z5 z6
100%
t, 12
t3 t,
15
t. t)
5"
101.6 90.5 76.1 mm 50.8 38.1 mm 25.4 mm 19.4 mm
4\-2'' 4" 3\12" 3" 2" 1\-2'' 1"
1'4'' Continúa Tabla 4.8
TE:CNOLOGIA DE:L CONCRETO Y DE:L MORTERO
Total
XT
100%
Columna (l): En esta columna se indica la serie de tamices deseada, en orden descendente. (En la tabla se indican algunos a manera de ejemplo). Columna (2): En esta columna aparece indicado el peso retenido en cada tamiz Xi'
los agregados o iirfdos
éste último fácilmente se determina según la siguiente expresión:
t 1= 100- z i
(4.3)
El porcentaje acumulado que pasa es el que se utiliza para representar gráficamente las curvas de granulometría.
Curvas de granulometría Para mayor facilidad de comprensión, los resulta dos del análisis granulométrico comúnmente se repre sentan de manera gráfica mediante la curva de granulo metría o línea de cribado. Generalmente en una gráfica de granulometría, sobre el eje de las ordenadas se representa el porcen taje acumulado que pasa a través de los tamices en
75
escala aritmética y sobre el eje de las abscisas se
nas vecessegún una escala mixta. Esto se ilustra en
escala aritmética, otras en escala logarítmica y algu-
las dada en la tabla 4.1O.
Figura 4.3 Curva de granulometría • Abscisa en escala logarítmica
8
16
30
50
100
TAMIZ No.
100 80
9.51 4.76 2.38 1.19 0.595 0.297 0.149
o
- Va -No. 4 - No.8 - No.16 - No. 30 - No. 50 - No. 100
Total
o
50 150 450 500 450 280
2.5 7.5 22.5 25.0 22.5 14.0
2.000
100.0
o
100.0 97.5 90.0 67.5 42.5 20.0 6.0
2.5 10.0 32.5 57.5 80.0 94.0
aritmética
50 30
16
8
4
%
100 80
..
l l l lll
o.
60
111
::J O' 111
« i'
7
40
e: !:! 111
o
o.
20
/ V
j
V
/
/
76
l
1
111
::J O'
11 1f
1 1 1
1
)
1.19
2.38
40
111
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7
¡:
.. 111
u
20
ov
/
4.76
9.51
TECNOLOGIA DEL CONCRfJO Y Da MORTERO
1
1
i
1t
V
/
/
----
Ya
4.76
9.51
:y.•
1 Y.!"
v
0.595
0.297
b.149
mm
1.19
2.38
Figura 4.4 Curva de granulometría ·Abscisa en escala mixta TAMIZ No. 50 30
8
16
100
..
60
::J O'
40
1 1 1
1/
.2970.595
11
60
"11o.
..
V
!:!
/
7
J
11
41
7.;" 8
17
«i'
e
4
7
80
011 mm
10
11
o.
1
Figura 4.2 Curva de granulometría ·Abscisa en escala TAMIZ No.
..
/V
/
4
f/
20
o
o.
mm
Los agregados o áridos
)
o 0297 0.595 1.19
238 Aribnética
4.76 1
9.51
Logaríbnica
19.0
38.1 1
77
Factor es que se deriva n del anális is granu lomét rico Además de determinar la distribución de tamaños dentro de una masa de agregados y de visualizarla por medíde un gráfico que permite conocer qué tan grue so o fino es, así como detectar deficiencias o excesos de un tamaño en particular, del análisisgranulométri co se derivan algunos factores que constituyen una carac terización más de la distribución de tamaños, que posteriormente se utilizan como parámetros de diseño de una mezcla de concreto. A continuación se descri ben estos:
Módulo de finura El módulo de finura es un factor empírico que per mite estimar qué tan fino o grueso es un material. Está definido como la suma de los porcentajes retenidos acumulados en los tamices de la serie "estandar" que cumplen la relación 1:2, desde el tamiz de 149 (No.
100) en
adelante, hasta el máximo tamaño que se en cuentre, dividido por 100. la distribució n de tamañosd e particulas, ya que la serie
Tamaño máximo El tamaño máximo del agregado es otro factor que se deriva del análisisgranulométrico y está definido co mola abertura del menor tamiz de la serie que permite el paso del 100% del material. · En la práctica, lo que indica el tamaño máximo de un agregado es el tamaño de la particula más grande que hay dentro de la masa de agregados, el cual debe ser compatible con las dimensiones y especificaciones . de la estructura.
Tamaño máximo nominal El tercer factor que se deriva del análisis granulo métrico es el tamaño máximo nominal que está defini do como la abertura del tamiz inmediatamente supe rior a aquel cuyo porcentaje retenido acumulado sea el 15% o más. En la práctica, lo que indica el tamaño máximo nominal es el tamaño promedio de particulas más grandes que hay dentro de la masa de agregado. La ba en que el tamaño máximo nominal define mejor el
agregado fino, el uso del tamaño máximo y el tamaño máximo nominal se aplican para caracterizar al agre- gado grueso. · ·
Teorías sobre granulometrías continuas ideales Muchasson lasinvestigacionesque sehan desarro llado acerca de lo que es una buena granulometria de agregados para concreto.La mayoría de estas investi gaciones se basan en la capacidad de acomodamiento y compactación de las partículas (compac!dad) de tro de un volumen dado, para lograr la máx1ma dens1- · dad y con esto la máxima resistencia. Sin embargo, como se verá más adelante, esto conduce a mezclas poco trabajables en estado plástico. A continuación se presentan las principales teorias sobre el tema:
Principio de gradación de Fuller y Thompson Por logeneral el puntode partida de todoslos desa rrollos teóricos de curvas de granulometría, es el tra bajo publicado por Fuller y Thompson (The Laws of Proportioning concrete) en los Estados Unidos de
TAM AfiO DE LAS PARll CUL AS
América, hacia el año de 1907, en el cual se concluye que las curvas de gradación ideal de toda la masa (incluyendo el aglomerante) presentan un comporta miento elípticoen su fracción fina,el cual converge con una línea recta tangente a la elipse (fig. 4.5), en las siguientes fracciones.La ecuación general para la par te elíptica de esta curva, está dada por: términos reales, un mismo valor de módulo de finura puede representar un número infinitode distribuciones granulométricas, por lo cual no se puede interpretar
tamiz · ·
(y- W + (x- a)2 = 1 (4.4)
aberturax.
a y b son constantes que représentan lon jes de la elipse y su valor depende del tamaño máxim() (D) del agregado y de la forma de las partículas; estos valores se muestran en la tabla 4.11. Estas constantes fueron prescritas de tal forma que a medida que las partlculas son más angulosas es más ampUo el porcentaje de material fino representado por la parte eliptica.
b2 D o n d e
y es el porcentaje de
material que pasÚI
agregadosen su fracción gruesa, mientrasque el tama ño máximo sólo indica el tamaño de la partícula más grande que hay en la masa, la cual en algunos casos
de
100
L. /
V :
80
¿:_ Por esta razón generalmente al hacer un análisis "' 60
de manera práctica el predominio de partículas finas o
,
gado dado, sino, más bien, como un factor que indica G
partículas gruesas dentro de la distribución granulo métrica. En general, éste valor puede variar entre O y 10 o más (dependiendo del tamaño máximo presente)_. En la medida en que se acerca a cero indica un agregado fino y en la medida que aumenta su valor indica que el agregado es más grueso. Su uso general mente se ha centrado en la evaluación de "grados de finura" del agregado fmo o arena.
granulométrico, los valores del tamaño máximo y el tamaño nominal no coinciden, pero además la mayo ría de las especificaciones granulométricas se dan en definir de manera más real y generalizada una especi ficación granulométrica determinada. De igual manera que se ha generalizado la costum bre de utilizar el módulo de finura para caracterizar al
/
a
.o,.
-"""
o ii'
L
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40 .
..........
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1
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J
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a mm
1b
r.lj 3· 20
5 25
7 30
JO
.
78
Los agregados o jridos
TECNOLOOIA DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
79
Tabla 4.11 Valores de las constantes que representan la parte elíptica de la ecuadón fuller-Thompson (4-12)
Agregados de canto rodado Arena natural y grava triturada Arena y grava trituradas
0,164 D 0,150D 0,147 D
Según algunos autores, cuando se desea obtener la curva para el agregado solo, debe restarse la porción de cemento prevista en cada caso y tomar el resto co mo 100%. Al hacer esto se obtiene una curva de forma aproximadamente parabólica, la cual se ha llamado curva o parábola de Fuller-Thompson y está expresa- da de la siguiente manera: ·
28.6 30,4 30,8
P= 100 En esta curva ideal, Fuller y Thompson encontra ron que para un valor de "y" igual al7% el valor de "x" era de 0.074 mm, es decir, que el7% de la masa está constituido por partículas de diámetro inferior a 0.074 mm, o sea la fracción que pasa el tamiz No. 200, más el cemento. Posteriormente, la curva continúa con su forma elíptica, hasta un valor de "x" aproximadamente igual all O por ciento del tamaño máximo, y a partir de este punto sigue como una línea recta en que "y" es igual al100 por ciento y "x" es igual al tamaño máximo presente.
{f
=
100 [
l
12
1(4.5)
En donde: P= D=
porcentaje de material que pasa por el tamiz de abertura d. tamaño máximo del agregado.
Los valores numéricos correspondientes a las dife rentes curvas de cada tamaño máximo (ecuación 4.5) se presentan en la tabla 4.12.
Sin embargo, se ha observado que los agregados gradados según la ecuación (4.5) para producir máxi ma densidad dan lugar a mezclas ásperas y poco manejables en estado plástico debido a la falta de finos, especialmente para concretos con bajo contenido de cemento. Esta es la razón de que Fuller y Thompson en la ecuación (4.4) hubieran asumido un 7% de material con diámetro inferior a 0.074 mm.
Teoría de Weymouth En 1933 se publicó la obra "Effect of partícle inter ferencein mortars and concrete" de C. A.G. Weymouth, en la cual el autor expone una teoría acerca de las mez clas de concreto así como el efecto de la partícula de interferencia en los requerimientos de agua y tra bajabilidad, incluyendo la tendencia de los diferentes tamaños de las partículas a segregarse durante el manejo. El ilustró su concepto en términos de mezcla seca de agregados, usando el modelo mostrado en la figura 4.6.
Tabla 4.12 Gradaciones ideales Fuller-Thompson de agregados para concreto en porcentaje que pasa
76.1 3" 100.0 50.8 2" 81.6 38.1 lW' 70.7 ]" 25.4 57.8 19.0 %" 50.0 12.7 W' 40.9 9.51 3is 35.4 4.76 No.4 25.0 2.38 . No. 8 17.7 1.19 No. 16 12.5 0.595 No.30 8.8 0.297 No. 50 6.2 0.149 No. 100 4.4 80
100.0 86.6 70.7 61.2 50.0 43.3 30.6 21.6 15.3 10.8 7.7 5.4
100.0 81.6 70.7 57.8 50.0 35.0 25.4 17.7
12.5 8.8 6.2
100.0 86.6 70.7 61.2 43.3 30.6 21.6 15.3 10.8 7.7
100.0 81.6 70.7 50.0 35.4 25.0 17.7 12.5 8.8
100.0 87.2 61.2 43.3 30.6 21.6 15.3 10.8
La figura 4.6 (a) representa, en dos dimens\Pnes, una mezcla de dos tamaños de partículas. Las partícu las más grandes son pocas y están muy separadas por las partículas más pequeñas; la distancia promedio entre ellas t, es considerablemente más grande que el diámetro de las partículas más pequeñas (Da). En el diagrama {b), el número relativo de las partículas más grandes es más amplio y la distancia promedio entre ellas es justo igual al diámetro de las partículas más pequeñas. De acuerdo con Weymouth, para la compo sición representada por (a) o (b), la mezcla puede ser removida sin cambios en la uniformidad de los "depó sitos vacíos" definidos por las partículas más peque ñas. En la figura 4.6 (e) la concentración de partículas más grandes es tal que el espacio promedio entre ellas es más reducido que el diámetro de las partículas más pequeñas, haciéndose imposible que los espacios intersticiales de las partículas más grandes sean llena das uniformemente con las más pequeñas. Weymouth sostuvo que cuando una mezcla es efectuada en una batea, hay una tendencia de los dos tamaños a produ-
Figura 4.6 Modelo de Weymouth para partículas de interferencia
(4.13)
100.0 70.8 50.0 35.4 25.0 17.8 12.6
TECNOLOGIA DEL CONCRETO Y DEL MOiiTERO
Los agregados o áridos
81
cir segregación. Para aplicar esta observación a una masa de mayor volumen, él visualizó cómo un grupo de partículas de tamaño dado conformaban un espa cio de estructura de rejilla a través de la cual las par tículas más pequeñas se mueven en sentido vertical y horizontal tan libremente como ellas puedan durante la manipulación de la mezcla y la masa permanece homogénea. Pero si las partículas más grandes interfie ren el movimiento de las más pequeñas, entonces ocurre segregación, y los grandes depósitos de vacíos son desarrollados con una gran pérdida de resistencia
entre las partículas es menor queel diámetro de las par tículas subsiguientes menores. En caso contrario, los granos pueden moverse libremente entre los másgran des, distribuyéndose mejoren el concreto y haciéndolo en extremo trabajable. Esta ley de gradación, Weymouth la pudo expresar en una ecuación de forma similar a la de Fuller. La ex presión general es:
P=IOO [ ]"
y trabajabilidad.
(4.6)
En donde: Después de extensos y arduos experimentos Wey mouth concluyó que para obtener la adecuada trabaja bilidad con una máxima economía, hay una ley de gradación de los agregados de tal forma que los granos de un solo tamaño deben tener espacio suficiente para moverse dentro del espacio dejado por los granos del tamaño subsiguiente mayor, evitando de esta manera la interferencia de las partículas. Esta interferencia aparece cuando hay mucha cantidad de agregados de un solo tamaño. Cuando esto ocurre, el espacio medio
P = Porcentaje que pasa por el tamiz (d) D = Tamaño máximo del agregado
n
=
Exponente que gobierna la distribución de las partículas y es función del agregado grueso.
En una investigación adelantada por Juan F. Gar cía Baladd4.141, se dan los valores de n como una fun ción del tamaño, los cuales se presentan en la tabla 4.13.
Tabla 4.14 Gradaciones Ideales de Weymouth para agregados
en porcentaje que pasa
76.1 50.8
3 2
38.1
Hí
25.4
1
19.1
3/4
9.51 4.76 2.38 1.19 0.595 0.297 0.149
1á No.4 No.8 No. 16 No.30 No. 50 No. 100
83.0
100.0 92.6
66.7 53.0 42.9 34.8 28.1 22.8 18.4 14.9
75.2 60.1 48.5 39.4 38.1 25.8 20.8 16.9
Tabla 4.13 Valores den para la ecuación de Weymouth en función del tamaño (4.14)
Dondej = Jjq. Tales gradaciones, para las cuales (q) puede tener otros valores diferentes de 0.5, son también parabólicas. En 19291os investigadores A. H. M. Andreasen Y J. De acuerdo con lo anterior se obtienen las gra nulometrías ideales mostradas en la tabla 4.14. Sin embargo, se ha observado que estas gradaciones dan lugar a mezclas con exceso de finos (pastosas) por lo cual requieren de un alto contenido de agua y por lo tanto de cemento para una misma resistencia. Otras teorías de gradación
Con el fin de obtener una mayor ilustración sobre el tema, es conveniente enunciar otras investigaciones
realizadas con base en las teorías descritas anterior· mente. En primer lugar, cabe señalar que la gradación parabólica de Fuller-Thompson que requiere que la fracción más fina de un tamaño dado sea igual a la raíz cuadrada de la relación de tamaños d/D, es solamente una, de muchas familias de parábolas de varios grados que se podrian expresar de la siguiente manera: (4.8) TECNOLOGIA DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
82
Anderson demostraron que cuando los. tamaños _de agregados descienden a cero, el contemdo de v CIOS presentes depende solamente del valor de q, Y es mde pendiente del tamaño máximo D. De tl manera_ que entre más pequeño el valor de q es ma.s pequeno el contenido de vacíos; así que si q se aproxima a cero, de la misma manera hace el contenido de va íos.. En el otro extremo, cuando q se aproxima a mfimto, el agregado tiende a un tamaño único, cr ci ndo de es· ta forma el contenido de vacíos. Esto sigmfica que la hechura de una masa densa de un material granular es Los agregados o áridos
100.0
100.0 81.6 65.6 53.0 42.9 34.8 28.1 22.8 18.4
100.0 91.7 74.1 60.0 48.5 39.3 31.8 25.8 20.8
81.0 65.5 53.0 42.9 34.8 28.1 22.8
simplemente asunto de adaptar una gradación para· bólica asignando un pequeño valor de q. Sin embargo, en la práctica esto no necesariamen te es cierto, debido a la inhabilidad que presentan las par tículas más pequeñas para formar una masa densa. En un estudio adelantado por este autor y otros in· vestigadores (4.15), se determinara.experiment l en te las densidades de "empaquetado (m?s?s u Itanas) de agregados de composición granulometnca bien defi nida, tanto para material en estado suelto: como .com pactado a base de una energía de ibrado Siempre Igual. Para este estudio, las curvas de cnbado responden a la ecuación: (4.9) P= 100 (d/D)" 83
En la que para el exponente n se emplearon sucesivamente los valores 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9 y 1.0. Los ensayos se llevaron a cabo con arena y grava de canto rodado trituradas. La figura 4.7 muestra los resultados obtenidos con mezclas com puestas únicamente de agregados, cuyo tamaño máxi-
mo es de 25.4 mm (1"), en la cual se aprecia que lapa rábola de Fuller-Thompson (n = 0.5) no es la que pro porciona la densidad óptima de empaquetado. En el caso de la masa unitaria suelta, la máxima densidad de em paquetado corresponde a un valor del exponente n =0.35 y, en el caso de la masa unitaria compacta a
n = 0.4.
Figura 4.7 Curvas de masas unitarias del agregado en función de 2.060
-
2.020 1.980
1.940
-
v
-
-
1.900
Masa Unita a Compa<
1.860
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-
1.820
-
1.780
V
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V / V
1.540
-""-
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De otra parte, dentro de esta misma investigación, al involucrar cemento a la mezcla se observa la misma ten dencia a aumentar el peso unitario del concreto confor me al comportamiento granulométrico de los agregados (ver figura 4.8).
y para ello requiere de una granulometria que permita que ésta obture los espacios dejados por los agregados y formar así una masa más densa. Esto se logra cuando se tiene una granulometria en que los espacios entre sus granos sean llenados por la pasta, obteniéndose así el mínimo de vacíos posibles y por lo tanto el mejor acomodamiento de pasta y agregados. Es por esto que la máxima densidad del concreto endurecido se desplaza para una granulometria correspondiente a n = 0.49 (valor prácticamente igual al n de Fullery Thompson).
Figura 4.8 Curva de peso unitario del concreto endurecido en función den (4.15)
' 1\\
..v ¡_--
de explicar tomando como base el análisis de la masa unitaria compacta del agregado en la cual se dijo que a medida que n aumenta a partir del punto máximo (n = 0.40) la fracción gruesa aumenta y la fracción fina disminuye; en forma inversa, cuando n disminuye del punto de equilibrio. Ahora bien, en el caso de la masa de concreto, la pasta de cemento necesita ocupar un lugar
Como se puede ver, el punto de máxima compa cidad del concreto endurecido no coincide con el punto de máxima compacidad de los agregados; esto se pue-
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1.700
1.560 1"'"
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1.6601.620
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V
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11 (4.15)
se cada vez más del punto de equilibrio. Esto se debe a que los espacios dejados por las partículas de mayor tamaño no alcanzan a ser llenados por los granos más finos ya que cuando n tiende a infinito el tamaño de las particulas lo hace a utama o.único (tam ño máximo D), obteniéndose as1 un maxmo ¿e vac1os y por lo tanto bajos valores de masa umtana. ·
40
2
.L._ 1'-.
2 8
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1 1 l 1 1
8
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
4
VALOR DEn
En la parte izquierda de estas curvas se observa que a medida que aumenta el valor den, se disminuye notablemente el contenido de finos y se incrementa el valor de las masas unitarias hasta un máximo. El. punto de máxima compacidad se presenta cuando hay un "équilibrio" entre todas las particulas. Este equilibrio se obtiene cuando el espacio dejado por las partículas de mayor tamaño es ocupado por otras 84
la cantidad o porcentaje de cada tamaño sea el óptimo para que no haya exceso ni defecto de un tamaño determinado y que cada grano cumpla la función de llenar un vacío, obteniéndose así un conjunto lo más compacto posible con la mayor densidad que se puede lograr con un determinado material. A medida que n aumenta a partir del punto máximo se tiene el fenómeno inverso, esto es, que la fracción
TECNOLOGIA DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
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6
1
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21
1
1
6 4 2
0.4
lOOO 0.1
Los agregados o áridos
0.2
0.3
0.5
0.6
1
0.7
0.8
Valor den
85
Por tales motivos, este autor sugiere la siguiente expresión como curva ideal de gradación de agrega dos, en función de eliminar las asperezas, mejorar la manejabilidad y obtener más altas resistencias en una mezcla de concreto.
De acuerdo con lo anterior, se puede ver que el peso unitarioes una medida indirecta de la compacidad de una mezcla de concreto en estado endurecido, tal como lo plantearon Fuller y Thompson.
P = 100 (d/D)045
Sin embargo, la práctica ha demostrado que alto mar un valor den= 0.5 se requiere de una mayor ener gía de compactación para lograr un alto peso unitario y una alta resistencia. Es por ello que se deben emplear valores sustancialmente menores de n para lograr la más alta resistencia, con menor energía de compac tación. En la figura 4.9 se puede apreciar que la más alta resistencia de un concreto en función de su granu lometría se obtiene para un valor den= 0.45, empleando métodos tradicionales de compactación.
(4.10)
Donde P = Porcentaje que pasa por el tamiz d D = Tamaño máximo del agregado La cual da un valor intermedio en n = 0.45 entre la máxima compacidad de los agregados solos (n = 0.4)
y la de los agregados con cemento (n = 0.5) con méto dos tradicionales de compactación. De acuerdo con lo anterior se obtienen las granulometrías ideales mostra das en la tabla 4.16.
Teoría de Bolomey Desde la publicación de la teoría de Fuller y Thomp son y la posterior teoría de Weymouth, son muchas las curvas ideales de gradación que se han desarrollado hasta nuestros días. Sin embargo, tal vez la modifica ción que en su momento (1947) fue más aceptada y aún hoy en día tiene vigencia es la propuesta por Bolo mey, la cual contempla un mayor contenido de finos dentro de la masa del agregado (sin excesos como en la teoría de Weymouth) con el objeto de eliminar la aspereza y mejorar la manejabilidad de la mezcla de concreto en estado plástico. Esta modificación está dada en la expresión (4.7).
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1
1 // // 50.8 -
300
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180 140
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2
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380
..u._ e
Tabla 4.15 Valores de f según la fórmula de Bolomey (4.13)
Seca
Normal
6-8 8-10
Redonda Cúbica
10 12 12-14 14-16
.......... r--....
/
420
< J
donde fes una constante empírica que indica el grado de trabajabilidad de una mezcla de concreto para una consistencia y una forma determinada de las partícu las. Estos valores de f se presentan en la tabla 4.15.
Tabla 4.16 Gradaciones ideales para agregados, en porcentaje que pasa, según el autor
460
:"::'.
(4.7)
(tierra húmeda) (plástico) (/luida}
Figura 4.9 Curva de resistenda a la compresión del concreto en función den (4.15)
NE
P= {+ (100-f) X (d/D) 1'2
"...
''
¡..... ...
¡...-
... .....
.......
A28Días
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..............
----
76.1
/
2" 83.3
A3 r--
1 1
60 20 0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
-
0.7
0.8
38.1 25.4 19.0 12.7 9.51 4.76 2.38 1.19 0.595 0.297 0.149 -
3"
100.0
1"
61.0
llh''
73.2
14" lh''
53.6 44.7 39.2 28.7 21.0 15.4 11.3 8.2 6.0
3,¡í"
No.4 No.8 No. 16 No. 30 No. 50 No. 100
100.0 87.9 73.2 64.3 53.6 47.1 34.5 25.2 18.5 13.5 9.9 7.3
100.0 83.3 73.2 61.0 53.6 39.2 28.7 21.0 15.4 11.3 8.3
100.0 87.9 73.2 64.3 47.1 34.5 25.2 18.5 13.5
9.9
100.0 83.3 73.Z 53.6 39.3 28.7 21.0 15.4 11.3
100.0 87.9 64.3 47.1 34.5 25.2 18.5 13.5
100.0 73.2 53.6 39.3 28.7 21.0 15.4
Valor den
86
TECNOLOGIA DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
Los agregados o áridos
87
Especificaciones de las curvas de granulometría Como se vio anteriormente, la resistencia a la com presión del concreto totalmente compactado con una determinada relación agua-cemento no es indepen diente de la granulometría del agregado; para lograr una buena compactación cuando se encuentra en esta do plástico, se requiere una adecuada manejabilidad sin segregación, que sólo se obtiene con una granulometría tal que permita compactar la mezcla a la máxima den sidad con un uso moderado de energía. En este punto, es conveniente anotar que las gra nulometrías ideales sólo existen a nivel teórico, difícil mente se pueden reproducir en la práctica, de tal manera que una buena granulometría o más bien una
especificación granulométrica, se refiere al aprovecha miento eficiente de condiciones técnicas y económi cas para obtener el resultado deseado. Para este efecto, casi todas las especificaciones granulométricas contemplan dos curvas: la primera define el límite superior y la segunda el inferior, dentro de las cuales cualquier granulometría es buena. En el caso europeo, éstas contemplan la gradación comple ta del agregado, desde las partículas que pasan el ta miz de 0,149 mm hasta el tamaño máximo deseado, como aparece en la figura 4.1O, que muestra la espe cificación alemana DIN 1045 para agregado de tama ño máximo D = 30 mm (1,2") y en la figura 4.11 donde se indica la especificación británica para agregado de tamaño máximo D = 19.1 mm (1"4").
Figura 4.10 Limites de gradación continua completa (finos y gruesos) para agregado de tamaño máximo= 30 mm (1.2") según DIN-1045 (4.13) TAMIZ No. 100
50
30
16
8
3la "
4
%"
11h"
En los Estados Unidos de América la especifica ción ASTM C-33, de la cual se ha extractado la norma NTC - 174, determina un par de curvas límites para agregado fino que deben utilizarse para concreto (no para morteros) y 13 pares de curvas para agregados gruesos según su tamaño máximo nominal. En lasta blas 4.17 y 4.18 se indican estas especificaciones y en la figura 4.12, a manera de ejemplo, se muestran las curvas límites de gradación del agregado grueso cuyo tamaño máximo nominal es de 19 mm (14''). La gra dación del agregado fino que se utiliza en morteros de mampostería está especificada en la norma ASTM C144 y es más fina que la de la arena utilizada en con creto, por razones obvias. Esta gradación se muestra en la tabla 4.19.
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TAMIZ No.
No.4 No. 8 No. 16 No. 30 No. 50 No. 100
2.38 1.19 0.595 0.297 0.149
100 95- 100 80- 100 50-85 25-60 10-30 2- 10
100
30
50
16
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4.76
100
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3-o\• .,.
9.51
figura 4.11 Límites de gradación continua completa (finos y gruesos) para agregado de tamaño máximo= 19 mm (3/4") según B.S.I. (4.18)
100 /
Tabla 4.17 Requisitos de granulometría del agregado fino para concreto según ASTM C-33 y NTC 174
l.---::
t::::--
--- -----···--··--
·--'--------
mm
88
0.149
0.297
0.595
1.19
2.38
4.76
9.51
19.0
38.1
TECNOLOGIA DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
mm
Los agregados o dridos
0.149
0.297
0.595
1.19
2.38
4.76
9.51
19.0
89
En el caso colombiano, existe la norma NTC 174 que especifica 1O pares de curvasde granulometría para agregado grueso, las cuales se muestran en la
tabla 4.20. La especificación de granulometría de agre gado fino para concreto es la misma de la tabla 4.17.
Figura 4.12 límites de gradación para agregado grueso cuyo TIVIN = 19 mm(3/4")segím ASTIVI C-33 (4.6)
TAMIZ No.
100
30
50
16
4
8
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lOO
11
80
II
11
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o mm
0.149
0.297
0.595
2.38
1.19
4.76
9.51
90.100
100
95 a 100
25.0 a 4.75 mm (1" a No. 4) 19.0 a 9.5 mm (l\" a y,")
8
19.0
90 a 37.5 mm 100 (Ji\ a J'h'') 63a375mm ( 2i\ a ¡•,;) 50a25.0mm (2 a 1') 50 a 4.75mm (2" a No. 4)
90
-
90 a 100
25 a 60 100
O a 15
Oa5 Oa5
90 a 100
35 a 70
O a 15
100
90.100
35 a 70
100
95 a 100
O a 15
35 a 70
!O aJO
Oa5
TECNOLOGIA DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
100
90 a 100
40 a 85
JO a40
O a 15
100
95 a 100
25 a 60 20a 55
100 95 -100 70 -100 40 - 75 10 - 35 2 - 15
100 95 -100 70 -100 40- 75 20- 40
10- 25
o- JO
Oa5
O a 15
O a 10
100
90 a 100
100
90a100 20a55 100 90a100 40a70 100
Como se mencionó anteriormente, los agregados naturales provienen de tres tipos de roca, a saber: ígneas, sedimentarias y metamórficas que, dependien-
Los agregados o áridos
lOa 30 Oa5
Forma
O a 15
35a 70
o' JO
Tabla 4.18 Requisitos de granulometría para agregado grueso según ASTIVI C-33
- No. 4 - No. 8 - No. 16 600 ¡.tm - No. 30 300 ¡.tm - No. 50 150 ¡.tm- No. 750 ¡.tm- No.
Oa5
20 a 55
Tabla 4.19 Requisitos de granulometría del agregado fino para mortero según ASTIVI C-144 (4.6)
2.36 1.18
O a15
90 a 100
(il" a No. 4) 9.5a2.36mm (Y," a No. 8)
4.75
20 a 55
100
19.0 a 4.75 mm (Y<"aNo.4) 7 J2.5a4.75mm -
1 1 1 1/ 1 / /
a.
-
100
67
1 1
·;o
57
1
60
37.5 a 19.0 mm (Ji\" al\") 37.5 a4.75 mm (Ji\' a No. 4) 5 25.0al25mm (1aW) 56 25.0 a9.5mm (la :V,") 4
:Y."
:Y,"8
PORCENTAJE QUE PASA
Continuación Tabla 4.18
O a 15
85a100
Oa5
O a 15
OaJO Oa15
Oa5 Oa5
!Oa30
Oa JO
Oa5
do de su procedencia, tienen unas características mi· neralógicas y petrográficas determinadas. Adicional mente a estas características, hay algunas propieda des que corresponden al agregado en sí, pero que in directamente dependen del tipo de roca. Una de éstas es la forma de las partículas del agregado. En ténninos generales, se puede decir que los agre gados procedentes de piedras naturales sometidas a un proceso de trituración y clasificación tienen formas geo métricas que varían desde lasaproximadamente cúbicas o poliédricas, a las de esquirlas alargadas o astilladas, o a las laminares aplanadas, o a las de forma de cascos. Mientras que los agregados de río o de depósitos (arras tres fluviales o glaciares) tienen formas de cantos redon deados (cantos rodados), o aplanadas (medallón). Tal vez la clasificación más utilizada hasta el mo mento, para definir la forma de las partículas del agre-
91
piedras de ríos y cantos rodados y la cúbica para tritura dos (fig. 4.13).En la medida en que la forma de las par tículas del agregado se aleje de estas geometrlas, menor será la cantidad de partículas quese acomoden dentro de un volumen determinado y por lo tanto quedarán espa ciosentre partícula y partícula que deben serllenadoscon pasta de cemento, lo cual encarece el costo unitario y aumenta el riesgo de agrietamiento del concreto por el mayor contenido de cemento, con lo cual no se cumpl rían los objetivos propuestos en el capítulo primero refe rentes a las funciones del agregado dentro de una mezcla
gado, es la descrita en la norma británica B.S.812 que se muestra en la tabla 4.21.
En términos prácticos, la forma de las partículas del agregado juega un papel muy importante en la fabrica ción de concreto, debidoa que la aptitud de compactación de la mezcla no sólo depende de la granulometria del agregado sino también del grado de acomodamiento de las partículas.Para lograr un altogradode acomodamiento y compactación de las partículas, que genera una alta densidad y por tanto una mayor resistencia en el concre
de concreto.
to, las formas más adecuadas son las redondeadas para
Tabla 4.20 Requisitos de granulometría para agregado grueso según
Tabla 4.21 Clasificación de las partículas según su forma. Norma 8.5-812 (4.18)
Por otra parte, la forma ideal esla redondeada, debido a que el grado de acomodamiento de las partículas de forma redondeada es mejor que el de partículas deforma cúbica. En efecto, se ha demostrado que en un metro cúbico de material de forma redondeada puede haber hasta un 25% más de material que en igual volumen de material de forma cúbica.
& Irregular
Irregularidad natural, o parcialmente mada por frotamiento y con caras dondeadas.
En cuanto a las partículas de forma "lajuda" (alarga das y planas), aparte de tener por lo general una estruc· tura laminar (en capas) con poca resistencia, éstas tien den a colocarse en posición horizontal dentro de la masa
e-Angular
Posee caras bien definidas que se man en la intersección de caras o menos planas.
compacta de concreto, lo cual impide la salida del agua libre de la mezcla durante el proceso defraguado y genera burbujas de aire que debilitan la resistencia del concreto (ver figura 4.14). Por esta razón deben evitarse.
NTC -174
O-Escamosa (laminar)
Figura 4.14 Burbuja de agua atrapada por una partícula plana
E- Elongada
o
90,50 mm a 38,1O mm
64,00 mm a 38,10 mm 2
50,80 mm a 4,76 mm
3
38,10 mm a 4,76 mm
4 5 6 100 70
7 8 9
lOO
90 a 100
O a
O a
35 a O a 70 15 95 a 35 a 100 70 100 95 a 100 100 95 a 100 100
O a
25 a 60 100 90 a 100 100
25,40 mm a 4,76 mm 19,0 mm a 4,76 mm
15
5
9,51 mm a 2,38 mm
38,10 mm a 19,00 mm
10 a 30 35 a 70 25 a 60
100
90 a 100 100
35 a 70 90 a 100
O a
elongada
O a 5 10 a O a 30 5
O a 10
20 a O a 55 10 100 90 a 40 a O a 15 100 85 a 10 a 100 30
O a
O a
Material cuya longitud es mente mayor que el ancho derablemente mayor que el espesor.
Figura 4.13 Partículas de forma redondeada y cúbica
5
O a
90 a
lOO
12,70 mm a 4,76 mm
50,80 mm a 25,40 mm
f. Escamosa y
5
5
O a 5
O
O a
a
5
-
10
TECNOLOGIA DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
Partícula larga: Aquella cuya relación entre longi· tud y anchura es mayor de 1,5. Larga
5 15 20 a O a O a 55 15 5
L b
> 1,5
(4.11)
93 Los agregados o áridos
92
Con el objeto de impedir esta situaciónde asegurar una forma de partículas que se asemeje a las formas ideales (redondeada y cúbica), la norma NTC 174 especifica que el porcentaje de partículasde forma indeseable (plana o alargada) no debe exceder del 50% de la masa total del agregado, sobre la base de las siguientes definiciones:
Donde
Tabla 4.22 Clasificación de la textura
Longitud de la partícula Ancho de la partícula
L b
superficial de los agregados Norma B.S-1112 (4.18)
Figura 4.15 Esquema del área superficial
de los agregados
- Partícula plana: Aquélla cuya relación entre el espesor y el ancho es menor de 0,5. Vítrea
d
Plana Donde
d b
b
< 0,5
(4.12)
2
Lisa
Espesor de .la partícula Ancho de la partícula
·Fractura concoidal
3
Textura Otra propiedad que corresponde intrínsecamente al agregado, pero que se deriva indirectamente de la roca madre, es la textura superficial, que también incide nota blemente en las propiedades del concreto, especialmen te en la adherencia entre las partículas del agregado y la pasta de cemento fraguado, y gobierna las condiciones de Huidez mientrasla mezcla seencuentra en estado plástico. La clasificación de la textura superficial se basa en
las características de la superficie de una partícula en tér minos de si es pulida, mate, suave o áspera, lo cual está ligado a la dureza, tamaño, fonna y estructura de la roca original. En términosgenerales, se puede decir que es lisa (agregados redondeados) o áspera (agregados tritura dos), pero la clasificación más utilizada está dada por la norma británica B.S-812 que aparece en la tabla 4.22.
Granular
Figura 4.16 Partícula de agregado
Desgastada por el agua, o lisa de bido a la fractura de roca laminada o de grano fino. Fractura que muestra granos más o menos uniformemente redon deados.
4
Aspera
Fractura áspera de roca con gra nos finos o medianos que nen partículas cristalinas no fácil mente visibles.
5
Cristalina Contiene partículas cristalinas cilmente visibles.
6
Apanalada Con poros y cavidades visibles.
Se observa que el área superficial, resulta inver samente proporcional al tamaño de la partícula. Por otra parte, se define la superficie de pega o "superficie específica total" como la suma del área superficial de todas las partículas que constituyen la masa de agre gado. Esta superficie de pega depende de la granulo
Superlicie específica
mino densidad, puesto que generalmente entre sus partículas hay cavidades o poros que pueden estar vacíos, parcialmente saturados o llenos de agua, de pendiendo de su permeabilidad interna. Para esto, es necesario examinar la figura 4.16, a partir de la cual resultan las siguientes definiciones:
(a)
(b)
(e)
Poro saturable
La explicación es la siguiente:si se supone un
cubo
de piedra de 1 m de arista (figura 4.15a) el cual se parte por la mitad (figura 4.15b), para unirlo nuevamente se requiere de una cantidad de pegante (pasta de cernen· to) que cubra un área de 1 m2 en cada cara; si se parte nuevamente (figura 4.15c), la superficie de pega au· mentará en otro m2 por cada cara; de continuar este procedimiento (figura 4.15d), el área superficial de pe ga aumentará en progresión geométrica, de manera que se requerirá cada vez más pasta de cemento para unirlo nuevamente. A partir de este concepto, se entiende cómo a me dida que es mayor el tamaño máximo de una masa de agregado, es menor su superficie específica y por tanto se requiere menos pasta y por ende menos agua y menos cemento.
Densidad absoluta La densidad absoluta se define como la relación que existe entre el peso de la masa del material y el volumen que ocupa única y exclusivamente la masa sólida, o sea, que seexcluyen todos los poros,saturables y nosaturables.
p
Densidad absoluta=--'-
V m - Vp
(4.14)
Densidad o Peso Específico La superficie específica del agregado se define como la relación que hay entre la superficie exterior de una partícula y el volumen que ocupa esa partícula. Si se supone una forma esférica con un diámetro d, esta relación es:
SE=
94
Area super/lcial
volumen
=
4 1t r2 (:Y.) 1t rl
3
6 d
(4.13)
metría, la forma y la textura de las partículas. El concepto de superficie fue introducido dentro del campo de la Tecnologla del Concreto en el año de 1918 por L. E. Edwards y reviste importancia ya que a p rtir de la superficie de pega se calculan los requeri mientos de agua (pasta de cemento) para mojar y unir todas las partículas del agregado. La figura 4.15 esquematiza este concepto.
TE:CNOLOGIA DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
Dentro de las propiedades físicas de los agregados que dependen directamente de las propiedades de la roca original de donde provienen, se encuentra la densidad, la cual está definida como la relación entre
Donde: P = Peso seco de la masa m v'm = Volumen ocupado por la masa m Vp = Volumen de los poros (saturables y no saturables)
el peso y el volumen de una masa determinada.
Densidad nominal
Sin embargo, en el caso de los agregados para con creto hay necesidad de definir cuidadosamente el tér-
La densidad nominal se define como la relación que existe entre el peso de la masa del material y el volumen
los agregados o áridos
95
que ocupan las partículas de ese material, incluidos los poros no saturables. p
Densidad nominal =
Donde: P
v'
Vp
S
S
(4.15)
Peso seco de la masa m Volumen ocupado por la masa m = Volumen de los poros saturables
La densidad aparente del agregado depende de la constitución mineralógica de la roca madre y por lo tanto de su densidad, así como también de la cantidad de huecos o poros que contenga. De tal forma que la densidad aparente es inversamente proporcional al vo lumen de poros. Por lo general, el valor de esta densi dad en los agregados pétreos oscila entre 2JO g/cm3 y 2.8 g/cm 3 según la roca de origen. En la tabla 4.23 se dan algunos valores típicos.
se mide para cuantificar la influencia de la porosidad dentro del agregado es su capacidad de absorción, ya que las partículas del agregado pueden pasar por cuatro estados, a saber: seco, parcialmente saturado, saturado y superficialmente seco, o húmedo, lo cual se esquematiza en la figura 4.17 y depende del grado de absorción de las partículas que varía aproximadamen te entre 0% y 5% para agregados pétreos de peso normal. Figura 4.17 Diferentes estados de saturación
Tabla 4.23 Densidad aparente seca de algunas rocas (4.5) · . Gmpo deroca Intervalo de densidad (g/cm')
Densidad aparente
del agregado
Por último, la densidad aparente está definida como la relación que existe entre el peso de la masa del saturables. Densidad aparente
=
S
(4.16)
Vm Donde: P
v:
Peso seco de la masa m Volumen ocupado por la masa m
Basáltico
2.6-3.0
Granílico
2.6-3.0
Homofélsico Calizo Porfiritico
2.7-3.0 2.5-2.8 2.6·2.9
Esquistoso
2.4-2.6
o@ --0 -.
Secado total
Peso volumétrico El peso volumétrico de un agregado, más común mente conocido cdmo masa unitaria, está definido co mo la relación existente entre el peso de una muestra de agregado compuesta de varias partículas y el volu men que ocupan esas partículas agrupadas dentro de un recipiente de volumen conocido. De tal manera que al colocar el agregado dentro del recipiente (figura 4.18) se tendrá un acomodamiento de las partículas en que el menor volumen de espacios entre partícula y partícula se logra cuando se coloca la mayor cantidad posible de piedras, lo cual depende del tamaño, la Figura 4.18 Esquematización del peso volumétrico
Parcialmente húmedo
.
(a)
(b)
.
',
(e}
. .. .
..
Poro nosaturable
.
(d}
' puede determinaren estado seco o en estado húmedo, dependiendo del grado de saturación de sus poros. En el campo de la Tecnología del Concreto, la densidad que interesa es la densidad aparente, debido a que lógicamente con ella es que se determina la cantidad (en peso) de agregado requerida para un volumen unitario de concreto, porque los poros interio· res de las partículas de agregados van a ocupar un volumen dentro de la masa de concreto y porque el agua que se aloja dentro de los poros saturables no hace parte del agua de mezclado; entendiéndose por agua de mezclado tanto el agua de hidratación del cemento como el agua libre que en combinación con
La porosidad de las partículas del agregado, como se mencionó en el aparte anterior, es muy importante en el comportamiento de los agregados dentro del concreto porque una partícula porosa es mucho me nos dura que una partícula compacta o maciza, lo cual afecta no sólo las propiedades mecánicas como la adherencia y la resistencia a compresión y flexión sino
también propiedades de durabilidad como la resisten· da al congelamiento y deshielo, estabilidad química y resistencia a la abrasión. La porosidad está relacionada con la capacidad de absorción de agua u otro líquido dentro de los agrega
Según lo anterior, la capacidad de absorción de las partículas de agregado se puede determinar fácilmen te por diferencia de pesos, entre el peso saturado y su perficialmente seco y el peso seco, expresado como un porcentaje del peso seco.
Al observar la figura 4.18, lo que se percibe en rea lidad como masa unitaria es una densidad del material como conjunto, ya que según la expresión 4.18,
Psss- Ps
% absorción =
----
Ps
Ps
X
JQO
Masa unitaria = -
(4.17)
Donde:
Vr
Donde: Psss
=
Peso de la muestra saturada y
Ps
Vr
= Peso seco del material = Volumen del recipiente
(4.18)
el cemento produce la pasta lubricante de los agrega dos cuando la mezcla se encuentra en estado plástico.
96
dos según el tamaño de los poros, su continuidad (per meabilidad} y su volumen total. En la práctica, lo que TECNOLOG/A DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
Ps
=
Los agregados o áridos
superficialmente seca Peso seco de la muestra
El denominador es el volumen del recipiente, el cual incluyeel volumen de las partículas, el volumen de
97
los poros de las partículas (saturables y no saturables) y el volumen de los espacios entre partícula y partícula. El numerador de la expresión es el peso del material que depende de qué tan compactas y densas (poco po rosas) sean las partículas.
Abultamiento de la arena Conocidos los conceptos de humedad y masas unitarias, hay un fenómeno que afecta a la arena, cono. cido como abultamiento o expansión.
En consecuencia, la masa unitaria de un agregado indica de manera general la calidad de éste y su aptitud para ser utilizado en la fabricación de concreto. Existen dos tipos de masas unitarias que se describen a conti
Este fenómeno consiste en un aumento de volu men para un determinado peso de arena, causado por la presión del agua entre partícula y partícula de arena cuando se encuentra húmeda, o sea con agua libre en
nuación, cuyo valor suele oscilar entre 1.100 kg/m 3 y
la superficie.
1.600 kg/m3 para agregados naturales, según su gra do de compactación.
Experimentalmente se ha observado que al au mentar el agua libre de un cinco a un ocho por ciento, el abultamiento puede llegar a ser del20 al 30 por cien to. Sin embargo, cuando la arena está totalmente inun dada, el volumen disminuye y no existe expansión alguna.
Masa unitaria compacta Se entiende por masa unitaria compacta el grado de acomodamiento de las partículas del agregado cuando se ha sometido a vibración, ya que ésta mejora el acomodamiento y aumenta la masa unitaria. La importancia de este factor radica en que con él se determinan los volúmenes absolutos de agregados en el diseño de mezclas por cuanto las partículas del agregado van a quedar confinadas dentro de la masa de concreto. Masa unitaria suelta Se denomina masa unitaria suelta la del material que se encuentra en estado normal de reposo porque el volumen que ocupa es mayor y por tanto su masa unitaria es menor. En este caso, el valor de la masa unitaria suelta es de vital importancia cuando se van a manejar los agre gados, ya que por ejemplo el transporte se hace por vo lumen y en estado suelto, de tal manera que el volumen de agregado a transportar y consumir será mayor que el volumen de agregados dentro del concreto a produ cir, colocar y compactar.
Por otra parte, la expansión en arenas gruesas puede ser hasta del20% y en arenas muy finas hasta de un 40%. Por lo expuesto, es conveniente recordar que este fenómeno ocurre, con el objeto de prevenir que el transporte y el almacenamiento de la arena se pueden ver afectados al subestimar las cantidades reales del material.
Propiedades mecánicas Resistencia de las partículas del agregado La falla de un concreto está regida por las resisten cias relativas del agregado, la pasta y de lo que se co noce como la interfase de adherencia. Por lo general, en los agregados naturales de peso normal (baja poro sidad) sucede que las partículas tienen una resistencia superior a la de la pasta de cemento endurecida, por lo cual la resistencia a la compresión del concreto no se ve muy afectada por la resistencia del agregado a la compresión.
Sin embargo, la resistencia del agregado cobra im
rt ncia cuando éste falla antes que la pasta de ce
po at endurecida bien sea porque tiene una estructu· meno . 1 as part1cu • 1 bre entre los, granos que constituyen as rapo ue previamente se le han inducido fallas a sus 0 po r q r ti c ulas durante el proceso de exp1otac1on pnncipa!mente cuando se hace con voladura) o por un ina a ado proceso de trituración cuando se trata de c eguir una granulometria ada. Adicional ente, doSe aumenta la adherencia por la geometna o la cuan 1 tu ra l del agregado al buscar una tex superficia ata b" t 1. resistencia en el concreto, tam 1en aumen a e nesgo de que las partículas del a regado fallen antes que la pasta de cemento endurecida. Por- tal motivo, se han desarrollado pruebas de resistencia a la trituración en muestras de roca y va lores de trituración del agregado a granel, lo7 cuales ermiten dar una idea acerca del comportamiento de fos agregados en el concreto.primera pr e?a tiene el inconveniente de que en realidad se esta midiendo la calidad de la roca madre y no la calidad del agregado; la segunda, que se llama prueba del valor de trituración, está descrita en la norma B.S-812. Por otra parte, se ha demostrado que el módulo de elasticidad del agregado grueso, más que su resi ten cia 0 su valor de trituración, está claramente relaciOna do con la resistencia del concreto, debido a que gen: ralmente el módulo de elasticidad del concreto es mas alto a medida que aumenta el módulo de elasticidad del agregado.En la tabla 4.24 se dan algunos valores típicos. Tabla 424 Valores típicos de resistencia a compresión y módulo de elasticidad de algunas rocas
Granito Caliza Arenisca
1.399 894
486
514.080 450.840 189.720
Tenacidad Otra de las propiedades mecánicas del agregado que conviene mencionar, es la tenacidad o resistencia a la falla por impacto, la cual tiene n: cho que ve_r on el manejo de los agregados, ya que s1 estos son deb1les ante las cargas de impacto se puede alterar su granu !ometria, apartede indicar una baja calid.ad para ;r utilizados en concreto. La manera de medtrlo tamb1en se encuentra especificada en la norma B.S-812. Desde luego, esta tenacidad depende del tipo de roca.
Adherencia Durante los procesos de fraguado y endurecimien to del concreto, los agregados se encuentran aglu tinados por la pasta de cemento {c.ua resiste cia y rigidez varía con el tiempo y las cond1c1ones ambtenta les) y se genera una interacción en la zona de contac.to agregado-pasta, conocida con el nombre de adherencia. Esta adherencia se debe a fuerzas de origen físicoquí mico que ligan las partículas del agregado con la pasta. La adherencia juega un papel muy importante den tro de la masa de concreto, debido a que cuando esta interacción es lograda a través de una buena traba entre los agregados y la pasta, la resistencia del concre toes mayor. La adherencia depende de la calidad de la pasta de cemento y, en gran medida, del tamaño, form?, rigidez y textura de las partículas del gregado,. spectalmente cuando se trata de resistencia a la flex1on.
Hoy en día no se conoce ningún método para medir la buena o mala adherencia de un agregado, pero es claro que ésta aumenta con la rugosidad superficial de las partículas. Dureza . Cuando el concreto va a estar sometido a desgaste por abrasión (pisos y carreteras), los agregados que se 99
98
TECNOLOGIA DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
Los agregados o áridos
utilicen en su fabricación deben ser duros.La dureza es una propiedad que depende de la constitución minera lógica, la estructura y la procedencia de los agregados. La forma más usual de determinar esta propiedad, de una manera indirecta, es el conocido ensayo de re sistencia al desgaste en la máquina de los Angeles, el cual se encuentra descrito en las normas NTC 90 y 98 para agregados gruesos.
Sustancias perjudiciales
superficial de los agregados, interfieren la adherencia entre el agregado y la pasta de cemento, o rodean a las partículas de cemento y las aislan haciéndoles perder su capacidad aglutinadora, lo cual trae como conse cuencia disminución en la resistencia del concreto. Por otra parte, si se trata de una arcilla, y ésta es ex pansiva,se puedegenerar un problema adicional cuando el concreto se humedece y las partículas de arcilla se hinchan de agua, pues se generan esfuerzos de tensión dentro de la masa de concreto endurecido, que pueden conducir a fallas según el contenido de estas partículas.
Dentro de los materiales que presentan efectos perjudiciales en el concreto, porque impiden los enla ces entre la pasta de cemento y los agregados, se en cuentran la arcilla, el limo y los polvos procedentes de la trituración. El efecto perjudicial de estas partículas con diámetro inferior a 74 micras estriba en que gene ralmente són de menor diámetro que las partículas de cemento y al encontrarse en forma de recubrimiento
En el caso de limos y polvos procedentes de tritu ración, debi si éstos se encuentran en alta proporción, do a su alta finura y alta superficie específica, el reque rimiento de agua se aumenta y por lo tantoel contenido de cemento para una misma relación aguacemento. A causa de loanterior es necesario controlare! con tenido de estas partículas indeseables, para lo cual la norma NTC 174 establece los límites dados en la tabla 4.25.
Tabla 4.25 Contenido máximo de partículas de diámetro Inferior a 74 micras para diversos tipos
de concreto según NTC ·-174 (4.24)
3%
5%
Concreto normal
5%
7%
1%
1.5%
Nota: En el caso de material manufacturado, se permiten estos Umftes siempre y cuando el polvo proceda del proceso de trituración y se encuentre libre de arcilla o pizarra. ·
100
Otra de lassustancias que pueden peljudicar nota blemente al concreto, especialmenteen las reacciones químicas de hidratación durante el fraguado, es la ma teria orgánica que generalmente proviene de la des composición de material vegetal, como hojas, tallos y raíces y se manifiesta en forma de humus.
TECNOLOGIA DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
en el agregado fino según NTC ,127
Amarillo claro Amarillo oscuro Ambar Ambar oscuro Negro
5 8 11 14 16
1 2 3 4 5
Contaminación salina
dal o totalmente el fraguado del cemento, por lo cual hay que controlar su presencia en los agregados, espe cialmente en la arena, la cual, debido al tamaño de sus partículas,suele retener la materia orgánica finamente dividida y que se encuentra en proceso de descompo sición. Debido a lo anterior, la norma NTC - 174 estipula un contenido mínimode materia orgánica en el agrega do, según el ensayo de la prueba colorimétrica,la cual se encuentra descrita en la norma NTC -127 y que consiste en someter una muestra de arena a la acción de una solución de soda caústica (NaOH) al3% que le da una coloración característica a las 24 horas, según el contenido de materia orgánica. Para la evaluación del resultado se tiene la tabla 4.26, en donde se considera que el contenido de mate ria orgánica no es peljudicial si el ensayo da un valor de 3 o inferior en el número de referencia.
Concreto de alta resistencia o sometido a desgaste
Tabla 4.26 Valores del contenido de materia orgánica
Materia orgánica
Este humus, en cierta cantidad, puede impedir par
Contenido de arcilla y material con diámetro Inferior a 0.074 mm (74JUD)
Los procedimientos para determinar el porcentaje de material que pasa el tamiz de 74 micras se encuen tran descritos en la norma NTC - 78.
Sin embargo, este es un ensayo relativo, ya que si el valor del número de referencia orgánica se encuentra por encima de3, no necesariamente quiere decir que la colo ración se deba a materia orgánica, por lo cual se procede a efectuar unensayoalterno queestá descritoen la norma NTC - 579queconsiste en hacercubosde mortero para determinar la resistencia de éstos a los 28 días de edad, para arena sin tratarcon soda cáustica, y arena lavada. Loo agregado. o áridos
Cuando el agregado, especialmente la arena, pro cede de depósitos marinos o de playas o lugares cerca nos al mar, puede contener sal, que posteriormente puede causar manchas (eflorescencias) en el concreto o eventualmente corrosión en el acero de refuerzo, al absorber humedad del aire.Sin embargo, no está total mente probado que la salinidad ejerza un efectodañino y comprometa la estabilidad de una estructura, pero de todas maneras es conveniente hacer un lavado con agua dulce al material con el objeto de disminuir la pro babilidad de que se presente alguno de los fenómenos anteriormente descritos. Partículas deleznables Otro factor que puede afectar de manera perjudi cial al concreto, y que depende de los agregados, es la presencia de materiales inestables o deleznables, tales como partículas blandas, terrones de arcilla, madera, carbón, lignito o mica, los cuales pueden minar la re sistencia del concreto o su durabilidad, en el caso de estar expuestos a la abrasión. Para tal efecto la norma NTC - 174 establece lími tes en el contenido de este material, los cuales apare cen en la tabla 4.27 y se determinan según la norma NTC- 589. 101
Tabla
4.27lí mites para partícu las inestab les en el agrega do según
NTC ·174 (4.24)
Grumos de arcilla 1% 0.25%
Partículas blandas 5%
C a r b ó n y
l i g n i t o ( c u a n d o e s
i m p o r -
Sanid ad de los agreg ados
t a n t e
La sanidad de los agregad os se refiere a su capac i dad para soportar cambio s excesiv os en volume n, debidos a cambio s en las condici ones ambient ales co mo congela mientodeshielo , calenta mientoenfriami en to, humede cimient osecado, los cuales afectan la dura bilidad del concret o y pueden compro meter no sólo su aspecto superfic ial (descas caramie
l a a p a r i e n c i a s u p e r f i c i a l d e l concr eto) 0.5% 0.5%
Carbó ny lignito (otros casos) 1% 1%
ntos) sino también la estabilidad de una estructura (agrietamie ntos inter nos), con un fenómeno similar al de la reacción agre gadoálcali. La capacidad de los agregados para soportar estos cambiosdes de luego depende de la procedenci a, gra nulometria, forma, textura, porosidad y propiedade s mecánicas de sus partículas . Para tales casos, la norma ASTM C-88 ha estanda rizado un proceso de secado al horno, mediante varios ciclos, en el cual el agregado que previamente se ha
sumergido en una solución saturada de sulfato de sodio o de magnesio, es sometido a la acción destruc tora del sulfato que le induce esfuerzos internos al cristalizarse.
requisito ra zonable de granulometría que debe conservar a tra-
vés del desarrollo de la obra, si no es posible que cumpla con especificaciones normales de grada· ción. En caso contrario, el control de calidad del concreto no se puede ejercer de manera eficiente.
Selección y producción de agregados Conocidos los aspectos básicos del origen, funcio nes, propiedades y características de los agregados para concreto que se han estudiádo hasta el momento, se puede visualizar fácilmente lo que es un agregado de calidad. Esto, sin embargo, no implica que en todos los casos se deba obtener un agregado ideal, ya que cada caso en particular requiere ciertas y determina das condiciones de acuerdo con el nivel especificado.
_
Por tal motivo, la selección de un agregado debe orientarse hacia determinar cuál es la calidad económi camente más adecuada de acuerdo con las posibles fuentes disponibles. Estud ios preli minar es En la selección de un agregado hay algunos requisi tos indispensables que éste debe cumplir y algunas propiedades y características relativas a su uso en un proyecto específico. Para que éstos se cumplan de la manera más económica posible, el asunto se debe exa minar a la luz de la Tecnología del Concreto, la cual pro vee todas las herramientas necesarias para hacer la evaluación correspondiente sin desviar la investiga ción a otros campos y teniendo en cuenta todos los as pectos relativos a las especificaciones y estabilidad de la obra.
- El uso de agregados que fallan primero que la pas ta de cemento, generalmente es antieconómico por el excesivo consumo de cemento para produ cir una resistencia dada. -
Se deben tener muy en cuenta la dureza, porosidad y absorción del agregado, en caso de que el concre to vaya a quedar expuesto a condiciones severas como el congelamientodeshielo, ya que la durabi lidad del concreto se puede ver comprometida de manera perjudicial.
-
Cuando el concreto queda expuesto a la humedad se debe
Para tal fin, de manera muy general, a continuación se definen algunos criterios básicos que se deben tener en cuenta antes de iniciar cualquier acción. -
Independientemente del uso al cual se vaya a des tinar, el agregado debe cumplir algún
Los agregados cuya forma de partículas sea desfa vorable, no se deben desechar a cambio de agrega dos con mejor forma, en los casos en que no se vea comprometida la estabilidad de la estructura y que el sobrecosto en el consumo de cemento sea me nor que el sobrecosto por utilizar mejores agrega dos, aparte de que el incremento de cemento no cause perjuicios.
estudiar cuidadosamente el fenómeno pro ducido por la reacción agregado-álcali. Exploración En todos los trabajos de exploración existen, ade más de los aspectos puramente científicos y técnicos, algunas recomendaciones de orden práctico que se re fieren a la organización de la comisión exploradora, y a la logística y administración, que deben ser tenidas en cuenta. En términos generales, una comisión de ex ploración de campo cubre las siguientes etapas prin· dpales.
Recopilación de datos geotécnicos y geológicos sobre la zona de trabajo Una vez definido el objeto de la exploración ( bús queda de agregados) se procede a reunir la informa ción básica, que puede ser la siguiente: - Cartografía topográfica de la zona. - Fotografías aéreas en pares estereocópicos. - Mapas y cortes geológicos. Información del subsuelo (obtenida de perforacio nes, pozos, etc.).
- Informe escrito de geología de la zona. - Datos y resultados de trabajos geotécnicos o geofísicos realizados en la zona o sus alrededores. - Vías de acceso, clima, etc.
adecuados según las necesidades y po sibilidades que se tengan. Para tal efecto hay varios sistemas básicos a saber: -
Selección del sistema de exploración De acuerdo con los datos recopilados conforme al numeral anterior, se elige el sistema o sistemas de ex ploración más
102 TECNOLOGIA DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
-
Métodos directos: Tales como perforaciones, apli ques, sondeos, que permiten conocer de manera real cuál es la estratigrafía del subsuelo y el tipo de material que lo constituye. indirectos:
Métodos Son
Los agregados o áridos
103
algunas técnicas de "pros pección" que se aplican en la exploración del sub suelo con el fin de conocer su estructura. De éstas se pueden destacar las siguientes: - Métodos gravimétricos - Métodos magnéticos - Métodos eléctricos - Métodos sísmicos - Métodos radiactivos - Métodos termoeléctricos.
De éstos, algunos aprovechan campos naturales que existen en la tierra, tales como:las técnicas gravimé tricas o las magnéticas; y otros campos artificiales co mo los métodos sísmicos o algunas técnicas eléctricas. Entre los factores para decidir el método a emplear figuran los siguientes: - El tamaño, la forma y profundidad que se esperan del objetivo buscado (agregados). - El poder de resolución, el costo y la rapidez de apli cación de cada método. - La sensibilidad del método a los accidentes topográ ficos así como sus posibles causas de perturbación. -
Para los métodos indirectos, el contraste de las pro piedades físicas del objetivo respecto del medio cir cundante.
Programación detallada del trabajo de campo Una vez elegido el método o métodos de explora ción, se debe planear la práctica de campo de acuerdo con los siguientes parámetros: - Selección y prueba de equipos de acuerdo con los métodos escogidos, y sus accesorios. - Determinación de la densidad de las mediciones, es decir, distancias de acuerdo a topografía, estruc tura geológica y el objetivo. - Elección de orientaciones y azimuts que deben seguirse. - Recopilación de formatos de registros y bolsas o recipientes para toma de muestras. - Coordinación de alojamientos, medios de trans porte y suministros. - Selección del personal adecuado.
Ejecución del trabajo de campo Este debe llevarse a cabo de acuerdo con lo previs to en el numeral anterior, teniendo en cuenta el trans porte y la operación adecuada de los equipos, así co mo empezar una fase de reconocimiento para detectar indicios sobre fuentes de material que puedan servir como agregado. Recopilación y estudio de los datos y muestras obtenidos La correcta anotación de las observaciones de campo y la toma adecuada de muestras son los fac tores que más influyen en la calidad de los resultados finales. De tal forma que sobre los datos obtenidos en esta fase, se tomarán las decisiones del caso. Interpretación Esta etapa es la más importante durante el proceso de exploración, ya que en ella se determina la estruc tura y composición del subsuelo de la zona estudiada. Conclusiones y recomendaciones Por último, en esta fase se prepara el informe final que comprende todas las etapas que se han seguido a través de la investigación y presenta los resultados de la misma, para poder concluir y recomendar la viabili dad de explotación y calidad de un yacimiento poten cial de agregados para concreto. Explotación La explotación de los agregados desde luego de pende de las características del yacimiento y tipo de material que se han encontrado durante la etapa de exploración. Sin embargo, de manera generalizada, estas características se pueden clasificar de dos for mas, según el tipo de yacimiento, que pueden ser:
_
Depósitos de arrastres fluviales, lacustres o ari nos (como por ejemplo arenas y gravas de no), o de glaciares (cantos rodados) en cuyo caso la ex plotación se hace por arrastre.
_ Canteras de diversas rocas y piedras naturales, en cuyo caso l.a exploración;realiza por voladura (con dinam1ta) y barrenac1on. Explotación por arrastre Se entiende por explotación por arrastre, la extrac ción del material por medios mecánicos, lo cual gene ralmente se hace a cielo abierto, según la localización a nivel superficial (lecho de un río) o profundo (por ejemplo cantos rodados en una matriz de arcil.la).del yacimiento y que comúnmente comprende lasSiguien tes operaciones: Descapote La operación de descapote consiste en remover el
material de la capa vegetal (en caso de que exista) con el objeto de dejar al descubierto los primers estratos del yacimiento. Esta labor por lo general se ejecuta
e?
tractores-bulldózer montados sobre oruga o neumatl cos los cuales están equipados con una hoja de acero fro tal desplazable para remover el material y, co? traí llas o mototraíllas que algunas veces son empujadas por bulldózer, para cargar el material. En el caso de que el suelo sea muy duro, el bulldózer puede ser equipado en su parte posterior con una o varias uñ.as escarifica doras que le permitan arrancar el matenal durante el avance, para luego empujarlo. Excavación y carga Inmediatamentese tiene el material al descubierto, se procede a su extracción o excavación propiamente di cha, la cual se lleva a cabo con palas mecánicas, exca vadoras hidráulicas, retroexcavadoras hidráulicas, o dra gas, según sea el caso, para posteriormente hacer el car-
gue de manera directa a los equipos de transporte, o indirectamente por medio de cargadores frontales. Transporte El transporte del material hacia la planta de proce samiento de agregados donde se ejecutan las labores de trituración, alimentación, cribado (tamizado), lava do, manejo, almacenamiento y recuperación del mate rial, se realiza mediante equipos seleccionados de acuerdo con los siguientes factores: - La capacidad de carga necesaria para recibir los fragmentos de roca del tamaño máximo admitido por la trituradora primaria de la planta de procesa miento. La capacidad de transporte en toneladas por hora para asegurar una alimentación regular a la planta de trituración. Estos equipos adicionalmente se pueden clasificar como camiones de "fuera de carretera", cuyas capaci dades actualmente pueden ser de 22, 32, 45, 55, 68, 77, 109, 154 y 227 toneladas métricas según las dis tintas casas fabricantes, y en camiones de "dentro de carretera", cuyas capacidades son menores. Explotación por voladura y barrenado Cuando el yacimiento es una cantera de roca masiva, se siguen los mismos pasos de la explotación por arrastre, sólo que en este caso se utiliza dinamita de una manera controlada (para no inducir fallas inter nas al material) y perforadoras que generalmente son accionadas por compresores de aire, antes de iniciar las labores de excavación y cargue. Proceso de producción El procesamiento del material obtenido después de la explotación y transporte, consiste en una serie de
104
TECNOLOGIA DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
Los agregados o áridos
105
operaciones que se detallan a continuación, con miras a obtener las propiedades deseables del agregado, de pendiendo de los factores económicos y desde luego sin alterar las propiedades y características físicas, me cánicas y químicas básicas del material. Para tal efec to, estas operaciones se llevan a cabo en un conjunto de máquinas adecuadamente balanceadas, que cons tituyen las llamadas "plantas de tríturación",las cuales pueden ser estacionarias o portátiles. En la figura 4.19 aparece un esquema de una planta típica que incluye todas las operaciones que se describirán a continuación.
Procesamiento básico
Trituración y molienda
Independientemente de si se trata de una planta es tacionaria o portátil, el procesamiento de los agrega dos se puede dividir en dos categorías, a saber:el "pro cesamiento básico", para lograr principalmente gra dación y limpieza adecuadas y el "beneficio", para reti rar elementos perjudiciales. Entre los procesos típicos para obtener las características básicas de granulo metría y limpieza de los agregados, se destacan los siguientes:
La trituración se emplea en algunas ocasiones pa ra obtener la distribución de tamaños de partículas de seadas (granulometria especificada), o para darforma y textura a las partículas, en cuyo caso es indispensa ble controlar el contenido final de fracciones finas. También es posible utilizar la molienda, para producir arena, en molinos de bolas o de barras.
Figura 4.19 Esquema de una planta típica de producción de agregados para concreto
Transporte de material en bruto
Cribado o tamizado Esta operación consiste en hacer la distribución de partículas deseadas, dentro de los intervalos de tama ños correspondientes a la especificación del agregado grueso, para lo cual se disponen en los equipos de cri bado mallas adecuadas y sistemas de recirculación del material hasta obtener la granulometría requerida. Las diferentes etapas de recirculación se denominan tritu ración primaria, secundaria, terciaria, etc., en la opera ción descrita anteriormente. Lavado
primaria
../ Gravilla
./ Trituración secundaria
106
El lavado del material se hace con el fin de remover el limo, la arcilla y el exceso de finos que, como ya se estudió, son perjudiciales para el concreto. Usualmen te, esta operación se inicia durante el tamizado y se completa con la clasificación.
-
Recuperación de arena
En los casos en que el material contenga arcilla, lodo, bolas de barro o impurezas orgánicas en exceso y firmemente adheridas, se emplean tambores desen lodadores, diseñados para cumplir eficientemente esta función.
o
TECffOLOG/A DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
principios de la velocidad de sedimentación de las par tículas según su tamaño. Beneficio Como ya se mencionó, la segunda categoría del procesamiento de los agregados es el beneficio, el cual define el mejoramiento de un material por la remoción de partículas indeseables. En estos casos, y según lo amerite el proyecto, se verifican las características in deseables que presente el agregado, como pueden ser algunas propiedades fisicas o mecánicas relativas a su dureza, densidad y elasticidad. Para lograr esto se han utilizado, con grados variables de éxito, algunos proce sos que se describen a continuación. Separación por trituración En algunas oportunidades, la trituración se puede usar para reducir la cantidad de partículas blandas y deleznables que se encuentren en el agregado, para lo cual se emplean ciertas trituradoras de impacto que ejecutan esta labor. En estos casos el material degra dado se elimina por el tamizado o por clasificación. Separación por densidad En otras ocasiones, las partículas perjudiciales que se encuentran en el depósito de material presentan una densidad más baja que el material de mejor calidad. Para ello hay varios procesos de beneficio como agua ,y aire a alta· velocidad, que remueven los materiales más livianos, como también clasificadoras hidráulicas que separan por diferencia de densidad sin requerir agua a alta velocidad.
Clasificación con agua
Fraccionami nto elástico
La clasificación final por tamaño, así como el con trol de la granulometría obtenida en los agregados fi nos, se ejecuta generalmente con agua, para lo cual se usan los tanques clasificadores que se basan en los
Este es un proceso aún no totalmentedesarrollado que consiste en dejar caer las partículas de agregado sobre una placa de acero en la cual rebotan menos las que tienen un módulo de elasticidad más bajo, por lo
Los agregados o áridos
107
cual son las menos deseables. En esto, desde luego influyen la forma, textura y densidad del material, por lo cual no se puede aplicar de manera generalizada.
Especificaciones y calidad del agregado En este último aparte, se recopilan losensayos que normalmente se efectúan a los agregados para poder especificar y analizar sus características a la luz de nor mas mínimas, así como algunos ensayos que se reali zan en casos específicos para poder evaluar eficiente mente la calidad de los mismos. La gran mayoria de las propiedades y característi cas de los agregados que han sido estudiadas se pue den medir en forma directa o indirecta en el laboratorio.
De manera generalizada, hay ensayos rutinarios que se utilizan para hacer las especificaciones y, ensa yos que únicamente se requieren en casos particula res. [,a especificación más comúnmente utilizada en nuestro medio, como ya se ha mencionado, es la nor ma NTC - 174 o en su defecto la norma ASTM-C33. Ensayos frecuentemente especificados - Granulometria o tamizado de materiales granula dos, norma NTC- 77. -
Determinación del porcentaje de material que pasa el tamiz lcontec-74 (No. 200) por el método de lavado, norma NTC - 78.
- Determinación de la masa unitaria de los agrega dos, norma NTC - 92. - Determinación de la resistencia al desgaste de agregados gruesos en la máquina de Los Angeles, normas NTC -93 y 98. - Dureza- Ensayo de rayado, norma NTC- 183. - Determinación de la reactividad potencial de los agregados, norma NTC - 175. -
Determinación del porcentaje de grumos de arcilla en agregados, norma NTC - 177.
- Determinación del contenidoaproximado de mate ria orgánica en arenas, normas NTC - 127 y 579. - Método para determinar la cantidad de partículas livianas en los agregados, norma NTC - 130. -
Determinación del porcentaje de terrones de arcilla y partículas deleznables, norma NTC 589.
- Determinación de la sanidad de los agregados, para ataque con sulfato de sodio o sulfato de mag nesio, norma NTC - 126. Ensayos particularmente especificados - Observación visual y análisis petrográfico, norma ASTMC-295. - Determinación de relaciones dimensionales por medio de calibradores (forma de las partículas), norma CRD C-119.
' - Determinación de la densidad y absorción de agre gados gruesos, norma NTC - 176.
-
- Determinación de la densidad y absorción de agre gados finos, norma NTC - 237.
- Determinación de la tenacidad a partir de cilindros de roca, norma ASTM D-3.
Determinación de la humedad de los agregados, norma NTC - 1776. 108
Determinación de la porosidad a partir de los pesos específicos real y aparente de las partículas, nor mas ASTM C-127 y C-128.
- Calorespeáfico,métododemezdas,normaCRDC-124.
TECI10LOGIA DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
Segunda parte
Propiedades del concreto
CAPITULO
Concreto fresco Introducción
colocación y la resistencia a la segregación es dar una descripción muy del vaga de esta importante propiedad del concreto. dependen sus (plásti Por ejemplo, el Road refiere Research Laboratory, de transporte, la Gran Bretaña, define la terminado manejabilidad en términos dar de capacidad de importantes compactación, ya que al fresco,consolidar la mezcla propiedade dentro de una formaleta, afectan.hay que vencer la fric ción fenómenos interna que se presenta com entre las distintas particu la temperatura. las de los materiales que lo componen y una fricción externa o Manejabilidad superficial entre el concreto y la superficie de la cimbra o del refuerzo, manejabilidad, con el fin de extraer el aire na turalmente atrapado y trabajabilidad aquellalograr la mayor densidad la cualposi· ble. De esta ser manera, la manejabilidad queda definida como la apropiadamente cantidad de trabajo segregación interno útil y necesario para producir una compactación completa, Sin embargo, algunos autores sostienen que esta debido a que la fricción blecer que la manejabilidad determina la facilidad de interna es una propiedad intrínseca de la mezcla y Concreto fresco no depende de un tipo o sistema particular de construcción.
Consistenda 111
Otro término utilizado para caracterizar el estado plástico del concreto es la "consistencia", que aunque está relacionada con el concepto de manejabilidad, no es su sinónimo. En términos generales, la consistencia
se refiere a su estado de fluidez, es decir, qué tan dura (seca) o blanda (fluida) es una mezcla de concreto cuando se encuentra en estado plástico, por lo cual se dice que es el grado de humedad de la mezcla.
Plasticidad Por último, se denomina como "plasticidad" a una consistencia del concreto tal que pueda ser fácilmente moldeado, pero que le permita al concreto fresco cam biar de forma lentamente si se saca el molde. Por tal razón, no pueden considerarse como mezclas de con sistencia plástica ni las muy secas ni las muy fluidas. Para aclarar un poco estos conceptos, debe tener se en cuenta que dentro de ciertos límites, las mezclas húmedas son más manejables que las mezclas secas,
pero dos mezclas que tengan la misma consistencia no son igualmente manejables. Para que ello sea asi deben tener el mismo grado de plasticidad. '
el cual la consistencia asnaentamiento, de mide .o fluidez . . de mezcla fresca concreto cuyo tamano maximo e agregado grueso puede ser hasta de 50,8 mm (2").
Medida de la manejabi!idad
Para hacer esta medición se usa un molde hecho en lámina metálica en forma de tronco de cono, el cual tiene las dimensiones indicadas en la figura 5.1 y fue desarrollado por Abrams, razón por la cual se le cono ce con el nombre de cono de Abrams. Este ensayo se encuentra especificado en la norma NTC 396 y se describe brevemente a continuación.
Hoy en día no se conoce ningún método directo para medir la manejabilidad de una mezcla de concre to. Sin embargo, hay algunos ensayos que permiten correlacionar esta propiedad del concreto, en estado plástico, con alguna otra característica. Dentro de es tos ensayos, se destacan los siguientes:
Ensayo de asentamiento El ensayo más ampliamente usado en todo el mundo, por su simplicidad y rapidez, es el ensayo de
figura 5.1 Cono de Abrams
Una vez que la muestra de concreto fresco ha sido correctamente seleccionada de acuerdo con los proce dimientos descritos en la norma NTC 454 (Hormi gón fresco- Toma de muestras), de manera que sea representativa de toda la masa, se procede de la si guiente manera. El molde se humedece y se coloca sobre una su perficie plana,húme.da yo absorbente,_cn la abertu ra más pequeña hacia arnba. La superficie Ideal es una placa metálica rígida, que haya sido colocada en el suelo y nivelada con un nivel de mano. Posteriormente el molde se presiona hacia abajo, cogiendo las agarra deras, con el objeto de que al colocar la mezcla, ésta no salga por la parte inferior de molde.
1
El cono se llena en tres capas, cada una con apro ximadamente una tercera parte del "volumen" total del molde, es decir, que la primera capa tendrá una altura aproximada de 6.5 cm, la segunda llegará hasta 15,5 cm y en la tercera se apilará concreto sobre el molde. Cada capa se apisol)!l 25 veces con una varilla lisa de 16 mm (5/8") de diámetro y más o menos 60 ém de longitud, con uno de sus extremos redondeado. La in· traducción de la varilla se debe hacer en diferentes si tios de la supemcie con el fin de que la compactación se distribuya uniformemente sobre la sección transversal.
30cm
1---- 20 cm ----1
La primera capa se compacta a través de todo su espesor, en tanto que la segunda y la tercera se com-
112
TECNOLOGIA DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
Concreto fresco
pactan de manera que la varilla penetre ligeramente (como máximo 2.5 cm) (1")en la capa inmediatamen te inferior, figura 5.2.a. En algunas ocasiones al compactar la tercera ca pa, el concreto se asienta· por debajo del borde supe rior, debido al acomodamiento y consolidación de las partículas, por tal motivo es necesario completar con más mezcla para que en todo momento haya concreto sobre el molde. Al término de esta operación debe ali sarse a ras de la superficie con la varilla, un palustre o cualquier otro instrumento apropiado. A continuación se quita la mezcla que cayó al suelo alrededor de la ba se del molde, dejando limpia la. zona que lo rodea. Inmediatamente después se retira el molde, alzán dolo cuidadosamenteen dirección vertical, figura 5.2.b, en un lapso de 5 a 1nsegundos, sin movimientos circu lares o laterales y sin tocar la mezcla con el molde cuan do éste se haya separado del concreto fresco. Al faltar le apoyo, el concreto se asentará, de ahí el nombre del ensayo. El tiempo es un factor importante en la prueba. Es te ensayo debe iniciarse dentro de los 5 minutos si guientes al muestreo y debe ser completado a los 2 mi nutos y 30 segundos de haberse iniciado. La diferencia entre la altura del molde y la altura medida sobre el centro original de la base superior del concreto abatido se llama asentamiento y se mide con una aproximación de 5 mm, figura 5.2.c. Si el concreto se desmorona o se desprende hacia un lado, el ensayo se debe rechazar y repetir con otra porción de la muestra. Si esta segunda muestra tam· bién se desploma o se parte, es probable que el concreto no tenga la plasticidad o la cohesión adecua da, y que no sea aplicable el ensayo de asentamiento, 113
ya que esta prueba es sensible únicamente a las mez clas plásticas y trabajables cuyos valores de asenta miénto están aproximadamente entre 2.5 cm (1") y 17.5 cm (7"). Por lo tanto, para mezclas muy ásperas, como las que tienen exceso de agregado grueso, o con agregados muy angulares, o con excesos de lajas, no s e d e b e e m p l e a r . Figura 5.2
Ensayo de asentami ento
Finalmente, la consistencia o capacidad de de una mezcla fresca de concreto, medida a asentamiento, está relacionada con la manej
Otros procedimientos Entre los procedimientos que amplían la ción que proporciona el cono de Abrams o que susti tuyen a éste, se tienen los penetrómetros, con distintas geometrías de penetración, entre los cuales se desta can la "Esfera de Kelly" (figura 5.3), cuyo frente de penetración es esférico y con un diámetro de 152 mm el cual, con un peso fijo de 13.6 kg se hunde más o m· nos en el concreto, según la consistencia deéste, y cuyos< ••. resultados se expresan como la profundidad que alean, · · za. Este ensayo es fundamentalmente nn•rt..,,m,,,;,..,M
y se encuentra especificado en la norma ASTM-C360. F i g
ura 5.3
Esfera de Kelly
m i e n t o
Figura 5.4 Aparato para el
ensayo de remoldeo Vá sta go den tro de la gul a peso de la varil la y el disc o, 1.9 kg.
En realidad, el ensayo de asentamiento débe con siderarse como un medio para determinar si están bien proporcionadas las cantidades de agua y de otros ma teriales empleados en la mezcla, debido a que este ensayo puede reflejar cambios en la granulometría de los agregados, en las propiedades del cemento o de los aditivos, en la cantidad de aire incluido y en la tempe ratura. Así pues, el resultado del ensayo es un indica tivo de las variaciones que puede sufrirla mezcla du rante el tiempo de su producción.
Después de retirar el cono de revenimiento""' c o n o
Antes de retirar el ,
d e r e v e n i
Hay otros procedimientos en los cuales se confina el concreto y se mide la energía requerida para que la mezcla rellene un molde de confinamiento. Entre éstos se destaca el "ensayo de remoldeo" o ensayo de Powers, en honor a su autor, en el cual se emplea un molde cilín drico de 305 mm de diámetro, con doble pared y un cono de Abrams como formador de la pila de concreto dentro del cilindro, tal como se muestra en la figura 5.4.
1
t : m ! Y " < I ' . ! , . -
Anillo
Este conjunto está montado rígidamente sobre una mesa de flujo y el número de sacudidas que se necesitan para remoldear la muestra indica la energía requerida para la compactación. Otra prueba afín al ensayo de remoldeo es el método Vebe desarrollado por V. Bahrneren Suecia, en el cual se emplea un molde de pared sencilla y una mesa vibratoria, como se indica en la figura 5.5. Este ensayo mide la energía, dada en segundos de tiempo de vibración, necesaria para que un disco de vi drio se asiente totalmente sobre la mezcla, quedando cubierto de concreto. El procedimiento a seguir se en cuentra especificado por las normas británicas bajo el nombre de "Ensayo de Consistómetro V-B" en la
norma BS-1881 y es aplicable especialmente en las mezclas secas. Por último, se tiene el "ensayo del factor de com pactación", desarrollado en el Road Research Labora tory de la Gran Bretaña, en el cual se determina el gra do de compactación alcanzado por una cantidad están dar de trabajo, en un aparato como el que se esque matiza en la figura 5.6. Este ensayo también se encuen tra descrito en las normas británicas BS1881.
Factores que influyen en la manejabilidad Son muchos y muy diversos los factores que afectan la manejabilidad de una metda de concreto en estado plástico. Entre ellos, se destacan los siguientes:
114 TECNOLOGIA DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
Concreto fresco
115
Figura 5.5 Aparato Vebe
· Figura 5.6 Aparato para medir el factor de compadaclón
tenido de agua con el asentamiento (medido en el cono de Abrams) para diversas granulometrías con distin tos tamaños máximos y para partículas de forma redon deada (textura lisa) y forma cúbica (textura rugosa).
Este comportamiento indica claramente los límites de validez del ensayo de asentamiento que, como ya se había mencionado, están entre 2.5 cm(!") y 17.5 cm (7"). De tal manera que al hacer los ajustes correspon dientes se obtienen las curvas mostradas en las figuras y .
Los resultados de esta investigación indicaron que el comportamiento del valor de asentamiento en rela ción con el requerimiento de agua se ajusta a una ecua ción potencial de la forma:
Fluidez de la pasta
Y- Ya= b (X- XoJ13'
Contenido de agua de mezclado El principal factor que afecta la manejabilidad es el contenido de agua de la mezcla, el cual se expresa en kilogramos o litros {debido a que la densidad del agua es igual a 1.0 T/m3) por metro cúbico de concreto. Son muchos los investigadores que se han ocupa do de la determinación del requerimiento de agua ne cesaria para obtener una consistencia específica en un concreto o en un mortero. Sin embargo, hoy en día no existe una fórmula losuficientemente sofisticada como para contener todos los factores que afectan este re querimiento, pero las últimas investigaciones han esta blecido que el contenido de agua de una mezcla, prin cipalmente es función del requerimiento de agua del cemento (si es portland, con adiciones, o puzolánico); de la granulometria del agregado, tamaño máximo, forma y textura de las partículas, del contenido de aire, así como la de consistencia especificada.Desde luego, esta agua no incluye la cantidad que es absorbida por los agregados. La razón principal de que no se haya desarrollado una fórmula o procedimiento exacto para calcular o predecir el requerimiento de agua, estriba en que se de ben considerar muchas variables, algunas de las cua116
les todavía no se pueden medir en forma correcta, como son la capacidad de lubricación de la pasta de ce mento y la forma de las partículas del agregado. Por tal motivo, el método más común para determi nar el requerimiento de agua en un concreto o mortero es un procedimiento de prueba y error, que consiste en la preparación y evaluación de mezclas de prueba con los materiales que se van a utilizar en la construcción. Este método es confiable, pero dificil de manejar para quien no tiene experiencia en el diseño de mezclas. Un método más sencillo y rápido de manejar es la utilización de tablas o ábacos que han sido preparados en forma empírica y de los cuales existen gran varíe dad, pero con la limitante de que sólo proporcionan cálculos aproximados.La gran mayoría de estas tablas correlacionan el tamaño máximo del agregado con la consistencia (medida en el cono de Abrams) del con creto.Un caso típico es la tabla preparada por el comité ACl-211, la cual supone que los agregados se encuen tran bien gradados (de acuerdo con la norma NTC 174) y tienen forma angular. En una investigación adelantada por este autor y otros investigadores (5.16) para determinar el requerí· miento de agua de un concreto, se correlacionó el conTECNOLOG/A DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
(5.1)
Donde Xo y Yo son las coordenadas del punto de inflexión de una curva en forma de "S", como la mos trada en la figura 5.7.
Como se recordará, el agua de mezclado tiene dos funciones, a saber: una es hidratar el cemento{agua de hidratación) y otra producir la pasta (agua evaporable) lubricante de los agregados, la cual comunica fluidez a la mezcla, permitiéndole movilidad en estado plástico.
Figura 5. 7 Requerimiento de agua en función de asentamiento 20,0
r------------------------.
17,5
2,5
!50
2.50 CONTENIDO DE AGUA DE MEZCLADO EN lt/m3 DE CONCRETO
Concreto fresco
117
Figura 5.8 Requerimiento aproximado de agua de mezclado, para concreto sin aire Incluido, .
en función del tamaño máximo, forma y textura del agregado
Figura 5.9 Requerimiento aproximado de agua de mezclado, para concreto con aire Incluido,
en función del tamaño máximo, forma y textura del agregado
: S == S S = =S = C! 8"-l-------'1----l-_:,?,:-¡..:?!7---'-í-;t;"',.:...;."':_¡..:.,. ...:,"',:..¡...:í:.../ :::. f- T+r--+ rc"'r+--+ri-¡r"'-t--'-C"/'
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Contenido de agua de mezclado en ltfm3 de concreto
1
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240
Concreto fresco
119
De acuerdo con lo anterior, la fluidez de la pasta in fluye notablemente en la manejabilidad de la mezcla de concreto, debido a que para una cantidad determinada de pasta y de agregados, la plasticidad de la mezcla dependerá de las proporciones de cemento y agua en la pasta. Por ejemplo, una pasta con poca agua y mucho ce mento será muy rígida por falta de agua evaporable, lo cual hace inmanejable la mezcla al no poder lubricar los agregados. Por el contrario, si el contenido de agua es alto y el del cemento es bajo, la pasta puede llegar a ser tan fluida, por exceso de agua evaporable, que no es capaz de impedir la segregación de los agregados (especialmente los gruesos). Bajo estas consideraciones se debe aclarar enton ces que la pasta fresca es una suspensión y no una so lución de cemento en agua y que entre más diluida sea, mayor será el espacio entre las partículas de cemento, por lo cual será más débil la estructura de la pasta, sin importar el estado de hidratación del cemento. Esta es la razón de que en mezclas plásticas, la resistencia del cemento varíe como una función inversa de la relación agua-<:emento, la cual, entre otras cosas, es una mane ra de expresar el grado de dilución de la pasta. Contenido de aire Como se mencionó en el capítulo primero, durante las operaciones de dosificación y mezclado del concre to, es introducido un volumen de aire que es variable en cantidad, forma y tamaño de las burbujas, denomina do comúnmente "aire naturalmente atrapado", el cual posteriormente es liberado por los procesos de com pactación, para evitar aligeramiento en la masa endu recida y por lo tanto descensos en la resistencia. Por otra parte, también se mencionó que en algu nas ocasiones se introduce intencionalmente aire en el concretofresco, en forma de pequeñas burbujas (aproxi madamente de 1 mm de diámetro o más pequeñas) que se distribuyen uniformemente y aisladas para me-
jorar la durabilidad del concreto, o para aumentar la manejabilidad. En este caso es denominado aire do o incorporado. El aumento de la manejabilidad cuando el concreto se encuentra en estado plástico, esdebido a que una parte de las burbujas de aire aumentan el volumen de la pasta y por otra actúan como "balineras" de los agre gados, permitiendo una mejor movilidad. Esto quiere decir que para una misma consistencia es factible reducir el contenido de agua de manera que se disminuya la relación agua-cemento y se recupere parte de la resistencia que se pierde por la presencia de vacíos dentro del concreto. La experiencia ha indicado que es posible reducir el contenido de agua hasta en un 3% por cada 1% de aire incluido. Por lo general, el c,Ontenido de aire dentro de una mezcla de concreto aumentará cuando se presente una o varias de las siguientes situaciones: -
Mezclas pobres en cemento Agregados con tamaño máximo menor Mayor cantidad de arena Consistencias más húmedas Operaciones de mezclado más fuertes o prolongadas - Inclusión de aditivos incorporadores de aire De acuerdo con lo anterior, en la tabla 5.1 se pre sentan las cantidades de aire naturalmente atrapado que ha indicado la experiencia, así como las cantida des recomendables de aire total que establece el có digoA.C.I.-211 (5.1) segúneltamañomáximonominal del agregado grueso. Gradación de los agregados
La distribución granulométrica de los agregados es otro factor que incide en la manejabilidad de una mez· da de concreto, debido a que un agregado mal gradado ·
Tabla 5.1. Cont nido de aire en mezclas de concreto para varios tamaños de agregado grueso (5.1)
3
9.51 12.5
2.5
19.1
:y,
25.4 38.1
1 Hí
1
50.8 76.1 152.0
2
0.5 0.3 0.2
3
6
presenta exceso de vacíos que deben ser llenados con pasta en el caso de la arena y con mortero en el caso del agregado grueso, para que la mezcla sea maneja ble y no quede porosa. El caso de la arena es el más critico debiclo a que ésta no debe retener más de un 45% de material entre dos mallas consecutivas, considerando la serie Tyler de tamices (No.4, 8, 16, 30, 50, 100). Adicionalmente, la presencia de finos indicada por la norma lcontec-174 es más importante en mezclas pobres y húmedas que en mezclas ricas y secas, debido a que un mayor con tenido de cemento permite mayor cohesión y plas ticidad en la mezcla. Esto es especialmente importante en mezclas que se van a colocar por el sistema de bom beo, con el cual la práctica ha demostrado que la ma silla lubricante de la tubería debe estar constituida por partículas cuyos diámetros estén comprendidos entre O- 0,2 mm (cemento más arena menor de 0,2 mm) y en una cantidad de 350 a 400 kg por m3 de concreto. Por otra parte, debe evitarse la utilización de arenas muy finas o muy gruesas, ya que con las primeras el requerimiento de agua es muy alto y fácilmente se segregan y con las segundas se obtienen mezclas muy ásperas y poco cohesivas.
2 1.5
4.5-7.5 4.0-7.0 3.5-6.0 3.0-6.0 2.5- 5.5 2.0-5.0 1.5- 4.5 1.0-4.0
Por lo general, para que las arenas proporcionen una adecuada manejabilidad, el valor del módulo de finura debe tener un límite inferior de 2.2 en arenas fi nas y un límite superior de 3.0 en arenas gruesas y, cumplir con la granulometria de la norma lcontec-174. Sin embargo, esto no implica que no se puedan diseñar mezclas de concreto con arenas que se salgan de estos límites, ya que es posible en determinados casos hacer una combinación óptima de los agregados disponi bles, como se verá en el capítulo 11. forma y textura superficial de los agregados Otros factores adicionales de los agregados que influyen en la manejabilidad de una mezcla de concreto son su forma y textura superficial. Es obvio que los agregados gruesos con partículas alargadas, aplanadas o de forma cúbica y textura rugo sa exigen una mayor cantidad de arena, agua y pasta en una mezcla, para mantener una manejabilidad com parable, que los compuestos por partículas redondea das y lisas, debido a la fricción generada por la "traba zón" que existe entre las partículas. Por tal motivo, desde el punto de vista de la mane jabilidad, son más adecuados los agregados naturales
120
TECNOLOGIA DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
121
(cantos rodados y arenas de río) que los obtenidos por los procesos de trituración. En caso de utilizarse agre gados triturados, éstosdeben tener forma aproximada mente cúbica y con un porcentaje máximo de partícu las aplanadas o alargadas de 15% para que su efecto sobre la manejabilidad no sea importante. Relación pasta-agregados
Otrofactor que afecta la manejabilidad de una mez cla de concreto es la relación que hay entre la cantidad de pasta y el área superficial de los agregados que ésta debe cubrir y lubricar. Esto es lo que se conoce como relación pasta-agregados. En la medida que esta relación tenga un valor alto, los agregados se podrán mover libremente dentro de la masa. Pero si la cantidad de pasta se reduce a tal punto que no sea suficiente para llenar los espacios vacíos entre las partículas de los agregados y permitir que éstos "floten", la mezcla se volverá granulosa y áspera. Relación arena-agregados
Tal como se mencionó en el punto relativo a la gra nulometria de los agregados, una mezcla que tenga un bajo contenido de arena es dificil de manejar, colocar y terminar, con el inconveniente adicional de tener ten dencia a la segregación y exudación por ser una mez cla poco cohesiva, en cuyo caso el concreto tiene una apariencia piedruda (exceso de agregado grueso). Por el contrario, cuando el porcentaje de arena es elevado, hay necesidad de añadir agua o pasta en ex ceso para que la mezcla sa manejable, presentándose también tendencia a la segregación o exudación. En estos casos, la mezcla presenta una apariencia pasto sa (exceso de arena). En general, el porcentaje de arena que requiere una mezcla preparada con una cantidad de pasta dada (relación agua-cemento fija) es menor si la arena es fi-
na, y mayor si esgruesa, para obtener nm• m:•n"' "'" determinada. Por otra parte, para agregados bien gradados cumplen la norma NTC- 174) la experiencia ha mostrado que el valor de la relación puede oscilar entre 0.38 (arenas finas) y 0,42 gruesas) para mezclas de consistencia plástica o mal, y para mezclas de consistencia húmeda o húmeda (bombeo, tremie} este valor puede estar entre 0,42 y 0,48. Aditivos
Dentro de las funciones que se mencionaron de los aditivos está la de mejorar las condiciones de trabajo de una mezcla de concreto en estado plástico, de manera que se pueda mejorar su manejabilidad, espe cialmente cuando los agregados son deficientes en finos y el cemento tiene tendencia a producir exudación. En la clasificación que hace la norma NTC 1299 (ASTM-C494) se encuentran los aditivos reductores de agua y los reductores de agua de alto rango (superplas tificantes), que permiten aumentar la plasticidad de una mezcla, sin necesidad de aumentar el contenido de agua, o bien reducir el contenido de agua para una con sistencia dada, manteniendo una misma relación agua cemento (ver capítulo 12). Condiciones de clima Entre los factores externos que pueden afectar la manejabilidad de una mezcla se encuentran los agen tes atmosféricos (sol, lluvia, viento, etc.), la temperatu ra y el tiempo transcurrido entre el mezclado y la colocación. Los agentes atmosféricos pueden cambiar la con sistencia de la mezcla debido a que si hay evaporación por causa del sol o del viento, la mezcla se puede endu recer rápidamente y por consiguiente perder maneja-
. idad. Por el contrario, si hay lluvia, a ae de un a_u bil t en la relación agua-cemento y perd1da de resls 0 men. de la mezcla se puede"incrementar t e n clal humedad a, ' P t1 h a s t a el punto de causar segregae o n. .orI a t" o VO¡ las condiciones en quee va a produc1_r Y.dcodocar e 1 .·fin .deeto debenlasserproteCCiones estudiadas concaso. antenon a , con e concr . proveer del De otra parte, la manejabilidad de na mezcla se
f ta también por la temperatura amb1ente, aunque
a ecn sentido estricto lo que importa es la 1 1 temperatura enu . •. d 1 concreto mismo. Sm embargo, resu ta og1eo penque el tiempo de vida útil de una mez1.c,la de saernca es ,masereto, en estado plástico,11m . para "su co ocac10n corta en clima cálido que en e a rno. Condiciones de producción y colocación Finalmente, hay algunos otros factores externos que influyen en el grado de manejabilidad de una mez cla, entre los cualesse :u:ntan los siguient·teniendo presente que las condtc1ones de producc1on, coloca ción y tipo de obra no son iguales en todos los casos: _ Métodos de dosificación (manual, semiautomático, automático por peso, volumen y precisión}. - Métodos de mezclado (manual, mecánico}. _ Sistema de transporte (camión mezclador, carreti lla, vagonetas, bandas, tuberías, etc.). - Sistema de colocación (baldes con grúa, bombeo, tubería, máquinas pavimentadoras, etc.). - Tipo de compactación (manual, con vibradoras de aguja, de formaleta, reglas vibradoras, etc.). - Tipo de acabado (textura lisa, rugosa, con moldes, etc.). - Tipo de obra (según las dimensiones y caracterís ticas de los elementos estructurales).
Segregación Este término, que quedó implícito en la primera definición de manejabilidad y quese ha venido repiti:,n do a lo largo del capítulo, se define C()mo la separac10n de los materiales que constituyen una mezcla hetero génea (como es el concreto), de manera que s ,dis tribución deje de ser uniforme por falta de cohes1on. Entre las causas, inherentes al concreto, que pue den producir segregación, se encuentran la diferencia en tamaño de las partículas y su distribución granulo métrica, así como la densidad de los constituyentes Y su proporción dentro de la mezcla. Otras causas que dependen del manejo y la colocación pueden ser el mal mezclado, transporte largo y sometido a vibración, co locación inadecuada y sobrevibración al consolidarlo. En general, la segregación se puede presentade dos maneras: una, en la cual las partículas gruesas tien den a separarse por desplazamiento sobre los taludes de la mezcla amontonada o porque se asientan más que las partículas finas por acción de la gravedad; ést generalmente ocurre en mezclas secas y poco cohesi vas. La otra forma de segregación es la separación de la pasta (cemento y agua) de la mezcla, l? c_ual ocurre en mezclas húmedas y con pasta muy dllwda. Para evitar la presencia de segregación en la mez cla se deben proporcionar adecuadamente los mate riales y revisar el aspecto de la mezcla cuando se prue ban los diseños. De otra parte, con unos adecuados procedimentos de mezclado, transporte, col cadón Y consolidación del concreto, como los descntos en el código ACI-304, la probabilidad de segregación se re duce considerablemente.
Exudación Otro término que también se ha mencionado pero aún no se ha estudiado es la exudación o sangrado, que consiste en qué parte del agua de mezclado tiende 123
122
TECNOLOGIA DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
Concreto fresco
a elevarse a la superlicie del concreto recién colocado o durante el proceso de fraguado.Portal razón, se dice que e5 una forma especial desegregación odesedimen tación de las partículas, las cuales no pueden retener toda el agua cuando se asientan. Tanto la cantidad de agua de exudación como la velocidad a la cual ésta llega a la superlicie del concre to, tienen mucho que ver con la evaporación, debido a que si la velocidad de evaporación es menor que la ve locidad de exudación, se forma una película de agua que aumenta la relación agua-cemento en la superfi cie, que posteriormente queda porosa y con baja resis tencia al desgaste. Por otro lado, si la velocidad de eva poración es mayor que la velocidad de exudación se pueden producir grietas de contracción plástica (ver capítulo 9). Deotra parte, en algunas ocasiones el agua al subir queda atrapada bajo las partículas más gruesas del agregado o del acero de refuerzo, lo cual genera zonas de baja adherencia. Adicionalmente al subir, deja pe queños caminos capilares que aumentan la permea bilidad del concreto. Sin embargo, la exudación puede ser controlada por medio del uso de aditivos inclusores de aire, cementos más finos y control del contenido de arena en su fracción más fina. La forma de medir la exudación de un concreto sé encuentra descrita en la norma NTC- 1294 (ASTM C232).
Temperatura
mezclado para mantener un determinado asentamiento y mayor cantidad de algún aditivo inclusor deaire para producir el contenido de aire requerido. La temperatura del concreto fresco depende del aporte calorífico de cada uno de sus componentes, ya que la influencia de cada material depende.de su calor específico, de su masa, y de su temperatura, además del calor liberado por la hidratación del cemento, la energía añadida durante el mezclado y el calor absor bido o entregado al medio ambiente. Las normas est pulan una temperatura media de la mezcla de concreto fresco comprendida entre 1O y 29"C en climas cálidos; sin embargo, la máxima establecida es de 320C, por razones de velocidad de hidratación y endurecimiento del cemento, ya que a una mayor temperatura se pro. duce una hidratación más rápida, pero menos eficien te, y por lo tanto un fraguado acelerado, dando lugar a una estructura fisica menos uniforme y pobre.
T=
l,CiMiTi l,CiMi
(5.3)
Haciendo los reemplazos necesariosse llegaría a la siguiente expresión: T=
0,2 (TaWa + TcWc) + TwWw 0,2 (Wa + Wc) + Ww
en donde:
T = Temperatura del concreto fresco en oc.
(5.4)
Ta, Te, Tw
=Temperatura de los agregados, cemento y agua (añadida y la del agre gado), respectivamente en oc.
Wa, Wc, Ww = Peso de los agregados, cemento y agua (añadida y la del agregado), por unidad de volumen de concreto, res pectivamente en kgfm 3•
Al aplicar esta fórmula se puede afirmar que para elevar en 1oc la temperatura de la mezcla, se requiere de un aumento de aproximadamente 9oc en la tempe ratura del cemento, o de 3,5°C en la del agua, o de 1,8°C
en la de los agregados.
Para establecer el balance térmico de una mezcla, es necesario recordar algunosconceptos básicoscomo: el calor específico (C) que está definido como la canti dad de calorías necesarias para que la unidad de masa de un cuerpo eleve su temperatura en toe. El valor aproximado del calor específico de los ingredientes (cemento y agregados) secos, es de 0,2 kcalfkg/OC; el del agua es de 1 kcalfkgf"C. Es decir, que 1 kg de agua aporta a la mezcla 5 veces más calorías que 1 kg de cemento.
Como se ha visto a lo largo del capítulo, la tempe ratura del concretofresco afecta todas las propiedades del concreto en estado plástico, especialmente el asen tamiento y ontenido de aire.Por ello, esconveniente verificarla, aunque hoy en día no existe ningún método normalizado para medirla. Sin embargo, el empleo de un termómetro de bolsillo (con precisión de± 2"C) es suficiente.
La capacidad calorífica (CM) de un cuerjxl de masa M, será entonces el producto de su calor espe6 fico y su masa; y la cantidad de calor (Q) es el producto de la capacidad calorífica y la temperatura (T) de ese cuerpo. De modo que:
Las temperaturas elevadas en el concreto dan por resultado que se requiera mayor cantidad de agua de
Despejando de.esta fórmula la temperatura, se puede hallar la temperatura media de una mezcla de concreto fácilmente, conociendo el calor espf(¡ífico, la
124
masa y la temperatura individuales de cada compo nente así:
Q=CMT
TECNOLOG/11 DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
Concreto fresco
125
CAPITU
LO
6 .Introducción Hasta hoy en día no se ha encontrado una ley gene ral que sea válida para describir el comportamiento del
Resistencia del concreto
a la relación aguacemento (la cual originalmente se expresaba en volumen). Para cuantificar esto, Abrams propuso la siguiente expresión de tipo exponencial: -
concreto esfuerzo estructura sistencia característica d ella su o elasticidad otras.
R
A
-
(6.1)
Relación agua-cemento
R es la resistencia media a la compresión en kg/cm 2• Ay B son constantes empíricasque dependen de la ca· lidad y tipo de cemento, las del propiedades de los agrega· dos, los aditivos, y cantidad las condicionesde cantidad ensayo. a es la relación conjunto agua-cemento en peso. condiciones. la figura 6.1 se hoy En muestra una cemento",la representación gráfica de esta expresión. Otra forma Abrams,deexpresar en la ecuación conocida 6.1 es tomando mismos ensayo, logaritmos, con lo cual qúedaría de la siguiente completamente edad manera: proporcional Log R = log A -
a lag
B (6.2) correspondiendo entonces, la ecuación de una recta acuyas variables son ellog R y a. Esta nueva expresión se representa gráficamente en la figura 6.2. 127
figura 6.1 Curva típica de correspondencia entre la resistencia media a la compresión y la relación agua-cemento del concreto a diferentes edades
400
"'(
28 días .....
300
días
"'
............
200
l'-...7dí
100
o 0.3
0.4
-... 0.6
0.5
siguiente forma:
0.7
0.8
---------- ------ ------+------4-------+--------
(6.3)
donde:
R es la resistencia
figura 6.2 Correspondencia entre el logaritmo de la resistencia media a la compresión y la relación agua-cemento a distintas edades
300 --
K ( c) 2 R"' ----c+w+a
Relación A/C
400r----3 ----
En la práctica es reconocida y aceptada la relación agua-cemento como el factor individual más importan tede la resistencia del concreto totalmentecompactado. Sin embargo, en la realidad es imposible obtener un concreto completamente compactado, a pesar de los procesos de consolidación, debido a que durante la operación de mezclado queda aire naturalmente atra pado dentro de la mezcla.Por tal motivo, se dice que la ley de Abrams es un caso especial de la regla general formulada por Feret en 1896, la cual incluye el volu men de la porosidad del material endurecido y tiene la
4-------+-----
media; K es una constante que depende del cemento y los agregados; e, w y a son los volúmenes absolutos de cemento, agua y aire respec tivamente. Por ello, en la práctica de la ingeniería se supone que la resistencia del concreto endurecido a una deter minada edad, con un curado y una temperatura espe cíficas, depende principalmente de dos factores: la relación agua-cemento y el grado de compactación.
Naturaleza de la resistencia del concreto 28 días
lOO
-----L-----0.3
128
0.5
------L------L---Relación A/C
0.6
0.7
0.8
TECNOLOGIA DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
Como se ha visto, el concreto es una masa endure cida que porsu propia naturaleza es discontinua y hete rogénea. El cemento hidratado (gel), es en sí mismo una masa semicristalina discontinua, con un elevado grado de porosidad, que contiene agua libre y agua no evaporable. Adicionalmente, esta agua libre al exudar y evaporarse,deja microporos y canalescapilares con tinuos en el gel de cemento, los cuales se convierten posteriormente en medios para el intercambio de humedad entre el concreto y el ambiente que lo rodea. Resistencia del concreto
Por otra parte, la presencia de agregados incide no tablemente en la heterogeneidad, debido a la diversi dad de tamaños, textura superficial y geométrica de las partículas.Todo esto es lo que hace imposible lograr una adherencia perfecta entre la pasta (matriz) de ce mento y cada una -de las partículas del agregado, aun que se disponga de condiciones ideales de mezclado. Sin embargo, esta heterogeneidad del concreto y su naturaleza discontinua son ventajosas, debido a que proporcionan la "cuasiductilidad" y los mecanismos de disipación de energía esenciales para un material de construcción bajo cargas estáticas (por ejemplo peso muerto) y dinámicas (sismos y viento). Las propiedades y resistencia de cualquier sistema heterogéneo dependen de las características físicas y químicas de sus constituyentes y de las interacciones entre ellos mismos. En el caso del concreto, los agre gados que son relativamente rígidos y cuyas propieda des están bien definidas y son independientesdel tiem po, se encuentran incrustados en una matriz (pasta de cemento) continua viscoso-elástica cuya resistencia y rigidez varia con el tiempo y que está sujeta a las in fluencias ambientales. Adicionalmente, la interacción entre ambas podría no variar únicamente con el tiem po, sino también con la composición mineral de los materiales en contacto y exhibir fenómenos tanto físi cos como químicos.Esta zona de contacto, llamada in terfase "agregado-matriz", es la fase más significativa del sistema concreto que establece el enlace crítico y frecuentemente más débil del sistema heterogéneo. Para ampliar este concepto, durante el proceso de fraguado y endurecimiento de la pasta de cemento se establecen adherenciasdesólido a cuasisólidoentre el agregado y la fina y estrechamente entrelazada estruc· tura de los productos de hidratación. Las fuerzas que ligan las partículas de agregado a la matriz pueden ser solamente físicas debido a enlaces mecánicos y de adherencias, o puramente químicos debido a nuevos productos de reacción superficial y de interdesarrollo químico. En la práctica, estas fuerzas muestran un ca129
rácter combinado físico y químico. En la figura 6.3 se hace una representación esquemática de esta interac ción. En resumen, la resistencia del concreto se rige prin cipalmente por la resistencia e interacción de sus fases constituyentes.
Desde luego, son muchos los factores que in terrelacionan la resistencia del material compuesto, con la resistencia de las fases individuales y la resisten. cia de la interfase de adherencia.
Factores que influyen en la resistencia del concreto
- La resistencia de la pasta hidratada y endurecida (matriz). - La resistencia de las particulas del agregado. - La resistencia de la interfase matriz-agregado.
Entre los innumerables factores que afectan la resistencia del concreto en estado endurecido, inde pendientemente de la calidad y tipo de materiales que lo constituyen, para unas propiedades dadas de sus componentes en una mezcla traba jable y bien coloca da se destacan los siguientes:
figura 6.3 Representación esquemática de la interacción entre la matriz y los agregados constituyentes del concreto (6.4)
Contenido de cemento Es lógico pensar que las características del cemen to empleado tienen una enorme influencia en la resis tencia del concreto a cualquier edad, debido a que es el material más "activo" de la mezcla. Pero desde lue go, importa aún más su contenido (proporción) dentro de la mezcla, debido a que para un determinado tipo de cemento, a medida que aumenta el contenido de éste aumenta la resistencia. Sin embargo, las mezclas con una relación agua-cemento muy baja y un contenido de cemento extremadamente alto (superior a 470 kg/ ml) exhiben un retroceso de resistencia, particularmen te cuando se usa agregado de gran tamaño. Este com portamiento puede deberse a los esfuerzos inducidos por la contracción de la pasta de cemento al pasar del
estado plástico al estado endurecido, que al ser obstrui da por las partículas de agregado causan agrieta miento de la pasta o una pérdida de adherencia en la interfase matriz-agregado. Por otra parte, las mezclas con relación agua-ce mento muy alta y bajo contenido de cemento (pasta muy diluida) conducen a resistencias extremadamen te bajas debido a que la estructura de la pasta es muy débil en cualquier estado de hidratación del cemento. Relación agua-cemento y contenido de aire Como ya se mencionó, la relación agua-cemento, es el factor más importante en la resistencia del concre to con un adecuado grado de compactación. (Ver figu-
Figura 6.4 Resistencia del concreto contra relación agua-cemento, para diferentes grados de compactación (6.1)
Interfase agregado-matriz Capa de contacto del
de interacción entre fases adyacentes (zona de contacto) Agregado
¡:
-o ·;¡;
o. Eo u
"'
Agregado Interacción física debida a la topografía irregular del agregado
Agregado Adherencia de interacción físico-quími ca entre la matriz y el crecimientoepitaxial de cristales Relación agua/cemento ----·--------Jo
130
TECI'IOLOGIA DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
Resistencia del concreto
131
ra 6.4). Pero debido a que los diferentes agregados y cementos producen generalmente resistencias distin tas con la misma relación agua-cemento, es necesario desarrollar la correspondencia entre la resistencia y la relación agua-cemento de los materiales que se usarán realmente en un proyecto específico, para obtener una gráfica como la mostrada en la figura 6.5 que tiene aproximadamente la forma de una hipérbola. Adicio nalmente, se debe tener en cuenta si el concreto va a llevar aire incluido (naturalmente atrapado más incor porado), debido a que el contenido de aire reduce la resistencia del concreto, por lo cual, para una misma resistencia, el concreto con aire incluido debe tener una relación aguacemento más baja. Esto se puede observar en la misma figura.
Influencia de los agregados
Dentro de las propiedades más importantes de los agregados que influyen en la resistencia del concreto, se encuentran las siguientes: - La granulometria que al ser continua permite la má
xima compacidad del concreto en estado fresco y por lo tanto la máxima densidad en estado endu recido con la consecuente máxima resistencia. La forma y textura de los agregados también influ
-
yen, debido a que los agregados de forma cúbica y rugosos permiten una mejor adherencia de la interfase matriz-agregado, aumentando la resisten-
da respecto a loagregados redondead ?s y l os para una misma relación agua-cemento1• 5mm ar go, para igual contenido de c:mento, o pr!';leros ex1·gen más agua para no vanar la man.e¡abih.dad y orlo tanto el efecto neto es que las resistencias no arían apreciablemente.
ximo, debido a que la cantidad de cemento quer!d? para producir una resistencia a la compres1on maxi ma, a una edad dada, con un determinado agregado, varía según sea el tamaño máximo del agregado grue so de la mezcla. En términos generales, al utilizar tamaños mayo res se reduce el área superficial y los vacíos en el agre gado grueso. De manera que se requiere menos mor tero (y por lo tanto menos cemento en una pasta relación agua-cemento fija), para obtener una mane¡a bilidad dada. Esto es válido para resistencias hasta del orden de 250 kgjcm2, ya que investigaciones recientes han indiéado que el menor consumo de cemento para una resistencia dada se obtiene con agregados de me nor tamaño. Algunas de las conclusiones de estas in vestigaciones son las siguientes:
Por último, la resistencia y rigidez de la:parti ulas del agregado también inciden en la resis encia.del concreto, ya que es muy diferente la res1st ncm Y módulo de elasticidad de un agregado de ba¡a den sidad y poroso, a la de un agregado de baja poro sidad y muy denso.
?e
Tamaño máximo del agre ado grueso
Otro factor de los agregados que tiene muca rel vancia en la resistencia del concreto es su tamano maFigura 6.5 Correspondencia entre la resistencia y la relación agua-cemento para concreto con aire y sin aire incluido
Figura 6.6 Efldenda del cemento en kg/m'contra kgfcm'(6.7)
400 TAMAÑO MAXIMO DEL AGREGADO GRUESO VS. RESISTENCIA
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Relación agua-cemento 132
TECNOLOGIA DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
1000 120
240
356
474
711
KILOGRAMOS DE CEMENTO POR m3 DE CONCRETO
------------------- ---133 Resistencia del concreto
- Si se divide la resistencia de un concreto por su con tenido de cemento, se obtiene una medida de la efi ciencia del cemento en kg/cm2 de resistencia a la compresión por cada kg de cemento por m3 de concreto. Como ejemplo, se puede observar la figura 6.6. - En concretos de alta resistencia, mientras mayor sea la resistencia requerida, menor deberá ser el tamaño para que la eficiencia sea máxima. Para cada resistencia existe un margen estrecho para el tamaño máximo, por encima o por debajo del cual será necesario aumentar el contenido de cemento. En concretos de baja resistencia, mientras mayor sea el tamaño máximo, mayor es la eficiencia.En
concretos de resistencia intermedi, existe un ran go amplio en los tamaños que pueden usarse para una misma resistencia, esencialmente con igual contenido de cemento. Unicamente se requerirá más cemento si se utilizan agregados de tamaños máximos más pequeños. - Para una misma relación agua-cemento, concretos preparados con los tamaños máximos menores tienen mayores resistencias que aquellos que tie nen los tamaños máximos mayores.La diferencia es que la resistencia entre tamaños máximos ma yores y menores es más pronunciada para las relaciones agua-cemento más bajas. Este fenóme no se puede visualizar en la figura 6.7.
Fraguado del concreto
tero {concreto tamizado por la malla No. 4) colocada en un recipiente, al hacer presión con una aguja circu lar de extremo plano, hasta que ésta se haya hundido 1 pulgada. Se utilizan unas seis agujas, con áreas variables entre 1 y 1/40 pulgadascuadradas.Se dibuja una curva, de la cual es tomado el tiempo de "fraguado inicial" a una resistenciá a la penetración de 35kg/cm2 {500 psi) y el tiempo de "fraguadofinal" a una resisten cia a la penetración de 280 kg/cm2 (4.000 psi). La temperatura, desde luego afecta notabl mente el tiem po de fraguado, dependiendo de si la mezcla pierde o no calor de hidratación, por lo cual el proceso de adquisición de resistencia será más lento o no. En la figura 6.8 se presenta un ejemplo típico.
Otro factor que afecta la resistencia del concreto es la velocidad de endurecimiento, que presen.ta1 pasar del estado plástico al estado endurectdo, baJO ctertas y determinadas condiciones de tiempo y temperatura (proceso de fraguado). Por tal motivo, la determinación del tiempo de fra guado es importante para saber si es necesario utilizar aditivos que controlen la velocidad del fraguado (retar dantes o acelerantes), con el fin de regular los tiempos de mezclado y transporte, de manera que no se vaya . a ver afectada ni la manejabilidad ni la resistencia de la mezcla. El tiempo de fraguado es un valor arbitrario toma do durante el proceso de endurecimiento. El método
Figura 6.7 Reslstenda a la compresión del concreto, para varios tamaños máximos de los agregados y diferentes relaciones agua-cemento (6.7)
400 N
figura 6.8 Ejemplo del efecto de la temperatura sobre el tiempo de fraguado del concreto
"s
..( J . ...
350
Ol
1._51 raguado final
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E
'
Entre los factores externos que afectan la resisten cia de un concreto se encuentra, en primer lugar, la edad, debido a que la relación que hay entre la relación
más utitizado (ASTM C-403) consiste en medir la resis tencia a la penetración queofrece una muestra de mor-
600 500
Edad del concreto
e
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03
0.5 0.7 0.9
0.4 0.6 0.8
Relación A/C
o
4
6
8
10
12
14
16
Tiempo (horas)
Reslstenda del concreto
134
2
TECNOLOO/A DEL CONCREJO Y DEL MORTERO
135
agua-<:emento y la resistencia del concreto se aplica únicamente a un tipo de cemento y a una sola edad.
la resistencia con el tiempo se puede asumir de manera aproximada, como se indica en la tabla 6.1, para con cretos preparados con relaciones agua<:emento equi valentes y ·distintos cementos tipo 1 del país, pero te niendo en cuenta que la resistencia a los 28 días de edad no es la misma para todos los cementos.
En términos generales, se puede decir que a partir del momento en que se presenta el fraguado final a una resistencia a la penetración de 280 kg/cm2, comienza el proceso de adquisición de resistencia (correspondien te a una resistencia a la compre ión de aproximada mente 7 kg/cm 2 o 100 lbfpulg2), la cual va aumentan do con el transcurso del tiempo.
En esta tabla, el límite inferior corresponde a rela ciones agua-cemento altas (0,7) y el límite superior a relaciones agua-<:emento bajas (0,4).
Como la resistencia es variable, es necesario esco ger una edad definida para qu,e la resistencia en ese momento caracterice sus propiedades mecánicas. Ar bitrariamente, esta edad se ha tomado en 28 días. Las mezclas con una relación agua-<:emento baja aumentan en resistencia, expresada como porcentaje de la resistencia a largo plazo, más rápidamente que las mezclas con una relación agua-<:emento mayor. Esto se debe a que, en el primer caso, los granos de ce mento están más cerca unos de otros y se establece más rápidamente un sistema continuo de gel. Por esta razón, no es fácil hacer una extrapolación de la resis tencia a los 7 días para obtener valores a los 28 días, aunque se trate de un solo tipo de cemento.
Por otra parte, respecto a la relación que hay entre las resistencias a los 7 y 28 días, se puede utilizar la siguiente fórmula, teniendo en cuenta que es una rela ción aproximada, ya que a edades tempranas influyen notablemente las características del cemento, la rela ción agua-cemento, la humedad y el uso de aditivos, entre otros.
Sin embargo, tomando cor:no base la resistencia a la compresión a los 28 días, el aumento promedio de
(6.4) donde: Resistencia a la compresión a los 28 días de edad en kgfcm2 R 7 = Resistencia a la compresión a los 7 días de edad 2 C,K en kgfcm constantes que dependen del 1tipo de cemento. En la tabla 6.2 aparecen esto* valores.
Tabla 6.1 Aumento promedio de la resistencia a la compresión del concreto, con el tiempo, para varios cementos
tipo 1 colombianos
Continuación Tabla 6.1
15-20 11-25 10-18 12-19 10-24 18-22 17-24 6-9
Diamante B/manga Diamante Cúcuta Diamante Tolima Na re Paz del Río Samper Sta. Rosa Samper Síbería Valle
43-46 37-50 37-45 41-46 38-49 45-47 43-49 33-39
65-67 61-69 61-66 64-66 62-69 66-68 65-68 59-62
Tabla 6.2 Valores de C y K para varios cementos tipo 1
colombianos
Argos Boyacá Cairo Caldas Caribe Diamante Bfmanga Diamante Cúcuta Diamante Tolima Nare Paz del Río Samper Sta. Rosa Samper Siberia Valle
36,34 39,70 32,49 26,51 31,48
1,36 1,40 1,31 1,43 1,29
-15,75 17,83 45,28 6,03 59,38
1,59 1,38
10,35 41,23 29,22
1,44 1,34 1,50
1,35
1,50 1,28
82-83 80-84 80-83 82-83 81-84 83-84 81-84 79-81
100 100 100 100 100 100 100 100
117-118 116-120 117-119 117-118 116-119 116-117 116-119 119-121
128-130 126-133 129-133 128-131 127-132 127-129 127-131 132-135
masa de concreto relativa al área de superficie expues ta, así como también de la humedad del ambiente. Por tal motivo, el curado es el nombre que se le da a los procesos para promover la hidratación del cemen to y consiste en controlar la temperatura y los movi mientos de humedad dentro y fuera del concreto. Pero más específicamente, el objeto del curado es mantener el concreto saturado o tan saturado como sea posible para terminar de hidratar el cemento. En la figura 6.9 se representan en forma gráfica el efecto de las cond dones de humedad durante el curado y de la humedad del concreto en el instante de la falla sobre la resisten cia a la compresión. En esta gráfica puede observarse cómo al reiniciar el curado al aire durante un tiempo determinado, se reinicia también el proceso de hi dratación.
Temperatura Argos Boyacá Cairo Caldas Caribe
9-14 11-14 24-27 10-19 17-32
35-47 33-43 38-49 3646 44-55
60-67 58-íi4
62-69 60-66 65-72
80-84 79-82 81-84
80-83 83-86
100 100 100 100 100
116-120 118-121 115-116 117-120 114-117
128-134 130-135 126-127 128-134 124-129
Curado del concreto
La exposición al aire del concreto, debido a la pér dida de humedad durante el proceso de fraguado, pos teriormente impide la hidratación completa del cemen to y por lo tanto la resistencia final se disminuirá. La velocidad e intensidad del secamiento depende de la
Continúa·Tabla 6.1
136
TECNOLOGIA DEL COI'fCRETO Y DEL MORTERO
Resistencia del concreto
Finalmente, otro de los factores externos que afec ta la resistencia del concreto es la temperatura durante los procesos de fraguado y de curado, debido a que una elevación en la temperatura de curado acelera las reacciones químicas de la hidratación y esto afeCta benéficamente la resistencia temprana del concreto, sin efectos contrarías en la resistencia posterior.
137
Figura 6.9 Efecto de las condiciones de humedad durante el curado (6.1) En el aire después de 28 días
420
/
350
140
7 días
70 1' 14
28
Sin embargo, una temperatura más alta durante la colocación y el fraguado, aunque incrementa la resis tencia a muy temprana edad, puede afectar adversa mente la resistencia a partir de aproximadamente los 7 días de edad. La explicación es que una rápida hidra tación inicial de los granos de cemento es superficial y parece formar productos de una estructura físicamen te más pobre y probablemente más porosa.
Medida de la resistencia a la compresión Como ya se mencionó, la resistencia a la compre sión simple es la característica mecánica principal del concreto, dada la importancia que reviste esta propie dad, dentro de una estructura convencional de concre to reforzado. La forma de expresarla es, en términos de esfuerzo, generalmente en kg/cm2 y con alguna fre cuencia en libras por pulgada cuadrada (p.s.i.). La equivalencia que hay entre los dos es que 1 p.s.i. es igual a 0.07 kg/cm2• Aunque hoy en día se ha acogido expresarla en Mega-Pascales (MPa), de acuerdo con el Sistema Internacional de Unidades.
180
90 Edad en días
La forma de evaluar la resistencia del concreto es mediante pruebas mecánicas que pueden ser des tructivas, para lo cual se toman muestras y se hacen especímenes para fallar, o no destructivas, las cuales permiten probar repetidamente la muestra de manera que se pueda estudiar la variación de la resistencia u otras propiedades con el paso del tiempo. Para las primeras, se utilizan tres tipos de muestras: cilindros, cubos y prismas. Para las segundas hay diferentes sistemas, como se verá más adelante. Ensayo de cilindros El ensayo más universalmente reconocido para ejecutar pruebas de resistencia mecánica a la compre sión simple es el ensayo de probetas cilíndricas, las cuales se funden en moldes especiales (figura 6.1O) de acero o hierro fundido que tienen 150 mm de diámetro por 300 mm de altura (relación diámetro: altura 1:2). Los procedimientos relativos a este ensayo se encuen tran especificados en las normas NTC 550 y 673 que hacen referencia a la confección de los cilindros y al ensayo de resistencia a compresión, respectivamen te. A continuación se describen brevemente.
paredes de éste, hasta que la superficie del concreto cambie de mate a brillante, con el objeto de eliminar las burbujas de aire que se hayan podido adherir al molde o hayan quedado embebidas en el concreto. Loscilindros recién confeccionadosdeben quedar en reposo, en sitio cubierto y protegidos de cualquier golpe o vibración y al día siguiente (20 ± 4 horas después de elaborados) se les quita el molde cuidadosamente.
'!Permanentemente en el a1re
IJ; [J
o 37
138
-
3 días
IJ V
210
0::
14 días
/.
280
"' Ti e B ·"¡¡';
Permanentemente húmedo
Figura 6.1O Molde cilíndrico
Una vez que la muestra de concreto fresco ha sido correctamente seleccionada de acuerdo con los proce dimientos descritos en la norma NTC 454 (hormi gón fresco- toma de muestras), de manera qus:a re presentativa de toda la masa, se procede de la sigUiente forma: Antes de colocar el concreto en el molde, es nece sario aceitar el interior del cilindro para evitar que el concreto se adhiera al metal; para hacer esto, es sufi ciente untar las paredes y el fondo con una brocha im pregnada de aceite mineral; la capa de aceite debe ser delgada y en el fondo no debe acumular aceite. El cilindro se llena en tres capas de igual altura (1 O cm) y cada capa se apisona con una varilla lisa de 16 mm (5/8") de diámetro, con uno de sus extremos re dondeados, la cual se introduce 25 veces por capa en diferentes sitios de la superficie del concreto, teniendo cuidado de que la varilla sólo atraviese la capa que se está compactando, sin pasar a la capa siguiente (verfi gura 6.11). Al final de la compactación se completa el llenado del molde con más mezcla y se alisa la super ficie con la ayuda de un palustre o de una regla.
Inmediatamente después de remover el molde, los cilindros deben ser sometidos a un proceso de curado en tanques de agua con cal, o en cuarto de curado a 23•( ± 2•c, con el fin de evitar la evaporación del agua . que contíene el cilindro, por la acción del aire o el sol, y en condiciones estables de temperatura para que el desarrollo de resistencia se lleve a cabo en condiciones constantes a través del tiempo. En estas condiciones, los cilindros deben permanecer hasta el día del ensayo. La resistencia a la compresión del concreto se mi de con una prensa que aplica carga sobre la superficie superior del cilindro (Norma NTC 673). General mente esta superficie es áspera y no plana, lo cual puede conducir a concentraciones de esfuerzo que re ducen considerablemente la resistencia real del con creto. Una falta de planicie de 0.25 mm puede reducir en un tercio la resistencia. Para remediar esta situa ción, normalmente se hace un refrentado o cabeceado de las tapas dei cilindro con materiales como yeso o mezclas compuestas de azufre, tal como se especifica en la norma NTC 504. La resistencia a la compre sión, como ya se mencionó, se acostumbra a dar en términos de esfuerzo, o sea fuerza por unidad de área, en kg/cm2, con aproximación de 1 kg/cm2•
Ensayo de cubos El ensayo de cubos es menos generalizado que el de cilindros, pero muy utilizado en Europa, principal mente en Gran Bretaña y Alemania. En nuestro medio no son utilizados, pero a continuación se describe bre vemente la norma BS-1881, a manera de información.
Una vez que se ha llenado cada capa, se dan unos golpes con la varilla o con un martillo de caucho a las
TECNOLOG/A DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
Resistencia del concreto
139
Figura 6.11 Toma de cilindros de concreto -
Tabla 6.3 Valor de K para diferentes formas de
Ensayo de prismas
probetas (6.3)
El otro tipo de espécimen que se utiliza para deter. minar la resistencia a com¡>resión del concreto, aun que con mucha menor regularidad que los cilindros o los cubos, es el prisma rectangular con sección trans versal cuadrada. Uno de los paises que lo utiliza es Francia. Esta muestra de prueba tiene aproximadamente la misma relación de diámetro: altura (1:2) que los cilin dros, con la diferencia de que no presenta problemas para obtener buenas superficies de prueba por lo cual no hay que refrentar. Las dimensiones más utilizadas son 70 x 70 x 350 mm y 100 x 100 x 500 mm. Los prismas se preparan con el lado más largo en posición horizontal, de modo que, cómo los cubos, se prueban en posición perpendicular a la de preparación.
15x30 15 X 15 X 15 15x 15x45 20x20x60
Cilindro Cubo Prisma Prisma
1.00 0.80 1.05 1.05
En el caso de probetas cilíndricas de dimensiones distintas a la típica de 15 x 30 cm, la norma ASTM C42 prescribe factores de corrección en función de la esbeltez (altura-diámetro). En la tabla 6.4 se indican. Tabla 6.4 Factores de corrección por altura-diámetro
tamiento del concreto debido a la restricción de la con tracción inducida por secado o por disminución de la 'temperatura.
Ensayo de flexión La resistencia a flexión del concreto se determina ensayando vigas de sección cuadrada de 500 mm de longitud por 150 mm de lado, elaboradas y curadas de acuerdo con las normas ASTM C-192 y C-31. El ensayo descrito en la norma ASTM C-78 consis teen apoyarlas vigas a 2.5cm como minimode sus ex tremos, con una luz de 45cm y cargarlas en dos puntos situados en los tercios medios de la luz. El esfuerzo má ximo de flexión se denomina módulo de rotura (MR) y se calcula según la fórmula 6.6 cuando la falla ocurre dentro del tercio medio de la luz libre de la viga.
PL
Influencia de la forma y dimensiones
Las muestras cúbicas se elaboran de manera simi lar a los cilindros, en moldes de 150 mm de arista, en tres capas que se compactan con no menos de 35 gol pes y con una barra cuadrada de acero, de 26 mm de arista. Después de dar acabado a la superficie superior del cubo por medio de llana, el cubo se almacena y se deja en reposo durante 24 horas, a una temperatura de 18 a 22"C y con una humedad relativa del90%; al final de este periodo se retira el molde y se procede al curado en agua a una temperatura de 19 a 21•c. En la prueba de compresión, la posición del cubo es perpendicular a la que tiene durantesu preparación, con lo cual se evita el cabeceo del espécimen debido a que la cara de aplicación de carga sí es plana por la pared del molde. En este caso, el nivel de precisión es de 5kgfcm2•
de las probetas
2.00
En el medio colombiano, tanto en los cálculos co mo en los ensayos de control, la resistencia del concre-.
1.50
1.25
1.00 0.98 0.96 0.93
1.00
0.87
1.75
to está referida a las muestras cilíndricasde15x 30cm. Sin embargo, diversas causas pueden obligar a hacer ensayos en probetas cilíndricas de dimensiones distin tas o en probetas de geometrla diferente, como las mencionadas anteriormente. La diferencia en la resistencia obtenida por probetas de diferente forma, se puede relacionar por medio de coeficientes de corrección K entre la resistencia del cilindro Re y la de probetas de otro tipo R, como se indica en la siguiente ecuación:
Rc=KR
(6.5)
En la tabla 6.3 se indican algunos valores aprox mados de K, aunque en la realidad se deben hacer en sayos comparativos debido a que el valor de K depen de de muchos factores.
MR=
bcfl
(6.6)
donde:
MR P
Módulo de rotura del concreto, en kg/cm 2 Carga máxima aplicada en kg
Medida de la resistencia a flexión y tracción
L b d
Luz libre entre apoyos en cm Ancho de la viga en cm Altura de la viga en cm ·
Otra de las caracterlsticas mecánicas del concreto en estado endurecido, que reviste importancia, es su resistencia a la flexión, especialmente en estructuras de concreto simple, tales como pavimentos, en donde adicionalmente aparecen esfuerzos de tracción oca sionados por la flexi_ón_de las placas, al paso de los
Si la falla ocurre por fuera del tercio medio de la viga, pero no está separada de él por más de una lon gitud equivalente a15% de la tul-libre, el módulo de ro tura debe ser calculado de acuerdo con la siguiente ecuación:
vehículos Por otra parte, el concreto posee muy baja resisten cia a la tracción y por tanto esta propiedad no se tiene en cuenta en el diseño de estructuras convencionales. Sin embargo, la tracción tiene importancia en el agríe-
MR=
3Pa bcfl
(6.7)
donde a = distancia entre la línea de rotura y el apoyo más próximo, medida a 140
lo largo del eje longitudinal de la cara inferior de la viga, en cm. TE:CNOLOG/A DEL CONCRfJV Y DEL MO/UERO
Resistencia del concreto
141
Si la falla ocurre por fuera del tercio medio de la viga y a una distancia de él mayor deiS% de la luz libre de la viga, el ensayo se debe descartar. El módulo de kg/cm2 (5 p.s.i.).
'
convencional de 15 x 30 cm a lo largo de dos líneas diametralmente opuestas (acostado}. Ellcontec ha es. tanda rizado este ensayo en su norma 722 (ASTM c. acuerdo con la siguiente fórmula.
Figura 6..12 Correlación entre la resistencia
Es de anotar que el valor obtenido por medio de tracción del concreto, principalmente porque al apli carla se supone un comportamiento elástico del con creto hasta la falla por tracción, lo cual no es cierto.
NE
nLd
'Ol
bajan principalmente a flexión; de ahí que en estos ca sos, la calidad del concreto se especifique indicando su módulo de rotura. Ensayo de tracción indirecta
La resistencia a la tracción es difícil de medir por
medio de ensayos directos, debido a las dificultades para montar las muestras y las incertidumbres que existen sobre los esfuerzo5 secundarios inducidos por los elementos que sujetan las muestras. Para evitar este problema, L Carneiro y A. Bercellos desarrollaron en el Brasil un método indirecto llamado "Tensión Indirecta" o ensayo brasilero en honor a ellos, aunque independientemente también se desarrolló en el Japón. En este método, la resistencia a la tracción {T) es determinada cargando a compresión el cilindro 142
" ""
55
V
2 T L d
'()
oL-
_J--
--
100
200
300
400
500
600
MR = Módulo de rotura del concreto en kg/cm2 {'e = Resistencia a la compresión del concreto en
K
=
15
Resistencia a compresión kg/cm 2
Es un hecho que a medida que aumenta la resisten cia a la compresión del concreto, también aumenta su resistencia a la flexión. Sin embargo la correlación que existe entre la resistencia a compresión del concreto y su módulo de rotura no es lineal sino más bien de tipo parabólico, como se indica en la figura 6.12, es decir, a medida que aumenta la resistencia a compresión la resistencia a flexión también aumenta, pero en menor proporción.
TECNOLOGIA DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
V
1
35
donde:
(6.10)
V
kgfcm 2 Valor que varia entre 2.0 y 2.7 (el Comité Europeo recomienda 2.5 y el ACI2.0).
En la práctica, lo que se recomienda para establecer con cierta precisión la correlación existente entre MR· vs- {'e, es realizar ensayos previos de cilindros y vigas. En colombia, el autor ha encontrado que el valor de K, es de aproximadamente de 2,39 Por otra parte, se ha demostrado que existe una excelente correlación entre el Módulo de rotura y la re sistencia a la tracción indirecta, como se puede obser var en la figura 6.13. Esta correlación es independiente de la edad y del tipo de agregado empleado y, por lo tanto válida para Resistencia del concreto
1
1
---L--
Comparación de las pruebas
Adicionalmente, el Módulo de Rotura presenta va lores que varían entre un 10% y un 20% de la resistencia a la compresión. Una relación aproximada que puede utilizarse cuando no se disponga de ensayos de flexión, la cual es recomendada por el Comité Europeo del Concreto, es la siguiente:
45 40
o
'
V
v
Sin embargo, esta resistencia T. aparentemente de acuerdo con algunas investigaciones, es aproximada mente un 15% más alta que la determinada por ensa
MR=Kff
50
3
Longitud del cilindro en cm Diámetro del cilindro en cm
/ 1
V 1
1
4J
v
Resistencia a la tracción indirecta en kg/cmz
yos de tracción directa. A pesar de lo anterior, el módulo de rotura del con creto es una medida útil para el diseño de pavimentos de concreto, puesto que las placas del pavimento tra
1
65
ma que en la norma ASTM C-78, pero con aplicación de carga en el centro de la luz. En este caso, el módulo
2bd2
indirecta y el módulo de rotura (6.13)
70
2P
Por otra parte, el ensayo descrito por la norma
3 PL
Figura 6.13 Correlación entre resir.tenda a la tracción
a compresión y el módulo de rotura (6.13)
20
25
30
35
40
45
50
Resistencia a tracción indirecta kg/cm'
cualquier mezcla. Para emplearla en el control rutinario del concreto de pavimentos, bastaría entonces confir mar dicha correlación con unos pocos puntos.
Pruebas aceleradas Como se ha visto, la rotura de probetas a la edad de 28 días, es el sistema generalizado para obtener la re sistencia a la compresión del concreto.Sin embargo, el desarrollo creciente de la construcción hace que este lapso de tiempo sea motivo de preocupación para po der evaluar la calidad de un concreto, a pesar de que se tengan herramientas aproximadascomo la ecuación (6.4), con la cual se puede predecir, con cierto grado de precisión, la resistencia del concreto a 28 días con base en la resistencia de 7 días. Es por ello que se han desarrollado métodos de pruebas aceleradas de re sistencia. 143
En estos métodos, el porcentaje acelerado de ga nancia de resistencia de una muestra de concreto para prueba, se logra mediante diversas técnicas, utilizando calor externo o interno. Mediante estos métodos se · acorta el tiempo de ejecución de ensayos y la resisten cia a 28 días puede predecirse, dentro de ciertos lími tes, al día siguiente de haber sido producido el concreto.
A X
8
Pendiente de la recta de regresión, que depende del tipo de concreto y sus ingredientes Resistencia acelerada a 28.5 horas, en kg/crnl Intersección de la línea con el eje Y, valor que depende también del tipo de concreto y sus ingredientes.
En la figura 6.14 se muestra una gráfica típica de Los métodos más generalizados para hacer este ti re sistencia acelerada a la compresión en función de po de ensayos se encuentran descritos en la norma la resistencia a la compresión a los 28 días de ASTM C-684, en la cual hay tres procedimientos dife curado normal. rentes: método del agua tibia, método del agua hirvien do y método autógeno. De éstos, el más Figura 6.14 Curva típica de correlación (6.14) utilizado es el del agua hirviendo. En este método, las muestras de concreto se toman en cilindros normales, de acuerdo con la norma NTC 550, que ,6 527.5 son almacenados ade e u cuadamente en un lugar donde la temperatura se e mantenga a 21 ± 6'C. Adicionalmente para evitar pér , ,§ didas de humedad deben estar provistos de una tapa 457 'D metálica. A las 23 horas± 15 minutos, después de ha e ber sido confeccionados los cilindros, éstos se sumer ,• gen completamente sin quitar el molde con tapa, en •" E un tanque de agua que esté en ebullición. Al : a sumergirlos, la temperatura del agua disminuye, por lo 387 cual se debe garantizar que dentro de los "N' siguientes 15 minutos vuelva al punto de ebullición. -"rn Las muestras se curan así, durante 3.5 horas± 5 2 "V minutos, al cabo de las cuales • -¡; son extraídas del tanque y dejadas en reposo durante
. . § o e
1 hora con el objeto de que se enfríen. Después de este período se les remueve el molde, se refrentan con azu fre 15 y se someten a prueba a la edad de 28.5 horas± minutos.
316
.1: V
¡¡:
Como se ha visto, existen diferentes foimas de eva luar las características del concreto después de haberse efectuado la mezcla; entre las más utilizadas pueden mencionarse: el asentamiento, peso unitario, contenido de aire, tiempos de fraguado y resistencia a compresión, flexión y tensión. En todas estas pruebas influyen de manera importante las condiciones atmosféricas, la tem peratura intema del concreto, su edad y el tipo de curado. La temperatura de curado es uno de los factores que más influyen en el grado de resistencia adquirido por el concreto a determinada edad, por lo que ha sido tema de investigación desde el año de 1904, particular mente en los Estados Unidos de América, donde apa recieron las primeras publicaciones acerca del efecto de la temperatura en la resistencia del concreto; poste riormenle, a partir de 1940 un gran número de estudios fueron publicados especialmente en Inglaterra y Euro pa y hacia la década de los 50 surgió la idea de rela cionar el producto de la edad (t) del concreto, medida a partir del tiempo inicial de mezclado y la temperatura
la resistencia del concreto; este concepto lo denominó Saul en 1951 en Londres, como madurez.
e
;¡
Madurez del concreto
(T) a partir de una temperatura de referencia (To), con
•
.
ü
A partir de estas correlaciones, entonces se puede proyectar la re i encia del concreto, rápidamente y con cierta prectsion.
246 70.3
140.6
210.9
281.2
351.5
Resistencia acelerada de un cilindro curado kg/cm'
La madurez se puede definir, entonces, como la sumatoría del producto del tiempo y la temperatura, a
Estos resultados deben ser correlacionados con valores de resistencia obtenidos de cilindros ensaya dos a 7 y 28 días. Para hacer esto, se debe disponer de sión, que puede tener la siguiente expresión: por lo menos 1O puntos para definir la recta de regre
T
=
To = dt =
La temperatura de referencia, es aquella en la cual la resistencia del concreto permanece constante en el tiempo. La velocidad de desarrollo de una reacción quí mica aumenta conforme se incrementa la temperatura y así se manifiesta en el caso de la hidratación del ce mento. Esto significa, dentro de ciertos límites, que al ser mayor la temperatura de la pasta, ésta se hidrata más rápidamente y alcanza en menor tiempo un deter minado grado de madurez y una determinada resisten cia. Pero por otra parte, igualmente una disminución de la temperatura ocasiona un decremento en la velo cidad de hidratación, lo cual se muestra en la figura 6.15, en donde se aprecia cómo, al descender la tem peratura de curado a aproximadamente -lO'C, la hi dratación prácticamente se suspende. Figura 6.15 Adquisición de resistencia al disminuir la temperatura de curado (6.17) 700
dos, agua y aditivos varían de un lugar a otro. Por ello
M =
'E560
..u... - "
¿
1
"'
.
8zso
en algunas ocasiones la línea de regresión puede ase
(6.13)
!;
1
i
/
1 1
--7{C
¡_..-
'{
140
1
/
1
:2 420
--- --- ·
f
Y=AX+B donde:
(6.11)
Y
=
Resistencia
proy
donde: ectada a 7 o 28 días, en kg/cm2
1
1
1
-- -10.5"(
1 -Il.O'C 1
1
mejarse más a una hipérbola, en cuyo caso se expre
-
+16"C
1
1 1
t
(T- To) dt
en cada caso particular, ya que los cementos, agrega
27!dlas de c rado a t.'mperatuJs indi<:adL
1
E
Desde luego, esta correlación debe ser efectuada
1 1
Cl.
partir de una temperatura datum y se puede expresar así:
Temperatura del concreto en ese momento en particular, en 'C Temperatura datum o de referencia, en 'C incremento del tiempo, en horas.
t
dial de curad¡ a temperrura normt
saría así:
Y=
X
1 1
1 (AX + B)
(6.12)
144
M
=
Ma
durez del concreto en 'Ch, TECNOLOGIA DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
e n
un momento particular
o
o1
5
10
15
20
25
28
30
Edad, dias
Resistencia del concreto
145
Este comportamiento del fenómeno de hidratación del cemento hace necesario que la temperatura da tum para el cálculo de la madurez se considere igual a -1ooc, a pesar de que muchas investigaciones sugie ren valores que van desde -15°( a+ 15°(, dependien do del rango esperado en la temperatura de curado. De talforma que la ecuación (6.13), aplicada a la madurez del concreto (M), en un instante de tiempo determina do, se expresaría de la siguiente manera. (6.14)
M = (T + lO)t
A partir de esta ecuación, entonces, se puede pre decir la resistencia del concreto con base en su historia térmica, ya que Saul planteó que varias muestras de un mismo concreto pueden tener resistencias aproxima damente iguales, siempre que sus valores de madurez sean idénticos, independientemente de su historia real de temperatura-tiempo.Gráficamente (figura 6.16) es ta ecuación se puede representar como el área com prendida bajo la curva que define la evolución de la temperatura (T) respecto del tiempo (t).
Para ampliar este concepto, si se toman dos pastas con igual relación agua-cemento y de características similares y se curan a diferentes temperaturas, es posi ble obtener igual resistencia y madurez al cabo de tiem pos diferentes (fig. 6.17); es decir que alguna pasta tardó mayor tiempo en hidratarse por causa de la temperatura a la cual fue sometida.
1
E11/
1
Qi Q.
1-
1
1
1 1 1
del núcleo, con la consiguiente pérdida de resistencia potencial. De acuerdo con lo anterior, entonces el "Método de adurez" se puede emplear para predecir la resisten cia del concreto con base en su historia térmica. En un estudio adelantado por este autor y otros investigado res (6.16), en el cual se emplearon materiales y cemen tos nacionales, se estableció que la ecuación de predic ción de la resistencia toma la siguiente expresión: R=A+B log M
1 1 1 1 1
r,
1
t,
t, Tiempo
Origen del tiempo (mezcla
l. _
do del cemento con el agua)
1
(6.15)
En donde R es la resistencia a la compresión del concreto, y A y B son constantes de regresión. Esta ecuación coincide con la de muchos investigadores a nivel mundial, e indica que la función entre la resisten· cia y el logaritmo de la madurez es una relación lineal. De esta manera, si las constantes A y 8 se conocen para un concreto con una relación agua-cemento espe cífica, la resistencia de éste a los 28 días y a cualquier otra edad, para un valor dado de madurez, puede obtenerse mediante la ecuación (6.15). Sin embargo, para la aplicación del concepto de madurez en concre
Pasta 1
En consecuencia, si se conoce el tiempo que un cierto concreto curado en condiciones normalizadas (T = 23oC) requiere para alcanzar una determinada resistencia (madurez), es posible deducir el tiempo que
1
misma edad (6.17)
Dos pastas de cemento con diferente historia de temperaturas e igual madurez a distinta edad.
Pero, por otra parte, si se toma una pasta de ce mento con una determinada relación agua-cemento y se le extraen dos muestras que se curan a diferentes temperaturas, el efecto conseguido después de cierto tiempo es que la que ha tenido una mayor temperatura presenta un mayor grado de hidratación y por lo tanto una mayor resistencia y madurez. Esto se puede observar en la figura 6.18, en donde las áreas bajo las curvas de las dos muestras son diferentes para un mismo tiempo t
1
Figura 6.18 Obtención de diferente madurez a la
diferente edad (6.17)
_,..L Mezclado de la pasta
3e"
sistencia, a temperaturas de curado mayores o meno res que la normalizada de 23°(, determinando el mo mento en que se acumule dicha madurez. Esto también se puede apreciar en la figura 6.17.
Figura 6.17 Obtención de una misma madurez a
Figura 6.16 Temperatura vs. tiempo
de curado (6.17)
el mismo concreto debe requerir para obtener esa re
Tiempo
Desafortunadamente, debe tenerse en cuenta que este procedimiento no es adecuado para temperaturas de curado demasiado bajas o demasiado altas. Por ejemplo, se ha demostrado que a temperaturas inferio res a la de congelación del agua, el valor de la madurez subestima considerablemente la resistencia potencial del concreto; y por otra parte, las temperaturas de cu rado muy altas causan una hidratación más rápida al principio, pero con una fuerte concentración de pro ductos de hidratación alrededor de los granos de ce mento, que bloquean e inhiben la hidratación posterior
tos con diferente relación agua-cemento se requiere establecer las constantes A y 8 para cada una de ellas, la misma marca de cemento. En la así se trate defigura 6.19 se puede apreciar esta correlación para un ce mento típico colombiano en condiciones normalizadas de humedad y temperatura. Finalmente, la utilidad de este concepto de predi e· ción de la resistencia del concreto a partir de su madurez, estriba en que se puede establecer el momen to oportuno para remover las formaletas en una obra, el valor de la resistencia a la cual es permitido mover y cargar elementos prefabricados, o la resistencia que tiene un concreto para poder efectuar postensado de elementos, entre otros.
Tiempo Resistencia del concreto TE:CNOLOGIA DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
146
147
Figura 6.19 Resistencia vs. madurez para un cemento colombiano (6.16)
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Introducción
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Aunque la resistencia a la compresión del es concreto su característica más importante en estado endure cido, existen otros aspectos que en un momento dado pueden ser másimportantes.Entreellos, el principal es
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6 8 10
20
30 40 60
su durabilidad, que está estrechamente relacionada con las condiciones de exposición al medio ambiente, el cual puede generar deterioro por causas físicas, químicas o mecánicas. De otra parte, puede haber causas internas, tales como su permeabilidad, mate riales constituyentes o cambios de volumen debidos a diferencias en propiedades térmicas. A continuación se estudiarán estos aspectos.
Definición Según el comité ACI - 201, la durabilidad del concreto de cemento portland hidráulico se define como su resistencia a la acción del clima (meteoriza. ción), a los ataques químicos, a la abra ión o cualquier otro proceso de deterioro. De tal manera que un concreto durable debe man tener su forma original, su calidad y sus propiedades de servicio al estar expuesto a su medio ambiente.
Permeabilidad La perq¡eabilidad del concreto, como la de cual quier material, consiste en que éste pueda ser atrave sado por un fluido (agua, aire, vapor de agua) a causa de una diferencia de presión entre las dos superficies opuestas del material. La permeabilidad está determi nada por el caudal filtrado de acuerdo con la ley experimental de Darcy, en la cual el flujo es laminar y permanente. La permeabilidad del concreto depende de la poro sidad de la pasta de cemento y de la porosidad de los agregados, así como de los vacíos causados por una compactación deficiente o por los capilares dejados por el agua de exudación. En general, se ha menciona do que este porcentaje de vacíos en un concreto ade cuadamente consolidado puede ser de aproximada mente 1% (aire naturalmente atrapado).Sin embargo, en la práctica se ha determinado que la permeabilidad del concreto depende principalmente de la permeabi
lidad de la pasta de cemento, probablemente debido a que en un concreto adecuadamente compactado las partículas del agregado quedan envueltas por la pasta
decemento. Deotra parte, la permeabilidad de la pasta de cemento depende de la porosidad de ésta y de la
148
TECNOLOGIA DEL CONCRETO Y DEL MOtm:RO
Durabilidad del conc"'to
149
distribución de sus poros. En el caso de relaciones agua-cemento bajas y con un grado creciente de hidratación del cemento, el volumen de poros grandes se reduce y causa, por lo tanto, una reducción en la permeabilidad de la pasta de cemento endurecida. Desde luego, hay otros factores que afectan la permeabilidad de la pasta endurecida, como son, la viscosidad del fluido, la diferencia de presión, el espe sor del material, la naturaleza del fluido, el tiempo, y la presencia de aire tanto en la pasta como en el fluido. De acuerdo con lo anterior, la permeabilidad del concreto está asociada a su vulnerabilidad al ataque de
muchas sustancias que lo pueden deteriorar. Dentro de los principales factores que afectan la durabilidad del concreto se encuentran los siguientes:
Humedecimiento - secado Una de las causas de deterioro del concreto, espe cialmente de estructuras hidráulicas, son los niveles del agua, por mareas, crecientes, operaciones de em balse, u otras causas, ya que. el agua tiende a concen trarse en diferentes partes de la estructura. Según esto, una estructura sometida a ciclos de humedecimiento y secado puede dividirse en tres zonas, como se ilustra en la figura 7.1.
Figura 7.1 Deterioro de una l."strudura de concreto por acción del humedecimiento-secado (7.3)
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-------+..,. Acero de refuerzo ----+---eoVJ
Concreto
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Agrietamiento debido a congelación-descongelación Abrasión física debida a la acción el oleaje con arena, grava------o-111
-.
Marea
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ocupado de este fenómeno, entre los cuales se destaca Powers, quien llevó a cabo extensas investigaciones sobre la acción del frío en el concreto, desde 1933 hasta 1961. Hasta la fecha, existe un consenso general sobre el tema, en el sentido de que la pasta de cemento
Por ello, las Normas Colombianas de Diseño y Construcción Sismoresistentes (NSR-98), estipulan
11/j;i: •l /¡ (
-
endurecida y los agregados se comportan de manera diferente cuando son sometidos a congelamiento cícli-
cemento indicados en la tabla 7.1, para concretos que van a estar expuestos a la acción del agua.
Tabla 7.1 Requisitos de relación agua-cemento para concretos expuestos a condiciones
nademareas
de humecledmlento-secado (7.5) Máxima relación agua·material
-
del cemento hidratado Zona sumergida
2. Ataque de iones de Mg-----lll 3. Ataque de sulfatos
!50
Muchos han sido los investigadores que se han
los valores máximos permisibles de relación agua -
_...,J
\\'I·-------4Marea baja
Descomposición química
Modelo de descomposición química 1. Ataque de C02
Es bien sabido que el agua es el único elemento de la naturaleza que al llegar al punto de congelación aumenta de volumen; si el elemento estructural está húmedo y el agua de esta humedad se congela, au mentará el volumen y con ello inducirá esfuerzos internos de tensión a la masa de concreto que lo pueden conducir a la falla, debido a que, como ya se estudió, la resistencia a tensión del concreto es muy baja.
La parte de la estructura que se encuentra en la zona de mareas, entre los niveles máximo y mínimo, es susceptible no solamente al agrietamiento y al deseas' caramiento debidos al mojado y secado y a la acción de las heladas y a la corrosión del acero de refuerzo, sino también a la pérdida de material por descomposi ción química de los productos de hidratación del ce mento y al impacto de las olas que transportan trozos -flotantes de hielo, arena y grava. La parte inferior de la estructura que siempre está sumergida en el agua, es susceptible de permeabilidad y eventualmente de des
alta
la corrosión del acero
hielo flotantes
La exposición del concreto húmedo a ciclos de congelamiento y deshielo (países en donde hay esta ciones) es una prueba severa para el material, espe cialmente cuando se mantiene en estado de saturación casi completa.
composición por reacción química con algún ácido que contenga el agua.
Zona atmosférica
Agrietamiento debido a
Congelamiento y deshielo
La parte superior, que se encuentra arriba del nivel de marea alta y de oleaje, no está directamente expues ta al agua; sin embargo, está expuesta al aire at .osfé rico a vientos que llevan sales y polvo, o a la acc1on de hei das. Por lo tanto, los fenómenos nocivos predomi nantes en esta zona son: agrietamiento debido a corro sión del acero de refuerzo o congelación y descon gelación del concreto.
cementante, por peso para concretos de peso normal
Concreto de baja permeabilidad para ser expuesto al agua Para la protección contra la corrosión del refuerzo de concreto expuesto a Cloruros, sal, agua salina o que puede ser salpicado por agua salina
NOTA:
TECNOLOGIA DEL CONCRUO Y DEL MORTERO
Résistencia mínima a la compresión f;, en MPa
0.50
24 0.40
35
Si el recubrimiento mínimo dado en la sección C.7.7 del CCCSR se aumenta en 1,2 cm, la relación agua-cemento puede aumentarse a 0.45.
Durabilidad del concreto
151
liiiiP'IiiiiP...''..-------·- ----·----·
co. De modo que a continuación se tratarán algunas de las hipótesis que explican los mecanismos que inter vienen en el proceso.
Congelamiento de la pasta Dentro de sus investigaciones, Powers y Helmuth encontraron que el agua en una pasta de cemento se
Congelamiento de los agregados La mayoría de las rocas tienen poros más grandes que la pasta de cemento endurecida (con cualquier relación agua-cemento), y Powers encontró que expe len agua durante la congelación. En este caso, el daño causado se debe a la presión hidráulica que se genera en los poros debido al movimiento del agua.
Tabla 7.3 Contenido de aire total recomendado para
Factores que disminuyen el deterioro
concreto resistente a la congelación (11.4)
Con el objeto de evitar que el concreto se encuentre
Si en una estructura se usan agregados con alto
punto de congelación, se producirá de inmediato un período de superenfriamiento en el que se forman
grado de absorción y el concreto está colocado en un medio ambiente continuamente húmedo, el concreto
Por otra parte, como se ha visto, la resistencia, durabilidad e impermeabilidad del concreto están de
cristales de hielo en los capilares de mayor tamaño de la pasta. Como consecuencia, el contenido de álcalis aumenta en la porción de la solución aún no congelada que se encuentra en los capilares mencionados, crean do un potencial osmótico que obliga a las moléculas de agua, que se hallan en los poros cercanos, a difundirlas en la solución de las cavidades congeladas.
probablemente fallará si el agregado grueso se satura y hay ciclos de congelamiento y deshielo. La presión que se desarrolla cuando las partículas expelen agua durante el congelamiento las rompe, así como a la pasta endurecida. En algunos casos se ha visto que si hay partículas cerca de la superficie del concreto, pueden desarrollarse estallamientos.
terminados principalmente por la relación agua-ce mento, suponiendo que el concreto sea debidamente curado. Para que el concreto de peso·normal sea re sistente al congelamiento, debe tener una relación agua-cementoque no exceda los valores mostrados en la tabla 7.2,los cuales son recomendados por el código A.C.l.-318 y por la NSR- 98.
Como resultado, la solución que está en contacto con el hielo se diluye permitiendo que el corpúsculo de hielo crezca aún más.En el momento en que la cavidad se encuentra llena de hielo y solución, cualquier creci miento produce una presión de dilatación provocando
Agentes descongelantes
que la pasta falle.
mente descritos, hace algunos años se hizo común remover el hielo superficial de las estructuras por medio de sales descongelantes, como cloruro de sodio o cloruro de calcio, pero se descubrió que éstas causa ban o aceleraban la desintegración de las superficies, ya sea induciendo picaduras o descascaramientos y
Powers sostiene que cuando la pasta contiene aire incluido y la distancia promedio entre las burbujas de aire no es muy grande, las burbujas actúan como vál vulas de los capilares de la pasta y atraen el agua sin congelar. Hoy en día hay consenso al respecto y se considera que la pasta de cemento puede hacerse completamente inmune a los daños causados por temperaturas de congelamiento por medio de aire incluido, excepto cuando la pasta se expone a condi ciones especiales que hacen que los vacíos de aire se llenen. Sin embargo, el aire incluido por sí solo no elimina la posibilidad de que el concreto sea dañado por congelación, ya que los fenómenos de congela miento en las partículas de los agregados también deben tomarse en cuenta.
Tabla 7.2 Requisitos de relación agua-cemento para
concretos expuestos a ciclos de congelamientodeshielo (11.4)
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expuesto a una combinació.n de humedad y conge lamiento cíclico, es convemente tener en cuenta al d·señar la estructura, que ésta tenga una geometría tal 1 ue se reduzca al mínimo 1a captac1.o.n de agua por e.1 ¿oncreto y que adicionalmente disponga de un buen sistema de drenaje.
encuentra en forma de solución alcalina ligera y cuan do la temperatura del concreto cae por debajo del
Con el objeto de eliminar los fenómenos anterior
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6.0%
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J.l (1-1!2 )
5.5%
4.5%
50.8 (2) (nota-2) 76.2 {3") (nota-2)
5.0%
4.0% 3.5%
4.5%
Notil -1: Véase la no¡ma NTC 174 (ASTM CJ]) para las tol1!randas en tamaiio 110m!nal rnu:1mo de los agregados, No!a -2: Estos ontl'!lldos de aire corresJ!Onden a la mezcla total, al igual que los anteriores. En estos casas, cuando se e'ite realizando el ensayo de contenido de aire.• tos &gre:¡ados mayores de )8.1 mm (1-1/2"} se retiran. Ysea manualmente o por medio de lamillldo, y el cooterüdo de aire se detemlinsobre los agregado! re!i\antes (la toleranda en el Ctlfllenklo de 4ire se aplica !i!lbre esle valor). El cootenldo de atre de !a mezcla tola/ se C!kula !i!lbre los restantes despues de que se retiran los mayores 38.1 mm (1·1}2"). gregada!
La tolerancia aceptable para estos contenidos de aire es de ± 1.5%. El término exposición severa se refiere a exposición exterior en un clima frío en que el concreto puede estar en contacto casi continuo con la humedad antes del congelamiento, o en caso de que se utilicen sales descongelantes. La exposición m.odera da se refiere a exposición ocasional de humedad antes del congelamiento y no se usurán sales descongelan tes. La exposición ligera, no afecta la durabilidad.
Máxilor:ia efad{I¡,¡
causando corrosión en el acero de refuerzo.
•· · agifa·lii'il11eríali · a tmli!l le,,¡!Icr< pesOfJi!lilatflt(EekJS
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Riisislei.r.cia
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Concreto expuesto a ciclos de congelamiento
y descongelamiento en una condición húmeda,
0.45
31
o a químicos que
Algunas investigaciones han concluido que los agentes descongelantes causan un alto grado de satu ración en el concreto y esta es la principal razón por la que tienen efectos dañinos, ya que se desarrollan pre siones osmótico e hidráulico-destructoras durante el congelamiento. Igualmente, se ha confirmado que el aire incluido aumenta bastante la resistencia a los des congelantes y que su uso en realidad es indispensable en condiciones severas.
impidan congelamiento
el
Finalmente, otros factores que disminuyen el dete rioro del concreto por acción de los ciclos de hielodes hielo son, lógicamente, el uso de materiales adecua dos, procedimientos de curado que garanticen la completa hidratación del cemento y las buenas prácti
cas constructivas.
Exposición del concreto a sustancias químicas agresivas Generalmente el concreto es capaz de cumplir sus
Adicionalmente, una cantidad demasiado pequeña de aire incluido no protegerá la pasta de cemento contra el congelamiento cíclico y el exceso de aire h?rá dís i uir indebidamente la resistencia. Por ello, el m1smo cod;go A.C.I.-318 y la NSR- 98 recomiendan los valores de aire incluido en el concreto. Indicados en la tabla 7.3.
funciones bajo diversas condiciones atmosféricas, bajo la acción de las sustancias químicas contenidas en aguas y suelos y bajo la exposición de muchas otras sustancias químicas. Sin embargo, en ciertos ambien tes químico-agresivos se puede deteriorar con el paso del tiempo.
152
TECNOLOGIA DEL CONCRITO Y DEL MORTERO
Durabilidad del concreto
153
Por lo común, el concreto no es atacado por Igualmente, los ácidos orgánicos de los ensilajes sustancias químicas secas y sólídas; para deteriorarlo, agrícolas, industrias manufactureras o de procesa. éstas se deben encontrar en solución y sobrepasar un miento tales como fermentadoras, destilerías, producdeterminado mínimo de concentración. El concreto es tos de pulpa de madera o caña de azúcar, producir daños superficiales especialmente pueden más vulnerable cuando se encuentra bajo el ataque de en patios sustancias químicas en solución, ejerciendo presión de almacenamiento. sobre alguna de sus superficies, ya que la presión tiende a forzar la solución agresiva dentro del concreto. El mecanismo de deterioro del concreto causado por ácidos generalmente es el resultado de una reacEl ataque de sustancias químicas sobre el concreto ción entre estas sustancias y el hidróxido de calcio es, por lo general, el resultado de la exposición a del sulfatos o ácidos. Este tipo de ataques, se presentan a cemento portland hidratado. En el caso de ataque por ácido sulfúrico, el deterioro es más rápido o mayor, continuación. debido a que el sulfato de calcio formado como consecuenda de la reacción afecta también al concreto. Ataque por ácidos Adicionalmente, si las soluciones ácidas o salinas pueden alcanzar el acero de refuerzo pasando por Es un hecho bien conocido que en la pasta de ceporos o fisuras del concreto, puede presentarse un mento portland endurecida, el elemento que mantiene fenómeno de corrosión del acero que a su vez causa adherido el concreto es un material calcáreo y, como tal, muy susceptible al ataque de ácidos. La realidad, en agrietamiento y deterioro del concreto. Por tales razoel caso del concreto, es que no existe defensa contra el nes, bajo ningún motivo se debe permitir el contacto ataque de ácidos, por lo que estrictamente y sin excep- del concreto con ácidos. ción alguna, éstos deben ser eliminados del proceso o material que se maneja en una estructura de concreto, Como resultado de lo expuesto, en la tabla 7.4 se o evitar que entren en contacto con el concreto, meresumen los efectos dañinos de algunos ácidos orgán Cloro diante algún tipo de barrera impermeable y resistente cos e inorgánicos sobre el concreto. (gas) al ácido que proteja al concreto. Ataque por sulfatos Los productos de la combustión de un gran número de combustibles contienen gases sulfurosos que se combinan con la humedad y forman ácido sulfúrico. El Algunos sulfatos de sodio, potasio, caldo y mag· agua de algunas minas, algunas aguas industriales y nesio que están naturalmente en el suelo o disueltos en las aguas residuales o negras pueden contener o forel agua freática o subterránea pueden llegar a encon- mar ácidos que atacan el concreto. Asimismo, los suetrarse junto o alrededor de estructuras de especialmente cimentaciones, concreto, los que contengan turbas pueden tener sulfuro de hiesusceptibles a su efecto rro (pirita) que al oxidarse produce ácido sulfúrico, con perjudicial. En otroscasos, la superficie del concretose el agravante de que alguna reacción posterior puede puede ver expuesta a evaporaciones (fábricas, indus- producir sales sulfatadas, que a su vez producirían ata· trias, etc.), que tienen sulfatos (sales) disueltos, los que por sulfatos. Adicionalmente, las. corrientes de cuales pueden acumularse sobre dicha superficie, agua de regiones montañosas, como es el caso colomincrementando su concentración y por lo tanto posibilidades de deterioro. Los mecanismos que sus biano, son a veces ligeramente ácidas debido a que inter- contienen bióxido de carbono libre disuelto, o algunos vienen en el ataque del concreto por sulfatos, temente son dos reacciones químicas, a aparen· ácidos orgánicos (ácidos húmicos). saber: 154
TECNOLOGIA DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
Rápida
Nítrico Sulfúrico
Moderada
Lenta
Despreciable
aluminio
Fálico
Fosfórico
Láctico
Tánico
Carbónico
Oxálico Tartárico
Hidróxido de sodio < 20%
Nitrato de amonio Sulfato de amonio
Sulfato de sodio Sulfato de magnesio Sulfato de calcio Cloruro de Hidróxido 10-20% Cloruro de magnesio Hipoclorito de sodio Cianuro de sodio Cloruro de Hidróxido calcio de sodio <10% Cloruro de sodio Hipoclorito de sodio Nitrato de zinc Hidróxido Cromato de amonio de sodio
Bromo (gas) Sulfito líquido
amonio de sodio Agua de mar Agua dulce
Amoníaco líquido
155 Durabllldad del concreto
- Combinación de los sulfatos con hidróxido de caldo (cal hidratada}, liberada durante el proceso de hidratación del cemento. Esta combinación forma sulfato de calcio (yeso). Combinación de yeso y aluminato hidratado de calcio para formar sulfoaluminato de calcio (etringita). Estas dos reacciones tienen como resultado un aumento del volumen sólido. A la segunda se atribuye la mayoría de las expansiones y rupturas del concreto causadas por soluciones de sulfatos. Algunos autores en sus trabajos presentan pruebas de que además de las reacciones químicas puede ocurrir una acción pu-
ramente física (en la que no interviene el cemento); que es una cristalizacióin de las sales de sulfato en los poros del concreto y que es responsable de daños considera bles. En la tabla 7.4 también se resumen los efectos dañinos de algunos sulfatos y otras sustancias quími cas agresivas.
Por estas razones, el concreto que quedo expuesto a la acción de sulfatos, debe cumplir con los requerimientos de relación agua-cemento máximas estipuladas por Las Normas Colombianas de Diseño y Construcción Sismo-Resistente (NSR-98) que se indican en la tabla 7.5. ádemas es deseable que tenga inclusión de aire, lo cual diminuye su permeabilidad y por lo tanto el acceso de sulfatos a la masa endurecida de concreto.
Tabla 7.5 Requisitos para concreto expuesto a soluciones que contienen sulfatos (7.5)
Severa
0.20 a 2.00
1500 a 10000
V
0.45
32
Muy severa
más de 2.00
más de 10000
V con puzolanas ( 4)
0.45
32
nota·1 Puede re9uerirse una relación agua·material cementante menor por requisitos de baja permeabilidad o para protección contra la corrosión. nota·2 Agua manna.
nota-3 Además de los cementos tipo 11 se incluyen los MS
nota-4 Puzolanas que cuando se utilizan con cementos Tipo V, hayan demostrado que mejoran las resistencia del concreto a los sulfatos bien sea por ensayos
o por buen comportamiento en condiciones de servicio
Como el comportamiento del concreto expuesto a sulfatos depende del contenido de C,A del cemento, este contenido no debe exceder del8% si la exposición a sulfatos es moderada y del 5%, si es severa.
Eflorescencias El término eflorescencia se emplea para describir depósitos que se forman algunas veces sobre la super-
ficie de productos aglutinantes, concreto o muros de mampostería. Los depósitos eflorescentes están com puestos de metales alcalinos (sodio o potasio) o de sales de calcio (principalmente carbonatos y sulfatos) o de ambos; estas sustancias se producen en el cernen· to. Los iones de sodio y potasio se encuentran presen· tes aunque en cantidades menores, combinados con compuestos de escoria de cemento, así como también en forma de sulfatos, los álcalis y el sulfato se disuelven en el agua durante el mezclado y fraguado del concreto.
El sulfato de calcio, al igual que el yeso, se añaden al cemento durante su fabricación para regular el fraguado; sin embargo, la fuente principal de las sales de calcio eflorescentes es el hidróxido de calcio que se forma durante el fraguado del concreto, como produc to secundario de la reacción del agua y el cemento. Los álcalis y los carbonatos de calcio son el resultado de la interacción entre el bióxido de carbono atmosférico, el metal alcalino y los hidróxidos de calcio. Los depósitos eflorescentes pueden ser clasifica dos de acuerdo con la solubilidad de las sustancias quí micas en el agua. La sales metálicas alcalinas son mucho más solubles que las sales de calcio y constitu yen un problema menor, ya que, o no permanecen durante mucho tiempo, o pueden removerse con rela tiva facilidad. El sulfato de calcio es ligeramente solu ble en agua, pero, puesto que reacciona especialmente para formar compuestos insolubles que normalmente permanecen en el concreto, rara vez es un componen te principal de los depósitos eflorescentes. El carbona to de calcio tiene una solubilidad en el agua, extrema damente baja, y cuando se deposita es probable que permanezca. La eflorescencia debida al carbonato de calcio insoluble está considerada como el decolorante más serio del concreto, y tanto su formación como su prevención han sido temas de estudio importantes durante los últimos años. El riesgo de eflorescencia sé reduce por medio del curado en aire húmedo y se incrementa por el curado en aire seco. Varios ensayos han demostrado que un curado de uno o dos días de 80 a 95% de humedad rela tiva y temperatura de 20°C, son suficientes para dar buena protección contra la formación de eflorescencias. Si se usa menos del65% de humedad relativa, el tiem podecurado necesarioserá del orden de varias semanas. Finalmente, una vez que el concreto ha sido desfor maleteado, las condiciones de exposición pueden ser críticas, ya que la radiación de calor producida por el sol puede incrementar el riesgo de eflorescencia y, la exposición al viento puede producir un secado rápido
que da por resultado una severa eflorescencia. De tal manera que las condiciones de curado durante las primeras horas después de descimbrado, y algunos días después, tienen mucha influencia sobre el tono o el color del concreto.
Corrosión del acero de refuerzo y otros materiales embebidos en el concreto Por lo general, el concreto proporciona a los mate riales embebidos en él una protección adecuada con tra la corrosión. Sin embargo, es un hecho aceptado que la corrosión del acero es un fenómeno electro químico y para que éste ocurra debe haber presencia de oxígeno conjuntamente con soluciones acuosas de sales, bases o ácidos. El acero de refuerzo no se oxida en el concreto debi do a la alta alcalinidad de la pasta de cemento (pH = 12.5) y a su resistencia eléctrica especifica que es relativamen te alta en condiciones de exposición atmosférica. Pero si por alguna razón se reduce la alcalinidad de la pasta de cemento aproximadamente a un pH = 1O, es proba ble que se presente la corrosión.
Causas de la corrosión
Entre las causas de corrosión más frecuentes se encuentran lasfugasde corriente eléctrica y la corrosión originada dentro del concreto mismo.
En la primera, el paso de corriente eléctrica directa a través del concreto o del refuerzo utilizado en él puede originar una rápida y seria corrosión. Este tipo de corriente es producida frecuentemente por fugas de sistemas eléctricos o por no haber dispuesto de un me dio positivo y permanente para conectar los sistemas eléctricos a tierra. En el segundo caso, la forma más común de co rrosión de los metales que se encuentran en el interior
156
TECNOLOGIA DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
Durabilidad del concreto
157
del concreto es causada por el flujo de una corriente eléctrica generada dentro del mismo concreto, debido a que se pueden provocar diferencias de potencial eléctrico en diversos puntos; ocasionados por las dife rencias en el contenido de humedad, concentración de oxígeno, concentración de electrolitos o por contenido de metales diferentes. En estos casos, dentro del concreto y a lo largo de una varilla de refuerzo o de otro metal contenido, se crea una celda de corrosión. Este fenómeno se presenta al formarse un ánodo (en donde existe corrosión) y un cátodo (que no se corroe). La distancia entre estos dos componentes de la celda puede variar aproXimadamente de 6 a 1O mm o más. Desde luego, hay factores atenuantes que pueden incidir en el deterioro del concreto reforzado por corro sión, como son la alta permeabilidad, la presencia de agrietamientos, el ataque químico o la carbonatación. En general, los concretos permeables o con fisuras
dos y proporciona una barrera contra la entrada de oXigeno. Esto se puede lograr empleando relaciones agua-cemento inferiores a 0.4, tal como se indica en la tabla 7.1, y con el uso de aditivos inclusores de aire.
En cuanto a los cloruros, se debe eliminar su contenido total en la mezcla (incluidos todos los ingredientes), hasta un valor inferior al necesario para provocar corrosión. Algunas investigaciones han determinado que este valor límite puede ser tan bajo como 0,15% del peso del cemento. Por ello, Las Normas Colombianas de Diseño y Construcción Sismo-Resistente (NSR 98) estipulan los valores límites indicados en la tabla 7.7.
secado, congelamiento y deshielo, la acción de ácidos o sulfatos, carbonatación, o cualquier otra causa que lo haya agrietado y debilitado. En el caso de la car bonatación, adicionalmente a la contracción por seca
dos, apaitde prácticas constructivas y métodos de curado aceptables. Cuando haya elementos embebi dos sobresalientes y ambientecorrosivo, se debe pres tar especial atención al material de estos elementos y
do también puede reducirse la alcalinidad del concre to y por lo tanto reducir su eficacia como medio pro tector del acero de refuerzo, u otros metales embebi dos en él.
a la clase de ambiente.
Entre los factores que disminuyen el deterioro del
Recubrlmient mínimo
De otra parte, la protección que puede ofrecer el concreto contra la penetración de sales hasta el acero de refuerzo está determinada por el espesro del recubrimiento del concreto sobre las barras de refuerzo. Las Normas Colombianas de Diseño y Construcción SismoResistente (NSR-98) estipulan los valores indicados en la tabla 7.6.
que se extienden hacia dentro desde la superficie del concreto, contribuyen a la corrosión, ya que se puede proporcionar entrada a la humedad, al aire o a diversos agentescontaminantes.Igualmenteocurresiel concreto ha sido deteriorado por la acción del humedecimiento
factores que.disminuyen el deterioro
Tabla 7.6 Recubrimiento mínimo de concreto sobre las barras de refuerzo según las Normas Colombianas de Diseño y Construcción Sismo Resistente (NSR-98) (7.5)
Finalmente, las estructuras en donde se desee dis minuir el riesgo de daños por corrosión deben disponer de buenos drenajes y métodos de protección adecua
Resistencia a la abrasión La resistencia del concreto a la abrasión se define como la habilidad de la superficie para resistir el des gaste producido por fricción, frotamiento, raspaduras o percusiones.
70mm 50 mm 40mm 40mm 20mm 40mm
20mm 15mm
ELEMENTOS PREFABRICADOS a) Concreto expuesto a la lnterperte o en contacto con la tierra:
t;;:: u. !l: :!¡ § menores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . _. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
N'l8(2·1/4'Jó5SM(55mm) ..•.........•••.•.........................••..•..•.......•.•...........•.•...•...........••..•....•........••...•.........•...........................•..• En otros elementos
40mm · 30 mm
tala: : : U en! l : ) : :¡la §Uerra:l,ymenores ...............................................................
15 30 mm
. : 1
:::::::::·:-·::·:::·..: .· : : :· :.·: : : · : ·:.-. :.-: -: -·: : ·:. :·:. : :·: .: -:.-:· : :·:· :· : ·: _.:.: ·:· : .:.: ::.
b) ConcretoEn no losas, expuesto ni t contacto con mu ro sinterperie, y v i gue a s:
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N'18(2·1/4'Jó5St.i(S5mm) ..................................................................................................................................:............,........_
. r. : aF..: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :.': : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : vigas y col a s :
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de exceder 40 mm
H:; ;:::: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :;: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : CONCRETO PREESFORZADO, DUCTOS O ANClAJES
a) Concreto contra la il
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ala Intemperie:
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= concreto por las causas mencionadas anteriormente
20 mm
-
e) Concreto no expuesto a la interperie, ni en contacto con.la tierra: losas, muros y viguetas ··················-·························.·.····-·································································-··················.·.···········································
40 mm
70 mm 30
mm
mm 20 mm
está, en primer lugar, la baja permeabilidad que permi te menor paso y retención del agua, y en consecuencia menor conductividad eléctrica.Adicionalmente, la baja permeabilidad se opone a la absorción de sales y áci158
La resistencia del concreto a la abrasión esdificil de valorar, ya que la acción perjudicial varía según sea la causa exacta del daño y no hay ningún método de prueba que sea satisfactorio para evaluar todas las
Vigas Y coiWlUlas
CascaronesyEJ:!! :!... - -- - - .:....:.: : : : : : .:·: : : : : : : : : .:·: : : : : :. : :.:·: : :.:·: : : : : : :.:·: : .:·.:·: : : : : : : :. : : : . : .:·: : : : : :. : : : Durabilidad del concreto
1ECNOLOGIA DEL CONCREro Y DEL MORTERO
= ¡; ··:::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::;::::::::::::::::::::
40 mm 20 me omm
159
Tabla No. 7.7 Máximo contenido del ión cloruro en agua, para protección contra la corrosión (7.5)
Concreto preesforzado ..................................".................................................................................... 0.06 Concreto reforzado expuesto a cloruros en servicio........................................................................................................................................... 0.15 Concreto reforzado que estará seco o protegido de la humedad en servicio .............................................................................................. 1.00 Otros tipos de construcción en concreto reforzado ............................................................................................................................................. 0.30 condiciones a pesar de que existen métodos como los de las normasASTM C-944, C-779y C418, en los cua les se emplean diversos procedimientos.Por ello el me jor criterio para la selección de un concreto resistente a la abrasión consiste en tomar la resistencia a la com presión del concreto como factor principal de su resis tencia a la abrasión. Tipos de abrasión Debido a que existen diferentes condiciones de servicio de una estructura, algunos autores han consi derado cuatro tipos de abrasión, a saber: - Desgaste de pisos de concreto debido al tráfico de peatones y vehículos ligeros, patinazos, raspadu ras o deslizamiento de objetos sobre la superficie (frotamiento), - Desgaste de la superficie de caminos y carreteras de concreto debido a camiones pesados y automó viles con llantas que tienen tachones o cadenas (rozamiento, raspado, percusión). - Erosión de estructuras hidráulicas tales como pre sas, túneles y estribosde puentes que están sujetos
160
a la acción de materiales abrasivos llevados por el agua corriente. En algunos casos por el viento. -
Desgaste de presas de concreto, vertederos, túne les y otros sistemas de conducción de agua en los que se presentan altas velocidades y presiones negativas. Este tipo se conoce generalmente, co mo erosión por cavilación.
En el caso de los pavimentos de concreto, su re sistencia al patinamiento depende de la textura super ficial. En este fenómeno intervienen dos tipos de textu ra: la macrotextura, que es el resultado de las irre gularidades que se forman en el concreto en el mo mento de su construcción, y la microtextura, que es el resultado de la aspereza y el tipo de agregado fino empleado. De las dos, la microtextura es la más im portante, especialmente a velocidades menores de 80 km/h. La resistencia al derrapamiento en los pavimentos de concreto, depende inicialmente de la textura que se forme en la capa superficial del concreto; con el tiem po, el tráfico de vehículos desgasta la capa superficial queestá en contacto con lasllantas, remueve la macro-
textura y se pone al descubiertoel agregado grueso. La velocidad a la que esto ocurre y las consecuencias sobre resistencia al patinamiento en el pavimento de penden del espesor, de la calidad de la capa superficial y de los tipos de roca empleados como agregados grueso y fino. Por otra parte, a velocidades mayores de 80 km/h, la macrotextura es de primera importancia, porque puede evitar el "hidroplaneo". Esta textura se logra haciendo pequeños surcos en la superficie ya sea du rante el estado plástico del concreto o aserrando pos teriormente. Los pequeños canales sirven para que se drene el agua que de otra manera quedaria atrapada entre la llanta y el pavimento. Esto, desde luego, mejo ra la adherencia llanta-concreto y disminuye la acción del derrapamiento. En cuanto a la erosión causada por partículas sólidas transportadas por agua o viento, ésta depende de la cantidad, forma, tamaño y dureza de las partícu .las transportadas, así como la velocidad de su movi miento y la aparición de remolinos. Por lo general, el c;:oncreto con agregados grandes se desgasta menos que el mortero de la misma resistencia y desde luego . losagregadosduros mejoran la resistencia a la abrasión. Finalmente, la erosión por cavitación genera hue cos y cavidades en el concreto debidos a la formación de burbujas de vapor cuando la velocidad del agua es muy alta y está acompañada de presiones negativas. En este caso, la cavilación ocasiona rápidamente da ños severos y la superficie del concreto aparece irre gular, mellada y picada. Desafortunadamente, ni el mejor de los concretos es capaz de resistir durante tiempo indefinido las fuerzas de cavitación, por lo cual el problema estriba en reducir la cavitación con super ficieslisas y suaves, así como reducir liivelocidad del ·agua. De otra parte, es conveniente usar tamaños má ximos de agregado grueso de hasta 19.1 mm (%") porque la cavitación tiende a remover las partículas grandes.
Du,.bflidad del concreto
Resistencia a la meteorización La desintegración del concreto por meteorización es producida por las dilataciones y contracciones que resultan al presentarse variaciones de temperatura y cambios de humedad, por la acción del sol, el viento, la lluvia, el clima, etc. Para que la acción de la meteorización sea menos efectiva, el concreto debe ser impermeable y presentar bajos cambios de volumen, para lo cual se requiere lo siguiente: - Una relación agua-cemento baja y un mínimo contenido de agua (agregados bien gradados, por centaje mínimo de arena, consistencia plástica en la mezcla y buena vibración). - Un concreto homogéneo (mezclado eficiente, ade cuada colocación y vibración). - Un curado adecuado (temperatura favorable, pér dida mínima de humedad).
Resistencia al fuego En general, el concreto tiene buenas propiedades de resistencia al fuego; es decir, el período de tiempo bajo fuego durante el cual el concreto mantiene un comportamiento satisfactorio, es relativamente alto y no hay emisión de humos tóxicos. Los criterios impor tantes de su comportamiento son:
- La capacidad de sostener carga. - La resistencia a la penetración de la llama. - La resistencia a la transmisión de calor. Cuando el concreto que protege el refuerzo de un elemento estructural queda expuesto a la acción del fuego, éste introduce altos gradientes de temperatura y, en consecuencia, las capas superficiales calientes
161
tienden a separarse y descascararse desde la parte interior de la masa, que está más fria. Esto es altamen te influido por el grado de humedad. Una excesiva hu medad en el momento del fuego es la primera causa de descascaramiento. Si el concreto está en equilibrio hi grométrico con el aire no hay descascara miento. De otra parte, el fuego fomenta la formación de grietas en las juntas, en sitios mal compactados y en los planos de las varillas de refuerzo. Al quedar el refuerzo al descubierto, éste conduce el calor y acelera la acción del fuego. Por lo tanto, los recubrimientos deben ser adecuados y en lo posible el concreto debe ser impermeable con el objeto de que no presente humedad en el momento de un incendio.
Reacciones químicas de los agregados Las reacciones químicas de los agregados conteni dos en el concreto pueden afectar su comportamiento. Algunas de éstas pueden ser benéficas, pero otras lo perjudican ya que causan expansiones anormales con los consiguientes agrietamientos y pérdidas de resis tencia. Entre estas expansiones se encuentran las si guientes: Reacción álcali-sílice La reacción más estudiada, y la primera en identi ficarse, es una reacción de los álcalis (Nap y Kp) pro cedentes del cemento o de otras fuentes, con el hidró xido y diversos constituyentes silíceos que pueden estar en el agregado. OriQinalmente se designaba este fenómeno como "reacción álcaliagregado". Los mine rales, mineraloides y rocas que en el año de 1958 se clasificaron como reactivos en los Estados Unidos, se muestran en la tabla 7.8. La reacción álcali-sílice ocasiona expansión y agrietamiento severo de las estructuras y pavimentos de concreto. El fenómeno es complejo y se han pro-
162
puesto varias teorías para explicar los resultados tanto en campo como en laboratorio.
Tabla 7.8 Rocas, minerales y sustancias sintéticas que pueden causar reacciones dañinas (7.1)
Aparentemente, el material reactivo cuando se encuentra en presencia de hidróxidos de potasio, sodio y calcio derivados del cemento, reacciona y puede for mar ya sea ul1 complejo sólido y sin capacidad de expansión formado por calcio, álcalis y sílice o un com plejo (también sólido) que puede expandirse al absor ber agua. La formación de uno o del otro depende de la concentración relativa de álcalis y de hidróxido de calcio, así como de la superficie disponible del material reactivo. Reacción cemento-agregado Recientes investigaciones indican que la reacción cemento-agregado es principalmente una reacción en tre los álcalis del cemento que producen un pH alto y abundantes oxidrilos y los componentes síliceos de los agregados. Los daños que sufre el concreto son provo cados por una expansión interior moderada originada por reaccionesálcali-sílice y una contracción superficial ocasionada por condiciones ambientales difíciles.
Amorfa Desde microcristalina hasta criptocristalina; co múnmente fibrosa. Algunas formas de cuarzo
a) Desde microcristalina hasta criptocristalína. b) Cristalina pero intensamente fractura da, tensionada y1o con gran número de inelu· siones. Cristalina
Cristobalita Tridomita Cristales rioliticos, dacíticos, latiticos, o andesíticos, o productos cripto cristalinos de la descrístalización. Cristales silíceos sintéticos
Cristales o materiales criptocristalinos tales como Silíceos con pequeñas cantí- matrices de rocas volcánicas ofragmentos coso fragmentos de tufas. volcáni- dades de Alp3, Fep3, tierras alcalinas y álcalis.
Silíceos con pequeñas Cristal cantidades de álcalis aluminio y fo otras sustancias.
Reacción expansiva álcali-carbonato El problema de explicar la reactividad expansiva álcali-carbonato no está resuelto y se han propuesto varios mecanismos que podrían explicar la reacción. Lo que está claro es que sucede un proceso de dedolomitización que lleva a la formación de brucita y a la regeneración del álcali. Esto permite distinguir ésta de la reacción álcali-sílice en la que el álcali existente al principio es consumido conforme se desarrolla la reac ción. La presencia de minerales arcillosos parece ser significativa y su aumento de volumen cuando quedan expuestos a la humedad mediante el proceso de dedolomitización es la base de una de las posibles explicaciones de la reacción. Esta reacción general mente ocurre con los agregados calizos, particular mente los dolomíticos. TECNOLOGIA DEL CONCRETO Y Df.L MORTERO
Durabilidad del concreto
163
CAPITULO
Peso unitario y apariencia del concreto
Introducción El peso propio del concreto y su apariencia en una estructura son otras de las propiedades que deben tenerse en cuenta al diseñar una mezcla de concreto. Adicionalmente, en muchas ocasiones el peso unitario del concreto convencional, al igual que su aspecto exterior, se puede aprovechar para multitud de usos, logrando ventajas técnicas y económicas. El estudio de este breve capítulo contempla estos aspectos.
vencional y acero de refuerzo, comúnmente se asume un valor de 2.400 kgfm 3• De acuerdo con lo anterior, entonces el peso unita· río del concreto será la suma de los pesos individuales de cada uno de sus componentes por metro cúbico: Pe + P{ + Pg + H = Pu Pe
El peso unitario del concreto, al igual que el de otros materiales, está definido como la cantidad de masa por unidad de volumen y generalmente se expre sa en kg/m3• Por lo general, el concreto convencional tiene un intervalo de pesos unitarios que va desde 2.240 a 2.400 kg/m 3, lo cual depende de la densidad de los agrega dos, la cantidad de aire atrapado o intencionalmente incluido y de la cantidad de agua y cemento conteni das, que a su vez se encuentran influenciadas por el tamaño máximo del agregado. En el diseño de estruc turas, al contemplar la combinación de concreto con-
P{
Pg
-+- + -+ W+ A= 1.000 lt Ge G{ Gg
Peso unitario del concreto
(8.1)
(8.2)
En donde: Pe, P{, Pg =Peso del cemento, agregado fino y agre
Ge
=
G{, Gg
=
W
=
A Pu
gado grueso por m3 de concreto. Peso específico del cemento en g/cm3• Densidad aparente seca del agregado fino y del agregado grueso en g/cm3. Peso o volumen del agua (añadida y del agregado) en kg/m3• Contenido de aire (naturalmente atrapa· do e intencionalmente incluido) en lt/m 3• Peso unitario del concreto en kg/ m3•
Para ciertas aplicaciones, el concreto puede usar se, en principio, en función de sus características de
Peso unitario y apariencia del concreto
165
peso. Ejemplos de este tipo de aplicaciones son los contrapesos en puentes elevadizos, en puentes colgan tes (figura 8.1), pesas para hundir tubería de oleoduc tos bajo el agua y cubiertas de protección contra la radiación y para aislamiento de sonido. Para obtener un cálculo teóricamente exacto del peso unitario del concreto fresco, el A.C.I.-211, sugiere la siguiente fórmula: Pu=10Ga (100-A)+C(l-Ga/Gc)- W(Ga-1) (8.3)
Promedio de densidad aparente saturada y su. perficialmente seca del agregado total, en gjcr¡¡l Gc = Peso especifico del cemento, en g/cm3 A = Contenido de aire, en porcentaje W = Requerimiento de agua de mezclado, en lt/rnl Ga
C
=
=
Contenido de cemento en kg/m3
Sin embargo, existen procedimientos que permi ten determinar este valor con cierta precisión, como el que se verá a continuación.
Medida del peso unitario en el concreto fresco
En donde: Pu =Peso unitario del concreto fresco, en kg/m3
Aunque el concreto se dosifique por peso, se surn nistra por volumen. De tal manera, que el ensayo de
eso unitario se emplea para calcular el volumen o el P d'miento producido porlos pesos re'do 1 volumétrico • Cl cada O S uno de los maten ales • que de lconoo·constituyen t ar a determinar el contem do de cemento por concreto. me ro •En la norma NTC - 1926 Y Pb'co de cu se 1 • • detallan los proced1m1entos a segUir.
En pocas palabras, el peso unitario se d:termina 'diendo el peso del concreto que se reqwere para 1 m Al llenar . elen11 ar un molde de volumen conocido. .11 molde, el concreto se compacta con 1a m1smda vn a 1 del ensayo de asentamiento y en tres .capas e ¡gua altura, teniendo cuidado de golpear ligeramente. os costados del molde desp és de cada compactac1on, para cerrar los vacíos deJado1 s pbor '?. vaglla. C o e alternativa, puede emplearse a VI rac on. spues la compactación se enrasa la superfic¡e me Iante una placa plana, teniendo cuidado de que la me Ia quede llena justamente al nivel de los bordes.d:lree1p1e te:Es esencial el empleo de una placa metahca o de v1dno Y no una varilla o una llana para el enrasado. De lo contrario, el apilamiento del concreto puede causar
Figura 8.1 Contrapesos de concreto en un puente colgante
que se señale un peso unit?ri? más alto y, por lo tanto, que se subestime el rend1m1ento. Antes de pesar .el molde, debe removerse todo el concreto,que se adhie ra en la parte exterior. El peso neto del concreto se determina por medio de la diferencia que hay entre el peso bruto (concreto más recipiente) y el peso del recipiente. Al dividir este peso neto por el volumen del redpie te (debidamente calibrado), se obtiene el peso umtano real del concre-
Donde: Y = Volumen producido por m3 W = Peso total de materiales mezclados en kg W1 = Peso unitario real en kg/m 3 En este punto es conveniente aclarar que el peso total de los materiales mezclados incluye el peso del ce mento, el peso de los agregados (en las condiciones de humedad con que se emplearon), el peso del agua añadida y de cualquier otro material sólido o líquido utilizado. De esta manera, el rendimiento relativo del concre tose calcula como la relación que hay entre el volumen producido (Y) y el volumen de diseño de la mezcla.
y Ry= Donde:
Ry = Rendimiento relativo en tanto por uno Y = Volumen producido en m 3
Yd = Volumen de diseño de la mezcla en m3
Un valor de Ry mayor de 1.0 indica que se ha producido un exceso de concreto; por tanto, un valor menor indica que el volumen ha quedado corto. De acuerdo con lo anterior, entonces el contenido de cemento real de la mezcla será:
to(W).
Nt
El rendimiento (Y)o volumen producido de concre to por mezcla, se calcula dividiendo el peso t tal.de los materiales mezclados (W 1 ) por la masa umtana (W) determinada anteriormente.
(8.4) Peso unitario y apariencia del concreto
166
TECNOLOGIA DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
(8.5)
Yd
N=
y
(8.6)
donde: N = Contenido de cemento real, en kg/m 3 de concreto Nt = Peso del cemento empleado en la mezcla, en kg Y = Volumen producido en m3 167
Finalmente, el volumen de vacíos del concreto, excluyendo los poros de las partículas del agregado (y expresados como un porcentaje del volumen total del concreto), se obtiene de la siguiente manera: (P- W) X 100
A=--p
(8.7)
donde: A = Contenido del aire (porcentaje de vacíos) en el
concreto Peso teórico del concreto calculado con la super sición de que está libre de aire en kgfm3 W= Peso unitario real en kgfm3
P
a los que se utilizan para determinar la resistencia a la compresión. Una vez moldeadas estas probetas, se dejan tapadas para evitar la evaporación del agua y a las 24 horas se desmoldan, se pesan (P1) y se sumer gen en agua, al cabo de 24 horas se pesan dentro del agua (P2) y fuera de ella (P3 ) con la superficie seca.La primera pesada a 24 horas (P) indica el peso Pde) lasu probeta y la diferencia entre las dos últimas (P3 volumen en relación con el agua. De modo qJe el cociente entre el peso de la probeta y su volumen da el peso unitario del concreto endurecido en las condicio nes de ensayo.
=
La utilidad de este ensayo estriba en que debe comprenderse que el volumen de un concreto fragua do quizá sea, o parezca, menor que el esperado, a causa del desperdicio, irregularidades en el terreno, separaciones, deformaciones en las dimensiones de las formaletas, pérdida de aire incluido, asentamiento de las mezclas frescas o accidentes. Por tales motivos es conveniente calcular con precisión el volumen d concreto necesario (cubicación de lasformaletas) y de acuerdo con las condiciones de colocación y tipo de obra, asumir un desperdicio que por lo general oscila entre un 4 y un 10%.
Medida del peso unitario en el concreto endurecido Debido a que durante el proceso de fraguado y posteriormente durante el proceso de adquisición de resistencia el concreto pierde el agua evaporable de la mezcla, resulta lógico pensar que el peso unitario del concreto endurecido es ligeramente menor que el del concreto fresco. De tal manera que en los casos en que se requiere conocer con exactitud el valor del peso unitario del concreto en estado endurecido, se puede recurrir a la toma de cilindros convencionales (15x30 cm) iguales
168
Pu=
(8.8)
Apariencia del concreto Un aspecto generalmente olvidado del concreto ha sido su apariencia; sin embargo, durante los últimos años se ha investigado esta importante característica, tanto en concretos fundidos en sitio como en la indus tria de prefabricados, dadas las ilimitadas ventajas técnicas, funcionales, constructivas y económicas que presenta como material de construcción, llegándose a desarrollar los llamados concretos arquitectónicos. El concreto arquitectónico, de acuerdo con la terminología del ACI, es el concreto que permanente ment.t está expuesto (concreto a la vista) y que, por consiguiente, requiere de un cuidado especial en la selección de los materiales (textura y colores), forma letas (forma, estilo, tamaño, textura y sistemas de colocación, técnicas de moldeo, procedimientos de compactación y acabado), a fin de obtener la aparien cia arquitectónica deseada. Para ello se deben tener en cuenta los siguientes factores que afectan la aparien cia del concreto. Uniformidad La belleza natural propia de los materiales que constituyen el concreto, como los agregados, es la que TECNOLOGIA DEL CONCRETO Y DEL MORIERO
rnás frecuentemente se expresa en el concreto a la vista. De modo que la gradación, forma, textura y color dé las partículas deben conservarse constantes duran te el proceso de producción y colo«ación del concreto, al igual que el mismo tipo y marca de cemento. De otro rnodo, si no existe un estricto control sobre los materia les y los procesos de producción y colocación, con toda seguridad se pueden producir diferencias en el color y textura del concreto. Color En el concreto, el color del cemento es el dominan te. Si la superficie del concreto es progresivamente tratada mediante diferentes métodos, el color depende cada vez más de los agregados. Además de los cemen tos portland grises convencionales, comercialmente hoy en día es factible colorearlos a base de cemento blanco y pigmentos. Los colores de los agregados naturales varían considerablemente según su clasifica ción geológica y aun entre rocas de un mismo tipo hay diferencias. Mientras que el cemento gris puede com binarse de manera muy eficaz con gran número de agregados, especialmente cuando su acabado sea con agregado expuesto, el uso de cemento blanco con o sin pigmentos amplia la gama de posibles combinaciones de color.
ducen acabados arquitectónicos uniformes en el con creto. (Por ejemplo, concreto estampado). Textura Como ya se había mencionado, el acabado con agregados a la vista es el más común, debido a !a gran diversidad de tipos y tamaños del agregado, durabilidad y belleza arquitectónica del concreto. En este tipo de
concretos, el agregado grueso de la mezcla se deja expuesto, bien sea retirando el mortero de la superficie o colocando cuidadosamente el agregado grueso en dicha superficie.
Acabado
Para lograr esto, se pueden aplicar diversas técni cas, como el empleo de un agente retardador de fra guado en la superficie del concreto, de manera que en la parte exterior la pasta de cemento no endurezca y luego del fraguado de la masa de concreto pueda ser removida por lavado con agua. En otros casos, cuando el concreto ya está duro, se emplean ácidos para remo ver la capa exterior de pasta de cemento endurecida mediante acción química; sin embargo, este método es poco recomendable, ya que se puede deteriorar la du rabilidad del concreto. Otro sistema de remover esta capa superficial es con el uso de un chorro de materiales abrasivos o arena a alta presión; en algunos casos este método puede cambiar el aspecto de los materiales.
Debido a que por lo general los concretos arquitec tónicos de textura lisa son bastante fluidos, requieren de cimbras más herméticas y mejor fabricadas que las que generalmente se utilizan en el concreto estructural. Las consideraciones básicas para elegir la cimbra (y los forros para la misma) son: si es o no absorbente y si la absorción será uniforme.
Finalmente, el picado y el descascara miento me cánicos de una superficie de concreto endurecido, aplicado para producir una textura fracturada del agre gado expuesto, pueden lograrse utilizando una gran variedad de herramientas, tanto eléctricas como ma nuales. Esto es lo que se conoce como concreto abu sardado.
Adicionalmente, en algunas ocasiones se utilizan forros en las cimbras que producen una gran variedad de buenos acabados aparentes en el concreto. Los forros que más se usan con frecuencia están hechos de plástico reforzado con fibra de vidrio, cloruro de polivinilo o hule. Estos no son de naturaleza absorbente y pro-
Básicamente, todos los métodos para abusardar el concreto arquitectónico consisten en remover el mor tero, o capa suave exterior del concreto endurecido, mientras se fractura el agregado grueso que aparece en la superficie.
Peso unitario y apa1iencia del concrelo
!59
CAPITULO
Cambios volumétricos del concreto
Introducción
Finalmente, por conveniencia, la magnitud de los cambios de de volumen del concreto generalmente son comprensió cambiomedidos en unidades de análisilongitud y no de volumen. grandesPor ello, los cambios se expresan como un prevenido de coeficiente de longitud en de partes por millón, o capítulsimplemente en millo cambionésimas. En algunos casos, estos estadootros estadocambios de longitud se expresan como un porcentaje. "método debidoCambios este volumétricos agrietamiento en estado que plástico refuerzo es es fuerzos.En el período previo al endurecimiento, cuando el concreto se encuentra estado plástico, de lo en durante un lapso de se tiempo que suele variar deformaciones entre 1 a 2 horas, de di· pendiendo de la concreto temperatura y la humedad se le del concre to y del efecto ·ocurre bajo carga constante. Estos conceptos se tratan producido por algún al final del capitulo. acelerante o re tardante que se agregue a la mezcla, se presentan cambios volumétricos que son por lo general el resul tado de un asentamiento diferencial dentro de la masa de concreto, o de la contracción de la
superficie causa da por la pérdida de agua, los cuales generan fisuras o agrietamientos. Del mismo modo, también se pueden presentar grietas por una combinación del endurec miento de la superficie y el asentamiento interior. Por otra parte, una forma menosfrecuente de agrietamiento plástico es el que ocurre bajo condiciones húmedas, inclusive bajo una película de agua y que probableCambios uolumétr icos del concreto
171
mente está relacionado con las propiedades de hidra tación y fraguado del cemento que fueron planteadas en el capítulo segundo y que puede estar influido por el uso de aditivos. Asentamiento plástico
De otra parte, en algunas ocasiones la presión que ejerce el concreto fresco sobre la formaleta o el suelo hace que éstos se deformen y causen asentamientos plásticos adicionales con la consecuente aparición de fisuras. Igualmente ocurre cuando se funde concreto sobre un ligero declive, en cuyo caso la mezcla tiene la tendencia a escurrirse.
Una vez que el concreto fresco ha sido colocado en la obra, los sólidos de la mezcla tienden a asentarse por efecto de la gravedad, desplazando los elementos me nos densos como el agua y el aire atrapado; el agua aparece en la superficie como agua de exudación y el
Desde luego, una mezcla de consistencia húmeda se asentará durante más tiempo y en mayor grado que otra de consistencia seca, ya que la primera contiene más agua por volumen unitario de concreto; por ello,
asentamiento continúa hasta que el concreto se endu
es recomendable que durante el vaciado todoel concre
zón de que se presenten grietas por contracción plás tica, es la evaporación extremadamente rápida del agua de la superficie del concreto. En otras palabras, ¡0 que ocurre es un desecamiento de la capa superficial del concreto que a su vez genera una humedad y una rigidez diferencial entre la superficie y el interior de la masa, probableméhte porque la velocidad de evapora ción de agua superficial es mayor que la velocidad de exudación de agua desde el interior hacia la superficie. Este fenómeno hace que ocurra la contracción en la superficie y aparezcan las fisuras.
Figura 9.2 Efecto de la temperatura del aire, humedad
relativa, temperatura del concreto y velocidad del viento sobre la tasa de evaporación de la humedad superficial del concreto (9.4) 15
Grados( 25
35
l\
Hu eda Rclliva
'11,
asentamientos diferenciales y la formación de grietas en el concreto plástico, como se puede observar en la figura 9.1.
figura.9.1 Grieta causada por asentamiento obstruido
to presente una humedad uniforme con el fin de reducir el asentamiento diferencial causado por diferencias en la consistencia. Del mismo modo, cuando sefunde con creto directamente sobre una base granular o sobre una superficie absorbente, ésta debe humedecerse previamente y de manera uniforme, ya que las zonas secas absorberán más agua del concreto que las zonas húmedas y, en estas últimas, el concreto permanecerá plástico durante más tiempo, causando asentamientos y fraguados diferenciales.
La rata de evaporación depende de la temperatura
1'
del aire, de la humedad relativa, de la temperatura que tenga la superficie del concreto y de la velocidad del viento sobre la misma superficie, tal como se observa en la figura 9.2. De estos factores, el más importante esvelocidad del viento. la El gráfico de la figura 9.2, que es una recomenda ción tomada del A.C.l.-305, provee un método sencillo para estimar la pérdida de humedad superficial del concreto para varias condiciones atmosféricas. Para usar el gráfico, simplemente se entra con la temperatu
segregarla).
ra del aire y se sube hasta la curva de humedad relativa presente, de este punto se desplaza horizontalmente hacia la derecha hasta encontrar la temperatura pre sentada por el concreto y de allí en forma vertical hasta encontrar la velocidad del aire; finalmente, de este
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4.0
Temperatura del am Gradosf
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La forma de prevenir este tipo de cambios volu métricos y de fisuramiento por asentamiento plástico es proporcionar adecuadamente y con la menor con sistencia (humedad) permisible la mezcla de concreto, al igual que someterla a una buena compactación (sin
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rece. Cuando hay obstáculos tales como partículas de agregado grandes, acero de refuerzo o elementos embebidos dentro del concreto, éstos pueden obstruir el libre acomodamiento de la mezcla, provocando
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Lerch, de la P.C.A., si la tasa de evaporación se
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1.0
Los cambios volumétricos que generalmente se presentan en superficies horizontales mientras el con creto aún está fresco, reciben el nombre de contrac ción plástica y por lo común generan grietas que apa recen brevemente después de que el brillo del agua desaparece de la superficie del concreto y una vez que comienzan se extienden rápidamente. Este tipo de grieta es más probable que ocurra en clima caliente y seco que en clima húmedo y frio, pues la principal ra172
TECNOLOGIA DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
aproxima a 1.0 kg/m 2/hr (0,2 lb/pie2/hr), deben to marse precauciones contra el agrietamiento por con tracción plástica.
siguiendo la forma de una pata de gallo; esto es lo que las distingue de las grietas superficiales (cuarteaduras) que se presentan siguiendo formas hexagonales.
Las grietas de contracción plástica generalmente tienen profundidad considerable y en losas de entrepiso aéreas, algunas veces pasan de lado a lado. Por lo común, son grietas en forma de línea recta que no siguen un mismo patrón y no presentan ninguna simetria, aunque ocasionalmente se han observado
De acuerdo con lo anteriormente expuesto, aun que se utilicen los mismos materiales, proporciones y métodos de mezclado, manejo, acabado y curado del concreto, pueden aparecer grietas en un día determi nado pero no en el siguiente, lo que con toda probabi lidad es el resultado del cambio en las condiciones
Cambios volumétricos del concreto
173
ambientales, que afectan la velocidad de evaporación de la supertide del concreto. Por tal motivo, las precau ciones que deben tomarse para limitar el agrietamiento por contracción plástica se pueden resumir de la siguiente manera: - Utilizar un contenido de agua tan bajo como sea po sible, de acuerdo con la consistencia especificada. Para ello es recomendable el empleo de aditivos re ductoresde agua que cumplan con la norma NTC _. 1298 y aditivos inclusores de aire (ASTM C-260j-. - Disminuir la temperatura del concreto en clima caliente, enfriando el agua de mezclado o reempla zando parte de esta por hielo picado; igualmente mantener a la sombra y rociar los agregados con agua, humedecer las formaletas antes del vaciado y de ser posible protegerlas de la acción de los rayos del sol; finalmente, colocar el concreto du rante el período más frío del día. - Reducir la velocidad del viento en la superticie del concreto mediante la construcción provisional de barreras, o de ser posible vaciar los pisos de las edi ficaciones después que los muros han sido levan tados. -
Incrementar la humedad en la superticie del con creto por medio de cubiertas provisionales durante la colocación y el acabado, o preservarla con el em pleo del agua superticial.
Grietas capilares o cuarteaduras Durante el proceso de fraguado, e inclusive poste riormente, las grietas capilares o cuarteaduras que al gunas veces aparecen sobre la superficie del concreto en distribución hexagonal, se deben principalmente a procedimientos incorrectos de consolidación, acaba do y curado. Las causas más comunes de este tipo de grietas son la sobrevibración (segregación del concreto du-
174
rante la compactación o el excesivo aplanado con lla na durante el acabado), que provocan el avance hacia la superticie del agua, el cemento y la fracción más fina del agregado; este material húmedo y cohesivo tiene una contracción por secado mucho más alta y una re sistencia másbaja que el mortero y el concreto subya cente, lo cual hace que al desecarse la superticie esté sujeta a una fuerza de tensión que es superior a su re sistencia a la tracción, generando las cuarteaduras. Otra práctica muy común que también causa este tipo de grietas es el riego de cemento quese hacesobre la superticie del concreto para secarlo antes del acaba do, lo cual genera una inusitada riqueza de la pasta su perticial e induce las cuarteaduras al secarse.
Cambios volumétricos en estado endurecido Después de colocado, el concreto cambia de un es tado fluido al de masa rígida pasando por el estado plástico. Durante las primeras etapas, los cambios de volumen son acomodados por flujo plástico, pero al progresar la hidratación, el concreto adquiere las propie dades de un sólido rígido y responde consecuentemen te a los cambios de volumen. En los primeros días, aun cuando es un sólido rígido, tiene comparativamente ba ja resistencia, especialmente a tensión y por lo tanto es susceptible de agrietarse. En este estado, los cambiosde volumen están defi nidos solamente por incrementos o decrementos cau sados por dilataciones y contracciones debidas a ci clos de temperatura y humedad. Dentro de ellos se en cuentran: la contracción por secado, las contraccio nes-dilataciones por temperatura, la contracción por carbo-natación y la reacción expansiva álcali-agrega· do estudiada en el capítulo séptimo. Contracción por secado Como ya se ha visto, después del fraguado final del concreto se inicia el proceso de endurecimiento, que TECNOLOG/A DEL CONCREID Y DEL MORTERO
tarda, en general, varios años. En uno y otro caso, el concreto experimenta importantes variaciones de vo lumen. Si el concretose expone a la acción del aire, la mayor parte del agua evaporable de la mezcla se li bera, dependiendo la velocidad y perfección del seca do, de la temperatura y condiciones de humedad am biente. Al secarse el concreto, su volumen se reduce (contracción por secado) probablemente por efecto de la tensión capilar que se desarrolla en el agua que que da en el concreto. Por el contrario, si el endurecimiento se efectúa en el agua, el concreto se dilata, recuperan do gran parte de la pérdida de volumen debido a la retracción anterior, figura 9.3. Cuanto más rico en ce mento es el concreto, tanto mayor es la contracción o la dilatación, según sea el caso. Figura 9.3 Contracción o dilatación del concreto en función del tiempo (9.1)
tracción sea reducir el contenido de agua de mezclado al mínimo compatible con la consistencia y manejab lidad necesarias. Figura 9.4 Efecto del contenido de agua de mezclado
en la contracción por secado (9.7)
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- Almacenamiento en agua
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---Almacenamiento al aire
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u -Secado
Humedecimiento y secado alternado Tiempo
Como se puede observar, el principal factor que determina la cuantía de la contracción final es el contenido de agua de mezclado por volumen. unitario de concreto, tal como se ilustra en la figura 9.4.De ahí el hecho de que el principal medio para reducir la con-
Cambios volumétricos del concreto
!50
180
210
240
270
Utros de agua por m3 de hormigón fresco
Los valores de la contracción final para concretos normales suelen ser del orden de 0,2 a O,7 mm por me tro lineal, según el contenido inicial de agua, la tempe ratura ambiente,las condiciones de humedad y la natu raleza de los agregados. Como se recordará, la con tracción de la pasta es resistida por los agregados com pactos, rugosos y duros que se adhieren bien y gene ran la interfase pasta-agregado; sin embargo, cuando los agregados son muy absorbentes, como algunas
175
areniscas y pizarras, producen retracciones dos y tres veces mayores que las obtenidas con materiales me nos absorbentes como granitos y algunas calizas. La contracción por secado puede permanecer du rante muchos meses aunque a ritmo decreciente, de pendiendo de la forma del elemento y es una propiedad perjudicial del concreto si no se controla adecuadamen te. Esto es especialmente importante en el caso de mu ros, losas de pisos y pavimentos, ya que hay una gran área expuesta a la atmósfera en relación con el volu men total de la masa de concreto. Con una contracción del 0,05%, el concreto se acorta aproximadamente 1,5 mm en 3,0 m lineales y, si se restringe este fenómeno, invariablemente se agrietará. Por ello, el agrietamiento debido a contracciones por secado puede y debe controlarse en gran medida con ayuda del acero de refuerzo. Como es lógico, las
varillasde diámetro pequeño con espaciamiento cerra do (mallas electrosoldadas) son más efectivas para controlar el agrietamiento que las varillas de diámetro grande con espaciamiento mayor, aunque se utilicen los mismos porcentajes de acero. De otra parte, el agrietamiento también puede controlarse por medio del preesfuerzo o del pretensado del concreto para mantenerlo en compresión de manera que no se pre senten esfuerzos de tensión. En el caso de concreto sin refuerzo, como son los pavimentos, lo que se hace es controlar la disposición de las grietas; de ahí el hecho de que se prevean juntas de contracción y se funda en losas cuyas dimensiones entre junta y junta varían de 4.6 m a 6.1 m lineales. Dilatación - contracción por temperatura El concreto, como la mayoría de los materiales de construcción, se dilata con los aumentos de tempe-
figura 9.5 Efectos del alabeo diurno y nocturno de un pavimento de concreto Ts )
Ti
carga de
Ts'
Ts
temperatura de la cara superior de la losa
n
temperatura de la cara inferior de la losa
Ts (
176
temperatura de la cara superior de la losa
n
temperatura de la cara inferior de la losa
Otro efecto importante de la temperatura es el ala beo por gradiente térmico que depende de la cantidad de energía radiante absorbida por la superficie del con creto. Un caso típico de esta situación nuevamente son los pavimentos de concreto, en donde, durante el dia, la cara superior de las losas se encuentra a una tempe ratura mayor que la inferior, con lo cual la primera se dilata más que la segunda. Esta diferencia de alarga miento produce un alabeo en las placas con concavi dad hacia abajo, como se muestra en la figura 9.5. Sin embargo, el peso propio del concreto y los es fuerzos del tráfico tienden a impedir esta deformación, produciendo esfuerzos de flexión, lo cual se traduce en esfuerzos de tracción en la cara inferior de la losa y de compresión en su cara superior. Durante la noche, el gradiente de temperatura se invierte (cara superior más fría que la inferior), dando lugar a un estado de ten siones contrario al del día.Esta situación es especialmen te importante en regiones, como nuestro país, en don de hay bruscos descensos de temperatura entre el día y la noche, e inclusive dentro del mismo dia. El coeficiente de dilatación térmica del concreto varía según el tipo de agregados y la riqueza de la mez cla. Generalmente está dentro del margen de 0,007 a 0,011 mm por metro por oc. Los fenómenos de agrie tamiento por temperatura, al igual que los de contrac ción por secado, se controlan con la ayuda del acero de refuerzo, y para ello, el valor del coeficiente de dilata ción térmica máscomúnmente aceptado para el cálcu lo de las tensiones y deformaciones es de O,Ql O mm/
Ti
Ts
ratura y se contrae cuando ésta baja. Los efectos de tales cambios de volumen son semejantes a los produ cidos por la contracción por secado, esto es, la reduc ción o el aumento de temperatura pueden producir un agrietamiento indebido, particularmente cuando este libre movimiento está restringido por alguna causa o se combina con la contracción por secado.
re.
m
TECNOLOGIA DEL CONCRETD Y DEL MORTERO
Cambios volumétricos del concreto
Contracción por carbonatación Como se vio en el capitulo segundo, la pasta de ce mento contiene hidróxido de calcio libre que se produ ce durante la hidratación de las fases alita y belita. En pre encia de agua el hidróxido de calcio reacciona con el dióxido de carbono atmosférico para producir carbo nato de calcio y agua. Este fenómeno genera una dis minución en el volumen de la pasta de cemento, oca sionando lo que se conoce como "contracción por car bonatación",la cual alcanza un máximo aproximada mente a un 50% de humedad relativa, como se puede apreciar en la figura 9.6. La profundidad de la carbonatación depende de la porosidad de la pasta, pero usualmente no excede de unos pocos milímetros. En otras palabras, la carbona tación es esencialmente un efecto de superficie y pue de causar descascaramiento, tal comose vio en el capíFigura 9.6 Efecto de la carbonatación sobre
la contracción de morteros de cemento (9.2) Contracción • 1(}'
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Humedad
50
a Relativ (%)
25
177
tulo séptimo. Sin embargo, en concretos porosos y agrietados, la carbonatación puede llegar a alcanzar el acero de refuerzo y la reducción de la alcalinidad que de esto resulta hará que el acero sea susceptible a la co rrosión, especialmente en ambientes húmedos.
y la fase final, en la cual la deformación conti aumentando al tiempo que la capacidad de carga d'sminuye. En esta misma figura se observa que los ncretos de menor resistencia son menos quebradicos es decir, que se rompen para una deformación má ia mayor que los concretos de más alta resistencia.
Deformación elástica
Tomando una curva de éstas, en la figura 9.8 se · observan ciertas propiedades de la relación esfuerzo deformación. En primer lugar, se puede ver que el tér-
El comportamiento de una estructura bajo carga depende en gran medida de la relación refuerzo-defor mación del material de que se compone y del tipo de es-fuerzos a que el material está sometido en la estruc tura. El concreto, como muchos otros materiales es tructurales, tiene algún grado de elasticidad. Como el concreto se utiliza principalmente en compresión, su curva de refuerzo-deformación a compresión es de fun damental interés para la deducción de las ecuaciones que se usan para calcular los elementos de concreto reforzado de una estructura. Esta curva se obtiene me-
En esta figura, todas las curvas de mación tienen un aspecto similar y se componen tres fases distintas: una fase o porción elástica mente recta, en la que el esfuerzo y la deformación casi exactamente proporcionales; la fase ont<•• ·""' en la cual hay un aumento de curvatura hacía la rizontal, hasta alcanzar el punto de máximo esfuerzo t' para una deformación de aproximadamente el 0,2 po;
mino "módulo de elasticidad" definido por Young, puede aplicarse sólo estrictamente en la parte recta de la curva de esfuerzo-deformación unitaria, o bien, si no hay parte recta, en la tangente a la curva en el origen, en cuyo caso esta tangente se denomina módulo inicial tangente de elasticidad, Ec, medido en kg/cm2• En la práctica, este módulo reviste poca importancia, pero si se observa la figura 9.7, se puede apreciar que es ma yor cuanto mayor es la resistencia del concreto, ya que la pendiente es mayor.
Figura 9.8 Curva típica de esfuerzo-deformación del concreto
Figura 9.7 Curvas típicas de esfuerzo-deformación para diferentes concretos
420r--------,,--------.----------.--------
Deformaciones unitarias, Ec, cmfcm
e
V
e:o()
·¡¡;
e
o. Eo u
0,001
178
0,002
0,003
Deformación unitaria del hormigón
0,004
TECNOLOGIA DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
En segundo lugar, debido a que el concreto no es un material completamente elástico y a que las defor maciones unitarias dependen también de la velocidad de carga, el incremento en la deformación unitaria, mientras actúa la carga completa o una parte de ella durante el ensayo, se debe en parte a algo de elastici dad y en parte a la fluencia del concreto, pero la de terminación de una deformación unitaria instantánea respecto de la velocidad de carga, es difícil de hallar pa ra distinguirlas. Por ello, en la práctica se hace una dis-
Cambios volumétricos del concreto
tinción arbitraria en la cual la deformación que ocurre durante la carga se considera elástica y el subsecuente incremento en la deformación unitaria se considera fluencia. El módulo de elasticidad que satisface este re quisito es el módulo secante Ec,, mostrado en la figura 9.8. Aunque no hay un método normalizado para de terminar su valor, en general, este módulo secante de · elasticidad se toma como la secante trazada desde el origen hasta un punto de la curva en la cual hay una resistencia fe= 0,45 fe. 179
Para concretos de baja resistencia, Ec. y Ec difie ren ampliamente, pero para concretos de dlta re isten cia, prácticamente no hay diferencia entre los dos valores.
donde:
Ee
{'e
Módulo de elasticidad del concreto en MPa Resistencia del concreto en MPa
Relación de Poisson
fluencia no son fenómenos independientes, ya que de hecho el efecto de la contracción sobre la fluencia con
De una manera general, en la práctica se emplea el valor del módulo secante de elasticidad y se le denomi na simplemente con el símbolo Ec. Se han propuesto numerosas ecuaciones, todas ellas experimentales, para obtener su valor. Una de las ecuaciones empíricas más empleada y adoptada por la NSR - 98 es 1 siguiente.
Cuando se comprime en una dirección única concreto, éste se dilata en dirección transversal a la la fuerza aplicada (al igual que otros materiales).La ladón de la deformación transversal a la longitudinal s conoce como "relación o módulo de Poisson" y depe dla composición y otros factores. Para esfuerzos mt nores a aproximadamente 0,7 fe, la relación de P01sson del concreto e tá comprendida entre O,15 y 0,20, cuando se determma a partir de mediciones de la deformación unitaria, siendo 0,17 su valor más repre sentativo.
siste en aumentar su magnitud. Es decir que hay una fluencia básica del concreto en condiciones tales que no hay contracción ni expansión por movimientos de humedad desde o hacia el medio ambiente y una fluen cia adicional causada por el secado (fluencia de seca do). Esta situación también se puede observar en la figura 9.9.
La información existente sobre la variación de esta relación es poca, pero se cree, generalmente, que es menor en concretos de alta resistencia.
éstos los esfuerzos producen una deformación de la estructura cristalina, la cual puede volver a su configu ración original por medio de la aplicación de calor, en la fluencia del concreto se rompen enlaces entre las partículas de cemento hidratado y entre éstas y las partículas del agregado; esta circunstancia hace que no sea posible recuperar toda la deformación lenta después de suprimir la carga aplicada a la estructura.
Ec = 0,034
ts.¡r;;-
(9.1)
donde:
Ee W
{'e
Módulo de elasticidad del concreto en MPa Peso unitario del concreto en kgfm3 Resistencia del concreto en MPa
Esta ecuación es válida para concretos cuyo Wc está comprendido entre 1.450 y 2.450 Kg/m3. Sin em bargo, la misma norma estipula que para concreto de peso normal, Ec, puede tomarse: Para agregado grueso de origen ígneo:
E,=55oof; Para agregado grueso de origen metamórfico:
E,= 4 7oo{f; Para agregado grueso de origen sedimentario:
=36oo{f; el valor medio de toda la información experimental nacional, sin distinguir por tipo de agregado, es:
E,=39oof;
Fluenda Cuando el concreto es cargado, la deformación causada por la carga se puede dividir en dos partes: una deformación que ocurre inmediatamente (defor ':lación elástica) y una deformación dependiente del t1empo que comienza inmediatamente pero continúa a una tasa decreciente bajo carga sostenida. Esta última es considerada un aumento de la deformación unitaria elástica y es llamada fluencia o flujo bajo carga (creep). Como se recordará, después del endurecimiento del concreto hay una contracción por secado. De tal manera que si una muestra se seca bajo carga, se su pone que la contracción y la fluencia se suman; por lo tanto, se calcula la fluencia como la diferencia entre la deformación total de la muestra cargada y la suma de la contracción de una muestra similar sin carga (alma cenada en las mismas condiciones durante el mismo
del tiempo, en un concreto sometido a carga sostenida (9.9)
Sin embargo, siendo estrictos, la contracción y la
Módulo de elasticidad del concreto
?e
Figura 9.9 Deformaciones unitarias que dependen
período) más la deformación elástica. Esto se puede vi?ualizar en la figura 9.9.
Por otra parte, la naturaleza del proceso de fluencia está indicada esquemáticamente en la figura 9.1O. Aquí se observa que la fluencia tiene un carácter dife rente al flujo plástico de los metales, pues mientras en
Para ampliar un poco este concepto, si se retira una carga sostenida, la deformación unitaria disminuye in mediatamente en una cantidad igual a la deformación unitaria elástica a la edad dada, que por lo general es menor que la deformación unitaria elástica al aplicar la carga. Esta recuperación instantánea va seguida por una disminución gradual en la deformación unitaria llamada recuperación porfluencia.La reversibilidad de la fluencia no es total y por ello queda una deformación irreversible. La magnitud de la fluencia depende de la magnitud del esfuerzo, de la edad y resistencia del concreto cuando la carga es aplicada y del tiempo durante el cual el concreto esté cargado. Desde luego, también es afectada por otros factores relacionados con la calidad
0
(i) lpaCrtoirode't'"'"
-
----·----Tiempo a) Contracción de una muestra descargada
·•
Frecuencia basada en la
e !i
definición aditiva
·Je
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Contracción de una
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muestra descargada
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Deformación unitaria
2
Q
elástica nominal
Deformación unitaria elástk:a real
. t0
Tiempo
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o
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t0
I
Fluencia Deformación unitaria
Q)telástka nominal _L
Tiempo
e) Fluencia de una muestra corgada y en equilibrio hidráulico con el medio ambiente
® (D
Fluencia por secado
Contracción
Deformación unitaria c-------=------'---....:e.:.;..lástica nominal t0 Tiempo d) Cambio en la deformación de una muestra cargada y en proceso de secado
180
TECI'/OLOGIA DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
Cambios uo/umétrícos del concreto
181
Figura 9.10 Curva de fluencia característica·de un concreto a través del tiempo (9.11) -
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t
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Defonnación instantánea más flujo
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1
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1
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Tereera parte
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Control, diseño y producción
1 c¡traccirn de ra uato
C:mtr¡lc ón de fraguado
Defonnación elástica instantánea
o
1
efo aci!npelanen e 20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
Dias
del concreto y las condiciones de exposición, tales comoel tipo, cantidad y tamaño máximo del agregado; tipo de cemento y calidad de pasta; tamaño y forma del elemento estructural; cantidad de acero de refuerzo; y condiciones de curado. Dentro de rangos de resistencia normales, las de formaciones por fluencia para un concreto determina do son prácticamente proporcionales a la magnitud del esfuerzo aplicado; a un esfuerzo dado, los concre tosde alta resistencia muestran menos fluencia que los 182
concretos de resistencia inferior. Observando la figura 9.10, se puede apreciar que al pasar el tiempo la fluencia continúa produciéndose a ritmo decreciente (línea punteada), cesando después de 2 a 5 años, cuyo momento ha alcanzado un valor final que, diendo de la resistencia del concreto y otros es de 1.5a 3veces el de la deformación unitaria elástica instantánea inicial. De todas formas, la determinación de la fluencia del concreto se debe ejecutar de acuerdo con la norma ASTM C-512 en la cual se describen los procedimientos adecuados.
Control de calidad del concreto
Introducción Como se ha visto, el concreto es una masa endure cida de materiales heterogéneos que está sujeto a la acción de muchas variables, las cuales dependen de los materiales que lo constituyen y de los procedimien tos seguidos durante los procesos de diseño, dosifica ción, mezclado, transporte, colocación, consolidación, acabado, fraguado y curado. Sin embargo, las propiedades y características del concreto tanto en estado plástico como en estado en durecido son predecibles y regulables, a pesar de su heterogeneidad, mediante una adecuada selección y combinación de sus componentes y de un acertado plan de control de calidad. El estudio de las tolerancias permisibles y la distin ción entre causas fortuitas (aleatorias) o causas espe cíficas reales de estas variaciones se hace fácilmente y en forma racional y sistemática, por medio del control estadístico de calidad. De tal manera que la calidad del concreto se puede definir como la aptitud de éste para satisfacer una necesidad (especificaciones) definida, al menor costo. Esto se logra en el momento en que al producirlo y Control de calidad del concreto
colocarlo, el concreto reproduzca fielmente el diseño que ha sido optimizado (técnica y económicamente) por el ingeniero, y se sigan las recomendaciones de és te en cuanto a su manejo. Una calidad deficiente en el concreto que se utiliza representa un riesgo que con frecuencia absorbe el propietario de la obra. Por el contrario, una calidad en exceso constituye un desperdicio que no beneficia a nadie y que también suele ser por cuenta del propietario. Por lo tanto, el ciclo de producción y manejo del concreto debe ser un proceso organizado tendiente a utilizarlo racionalmenteen la obra, desarrollando las si guientes actividades en orden sucesivo: 1. Elaboración del proyecto y definición de la catego ria correspondiente al concreto. 2. Redacción de las especificaciones de calidad para el concreto.
3. Selección y habilitación de los componentes del concreto, con la calidad especificada.
4. Diseño de la mezcla de oncreto requerida, con los materiales seleccionados y dispuestos. 185
5. Producción de la mezcla de concreto, a escala de obra (mezclas de prueba). 6. Comprobación de las características previstas en el concreto recién elaborado. 7. Verificación de las propiedades especificadas en el concreto en estado endurecido. 8. Ajuste de la mezcla de concreto (en caso necesa rio), para buscar concordancia con los requisitos especificados.
Organización del control de calidad del concreto en la obra En términos generales, puede decirse que en toda obra existen dos mediosfundamentales para ejercer el control del concreto, cuyos objetivos se complemen tan. Estos son: el control interno y la supervisión ex tema. El control interno, o autocontrol, que forma parte de la organización responsable de producir el concreto y que involucra aspectos tales como: - Control de. nuevos diseños. - Control de materias primas {cemento, agua, agre gados, aditivos). - Control de calidad de producción. - Estudios especiales del proceso de producción. - Control del producto. - Metodología del control de calidad.
La supervisión externa {interventoría) que aunque
puede seguir diferentes modalidades, normalmente
Figura 10.1 Esquema de organización de obra para obtener
· constituye una fiscalización que procede Clm!ctl'm"n'A del propietario de la obra y cuya finalidad no necesa riamente consiste en comprobar directamente la cal dad del concreto sino aspectos tales como:
la calidad de concreto especificado en una obra
- Revisar los medios de que dispone el productor de concreto para evaluar la calidad. - Juzgar los procedimientos y criterios que aplica el productor de concreto para corregir y ajustar la calidad a los límites previstos. En la figura 10.1 se presenta un modelo de organi· zación que es frecuentemente utilizado durante la construcción de las obras, en donde se observan los principales factores que deben concurrir para que el concreto alcance la calidad especificada, de acuerdo con lo anteriormente expuesto. Por otra parte, conviene observar que el ejercido del control debe ser simultáneo en el desarrollo del pro- · ceso, por lo.cual las actividades del control interno deben ser permanentes y rutinarias en el curso de cada etapa. Por su parte la supervisión externa, siendo una actividad alternativa, debe esperar sus mayores opor· tunidades de éxito en la impredecibilidad de sus ínter· venciones. De esta manera, como consecuencia directa de las actividades del control, se obtienen resultados que de ben confrontarse con los correspondientes valores es pecificados para tomar las acciones correctivas a que haya lugar. Esta acción de confrontar y corregir es lo que se conoce como el proceso de retroalimentación de los resultados. En la figura 10.2 se esquematiza de manera general el proceso de producción y colocación del concreto, ubicando tanto al control interno como al control externo. En cierto modo, la retroalimentación es un proceso que opera en sentido opuesto al control y que debe ser oportuno y eficaz, para evitar demoras en la toma de decisiones.De tal forma, que la realización de pruebas
186 ITCNOLOGJA DEL CONCRE10 Y DEL MORTERO
Proyecto
· Supervisión Técnica y Administrativa (Interventor)
y Especificación
(Consultor)
1 1 1 1
1 1
1
L
y determinación de resultados deben ser inmediatos o a corto plazo.
Ejecución del control de calidad del concreto en la obra El control de calidad de cualquier producto manu facturado normalmente se apoya en tres actividades principales: - Control de las materias primas. - Supervisión del proceso completo de fabricación; Verificación total del producto terminado. Control de candad del concreto
Calidad Especificada 1---del concreto
J
Aunque en el caso del control del concreto subsis tan estas actividades fundamentales, existe sin embar go un aspecto propio que lo distingue del control de las manufacturascomunes,el cual se refiere al tiempo que necesita transcurrir, después de concluido el proceso de producción, para que el producto pueda considerar se verdaderamente terminado. Es obvio que esta ca racterística del concreto constituye un inconveniente para el control, porque en ese lapso de espera, que co rresponde al período de endurecimiento y adquisición de propiedades, la construcción de la obra continúa y los datos que se obtienen de la verificación final del concreto pueden ser totalmente extemporáneos para 187
Figura 10.2 Esquema de los procesos de supervisión, control y ajuste, durante la producción y colocación del concreto
1
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Control de materias primas
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su oportuna aplicación en la misma, con el objeto de prevenir posibles fallas, lo cual es crítico en una obra ejecutada a plazo y precios fijos. Por este motivo, el control de calidad debe ser "pre ventivo" y no "curativo". Con el objeto de atenuar esta
188
desventaja, se han desarrollado pruebas rápidas para analizar la composición del concreto conforme sale de la olla de mezclado. Con ellas se pretende mejorar la uniformidad del concreto en su elaboración, verifican do y ajustando las proporciones de sus componentes y anticipar las propiedades del concreto endurecido aplicando uno de los principios fundamentales del "control de calidad total" que establece que: el uso de materias primas de buena calidad, mezcladas corree. tamente y en proporciones justas, debe conducir a un producto que finalmente alcance sus cualidades poten ciales. Dentro de estas pruebas rápidas, las más co del concreto en estado fresco son los ensayos de asentamiento, peso unitario, contenido de aire y med da de la temperatura que ya fueron estudiados. Para complementar los resultados de estas prue bas rápidas, en que se analiza la composición del con creto recién elaborado, también se deben preparar es pecimenes (cilindros) en los que se determina la resis tencia del concreto endurecido a diversas edades (Nor ma lcontec 454). Estos especímenes pueden elaborar se en diferentes partes de la obra y recibir distintas clases de curado, según la aplicación que se intente dar a sus resultados, por lo cual deben distinguirse tres ti· pos de especimenes:
- Cilindros de control de calidad de producción.
Estos cilindros son tomados y ensayados por quien produce el concreto, bajo condiciones nor males (humedad y temperatura) de laboratorio, con el fin de determinar la "resistencia potencial" del concreto, para controlar las condiciones de producción, retroalimentar su sistema de control de calidad y rediseñar las mezclas de concreto.
- Cilindrosdecontrol decalidad deinterventoria. Cuando el concreto no es producido por la misma persona que lo utiliza, es costumbre tomar cilin· dros a la descarga de la mezcladora con el fin de evitar discrepancias que puedan ser motivo de de sacuerdo en cuanto a la responsabilidad por la cali·
TECNOLOGIA DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
dad definitiva del concreto. Estos cilindros también son elaborados, curados y ensayados bajo condi ciones normales de laboratorio y sirven para dejar constancia de la resistencia potencial del concreto.
_ Cilindros para el control de resistencia en la estructura. Puesto que la resistencia potencial del
concreto tal como sale de la mezcladora no nece sariamente coincide con la del mismo concreto ya colocado en la estructura, debido a las desiguales condiciones en que se le maneja, coloca, compac· ta, protege y cura, al igual que las condiciones de
las mismas, es conveniente tomar cilindros que se dejen a pie de obra (bajo las mismas condiciones de la estructura) con el fin de que al ensayarlos a dis· tintas edades se tenga un conocimiento real del de sarrollo de resistencia del concreto en la estructura. Con el fin de visualizar mejor cada una de las fun· dones de estos especímenes, en la tabla 10.1 se es quematizan los diferentes objetivos y condiciones para la obtención y ensayo de especímenes representativos del concreto en la obra. Si todas estas actividades se realizan satisfactoria· mente y si el ensayo de los especímenes a la edad prevista confirma la obtención de la resistencia reque rida, entonces no deben existir motivos para poner en duda la calidad final del concreto en la estructura.
Variaciones en la resistencia La magnitud de las variaciones en la resistencia de las muestras de prueba de concreto depende de lo ade cuado del control de los materiales, de la fabricación del concreto y de la realización de las pruebas.Se pue de encontrar el origen de las diferencias en la resisten· da, en dos fuentes fundamentalmente distintas: las va riaciones en las propiedades de la mezcla de concreto y de sus ingredientes; y las diferencias aparentes en la resistencia ocasionadas por las variaciones inherentes a la prueba.
Control de calidad del concreto
Se ha determinado que existen hasta 60 variables que influyen en la resistencia de un cilindro de concre to, éstas se indican en la tabla 10.2.
Análisis de los resultados de resistencia Como se mencionó anteriormente, los procedí· mientes estadísticos nos proporcionan medios valio sos para la evaluación de los resultados de las pruebas de resistencia y, la información derivada de estos pro pecificaciones de diseño como se verá más adelante. Para que estos procedimientos sean válidos, los datos deben derivarse de muestras obtenidas en el cur· so del desarrollo de un plan de muestreo al azar, dise ñado para reducir la escogencia de las muestras por parte de quien las toma. Para obtener el máximo de información debe efec· tuarse una cantidad suficiente de pruebas. Los estadí:;. ticos han designado 30 pruebas como la línea divisoria entre las muestras grandes y las pequeñas. Por tal mo tivo, muchos códigos coinciden en que el número de muestras debe ser como mínimo 30, para que el aná· lisis estadístico sea representativo. Adicionalmente, este análisis se aplica al número total de pruebas, efectuadas a un mismo tipo de mez· da, que se han producido de manera consecutiva y en condiciones similares durante todo el tiempo. En cuanto a la frecuencia de los ensayos, Las Normas Colombianas de Diseño y Construcción Sismo· Resistente (NSR-98) estipulan que las muestras para ·· pruebéls de resistencia correspóndientes úa.dadase de concreto deben tomarse no menos de una vez por día, ni menos de una vez por cada 120 m3 de concreto o una por cada 450 m2 de área de placas o muros. Adicionalmente, si en una determinada obra el volu men total de concreto es tal que la frecuencia de los en· 189
Tabla 1 0.1 Diferentes objetivos y condiciones para la obtención y ensayo de especímenes representativos
Tabla 10.2 Resumen de las variables que influyen en el ensayo de compresión del concreto
del concreto en una obra (10.3)
Predicción y juicio de la resistencia proba. ble del concreto a la edad del proyecto (normalmente 28 días). A la descarga de la mezcladora
A la descarga de la mezcladora
En e!sitio de colado
Normal de laboratorio
Normal de laboratorio
Normal de laboratorio
3, 7 o 14 días
28 y jo 90 días
28 y jo 90 días
Evolución de la resistencia inicial del concreto en curado normal y extrapolación para estimar la resistencia a edades posteriores (28 o 90 días). Confrontación de la resistencia del concreto en curado normal, contra la resistencia de proyecto especificada (normalmente 28 días y eventualmente 90 días cuando se utiliza puzolana). Verificación del cumplímiento de especificaciones de resistencia. Confrontación de la resistencia del concreto muestreado en las condiciones in mediatas anteriores a su colocación, contra la del mismo concreto muestreado a la descarga de la mezcladora. Indagación de causas, si existen diferencias objetables.
En el sitio de colado
Igual que la estructura representada
Observación de la evolución inicial de la resistencia del concreto, curado como la estructura, para definir el tiempo en que ésta pueda descimbrarse.
45 •
190
TECNOLOGIA DEL CONCREfO Y DEL MORTERO
Tipo y composición Control en la fabricación Edad y condición
Con diferentes marcas Una sola marca Siempre es posible
Considerable variación Puede ser considerable Considerable variación
Agua
Presencia de sales Relación agua-cemento
Poco frecuente Depende del control
Generalmente pequeño Gran efecto
Reactividad química Partículas variables Propiedades no uniformes Limpieza Forma de partículas Gradación
Comúnmente no ocurre Poco frecuente Poco frecuenté Siempre es posible Triturado y natural Siempre se presenta
Puede ser considerable No generalizado No generalizado Puede ser considerable No dentro de un mismo tipo A través de la manejabilidad
Reactividad química Partículas varibles Propiedades no uniformes
Poco común Depende de la fuente Con material poroso
No apreciable Generalmente pequeño No generalizado
Limpieza Forma de partículas Gradación Tamaño máximo
Siempre es posible Triturado y natural Siempre se presenta Con diferentes mezclas
Puede ser considerable Puede ser considerable A través de la manejabilidad A través de la manejabilidad
6 • Agregado fino 7 8 9
JO
11
12
Agregado grueso
13
14 15. 16 17 18 19 20 21
Temperatura
Cemento Agua Agregados
Cemento caliente Climas extremos Climas extremos
No apreciable No generalizado No generalizado
22
Mezcla
Cambios en pasta-agregados
Variaciones deliberadas
A través de la manejabilidad
23
DOSlFICACION Cemento
Error en el pesaje Medido por volumen
Infrecuente No en planta central
No se puede considerar Errores ± del 20%
Adicionada directamente Contenida en la arena Arena abultada Con agregado grueso
Cuando es a criterio Muy común No es planta central Por períodos
No es medible Considerable Puede ser considerable Puede ser considerable
No en planta central Con control limitado
Errores ± del 20% Generalmente pequeño
24. sayos da lugar a menos de 5 ensayos de resistencia resistencia promedio de todos los cilindros (mínimo 2), para una misma clase de concreto, los ensayos deben de la misma edad, elaborados de una muestra tomada hacerse, por lo menos, en 5 mezclas tomadas al azar, de una única mezcla de concreto. o en cada mezcla si se usan menos de 5. De otra parte, cuando la cantidad total de una clase de concreto sea Está plenamente demostrado que al disponer de menor de 40 m3, pueden suprimirse las pruebas de reuna serie de resultados de pruebas de resistencia que sistencia, si, a juicio del ingeniero, existe suficiente evi· se colocan en un gráfico de frecuencias, como el indidencia de que la resistencia que se va a obtener es sa· cado en la figura 10.3, se conforma una curva muy defitisfactoria. Finalmente, una prueba se define como la nida, cuya forma varía muy poco cuando el número de
Cemento
25 26. 27.
28.
29
30
Agua
Cambios, abultamiento Agregado fino Agregado grueso Cambios, operación
Continúa Tabla 10.2
191
Figura 10.3 Distribución de frecuencia de pruebas de resistencia del concreto y su correspondiente distribución normal
Orden de cargue Primera mezcla Mezclar rápido Sobrecargado Tiempo de mezclado
31 32.
33 34 35.
36 37 38 39
40. 41 42
43. 44 45 46
ENSAYO Manejo y muestreo Segregación de los Cambios en los componentes Muestreo Exudación Compactación de Compactación manual los especímenes Vibración Golpe Orientación de partículas Tamaño y forma Tamizado húmedo de especímenes Tamaño del espécimen Relación altura-
47 48 49 50. 51
Curado de los especímenes
52. 53 54.
Depende del operador Sólo ocasionalmente Con diferentes plantas Infrecuente Frecuente
Generalmente no importante Puede ser considerable No generalizado No generalizado Variación puede exceder el
Transporte y manejo Cuando hay retemplado Diferentes sitios Mezclas con poca agua Mezclas secas Sobrevibración Manejo después del fraguado Planos de falla Concreto masivo Moldes no normalizados Moldes no normalizados
Planos de falla Imposible de estimar Puede ser apreciable Generalmente pequeño Considerable, excede el 50% Segregación en los Inducción de fisuras Partículas planas- 40% Aumenta con el tamizado Decrece con el tamaño Decrece con incrementos de la relación Menor en cubos Carga no axial
Forma Moldes irregulares
Cubo o cilindro Moldes no normalizados
Secado exterior Humedad de curado Temperatura inicial
Pequeño Primeras 24 horas Decrece considerablemente No hay curado Condiciones de congelamiento Infrecuente
Temperatura Edad Contenido de humedad
Variación considerable Curado en invierno Comparable a la misma edad Incremento continuo 40% de diferencia Con especimenes secos
55. 56. 57
Refrentado de espedmenes
Tapas planas Material de refrentado Ejes del espécimen
Falla muy común No apropiado Problema técnico
Concavidad 30%, convexo Puede ser apreciable Generalmente pequeño
58. 59. 60
Máquina de
Cojinete de carga Centra miento Velocidad de carga
Dependiente del laboratorio Dependiente del laboratorio Dependiente del laboratorio
Puede ser considerable Puede ser apreciable Generalmente pequeño
Nota: • Variación considerable.
192
TECNOLOGIA DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
X
!
15
1
1<1
Ti
10
e:
:l V
ú..
5
266 280 294 308 322 Resistencia a la compresión, kg/cm'
pruebas anotado es relativamente alto (más de 30). Esta curva asume un patrón similar al de la distribución normal de frecuencias o campana de Gauss, cuyas propiedades pueden definirse matemáticamente y a partir de ellas calcular ciertas funciones de la resisten cia del concreto.
Promedio general
X
Es la suma aritmética de los resultados de resisten cia de todas las pruebas individuales, dividida por el número total de pruebas efectuadas. Como ya se indicó, una prueba se define como la resistencia proControl de calidad del concreto
medio de todos los cilindros, de la misma edad, elabo rados de una muestra tomada de una única mezcla de concreto.
X= /'{
(10.1)
Como la característica principal de esta curva es que presenta simetría en relación con el promedio X, se te drá: que la mitad de los datoson menores y la mitad mayores que el promedio X. De otra parte, es necesario saber qué tan agrupados o dispersos están
193
los datos individuales de las pruebas respecto de este promedio, por lo cual se define la siguiente función estadística. Desviación estándar cr Es la medida de dispersión más conocida y está definida como la raíz cuadrada del promedio de la su ma de los cuadrados de las desviaciones de las resis tencias, respecto a la resistencia promedio, dividida entre el número de pruebas (N) menos uno. La razón de dividir por N - 1 es que el número de datos es limi tado (por lo general30 o más). a= {[(X,(10.2)
X)z
+ (
-Xf
+ ...+(X.
-X)T¡ ¡N
-1}
112
(10.3)
(j=
N- 1
Como se puede obsel!'ar, mientras mayor sea la diferencia entre cada X¡ y X (en valor absoluto), mayor es la dispersión y mayor el valor de cr, lo cual prueba que efectivamente la desviación estándar es una medi da de la dispersión de los resultados. Otra característica importante de anotar de la cur '0 de distribución normal, es que dentro del rango de X± cr, está comprendido el68,27% de los datos, o sea queel15,87% de losda.!SJses inferior aX-cry e115,87% de ellos es superior a X+ cr (figura 10.3).
En la práctica, donde existe un buen control, los valores deJa resistencia estarán agrupados cerca del promedio X y la curva será alta y estrecha. Conforme aumentan las variaciones de resistencia, los valores se apartarán y la curva se vuelve baja y alargada, tal como se muestra en la figura 10.4.
194
Figura /0.4 Curvas normales de frecuenda para diferentes desviaciones estándar (10.1)
Coeficiente de variación V Los valores del promedio general y la ae!;v, ,..;,;. estándar definen totalmente la curva, es decir, que si conocen puede traiarse la correspondiente distribu ción. Sin embargo, para comparar el grado de control de varias clases de concreto es preferible dar la · sión como un porcentaje del promedio general, cual se define el coeficiente de variación V como:
cr = 25 kg/cm 2
En este punto, vale la pena indicar que, como a gunas normas hacen referencia a las condiciones que debe cumplir el conjunto de valores obtenido al mediar las pruebas de 3 en 3, o de 5 en 5 promedio den pruebas consecutivas), es en cuenta que si un conjunto de datos sigue una dis tribución normal, el conjunto de promedios de n prue bas consecutivas también sigue una distribución mal, con el mismo valor promedio y con co€ ficienh• ·· ' de variación lfn menor que el de los ensayos individua les, indicado con la siguiente relación:
cr = 55 kg/cm 2
V
Vn=--
F
Intervalo R
140
El intervalo es la función estadística que se obtiene restando el menor, de un conjunto de números, del más alto del grupo. El intervalo dentro de la prueba se obtiene de igual manera, restando la menor de las resis tencias del conjunto de cilindros que conforman la prue' ba, de la más alta del grupo. El intervalo es útil en el
168
196
224
252
280
de un grupo de cilindros elaborados de una muestra de concreto tomada de una mezcla determinada. Es razo nable suponer que una mezcla de prueba de concreto es homogénea y que cualquier variación entre dos ci lindros compañeros, elaborados de una muestra deter
prueba. Variación en la prueba
minada es ocasionada por las variaciones en la fabrica ción, el curado y la prueba.
La variación en la resistencia del concreto dentro de una prueba única se obtiene calculando la variación
No obstante, una única mezcla de prueba de con creto no proporciona los datos suficientes para el aná lisis estadístico y se requieren cilindros compañeros
cálculo de la desviación estándar inherente a la
TECNOLOGIA DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
Control de calidad del concreto
308
Resistencia a la compresión, kgfcmi
de, por lo menos, diez muestras de concreto a fin de establecer valores confiables para R. La desviación estándar dentro de la prueba y el coeficiente de varia ción pueden calcularse como sigue:
cr
1
1
=-
d
-
R
(10.6)
2
(10.7)
195
donde: cr 1
=
Nonnas de control Desviación estándar dentro de la prueba.
1 = Constante que depende de la cantidad de cilin- d2 dros para producir una prueba (Tabla 10.3). R Intervalo promedio dentro de los grupos de cilindros compañeros. V1 Coeficiente de variación dentro de la prueba. X Resistencia promedio Tabla 10.3 Factores para calcular la desviación estándar inherente a la prueba (10.1)
1,128 1,693 2,059 2,326 2,534 2,704 2,847 2,970 3,078
2 3 4 5 6 7 ·8 9
10
0,8865 0,5907 0,4857 0,4299 0.3946 0,3698 0,3512 0,3367 0,3249
La decisión relativa de si la desviación estándar 0 el coeficiente de variación es la medida adecuada de dispersión que debe utilizarse en determinada situa ción, depende de cuál de las dos medidas es la constan te más cercana a las características de resistencia, a través de un intervalo de resultados, de esa situación en particular. Sin embargo, por lo general la desviación estándar permanece como una constante más aproxi mada, en especial en resistencias superiores a los 200 kg/cm2; y se considera más aplicable el coeficiente de variación para las variaciones dentro de la prueba.
Para tal efecto, el comité ACI-704 ha preparado una tabla que muestra la variabilidad que puede esperarse de las pruebas de resistencia a la compresión en pro yectos sujetos a diferentes grados de control. Estos va lores se indican en la tabla 10.4 y no se aplican a otras pruebas de resistencia.
Pruebas de control en campo
Menor de 3
3-4
4-5
4-6
Mayor de 6
Mezclas de prueba de laboratorio
Menor de 2
2-3
3-4
4-5
Mayor de 5
Figura 10.5 División del área bajo la curva de distribución normal de frecuencia basada
en desviaciones de X en múltiplos de cr (10.1)
X
Requisitos del nivel de resistencia Cuando se diseña y produce una mezcla de concre to, las muestras tomadas del material obtenido no
Tabla 10.4 Normas para el control del concreto (Hl.7)
Pruebas de control en campo
Menor de 25 (menor de 1O)
25-35
Mezclas de prueba de laboratorio
Menor de 15 (menor de 5)
15- 17
(-)
H
35-40 (lO -15)
40-50 (15- 20)
Mayor de 50 (mayor de 20)
17-20 (5-7)
20-25 (7 • 10)
Mayor de 25 (mayor de 10} Continúa Tabla 10.4
196
TECNOLOGIA DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
Control de calidad del concreto
197
siempre dan la misma resistencia, dadas las causas de variación que ya han sido expuestas; en unos casosse obtienen valores superiores al de diseño y en otros se obtienen valores inferiores. En la práctica y en condi ciones normales de obra, resulta antieconómico indi car una resistencia mínima, igual a la resistencia de di seño f' especificada por el calculista, puesto que por las ca cteristicasde la distribución normal defrecuen cia estadística, siempre se presentarán algunos val
Esta tabla se emplea para establecer el de resistencia requerido y también para nPrPriY,;.,,, probabilidad de pruebas inferiores a la reSIIStl'lnri pecificada que pueden aparecer en un proyecto cuando se conoce el valor de la desviación Por ello, Las Normas Colombianas de Construcción Sismo-Resistente (NSR establecen que para evaluar los deféctosde la da final del concretoa los 28días de edad y satisfactorio el nivel de resistencia de cada
Que los promedios de todos los conjuntos de pruebas consecutivas (promedio móvil) de yos de resistencia, iguale o exceda el valor ficadodefe. Que ningún resultado individual de las pruebas resistencia (promedio de dos cilindros), sea rior a fe - 35 kgfcm2•
Tabla 10.5 Porcentajes Inferiores a f'c esperados en los resultados de las pruebas (to.t)
Las Normas Colombianas de Diseño y Construcción :c:ícrno-IResisterne (NSR-98), establecen también que debe dosificarse y producirse para asegurar resistencia a la compresión lo suficientemente minimizar la frecuencia de resultados de de resistencia por debajo del valor dla. resi terJcra a la compresión epecificada del concreto fe. Como es imposible producir un concreto complehomogéneo dadas las diferentes causas de
r
r
re + 1.6 a
5.5
re + 0.20 a re + o.3o a r e + o.4o a
42.1 38.2 34.5
re + 1.1 a r + J.8a re + 1.9 a e
4.5 3.6 2.9
En términos de la desviación estándar, esta fórmula se
re + o.so a re + o.6o a re + o.7o a
30.9 27.4 24.2
f' + 2.0 (j ree +2.1 a f'e +2.2a
2.3 1.8 1.4
•En términos del coeficiente de variación, seria:
198
6.7
re f'
1.1 0.8 0.6 0.45 0.35 0.25 0.19
re + 10 a e
0.13
e
9.7 8.1
f'e +2.7a
r
cr
=
r
e
+
ta
(10.11)
(10.12)
(10.9)
re
r= cr
Tabla 10.6 Valores de t (10.1)
(10.8)
46.0
f' + 2.3 O' f' + 2.4 O' re+ 2.5 a r '+ 2.6 a
Como se recordará de la ecuación 10.5, siempre que el promedio de un cierto número de pruebas esté involucrado en la especificación, las ecuaciones 10.9 y 10.10 se modifican de la siguiente manera:
r,
re +O.lOa
21.2 18.4 15.9 13.6 11.5
a =
r
cr
re +0.8a re+ o.9 a r e + 1.0 a re +l.lcr re+ 1.2a f+e 1.3cr +2.8cr re + 1.4a +2.90' re + t.5a
=
en sus propiedades, para diseñar una mezcla deconcreto se requiere de una resistencia promedio de diseño superior a la resistencia especificada.La cantidalen la cual la resistencia promedio de diseño de una mezcla de concreto, debe exceder de d pende de los criterios que se utilicen en las especiti y del grado de control que se tenga sobre la producción. De tal manera, que entre más elevada sea la desvia dón estándar a oel coeficiente de variación V, el factorde sobrediseño será más alto y por lo tanto más costoso.
r = re+ factor de sobrediseño
e
V
Constante que depende de la proporción de pruebas que puede caer por debajo de fe (tabla 10.6). Valor preestimado del coeficiente de variación en% Valor preestimado de la desviación estándar en kgfcm2
40
3 en 10
0.52
50 60
2.5 en 10 2 en JO' 1 en 6.3
0.67 0.84 1.00
70 80
1.5 en 10 1 en JO 1 en 20 1 en 40 1 en44 1 en 100 1 en 200
1.04
1 en 741
3.00
68.27 (10.10)
1- ( \ too-J
90
Resistencia promedio requerida en kg/cm2
95 95.45 98
Resistencia especificada de diseño en kgfcm2
99.73
99
1.28 1.65 1.96
2.00 2.33 2.58
199
La figura 10.6 indica claramente que conforme
au menta la variabilidad, también debe aumentar f,,Con
ello se demuestra la importancia, desde el punto vista económico de un buen control.
Aplicando la primera condición a la ecuación (10.11) y tomando el valor de t de la tabla 10.6, se btiene la ecuación (10.13). De igual modo, al aplicar
fa segunda condición a la ecu dón (10.9), se obtiene
Figura 10.6 Curvas normales de frecuencia para coeficientes de variación de 10,15 y 20% (10.1)
la ecuación (10.14), con el m1smo valor de t.
f" = 1- [ 2.33V
J
1 - 1.34V
(10.15)
100
J
Menos de 210 kgfcm 2 de 210 a 350 kg/cm 2 más de 350 kgfcm 2
oo{3
r
cr =
r35 '
(10.16)
1- Í2.33 l
lwoj
Adicionalmente, la NSR - 98 establece que cuando
140
168
setiene.nrñás-C1e15rég1stróspero menos ae-3U, la des
196 224 252 280 Resistencia a la compresión, kg/cm2
Para efectos prácticos, la norma lcontec-2000 defi ne como porcentaje razonable de resultados que pue da estar por debajo de f" la probabilidad de 1 en 1 OO. De tal modo que los requisitos estipulados y ya men cionados de la NSR - 98, quedan de 1a siguiente manera:
viación estándar debe ser la desviación estándar calcu lada de los datos, multiplicada por el coeficiente de modificación dado en la tabla 10.7.
. De tal manera, que aplicando estas condiciones a las fórmulas planteadas anteriormente, la NSR-98 especifica lo siguiente: "la resistencia promedio requerida en Kg/cm' que se utiliza para diseñar una mezcla de concreto debe ser la mayor de las obtenidas con las siguientes de las ecuaciones, utilizando la desviación estándar".
Tabla 1 O.7 Coeficiente de modlflcaci6n para la desviación estándar cuando hay disponibles menos de 30 ensayos (10.5)
Menos de 15 15
Use la tabla 10.8 1.16
- La probabilidad de queel promediode tres pruebas consecutivas sea inferior a f,debe ser de 1 en 1OO. - La probabilidad de obtener resultados inferiores a
f,- 35 kg/cm2, debe ser menor de 1 en 1OO.
200
2,33 (j
rr = + -r,+ 1,34 a = cr ' {3
20 25 30 o más (10.14)
Nota: Se puede Interpolar entre el numero de ensayos.
f', + 70 kg/ cm2
r,+ 85 kg/cm r,+ 100 kgfcm 2
2
Ejemplo de aplicación Para aclarar todo lo anterior, con un ejemplo numé
Las cuales se obtienen a partir de las ecuaciones (10.12) y (10.10) respectivamente.
5
r
Tabla 10.8 Resistencia promedio requerida a la compresión cuando no hay datos que permitan determinar la desviación estándar (10.5)
Si se quisieran expresar en términos del coeficiente de variación, se tendría: 20
Por último, cuando no se tienen registros de ensa yos para calcular la desviación estándar, la resistencia promedio requerida en kg/cm2,se debe determinar de acuerdo con la tabla 10.8.
1.08 1.03 1.00
rico, se dispone de los datos indicados en la tabla 10.9, que corresponden a la producción de un concreto diseñado para un f,de 245 kg/cm2• Con estos datos, y aplicando las fórmulas respecti vas, se obtiene: Promedio X
= 309,57 == 310 kg/cm2
Desviación estándar
44,81 "' 45 kg/cm2
Coeficiente de variación
14,52 " 15%
Como se puede ver, para evaluar un conjunto de re sultados no es suficiente conocer ei valor promedio únicamente, así éste cumpla y exceda el requisito de resistencia f' , como ocurre en este caso, ya que la dis persión de loresultados de las pruebas (promedio de doscilindros), medida a travésde la desviación estándar, es bastante alta. Ello quiere decir que, de acuerdo con la tabla 1 0.4, el grado de control en la producción del concreto es aceptable pero que es susceptible de me jorarse.
T E C N O L O G I A D E L C O N C R E T O Y D E L M O R T E R O
Control de calidad del concrelo
201
Por otra parte, si con estos datos se quisiera determinar la probabilidad de l?s pruebas por debajo
Tabla 10.9 Resultados obtenidos de los ensayos efectuados en la 2producción de un concreto diseñado para un f,de 245 kgfcm
r
. de que pueden aparecer al ejecutar una nueva produc¿ión de concreto proyecto cuyo con es nuevaente 245 kg/cm2, en se un tendría, de acuerdo los re-
re
:uisitos del nivel de resistencia, que: kgjcm2), 319 339 2 3 4
5 6 7
8 9 10 11 12 13
14
15
269 275 329 325 273 288
329
20
272 327 280
6 309 293
4 15
consecuencia 252 242 264 255 351 342 242 248 254 264 250 258 348 327 371 348 341 347 348 se 328 323 304
17 18 19
20
247
285
10
259
262
9
346
16
284
21 22
9
detecta 245
283
6
259
283
10
254 337 359
253 283 317
8 21 23
23 24 25 26 27 28
344
347
6
338
347
20
332
19
313
29 30
340 326 347 355 304 314 340 319
333
328
351
332
309 329
x
ta
es 287
308
5
328
315
2
422 445
433
349
23
375 356
365
375
330
376
265
320
5
306
300
8
338 323 268 263 310 302 341 352 246
45
f,
ximadamente el7,5%, o sea, que puede esperarse que
2
Como conclusión esto debe decir, que a pesar de que el promedio general obtenido es muy alto (31O
Formatos y gráficos de control La información que se obtiene como de la ejecución de las pruebas y verificaciones a que
el7.5% de las pruebas arroje resultados inferiores a 245 sometido el concreto, tiene utilidad para el control de su producción en la medida en que es confiable y oporkg/cm 2• tuna. De ser así, puede utilizarse con seguridad y eficada para retroalimentar el proceso de producción, esto Ahora bien, aplicando los criteriode_ aceptac[ó!l . es, hacer llegar la información hasta la etapa del procede las Normas Colombianas de Diseño y Construcción, so donde se originó el ensayo a fin de que, si se Sismo-Resistente (NSR-98), la mezcla que produce·. algún incumplimiento, pueda corregirse en el menor íos resultados obtenidos del análisis estadístico efectiempo posible. tuado anteriormente debe tener una resistencia promedio dedíseño mínima, según las ecuaciones (10.13) Por ello, es conveniente llevar registros adecuados y (10J4), de: cr y en forma ordenada, de todos los ensayos ejecutados en la obra, con el fin de procesarlos de acuerdo con los {' cr = 245 + 1.34 (45) = 305 kgjcm2 o, procedimientos anteriormente descritos, e inclusive graficarlos a través del tiempo para visualizar rápidamen= 245- 35 + 2.33 (45) = 315 kg/cm cr te su comportamiento y tomar las decisiones del caso.
r
r
r
346
306
11
Es decir que la mezcla se debe diseñar para un cr de 315 kg/cm2 de modo que garantice un de 245 kg/ cm2•
244
245
299
2
Finalmente, se debe determinar cuál es el que
267 256 286
261
284
11
obtiene con el promedio de resistencia real obtenido cr a los 28 días. Es decir, para que califica el concreto producido. La manera de obtener este dato, es toman-
294
290
265
r,= 310 + 35- 2.33 (45) = 240 kg/cm
rcr
65
= -- = 1.44
fe
o sea,
re
En la tabla 10.5, li!Jlrobabilidad de que las pruebas por debajo de si X = + 1.44cr es igual a apro-
330
(j
kg/cm2), probablemente por una deficiente uniformidad en la producción, el que se ha obtenido en obra es de 240 kg/cm2 y no de 245 kg/cm 2 como estaba especificado. Ello implica que la mezcla debe rediseñarse para un = 315 kg/cm2•
sea, = 310-245 = 65 kg/cm2, es decir,
331
r
pero la dispersión de los resultados es grande (a= 45
re + ta:::} tcr =.X- f'e o
t
285 290 329 327
=
r,= f', + 35 - t
8
re
{'e
re
r
En primer lugar, se debe disponer de un formato como el indicado en la tabla 10.1O, en el cual se deben consignar el mayor número de datos de cada muestra tomada en forma consecutiva e independientemente de la clase de mezcla. De modo que éste se constituye en una especie de "diario" que contiene toda la informadón necesaria para acudir en cualquier momento.
do la ecuación (10.14) que es la más crítica y despejanEn segundo lugar, se sugiere el formato indicado en la tabla 10.11, en donde se reordena y depura la indo o sea la operación inversa a la del punto
re'
202
TECtiOLOGIA DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
Control de calidad del concreto
203
formación por clase de mezcla, después de ensayar los cilindros. De manera que este formato se constitu ye en la "hoja de trabajo", en la cual se pueden
bas (promedio de dos cilindros), a 7 y 28 días de edad e igualmente el promedio móvil de 3ensayos consecu: tivos. Adicionalmente, se pueden trazar rectas co
se pueden hacer predicciones de la resistencia del con
y a la resistencia promedio deseada.
tempranas (siempre y cuando existan calibraciones
Pruebas de resistencia del concreto
creto a los 28 días de edad con base en las resistencias
Tabla 10.11 Resultado de ensayos de cilindros Resumen de la mezcla
V1 DE CILINDROS RESUMEN MEZClADE lA No.
car los procedimientos estadísticos. Si todas las actividades inherentes al control de mato es conveniente disponer de un gráfico de control como el indicado en la figura 10.7, el cual sirve para visualizar rápidamente el comportamiento de las prue-
Fecha
Muestra
CUADRO GENERAL Fecha
Hora
No. No. ilindro muest.
Obra
7DIAS
28 OlAS
28 OlAS
Rafl!!O
Observaciones
-
fecha: De
--
Laboratorio A
cm días 0 MPa O k tf/cm' kq operar. asenta. edad mezcla resist. ranqo 1 peso
Observaciones
1
ces no deben existir motivos para poner en duda la calidad del concreto en la estructura. Sin embargo, cuando existe evidencia del incum plimiento de alguna de las condiciones anteriormente expuestas, puede ser necesario verificar el estado real del concreto colocado, mediante procedimientosespe ciales de campo. De otra parte, existen muchas otras situaciones que pueden requerir la investigación de la resistencia del concreto en obra, entre las cuales se cuentan: retiro de puntales y formaletas, postensado o aplicación de cargas, daños debidos a la congelación, fuego o exposición adversa de curado; evaluación de estructuras más viejas; o cuando, por equivocación, se coloca un concreto de resistencia más baja en un ele mento. Por ello, durante las últimas décadas se han rea lizado muchos esfuerzos por desarrollar métodos rápi dos, económicos y reproducibles, para llevar a cabo · las pruebas del concreto en las estructuras. Estos
- f----
204
1 OlA
Constructor
Interventor
Localización
Asentam.
Laboratorio A O MPa O kof/cm' estimada medida otra
mente y si el ensayo de los especímenes a la edad prevista confirma la obtención de la resistencia reque rida en concordancia con el análisis estadístico, enton-
Tabla JO.1 O Resultados de ensayos de cilindros Cuadro general
RESULTADO DE ENSAVOS DE CILINDROS
O MPa Interventor O kgf/cm 2 Fecha: De RESISTENCIA PROMEDIO cm
TECNOLOGIA DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
Control de calidad del concreto
procedimientos se clasifican de la siguiente manera, dependiendo de la magnitud del problema. -
Ensayos no destructivos. Ensayos semidestructivos. Ensayos destructivos. Pruebas de carga.
Prueba del martillo del rebote
Dentro de los ensayos no destructivos, uno de los métodos que han encontrado aceptación práctica, dentro de ciertos límites, es el martillo de rebote, tam bién llamado martillo de impacto o esclerómetro. Esta prueba fue desarrollada en el año 1894 por el ingeniero suizo Emest Schmidt, quien ideó un martillo de prueba para medir la resistencia del concreto por medio del principio de rebote. 205
Figura 1O.7 Resultado de ensayos de cilindros
Esta prueba se basa en el principio de que el rebote de una masa elástica depende de la dureza de la superficie en contra de la cual la masa incide. El martillo de Schmidt (figura 10.8), consta de una masa controlada por un resorte, que se desliza sobre un émboloencerrado dentro de un tubo.Cuandoel émbolo se presiona contra la superficie del concreto, se retrae contra el resorte; en cuantoel émbolose retrae comple
Gráfico de control
RESULTADO DE ENSAYOS DECIUNDROS GRAFICO DE CONTROL PARA LA
MEZCLA
0
MPa
O kgffcm2
OBRA INTERVENTOR FECHA: DE
CONSTRUCTOR LABORATORIO A
NE
u
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w por ..J
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2::1/l
o
(f)O
;:!;
o z: z-Q :C w
z:O w2:
Para hacer el ensayo, el martillo debe aplicarse contra una superficie del concreto que forme parte de una masa mayor, lo más plana y lisá posible. Cuando
El martillo golpea el concreto y la masa controlada resorte rebota, empujando un dispositivo a lo lar go de una e ala guía graduada. Al oprimir un otón,
cación manual de una piedra abrasiva (carborundo) permite obtener en pocos minutos una superficie pla na. Más importante que lo anterior es ubicar cuidado samente zonas homogéneas del concreto, huyendo de
este dispositivo mantenerse enlecturas. determmada posición para quepuede puedan tomarse las Cada lectura representa la relación entre la distancia recorrí-
aquellospuntos donde haya una éxcesiva proximidad de un agregado grande o una armadura muy superfi cial (si el concreto es reforzado), ya que esto daría lu gar a lecturas demasiado altas del número de rebote. Lo contrario puede suceder cuando se coloca la punta del émbolo muy cerca o sobre un hueco (aunque no sea visible). Por esta razón, cada punto de medida de be incluir de 1O a 121ecturas distribuidas sobre el área
figura 10.8 Martillo de rebote
o oz: V >-a < w1-
(/)
da por la masa y la extensión inicial del resorte. A esta lectura, que suele oscilar entre 20 y 50, dependiendo del tipo de concreto, se le conoce como número de rebote.
1/l
wiii
3 Estructura completa
1 MES/AÑO NE u
;::.
o" ' - "
(/)1/l
w
a
o.
1
l
4 Referencia con varilla 5 Escala 6 Botón completo 7 Barra de desl amiento 8 Disco de guia ' 10 AnUlo de presión
11 Tapa
· debe observarse el grado de dispersión de los resulta indicadas en la tabla 10.12. Tabla 10.12 Desviaciones estándar permisibles para
varios promedios de lecturas de número de rebote
§o w Ql/l
z:
o5 w< -v Q 1/l zü: W o w1: 0..
Promedio obtenido
14 Martillo 15 Amortiguador 16 Muelle de percusión 17 Cartucho
Desviación estándar
19 Ventana 20 Tomillo 21 Contratuerca
1/l
0::1/l
12 MueUe de presión 13 Cerrojo
wiii a::
23 Muelle de cerrojo
206
TECNOLOGIA Df.L CONCRETO Y Df.L MORTERO
Control de calidad del concrelo
20 ±2.5
30
45
±3.0. ±3.5
Si la desviación estándar se encuentra dentro de estos límites, la medida es confiable y puede tomarse como índice verdadero. De no ser así, una práctica por encima o por debajo del promedio más o menos la desviación estándar permisible y si al menos entre el 60 o 70% de los datos que quedan cumplen con el rango de desviación se obtiene un número promedio con estos datos (promedio corregido), cuyo valor se 207
acepta como índice verdadero. De lo contrario, el ensayo se descarta y debe repetirse. Por otra parte, el émbolo debe estar siempre en po sición normal a la superficie del concreto evaluado, porque la posición del martillo en relación con la hori zontal afecta el número de rebote. En efecto, cuando el martillo se coloca en posición horizontal, el rebote es independiente de la acción de la gravedad, cosa que no ocurre cuando el martillo se aplica en posición vertical, ya que la gravedad afecta el recorrido de la masa en el martillo. Por lo tanto, el número de rebotes de un piso será menor que el de un techo y las superficies inclina das arrojarán valores intermedios entre la horizontal y la vertical.
Figura 10.1O Curva típica de calibración entre la resistencia a la compresión de cilindros y el número de rebote con lecturas de esderómetro en posición vertical hada abajo y sobre
Esta prueba determina, en realidad, la dureza de la superficie del concreto y, aun cuando no existe una re lación simple entre la dureza y la resistencia del concre to, se pueden establecer relaciones empíricas como las mostradas en las figuras 10.9 y 10.10,1as cuales fueron desarrolladas por este autor y otros investigado res (10.16) para algunos materiales específicos que se utilizan en la ciudad de Bogotá en la producción de concretos. Este es un procedimiento que hoy en día se encuentra normalizado por la ASTM en su norma C-B05. Aunque el martillo de rebote propmciona un medio rápido y económico para revisar la uniformidad, pre senta también limitaciones graves, las cuales deben to marse en cuenta. Por ejemplo, los resultados se ven
una superficie de concreto seca (10.16)
440 400
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360 320
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de concreto seca (10.16)
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y el número de rebote, con lecturas de esderómetro en posición horizontal y sobre una superficie Figura /0.9 Curva típica de calibración entre la resistencia a la compresión de cilindros
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320 280
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120 80
4
6
B
10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 Número de rebote
afectados por:el tipo de cemento; el tipo de agregado; textura de la superficie que se somete a prueba; tama ño, forma y rigidez de la muestra; edad del concreto; grado de humedad superficial e interna del concreto, ri queza superficial de la pasta de cemento y carbona tación de la superficie del concreto, entre otras.
120 208
/
80 40
6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 2 4
hasta más o menos un 25%. De tal manera que la prue batan sólo tiene un carácter comparativo y, su utilidad principal es determinar la uniformidad del concreto o comparar un concreto con otro, pero nunca debe utili zarse como reemplazo de las pruebas de compresión.
P or ello, TECNOWGIA la rela ción entr e el
número de rebote y la resistencia debe determinarse experimentalmente para cada concreto en particulr. Por lo general,la exactitud del cálculo obtenido con este procedimiento en mues tras confeccionadas, curadas y probadas en condicio nes de laboratorio, con un martillo bien calibrado, se encuentra entre más o menos un 15 y un 20%. No obstante, la exactitud probable al predecir la resisten cia del concreto en una estructura puede llegar a ser de Control de calidad del concreto
Prueba del pulso ultrasónico Este método fue ideado en Canadá en 1945 por Leslie y Cheesman, y en Inglaterra, casi al mismo tiem po, por R. Jones, quien perfeccionó el instrumento conocido como probador
ultrasónico para concreto. Desde luego, es un método no destructivo. Desde un punto de vista teórico, esta prueba se ba sa en que las ondas sonoras se pueden propagar en 209
cualquier medio donde existan átomos o moléculas que pueden vibrar elásticamente, es decir, que estas ondas pueden propagarse tanto en medios gaseosos corno líquidos y sólidos, teniendo en cuenta que en la medida en que el medio es más denso, más rápida es la velocidad de propagación. La verdad es que no existe una relación única entre esta velocidad y la resistencia del concreto, pero, en condicionesespecíficas los dos valoressí tienen una re lación directa y el factor común es el peso unitario del concreto, ya que un cambio en el peso unitario produ ce un cambio en la velocidad del pulso. Por lo tanto,
una disminución en el peso unitario ocasionada por un aumento en la relación agua-<:emento, reduce tanto la
resistencia a la compresión o flexión del concreto mola velocidad de un pulso transmitido a través de 1
Este método consiste, entonces, en medir el po en que una onda ultrasónica atraviesa el Desde una unidad central (figura 10.11} se un impulso electrónico a un transductor emisor el impulso excita un bloque de cristales.El transductor a través del bloque, emite un impulso ultrasónico ·' viaja a través del concreto hasta el transductor recep tor.Aquí el impulso ultrasónico se vuelvea transformar en eléctrico, que se dispersa sobre la superficie de un osciloscopio de rayos catódicos. El tiempo que trans curre entre la emisión inicial y la recepción del impulso se mide con aparatos electrónicos en microsegundos.
Generador del disparador
Exitador Retención e interpolación r- del del transmisor transmisor
m
Tubo de rayos catóditos Retención de la base de tiempo
r---
Generador de la base de tiempo
Transmisión semi-Indirecta En cuyo caso, los terminales son colocados en su perficies adyacentes, generalmente formando un án gulo de 90". Es usado en pilares, estribos o zapatas (fi gura 10.12b.).
Amplificador
o: .......
:·'\)·.:,.
Los terminales son colocados en la misma super ficie del concreto. Es la menos satisfactoria porque además de su relativa baja sensitividad, determina solamente la velocidad de onda que viaja próxima a la superficie del concreto.Sin embargo, se encuentra que esla única aplicableen placas y muros (figura 10.12c.). Dentro de los factores que pueden afectar la prue ba están: la longitud de ruta (mínimo 15 cm); la
de pulso ultrasónico
1 ·. >o·
Transmisión indirecta o supeñicial
Figura 1O.12 Diferentes maneras de colocar los terminales del emisor y el receptor en la prueba
I-Lc-1
Figura 10.11 Esquema de un aparato de pulso ultrasónico Transductores
tas del concreto. Es el método más conveniente por que produce un máximo de sensitividad y una ruta de yiaje bien definida. Este sistema se usa generalmente en vigas y columnas (figura 10.12a.).
1
v=.k TI
·o ·
i.:•··o . • receptor
¡-/' 1
1
(a)
(b)
(e)
1
Generador
-
de la marca Verificador de cristal de tiempo
La longitud de la trayectoria entre los transductores, dividida entre el tiempo que el impulso eléctrico tarda en recorrer la trayectoria, da como resultado la veloci dad promedio de la propagación de onda. Operando correctamente el equipo, el tiempo puede medirse con una precisión de más o menos el1%, de rriodo que la velocidad, como es una magnitud calculada, puede te-
ner una precisión de más o menos el ;!0/o. El ensayo se puede ejecutar de tres maneras:
Transmisión directa En este caso, los terminales del emisor y el recep tor son colocados y enfrentados en superficies opues-
rugosidad de la superficie,en cuyo caso, para asegurar IJn adecuado acoplamiento acústico entre la superficie del concreto y la cara del terminal, se debe aplicar una fina capa de grasa lubricante, después de limpiar, ali sar y nivelar mediante esmerilado y pulido el área don dese va a colocar el terminal; la humedad del concreto, la cual puede variar el resultado entre 1O y 15% o más, de un concreto húmedo a uno seco; la presencia de varillas de refuerzo, que puede ser insignificante si las varillas van en dirección normal (90") respecto de la ruta del pulso y si el diámetro es pequeño respecto de
la longitud de la ruta, de lo contrario, si las varillas están a lo largo o paralelas a la ruta y el diámetro es mayor de 10 mm (3/8"), el efecto es considerable. · Esta prueba se encuentra normalizada por la ASTM en su norma C-597. La técnica de velocidad de pulsoes excelente para determinar la uniformidad del concreto, para medir y detectar agrietamientos, así como para medir el deterioro del concreto ocasionado por el fue go. Sin embargo, los resultados obtenidos no han sido del todo satisfactorios cuando se ha utilizado la velad-
210
TE:CNOLOGIA DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
Con!rol de calidad del concreto
211
dad de pulso para calcular la resistencia en obra. La relación entre la velocidad de pulso ultrasónico y la resistencia, se ve afectada por un cierto número de variables, adicionales a las ya descritas, tales como el tipo de cemento; el tipo de agregado; la relación agua-
cemento; y la edad del concreto, entre otras. De maneras, en la figura 10.13 se presenta un caso de correlación entre resistencia a la compresión velocidad de pulso ultrasónico, en concretos de ciudad de Bogotá.
Figura 10..13 Curva típica de calibración entre la resistencia a la compresión de
cilindros y la velocidad de pulso ultrasónico en concretos secos (10.16)
Tabla 10.13 Clasificación de la calidad del concreto , de peso normal con base en la velocidad de pulso ultrasónico (10.17)
+de4.500 3.500 - 4.500 3.000- 3.500 2.000 - 3.000 -de 2.000
Excelente Bueno Regular Malo Muy malo
prácticos debe establecerse la correlación entre la re sistencia a la compresión y la velocidad de pulso, pero teniendo en cuenta que la precisión de los resultados de este ensayo puede ser de más o menos un 20% y que tampoco debe utilizarse como un reemplazo de las pruebas de compresión en una obra.
Prueba de extracción de pernos Esta prueba semidestructiva consiste en determi nar, por medio de un dinamómetro especial, la fuerza necesaria para lograr la extracción de un perno metá lico, que ha sido embebido previamente en el concreto
Figura 10.14 Aparato para el ensayo di' extracción de pernos
1------D2 -----contra presión
Diámetro interno del anillo de reacción
Anillo de reacción
Anillo de reacción Superficie delconcreto
4o//V 3000
3100
3200
3300
3400 3500 3600 3700 3800 Velocidad de pulso ultrasónico (m/seg)
A pesar de lo anterior, resulta lógico pensar que en la medida en que un concreto tenga ún peso unitario más alto su resistencia es superior (siempre y cuando la densidad del agregado sea constante) por poseer un mayor contenido de cemento. De ahí el hecho de que algunos autores hagan una clasificación general de la
212
3900
4000
...
4100
.. ···: ·....'•.
calidad del concreto en función de la velocidad de pul so ultrasónico, como la indicada en la tabla 10.13. Sin embargo, Jones sostiene que un concreto se puede considerar de buena calidad cuando la veloci dad varíe entre 4.150 y 4.700 mfseg. Por ello, en casos
TECNOLOGIA DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
-DI-
Conlrol de caUdad del concreto
213
y correlacionarla con la resistencia a la compresión. La
geometría del perno es mostrada esquemáticamente en la figura 10.14. Debido a esa geometría, el concreto es sometido directamente a esfuerzos de tracción y cortante, formando una superficie de falla en forma de cono, con ángulos de aproximadamente 45•. Sin em· bargo, la geometría de éste cono está determinada por varios factores que incluyen el diámetro del disco del perno, la profundidad del anclaje y el diámetro del anillo de reacción, que forma la base del aparato de arranque. Este ensayo no es muy conocido en nuestro me dio, pero las investigaciones que se han hecho a nivel mundial reportan que se obtiene una buena correla ción entre los valores de la fuerza de extracción deter minados y la resistencia a la compresión, siendo el es· fuerzo de extracción del orden de un 1O a un 30% de 1<> resistenda a la compresión. Además, es un ensayo fá cilmente reproducible y con tendencia a ser más exac·
obtenida se muestra en la figura 10.15. Figura 10.15 Curva de calibración típica entre la resistencia a la compresión de cilindros a 28 días de edad y el esfuerzo de extracción de pernos Mpa
2.1 2.8 3.4 4.1 4.8 5.5 6.2 6.9 7.6 8.3 9.0
492
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422
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41
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En caso de ser decidido emplear esta prueba en concreto ya endurecido, se podría pensar en taladrar
35
:t.
// 211 141 70
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/
28
21
Sin embargo, este ensayo no mide la resistencia en el interior de la masa de concreto, porque la tipica in crustación no va más·Jilá de los 1O cm (una mayor pro fundidad implicaría mayor fuerza de extracción, con equipos más pesados, disminuyendo su aspecto prác tico en campo). Como los pernos deben ser situados con anterioridad a la fundida del concreto, los sitios de además cada tipo de concreto y cada tamaño máximo de agregado, de acuerdo con el desarrollo de curvas de calibración efectuadas antes que la construcción se ini· cie. La principal desventaja de este ensayo es que el da· ño producido en la superficie del concreto debe ser re parado; de ahí su carácter de semi-destructivo. Sin em bargo, este ensayo es estático y no destructivo en esen mente inalterada.
48
O 01
Aunque este método es relativamente nuevo en muchas partes del mundo, la ASTM publicó, en 1978 un procedimiento tentativo de pruebas (C900-781): Una de las principales ventajas que ofrecen las Prue bas de extracción de pernos es que por medio de ellas se puede medir la resistencia del concreto en la obra pues la técnica es sencilla y efectiva. La resistencia 0 tenida por este medio es del mismo orden de magnitud que la resistencia a cortante directo, lo que indica que el valor de aquella resistencia es, probablemente, un valor representativo de ésta.
1i un orificio, introducir el perno y adherirlo con una resi na epóxica, que garantice que no se presentará falla por adherencia en el conjunto acero-resina-concreto, dejar endurecer y extraer posteriormente. Es impar·
tan te mencionar que esta solución es difícil en superfi -f-cies verticales, por escurrimiento de la resina y que el
21 28 35 42 49 56 63 70 77 84 91 Resistencia de extracción a los 28 días, kg/cm'
En el año de 1966 se introdujo en Estados Unidos una nueva técnica para llevar a cabo pruebas en obra, conocida corno la pistola de Windsor. A partir de en tonces algunas organizaciones de Estados Unidos y el Canadá han realizado estudios sobre dicha técnica. En 1975, la ASTM publicó un método de prueba tentativo en su norma C-803, para determinar la resistencia a la penetración y en la actualidad el único equipo disponi ble que cumple con los requisitos de esta norma es la pistola de Windsor.
dureza del agregado (de acuerdo con la escala de du reza de Mohs). En esta escala, el talco, el más suave de los minerales, recibe el número 1, y el diamante, que es el más duro, recibe el número 1O. Por lo tanto, es reco mendable que cuando se cambia la fuente de los agre gados, o la relación agua-cemento, es preciso que se construyan nuevas tablas de calibración. Aún así,la va· riación en los resultados de esta prueba comparada con la variación en la prueba de compresión sobre cilin· dros es grande, por lo cual tampoco se puede tomar como un reemplazo definitivo de esta última prueba. Figura 10.16 Relación entre la resistencia a la compresión de cilindros a 28 días de edad Y la longitud expuesta de la sonda en el ensayo de la pistola de Windsor
El equipo para el ensayo consta de una pistola o lanzador activado con energía, puntas de prueba, car tuchos de carga, un indicador de profundidad para me dir la penetración de las puntas y otros dispositivos. Las puntas tienen un diámetro de 0,6 cm y una longitud deS cm.
mm
30
NE
lanzador activado por medio de energía (pólvora), dis para una punta dentro del concreto; la longitud expues ta de la punta se mide con el indicador de profundidad y la lectura obtenida se toma como la medida de la resistencia a la compresión del concreto. En la figura 10.16 se muestra una relación entre la longitud expues ta de la punta y la resistencia a la compresión a 28 días por varios investigadores.
La pistola de Windsor es básicamente un
40
50
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28
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1
14
95%Lim¡tes de Confiobilidod
probador resistencia relativa del concreto en la misma estructu·
14
o
prueba de resistencia a la penetración
ra, o las resistencias relativas en diferentes estructuras, sin necesidad de calibración especial en concretos es pecíficos. Debido a la naturaleza propia del equipo, no se puede y no debe esperarse que proporcione valores
o 1.0
o 1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
2.2 2.4
2.6
Longitud Expuesta de la Sonda, Pulg.
Extracción y ensayo de núcleos
hecho de perforar, dependiendo del tipo y edad del
absolutos de resistencia. Desde luego, también se trata de un método semi-destructivo.
hormigón, puede ocasionar agrietamientos, con la consecuente variación de resultados.
Como se puede ver en la figura 1O.16, la penetra ción de las puntas en el concreto se ve afectada por la
Si la resistencia de las muestras de prueba de com presión resulta ser inferior al valor mínimo especifica-
214
TEC!'IOLOG/A DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
Conlrol de calidad del concreto
215
r,.
do puede suceder una de dos cosas: o bien el con creto de la estructura es demasiado débil, o bien los cilindros no son verdaderamente representativos del concreto presente en la estructura. Con el objeto de comprobar si efectivamente el concreto es de baja resistencia, se ha ideado la prueba de una muestra de concreto tomada directamente del miembro sospechoso. Comúnmente se corta un nú cleo o corazón por medio de un aparato que tiene una broca hueca cortante giratoria con incrustaciones de diamante en sus bordes. De este modo, se obtiene una muestra cilíndrica que posteriormente se cabecea y prueba bajo compresión con el objeto de intentar esta blecer la resistencia del concreto en la estructura. Por ello, es una prueba destructiva. Estos procedimientos se encuentran descritos en las normas lcontec 889 y ASTM C42. En este punto se destaca la palabra "inten tar", puesto que es reconocido que el problema de la estimación de resistencias en el concreto, como casi todos los valores en la ingeniería, son de tipo probabi lístico antes que determinístíco ya que la resistencia del concreto de la estructura depende, adicionalmente, de la interrelación entre la calidad de los procesos de compactación y curado. Cuando se confirma que el concreto es de baja re sistencia y los cálculos estructurales indican que la ca pacidad de carga de la estructura se ha reducido sigr.i ficativámente, a NSR - mf permite apelar a esta prueba, en cuyo caso deben tomarse tres núcleos de la zona en duJa por cada ensayo de resistencia que sea inferior a
(',35 kgicm
2•
Adicionalmente, la misma NSR-98 estipula: "en ca so de.que el concreto de laéstructura vaya a estar seco durante las condiciones de servicio, los núcleos deben secarse al aire (entre 15oC y 30°( de temperatura y humedad relativa menor del60%), durante 7 días antes del ensayo y deben probarse secos. Si el concreto de la estructura va a estar más que superficialmente hú medo durante las condiciones de servicio, los núcleos
216
deben sumergirse en agua por lo menos durante 40 ho. ras y ensayarse húmedos". El efecto de esta recomen dación simplemente es tratar de simular las condicio.¡ nesdeservicio de la estructura evaluada, especialmente en el caso de estructuras sumergidas bajo agua, ya que la resistencia del concreto saturado, de agua, es menor que en estado seco. Finalmente la NSR - 98 considera que: "el concreto. de la zona representada por los núcleos es estructural mente adecuado, si el promedio de los tres núcleos re sulta por lo menos igual a185% de r,y si ningún núcleo presenta una resistencia del 75% de f',". Esto implica, obviamente, que la estructura es apta para el nivel de servicio original de diseño de la obra, sin disminuir su seguridad; pero no como que el concreto producido ha cumplido con los requisitos de resistencia especifica dos, ya que, como anteriormente se había menciona do, el resultado de este ensayo está influido por las con diciones de colocación, compactación y curado, que son independientes del diseño y producción de la mez cla de concreto como tal. Ahora bien, en el evento de que no se cumpla el criterio de ac tación estab_lecida parla NSR-98 y si la · seguridad estructural permanece en duda, el ingeniero puede ordenar que se efectúen pruebas de carga como las descritas en el capítulo C.19, del mismo documen to, para la parte dudosa de la estructura o tomar otra medida adecuada a las circunstancias, incluida la reparación o demolición de los elementos afectados. Por otra parte, en algunos casos se pueden aserrar muestras de losas de concreto en vías, pisos o pistas de aeropuertos, con una sierra dediamanteocarborun dum, en cuyo caso las muestras se someten a la prue ba de flexión. Sin embargo, este ensayo no es muy común. Independientemente de lo anterior, hay algunos fac tores que afectan la resistencia a la compresión de núcleos y que deben ser tenidos en cuenta, tanto en el momento de la extracción como de la prueba. Estos son:
TECNOLOG/A DEL COrtCRErO Y DEL MORTERO
Edad
En primer término, la edad mínima a la cual se de be extraer un núcleo está limitada a 14 dias después de haber sido fundido el concreto. La razón, sencillamen te, obedece a que a edades inferiores se asume que el cemento aún no tiene la suficiente dureza y entrelaza miento de la interfase pastaagregado como para ser sometido a la acción de la broca, que puede inducir microfisuras tanto al núcleo mismo como en los alrede dores de la zona de extracción, teniéndose una alta pro babilidad de que en el momento del ensayo, la falla del núcleo se induzca por entre las microfisuras y se obten ga un resultado bajo. Diámetro La filosofía aplicada en este aspecto por la ASTM y recogida por la norma NTC - 889, es exigir un diá metro igual o superior a tres veces el tamaño máximo del agregado grueso utilizado, pero en ningún caso me nor de 10 cm (4"). De tal manera que es necesario co nocer con anterioridad el tamaño máximo del agrega· do. Además, debe tenerse en cuenta la separación en tre varillas de refuerzo (si el concreto es reforzado), la cual con mucha frecuencia es menor que el diámetro mínimo estipulado. Esto condiciona el lugar de extrac ción a sitios muy determinados, o induce a que se in cumpla el requisito del diámetro mínimo (en cuyo caso el mínimo permisible sugerido es 7.5 cm (3"), o se ha ce imposible la realización de la prueba. Sin embargo, el hecho de que la norma limite el diámetro a un mí nimo, obedece a que diferentes investigadores coinci den en que a medida que aumentael diámetro, dismi nuye la dispersión de los resultados. Por ello, los núcleos de menos de 10 cm (4") no se consideran muy representativos. Relación de esbeltez Tal como se vio en el capítulo 6, por regla general se admite que la relación altura-diámetro (relación de esbeltez) apropiada para los cilindros de prueba es de
Control de calidad del concreto
2. Pero en realidad, en algunas ocasiones es difícil man tener este valor, especialmente en el caso de los nú cleos, bien por las dimensiones que tiene el elemento de donde se extrae, por rotura prematura del núcleo al retirarlo de la estructura, por la presencia de armadura, o por rotura en el momento de desbastar los extremos para garantizar paralelismo entre las superficies de aplicación de carga. Varios investigadores se han pronunciado sobre el particular, buscando eliminar el efecto de esta variable debido al hecho de que la magnitud de la restricción de sarrollada en la interfase entre muestra y placa de má quina de ensayo está ligada a la esbeltez relativa de la muestra, la cual a su vez es función de la resistencia. Para ello se han propuesto varios factores de correc ción en función de la esbeltez, entre los cuales se destacan los propuestos por la ASTM en su norma C42 y que se encuentran en la tabla 6.4 del capítulo 6. Presencia de armadura núcleo
dentro
del
Es evidente que en secciones densamente arma das es difícil evitar el corte de las varillas de la armadura y consecuentemente su presencia dentro del núcleo. Aparte del irreparable daño que se hace a la estructura al cortar el refuerzo, el hecho de que haya un elemento extraño, como es la varilla, dentro del núcleo de con creto propiamente dicho, necesariamente altera el resultado del ensayo de dicho núcleo. Hay consenso en que, en la medida de lo posible, su presencia debe evitarse y que tiene menos efecto su posición en sen tido perpendicular que en sentido paralelo respecto de la dirección de aplicación de carga. Sin embargo, de acuerdo con las normas, aquellos núcleos que conten gan refuerzo no deben usarse en ensayos de tracción indirecta. Altura de extracción y nivel de resistencia En el caso de efectuar extracciones de núcleos sobre superficies verticales, como columnas, muros e inclusive los lados de una losa, o una zapata, la extrae217
ción no debe ser efectuada en la parte superior de estos elementos, ya que por lo general es una zona más dé bil, probablemente debido a que es menos compacta y menos densa que la parte media e inferior. Adicional mente, los núcleos deben tomarse de un sitio alejado de las zonas de uniones, juntas o bordes de la estructura. De otra parte, se ha encontrado que el nivel de re sistencia del concreto de donde son extraídos los nú cleos, afecta la resistencia de ellos, es decir, que la desviación al comparar los núcleos con los cilindros varía en sentido creciente a medida que aumenta la re sistencia del concreto. Esto se puede apreciar enlata bla 10.14. La razón de este fenómeno aún no ha sido claramente establecida, pero se cree que el concreto de mayor resistencia ofrece más dificultad al taladrar lo, con lo cual puede sufrir una mayor microfisuración. Por ello, las muestras con defectos o que hayan sufrido daños durante el corte deben ser descartadas. Tabla 10.14 Variación de la resistencia de los núcleos respecto del nivel de resistencia del concreto
210 280 420 490
5
10
12.5 15
Dirección de la extracción
Finalmente, otro factor que puede afectar la resis tencia de los núcleos es la influencia que tiene la direc ción de extracción del núcleo respecto de la dirección en que fue fundido el concreto. La mayoría de los investi gadores coinciden en que, por lo general, la resistencia de núcleos extraídos en sentido paralelo a la dirección de fundido es superior a la de núcleos extraídos en sen tido perpendicular a la dirección de fundida. Estas dife rencias suelen oscilar entre un 5% y un 10%.
Pruebas de carga Una prueba de carga es un ensayo por medid cual se comprueba un diseño o simplemente se control de calidad a la construcción. De hecho, las fallas estructurales están disposiciones legales; sin embargo, no sólo por ello se deben evitar, ya que de por medio puede haber riesgo de vidas, propiedades y desde luego prestigio profesio nal. En la actualidad, las posibilidades de falla en es tructuras son bajas, dado que los métodos de diseño y . construcción han mejorado notablemente y permanen temente son optimizados con base en investigaciones de laboratorio, la observación del comportamiento de estructuras existentes y la experiencia de ingenieros calculistas y constructores. Pero aun con todos los ade lantos de la ciencia y de la técnica, cabe la posibilidad de que se presenten. Por ello, para prevenirlas, las pruebas de carga se convierten en una herramienta va liosísima, tanto en el laboratorio como en el campo. De otra parte, hay ocasiones en las cuales es pre ciso hacer pruebas de carga, bien porque se constitu yen como parte de la revisión de un diseño cuando no se dispone de la información suficiente sobre los cálcu los originales, como en el caso de estructuras abando nadas; cuando una estructura va a someterse a cargas diferentes a las previstas inicialmente por cambio en el uso; cuando no se han cumplido las especificaciones de diseño en uno de los elementos de la estructura por descuido, error o cambios improvisados durante la construcción; cuando se escoge una hipótesis de carga inadecuada;cuando se ha producido una falla incipien te o sobreesfuerzo en un elemento de la estructura du· rante las operaciones de construcción, como el descim brado muy rápido o impactos fuertes; o bien después de incendios o temblores que hayan afectado la estructura.
Pruebas de laboratorio
carga
en
el
En el caso de pruebas de carga de laboratorio, todo lo que se requiere simplemente es una muestra repre-
sentativa de las condiciones de diseño y construcción, una máquina que aplique carga en forma controlada y en la mayoría de los casos un medidor de deformación {deformímetro). De hecho, el ensayo de un cilindro es una prueba de carga destructiva que permite evaluar la resistencia potencial de un concreto. lgua.l ente lo esn núcleo, el cual intenta evaluar las condiciones de cahdad de un concreto en obra. En el primero, casi nunca se miden las deformaciones, pero en el segundo, en algunas oca siones es conveniente medir la deformación hasta la falla. La rotura de varillas a tracción midiendo o no la de formación; la prueba de plaquetas o viguetas, diversos prefabricados como adoquines y bloques; tubos y pos tes de concreto, son también frecuentes y pertenecen a la categoría de ensayos de carga relativamente sim ples. Pero aunque se trata de pruebas sencillas y en muchos casos rutinarias, las consecuencias de sus re sultados son de mucha importancia, pues de ellas de pende la aceptación o el rechazo de una obra, un dise ño, una práctica de construcción o un proceso industrial. Todo esto implica una preparación cuidadosa de las muestras y ejecución de los ensayos dentro de los criterios de exactitud, control y procedimiento esta blecidos en las normas y, lo que es más importante, de máxima responsabilidad y competencia del labo ratorio.
Pruebas de carga en ei campo Cuando por cualquier motivo existen serias dudas sobre la seguridad de una estructura o un elemento estructural la NSR -98 en su capitulo C.19, estipula que debe ordenarse una investigación sobre la resistencia estructural, ya sea por medio de investigaciones analí ticas basadas en las dimensiones y detalles de los ele mentos, propiedades de los materiales y demás condi ciones pertinentes tal como realmente se construyó; o por medio de pruebas de carga; o por combinación de análisis y pruebas de carga, lo cual debe ser controlado por un ingeniero calificado, de modo que se garanticen los requisitos y propósitos del mismo código. En general, las especificaciones de este tipo de pruebas incluyen aspectos tales como la clasificación del ensayo, es decir, si la construcción se someterá a una carga especificada sin exceder un valor dado de deflexión, o si se llevará a cabo hasta su rotura, en cuyo caso se requiere conocer la capacidad última de carga, el modo de falla, la curva completa de esfuerzo-defor mación y si las conexiones con otros elementos son adecuadas; la forma de carga de manera que satisfaga las hipótesis de diseño; el valor de los incrementos de carga y sus intervalos de aplicación; la edad a la cual se debe hacer el ensayo (por lo general, como mínimo a los 56 días de edad); y las medidas de precaución que deben tomarse.
218
TECNOLOGIA DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
Control de calidad del concreto
219
CAPITULO
11
Diseño de mezclas de concreto
Como se ha visto, el concreto está compuesto de cemento, agregados, agua, alguna cantidad de aire naturalmente atrapado o intencionalmente incluido, y eventualmente aditivos. El principal componente del concreto es el cemen to portland, el cual ocupa entre el 7% y el 15% del volumen de la mezcla y tiene propiedadesdeadherencia y cohesión que proveen buena resistencia a la compre sión. El cemento es producido por el hombre y provie ne de la calcinación de rocas calizas y arcilla. El segundo componente, los agregados, ocupa entre el 59"/o y el76% del volumen de la mezcla. Son esencia mente materiales inertes, de forma granular, naturales o artificiales, que por conveniencia han sido separados en fracciones finas (arenas) y fracciones gruesas (gra vas). En general, provienen de las rocas naturales. El tercer componente, el agua, ocupa entre el14% y el 18% del volumen de la mezcla e hidrata al cemento portland por medio de complejas reaccionesquímicas. Adicionalmente, el concreto también contiene alguna cantidad de aire atrapado (usualmente entre 1% y 3% del volumen de la mezcla) y puede contener aire incluido intencionalmente (entre 1% y 7% del volumen Diseño de mezclas de concreto
de la mezcla) lo cual se logra con el uso de aditivos o con cementos que tengan agentes indusores de aire. Finalmente, con alguna frecuencia se añaden aditivos a la mezcla con el objeto de mejorar una o más pro piedades del concreto, tales como acelerar, retardar, mejorar trabajabilidad, reducir requerimientosde agua, incrementar resistencia, o alterar otras propiedades. El proporcionamiento de mezclas de concreto o
"Diseño de mezclas", es un proceso que consiste
en la selección de los ingredientes disponibles (cemento, agregados, a·gua y aditivos) y la determinación de sus cantidades relativas para producir, tan económica mente como sea posible, concreto con el grado reque rido de manejabilidad, que al endurecer a la velocidad apropiada adquiera las propiedades de resistencia, durabilidad, peso unitario, estabilidad de volumen y apariencia adecuadas. Estas proporciones dependen de las propiedades y características de los ingredientes usados, de las propiedades particulares del concreto especificado, y de las condiciones particulares bajo las cuales el concreto será producido y colocado. Aunque hoy en día existen diversos métodos de diseño disponibles, y ellos dan aproximadamente las mismas proporciones relativas de materiales, proba blemente el método más común y utilizado en Norte
221
América y muchos países, entre los cuales se incluye Colombia, es la "PRACTICA RECOMENDABLE PARA DOSIFICAR CONCRETO NORMAL Y CONCRETO PESADO A.C.I.-211",el cual se describirá en este ca pítulo, con algunas variaciones que permiten hacerlo más adecuado a las condiciones y materiales del medio colombiano.
Consideraciones básicas De acuerdo con A.M. NeviDe (11.15), las propieda des requeridas del concreto fresco están regidas por el uso al que estará destinado el concreto (tipo de cons trucción) y por las condiciones esperadas en el mo mento de su colocación (técnicas de vaciado y trans porte); y de otra parte, las propiedades en estado endurecido quedan especificadas por el proyectista de la estructura para las condiciones de servicio y exposi ción a que quedará sometida. Estos dos aspectos son los que en principio facultan al ingeniero para determi nar las proporciones de la mezcla, teniendo en cuenta, además, el grado de control que se ejercerá en la obra, el cual es definitivo para la determinación de la resisten cia de diseño de la mezcla, como se vio en el capítulo anterior. Sin embargo, hay tres consideraciones bási cas que deben ser contempladas por quien esté dise ñando la mezcla: economía, especificaciones y tecno logía existente en el sitio de producción. Economía
La primera consideración que debe ser estudiada después de los aspectos técnicos y de seguridad en un diseño de mezcla, es la factibilidad económica de su producción, lo cual es sin duda alguna uno de los requisitos más comunes de la ingeniería. El costo de producción del concreto, como el de cualquier mate rial de construcción, está constituido por el costode los materiales (cemento, agregados finos y gruesos, agua y aditivos), la mano de obra, los equipos utilizados (planta y otros), y el grado de control de calidad que se adelante en el sitio de trabajo. 222
El arte de diseñar una mezcla de manera económicamente eficiente y prcKluctiva. en lograr una optimización adecuada de las nes de los materiales empleados, aprovechando propiedades y características para lograr los requisitos técnicos especificados de modo que el orden de inc . dencia en costos de cada material, en lo posible, sea inversamente proporcional a su participación como componente de la mezcla. Por ello, debido a que el cemento, por lo general, es el más costoso de los materiales que constituyen el concreto, uno de los objetivos del diseño de mezclas es minimizar·su contenido para reducir los costos del concreto. Por otra parte,es conveniente tener presente que aparte del aspecto económico, un alto contenido de cemento puede ser contraproducente, no solamen te en el caso de concretos masivos,donde se desarrolla un alto calor de hidratación que genera grietas, sino también en estructuras convencionales donde a ma yor contenido de cemento, mayor es la probabilidad de contracción y fisuramiento. De acuerdo con Mindess y Young (11.13), "esto puede, en general, ser conseguido al usar el más bajo asentamiento que permita una adecuada colocación, al emplear el más grande y práctico tamaño máximo de agregado, al utilizar la más óptima relación de agre gados gruesos a finos, y cuando sea necesario, usando aditivos apropiados. Adicionalmente, el uso de mez clas comparativamente pobres confiere también con siderables ventajas técnicas; la contracción en general será reducida y habrá menos calor de hidratación".
En lo que concierne a la mano de obra, ésta depende de la organización del sitio de trabajo y del tipo de equipodisponible.Sin embargo, los costos de manode obra están estrechamente relacionados con la maneja bilidad de la mezcla debido a que las mezclas de consistencia seca requieren de mayor energía de com pactación que las mezclas de consistencia húmeda.
Por último, la economía de un diseño de mezcla articular también está relacionada con el equipo isponible y las prácticas de producción y colocación. Estos factores son medidos por el grado de control jercitadoen lossitiosde trabajo. De ahí la importancia :conómica de hacer control de c lidad partr tar de reproducir lo más fielmente pos1ble los d1senos de mezcla a nivel industrial o de obra. Especificaciones Por lo general, cada proyecto tiene requerimientos particulares que depe den del tipo de e truct ra, con diciones de clima, SIStema constructivo, t1empo y costos de ejecución, entre otros, que pueden abarcar una gran gama de propiedades y características del concreto. Frecuentemente, las especificaciones pue den solicitar algunos de los siguientes aspectos: a) Máximo y jo mínimo asentamiento. b) Tamaño máximo y/o máximo nominal del agrega do grueso. e) Contenido mínimo de aire incluido, para dar ade cuada durabilidad en ciertos climas. d) Resistencia a la compresión mínima necesaria, por consideraciones estructurales. e) Resistencia mínima de sobrediseño.
Q Máxima relación agua-cemento y jo contenido mí nimo de cemento. g) Máximo contenido de cemento, para evitar agrie tamiento por exceso de temperatura en concreto masivo. h) Máximo contenido de cemento, para evitar agrie tamiento por contracción en condiciones de baja humedad. Dlseo de mezclas de concreto
TECNOLOGIA DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
i) Tipos especiales de cemento o agregados. j) Peso unitario mínimo, para presas de gravedad y
estructuras similares.
k) Uso de aditivos. Tecnología existente El otro aspecto que debe ser considerado por el diseñador de la mezcla, es la tecnología existente en el sitio de obra para producir el concreto, debido al hecho de que hay diferentes sistemas de dosificación, mez clado, transporte, colocación y curado, que tienen influencia sobre las propiedades del concreto. En obras pequeñas (75m3 o menos), con sistemas rudimentarios de producción, la forma más común de medir las proporciones de una mezcla de concreto es en relación con el peso de los materiales empleados, tomando como unidad el cemento (no por volumen, como se tiene tendencia a considerar). Para evitar confusiones, cuando hay varias clases de agregados finos y gruesos, es conveniente colocar las proporcio nes en orden ascendente de tamaño (primero la arena con módulo de finura menor y por último el agregado grueso de tamaño mayor). Además de lo anterior, se considera conveniente colocar antes de la unidad el valor del peso de agua, o sea, la relación agua-cemento.
Es importante insistir en que la dosificación del ce mento y los agregados siempre debe hacerse por peso, pues la medida de estos o cualquier otro sólido con base en su volumen puede conducir a grandes errores al no tenerse en cuenta el grado de compactación o abultamiento de las partículas, el grado de saturación o humedad de los agregados, ni el volumen absoluto de cada ingrediente en el momento de la dosificación.. Por ello, sólo el agua y los aditivos líquidos pueden ser medidos con precisión, con base en el volumen. Por lo anterior, en obras de mayor tamaño, el diseño siempre se estipula en peso seco de cada ma223
terial; y la dosificación, en peso seco para el cemento y en peso húmedo de cada agregado, por metro cúbico de concreto. Adicionalmente, como los agregados generalmen te se comercializan y transportan por volumen suelto, pero se dosifican por peso, se debe hacer la conversión correspondiente, utilizando las masas unitarias sueltas
de cada material. En la tabla 11.1 se indican las dones existentes entre peso y volumen.
Información requerida de los materiales De acuerdo con el A.C.I.-211., en la medida de posible, la selección de las proporcionesde una mezda
Tabla 11.1 Proporción entre el peso, volumen absoluto y volumen suelto de los componentes de una mezcla de concreto (11.14)
g
f
A)e e
Por peso para 1 m3 de concreto (kg)
A= (
Por volumen absoluto para 1 kg de cemento (1)
A A=-
Por volumen absoluto para 1 m 3 de concreto (1)
A=
Por volumen suelto para 1 kg de cemento (m 3)
A A=-
Por volumen suelto para 1 m 3 de concreto (m3) Por volumen suelto para un bulto de cemento (m 3)
e
( )e e e
A=( )e e
( )so e
e
re
ge g
GF
Gg
e
({e)
(g e)
G,
G,
Gg
f
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D
o,
Dg
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(ge)
D
D
D
'
'
50 D
({50)
(g 50)
e) e d) G e)
o:
224
En el caso del cemento, no sólo basta su conformi dad con las normas. Pues debido a que hoy en día hay muchas clases y tipos de cemento disponibles, es im portante conocer las propiedades y características de cada uno de los cementos que eventualmente van a ser empleados en el sitio de trabajo, y especialmente cuan do varias marcas diferentes van a ser utilizadas al mis mo tiempo. Esta información debe incluir como míni mo los siguientes datos:
0
Peso específico. Superficie específica. Consistencia normal y tiempos de fraguado. Expansión al autoclave. Resistencia a la compresión a 1, 3, 7, 14, 28 y 56 90 días de edad. Composición química.
Calidad del agua De acuerdo con lo expuesto en el capítulo 3 (Carac terísticas químicas y fisicas del agua de mezclado), el agua a utilizarse debe cumplir con: las recomendacio nes de la tabla 3.1, donde se presenta un resumen de las tolerancias de concentraciones máximas de impu rezas en el agua de mezclado y de curado; y de la tabla 3.2, donde están los criterios físicos y mecánicos de aceptación del agua respecto a los tiempos de fragua do y a la resistencia del concreto producido con ella.
éstos no son menos importantes que la pasta de cemento. Por el contrario, gran parte de las propiedades del concreto, tanto en estado plástico como en estado endurecido, dependen de las características y propie dades de los agregados. Por esta razón, la siguiente información es importante: a) Origen y propiedades petrográficasy mineralógicas. b) e) d) e)
Análisis granulométrico. Forma y textura superficial de las partículas. Peso específico aparente. Capacidad de absorción de agua. f) Contenido natural de humedad. g) Masas unitarias. h) Contenido de finos y sustancias perjudiciales. Características de los aditivos En cuanto a los aditivos, el fabricante y las pruebas desarrolladas con ellos deben proveer la siguiente información para establecer su "compatibilidad" con el cemento y los materiales empleados, y su eficiencia dentro de la mezcla de concreto: a) Capacidad de reducción de agua. b) Efecto sobre la manejabilidad, cohesión y plasticidad. e) Efecto sobre la pérdida de asentamiento. d) Inclusión de aire. e) Efecto sobre el calor de hidratación. f) Efecto sobre la velocidad de fraguado. g) Efecto sobre la exudación del concreto. h) Efectos sobre la contracción, resistencia, durabili dad y otras propiedades del concreto.
Información adicional
D
'
Propiedades de los agregados
NOTAS: a) Si hay más de un agregado fino o grueso, cada uno de ellos se tratará separadamente. b)A/C
Propiedades del cemento
a) b) e) d) e) o
1 G
'
de concreto debe estar basada en datos de ensayo (propiedades de los materiales) o experiencia con los materiales que realmente se van a utilizar. La siguiente información para los materiales disponibles será de gran utilidad.
Relación agua-cemento.
Contenido de cemento en kg/m'. Peso específico del cemento, agregado fino y agregado grueso respectivamente en g/cc. Masa unitaria suelta del cemento, agregado fino y agregado grueso respectivamente en kg{m'-
TECNOLOGIA DEL CONCRETO Y DEL MORTfRO
Debido a que el concreto está constituido en su mayor parte por agregados (70% o más en volumen),
Diseño de mezclas de concreto
Si es posible y hay datos disponibles, la siguiente información es muy útil para disminuir el número dé mezclas de prueba:
225
a)
Requerimiento del agua de mezclado en concretos producidos con los mismos materiales y en condi ciones similares.
b) Curva de correspondencia entre la resistencia del concreto y la relación agua-cemento para los ma teriales a usarse.
· Procedimiento de diseño !
Riesgo de ataque químico o tamaño de la masa de concreto
Selección del asentamiento
Pero, utilizando la excelente metodología seguida por el Comité A.C.I.-211, el establecimiento de las pro porciones de cada ingrediente por metro cúbico de concreto es obtenida siguiendo la secuencia de deci siones indicada a continuación. Sin embargo, antes de iniciar el procedimiento, se hace hincapié en que un diseño, en el sentido estricto de la palabra, no es posible, debido a que los materiales son esencialmente variables y muchas de sus propiedades no pueden ser tasadas con exactitud en forma cuantitativa. Por tal motivo, es necesario hacer mezclas de prueba para revisar y ajustar las proporciones de los materiales.
Como se mencionó en el capítulo 5, las propieda des del concreto en estado fresco (para manejarlo, colocarlo y compactarlo) son importantes, debido a que de ellas dependen en gran parte las propiedades en estado endurecido.
._
Como se ha visto, son muchos los factores y las consideraciones que se deben tomar en cuenta para . diseñar una mezcla de concreto. Sin embargo, en la figura 11.1 se muestra de manera esquemática la
Figura 11.1 factores básicos en el proceso de diseño de una mezcla de concreto (11.15)
secuencia de las decisiones hasta llegar, en la parte inferior, a la cantidad de cada ingrediente.
Como puede verse entonces, el procedimiento de diseño de mezclas, se basa en el método de "ensayo y error", que en este caso converge rápidamente con el sistema de "ajuste y reajuste". Sin embargo, las varia· dones propuestas por esta obra en la adaptación hecha al medio colombiano, pueden reducir el número de mezclas de prueba ahorrando tiempo y dinero. El procedimiento recomendado, paso a paso, es el indica do en la tabla 11.2. Tabla 112 Procedimiento de diseño
1 2 3 4 5 6 7 8 9 1O 226
TECNOLOGIA DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
Selección del asentamiento Selección del tamaño máximo del agregado Estimación del contenido de aire Estimación del contenido de agua de mezclado Determinación de la resistencia de diseño Selección de la relación agua-cemento Cálculo del contenido de cemento Estimación de las proporciones de agregados Ajuste por humedad de los agregados Ajustes a las mezclas de prueba
Diseño de mezclas de concrelo
Las primeras consideraciones que se deben tomar en cuenta para especificar una consistencia determi· nada en el concreto fresco, son el tamaño de la sección que se va construir y la cantidad y espaciamiento del acero de refuerzo. Es claro que cuando la sección es es· trecha y complicada, o cuando hay numerosas esqui· nas o partes inaccesibles, el concreto debe tener una alta manejabilidad, de modo que pueda lograrse la mejor compactación posible con una cantidad razona ble de esfuerzo. El segundo aspecto que se debe considerar son las condiciones de colocación, ya que hoy en día existen múltiples sistemas de vaciado como el bombeo, las bandas transportadoras, el tubo-embudo Tremie, y las pavimentadoras, entre otros, que requieren de una mayor o menor plasticidad (cohesión) de la mezcla, lo cual, como es sabido, depende en gran parte del con tenido de finos. El tercer aspecto es el sistema de compactación, debido a que la máxima resistencia se logra cuando la masa unitaria del concreto (con agregados pétreos de peso normal) es máxima. Sin embargo, si la consistencia, en términos de asentamiento, no se ha especificado con anterioridad, la tabla 11.3 provee una guía empírica de la consisten cia requerida por el concreto para diferentes tipos de construcción y sistemas de colocación y de compac tación. Los valores de asentamiento indicados en esta tabla se aplican cuando el concreto va a ser consolida· do por vibración. Si se emplean otros medios de compactación diferentes a la vibración mecánica, los 227
Tabla 11.3 Asentamientos recomendados para diversos tipos de construcción y sistemas de colocación y compactación (11.20)
datos de esta tabla se deben aumentar en 2.5 cm ( l "). Como regla general y por razones de economía, el menor asentamiento que permita una adecuada colo cación es el que debe ser seleccionado.
Selección del tamaño máximo del agregado
Muy seca
0-20
Seca
20-35
Prefabricados de alta resistencia, revestimiento de pantallas de cimentación
Con vibradores de formaleta; concretos de proyección neumática (lanzado)
Secciones sujetas a vibración extrema, puede requerirse presión
Pavimentos
Pavimentadoras con terminadora vibratoria
Secciones sujetas a vibración intensa
1
Semi-seca
35-50
Pavimentos, fundaciones en concreto simple
Colocación con máquinas operadas manualmente
Secciones simplemente reforzadas, con vibración
Media
50-100
Pavimentos compactados a mano, losas muros, vigas
Colocación manual
Secciones medianamente reforzadas, sin vibración
100-150
Elementos estructurales esbeltos
Bombeo
150 o más
Elementos muy esbeltos, pilotes fundí· dos "in situ"
Húmeda
Muy húmeda
Secciones bastante reforzadas, sin vibración
Tubo-embudo Tremie
Secciones altamente reforzadas, sin vibración. (Normalmente no adecuados para vibrarse)
De acuerdo con el criterio del A.C.I.-211, los agre gados bien gradados con mayor tamaño máximo tienen menos vacíos y menor área superficial que los de menor tamaño máximo; por consiguiente, si el tamaño máximo de los agregados en una mezcla de concreto se aumenta {para un mismo asentamiento), los contenidos de cemento y agua disminuirán. Por lo tanto, el tamaño máximo del agregado deberá ser el mayor económicamente disponible y compatible con las dimensiones de la estructura. Sin embargo, según Mena M. (11,11), "La mayoría de las veces son las características geométricas y las condiciones de refuerzo de las estructuras las que limitan el tamaño máximo del agregado que puede utilizarse; pero existen otros aspectos relacionados con la producción, el transporte y la colocación del concreto que también pueden influir para limitarlo". En relación con la geometría y el refuerzo de las estructuras, el tamaño máximo del agregado se selec ciona de acuerdo con la estrechez de los espacios por los que debe desplazarse el concreto durante s:J colo cación, de modo que el agregado grueso no sufra obstrucciones y pueda distribuirse uniformemente en todas direcciones. Para ello, deben considerarse as pectos tales como lo angosto de las secciones y las distancias mínimas entre las varillas del refuerzo y entre éstas y el recubrimiento. Para las estructuras convencionales de concreto que constituyen la máyoria de los casos, con frecuencia se aplican las recomendaciones de la NSR - 98. Según ésta, el tamaño máximo nominal del agregado no debe exceder de las siguientes dimensiones:
a) La quinta parte de la separación mínima entre lados de la cimbra. b) Las tres cuartas partes del espaciamiento libre mínimo entre varillas o alambres individuales, !orones o duetos de refuerzo, lotes de varillas, o entre el acero y la formaleta. e) La tercera parte del espesor, en el caso de losas. La aplicación de estas limitaciones ocasiona el uso de agregados con tamaños máximos que por lo gene ral varían entre 9,51 mm (V') y 76,1 mm (3"). Sin embargo, en algunos casos como grandes estructuras de concreto masivo (presas), con secciones muy am plias y poco o nada de refuerzo, la posibilidad de utilizar un tamaño máximo de grava es casi ilimitada, aunque, normalmente se considera un tamaño de 152,2 mm (6") como el máximo tamaño práctico. Pero, de acuerdo con el mismo autor ( 11.11) "con viene observar que en los criterios anteriores no se ha tomado en cuenta la forma de las partículas, lo cual en algunos casos puede ser una omisión importante, pues los agregados de formas muy angulosas suelen requerir mayores espacios para desplazarse que los de formas redondeadas". Para tal efecto, Faury propone las siguientes expre siones para limitar el tamaño máximo, a fin de que las mezclas de concreto se desplacen sin dificultad a través de los planos de refuerzo y no se sientan las consecuencias del llamado "efecto de pared" que se produce en la vecindad del concreto con las formaletas: a) Para agregados de formas redondeadas.
D < 1.2 P b) Para agregados de formas angulares,
D < 1.4 P 228
TECNOLOG/A DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
Diseño de mezclas de concreto
(11.1)
(11.2) 229
Donde: D= Tamaño máximo del agregado. P= Radio medio de los espacios entre varillas de refuerzo, como se indica en la figura 11.2.
De acuerdo con lo anterior, y de manera general, en la tabla 11.4 se dan algunas recom..n l " nes para la escogencia del tamaño máximo, tipo de construcción.
Figura 11.2 Radio medio de los espacios entre varillas (11.11)
1 1
11
En cuanto a la colocación, el uso de bombas de
1
-e
P=
P= 2 (a+ b)
2
Tabla 11.4 Tamaños máximos de agregados según el tipo de construcción (11.6)
6-15 19-29 30·74 75 o más
230
W(12)4'4"(19) %"(19)·1Y.!''(38) 1 "(38)-3"(76) 1W(38)·3"(76)
%"(19) 1Y.!''(38) 3"(76) 6"(152)
de la producción, Mena (11.11) añade:"otro que puede contribuir a limitar el tamaño má es el equipo disponible para mezclar el concreto. tipos de mezcladoras, como las de descarga pueden revolver y descargar eficientemente con con diversos tamaños máximos de grava hasta 152 mm (6"); pero otros, como las de mezcla for zada, están diseñados específicamente para concretos con gravas de poco tamaño máximo y no mayor de 38,1 mm (Ph")".
%"(19)-1"(25) 1 "(38) 1 Y-!''(38)-3"(76) 1 "(38)-3"(76)
:Y.."(19)-H'4"(38) 1"(38)·3"(76) 3"(76) 3"(76)-6"(152)
TfCNOLOGIA DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
concreto y bandas transportadoras puede ocasionar ciertas limitaciones. "En el caso de concreto bombea do, el tamaño del agregado grueso se limita deacuerdo con el diámetro interior de la tubería de conducción. Según el criterio del comité A.C.I. 304, el tamaño má ximo puede llegar a representar hasta el 40% del diámetro de la tuberia cuando los agregados tienen formas bien redondeadas, mientras que con agrega dos angulares debe restringirse a una tercera parte del diámetro. Sin embargo, para reducir el riesgo de obs trucciones en la tubería, en la práctica se tiende a limitar el tamaño máximo a una cuarta parte del diámetro. De esta manera, considerando que los diá metros más comunes en las tuberías comerciales están entre 100 y 150 mm, resulta que en el concreto de bombeo se utilizan agregados cuyo tamaño máxi mo fluctúa entre 19 mm (W) y 38,1 mm (1W'), con motivo de ésta ümitación" (11.11}. "Cuando se emplean bandas para transportar el concreto,las limitacionesson menos estrictas, pues se puede incrementar el tamaño máximo al reducir el ángulo de inclinación de la banda y evitar así que rueden las partículas de mayor tamaño. En este caso, el A.C.I.-304 reporta la posibilidad de transportar por banda concretos hechos con gravas hasta de 1O1,6 mm (4"} de tamaño máximo de agregado" (11.11}. Finalmente, la influencia del tamaño máximo del agregado en la resistencia del concreto se observa en
Diseño de mezclas de concreto
la figura 11.3.En esta gráfica, las curvas muestran que ·para diversos contenidos mínimos de cemento, la resistencia a la compresión es inversamente propor cional al tamaño máximo del agregado, y que en rangos de resistencia bajos, la medida del agregado es de menor importancia que en rangos de resistencia altos. Igualmente, se observa que los concretos con el menor tamaño deagregado, generalmente desarrollan las resistencias más altas. Figura 11.3 Influencia del tamaño máximo en la
resistencia (11.6)
4 r;,---.------.-------------.-
Tamaño máximo, pulg.
Estimación del contenido de aire Como es sabido, durante la operación de mezclado queda aire natunilmente atrapado dentro del concreto. Pero cuando se prevea que habrá condiciones de exposición severa, es conveniente incluir aire en el concreto. Bajo estas condiciones (ver Capítulo 5, Con tenidodeaire;y Capítulo 7, Congelamiento y deshielo}, los comités 211 y 318del A.C.l., indican las cantidades 231
aproximadas de aire atrapado que pueden ser espera das en concreto sin aire incluido, y los niveles recomen dados de aire intencionalmente incluido para diferen tes tamaños máximosde agregado, y para los diferentes niveles de exposición que se muestran en la tabla 11.5. Para la interpretación de estos niveles de exposi ción, el comité A.C.I.-211 contempla las siguientes de finiciones: "Exposición ligera.Cuando se desee la inclusión de aire por otros efectos benéficos que no sean la durabilidad, por ejemplo, para mejorar la cohesión o trabajabilidad, o para incrementar la resistencia del concreto con bajo factor de cemento, pueden emplear se contenidos de aire inferiores a los necesarios para la durabilidad. Esta exposición incluye servicio interior o exterior en climas en los que el concreto no estará expuesto a agentes de congelación o deshielo". "Exposición moderada. Implica servicio en cli mas donde es probable la congelación, pero en los que
el con.creto no estará expuesto continuamente a la humedad o al agua corriente durante largos períodos antes de la congelación, ni a agentes rl<>orr-.n,m•l·-' u otros productos químicos agresivos. Como ejemplos pueden señalarse: vigas exteriores, columnas, muros trabes o losas que no estén en contacto con el terren húmedo y que estén ubicadas de manera que no red han aplicaciones directas de sales descongelantes•.
que la cantidad es tan pequeña que más bien puede convertirse en un factor de seguridad, también peque ño, en favor del volumen unitario del concreto. En cuanto a los niveles recomendados de aire intencional mente incluido, es obvio que sí deben tomarse en cuenta.
"Exposición severa. El concreto expuesto a pro ductos químicos descongelantes u otros agentes agre sivos, o bien, cuando el concreto pueda resultar alta mente saturado por el contacto continuo con humedad o agua corriente antes de la congelación. Ejemplos de lo anterior son: pavimentos, pisos de puentes, guarni ciones, desagües, aceras, revestimiento de canales, tanques exteriores para agua o resurnideros".
Corno se recordará, el agua de mezclado cumple dos funciones principales en una mezcla de concreto: una es hidratar las partículas de cemento, y la otra, pro ducir la fluidez necesaria. De otra parte, en el capítulo 5 se expuso que la cantidad de agua de mezclado por volumen unitario de concreto, que se requiere para producir un asentamiento determinado, depende del requerimiento de agua del cemento y del requerimiento de agua del agregado, así como del contenido de aire.
Sin embargo, para efectos prácticos, se sugiere que si el concreto no va a tener aire intencionalmente incluido, no se tome en consideración la cantidad de aire naturalmente atrapado indicado por esta tabla, ya
Tabla 11.5 Cantidad aproximada de aire esperado en concreto sin aire incluido y niveles de aire incluido para diferentes tamaños máximos de agregado (a)
9.51
o
19.0 25.4 38.1 50.8 76.1 152.0
25
:Y4
1 lVz 2 3 6
3.0
4.5
7.5
2.0 1.5 1.0 0.5 0.3 0.2
3.5 3.0 2.5 2.0 1.5
6.0 6.0 5.5 5.0 4.5 4.0
l.O
(a) Adaptado del A.C.I.-211 y del A.C.I.-318 (11.2, 11.4).
232
TECNOLOG/A DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
Estimación del contenido de agua de mezclado
Tal como se mencionó en el citado capítulo, en el medio colombiano se han adelantado varias investiga ciones, que correlacionan el contenido de agua de mezclado con el asentamiento medido en el cono de Abrams, para diversas granulometrías, con distintos· tamaños máximos y adicionalmente para partículas de forma redondeada y textura lisa y para partículas de forma angular y textura rugosa. Los resultados de estas investigaciones han indica do que el comportamiento del valor del asentamiento en relación con el requerimiento de agua se ajusta a una familia de curvas en forma de "S", como las indi cadas en las figuras 5.8 y 5.9. Los valores correspon dientes en forma tabulada para estimar la cantidad de agua de mezclado por metro cúbico de concreto, se muestran en las tablas 11.6 y 11.7, para concreto sin aire incluido; y en las tablas 11.8 y 11.9, para concreto con aire incluido.
Tabla 11.6 Requerimiento aproximado de agua de mezclado para diferentes asentamientos y tamaños máximos de agregado, con partículas de forma redondeada y textura lisa, en concreto sin aire incluido (11.8)
o
50 75 100 125 150 175 200
1 2 3 4 5 6 7 8
Diseño de mezcfas de concreto
213 218 222 226 229 231 233 237 244
185 192 197 202 205 208 212 216 222
171
177
183 187 191 194 195 200 206
154 161 167 172
176
179
182 187 195
144 150 155 160 164 168 172 176 182
136 142 146 150 154 156 159 165 171
129 134 138 141 144 146 150 156 162
123 128 132 136 139 141 143 148 154 233
Tabla 11.7 Requerimiento aproximado de agua de mezclado para diferentes asentamientos y tamaños máximos d agregado, con partículas de forma angular y textura rugosa, en concreto sin aire Incluido (11.8) e 1
223 231 236 241 244 247 251 256 260
25
50 75 100 125 150
175
200
208 214 218 221 225 230 235 240
171
194 199 203 207 210 214 218 224
178 183 188 192 196 200 205 210
164 170 175
179 183 187 192 197
154 159 164 168 172 176 181 186
147 151 156 159 162 165 170 176
132 138 144 148 151 153 157 163 168
Tabla 1 1.8 Requerimiento aproximado de agua de mezclado para diferentes asentamientos y tamaños máximos de agregado, con partículas de forma redondeada y textura lisa, en concreto con aire incluido (11.8)
100 125 150 175 200 234
7 8
188 193 197 200 203 205 208 213 219
161 167 172 176 179 183 188 194 201
169
172
176 181 186
155 158 162 167 174
121 127 131 135
137
167
140 144 150 156
146 152
113 117 122 125 128 130 134 139 144
TECNOLOGIA DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
Tabla 1 1.9 Requerimiento aproximado de agua de mezclado para diferentes asentamientos y tamaños máximos de agregado, con partículas de forma angular y textura rugosa, en concreto con aire Incluido (11.8)
o
25 50 75 100 125 150 175 200
1
2 3
4 5 6
7
8
198 206 211 216 219 222 226 230 235
176 183 189 193 196 200 205 210 215
166 174 179 183 186 190 194 199 204
Determinación de la resistencia de diseño De acuerdo con las condiciones de las Normas Colombianas de Diseño y Construcción Sismo-Resistente (NSR-98) y con lo expuesto en capítulo 1O (criterios de evaluación para diseño de mezdaz), el concreto debe dieseñarse y producirse para asegurar una resistencia ala compresión promedio ( rcr ) lo suficientemente alta para minimizar la frecuencia de resultados de pruebas de la resistencia por debajo del valor de la resistencia a las compresión especificada del concreto ( f, ). La resistencia a la compresión promedio o resistencia del diseño de la mezcla es calculada de la siguiente expresión, tomada del capitulo 10:
152 158 164 169 172 176 180 185 190
{ ',
=
t
=
a
=
143 149 !55 159 163 167 171 177
182
132 138 144 149 152 156 161 166 171
130 136 142 146 150 153 157 162 168
122 128 134 138 141 144 148 153 158
Resistencia especificada delconcreto (kg/cm2). Constante que depende de la proporción de pruebas que puede caer por debajo del valor de f ',y el número de muestras usadas para hallar el valor de a; preferiblemente, al menos 30 muestras deben ser usadas (tabla 11.10). Valor preestimado de la desviación estándar en kg/cm 2•
Como es sabido, los requerimientos de la NSR-98 adaptados del A.C.l. - 318, son:
(11.3) Donde:
f' = Promedio requerido de resistencia o resistencia " de diseño de la mezcla (kg/cm2).
a) La probabilidad de obtener resultados de pruebas ex por debajo r,-35 kg/cm2 (500 p.s.i.) no debe ceder de 1 ende100. b) La probabilidad de que el promedio de tres pruebas consecutivas sea inferior a no debe exceder de 1 en 100. e
r
Diseno de mezclas de concreto
235
Por último, si no hay registros de pruebas de resistencia en donde se usaron materiales y condicio nes similares a aquellas que serán empleadas, la resistencia de diseño de la mezcla en kg/cm2 se debe determinar de acuerdo con la tabla 11.12.
Selección de la relación agua-cemento
rcr
----
40 50 60 68.27 70 80 90 95 95.45 98 99 99.73
0.52 0.67 0.84 1.00 1.04 1.28 1.65 1.96 2.00 2.33 2.58 3.00
en 10 en 10 1 en 6.3 1.5 en 10 1 en 10 1 en 20 1 en 40 1 en 44 l en 100 l en 200 1 en 741
(a) Adaptado del A.C.I.-214 (11.3)
De tal manera, que aplicando estas condiciones a las fórmulas planteadas, el código A.C.I.-318 estipula lo siguiente: "La resistencia promedio requerida f' en kg/cm 2 que se utiliza para diseñar una mezcla de on creto debe ser la mayor de las obtenidas con las siguientes ecuaciones, utilizando la desviación es tándar":
rcr=re- 35 + (2.33cr)
r
cr = {'e
(11.4)
+ (2.330" 1 'J..IJ - fj) =
r + (1.34cr) e
Tabla 11.12 Resistencia requerida de diseño cuando no
hay datos que permitan determinar la desviación estándar (a)
Menos de 210 kg/em 2 De 210 kg/cm 2 a 350 kg/cm2 Más de 350 kg/em 2
455
420
¡-.....
¡-.....!'-
385 350 "E
315
:::.
280 245
..Olu...
•e
.•
· ¡¡
r"\
"1'1'-
t--.:--- ¡-..... 1'-.
i"-¡-...,
1'1'--
1'-
2
;;
() 11.5
Para el caso colombiano, en una investigación desarrollada en la Facuitad de Ingeniería de la Pontificia
Figura 11.4 Correspondencia entre la resistencia a compresión y la relación agua-cemento para los cementos colombianos, portland tipo 1 en concretos sin aire incluido
15 registros pero menos de 30, la desviación estándar empleada en las fórmulas debe ser la desviación estándar calculada de los datos, multiplicada por el coeficiente de modificación indicado en la tabla 11.11.
desviación estándar cuando hay menos de 30 pruebas disponibles (a)
re+ 70 kg/cm 2 re + 85 kg/cm 2 re+ 100 kg/cm2
(a) adaptado del A.C.!.·318 y NSR • 98 (11.4. 11.9)
menos 30 pruebas). Sin embargo, si se tienen más de
Tabla 11.1 1 Coeficiente de modificación para la
Debido a que la resistencia del concreto se rige principalmente por la resistencia e interacción de sus fases constituyentes: pasta, agregado e interfases de adherencia pasta-agregado, es común que los diferen tes agregados y cementos produzcan resistencias dis tintas con la misma relación agua-cemento. Por esta razón, es importante conocer o desarrollar la corres pondencia entre la resistencia y la relación agua-ce mento, para cada grupo de materiales en particular y para diferentes edades (por ejemplo 3, 7, 14, 28, 56 y 90 días).
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175
- - -r-"¡-.. r-
F:rrar
Donde los valores están en kg/cm 2• Cuando la des viación estándar está por debajo de cerca de 35 kg/ cm 2 (500 p.s.i.), la ecuación (11.5) gobierna; pero para desviaciones estándar más altas, la ecuación (11.4) es la que determina el valor de
r,,
Pero, la resistencia de diseño de la mezcla hallada por medio de estas expresiones sólo puede ser emplea da cuando existen suficientes datos disponibles (al
Menos de 15 15 20 25 30 o más
Use la tabla (11.12) 1.16 1.08 1.03 1.00
105
TECNOLOG/A DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
t- '
!---¡..._ :-..
70
35
0.4
(a)adaptadodeiA.C.I.-318 y NSR-98(11.4.11.9)
-------------------------------------------------------·-------236
1---¡.-..
140
0.5
0.6
0.7
Relación agua-cemento
Diseño de mezclas de concreto
237
Universidad Javeriana, se obtuvieron los valores mos trados en las curvas de la figura 11.4 que se reprodu cen en las tabla 11.13. Allí se compararon los diferen tes cementos tipo1 colombianos, en concretos sin aire incluido (tabla 11.13) y con aire incluido (tabla 11.14), diseñados y producidos bajo las mismas condiciones, con los mismos materiales y curados a temperatura y humedad normales. Los límites superior e inferior de la mencionada gráfica de relación agua-cemento contra resistencia potencial desarrollada a los 28días de edad hablan por sí mismos y corroboran la importancia de disponer de este tipo de información. En el evento de que no se disponga de información previa, se pueden tomar los valores de estas tablas, que aunque aproximados, son relativamente seguros para concretos que contengan cemento portland tipo l.
· Tabla 11.14 Correspondencia entre la resistencia a la compresión a los 28 días de edad y la relación aJua cemento para los cementos colombianos, portland tipo 1, en concretos con aire incluido
Cálculo del contenido de cemento
175 210 245 280 315 350
0.65 0.61 0.55 0.51 0.46
0.59 0.54 0.50 0.44 0.41 0.37
Una vez que el contenido de agua de mezclado (Paso 4 de la tabla 11.2) y la relación agua-cemento (Paso 6 de la tabla 11.2) han sido determinados, el contenido decemento por metro cúbico de concreto es fácilmente establecido, al dividir el contenido de agua de mezclado entre la relación agua-
140 175 210 245 280 315 350
0.70 0.64 0.59 0.54 0.49
0.72 0.65 0.58 0.53 0.48 0.44 0.40
0.65 0.58 0.53 0.49 0.45 0.42 0.38
De otra parte, la relación agua-cemento no sólo determina los requisitos de resistencia, sino también factores pertinentes a la durabilidad y propiedades para el acabado del concreto, debido a que éste debe ser capaz de soportar aquellas exposiciones que pue dan despojarlo de su capacidad de servido, tales
238
A
C=Donde:
como: congelación y deshielo, humedecimiento y se Tabla 11.13 Correspondencia entre la resistencia a !a compresión a los 28 días de edad y la relación agua cemento para los cementos colombianos, portland tipo 1, en concretos sin aire incluido
han sido adaptadas del Código Colombiano de Cons trucciones Sismo-Resistentes y se encuentran en el ca pítulo 7.
cado, calentamiento y enfriamiento, agentes anti congelantes, resistencia a la abrasión y sustancias químicas agresivas, entre otras, que fueron estudiadas en el capítulo 7. En sabido que un concreto de resistencia razona ble y adecuadamente colocado, es durable bajo condi ciones ordinarias, pero cuando no es necesario que posea alta resistencia y las condiciones de exposición sean tales que la alta durabilidad sea vital, son éstas las que deben determinar la relación agua-cemento a usarse. Por otra parte, para condiciones severas de exposición, la relación aguacemento debe mantener se baja, aun cuando los requisitos de resistencia pue dan cumplirse con un valor más alto. Para ello deben consultarse las tablas 7.1 (Requisi tos de relación agua-cemento para concretos expues tos a condiciones de humedecimiento y secado), 7.2 (Requisitos de relación agua-
(A/C)
(11.6)
e Contenido de cemento, en kg/m3• A Requerimiento de agua de mezclado, en AjC= kg/m 3• Relación agua-cemento, por peso. Estimación de las proporciones de agregados Por!o general, la estimación de las proporciones de los agregados está basada en su tamaño máximo y gradación, debido a que la combinación granulométrica total de ambos agregados, finos y gruesos, es de considerable importancia en relación con las propieda des del concreto, tanto en estado fresco como en estado endurecido. En esta parte se discutirá la estima ción de las proporciones de los agregados por dos maneras distintas:la recomendación del método A.C.l.211 y una adaptación del método gráfico empleado por los ingleses. Pero antes de proseguir, se considera interesante observar que el agregado se puede encontrar bajo tres circunstancias diferentes, tal y como lo han definido Ramos, Perrero y Grases (11.16): a) Agregados controlados: Son aquellos agrega dos que tienen estrictamente garantizada su cali-
dad en todos los aspectos. Son producidos en plantas destinadas a ese fin específico, las cuales cuanto más tecnificadas sean, mayores ventajas presentan en cuanto a los controles necesarios para garantizar la granulometría y calidad indica das. Sin embargo, esta situación es relativamente poco frecuente en nuestro medio. b) Agregados conocidos pero no controlados: Son aquellos que provienen de una zona o lugar de explotación de la que habitualmente se extraen agregados, cuya inocuidad ya fue analizada en algunas ocasiones y probada en algunas otras, pero que la preparación y control a que son some tidos no permiten garantizar que su limpieza y granulometria sean adecuadas y se mantengan en el tiempo. Para que estos agregados posean la categoría de controlados, no basta con hacer un ensayo esporádico al material, que puede cumplir en ese momento o en cuanto a esa muestra sola mente. Ello requiere que las operaciones de limpie za y clasificación sean las adecuadas y estén controladas mediante ensayos con cuya frecuen cia se garantice la calidad del producto en todo momento. Esta situación es muy frecuente en nuestro medio. e) Agregados nuevos:Son agregados de los cuales se desconocen sus propiedades y características. De manera que, dependiendo de cada una de estas tres situaciones y aun solventando el problema de la limpieza, es opinión de este autor que la selección de las proporciones de los agregados se cimiente en si hay o no granulometrías que cumplan con los límites de las normas establecidas (lcontec174), para em plear uno u otro de los procedimientos aquí propuestos.
Método A.C.I. 211.1 Este método tiene su fundamento en la expresión
bfb.que fue introducida por Richart y Talbot entre Diseño de mezclas de concreto
239
1921 y 1923 en los Estados Unidos de América. En esta expresión: b
=
b
=
Volumen absoluto o sólido del agregado grue so, por unidad de volumen de concreto. Volumen absoluto sólido delcompactada agregado grue so, por unidad deovolumen de agregado grueso.
Tabla 11.15 Volumen de agregado grueso por volumen unitario de concreto (11.2)
Volumen de agregado grueso, seco y compadado con varilla (a), por volumen de concreto para diferentes
Luego,
¡jjódulos de finura .de la arena (b)
Donde:
(11.9)
Masa unitaria compacta
Esta relación y su significado se comprenden fácil mente haciendo la siguiente consideración: (11.7)
Donde: V
Volumen seco y compactado del agregado grueso por volumen unitario de concreto (Vo lumen de las partículas de agregado más el volumen de los espacios entre partícula y partícula}.
b
Volumen absoluto o sólido de!agregado grue so, por unidad de volumen de concreto.
P
Porcentaje de vacíos en el conjunto (espacios entre partícula y partícula). Pero, el volumen bo puede ser expresado como: (11.8)
Luego:
P=1-bo
Reemplazando este valor en la ecuación (11.7) se obtiene: V=b+(l-b)V 240
..
i
delagregado
unitaria seca y compactada con varilla del agregado grueso y de su densidad aparente seca, puesto que:
por unidad de volumen de concreto.
V= b + (PV)
.
b=b V
b=------Densidad aparente seca
(11.10)
0
De acuerdo con A. M. Neville (11.15), el método A.C.l.-211 aprovecha el hecho de que "la relación óptima del volumen seco y compactado de agregado grueso al volumen total de concreto, depende única mente del tamaño máximo del agregado y de la gra nulometría del agregado fino. En este caso, la forma de las partículas del agregado grueso no entra directa mente en la relación, debido a que, por ejemplo, el agregado triturado tiene un volumen aparente mayor para un mismo peso (es decir, masa unitaria menor) que un agregado bien redondeado. Por lo tanto, el factor deforma es automáticamente tomado en cuenta en la determinación de la masa unitaria". La tabla 11.15 es ampliamente conocida por los usuarios del método A.C.I.-211, y en ella se dan los valores de b/b en función del tamaño máximo del agregado gruesy del módulo de finura de la arena.
En este método, el peso seco del agregado grueso requerido por metro cúbico de concreto, es simple mente igual al valor tomado de la tabla 11.15 multipli· cado por su respectivo peso unitario compacto en kg/ m 3• De modo que, después de obtener el peso seco del agregado grueso, los pesos de todos los demás ingre-
>
·
mm
pulg .•
2.40
2.60
2.80
9.51 12.7 19.0 25.4 38.1 50.8
)¡á"
0.50 0.59 0.66 0.71 0.75 0.78
0.48 0.57 0.64 0.69 0.73 0.76
0.46 0.55 0.62 0.67 0.71 0.74
0.44 0.53 0.60 0.65 0.69 0.72
0.82 0.87
0.80 0.85
0.78 0.83
0.76 0.81
76.1 152.0
Y.! 14 1 ]Y.!
2 3
6
3.00
(a) Los volúmenes están basados en agregados secos y compactos con varilla, como se describe en la nonna A.S.T.M.C-29. Estos volúmenes se han seleccionado de relaciones empíricas para producir un concreto con un grado de manejabílídad apropiado para la construcción reforzada usual. Para obtener un concreto con menos trabajabilidad como el quese utiliza en la construcción de pavimentos de concreto,éstos valores se pueden aumentar en un 10%. Para concreto con más trabajabilidad como el que algunas veces se requiere cuando la colocación se efectúa por bombeo, estos valores se pueden reducir hasta en un 10%. (b) El módulo de finura de la arena es igual a la suma de las relaciones (acumulativas) retenidas en tamices de malla con aberturas de O,149, 0,297, 0,595, 1,19, 2,38 y 4,76 mm.
dientes han sido estimados, excepto aquel del agrega· do fino. Su cantidad es determinada por diferencia, si el peso unitario del concreto se estima de acuerdo con la ecuación (8.3) del capítulo 8. Pero el método más preciso y preferido es el "Método del volumen absoluto", el cual requiere del conocimiento de los volúmenes absolutos desplaza dos por los ingredientes. Es decir, que los volúmenes absolutos de cemento, agua, contenido de aire, y agregado grueso son sustraídos del volumen total, y que la diferencia hallada será el volumen absoluto del agregado fino. El volumen absoluto ocupado en el concreto por cada ingrediente es• igual a su peso dividido por su respectivo peso específico, como se indica en la siguiente expresión: Vi= Pi/Gi
TECNOLOGIA DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
Diseño de mezdas de concreto
(11.11}
Donde: Vi Pi Gi
Volumen absoluto del ingrediente, en lfm 3• Peso seco del ingrediente, en kg/m3• Peso específico del ingrediente (para los agre gados debe usarse el peso específico aparen te seco), en g/cm3•
Finalmente, el peso seco del agregado fino puede entonces ser obtenido al multiplicar su volumen abso luto por su respectivo peso específico aparente. Este proceso es resumido en la tabla 11.16. Este método es aplicable a mezclas cuyos asenta mientos sean al menos de 3 cm. Para mezclas de consistencia más rígida se deben hacer algunas varia ciones. En primer lugar, la trabajabilidad se mide por otros métodos como el aparato Vebe o la mesa de im241
Tabla 11.16 Peso seco y volumen absoluto de los ingredientes por metro cúbico de concreto
Cemento
p e p
G
V
a
l.O
Va
e
e
Agua Cont. de aire Agregado grueso
p
ag
Gag
Vag
Agregado fino
P,r
G,r
v.r
TOTAL
p u
A
1.000
NOTA: En esta tabla: P,. P,,. P,1
= Peso seco de cemento, agregado grueso y agregado fino respectivamente.
= Peso del agua. = Peso especifico del cemento. Peso especifico aparente del agregado grueso y del agregado fino respectivamente. V,, V,, V,,. V,1 = Volumenabsolutodecemento,agua,agregadogrue so y agregado fino respectivamente. A = Volumen absoluto del contenido de aire (Porcentaje de aire dividido por 100 y multiplicado por 1.000, en
=
1/m3).
Peso unitario del concreto fresco por metro cúbico.
pactos que fueron descritos en el capítulo 5; y en segundo lugar, el contenido de agregado grueso usado es mucho más alto que el de mezclas de mayor consistencia. Por último, este método es aplicado cuando los agregados están bien gradados y en concordancia con la norma NTC ·174 (ASTM C-33), la cual provee los límites granulométricos para agregado grueso y fino deducidos experimentalmente e indiCados en las ta· bias 4.17 y 4.20, del capítulo 4. De tal manera que este método sólo debe ser empleado cuando los agregados hayan sido clasificados como "Agregados controla dos", de acuerdo con las definiciones dadas. 242
· Pero, de acuerdo con Mindess, S., y Young, J.F (11.13), "si un agregado no está conforme con lo límites de granulometría de la norma ASTM C-33, eilo no necesariamente significa que no se puede hacer concreto con este agregado. Lo que ello indica es que ese concreto puede requerir más pasta y es más susceptible de segregarse durante su manejo y colo cación". Por esta razón es que se considera interesante complementar la excelente metodología del método A.C.I.-211, con el procedimiento gráfico empleado por los ingleses, con el objeto de contemplar aquellos agregados cuyas granulometrías no cumplen con los límites especificados, pero que son susceptibles de optimizarse; es decir, aquellos definidos como "Agre gados conocidos pero no controlados".
Método gráfico Como ya se indicó, el método anterior sólo debe usarse cuando los agregados finos y gruesos estén bien gradados (agregados controlados), pues de lo contrario se corre el riesgo de obtener relaciones arena-agregado grueso inconvenientes. Por este motivo es preferible hacer uso de una especificación que cubra todo el agregado del concre to, desde las partículas más finas de la arena hasta las partículas más grandes del agregado grueso, la cual permita encontrar la mejor proporción entre la arena y el agregado grueso de los cuales se dispone. En Colombia es frecuente que ni la arena ni el agregado grueso cumplan con las especificaciones granulomé tricas de la norma NTC ·174 (Agregados no contro lados o desconocidos). Un método que se usó extensamente para determi· nar el porcentaje óptimo de agregados, consiste en buscar la combinación de los agregados disponibles que produzca la máxima densidad. Este método fue propuesto por Fuller y Thompson en el año de 1907,
TECNOLOG/A DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
donde el contenido de vacíos es mínimo, y consiste en combinar los agregados de tal forma, que la granulometría del conjunto se adapte lo más cercanamente posible a la "curva ideal" definida por la ecuación (4.5) delcapítulo4, cuyos valores numéricos correspondientes a las diferentes curvas de cada tama· ño máximo se presentaron en la tabla 4.12 del mismo capítulo. En el capítulo 4 también fue mencionado en las teorías sobre granulometrías continuas ideales, que Fuller y Thompson se basaron en que al tener una •granulometría ideal" se obtenía la máxima densidad y por lo tanto la mayor resistencia. Sin embargo, en la práctica, la curva de la ecuación (4.5) da lugar a mezclas de agregados con poca cantidad de material fino (especialmente partículas que pasan los tamices No. 50 y No. 100) para proveer buena trabajabilidad. De otra parte, al ser mínimo el contenido de vacíos (o muy alta la "densidad de empaquetado"), la "traba· zón" entre particulas es bastante alta, por lo cual la mezcla de concreto es difícil de vibrar y compactar, especialmente en concretos pobres y con agregados de textura rugosa. En mezclas ricas, el inconveniente no es tanto por la presencia de mayor cantidad de pas ta de cemento que lubrica los agregados y da buena manejabilidad. Desde la publicación de la teoría de Fuller y Thompson, son muchas las curvas ideales de grada ción que se han desarrollado hasta nuestros días, algunas de las cuales se estudiaron en el capítulo 4 y se expresan mediante ecuaciones similares a la de Fuller y Thompson. Pero independientemente de estas teorías, lo que interesa es obtener una granulometría tal que la manejabilidad de la mezcla sea adecuada con la menor cantidad de pasta posible. Una carencia de agregados finos conducirá a mezclas ásperas, segregables y difíciles de trabajar, en tanto que un exceso de finos exigirá un alto contenido de pasta de cemento, dando
Diseño de mezclas de concreto
origen a problemas de retracción, y, obviamente, a mezclas máscostosase incluso de resistencias menores. Experimentalmente se han encontrado curvas lí· mites superiores e inferiores, correspondientes a granulometrías continuas apropiadas para distintos tamaños máximos, según la ecuación (4.9) del capítu· lo 4, que se reproduce a continuación. P = 100 (d/D)q
(11.12)
Tal como se mencionó en este capítulo, algunas de estas curvas basadas en experiencia teórica y práctica (en el medio colombiano), han arrojado como valor más práctico de la potencia q el valor de 0.45, en un rango incluido entre q = 0.35 (límite fino) y q = 0.55 (límite grueso) para valoresaceptablesde trabajabilidad (sin segregación) y buena resistencia a la compresión con el más bajo contenido de cemento. Estos límites de gradación, que son similares a los de la norma lcontec· 174, se reproducen en la tabla 11.17 y están basados en la citada ecuación, para agregados de varios tama· ños máximos. Por tanto, los agregados deben propor· donarse de manera tal que la granulometría resultante quede comprendida dentro de los límites indicados por estas curvas. En este punto es importante recordar que las "granulometrías ideales" son imposibles de reproducir en la práctica, y que excelente concreto puede ser hecho con un amplio rango de gradaciones del agrega· do, aunque granulometrías por fuera de estos límites pueden ser no económicas y difíciles de manejar respecto de la segregación, acabado, etc. Sin embargo, es deseable proporcionar los mate riales disponibles de tal manera que la gradación de los materiales combinados sea lo más similar posible a uno de estos tipos de curvas ideales, o como nuestra experiencia nos lo ha indicado, los agregados combi· nados estén en conformidad con los límites de granulometría propuestos en la tabla 11.17. 243
Para ello basta con encontrar sobre el eje de !as abscisas, una línea paralela a las ordenadas corres pondiente a la mezcla deseada y la intersección de esta línea con las líneas indinadas indica el porcen taje que pasa el respectivo tamiz.
Tabla 11.17 Límites de gradación recomendados para granulometrías continuas en porcentaje que pasa para
distintos tamaños máximos de agregado (a)
figura 11.5 Procedimiento gráfico para encontrar las proporciones en que deben mezclarse los agregados Porcentaje de agregado fino referido al agregado total
2
m 25.4 19.1 12.7 9.51 4.76 2.38 1.19 0.595 0.297 0.149
1
:y. \-2 'la 4
8 16 30 50 100
80-87 68-79 55-68 47-62 37-53 3248 22-38 15-30 10-23 7-18 5-14 3-11
100 85-90 68-78 58-71 46-61 40-56 27-44 19-34 13-27 9-21 6-16 4-13
100100 90 80 70 60 50 40 30 20
100 80-87 68-79 55-68 47-62 3248. 22-38 15-30 10-23 7-18 5-14
100 85-90 68-78 58-71 40-56 2744 19-34 13-27 9-21 6-16
90 +- -+ 100 80-87 68-79 47-62 3248 22-38 15-30 10-23 7-18
100 85-90 58-71 40-56 2744 19-34 13-27 9-21
a. Se dibuja una cuadrícula de 1O x 1O, tal como se ve en la figura 11.5.
f. En el eje inferior de las abscisas se leerá entonces,
244
-e •
'
e. En las ordenadas del lado derecho se repite lo mismo con el agregado grueso.
d. En las ordenadas del lado izquierdo se marcan los porcentajes que pasan correspondientes al agre-
+- -+ --+-490
-+--+- -+- --+--+--+--+ 70
100 68-79 47-62 3248 22-38 15-30 10-23
Para ello, el procedimiento más exacto para calcu lar la proporción de los agregados en la mezcla es el método gráfico, el cual provee las cantidades de cada tamaño de partícula de agregado grueso y fino, referi do a una curva de gradación recomendada. Este pro ceso se detalla a continuación:
c. En la abscisa superior se numeran porcentajes iguales, de 100 a O y de derecha a izquierda. Allí se leerá el porcentaje de agregado· fino referido al agregado total.
o 100
ao 1---+--+--J-+--+---+-+---+--+---l so
(a) El porcentaje máximo permitido de material que pasa la malla No. 200 para concreto sujeto a desgaste por abrasión debe ser 3% para arena natural y 5% para arena manufacturada. En otros casos, puede ser 5% y 7% respectivamente.
b. A lo largo de las ordenadas y en orden ascendente se numeran porcentajes iguales de O a 1OO.
10
gado fino, anotando e!número o abertura del tamiz correspondiente.
el porcentaje de agregado grueso referido al agre gado total.
g. Los puntos correspondientes a tamices de igual número de abertura en las dos granulometrías se unen entre sí por una línea recta. Estas líneas repre sentan los porcentajes posibles de la mezcla agregados que pueden pasar por cada uno de tamices. El cuadro así elaborado permite gráficamente la granulometría para cualquier mez: da de un agregado fino y un agregado grueso.
tol--+--+--l-+--+--+-+--+--+--l10
o
o
10 20 30 40 50 60
Porcentaje de agregado grueso total
o
70 80 90 100 referido al agregado
Sobre las líneas trazadas, según el párrafo anterior
y para el tamaño máximo correspondiente, se
mar carán los límites porcentuales (máximo y mínimo) que para cada tamiz establece la tabla 11.17. La escala de lectura esla misma que la de las ordenadas. Las franjas aisladas, definidas por los límites mar cados anteriormente, deben comprender la línea ver tical paralela a las ordenadas que indique el "por centaje de agregado referido al agregado total" (Relación arena-agregado total), para que la granu lometría de esta mezcla esté comprendida dentro de los límites especificados en la tabla 11.17.
j. Hechos los pasos anteriores, los "porcentajes que pasan", de la granulometría resultante, pueden leerse directamente en las ordenadas. Para ello, debe recordarse que la intersección de la línea vertical paralela a las ordenadas con las líneas indinadas, indica el porcentaje que pasa por el respectivo tamiz. Este procedimiento es aplicable a más de dos agregados. Con el fin de comprender más fácilmente este procedimiento, supónganse las granulometrías de agregado grueso y agregado fino dadas en la tabla 11.18. Refiriéndose a la figura 11.6, el porcentaje que pasa es marcado a lo largo de los cuatro lados de una cuadrícula de 1O por 1O. Para cada tamaño de partícula o tamiz, el porcentaje que pasa es marcado en las ordenadas de la izquierda representando el agregado fino, y similarmente, en las ordenadas de la derecha el agregado grueso. Los puntos correspondientes a igual tamiz son unidos por una línea recta. Sobre estas líneas deben ser marcados los límites fino y grueso dados en la tabla 11.17{para un tamaño máximo de 25,4 mm), de modo que, a su vez, estos puntos son unidos por las líneas punteadas, como se muestra en la figura 11.6. Ahora, refiriéndose a la escala horizontal en la parte superior, el efecto de cualquier porcentaje parti cular de agregado fino en la mezcla de los dos materia les puede ser examinado, y la granulometría de ese material combinado está dada por la correspondiente línea vertical que cruza los diversos tamices que se encuentran dentro de los límites. En este caso, entre 54% de agregado fino combina do con 46% de agregado grueso (límite fino) y 40% de agregado fino combinado con 60% de agregado grue so (límite grueso). La primera combinación (54%-46%} es para concreto más trabajable (por ejemplo para bombeo o tubo-embudo Tremie), y la segunda combi nación (40%- 60%) es para concreto menos trabajable (por ejemplo para la construcción de pavimentos). 245
Figura 11.6 Ejemplo de granulometría combinada (Método gráfico)
Tabla 11.18 Ejemplo de combinación de agregados para obtener una granulometría tipo en porcentaje que pasa
Porcentaje de agregado fino referido al agregado total 54
lOO
25.4 12.7 9.51
.lJa"
00
90
100.0
:Ya
2.38 1.19 0.595 0.297 0.149
68-78 58-71
No. 8 No. 16 No. 30 No. 50 No.100
70
"o' "O
50
N8
'f.
Pero, la granulometría del agregado combinado
más de dos agregados. Por ejemplo, en algunos casos
donde q = 0.45 en la ecuación (4.10, capítulo 4) está 47% de agregado fino con el 53% de agregado grueso, la cual está indicada en la tabla 11.18.
gado grueso entre ellas mismas o de igual modo al gunas fuentes de agregados finos, para después enton ces combinar la gradación combinada del agregado grueso con la gradación combinada del agregado fino.
"' <"'
N30
"-...._
40 NSO
30
f-.-
10
10
20
o
N
"' ""
-------
-
W'
60
1
10
20
30
o V
<;,
\2''
·
50
o
"O
O>
:v,
""' 'f
40
<"'
30
1
20 N4
R 1---1-----
i--r-¡--\1
o
80 70
¡-.._ f'--
100 90
1
Í'
t--- ¡..
1"
1
"' """ 1"" 1"-1
o
Tabla 11.19 Límites de granulometría propuestos para agregado grueso (11.17)
30
1
r--. ""- "'
20 NlOO
1 40
1
N16
ro
Este método de combinación tiene la ventaja adi
47
50
N----f-1--
60 o e
60
"" "
80
27-44 19-34 13-27 9-21 6-16
72.0 51.0 39.0 28.0 15.0
70
r-----1------I..L
100 \-2
80
40
50 \ 60 46
70
80
N8 N16
90
1
00
o
53
Porcentaje de agregado grueso referido al agregado total
38.1 25.4 19.0 12.7 9.51 4.76 246
Hí
1 3J. \2 :Ya No. 4
Para estos casos deben ser consultados los límites granulométricos propuestos, para agregados gruesos de varios tamaños máximos (tabla 11.19), y sus apro piados límites de gradación para agregado fino (tabla 11.20). Estas tablas están basadas en los valores de la tabla 11.17.
100 68-78 48-64 25-47 13-36
73-81 41-59 22-45
100 57-71 32-53
100 59-73
100
Finalmente, es importante recordar que las propor ciones en las cuales los agregados finos y gruesos
0-14
0-16
0-17
0-18
0-21
deben ser combinadas están dadas por peso, debido a
lOO
TECNOLOGIA DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
Díseño de mezclas de concreto
que sus granulometrías, en porcentaje que pasa, están basadas en pesos retenidos. Por ello, el volumen abso luto y el peso seco de los agregados, por metro cúbico de concreto, pueden ser determinados de la siguiente manera: V,= 1.000- (V,+ V,+ A)
(11.13)
Donde: 247
Tabla 11.20 Límites de granulometría propuestos para agregado fino (11.17)
Jls
9.51 4.76 2.38 1.19
0.595 0.297 0.149
No. 4 No. 8 No. 16 No.30 No. 50 No. 100
100 82-100 57-96 39-76 26-59 18-45 13-35
100 85-100 58-93 41-72 28-57 20-44 13-38
100 88-100 60-89 41-70 28-55 19-42 14-33
100 91-100 63-87 42-68 30-52 21-42 14-32
Ajuste por humedad en les agregados
100 93-100 65-84 44-65 31-51 21-41 14-31
a)
El porcentaje máximo permitido de material que pasa la malla No. 200 para concreto sujeto a desgaste por abrasión debe ser 3% para arena natural y 5% para arena manufacturada. En otros casos, puede ser 5% y 7% respectivamente.
V
= =
V
v' l
Volumen absoluto de los agregados, en !fm 3 Volumen absoluto del cemento, en lfm3 Volumen absoluto del agua, en lfm 3 Volumen absoluto del contenido de aire, en l/m3
Pr =VrG a
n
=
m
=
Proporción de agregado fino en la mezcla de agregados expresada en tanto por uno. Proporción de agregado grueso en la mezcla de agregados expresada en tanto por uno.
(11.14)
Pag =Prm
Donde:
P al= Pn r
P, = Peso seco de los agregados, en kg/m3
V, = Volumen absoluto de los agregados, en lfm3 Ga = Peso específico aparente de la mezcla de los dos agregados, calculadosegún la ecuación (11.15).
Gag' Gar
dos grueso y fino respectivamente, en g/ cm3•
Bajo estas consideraciones, si el agua de mezclado es absorbida por las partículas del agregado, la rela ción agua-cemento es rebajada y la manejabilidad del concreto reducida. Pero, si las particulas del agregado
l. Seco al horno (S): Toda la humedad del agrega do removida por secado en horno a 105"C de tempe ratura hasta obtener un peso constante. Todos los poros están vados.
figura JI.7 Estados de humedad de los agregados (11.13)
(11.16) (11.17)
P.9 , P1. = Peso seco de los agregados grueso y
fino, respectivamente, en kg/m3•
V ag = P ag jGag
Vag Va{ 1
Seco al horno (S)
Seco al aire (SA)
(11.18)
Capacidad de
(11.19)
Absorción
Donde: = Peso específico aparente de los agrega
De tal manera que los agregados almacenados en patio pueden tener un contenido de humedad variable que impide su dosificación por peso seco.
Para calcular la cantidad de agua que los agrega dos pueden sustraer o adicionar a la pasta de cemento de una mezcla determinada, se han definido cuatro estados de humedad de los agregados que permiten estudiar la influencia de los poros internos de las partículas del agregado, su permeabilidad y absorción. Estos se muestran en la figura 11.7 y se definen a continuación.
Donde:
(11.15)
Donde:
Debido a que los agregados pétreos presentan cierta porosidad (poros que están conectados a la su perficie de las partículas), el agua de mezclado puede ser absorbida dentro del cuerpo de las partículas. Por otra parte, la superficie de las partículas también puede retener agua formando una película de humedad.
presentan una película de agua sobre su superficie, el contenido de agua de mezclado es incrementado, lo cual conduce a una alta relación agua-cemento y a una alta trabajabilidad, reduciendo la resistencia.
1-----=-A.bsorción Volumen absoluto de los agregados grue so y fino, respectivamente, en lfm3•
Húmedo
Saturado y superficialmente seco (SSS)
Efectiva
(HS)
Humedad Superficial
248
TECNOLOG/A DEL CONCRITO Y DEL MORTERO
Diseño de mezclas de concreto
249
2. Seco al aire (SA): Toda la humedad removida de la superficie, pero los poros internos parcialmente saturados.
3.
Saturado y superficialmente seco(SSS): Todos los poros llenos de agua,
pero sin película de humedad sobre la superficie de las partículas. 4. Húmedo (HS): Todos los poros completamente llenos de agua y adicionalmente con una película de agua sobre la superficie de las partículas.
De estos cuatro estados, sólo dos, el estado S y el SSS, corresponden a contenidos específicos de hume dad. El primero, por tener una humedad igual a cero; y el segundo, por tener una humedad equivalente a tener todos los poros saturables del agregado llenos de agua. Ambos estados pueden ser usados como esta dos de referencia para calcular el contenido de hume dad. En la figura 11.7 también se han indicado tres términos: capacidad de absorción, absorción efectiva y humedad superficial. Tamando el estado SSS como estado de referencia, estos términos se han definido como sigue: La capacidad de absorción (CA o absorción) representa la máxima cantidad de agua que el agrega do puede absorber en sus poros saturables. Esta es calculada de la diferencia que hay entre el estado SSS y el estado S, expresada como un porcentaje del peso en estado S. CA[(P,,- P)/P,J 100
(11.20)
Donde: p : estado
"'
p
'
250
Peso de una muestra de agregado en SSS.
Peso de una muestra de agregado en estado S.
La absorción efectiva ( AE) representa la canti dad de agua requerida para llevar el agregado del estado SA al estado SSS. Esta se calcula del la diferencia que hay entre el estado SSS y el estado SA expresada como un porcentaje del peso en estadd SSS, como sigue: · AE[(P,,- P,.)/P,,J 100
(11.21)
Donde: p p
Peso de una muestra de agregado en estado
sss.
"'
Peso de una muestra de agregado en estado S A.
sa
presentan algún grado de saturación que depende de las condiciones de almacenamiento y del estado del tiempo, necesariamente hay que determinar ese grado de humedad en el campo y hacer las correcciones per tinentes para dosificar correctamente los agregados. La forma más exacta de determinar la humedad
de los agregados "in situ", es pesar una muestra inalterada y someterla posteriormente a un secado al horno hasta llevarla a la condición S. De tal forma que el contenido de humedad del agregado (H) es calculado por la diferencia en peso que hay, entre el peso del agregado con humedad natural en patio de almacenamiento y el peso del agregado en estado S, de la siguiente manera:
La humedad superficial (HS o humedad libre), representa el agua en exceso (que compone la película de humedad sobre la superficie de las partículas) respecto al estado SSS. Esta se expresa como un porcentaje del estado SSS de la siguiente manera:
H= [(P.-P,)/P,I100
(11.23)
Donde:
P,
Peso de una muestra de agregado en condi ciones de patio. Peso de una muestra de agregado en estado S.
(11.22)
Donde: p
"'
Peso de una muestra de agregado en estado
sss.
Peso de una muestra de agregado en estado HS.
La capacidad de absorción es utilizada para cono cer la porosidad de las partículas del agregado Y su efecto en el diseño de mezclas. La absorción efectiva es empleada para calcular el peso del agua absorbida por el agregado en la mezcla. La humedad superficial o libre es utilizada para calcular la cantidad de agua que debe ser sustraída del agua de mezclado en el momen to de la dosificación. Puesto que el agua de absorción de los agregados no hace parte del agua de mezclado y los agregados
Una vez conocido el contenido de humedad de los agregados, bien sea por este método u otros más rápidos como un medidor de humedad (Speedy) o algunos métodos eléctricos, se procede a hacer la corrección de peso seco a peso húmedo. De manera tal, que la cantidad real de cada agregado que debe ser pesada, será igual a su peso seco incrementado en el porcentaje de agua que contenga, incluyendo el agua absorbida y el agua sobre la superficie de sus partícu las. Es decir, que el "peso húmedo" de cada agregado en el momento de su dosificación será igual a:
Pn = P, (1 + H/100) Donde: P, P J-I
TECNOLOGlA DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
(11.24)
Peso húmedo del agregado. Peso del agregado en estado S. Porcentaje de humedad del agregado.
Diseño de mezclas de concreto
En cuanto a las correcciones por humedad y absor ción de los agregados, para determinar el faltante o so brante de agua de mezclado respecto de la condición de saturado y superficialmente seco, se tiene la siguien te expresión: A, =-P,(H:.. CA)/100
(11.25)
Donde: A P
H
CA
Agua en exceso o defecto respecto de la condición SSS. Peso seco del agregado. Humedad del agregado. Capacidad de absorción del agregado. La razón de anteponer un signo negativo a la
fórmula indica que cuando la humedad es mayor que la capacidad de absorción, el agregado tiene humedad libre y está aportando agua adicional a la mezcla, por lo cual ésta debe ser sustraída del agua de mezclado. En este caso, el valor de A tiene signo negativo. En caso contrario, es decir, cua do la capacidad de absor ción es mayor que la humedad, el agregado requiere de agua adicional para terminar de saturarse y llegar a la condición de saturado y superficialmente seco, por lo cual esta debe ser sumada al agua de mezclado, en cuyo caso el valor de A tiene signo positivo. Finalmen te, es importante nota?que si la humedad es igual a la capacidad de absorción (estado SSS) no hay ajustes que hacer. Ajustes por mezclas de prueba Habiendo estimado las proporciones de todos los ingredientes, el último paso es preparar una mezcla de prueba usando estas cantidades. Para hacer los ajus tes pertinentes, el Comité A.C.l.-211 recomienda lo siguiente: "Se deben verificar las proporciones calculadas de la mezcla por medio de mezclas de prueba preparadas
251
y probadas de acuerdo con la norma ASTM C-192
(Fabricación y curado de muestras de concreto para pruebas a presión y a compresión en el laboratorio), o con mezclas de campo de tamaño completo. Sólo de be utilizarse el agua suficiente para producir el asen tamiento requerido sin considerar la cantidad supues ta en las proporciones de prueba. Se debe verificar el peso unitario y el rendimiento del concreto (ASTM C138) así como el contenido de aire (ASTM C-138, C173 o C-231). También debe observarse cuidadosa mente que el concreto posea la trabajabilidad y las pro piedades de acabado adecuadas y que esté libre de segregación. Se deberán hacer los ajustes pertinentes con las proporciones de las mezclas subsecuentes, si guiendo el procedimiento indicado a continuación": - "Se estima de nuevo la cantidad de agua de mez clado n esaria 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 asen tamiento de la mezcla de prueba no fue el correcto, se aumenta o se disminuye la cantidad reestimada de agua en 2 kg por cada centímetro de aumento o disminución del asentamiento requerido".
-
"Si no seobtuvo el contenido deseado de aire (para concreto con aire incluido), se estima nuevamente el contenido de aditivo requerido para el contenido adecuado de aire y se reduce o aumenta el conte nido de agua de mezclado indicado anteriormente en 3 kg/m3 por cada 1% de contenido de aire que deba aumentarse o reducirse de la mezcla de prueba previa".
-
Ejemplo de aplicación Para ilustrar la aplicación del procedimiento de diseño anteriormente expuesto, se utilizará el siguiente ejemplo: Se desea diseñar una mezcla de concreto, para un muro de concreto reforzado, que servirá para la con tención de tierra de la banca de una vía.El muro estará medianamente reforzado y no habrá condicionesseve ras de exposición que comprometan la durabilidad ni la apariencia de la estructura. La especificación es tructural requiere de un fe= 280 kg/cm2 (4.000 p.s.i.).
252
l. ENSAYOS SOBRE EL CEMENTO PURO Peso específico (densidad) Superficie específica (finura)
LECHATEUER BLAINE
3.10 g/cm3 3.843 cm 2/g
2. ENSAYOS SOBRE LA PASTA Agua para consistencia normal Fraguado inicial Fraguado final
VICAT VICAT VlCAT
24.3% 2H45' 3H30'
3. ENSAYOS SOBRE EL MORTERO Relación agua
A/C MESA DE FLUJO
53% 111%
min2.800
min45' maxBH
Los materiales a utilizar tienen lassiguientes carac terísticas: l. Cemento portland tipo 1, cuyas características se indican en la tabla 11.21. 2. Agua de reconocida calidad, según las caracterís ticas químicas, físicas y mecánicas exigidas por las tablas 3.1 y 3.2 del capítulo 3.
1 1
108 112 157 163 241
110
min80
160
min 150
247
244
min 240
3. Agregado grueso: cumple con la norma lcontec-
3
174 y su análisis granulométrico se muestra en la tabla 11.22. Masa unitaria suelta 1.540 kgfm3 Masa unitaria compacta 1.750 kgfm3
3
28
g/cm 3
Densidad aparente seca 2.44 - Absorción 2.5% h
2 2
3 3
7 7 28
- "Si la base para la dosificación es el peso estimado por metro cúbicodeconcretofresco,la reestimación de ese peso se obtiene reduciéndole o aumentán dole el porcentaje determinado por anticipado de aumento o disminución del contenido de aire de la mezcla, ajustada respecto a la primera mezcla de prueba".
Tabla 11.21 Análisis físicos y mecánicos del cemento portland hidráulico Norma lcontec-121
"Se calculan los nuevos pesos de la mezcla partien do del paso 8, modificando el volumen de agrega do grueso, si es necesario, para obtener una trabajabilidad adecuada". ·
4. Agregado fino: Cumple con la norma lcontec-174 y su análisis granulométrico se muestra en la tabla 11.23.
- Humedad natural
4.0 %
- Masa unitaria suelta - Masa unitaria compacta - Densidad aparente
- Forma
Redondeada (grava de río)
Absorción - Contenido de arcilla
TECNOLOGIA DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
1.460 kg/m3 1.590 kgfm3 2.51 gfcm 3 1.3%
1.4%
- Contenido de materia orgánica #2 - Humedad natural
8%
- Forma
Redondeada (de río)
5. Aditivos: no se utilizarán.
Adicionalmente, se requiere el diseño de mezcla para una planta que en condiciones y materiales simi·
Diseño de mezclas de concreto
253
50.8 38.1 25.4 19.0 12.7 9.51 4.76 2.38 1.19
Hí 1 Jj,¡
1-í 3/a
-
No.4 No. 8 No. 16
o
o
150 850 1.000 1.500 500 800
FONDO
200
TOTAL Tf (g)
5.000
100 95-100 65-85 35-70 25-50 10-30 0-5
o
3
3
17 20 30 10 16
20 40 70 80 96
4
100
TOTAL INICIAL (g)
5.000
o
%Aproximación TI-Tf x 100 Ti 0%
TAMAÑO MAXIMO = 2"
TAMAÑO MAXIMO NOMINAL= 11-í"
lares ha producido concreto con una desviación estándar de 34 kg/cm2 y un promedio de resultados de resistencia de 378 kg/cm 2• Estos valores correspon den al análisis estadístico de 47 pruebas.
En la tablá11.3se observa que para una estructura medianamente reforzada, debe prepararse una mezcla de consistencia media con un asentamiento entre 5 y
Proceso de diseño
Empleando el procedimiento descrito en la tabla 11.2 y partiendo de la base de que los agregados cumplen especificaciones, se pueden estimar las pro porciones de los agregados bien sea por el método A.C.l.-211.1, o por el método gráfico. Para efectos de ilustración se utilizarán ambos. Paso 1:Selección del asentamiento.
1 O cm. Se toma el promedio, aproximadamente 7.5cm (3"), ya que la colocación será manuaL Paso 2:Selección del tamano máximo del agregado. De acuerdocon la mínima dimensión de la estruc tura (35 cm), el tamano máximo recomendado para este muro reforzado debe starentre 38.1 mm (1W') y 76.1 mm (3") según la tabla 11.4. El agregado de que se dispone es apropiado, pi.ies1iene un tamano máxi mo nominal de 38.1 mm (1 W'), y un tamano máximo de 50.8 mm (2").
254
19.0 12.7 9.51 4.76 2.38 1.19 0.595 0.297 0.149
%
1-í :Ya
No.4 No.8 No. 16 No. 30 No. 50 No. 100
FONDO TOTAL Tf(g)
o
o
o
40 160 600 600 300 260
2 8 30 30 15 13
40 70 85 98
40
2
100
2.000
2
lO
TOTAL INICIAL (g)
2.000
100 98 90 60 30 15 2
100 95-100 80-100 50.85 25-60 10.30 2-10
%Aproximación Ti-Tf x 100 Ti 0.0
máx. 0.1%
ODULO DE FINURA= 3.05 M Paso 3: Estimación del contenido de aire.
(paso 2), y que el asentamiento previsto será de7.5.::m (paso 1), al consultar la tabla correspondientf (1 L6)J
Como no habrá condiciones severas de exposi ción, se deberá usar concreto sin aire incluido. Pero se estima que para un tamaño máximo nominal de 38 mm ( 1,5") el contenido de_airef!aturalmente atrapado es dell% del volumen (fabla 11.5).-Sin embargo, para efectos prácticos, se asumirá este valor como cero.
se observa que el contenido de agua de mezdado-·por cada metro cúbico de concreto es de aproximadamen te 150 litros.
Paso 4: Estimación del contenido de agua de
De acuerdo con la fórmula 10.4 (Capítulo 10), se tiene que el coeficiente de variái::ión V es:
mezclado.
Sabiendo que se trata de agregados de forma redondeada y textura lisa (por ser de río), que el concreto no tendrá aire incluido (paso 3), que el tamaño máximo del agregado grueso es de 50.8 mm
TECNOLOGIA DEL CONCRETO Y DEL MORTERO Diseño de mezclas de concreto
Paso 5:Determinación de la resistencia de diseño.
V= ( 3:) 100 = 8.99 = 9%
(11.26)
255
Este valor indica que el coeficiente de variación en la producción es excelente según la tabla (10.4), del mismo capítulo, y que hay un buen control. Ll resistencia de diseño r se determina de las ecuaciones (11.4) y (11.5) de e;te mismo capítulo, sin necesidad de modificar la desviación estándar, ya que el análisis estadístico se hizo sobre más de 30 datos.
rcr = 280-35 + (2.33) 34 = 324 kg/cm2 f'cr
=
280 + (1.34) 34 = 326 kg/cm 2
(11.27) (11.28)
Se observa entonces que para una resistencia
r
estructural de = 280 kg/cm2, la resistencia de diseño e= de la mezcla r cr 326 kg/cm2• Paso 6: Selección de la relación agua-cemento. Teniendo en cuenta las características del cemen to disponible, se asume que se trata de un cemento ubicado dentro del promedio de los cementos colom bianos. Por ello, para la resistencia de diseño f'cr = 326 kg/cm2, obtenida en el paso anterior e interpolando en la línea media de la tabla 11.13 (por tratarse de con creto sin aire incluido), corresponde una relación agua cemento A/C= 0.427.
Paso 8: Estimación de las proporciones de agre gados. i
Método A.CJ. 211.1 Como se trata de agregados controlados, que cumplen con las especificaciones de la norma lcontec174, las proporciones de los agregados se determinan fácilmente aplicando el método A.C.I.211.1. Se determina primero el volumen seco y compac tado de agregado grueso por volumen unitario de concreto (b/b), de la tabla 11.15. En esta tabla, para un módulo de finura de la arena de 3,05 y un tamaño máximo nominal de agregado grueso de 38,1 mm (1W'). el valor de bfbo es igual a 0,69 m3 de agregado grueso por metro cúbico de con creto. Por lo tanto, el peso seco del agregado grueso (Pg) será: P9 = 0,69 (1.750) = 1.208
kg/m3
(11.30)
Y su volumen absoluto será, P dividido por el valor de su densidad aparente seca: g
ción especial del peso unitario del concreto, la determi nación del contenido de arena se hará con base en los volúmenes absolutos de los ingredientes conocidos. Para tal efecto, se tabulan los valores en la tabla 11.24, extractada de la tabla 11.16.
apróximada de 33.5% de agregado fino con 66.5% de agregado grueso. De tal manera que, siguiendo la metodología indicada por la ecuación (11.13) y subsi guientes, se tiene que el volumen absoluto de agrega dos V es: r
Tabla 11.24 Peso seco y volumen absoluto
V,= 1.000- (113 + 150 +O)= 7.371 (11.32)
de los Ingredientes por metro cúbico de concreto.
Ll densidad aparente seca (G,) de la mezcla de los dos agregados es: G
351
3,10
113
150
1,00
150
Cont. de aire Agregado grueso 1.208 Agregado fino 607
2,44 2,51
495 242
Cemento Agua
TOTAL
2.316
o
1.000
Método gráfico Como se mencionó al principip, con el objeto de hacer un análisis comparativo de los dos métodos expuestos para estimar las proporciones de los agre
a
=
2,44 X 2,51 2,44 X 0,335 + 2,51 X 0,665
2,463 g/cm3 (11.33)
Donde el peso seco de los dos agregados combina dos (P) es: P, = 737 (2.463) = 1.815 kg/m3
(11.34)
De manera tal que aplicando lasecuaciones (11.16) y (11.17), los pesos secos del agregado grueso (Pag) y el agregado fino (P.1) serán:
Pag = 1.815 (0,665)
=
1.207 kg/m3
P,1 = 1.815 (0,335) = 608
(11.35) (11.36)
kg/m Finalmente, aplicando las ecuaciones (11.18) y (11.19) y tabulando los valores en una tabla similar a la tabla 11.24, se tiene la tabla 11.25. 3
De otra parte, debido a que la estructura no estará sujeta a condiciones severas de exposición, la relación agua-cemento será la anterior y no hay necesidad de consultar las tablas 7.1, 7.2 y 7.5 del capítulo 7. Paso 7: Cálculo del contenido de cemento. De la información obtenida en los pasos 4 y 6, se encuentra que el contenido de cemento requerido es: 150 C= --=351
kg/m3 0,427
(11.29)
1.208
V = ·--= 495ljm3 g 2.44
(11.31)
Una vez determinadas las cantidades de: Agua de mezclado (Paso 4), contenido de cemento (Paso 7) y contenido de agregado grueso, los materiales restan tes para completar un metro cúbico (1.000 1) de concreto, consistirán en arena y aire que pueda quedar atrapado (aunque este último se asumió como cero).
gados, a continuación se aplicará al método gráfico. Siguiendo el procedimiento grático de combina ción de agregados, se elabora un cuadro como el de la figura 11.8. Como el tamaño máximo del agregado grueso es de 50,8 mm (2"), sobre las líneas trazadas para unir tamices se marcan los limites porcentuales de la tabla 11.17 para este tamaño máximo de agregado grueso. Obsérvese que en este caso se tra baja con el concepto de tamaño máximo y no tama· ño máximo nominal, como en el método A.C.I.-211.1.
Como se recordará, la cantidad de arena requerida
Al colocar esta especificación en el cuadro, se
se puede determinar con base en el peso o en el volu men absoluto. Pero como este caso no es una condi-
observa que la mezcla óptima de los dos materiales es la línea vertical punteada que indica una combinación
Como se puede observar, al comparar las tablas 11.24 y 11.25, ambos métodos conducen a resultados similares, debido a que el método gráfico se puede con siderar como una alternativa del método A.C.l.-211.1. Paso 9: Ajuste por humedad de los agregados. Para pesar los agregados al dosificar la mezcla, de be considerarse la humedad de éstos. Como se ha vis to, por lo general los agregados están húmedos y a su
peso seco habrá que 256
aumentarle el porcentaje de agua que contengan, TECNOLOGIA DEL CONCRfTO Y DEL MORTERO
Diseño de mezclas de concrelo
257
Figura 11.8 Procedimiento
Peso seco y volumen absoluto de los ingredientes por metro cúbico de concreto
gráfico de combinación
100
Porcentaje de agregado fino en la mezcla de dos materiales
:Ya"
90
80
40
90
N8
70
o
.
F:::t---t---
1'\
¡-....
J . . .
....._
--. ... _
¡ -
1
absoluto de los ingredientes por metro cúbico de concreto
351 351 ,00
9 0
Nr 1 " ----1 ¡----..
91, 15
( D
60
'\
N16
. 1
e
"•
o
50
01
e01
40
30 20
N50
""'
1'---. 1 ' .
t N100
'\
1 '.
1
h l 1
'
t : : J
o
" •
"
"
1
0 1
4 0
1
"
----
2
""' 20
t- t . 1 - -
t-f
351 150 65,7 00 1.207 608
2.316 TOTAL
2.316 2.354,07 235,415
y la del agregado fino es 1,3%, se tiene que, aplicando 608 (0,08- 0,013) (11.39) 30
A. =
-1 8,1 140, 74 =58, 851 fm 1
m aterilsp aprod ucir unos 100 litro cla, lode cual alcanza para hacer el smez ensayo de asentamiento, el ensayo de peso volumétrico, determinar el contenido de aire (si es necesario), y tomar unos 1O cilindros de prueba. De tal manera que las cantidades quedarían como se indica en la tabla 11.26. Finalmente, para comprobar que los pesos ajusta dos por humedad se encuentran correctos, la diferen
Por lo tanto, el requerimiento de agua de mezclado
¡
1- r--
10
o
" '
N30 ........
..._
1'
" "'
"
¡¡:
TOTAL
.•
6 0
1
o
0,0 00
Cemento Agua 608 Cont. de aire 656, Agregado grueso 64 Agregado fino
N--
70
35,1 00 9,1 15
150
t:= 1
<
" 50 Y
60
10
20
'\ l
80
In/
38%33. 2 5%29%
N4 00
Tabla 11.26 Peso seco y volumen
Tabla 1 1.25
r----..
l'\ 10
yunita el peso
o
3,10 1,00
150
2,44 2,51
495 242
113
o
1.000
15 058
Aj a ,85 91,15Pasoustlas 1/ 10: es m
1)
clas de prueba (1
ez
rio del concreto con los agregados secos (2.316 kg/ m 1), debe ser equiva lente al peso del agua absorb por loskg. agregados, es ida decir, 38,07
1.4 0)
(Des artado)
t-N4
o
Para hacer las mezclas de prueba en el laboratorio, lo conveniente es reducir a escala los pesos de los
10
20
2.354,07- 2.316= [ 1.207 (0.025) +608 (0.013] (11.41)
30
40
50
60
1
7
0 80
90 10o 66.5
Porc entaj e de agre gado grue so en la mez cla de dos mate riale s
Como la humedad del agregado grueso es del4% y la del
agregado fino del 8%, se tiene que, aplicando la ecuación 11.24, los pesos húmedos son: Peso húmedo A. grueso = 1.207 (1 + 0,04) 1.255,28 kg/m3 Peso húmedo A. fino
608 (1 + 0,08)
(
11.37)
656,64 C kg/ o m (11.38)o e l a g u a d e a b s o r c i ó n d e l o s a g r e g a d o s n o h a c e p a r t e d e l
a g u a d e m e z c l a d o , e n t o n c e s s e e x c l u y e d e l a j u s t e ,
c i ó n d e a g u a d e b i d a a l a h u m e d a d d e l o s a g r e g a d o s .
p o r
D e
l a
t a l
a d i
m a
n e r a q u e ,
b s o r c i ó n ,
e n
e n
e s t e
l o s
c a s o , e n q u e l a h u m e d a d e s s u p e r i o r
d o s a g r e g a d o s , e l a g u a d e m e z c l a d o
a
q u e
l a
s e
a
a g
r e g a
a
a
d e
l a
l a
l a
m e z c l a
h u m e d a d
d e b e
l i b r e
r e d u c i r s e
q u e c o n t i e n e n
e n u n a c a n t i d a d
l o s a g r e g a d o s .
i g u a l
258 TECNOLOGIA DEL CONCRITO Y DEL MORTERO
Diseño de mezclas de concreto
259
Aditivos para concreto
Introducción Hoy en día, los aditivos son considerados un ingre diente más del concreto y son empleados para modi ficar las propiedades de éste, de tal modo que se lo ha gan más adecuado para las condiciones de trabajo o por economía. Para ello, en la actualidad se cuenta con toda suerte de aditivos que cumplen diversos fines dentro del con creto y que serán estudiados en el presente capítulo.
Definición Según el Comité ACI-212, un aditivo se puede defi nir como un material distinto del agua, agregados y ce mento hidráulico, que se usa como ingrediente en con cretos o morteros y se añade a la mezcla inmediata mente antes o durante su mezclado.
Desarrollo del empleo de aditivos Desde la época de los romanos se emplearon aditivos agregados al concreto de cal y puzolanas. Se cree que los primeros aditivos fueron la sangre de toro Adilluos para concreto
y la clara de huevo, los cuales se utilizaron para mejorar las características de la mezcla en estado plástico. Posteriormente, después de la creación del prototipo de cemento portland moderno, se vio la necesidad de obtener unos fraguados más regulares en el cemento, para lo cual se utilizó el yeso crudo o el cloruro de calcio, que se agregaban al cemento o al concreto en el momento de mezclarlo. La incorporación de estos productos se remonta a los años 1875 a 1890; en esa época, los albañiles franceses añadían al cemento sin yeso crudo, un poco de yeso vivo, a pie de obra, en el momento de mezclar el concreto.En el año de 1885fue patentada la adición de cloruro de calcio como aditivo y en \ 888 Candlot demostró que, según la dosis, éste podía ser utilizado como acelerante o retardador de fraguado. Sin embargo, a finales de siglo, los usuarios del concreto aún se preocupaban por obtener una mejor regulación de la duración del fraguado y sobre todo po der acelerarlo, así como llegar a tener concretos más impermeablesdebido a que el cemento presentaba po ca finura y los sistemas de colocación en obra eran bas tante rudimentarios, dado que el vibrador aún no exis tía. Por ello, hacia 1895Candlot en Francia, y Dyckerhoff en Alemania, practicaron adiciones de cal grasa, con el fin de mejorar la plasticidad.
261
A principios de siglo, Feret realizó ensayos con gran número de productos finos, inertes o que se hin chaban, así como con adiciones de aceite de linaza y de aceite de máquinas, y en 1926 hizo una publicación citando la acción de productos tales como alumbre, jabón potásico, caseína, materias albuminosas, ca lizas, arcilla en polvo, ciertos cloruros, carbonatos, silicatos, sulfatos y otros compuestos. También a prin cipios de siglo se hicieron ensayos para continuar me jorando la impermeabilidad del concreto, tales como la inclusión de silicato sódico y diversos jabones; ade más, se comenzaban a añadir polvos finos para colo rear elconcreto (azul ultramar, ocre, etc.). En 1905, los fluosilicatos se emplearon como endurecedores de superficie y por esa misma época se comenzó a obser var la acción retardadora del azúcar. La comercialización de productos que mejoran al
gunas propiedades del concreto data de 191O y se tra taba por ese entonces de hidrófugos y aceleradores del fraguado que se añadían a los concretos que iban a ser empleados en la construcción de depósitos de agua, entibaciones y también para el diseño de morteros des tinados a la reparación de obras subterráneas de mam postería de ladrillo, cuyas juntas se hubiesen deteriora do. En el año de 1925 en los Estados Unidos de Amé rica se utilizó por primera vez en el concreto la tierra de infusorios y hacia 1934, los plastificantes fueron co mercializados, así como los agentes inclusores de aire en 1939, cuya utilización en Europa no empezó hasta después de la Segunda Guerra Mundial en 1947. A pesar de que la comercialización de los retar dadores de fraguado no tuvo lugar hasta 1959, los efec tos de ciertos productos se conocían hacia tiempo. En 1929 Rengade había demostrado que al mezclar una pasta de cemento sobre una lámina de zinc, podían in troducirse indicios de óxido de zinc que actuaban co mo un poderoso retardador de fraguado. De otra parte, durante la Segunda Guerra Mundial, en Alemania selle gó a utilizar un 1% de ácido fosfórico para el retardo del fraguado, lo cual era necesario para interrumpir los trabajos en las obras monolíticas de concreto durante 262
los ataques aéreos. Adicionalmente, por esa misrn época se cita el caso de concretos que voluntariame te se dejaron inútiles debido a la adición de azúcar en polvo que actuaba como un potente retardante. Los anticongelantes aparecieron en 1955. En los años siguientes, gracias al progreso de la' industria química, los materiales plásticos se han ido incorporando a su utilización en el concreto y hoy en día los fabricantes elaboran productos cada vez más sofisticados, según las necesidades de la construcción moderna.
Filosofía de la utilización de aditivos Hoy en día, los aditivos pueden ser usados para modificar las propiedades del concreto de tal manera que lo hagan más adecuado para las condiciones de trabajo o por economía. De acuerdo con esto, en la "guía para el empleo de aditivos" del Comité ACI-212, hay una clasificación desdeel punto de vista funcional, en donde se dan las veinte razones más importantes para usar aditivos, las cuales se presentan a continuación: 1. Aumentar la trabajabilidad sin aumentar el conte. nido de agua o para reducir el contenido de agua, logrando la misma trabajabilidad.
8. Controlar la expansión causada por la reacción de los álcalis con ciertos constituyentes de los agre gados. 9. Reducir el flujo capilar de agua. 1O. Reducir la permeabilidad a los líquidos. 11. Para producir concreto celular. 12. Mejorar la penetración y el bombeo.
13. Reducir el asentamiento, especialmente en mez clas para rellenos. 14. Reducir o evitar el asentamiento o para originar una leve expansión en el concreto o mortero, usa dos para rellenar huecos y otras aberturas en es tructuras de concreto y en rellenos para cimenta ción de maquinaria, columnas o trabes, o para re llenar duetos de cables de concreto postensionado o vacíos en agregado precolocado. 15. Aumentar la adherencia del concreto y el acero. 16. Aumentar la adherencia entre concreto viejo y nuevo.
2. Acelerar la velocidad de desarrollo de resistencia a edades tempranas.
17. Producir concreto o mortero de color.
3. Aumentar la resistencia.
18. Obtener concretos o morteros con propiedades fungícidas, germicidas o insecticidas.
4. Retardar o acelerar el fraguado inicial. 5. Retardar o reducir el desarrollo de calor. 6. Modificar la velocidad o la aptitud de exudación o ambos. 7. Aumentar la durabilidad o la resistencia a condicio nes severas de exposición, incluyendo la aplica ción de sales para quitar el hielo.
TECNOLOGIA DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
19. Inhibir la corrosión de metales sujetos a corrosión embebidos en el concreto.
l. Aditivos inclusores de aire 2. Aditivos reducrores de agua 3. Aditivos retardantes 4. Aditivos acelerantes 5. Aditivos superplastificantes 6. Aditivos minerales 7. Otros aditivos De otra parte, es conveniente mencionar que en un principio los aditivos se clasificaron de acuerdo con su composición porque los productos que se usaban para fabricarlos eran de dos tipos o sus modificaciones y la clasificación resultaba cómoda. Sin embargo, con el tiempo sé desarrollaron aditivos con otras composicio nes químicas y la variabilidad de productos llegó a ser tan amplia que hizo poco práctica esta clasificación. Por ello, hoy en día se cuenta con la norma ASTM C494 o en su defecto la norma NTC -1299 (Aditivos para concreto), las cuales clasifican ciertos aditivos químicos; también en términos de su función, tal como aparece en la tabla 12.1. Tabla 12.1 Tipos de aditivos químicos según la norma ASTMC-494
A B C D E F G
Aditivos reductores de agua Aditivos retardantes Aditivos acelerantes Aditivos reductores de agua y retardan tes Aditivos reductores de agua y acelerantes Aditivos reductores de agua de alto rango Aditivos reductores de agua de alto rango y retardantes
20. Reducir el costo unitario del concreto.
Aditivos indusores de aire
Clasificación de los aditivos
El ACI define un agente inclusor de aire como "un aditivo para cemento hidráulico o un aditivo para con creto o mortero que origina aire en el concreto o morte ro, comúnmente en pequeñas cantidades en forma de
Una clasificación más resumida de los aditivos en términos de su función es la siguiente:
Aditivos para concreto
263
burbujas pequeñas (aproximadamente de 1 mm de diámetro o más pequeñas) durante el mezclado y usualmente para aumentar la manejabilidad y·la resis tencia al congelamiento". El principal ingrediente activo empleado en los adi tivos indusores de aire es el alkilbenceno sulfonado o el óxido de polietileno; sin embargo, algunos materia les como sales de resinas de la madera, algunos de tergentes sintéticos, sales de !ignita sulfonada, sales de materiales proteicos, ácidos grasos y resinosos y sus sales, o sales orgánicas de hidrocarburos sulfonados, son capaces de funcionar como aditivos indusores de aire. De otra parte, las especificaciones y métodos de ensayo de los aditivos inclusores de aire están dadas por la norma ASTM C260. Propiedades incluido
del
concreto
con
aire
Tal como se ha venido comentando a lo largo de es ta obra, uno de los grandes avances de la tecnología del concreto ha sido el desarrollo del concreto con aire incluido, dados los importantes beneficios que ello implica para el concreto fresco y el concreto endureci
ampliamente y sólo unas pocas pueden llegar a tener hasta 2 o 4 mm. La norma ASTM C457 (práctica re comendable para la determinación microscópica del contenido de vacíos de aire y parámetros del sistema de vacíos de aire en concreto endurecido), describe la manera de evaluar el sistema de vacíos de aire. Dentro de las propiedades del concreto con aire incluido, se destacan las siguientes: Manejabilidad Aunque los aditivos indusores de aire no son cla sificados como plastificantes, el aire incluido mejora la manejabilidad del concreto cuando se encuentra en estado plástico (ver capítulo 5, Factores que influyen en la manejabilidad). Este efecto es particularmente efectivo en mezclas pobres en cemento, las cuales por lo general son bastante ásperas y difíciles de moldear. Adicionalmente, la manejabilidad de mezclascon agre gados angulares, textura rugosa y pobremente grada dos, igualmente puede ser mejorada, ya que al incluir aire se pueden reducir significativamente los conteni dos de agua y agregado fino. Las mezclas de concreto fresco que contienen aire incluido son más maneja y terminarlas fácilmente. Finalmente, los billones de
a desplazarse por el aumento de volumen a! llegar al punto de congelación, reduciendo la presión y previ niendo que se exceda la resistencia a tensión del con creto que lo podría llevar a la falla. Igualmente, el aire incluido protege al concreto de las sustancias quími cas usadas para deshelar y de la acción de los sulfatos; además, provee al concreto de una mayor resistencia al paso del agua, reduciendo su permeabilidad, ya que estas pequeñas burbujas actúan como válvulas de los capilares que deja el agua de exudación del concreto al pasar del estado plástico al estado endurecido. Resistencia La inclusión de aire, al mismo tiempo que mejora la manejabilidad y la durabilidad del concreto, reduce su peso unitario y puede reducir su resistencia. Cuando el contenido de aire se mantiene constante, la ley de Abrams se cumple y la resistencia varía inversamente con la relación agua-cemento y la disminución de resis tencia es usualmente proporcional a la cantidad de aire incluido. Si bien es cierto que la inclusión de aire per mite reducir el agua de mezclado para una consisten cia determinada, pero aligera el concreto, la relación
efecto pronunciado en el natu ralmente atrapado incluido. En la figura 12.1 hay entre el contenido máximo del agre gado y concreto.
En esta figura se observa que el contenido de aire varía muy poco cuando el tamaño máximo del agrega· do se encuentra por encima de 38.1 mm (111.!") para cualquier contenido de cemento. Para tamaños de agre gado más pequeños, el contenido de airese incrementa sustancialmente por el aumento en el volumen de mor tero. De otra parte, cuando el contenido de cemento se incrementa, independientemente del tamaño del agre gado, el contenido de aire decrece por el mayor conte nido de pasta; sin embargo, algunos estudios demuesFigura 12.1 Relación entre contenido de cemento, tamaño máximo del agregado y contenido de aire del concreto (12.3) 12
ma resistencia que tendría sin aire incluido. La reduc
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del concreto se distribuyen uniformemente sin inter porador de aire (el cual debe cumplir con las normas ASTM C-150 y ASTM C-595), por la introducción de aditivos indusores de aire, o por la combinación de am bos métodos. El espaciamiento y tamaño de las burbujas son fac
tamaño máximo de agregado de 38.1 mm) reducen la segregación y exudación del concreto fresco. Resistencia al congelamiento-deshielo En el capítulo 7 (Durabilidad del concreto} se dis congelamiento y deshielo sobre el concreto endureci do, debido a que el agua congelada se expande cau
aire incluido en el concreto. En el caso del aire natural mente atrapado durante los procesos de mezclado y de las características de los agregados, pero en el
creto. Por ello, el propósito fundamental de la
aire damente pequeñas en tamaño (cerca del90% de
inclusión cia a la acción destructiva del congelamiento
ellas tienen 100 11 m o menos de diámetro y e160% son me nores de 24 Jl m). Los diámetros de las burbujas varían
y deshie
lo, permitiendo que los vacíos de aire incluido actúen como alojamientos del agua cuando ésta se ve forzada
el caso de resistencia a la compresión y de un 10% en el caso de resistencia a la flexión. En general, la inclusión de aire varía entre 3% a 6% en concretos de resistencia normal y entre 3% a 4% para concretosde alta resistencia.
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Factores que afectan el contenido de aire
contenido de aire, tanto como intencionalmente se observa la relación que de cemento, el tamaño el contenido de aire del
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-Cerne totipoiA ...Cerne lo tipo 1 Asentamient 2".3" (50.75 mm)
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Dentro de los factores que afectan el contenido de aire de una mezcla de concreto se encuentran los si
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264
TECNOLOGIA DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
Adiliuos para concreto
265
tran que el espaciamiento entre las burbujas es menor y que su superficie específica aumenta, con lo cual se mejora la durabilidad del concreto. Finalmente, los ce mentos finos tienen la tendencia a disminuir el conteni do de aire en el concreto.
Figura 12.2 Relación entre el porcentaje
de agregado fino y el contenido de aire en un concreto (12.3)
Agregado fino El contenido de agregado fino también afecta el contenido de aire en el concreto. En la figura 12.2 se puede apreciar que un incremento en la cantidad de arena causa un incremento en el contenido de aire atrapado e incluido. En especial, las partículas finas de agregado com prendidas entre los tamices de 595!lm (No. 30) y 149 de material que pasen el tamiz de 1491lm (No. 100) traen como consecuencia una reducción en el conteni
V
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tero endurecido en el tambor y las aspas. Si la capaci dad de la mezcladora se excede puede haber también aumento o disminución en el contenido de aire. Final mente, por lo general el contenido de aire se aumenta si se prolonga el tiempo de mezclado o se aumenta la
v
. ". "
En la figura 12.3 se observa el efecto de la tempe ratura del concreto en el contenido de aire. Menos aire es incluido cuando la temperatura aumenta. Esto es
e fento tipo 1 (210 a 335 kg m')
o ·¡: 2
Figura 12.3 Relación entre la temperatura,
As ntamiento • a 4" (75 a lOO mm)
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aunque tengan granulometrías idénticas, así, por ejem plo, un concreto con agregado fino triturado puede re querir hasta el doble de cantidad de aditivo necesario para arena redondeada natural.lgualmente, las impure zas orgánicas pueden aumentar o disminuir su conte nido, dependiendo de la naturaleza que tengan. Final mente, un aumento en la dureza del agua generalmente reduce la efectividad de los aditivos inclusores de aire.
Otros aditivos
agua o retardadores de fraguado pueden ser no com patibles con algunos agentes indusores de aire.
La operación de mezclado es el más importante factor en la producción de concreto con aire incluido. La distribución uniforme de las pequeñas burbujas de aire es esencial para garantizar las características del
5:J.12 mm)
5 3" 175 lmm\
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--....
1" 25mm)
Mezclado del concreto
El uso de puzolanas, como la ceniza volante (fly ash) u otros materialesfinamente divididosen el concre to, por lo general trae consigo una reducción en la can tidad de aire incluido para una determinada cantidad de aditivo. Por otro lado, cuando se emplean aditivos reductores de agua o aditivos retardantes de fraguado,
1--r---::( 75mm) as ntamiento
o Contenido de agregado fino en porcentaje del total de agregados
--r---
3
2 Cerne to (335 kg cm3)
la eficiencia de los aditivos indusores de aire se puede incrementar de un 50% a un 100%. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que algunos aditivos reductores de
hasta un valor aproximado de 15 cm (6"), en donde empieza a decrecer. Para todos los asentamientos, sin embargo, después de 15segundos de vibración se cau sa una considerable reducción del contenido de aire, por efecto del reacomodamiento de todas las partícu
seada, se obtiene con vibraciones de 5 a 15 segundos.
Medida del contenido de aire
"f'Aire atra jade solame te
do de aire. Los agregados finos de distintas fuentes pue
El efecto de la consistencia (asentamiento) y la consolidación (vibración) sobre el contenido de aire del concreto se visualiza en la figura 12.4. Aquí se observa que el contenido de aire se incre
e incluido
......
Consistencia y consolidación
concreto, especialmente su resistencia. La cantidad de aire incluido varía con el tipo y estado de la mezcladora, la cantidad de concreto mezclado y la velocidad de mezclado. La cantidad de aire incluido por una mez cladora dada se reduce apreciablemente a medida que las aspas se
Como se ha visto, el contenido de aire del concreto endurecido tiene un efecto marcado sobre la exposi ción a condiciones ambientales severas. De ahí el hecho de que a algunos concretos se les deba incluir intencionalmente. La medida de esta cantidad, en el concreto fresco, se hace por medio del método de presión descrito en la norma NTC 1032, o por medio del método volumétrico descrito en la norma NTC
1028.
La lectura del contenido de aire tomada con un me didor de presión indica todo el aire que tiene el concre to, es decir, atrapado en la pasta, contenido en las par tículas de agregado e intencionalmente incluido. Pero, el que interesa, desde el punto de vista de durabilidad, es el que se ha incluido intencionalmente. El aire atra pado se minimiza compactando cuidadosamente cada desgastan o a medida que la acción de mezclado se hace desigual, por acumulación de mor-
agreg do: 1-12" (4 mm)tam ·a máximo 1
!O
15
20
25
30
35
Temperatura del concreto, OC
o 266
TECNOLOGJA DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
capa de concreto y golpeando ligeramente los costa dos del recipiente del medidor con un pequeño martillo de caucho, o mediante vibración. El aire Aditiuos para concreto
contenido en el agregado se corrige mediante un factor de correc ción, el cual varía según los diferentes agregados y se determina fácilmente mediante los procedimientos de critos en la norma NTC - 1032. 267
determinada o para incrementar el asentamiento del concreto con un contenido dado de agua. Sin embar go, la velocidad de pérdida de asentamiento no la re duce y en algunos casos la puede incrementar.
Figura 12.4 Relación entre el asentamiento, el tiempo de vibrado y el contenido
de aire del concreto (12.3) 6
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La composición química usual de este tipo de adi tivos es a base de ácidos lignosufónicos (lignosulfona
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tos) o sus modificaciones, sales de ácidos carboxílicos
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Muchos aditivos reductoresde agua pueden ser tam bién retardadores o aceleradores de fraguado del con creto. Algunos son modificados para dar varios grados de retardo o aceleración mientras que otros no afectan significativamente el tiempo de fraguado.También algu nos pueden incluir cierta cantidad de aire en el concreto.
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25
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125 100 Asentamiento, mm
Pero cuando en el concreto se emplean agregados de alta porosidad (factor de corrección del agregado mayor de 0.5%), no es posible determinar un valor con fiable para el factor de corrección del agregado y por lo tanto el método de presión no es aplicable. En su lu gar, debe emplearse el método volumétrico descrito en la norma NTC - 1028. En conclusión, el contenido de aire es afectado por la temperatura del concreto (a temperaturas más ele vadas es menor el contenido de aire), por el contenido de finos inferiores a la malla No. 200 (entre más finos haya es menor el contenidode aire), por el asentamiento
268
150
175
200
(si el asentamiento es elevado tiene mayor contenido de aire), por las características del cemento (los ce mentos más finos tienen menor contenido de aire) y por el tiempo y velocidad de mezclado. En consecuen cia, las pruebas de contenido de aire deben practicarse regularmente, ya que son numerosos los factores que pueden alterar el contenido de aire.
Aditivos reductores de agua Un aditivo reductor de agua es un material utilizado para reducir la cantidad de agua de mezclado requeri da para producir un concreto con una consistencia
TECNOLOGIA DEL CONCRF.IO Y DL MORTERO
aire incluido que varía según la marca y dosificación, hidroxilados o sus modificaciones, melaminas y políme ros hidroxilados. Las especificaciones de estos aditi vos se encuentran descritas en la norma ASTM C494 y comprende a los aditivos A, D y E, clasificados por la misma norma {ver Tabla 12.1). Efectos en las propiedades del concreto A pesar de que las propiedades del concreto pue den variar considerablemente dependiendo de la mar ca del aditivo y su composición, las características del cemento utilizado y los otros materiales, a continua ción se detallan de manera general, algunos efectos de su utilización. Efecto en el concreto fresco Para el mismo asentamiento y contenido de aire, los aditivos reductores de agua del tipo A, D y E pueden reducir el requerimiento de agua de mezclado en el concreto hasta en un 10%, siempre y cuando no se ob tengan efectos perjudiciales en otras propiedades del concreto. La reducción mínima permisible por la nor ma ASTM C494, para este tipo de aditivos, está fijada en 5%. De otra parte, si se mantiene constante el con tenido de agua de la mezcla, estos aditivos aumentan el asentamiento del concreto fresco.
Adiliuos para concreto
Desde el punto de vista de manejabilidad, para un mismo asentamiento, el concreto que tiene un aditivo reductor de agua usualmente la mejora facilitando la colocación con menor segregación y mejor respuesta a la consolidación. Sin embargo, como ya se había mencionado, la velocidad de pérdida de asentamiento del concreto con estos aditivos no se reduce y en algu nos casos puede ser ligeramente mayor que para con cretos similares sin aditivo. Pero, con igual contenido de agua, el mayor asentamiento obtenido con el uso de estos aditivos puede permitir un mayor lapso de tiem po entre el mezclado y la colocación del concreto. Los lignosulfonatos producen cierta cantidad de
a diferencia de los aditivos a base de sales de ácido car boxílico hidroxilado. Por ello, cuando se usan lignosul fonatos y se especifica aire incluido, debe disminuirse la dosificación del aditivo inclusor de aire. En cuanto al calor de hidratación y la temperatura del concreto, éstos se disminuyen para el mismo con tenido de cemento al emplear los aditivos reductores de agua. Por otro lado, al emplear estos aditivos se pue de reducir la cantidad de cemento para mantener una misma relación agua-cemento, lo cual conduce a que el calor liberado por unidad de volumen de concreto. y el aumento de temperatura se reduzcan. El empleo de estos aditivos también puede modifi car ligeramente la velocidad de fraguado y de endure cimiento del concreto, por lo cual los aditivos tipo A deben dar tiempos de fraguado inicial y final de no más de una hora antes o no más de una hora y media des pués respecto al concreto de referencia sin aditivo. Final mente, las sales de ácidos carboxílicos hidroxilados ori ginan aumento en la exudación del concreto, a diferen cia de los lignosulfonatos que comúnmente la reducen. Efectos en el concreto endurecido La contracción del concreto con el uso de estos aditivos es muy variable. Algunos la pueden aumentar
269
y otros disminuir, dependiendode su composición qui mica y de las características del cemento y de los otros materiales.Lo único cierto es que al reducir el conteni do decemento,disminuye la probabilidad decontracción.
cuales se pueden predecir, el tiempo, temperatura y humedad que pueden afectar el fraguado del conc to.
En general, los aditivos reductores de agua produ cen en el concreto un aumento de resistencia a todas las edades. De otra parte, el aumento de resistencia con estos aditivos es mayor que lo que podría esperar se de una reducción en la relación aguacemento;ocon la misma relación agua-cemento y contenido decemen to, el concreto con aditivo es más resistente que el con creto sin aditivo. La resistencia a la flexión se aumenta menos que la resistencia a la compresión.
En cuanto a la durabilidad, la mejoría que se puede esperar es debida a la reducción de agua, reduccióp de permeabilidad y aumento de la resistencia, que también mejoran el módulo de elásticidad, la adherencia del concreto al acero de refuerzo y reducen el flujo plástico. Prueba de los aditivos reductores de agua La medida de la eficiencia de estos aditivos debe ser hecha en concretos preparados con y sin el aditivo a evaluarse. El aditivo debe ser añadido según las es pecificaciones del fabiicante y las pruebas deben ser efectuadas según lo estipulado por la norma ASTM C494 o NTC -1299.
AcUtivos retardantes Un aditivo retardante es un material utilizado para retardar la velocidad de fraguado del concreto. Como es sabido, las condiciones de fraguado del concreto son importantes no sólo para regular los tiempos de mezclado, transporte y colocación de la mezcla, sino porque de ellas dependen también muchas propieda des posteriores del concreto. En términosgenerales, en Colombia existen 5 tipos de clima que se indican en la tabla 12.2, a partir de los
Nieve perpetua Páramo Clima frío Clima medio Clima cálido Fondo marino
4:700 o más 3.600
2.400
1.200
o
Menor deO
Como se puede ver, Colombia es un país privilegia do en cuanto a la variedad del clima;sin embargo, para la construcción de estructuras en concreto, es impor tante conocer las condiciones ambientales que rodean el proyecto con el objeto de determinar si es necesaria la utilización dealgún tipo especial de cemento (alta re sistencia inicial ode bajo calor de hidratación), aditivos retardadores (en climascálidos) o aditivos acelerantes (en climas fríos), ya que estos permiten regular la velocidad de fraguado y posterior endurecimiento del concreto. Los aditivos retardantes son empleados principal mente para reducir el efecto acelerantedel clima cálido sobre el fraguado del concreto, o simplemente para re trasar el fraguado inicial cuando las condiciones de co locación y compactación son dispendiosas, como en el caso de elementos muy esbeltos (columnas largas) o bombeos a grandes distancias. El efecto de las altas temperaturas (30 a 32"C) en el concretofresco fue dis cutido en el capítulo 5 y una de las prácticas más usua les para reducirlo es enfriando el agua de mezclado o los agregados, o ambos.El uso de aditivos retardantes no reduce la temperatura inicial del concreto, pero SÍ alarga los tiempos de fraguado. Por lo general, la composición química de estos aditivos esa base deácidos hidrocarboxílicos, ligninas,
boratos, azúcares o sales y ácidos tartáricos. Las espe cificaciones de estos aditivos se encuentran descritas en la norma ASTM C-494 y corresponde a los aditivos tipo B.Porotra parte, debidoa que muchosretardadores también actúan como reductores de agua, éstos son llamados aditivos reductores de agua y retardantes (tipo D según ASTM C-494). Adicionalmente, algunos también pueden incluir aire en el concreto.
los efectos de los reductores de agua y de los re tardantes.
Efectos en las propiedades del concreto
aditivos retardantes tipo By D, para concretos de igual contenido de cemento y aire, e igual asentamiento, ge neralmente presentan una resistencia a la compresión cuando menos igual que la del concreto de referencia sin aditivos a edades de 18a 48 horas. A los 28días de edad, la resistencia a la compresión puede aumentar entre un 15% y un 25%. A edades posteriores, el por centaje de aumento de resistencia es comúnmente menor. Las demás características son similares a las de los aditivos reductores de agua.
Los mecanismos para retardar el fraguado son de dos tipos: disminuyendo la solubilidad de los compo nentes anhidros o precipitándose sobre los granos de cemento con lo cual forman una cubierta impermea ble, causandoen amboscasos un retardo del fraguado. Algunos efectos del empleo de estos aditivos se deta llan a continuación.
Efectos en el concreto fresco En general, los aditivos retardantes tipo B no afec tan el requerimiento de agua, la manejabilidad o la ve locidad de pérdida del asentamiento. Sin embargo, permiten un mayor tiempo de utilización del concreto en estado plástico. En algunos casos pueden incluir aire,especialmentecuandose trata de lignosulfonatos. En cuanto al calor de hidratación, lo que hacen es tos aditivos es retrasar el tiempo al cual ocurre el calor generado por la hidratación del cemento, es decir, dis minuyen el aumento de temperatura, pero no la redu cen, ya que las que se retardan son las fases e2S y
eS
del cemento y no evitan completamente la reacción del
e.
Como ya se ha mencionado, el empleo de estos aditivos modifica la velocidad de fraguado y endureci miento del concreto; por ello, se requiere que retrasen el fraguado de una a tres y media horas, comparados con el concreto de referencia. Cuando se trata de adi tivos reductores de agua y retardantes (tipo D), los efectos en las propiedades del concretoson la suma de
Efectos en el concreto endurecido Al igual que con los aditivos reductores de agua, el efecto de los retardantes sobre la contracción del con creto no es predecible. En cuanto a la resistencia, los
De la misma manera, las pruebas de estos aditivos se deben ejecutar de acuerdo con las especificaciones de la norma ASTM C-494 o lcontec1299.
Aditivos acelerantes Un aditivo acelerante es un material que se añade al concreto con el fin de reducir el tiempo de fraguado y acelerar el desarrollo temprano de resistencia. Sin embargo, el desarrollo de resistencia del concreto pue de ser acelerado por el uso de cemento portland tipo111 (alta resistencia inicial), por la reducción de la relación agua-cemento incrementando el contenido de cemen to, o simplemente curando el concreto a más altas tem peraturas. Como ya se había mencionado, el acelerante más conocido y más ampliamente usado es el cloruro de calcio, el cual debe cumplir con las especificacionesde la norma ASTM D-98 y debe ser ensayado de acuerdo con la norma ASTM D-345. Los aditivos acelerantes son empleados en clima frío, principalmente para:agilizar las operaciones de
270
MIUvos para conaeto
271
acabado del concreto, reducir el tiempo requerido para el curado y la protección, aumentar la velocidad de de sarrollo de resistencia para retirar más temprano las formaletas o poner la estructura al servicio más rápida mente.De tal manera, que su uso es para contrarrestar en algo los efectos de las bajas temperaturas. Aparte del clorurodecalcio, también hay otros pro ductos químicos que pueden acelerar la velocidad de fraguado del concreto, como algunos cloruros solu bles, carbonatos solubles, silicatos, fluosilicatos, hidró xidos alcalinos y algunoscompuestos orgánicos como la trietanolamina, pero rara vez son usados, porque existe poca información sobresus efectos en las propie dades del concreto. Las especificaciones de estos adi tivos se encuentran descritas en la norma ASTM C-494 y corresponde a los aditivos tipo C. Por otra parte, hoy en día también se dispone de aditivos acelerantes y reductores de agua, en cuyo caso se clasifican como ti po E en la misma norma.
Efectos en las propiedades del concreto Los efectos de los aditivos acelerantes a base de cloruro de calcio, los cuales se dosifican únicamente en las cantidades necesarias para producir el efecto deseado (pero nunca en una cantidad superior al 2% del peso del cemento presente en la mezcla), se des criben de manera general a continuación.
Efectos en el concreto fresco En general, el requerimiento de agua y la maneja bilidad de un concreto no se ven afectados por el uso de un aditivo acelerante. Por lo común, disminuyen el requerimiento de aditivos inclusoresde aire. El calor de hidratación desarrollado se obtiene más temprano, pe ro sin efecto apreciable en la cantidad total de calor de hidratación. Como ya se ha visto, el empleo de estos aditivos reduce los tiempos de fraguado inicial y final. El monto
272
de la reducción varía con la cantidad de arf•IPr. nt••• !izado, la cantidad de cemento,la temperatura del creto y la temperatura ambiente; sin embargo, blece que deben acelerar la velocidad de fraguado concreto, de una a tres y media horas, comparado con el concreto de referencia. Cuando se.trata de aditivos reductores de agua y acelerantes (tipo E),los "'"'''--··'"· en las propiedades del concreto son la suma de los efectos de los reductores de agua y de los acelerantes.
Efectos en el concreto endurecido Generalmente se considera que el empleo de estos .. aditivos aumenta los cambios de volumen del concre to. La resistencia a la compresión se incrementa nota blemente a edades tempranas, pero puede reducirse ligeramente a los 28 días de edad. El aumento en re sistencia a la flexión, por lo común, es menor que el de resistencia a la compresión. En cuanto a la durabilidad del concreto, se debe te ner en cuenta que el cloruro de calcio empleado como acelerante no actúa como agente anticongelante. De otra parte, su uso disminuye la resistencia al ataque de sulfatos y aumenta la expansión producida por la reac ción agregado-álcali, en caso de que ella se presente.·. · Su efecto más nocivo está en la corrosión que pue· de causar en los metales, por lo cual no debe ser em. pleado en los siguientes casos: concreto curado con vapor, concreto preesforzado, concretos que conten- · gan embebidas piezas de aluminio o elementos galva nizados. Si se respeta el límite de dosificación del 2% del peso del cemento, el uso de cloruro de calcio no causa corrosión progresiva del acero de refuerzo, bajo condiciones normales y donde las varillas tienen sufi ciente recubrimiento.
Aditivos superplastificantes Los aditivos superplastificantes, llamados por el comité C-9 de las ASTM •Aditivos reductores de agua
de alto rango", son sustancias químicas o combinacio nes de sustancias químicas que cuando se adicionan a un concreto normal, le imparten una manejabilidad extrema o le proporcionan una gran reducción de agua, que sobrepasa.los límites de aquella obtenida por medio de aditivos reductores de agua normales.
100), ya queestosaditivos pueden reducir la exudación y la segregación y adicionalmente mejorar algunas otras propiedades del concreto, como la resistencia y la durabilidad, compensando la falta de finos.Algunos de estos aditivos son materiales relativamente inertes químicamente mientras que otros son puzolanas.
Estos aditivos son químicamente diferentes a los reductores de agua normales, por lo cual se emplean a altos nivelesde dosificación sin causar problemas de retardo de fraguado o exceso de inclusión de aire. Las aplicaciones más importantes de este tipo de aditivos son: la producción de concreto fluido con relaciones agua-cemento normales de elevado asentamiento (18 cm o más), prácticamente autonivelante (casi no requie re compactación) y libre de una excesiva segregación y exudación; y la producción de concreto de alta resis tencia, con relaciones más bajas que lo normal (menos DE0.4), una reducción de agua bastante alta (hasta un 25% o 30%) y manteniendo la manejabilidad deseada para cada aplicación en particular. Sin embargo, su efecto tiene una duración relativamente corta (30 o 60 minutos), después de lo cual ocurre una rápida pérdida de la manejabilidad.
Dentro de los materiales relativamente inertes quí micamente, se encuentran el cuarzo molido, la caliza molida, la bentonita, cal hidratada y talco. Como es sa bido, la norma ASTM C-129 define las puzolanas como "materiales silíceos y aluminosos que en sí mismos poseen poco o ningún valor cementante pero que, en forma finamente dividida y en presencia de humedad, reaccionan químicamente con el hidróxido decalcio, ba jo temperaturas ordinarias, para formar diversos com puestos que poseen propiedades cementantes". Algu nos materiales naturales talescomo las tierrasdiatomá ceas, materialesopalinos,esquistoso arcillas, pumicitas, tufas volcánicas y algunos materiales artificiales como la ceniza volante son empleados como puzolanas. La norma ASTM C-618 comprende el uso de puzolanas naturales y ceniza volante como aditivos para el cort creto y los procedimientos de muestreo y ensayo de la ceniza volante están dados por la norma ASTM C-311. Las clases de puzolanas apropiadas para ser usadas en el concreto se muestran en la tabla 12.3.
Los aditivos superplastificantes son polímeros or gánicos, ya sea de melamina sulfonatada ocondesados de formaldehídode naftalina sulfonatada;o lignosulfona tos modificados, los cuales, además, no contienen clo ruros adicionales, por lo que pueden utilizarse en todo tipo de concretos sin peligro de corrosión para el acero de refuerzo. Las especificaciones de estos aditivos se encuentran descritas en la norma ASTM C-494 y co rresponde a los aditivos tipo F y G, caracterizados por un fraguado normal o como retardante, respectivamente.
Aditivos minerales Algunos materiales minerales finamente divididos también son empleados como aditivos del concreto para mejorar la trabajabilidad de mezclas deficientes en particulas de tamaño menor, en particular las que pasan los tamices de 30011 m y 15011 m (No.50 y No.
1\dlllvos para concrelo
Tabla 12.3 Clases de puzolanas según ASTM C-618
Puzolanas naturales crudas o calcinadas que cluyen tierras diatomáceas, materiales opalinos pizarras, tufas y cenizas volcánicas o pumicitas algunas arcillas y esquistos calcinados. F· Ceniza volante (Ay Ash) proveniente de bituminoso. C Ceniza volante, ceniza de lignito, provenientes carbón sub-bituminoso. S Algunos otros materiales que incluyen mmnkilt,sl procesadas, ciertas pizarras, arcillas y cllat.omltas¡ calcinadas.
273
Efectos en las propiedades del concreto Dado que las propiedades de losaditivos minerales finamente divididos varían considerablemente, éstos no deben ser añadidos a una mezcla de concreto sin un estudio de las características del aditivo por sí solo y de sus efectos.Acontinuaci ón se detallan algunosefectos de su empleo en el concreto. Efectos en el concreto fresco En general, las condiciones de calidad de este tipo de materiales se relacionan con su fineza, medida por el material retenido en el tamiz de 45 j.l m (No. 325), la cual tiene un efecto marcado sobre el requerimiento de agua en una mezcla. En general, mientras más fina mente dividido esté el material, mayor será el efecto en la reducción de agua, especialmente en el caso de las puzolanas. Desde luego, hay otrosfactorescomo la for ma y porosidad de las partículas que también inciden en el requerimiento de agua. Por ello, una puzolana gruesa o de forma no adecuada, tal
aditivos. Para un contenido fijo de cemento, el uso de materiales químicamente inertes tiene poco o ningún efecto en la elevación de temperatura del concretofres:· co. Cuando se emplean puzolanas para sustituir parte •· . del cemento, aprovechando que la reacción de éstas con el hidróxido de calcio genera comparativamente .· menos calor que el cemento al hidratarse, aun cuando • · el grado deesta disminución de calordepende de la da-.·. se de puzolanas y del tipo de cemento al que sustituye, puede considerarse que una puzolana genera alrede dor del 50% del calor que produciría el cemento sust tuido. Por ello, son especialmente recomendadas para concretos masivos. En cuanto al fraguado del concreto, dependiendo del tipo de puzolanas, del tipo de cemento y de las condiciones ambientales, éste puede alargarse ligera mente por efecto de la disminución en el calor de hidratación.
Efectos en el concreto endurecid o
Otros aditivos Por último, existe otra serie de aditivos desarrolla dos con fines específicos que se presentarán de mane ra breve a continuación. Aditivos generadores de gas El aluminio en polvo
y otros materiales
generado res de gas son algunas veces adicionados al concreto o a las lechadas de inyección en pequeñas cantidades para causar una ligera expansión antes del endurec miento. Esto es especialmente benéfico en el caso de las lechadas de inyección que quedan confinadas en el anclaje de pernos, las basesde maquinaria o los duetos
de tensionamiento de concreto preesforzado. Estos ma teriales también son utilizados en grandes cantidades para producir concretos ligeros celulares (ver capítulo 15). La cuantía de la expansión generada depende de la cantidad de agente formador de gas empleado, de la temperatura del concreto fresco, del contenido de
como ocurre con
los vidr ios vol
mentación directamente en la matriz del concreto, sin necesidad de emplear agregados especiales para colo rear. Estos son pigmentos disponibles tanto en forma natural como sintética y están formulados para produ cir el color adecuado sin afectar otras propiedades del concreto. En la tabla 12.4 se representan algunos de ellos. Tabla 12.4
Pigmen tos para colorea r el concret o (12.1)
Oxido negro de hierro
Ne gro min eral Ne gro de hu mo
Grises a negro
Azul ultra mari no Azul de talocianina Azul
cánicos, puede requerir aumento
agua en el concr eto
para un asentamiento determina do lo tanto y porexcesiva originar exudación y segre
gación del concreto fresco. De otra parte, el concreto que tiene puzolanas es engañoso en cuanto a que parece ser menos maneja ble que el concreto con cemento portland solo, debido al mayor volumen de fi11os y al menor volumen de agua, lo cual disminuye la movilidad de la mezcla cuan do se le aplica una fuerza de compactación. Por ello, la adición de este tipo de aditivos en mezclas ricas en ce mento debe ir acompañada de una reducción en el con tenido de cemento para evitar aumentos en la cantidad de agua de mezclado, las contracciones por secado, la absorción y la reducción de resistencia. Por lo general, la dosificación deaditivos inclusores de aire puede verse incrementada con el uso de estos
Como es lógico, el efecto de un aditivo mineral en la resistencia del concreto varía notablemente con las propiedades del aditivo y con las características de la
mezcla de concreto en la que se usa. Por ejemplo, los materiales relativamente inertes químicamente, por lo general aumentan la resistencia de mezclas pobres y decrecen la resistencia de mezclas ricas.Por otra parte, las puzolanas contribuyen a dar resistencia no sólo por sus características fisicas sino también por su com posición química, pero bajo la acción de un curado prolongado. Analmente, en lo que se refiere a la durabilidad del concreto, los aditivos puzolánicos generalmente dismi nuyen la permeabilidad, probablemente por la menor exudación, segregación y reducción del agua de mez clado; aumentan la resistencia al ataque agresivo del agua de mar, a los sulfatos solubles en el suelo y aguas naturales ácidas; y reducen la expansión causada por la reacción álcali-sílice.
Oxi do rojo de hier ro Oxi do café de hier ro nat ura lo qu em ad o
álcalis del cemento y de otras variables. Aditivos para la adherencia
Los aditivos para mejorar la adherencia del concre to generalmente son emulsiones de un polímero orgá nico, tales como caucho, cloruro de polivinilo, acetado de polivinilo y acrílicos. Estos son adicionados a las mezclas de cemento portland, o aplicados en la super fiCie del concreto viejo para incrementar las propieda des de adherencia entre el concreto viejo y el concreto nuevo. Generalmente son adicionados en proporcio nes que varian entre. un 5% y un 20% del peso del cemento, dependiendo de las condiciones de trabajo y del tipo de aditivo utilizado. Adicionalmente, debe te nerse en cuenta que este tipo de aditivos causan inclu sión de aire en las mezclas de concreto. A d i t i v o s c o
Rojo, brillante u Café
l o r a n t e s Tal como se mencionó en el capítulo 8, hoy en día se dispone de materiales que proporcionan una pig-
Oxido amarillo de hierro Marfil o crema Oxido de cromo o verde de talocianina Verde
Dióxido de titanio Blanco La dosificación decualquier pigmento normalmen te no debe exceder dell0%
274 TECNOLOGIA DEL CONCRUO Y DEL MORTERO
del peso del cemento. Las dosificaciones por debajo del 6% generalmente no tienen ,un efecto significativo en las propiedades del concreto; sin embargo, cantidades mayores pueden A d
aumentar el requerimiento de agua de la mezcla, a tal grado que la resistencia o la durabilidad se pueden ver disminuidas. El negro de humo aumenta considerable mente la dosificación de aditivo indusor de aire cuando ello se requiere. 2 7
Especificaciones y calidad de los aditivos Los aditivos deben probarse para su aceptación, con el objeto de saber si cumplen con las especificacio nes del suministrador; evaluar sus efectos en las pro piedades del concreto que se va a fabricar con materia les de la obra y bajo las condiciones previstas de am biente y procedimientos de construcción; o determinar la uniformidad entre diferentes lotes del producto. En el caso de los inclusores de aire, éstos deben cumplir con la especificación ASTM C-260 y la medida del contenido de aire en el concreto se debe hacer por los procedimientos descritos en este mismo capítulo.
Para los aditivos convencionales clasificados en la norma ASTM C-494, en la tabla 12.5 se presenta un, resumen de sus efectos en las propiedades del concre-' to. Sin embargo, un medio práctico para verificar su calidad puede basarse en pruebas generales que, aun que no son definitivas, pueden emplearse para contro lar su uniformidad a través del tiempo. Algunas de éstas pueden ser: observación de la naturaleza física, determinación del contenido de sólidos, determina ción del pH, determinación del peso especifico, análisis de ingredientes específicos tales como cloruros, carbo hidratos u otros y examen espectroscópico infrarrojo o ultravioleta para identificar componentes activos.
Tabla 12.5 Efecto de los aditivos convencionales en las propiedades del concreto
Reducción de agua para el mismo &sentamiento y contenido de aire.
Hasta 10%
Hasta lO%
Hasta 10%
Hasta 30%
minimo5%
minimo5%
minimo5%
mlnimo t2%
Hasta 30% rnlnimo 12%
Aumenta
Aumenta notablemente
Aum ta notablemente
asentllmiento
asentl!lmlento mejora manejablfidad sin segregación.
Aumentll el Mtmejabilidad manteniendo ei asentamiento, constenteel mejora de i5gua manejabindl!ld y de 1& mezdll. di5mlnuye segregación.
Aumenta asentamiento mejora manejabilidad disminuye segregación.
y
asentamiento mejora contenido manejl!lbilldad y
disminuye segregadón.
Pérdid8 del &!Sentamiento.
Aunque el asentamiento es mayor para les reducciones de agua, la pérdida de asentamiento es Igual que sin aditivos, sin embargo, éstos permiten mayor tiempo entre mezclado y colocl!ldón.
lndusión de
En general algo de aire, especío!!lmente lo51ignosulfinatos, por lo cul!ll al aplicar lndusores de airedebe
aire.
reducir le canlide.d de lndusor de aire. Se obtiene más lentamente.
temprano.
Se obtiene más lentamente.
Se obtiene més temprano.
De 1 e. 3horas
De 1 a 3horas
antes.
después.
De l a 3'h: horas entes.
Se obtiene más
y aumento de
mejora manejabilidad sin segregación.
Oespus de 30 a 60 minutos ocurre una rápida pérdida de manejabilidl!ld. En general, no Incluyen aire.
Se obtiene más lentemente.
temperatura.
Velocid1.1d de fraguado con respecto al
Noesmásde 1 h. antes o más de 1 H. después,
De 1
8
3horas
después.
concreto de referencia sin aditivo.
Contracción.
Resistencia.
Durabilidad.
Aumenta o disminuye de acuerdo a la composición qulmka del aditivo. Lo únko cierto, es que entre menos Cerrn:!nlo tenga el concreto, menos contracción habrá. Aumenta a todas las edades.
jora
Igual entre 16 y 48 Aumenta h.15% a 25% de notablemente aumento a 28 dles. a edades
Mejora
Aumenlts notablemente a edades tempranas. Puede verse afectada según dosificación y tipo.
Al reducir el agua manteniendo constante el contenido de cemento aumenta notablemente.
Mejora
Par" los aditivos mlnernles, ya se habia mendonado la norma ASTM C.S18
TECNOLOGIA DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
276
Adfliuos para concreto
277
CAPITULO
1
Producción y manejo del concreto Introducción Según lo expuesto en capítulos anteriores, cada uno de los materiales que constituyen el concreto tiene unas características y funciones que son aprovecha das al diseñar la mezcla, en concordancia con las pro piedades y requerimientos del concreto. Sin embargo, la obtención de concreto de alta calidad no sólo depende de un adecuado diseño de mezcla, sino también de apropiados procedimientos de producción y manejo que reproduzcan y conserven las propiedades y características que han sido previs tas en el diseño. Dentro del proceso de producción, la correcta medida decada uno de los ingredientes que componen la mezcla, es decir su dosificación, constituye un aspecto extremadamente importante, al cual pocas veces se da la importancia que merece. La falta de suficiente atención en la medida y control de los ingredientes, no sólo puede dar como resultado un "concreto pobre" proveniente de una mezcla bien diseñada, sino también un deficiente in ventario de materias primas con sus consecuentes pérdidas económicas. Producción y manejo del concreto
Para asegurar que un diseño de mezcla determina do se está reproduciendo fielmente en el campo, hay que conjugar dos factores en la medida de los ingre dientes: dosificación por peso, y cambios en el conte nido de humedad de los agregados. La dosificación de los materiales sólidos debe hacerse siempre por peso, ya que si éstos se miden en volumen, ello conduce a graveserrores. Adicionalmente, debido a que los agregados tienen alguna porosidad, el agua de mezclado puede ser absorbida o retenida en la superficie de las partículas.
Estos efectos deben ser estimados, y la mezcla ajustada, ya que el agua de absorción o la humedad superficial asociada con los agregados, no constituyen parte del agua de mezclado que ha sido calculada en el diseño de !a mezcla, el cual siempre se determina y especifica por peso seco de los ingredientes sólidos. La elaboración de concreto consiste esencialmen te en preparar la mezcla mediante los procesos de dosificación y mezclado, de acuerdo con!as proporcio nes de ingredientes indicadas por el diseño, con el objeto de cubrir !a superficie de todas las partíéulas de! agregado con pasta de cemento de modo que se ob tenga una masa uniforme, que por su naturaleza pro279
pia no puede ser almacenada y debe ser transportada a un lugar determinado en un tiempo, también determi nado. Las operacionesde almacenamiento, dosificación y mezclado de los componentes del concreto pueden ser efectuadas en la propia obra o fuera de ella, según las circunstancias, siendo en este último caso necesa rio, también, el transporte de la mezcla a la obra, con lo cual se inicia el proceso de manejo del concreto. En la figura 13.1 se esquematizan estos procedimientos. Las operaciones subsiguientes, también necesa rias para obtener las propiedades finales del concreto endurecido, deben ser efectuadas en la obra misma (con excepción del caso de elementos prefabricados) y comprenden las operaciones de transporte dentro de la obra, colocación, consolidación, acabado, fraguado, protección, curado, descimbrado y puesta en servicio de la estructura de concreto. Todos estos aspectos se rán estudiados en el presente capítulo.
Figura 13.1 Esquema de los procesos de diseño, producción, manejo, protección y curado del concreto hasta obtener el concreto endurecido en la obra
PROCESO DE PRODUCCION
Instalaciones para la producción del concreto A principios del siglo la dosificación del concreto se hacía por volumen y sin ninguna precisión, las propor ciones que más frecuentemente se usaban eran 1:2:4; 1:2 1/2:5; y 1:3:6, de cemento, arena y grava, respec tivamente, y la máxima resistencia obtenida era del orden de 210 kg/cm2 (3.000 p.s.i.). Las unidades utili zadas para medir los agregados eran las palas y carre tillas. Para medir el cemento se empleaba como unidad de medida el bulto o saco. El agua se vertía a juicio del albañil antes de empezar y durante el mezclado, hasta alcanzar la consistencia deseada. Estas operaciones se hacían en el piso o en artesas, mezclando manual mente con las palas.
PROCESO DE MANEJO
(Sistema de
colocación)
Hacia el año 1920 se puso especial énfasis en el mezclado, probablemente por la invención de los pri meros trompos mezcladores y camiones mezcladores, prestando poca atención a la dosificación. Sin embar go, posteriormente se desarrolló el hábito de proporcio nar por peso, empleando básculas en la dosificación de agregados. Antes de que se conocieran las plantas de concreto premezc:lado, las balanzas representaban el método más práctico para la dosificación del concre to en cualquier tipo de obra, con excepción de las pre sas de gran tamaño, las carreteras y las estructuras de concreto masivo. Hoy en día existen muchos tipos de sistemas de producción de concreto, desde mezcladoras peque ñas, cuy a capacidad puede ser tan baja como 50 litros, hasta modernas plantas de producción automatizadas y computarizadas. La elección del sistema apropiado depende esencialmente de la calidad del concreto a producir, de la importancia de los costos de funciona miento, del tamaño máximo del agregado de la mez cla, del rendimiento horario de la instalación, así como del tamaño de la obra. Dentro de las mezcladoras se en cuentran los siguientE;s tipos: para construcción en ge neral, montadas sobre camiones y para pavimentacio nes. Estas son representadas en la tabla 13.1. Las mezcladoras de caída libre consisten en un tambor de forma troncocónica, con una abertura cuan do menos. El mezclado se produce gradas a unas as pas o aletas dispuestas en la pared interior que, al girar
En nuestro medio, aún hoy en día, y con relativa fre cuencia, se emplea este procedimiento, poco recomen dable, pero con algunas variaciones, en cuyo caso los agregados se mezclan por volteo con palas pasándo las de un lado al otro, sobre una superficie dura, limpia 280
y no porosa. Usualmente se requiere traspalear tres ve ces. Posteriormente, el agregado ya revuelto se extien de en una capa uniforme; el cemento se esparce sobre el agregado y nuevamente se mezclan pasándolos de un lado al otro y "cortando" con una pala hasta que la mezcla esté uniforme.Se forma un montón con los ma teriales ya revueltos y éste se esparce abriéndole un cráter en el centro, donde posteriormente se vierte el agua gradualmente y se traspalea de afuera hacia den tro del cráter, mezclando hasta ver color y consistencia uniformes.
TE:CNOLOGIA DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
Producción y manejo del concreto
el tambor, agitan el material y lo arrastran en parte has ta que cae libremente. Estas pueden ser basculantes, es decir, suspendidas en un pivote que permite la incli nación de la olla para la descarga; o no basculantes, en cuyo caso, el eje de la mezcladora está siempre hori zontal y la descarga se obtiene ya sea mediante una pala o canal que se inserta en la olla (cuando el sentido de rotación es único), al invertir el sentido de rotación de la olla o algunas veces por una segunda abertura. Las mezcladoras de acción forzada consisten por lo general en un tambor cilíndrico que puede ser de bandeja, en cuyo caso el recipiente de mezclado puede estar fijo o animado de movimiento giratorio y los me canismos de mezclado se mueven en tomo a un eje vertical batiendo la mezcla en el mismo o en un sentido opuesto; la descarga se hace por medio de una válvula en el fondo. El otro tipo es de batea o artesa, con uno o dos árboles horizontales para los mecanismos de mezclado; la descarga de la batea se puede hacer por el fondo dotado de una válvula o también por volteo. Las mezcladoras montadas sobre camión (mixer) son similares a las mezcladoras de caida libre, y las mezcladoras de trabajo continuo que se usan en la construcción de carreteras. Estas últimas consisten en dos ollas en serie, en una de las cuales se mezcla parcialmente el concreto, se transfiere a la otra para complementar el mezclado y finalmente se descarga; mientras tanto, la primera olla se carga de nuevo y vuelve a mezclar parcialmente. La operación es sin cronizada y el trabajo es continuo. También las hay de olla triple. En cuanto a las plantas de producción de concreto, éstas son instalaciones en donde se centralizan todas las operaciones de producción y suministro, en cuyo caso el concreto se entrega listo para su colocación y se conoce como concreto premezclado. Este tipo de concreto es ampliamente utilizado en todo el mundo, ofrece muchas ventajas respecto a los métodos tradicio nales de dosificar y mezclar en obra, y constituye hoy en día una de las industrias de la construcción más im-
281
Tabla 13.1 Tipos de mezcladoras (13.5)
Forma de
Mezcladoras de trabajo intermitente (por hachadas) Mezcladoras de trabajo continuo
trabajo Mezcladoras de caída libre
Tipos de mezcladoras Modo de
Mezcladoras de acción forzada
Mezcladoras de caida libre
Tambor cilíndrico o troncocónico
De bandeja
De batea
Por vuelco del ta m· bor, introducción de una pala o in versión del sentido de giro con descar ga por la boca de carga o por una segunda abertura.
Por válvula en el fondo.
Por válvula Inversión del sentido en el fondo de giro con descarga o vuelco por la boca de carga. de la batea.
portantes y avanzadas del mundo. En la mayoría de los países, más de la mitad del concreto vaciado en obra, es concreto premezdado. Las plantas de producción, prácticamente en su totalidad, trabajan por pesadas intermitentes. En gene ral, pesan los agregados y el cemento correspondien tes a la capacidad de la olla de mezclado. El cemento normalmente es utilizado a granel y almacenado en silos, de donde posteriormente es pesado y dosificado. El agua y los aditivos generalmente se dosifican por volumen. Los agregados se almacenan en tolvas sobre los recipientes de las básculas y su alimentación se
282
camión mezclador para su transporte al sitio de descar ga, en cuyo caso la olla del camión mezclador cumple el simple papel de agitador a fin de evitar la segrega ción y un indebido endurecimiento de la mezcla. En el segundo, los materiales son introducidos directamente dentro de la olla de camión mezclador por una planta dosificadora, en cuyo caso el camión mezclador cum ple las operaciones de mezclado y agitación, ya sea en
Mezcladora de olla doble o triple en rie y de operación sincronizada
Tambor troncocónico Tambor cilíndrico o troncocónico Descarga por la boca de carga por una segunda abertura.
tránsito a la obra o inmediatamente antes de descargar el concreto. El mezclado en tránsito, permite recorri dos más largos, pero la capacidad de la olla del camión que se emplea como mezcladora es menor que si se empleara como agitadora, debido a que los materiales sueltos sin mezclar ocupan mayor espacio que ya mezclados (por lo general hasta un 25% del volumen). Por último, algunas veces el concreto es mezclado parcialmente en la planta central, de modo que se pue da incrementar la capacidad de la olla del camión y se complete el mezclado durante el tránsito, obteniéndose así la tercera categoría de concreto premezclado: concreto parcialmente mezclado en tránsito.
Proceso de Producción del Concreto
puede hacer por medio de cargadores, bandas trans portadoras o palas de arrastre. La precisión de este sis tema de dosificación es indiscutible (del orden del!al 2% para cualquiera de los componentes) y las condi ciones de control tanto de calidad como de inventarios de materiales, ideales. Finalmente, se debe aclarar que existen tres cate garlas de concreto premezdado: concreto de mezcla do central, concreto de mezclado en tránsito y concre to parcialmente mezclado en tránsito. En el primero, el mezclado se hace en una planta central dotada de una olla mezcladora fija, de donde el concreto es vaciado al TECNOLOGIA DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
De acuerdo con la figura 13.1, el proceso de pro ducción de concreto propiamente dicho comprende las operaciones de:control, manejo y almacenamiento de materiales, dosificación y mezclado. A continua ción, se verán algunos aspectos relativos a cada una de estas operaciones.
Control, manejo y almacenamiento de materiales Como se ha visto, cada uno de los componentes del concreto tiene sus propiedades y características que en la mayoría de los casos son logradas a través de procesos de producción anteriores y que deben conservarse con un adecuado manejo para garantizar un buen comportamiento en el concreto, ya que los abusos en su manipulación y almacenamiento deterio ran esas propiedades. Producción y manejo del concreta
Manejo y almacenamiento del cemento Como se mencionó anteriormente, el cemento que se emplea en la producción de concreto de preferencia debe ser a granel. Este, normalmente es transportado . en camiones-silo (conocidos como "pipas" en nuestro medio), cuya capacidad es del orden de 30 a 45 to neladas y descargado por mecanismos apropiados (compresores de aire) en silos protegidos contra la intemperie y adecuadamente ventilados para impedir la absorción de humedad. En general, el interior de un silo de cemento debe ser liso, con una inclinación mínima de 50 grados res pecto de la horizontal en la tolva inferior, para un silo circular, y desde 55 a 60 grados para un silo rectangu lar. Los más recomendables son los silos circulares. Para el empleo simultáneo de diversos cementos se deben establecer varios silos. Uno por cada tipo e inclusive para cada marca de cemento. En cuanto a la dosificación, cada silo debe disponer de un mecanis mo apropiado (tornillo sinfín, conducto de aire, alimen tador rotatorio, etc.) que garantice un flujo constante del material con corte preciso, para lograr pesos exac tos de cemento en cada hachada de concreto. De otra parte, los silos de almacenamiento deben ser desocu pados con frecuencia, preferiblemente una vez por mes, para impedir la formación de pelotas y costras de cemento en su interior. Cuando se deba emplear cemento suministrado en sacos o bultos, por ser el cemento muy sensible a la humedad, los sacos deben protegerse de las condicio nes atmosféricas preferiblemente en un almacén cu bierto y sobre plataformas de modo que se permita la circulación del aire, En general, el cemento almacena do en sacos debe consumirse al mismo ritmo de los suministros para evitar prolongados tiempos de almacenamiento, especialmente en climas húmedos. Sin embargo, para un período de almacenamiento in ferior a 60 días, es recomendable evitar que se super pongan más de 14 sacos de cemento y para periodos 283
mayores no deben superponerse más de 7 sacos. La colocación de los sacos en "circuito cerrado" simplifica el modo de retirarlos, de manera que, se emplea la regla del sistema FIFO (first in- first out) con lo cual se emplea primero el cemento más viejo. La precisión acostumbrada en la dosificación de cemento ensacado para la producción de concreto, es de medio bulto (25 kg), o un múltiplo de dicho peso. Finalmente, las mues tras para ensayos deben ser tomadas de acuerdo con la norma lcontec-108. Manejo y almacenamiento del agua De ordinario, el agua de mezclado en zonas urba nas se toma del abastecimiento local. Si no es posible o no existe, hay necesidad de instalar una captación que ofrezca un agua no agresiva. La demanda de agua, desde luego, depende del tipo de planta, su capacidad de producción, el sistema de mezclado y las condiciones ambientales, ya que no es sólo necesaria como ingrediente de la mezcla, sino también para el lavado de las ollas de los camiones mezcladores, después de cada descarga. Pero para efectos de calcular la demanda de agua, en términos generales, se puede asumir que por cada metro cúbico
a) El patio se debe diseñar de manera que la circula ción de vehículos no contamine los agregados, y 1 que los accesos estén libres y limpios. b) Para evitar contaminación del material con el piso o fondo, es conveniente que el patio tenga un pisp duro (de preferencia concreto o suelo-cemento). e) De igual manera, también se debe disponer de un sistema adecuado de drenaje con el fin de evacuar el agua libre del material, evitando humedad dife rencial entre los montones. d) Para evitar traslapes entre los acopios de materia les con diferente granulometría se deben proveer muros divisorios. e) Los muros divisorios deben delinear zonas defini das y de volumen apropiado para que cada mate rial se descargue, ordene, almacene y utilice de acuerdo con el sistema de manejo de inventarios FIFO (en inglés, lo primero que entra es lo primero que sale), de manera que se evite el almacenamiento prolongado del material. f) Para ordenar el material, las pilas de almacena
de concreto, es necesario otro metro cúbico de agua. De cualquier manera, debe disponerse de un tan que adecuado a las necesidades de producción del concreto, que permita un almacenamiento libre de contaminación, y que sea de fácil acceso para la toma de muestras, su limpieza y su lavado. Manejo y almacenamiento de los agregados El almacenamiento de los agregados debe hacerse en patios con suficiente amplitud para permitir la circu lación y operación de los equipos destinados a su transporte y manejo. En general, en la organización de los patios de almacenamiento para agregados, se deben observar las siguientes recomendaciones. 284
tamaño, a fin de evitar la contaminación con par tículas de otros tamaños. i) Se debe evitar la acción del viento sobre la arena seca, debido a que esto causa pérdida de finos, segregación del material y en algunos casos, con taminación con polvo. Para ello, los muros diviso ríos deben tener suficiente altura para dar la protec ción requerida. Recomendaciones adicionales para agregados gruesos Uno de los problemas que más frecuentemente ocurren durante la manipulación del agregado grueso es la separación y reagrupación desordenada de sus partículas, más comúnmente conocida como segrega ción. Este problema afecta la granulometría obtenida inicialmente, durante el proceso de producción del agregado. Por tal razón, la práctica recomendada para mini mizar tal segregación es separar el material en fraccio nes individuales apropiadas de varios tamaños, para posteriormente dosificarlas por separado en el equipo
miento se deben construir en capas horizontales o de pendiente suave, de tal manera que se eviten las pilas de forma cónica y la descarga del material en los lados indinados de las pilas (por volteo). g)
de mezclado, de tal manera que se "arma" la granulo metría del agregado en el momento de la dosificaciór de los materiales para producir el concreto. Desde luego, la situación ideal sería que cada frac ción estuviera constituida por partículas de un solo ta maño, en cuyo caso no habría segregación, pero esto no es práctico ni económico. Sin embargo, se ha en contrado que el control de la segregación del agrega do es adecuado cuando cada fracción está constituida por no másde cuatro tamaños nominales de partículas para agregados cuyo tamaño máximo sea inferior a 25.4 mm (1"),y no más de dos tamaños nominales de partículas para agregados cuyo tamaño sea superior a 25.4 mm (1"). Para entender mejor estos conceptos, en la tabla 13.2 se presentan algunos ejemplos de có mo agrupar las fracciones. Es esta la principal razón por la cual la norma NTC - 174 especifica las diferentes granulometrías de agregado grueso (en porcentaJe que pasa), en cuatro grupos de tamaños (ver tabla 4.20, capítulo 4), e incluso presente granulometrías parciales para los tamaños mayores, como son las No. O, No. 1, No. 8 y No. 9, de dicha tabla.
Tabla 13.2 Ejemplos de agrupación de partículas del agregado grueso
Se debe evitar el tránsito de camiones, bulldózeres, cargadores o cualquier otro vehículo sobre los montones del material, debido a que además de contaminar el material, éste se puede quebrar, con lo cual se altera su granulometría y eventualmente su resistencia.
h) Cuando el manejo de los agregados en el patio se ejecuta por medio de cucharones, bandas tran portadoras, cangilones, etc., éstos no deben osci lar sobre los montones de agregados de diferente .
TECNOLOGIA oa CONCRETO Y DEL MORTERO ·
2 3
Producción y manejo del concreto
285
Por otra parte, el porcentaje de tamaños menores que el tamaño mínimo especificado (fracción fina del agregado grueso), debe ser tan bajo y uniforme como sea posible, pero siempre dentro de los límites espe dficados por la norma. Por lo cual se debe tener es pedal cuidado durante el manejo para no aumentr la proporción de este material, de tal manera que no se altere la granulometria del agregado antes de ser dosificado.
tados diferentes a saber: seco, parcialmente saturado saturado y superficialmente seco, o húmedo (con agu libre en la superficie), lo cual depende del estadd del tiempo y de las condiciones de almacenamiento. A partir de estos estados, es menester determinar la condición de humedad antes de la dosificación, con el fin de realizar las correcciones pertinentes segÚn la ecuación {11.23) delcapítulo 11.
Recomendaciones adicionales para agregados finos
Pero esta ecuación supone que la humedad pre sente en el agregado está homogéneamente distribui da por toda la masa, por lo cual durante el almace namiento se debe garantizar un contenidode humedad estable o uniforme, ya que la humedad diferencial (agua libre) en los agregados {principalmente en la arena) es una de las causas más comunes de pérdidas o aumentos de la consistencia y resistencia del concre too el mortero, y de las variaciones en las proporciones iniciales de los materiales, ya que la dosificación se hace por peso.
Al igual que el agregado grueso, la arena también puede presentar variaciones en su granulometría, por lo cual es menester mantener uniformes las fracciones más finas haciendo que el módulo de finura no presen te variaciones por fuera del intervalo ± 0.20. Adicionalmente, como se mencionó en el capítulo 4, la fracción más fina de la arena que pasa el tamiz de 0.074 mm (No.200) debe tratarse con especial cuida do y observando los límites impuestos por la norma kontec-174. Cuando se dispone de dos arenas con tamaños diferentes, lo adecuado es mantenerlas se paradas durante el manejo, el almacenamiento y la · dosificación, ya que no se pueden mezclar satisfacto riamente dos tamaños de arena colocándolos alterna damente en montones o en camiones. Lo conveniente es que durante el mezclado de los materiales, éstos fluyan en una corriente común, de manera simultánea y regulada, para garantizar la proporción adecuada de cada tipo de arena. Por último, para una condición uniforme y satisfac toria en el grado de humedad del agregado fino, éste debe dejarse en reposo, en el patio dealmacenamiento, por lo menos durante 24 horas.
Control de humedad de los agregados
Por ello, en algunos casos (sobre todo en clima cálido}, es conveniente mojar el material para garanti zar una humedad uniforme y aún más, cuando el grado de absorción de las partículas es alto; en otros, debe darse suficiente tiempo (principalmente a la arena) de reposo al material en el patio de almacenamiento con el fin de dejar drenar el agua libre (sin que se acumule en el patio, por!o cual se deben proyectar los drenajes) hasta que se adquiera un contenido de humedad uni forme. Generalmente, para lograr una condición satis factoria, este periodo de tiempo ocupa entre 24 y 48 horas, dependiendo de la granulometría y forma, textu ra y absorción de las partículas. Para llevar a cabo este control de humedad hay diversos métodoscomoel descritoen la norma lcontec1776, el cual es un método directo, o el humedómetro (Speedy) y algunos sistemas eléctricos, qus'on méto dos indirectos. Por último, las muestras de prueba de ben sertomadasen el desarrollo de un plan de muestreo diseñado previamente, ya que la dificultad de conse guir muestras representativas aumenta de acuerdo
Tal como se mencionó en el cuarto capítulo, los agregados pueden encontrarse o pasar por cuatro es286
TECNOLOGIA DEL CONCRE:ro Y DEL MORTERO
con el tamaño del agregado. Para tal efecto, la norma lcontec-129 establece los procedimientos adecuados.
dos" de los agregados y el agua a dosificar, indepen dientemente de su grado de saturación.
Manejo y almacenamiento de los aditivos
Sin embargo, en el evento deque haya quedosificar "por volumen" (como en trabajos pequeños), el ce mento debe dosificarse por bultos, en cuyo cao la precisión acostumbrada esde medio bulto (25 kg) o un múltiplo de dicho peso y los sacos rotos no deben em plearse sin antes pesarlos; los agregados, en lo posible, deben dosificarse en seco y en una proporción por vo lumen medida en cajones o recipientes cuyo volumen sea equivalente al peso seco de material por volumen unitario de concreto (hachada según la capacidad de la mezcladora), dividido por su masa unitaria suelta; el agua y los aditivos deben medirse por volumen en recipientes o probetas graduadas; para ello, debe tener se en cuenta que los aditivos líquidos deben disolverse previamente en el agua de mezclado, con el objeto de que se dispersen homogéneamente por toda la masa de concreto y no se formen "bolsas" de aditivo, ya que por lo general éstos son más viscosos que el agua.
El éxito en el uso de aditivos depende en gran parte del empleo de métodos apropiados de preparación, manejo, almacenamiento y dosificación. Para ello de . ben atenderse las recomendaciones del fabricante y su cumplimiento con las normas y especificaciones. Pero en general, los aditivos fabricados en forma líquida de ben almacenarse en tanques herméticos protegidos de los rigores del clima. Cuando se trata de aditivos en polvo disueltos en agua u otro líquido, los tanques de almacenamiento deben estar provistos de agitación para mantener los sólidos en suspensión. En éstos la dosificación se hace por peso o por volumen, mediante dispositivos adecuados. En el caso de aditivos minerales finamente dividi dos como las puzolanas y otros, las recomendaciones de manejo y almacenamiento son las mismas de los materiales cementantes e igualmente su dosificación se hace por peso. Las muestras de aditivos deben ser representativas y deben ser tomadas de la producción de planta, de envases que no hayan sido abiertos, o bien de suministros a granel recientes.
Dosificación de materiales Como se mencionó anteriormente, la dosificación del cementoy los agregadossiempre debe hacerse por peso, pues la medida de éstos o cualquier otro sólido con base en su volumen puede conducir a grandes erroresal notenerseen cuenta el gradode compactación o abultamiento de las partículas, el grado de saturación o humedad de los agregados, ni el volumen absoluto de cada ingrediente en el momento de la dosificación. Por ello, sólo el agua y los aditivos líquidos pueden ser medidos con precisión con base en el volumen. Adi cionalmente, la dosificación por peso también permite un rápido y conveniente ajuste de los "pesos húme-
Producción y maneyo del roncreto
En el caso de plantas de producción central, que es frecuente en zonas urbanas y en los grandes proyectos de ingeniería, donde los volúmenes a producir justifi can su instalación, durante las operaciones de medi ción los agregados deben manejarse de tal manera que mantengan la granulometría deseada, pesándose to dos los materiales a la tolerancia requerida para repro ducir.fielmente el diseño de la mezcla. Para ello se dis tinguen equipos de dosificación manual, semiautomá tica. La conformación y tipos de plantas dosificadoras de concreto varían ampliamente, pero por cada tipo de material debe haber un silo o compartimiento de alma cenaje que descargue en una báscula de pesaje, la cual, a su vez, vierte el material a la olla de mezclado. Para el pesaje, existen dos sistemas de dosificación universalmente reconocidos: El pesaje individual de cada ingrediente y el pesaje acumulativo de los agre gados. En el primero, cada material es pesado por separa do en básculas independientes. En el segundo, el
287
cemento se pesa separadamente, pero los agregados (finos y gruesos) se pesan acumulativamente en una misma báscula. Las especificaciones más frecuente mente usadas, respecto de las escalas de precisión en la medida de los ingredientes, son la norma A.S.T.M.C . 94 (especificaciones para concreto elaborado), y la i "Práctica Recomendable para la Medición, Mezclado, Transporte y Colocación de Concreto" A.C.I. 304. Estas tolerancias típicas se muestran en la Tabla
13.3.
Los silosdecemento y las tolvasde almacenamiento de agregados de una planta dosificadora deben tener una capacidad acorde con la velocidad de producción
y mantenerse tan llenos como sea posible. En el caso
de los agregados, esto se hace para reducir al mínimo el resquebrajamiento por impacto y los cambios de granulometría al extraer los materiales. En la figura. 13.2 se indican algunos ejemplos de la disposición de los silos y tolvas en una planta dosificadora. Las tolvas de pesaje del cemento y de los agrega dos deben ser depósitos suspendidos de una báscula debidamente calibrada y equipada con mecanismos de descarga adecuados.Para lograr la exactitud desea da en el pesaje, los silos y tolvas de almacenamiento deben disponer de sistemas de control de carga que, a
medida que se aproxima la cantidad de material reque rido en la tolva de pesaje, el material se pueda añadir a un ritmo controlado y se produzca el corte dentro de las tolerancias de pesaje. El agua y los aditivos se pue den medir por volumen o por peso, en sistemas ade cuados,' tales como medidores de caudal. Por último, debe recordarse que antes de pesar los agregados y el agua, deben hacerse los ajustes por humedad (ver capítulo 11). En general, los factores que afectan el sistema apropiado de dosificación son:el tamaño de la
obra, el volumen por hora requerido y las normas de rendimiento que se requieren en la dosificación.
Mezclado del concreto Como se mencionó anteriormente, el objeto del mezclado consiste en cubrir la superficie de todas las partículas del agregado con pasta de cemento, y a partir de todos los ingredientes del concreto, obtener una masa uniforme. Por lo tanto, el equipo y los méto-
Figura 13.2 Ejemplos de disposición de silos y tolvas de pesaje de una planta doslficadora
Tabla 13.3 Tolerancia típica de dosificación según ACI304 (13.9)
Cemento y otros materiales cementantes
1% y 0.3% de la capacidad de la bás,cula, el que sea mayor
Agua (pór volu meno peso); en por ciento
±1
Agregados por ciento
±2
No recomendado ±1
No debe ser menor que el peso reque rido ni más de 4% del peso requerido.
±1
No recomendado
±2 o ± 3% del peso
acumulado re que rido, el que s ea menor
Aditivos (por volumen o peso), por ciento 288
±3
No recomendado
_f!m
±3
No recomen dad o
TECNOLOGIA DEL CONCREIO Y DEL MORTERO
DISPOSICION PREFERIBLE Pesado automático y acumulación de agregados, que se llevan a la mezcladora por banda transportadora. El cemento.pesado · separadamente se descarga en forma controlada, de manera que el cemento Huya mientras los agregados se descargan.
l'rllducdón y maneyo del concreto
DISPOSICION ACEPTABLE Pesado automático y·acumulación de agregados. El cemento pesado separadamente se descarga en forma controlada, de manera que el cemento Huya mientras los agregados se descargan.
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dos empleados deben ser los adecuados. En la tabla 13.1 ya se habían indicado los tipos de mezcladoras. La operación de mezclado se inicia con la carga de los materiales en la olla de la mezcladora. Para ello, deben tomarse algunas precauciones con el objeto de evitar pérdidas de los materiales especialmente los ce mentantes. En realidad, no pueden darse reglas sobre el orden de alimentación de los ingredientes en la mez cladora, ya que dependen de las propiedades tanto de la mezcla como de la mezcladora. Por lo general, el cemento debe ser cargado junto con los agregados, pero debe entrar en la mezcladora después de que aproximadamente ellO% del agregado haya entrado en la olla. Adicionalmente, con el objeto de minimizar las pérdidas por volatilidad, el cemento debe descar garse a través de una manguera o tubo de tamaño adecuado dispuesto en un punto cerca del centro de la mezcladora. Cuando se hace necesario, cargar el ce mento por separado, casi siempre es necesario un tiempo adicional de mezclado con el fin de obtener la uniformidad deseada de la mezcla. El agua debe ser el primer elemento introducido en la mezcladora y debe continuar fluyendo mientras los
demás ingredientes se van cargando. Sin embargo, lo recomendable es que ésta termine de introducirse den tro de un 25% inicial del tiempo de mezclado. Los a tivos deben cargarse en la mezcladora en el misrno punto de la secuencia del mezclado, mezcla tras rnez. da.Los aditivos líquidos deben cargarse con el agua de mezclado y los aditivos en forma de polvo deben ser vertidos dentro de la mezcladora con otros ingredien tes secos. Cuando se emplea más de un aditivo, cada uno debe dosificarse por separado y no deben premez. darse antes de entrár en la mezcladora. La eficiencia de una mezcladora puede medirse por la variación que presente la mezcla al comparar dos o más muestras tomadas de diversos puntos de la mezcla, o entre muestras distintas tomadas en un mis mo de la descarga. La Norma NTC-3318 (ASTMC 94), la cual establece los requisitos del concreto premezclado, estipula que las muestras (de aproxima damente 0.1 m3 cada una), deben ser tomadas des pués de que se han descargado aproximadamente un 15% y un 85% de la descarga total de la olla y las diferencias en las propiedades de las dos muestras no deben exceder los límites indicados en la tabla 13.4.
Tabla 13.4 Requisitos de uniformidad del concreto según ASTM C-94
Peso unitario del concreto Contenido de aire del concreto Para asentamiento menor a 1O cm Para asentamiento entre 10 cm y 15 cm Contenido de agregado grueso retenido en el tamiz de 4.76 mm (No. 4) · Peso unitario del mortero sin aire Promedio de resistencia a la compresión a 7 días de edad por muestra (compuesta de mínimo 3 cilindros)
290
16 kgfm3 1.0% 2.5 cm 4.0 cm 6% 1.6% 7.5%
TECNOLOGIADEL CONCRUO Y DEL MORTERO
En cuanto al tiempo de mezclado, éste varia según el tipo de mezcladora empleada y en un sentido estric to, no es el tiempo de mezclado sino el número de re voluciones de la mezcladora el que marca el criterio a seguir para un mezclado uniforme del concreto. Sin embargo, como existe una velocidad de rotación reco mendada por el fabricante, el número de revoluciones y el tiempo de mezclado son interdependientes. La norma ASTM C-94 indica que cuando no existen especi ficaciones dadas por el fabricante de la mezcladora, puede utilizarse como una guía satisfactoria para esta blecer el tiempo de mezclado la siguiente recomenda ción: para mezcladoras fqas con capacidad de 1 yd 3
por cada yarda cúbica o fracción de capacidad adicio nal. El tiempo de mezclado debe medirse a partir del momento en que todos los ingredientes estén dentro de la mezcladora.
(0,76 m3) o menos, el tiempo de mezclado debe ser de 1 minuto. Para mezcladoras fijas de mayor capacidad, este mínimo debe ser incrementado en 15 segundos
remezcla.do y descarga de la olla. Algunos ejemplos se n en la tabla 13.5. muestra
Cuando se trata de concreto premezclado transpor tado en camión mezclador y dependiendo de si es mez clado en planta, mezclado en tránsito o parcialmente mezclado en tránsito, las características del mezclado dependerán de las especificaciones dadas por el fabri cante de la olla del camión en concordancia con lo esti pulado por la norma NTC3318 (ASTM C-94). Esto comprende las operaciones de carga, mezclado, viaje,
Tabla 13.5 Características de operación de algunas ollas mezcladoras montadas sobre camión
Carga Carga Mezclado Mezcla Viaje Agitación Remezdado Mezcla Descarga Descarga Vacío Parar
12-14 9-12 2-6 9-12 2-12 Parar
12-14 4-12 2-6 4-12 2-12 Parar
El mezclado en la olla de un camión mezclador es un proceso que se inicia con la introducción de los materiales previamente dosificados dentro de la olla, la cual debe estar girando a velocidad de carga. Después de cargar completamente los materiales, la olla debe girar a la velocidad de mezclado, empleando entre 70 y 100 revoluciones para completar el mezclado bajo condiciones normales. Con el objeto de evitar que el concreto que ha sido sometido a la velocidad de la
Producción y manejo del concreto
12-14 12-14 1-3 12-14 2-12 Parar
1-10 8-12 1-3 8-12 1-10 Parar
1-5
5-8
30-60 2-5 5-10
mezcla y no se ha descargado en la obra pierda su uniformidad, particularmente cuando el camión se encuentra en movimiento y la vibración producida da lugar a segregación de los componentes, es conve niente operar la olla a la velocidad de agitación. Antes de la descarga, la olla debe girarse de nuevo, a la velocidad de mezclado por unas 1O a 15 revoluciones con el objeto de rehomogenizar la mezcla.
291
La descarga por lo general se hace cambiando el sentido de giro de la olla y de manera regulada, a la ve locidad indicada por el fabricante. Lo conveniente es descargar rápidamente y a velocidad máxima. Sin em bargo, cuando la descarga es intermitente, su veloci dad debe controlarse y es conveniente hacer dar unas pocas vueltas a la olla en la dirección de mezcla duran te el intervalo entre dos descargas. Para llevar a cabo todas estas operaciones satisfactoriamente, la norma ASTM C-94 estipula que el volumen absoluto de todos los ingredientes dosificados para mezclado completo en un camión mezclador, no debe exceder del 63% de la capacidad de la olla. Cuando el camión mezclador cumple el papel de agitador, es decir que el concreto es mezclado previa mente en planta y después transportado en el camión, la olla se llena a velocidad de carga y luego se reduce a velocidad de agitación, después de la carga. En este caso, el volumen transportado puede aumentarse has ta el 80% de la capacidad de la olla. Finalmente, en lo posible, toda el agua de mezcla do debe clasificarse en la planta central. Pero en el evento de que parte se adicione en la planta y parte en la obra (como en el caso de clima cálido) o se haga necesario adicionar agua para compensar una pérdida de asentamiento (como máximo 2.5 cm de pérdida de asentamiento siempre y cuando no se exceda la máxi ma relación de agua-cemento permisible por el dise ño), es necesario que al adicionar esta agua se requie ran otras 30 revoluciones de la olla a velocidad de mezclado con el objeto de que queda bien incorporada a la mezcla.
Proceso de manejo del concreto Continuando con el esquema de la figura 13.1, el proceso de manejo del concreto que involucra las ope raciones subsiguientes a su producción, comprende aspectos tales como: el transporte a y dentro de la obra, la colocación, la consolidación y el acabado del
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concreto. A continuación se estudiará detenidamente cada una de estas operaciones. Transporte del concreto El sistema de transporte de!concreto, bien sea des de una planta central o dentro éle la misma obra, de pende de la capacidad y tiempo de entrega, las condi ciones de uso, el acceso y la ubicación del sitio de co locación, los ingredientes de la mezcla y las condicio nes ambientales, entre otros factores. Para ello, existen diferentes sistemas, tales como el camión mezclador el camión de p!atón fijo o con vuelco que puede tene; o no agitadores; recipientes de volteo transportados por camión o ferrocarril; conductos o mangueras y bandas transportadoras. Cualquier procedimiento de transporte es adecua do, siempre y cuando se evite la segregación de la mez. da durante el viaje; el sistema sea rápido, con el fin de evitar pérdidas de agua por evaporación, y no ocurran retrasos o interrupciones por mala organización del transporte que pueden dar lugar a juntas frías o juntas de construcción no previstas. Dado que la hidratación del cemento, la elevación de la temperatura, la pérdida de asentamiento y la pérdida de aire son procesos irreversibles que aumen tan con el paso del tiempo, lo lógico es mantener al mínimo el lapso de tiempo entre el mezclado y la entrega del concreto. Por esto, en el caso del concreto premezclado transportado en camiones mezcladores, la norma ASTM C-94 estipula que la descarga del concreto debe efectuarse antes de 90 minutos después de que el cemento y los demás ingredientes han sido introducidos en !a olla, o antes de que se completen 300 revoluciones de la olla durante el mezclado. Sin embargo, estas especificaciones pueden variar depen diendo del clima (por ejemplo, en clima cálido el tiem po máximo de transporte se restringe a 45 minutos). Los camiones de platón fijo o con vuelco, son una forma de transporte fácil y rápido para distancias
TECNOLOGIA DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
cortas entre la plantacentral y la obra, siempre y cuan do la descarga pueda ejecutarse fácilmente y con es pacio suficiente. El recipiente donde es transportado el concreto es una caja metálica de superficie lisa que ge neralmente descarga la mezcla por la parte de atrás. Puede estar provista de agitadores que aparte de ayu dar en la descarga, homogenizan el concreto que tiene una alta tendencia a la segregación como consecuen cia de la distribución no uniforme de la mezcla durante la carga y por la vibración durante el transporte. En este sistema, el tiempo de entrega usualmente especi ficado es de 30 a 45 minutos o distancias de hasta 1O km, aunque las condiciones de temperatura puedan o requieran más o menos tiempo. En otras oportunidades, cuandose trata de colocar grandes cantidades de concreto y la planta de mezcla do se encuentra cerca del lugar de colocación, se em plean recipientes montados sobre ruedas o carros de ferrocarril que son levantados por una grúa hasta el punto final de colocación. En este caso, el tiempo de trans· porte generalmente también es de 30 a 45 minutos. Otros métodos de transporte, cuando se requieren colocar grandes cantidades de concreto, son el siste ma de bombeo a través de tuberías rígidas y jo flexi bles, o las bandas transportadoras, las cuales son muy apropiadas cuando no existe espacio dentro de la obra para organizar algún otro esquema de transporte y dis tribución del concreto. Aunque estos métodos son sis temas de transporte, también son considerados siste mas de colocación por lo cual se discutirán en el s guiente punto y en el capitulo 15. Colocación del concreto Una vez que el concreto ha sido transportado hasta el sitio de su colocación, ésta debe efectuarse de manera tal que se eviten las pérdidas de uniformidad del concreto y que la disposición de las varillas de refuerzo no sea modificada con esta operación. El proceso de colocación debe hacerse en forma conti nua con el objeto de evitar juntas no previstas. Para Producción y manejo del concreto
ello, la distribución del concreto dentro de la obra tam bién debe ser continua. Entre los diversos sistemas de distribución y colocación del concreto se encuentran los siguientes: Canaletas Las canaletas se emplean con frecuencia para tras ladar concreto de elevaciones superiores a inferiores y constituyen el sistema de distribución más simple y económico. Las canaletas en general tienen forma se mi-cilíndrica y deben ser construidas o forradas en me tal. La inclinación debe ser constante y suficiente para permitir que el concreto fluya sin segregarse (pendien te de 1:3 a 1:2). y el material que sale de ella no debe dejarse caer más de 2 metros, para evitar segregación. Cuando las canaletas son demasiado largas y descu biertas, deben cubrirse para evitar la evaporación y pérdida de asentamiento. Carretillas y buggies Las carretillas y los carritos impulsados manual mente son medios para distribuir el concreto dentro de la obra a distancias máximas aproximadas de 60 me tros. Su capacidad oscila entre 60 y 220 litros y es re comendable que tengan ruedas de goma que amorti güen el movimiento durante la distribución. Los carritos impulsados a motor o buggies tienen capacidad de 250 a 350 litros y su distancia máxima recomendable de entrega es de aproximadamente 120 metros. Su eficiencia puede ser de cinco a seis veces mayor que en carrito,normal y veinte veces mayor que la carretilla.
Plumas, grúas y torre-grúas Durante muchos años, este ha sido el sistema más comúnmente empleado para distribuir y colocar el concreto dentro de la obra. Para cargas pequeñas, lo común es disponer de un "mezcladero" (cajón de ma dera) a nivel del piso en donde se descarga el concreto,
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de allí, éste es izado en un balde por medio de una pluma o grúa hasta el nivel de colocación y vertido en una carretilla que finalmente lo llevará a sitio exacto de descarga. Para cargas mayores, la combinación de una grúa o torregrúa con cubetas o zapatos que per mitan la descarga vertical de concreto por el fondo. y sin segregación es lo apropiado. B a n d a s t r a n s p o r t a d o r a s
El empleo de bandas transportadoras para la co locación de concreto es otro sistema que cada día co bra mayor vigencia. Las bandas transportadoras se pueden clasificar en tres tipos: transportadores portáti les, para colocar concreto a corto alcance y poca altu ra;
transport adoras de alimentaci ón, para colocar con creto a largo alcance, en cuyo caso operan en serie; y transport adoras de distribuci ón, que pueden ser espar cidoras radiales o de descarga lineal. La inclinació n máxima que se puede emplear con una banda transporta dora es variable y es una función tanto de la mezcla de concreto como del tipo y marca de la banda. Las bandas transporta doras del tipo de alimentac ión en serie funcionan a grandes velocidad es (generalm ente de 150 m/min.) y los tipos portátiles y de
distribuci ón operan a velocidad es menore s. B o m b e o
d e c o n c r e t o El concreto bombeado puede definirse como con creto transport ado mediante presión a través de tubos o manguer as flexibles, que descargan la mezcla direc tamente en el sitio de colocació n. Para bombear concre toes necesario que este pase a presión
por una tubería, por lo cual debe estar dosificado de tal manera que existan todos aquellos componentes que permitan for mar una película lubricante permanente en las paredes de la tubería con una consistencia adecuada. Hoy en día, la mayoría de las bombas de concreto se clasifican en dos grandes tipos de acuerdo a su fa bricación: las neumáticas, que funcionan por un vacío
inducido, y las de pistón, en las que el movimiento de éste suministra la energía necesaria para distribuir el concreto. En cuanto a la capacidad, hoy en día hay bombas que pueden llevar el consreto a más de 430 metros de altura y a distancias horizontales mayores de 2.000 metros, con caudaleque varían entre 6 mJ¡ hora y unos 1 150m3/hora. •
1
Adicionalmente, las bombas de concreto pueden ser estacionarias o autobombas. Las primeras se utili zan armando tubería hasta el sitio de vaciado, em pleando tramos rectos, codos, semicodos y acoplando en la punta una manguera flexible que permita distri buir el concreto. Las autobombas son bombas esta cionarias montadas sobre un camión y que tienen la tubería ya armada sobre una pluma desplegable y es cualizable que se maneja hidráulicamente y al final de la cual está la manguera flexible de repartición del con creto. Con las estacionarias se pueden lograr grandes distancias de bombeo y son ideales para llevar concre to hasta sitios apartados, mientras que las autobombas, trabajando con su pluma, pueden repartir el concreto más cómodamente en sitios inaccesibles, logrando así una mayor versatilidad. En cuanto al diámetro de la tubería, este varía de 76.1 mm (3") hasta 200 mm (8"), dependiendo de la capacidad y tipo de bomba. Por lo general, se recomienda que el tamaño máximo del agregado no sea mayor de 1/3o 1/4del diámetro inter no de la tubería (ver capítulo 15). Concreto vaciado por tubo-embudo En los casos en que la caída libre del concreto sea superior a 1.5 o 2.0 m, es necesario colocarlo emplean do tubos o trompas que amortigüen y canalicen su caí da evitando la segregación.Un caso particular de estos procedimientos lo constituye el vaciado "in situ" de pilotes preexcavados, o la colocación de concreto bajo agua, conocido como sistema Tremie. Este sistema consiste en una tubería cuyo extremo superior tiene forma de embudo para facilitar el vertido del concreto. El diámetro es normalmente de 8 veces el
tamaño máximo del agregado grueso y la colocación se efectúa garantizando que el extremo del tubo se man tenga sumergido dentro del concreto fresco. En este caso, la mezcla debe proporcionarse para un asenta miento de por lo menos 15cm (6") con el objeto de que pueda fluir libremente dentro del tubo (ver capítulo15). Máquinas extendedoras y cimbras deslizantes Para la construcción de pavimentos de concreto, el empleo de máquinas pavimentadoras de cimbra des lizante hace posible colocar y compactar el pavimento en grandes volúmenes y a ritmo acelerado. En otras oportunidades, como en el caso de la construcción de silos de concreto, se puede disponer de cimbras desli zantes que se desplazan tan pronto como el concreto ha logrado estabilidad y rigidez como para conservar su forma de diseño (ver capítulo 15). C o n s o li d a c i ó n d e l c o n c
r e t o El proceso de consolidación o compactación del concreto consiste en reducir al mínimo la cantidad de vacíos de aire atrapado, una vez que ha sido vaciado dentro de una formaleta, con el objeto de obtener el máximo peso unitario, La cantidad de aire atrapado de pende del diseño de la mezcla, de la granulometría del agregado, del tamaño y forma de la cimbra, de la can tidad de acero de refuerzo y del procedimiento seguido en el vaciado del concreto. La importancia de una ade cuada compactación es evidente, ya que el concreto, al igual que otros materiales, disminuye en capacidad tanto de resistencia mecánica como de durabilidad a medida que aumenta su porosidad. Existen numero sos métodos para disminuir esta porosidad y la selec ción de cualquiera de ellos depende de las caracterís ticas del concreto y del tipo de estructura. Estos son: métodos manuales y métodos mecánicos. M é t o d o s m a n u a l e s
De hecho, la acción de la gravedad confiere cierto grado de compactacíón al concreto cuando éste se en-
cuentra colocado dentro de la formaleta, especialmen te si se trata de mezclas muy fluidas que tienen un alto poder autonivelante y que no requieren sino de una li gera compactación por varillado. En mezclas d,e consistencia plástica, ya es necesa rio algún sistema de compactación, que de ser manual, se ejecuta generalmente con barras o varillas y consti tuye un procedimiento arduo y laborioso en el cual la compactación del concreto se logra mediante el gol peo sistemático de la masa. Cuando las mezclas pre sentan consistencia seca, el concreto se coloca en capas delgadas y cada capa es cuidadosamente apiso nada y compactada. Este es un método efectivo pero laborioso y costoso.
M é t o d o s m e c á n i c o s
ser externa o interna. La vibración externa se logra mediante la fija ción de un vibrador en la cimbra (vibradores de pared), mediante reglas vibratorias o mediante mesas vibra torias. La vibración externa es muy empleada en la pre fabricación y los pavimentos de concreto, donde por lo general la consistencia del concreto esseca; las cimbras deben ser fuertes y rígidas y la frecuencia de vibración suele variar entre 3.000 y 6.000 ciclos por minuto.
El método de consolidación más ampliamente usa do hoy en día es la vibración, que puede
La vibración interna o de inmersión quizá sea el método más común de compactación del
294
Producción y manejo del concrelo
TECNOLOG/A DEL CONCREfO Y DEL MOFífERO
295
concreto. En este caso, se introduce dentro del concreto un vástago que contiene un peso no balanceado llamado excéntri co, el cual gira a alta velocidad haciendo que el vástago oscile y someta el concreto a impulsos vibratorios. El radio de acción de este tipo de vibradores depende de la frecuencia de vibrado y de la consistencia del concre to. En la tabla 13.6 se presentan algunas característi cas de estos vibradores. El empleo de un vibrador de inmersión exige que éste se introduzca siempre en posición vertical y en varios puntos formando una cuadrícula, de modo que
¡
¡
Concreto de consistencia plástica. Secciones delgadas. Fabricación de muestras de laboratorio. Vibrado de elementos pretensados en zonas congestionadas. Concreto de consistencia plástica, muros delgados, columnas, vigas, pilotes prefabricados, losas delgadas, juntas de construcción. Concreto semiplástico menor de 3 pulgadas, construcción en general, muros, columnas, vigas, losas, pilotes, etc. Concreto en masa y estructural, asentamiento de O a 2 pulg. Depositado en grandes cantidades. Fundaciones grandes, pilares. Concreto en masa para presas de gravedad. Muros macizos.
3/4
11
o J 1/2 (24)
1 1/4-2 1/2 (3-6)
111
2-3 1/2 (5-9)
9.000-13.500 (150-225)
8-15
13-25
0,8-4
2,3-8
8.000-12.000 (130-200)
18-36
4,6-15
11-31
19-38
IV
3-6 (7,5-15)
7.000-10.599 (120-180)
30-51
V
5-7 12,5-17,5
5.500-8.500 (90-140)
40-61
la separación aproximada entre puntos sea de aproxi madamente una vez y media el radio de acción del vibrador. El tiempo de permanencia del vibrador su mergido dentro del concreto en cada punto está sujeto a la observación de la supemcie del concreto, ya que al cesar el escape de burbujas de aire aparece pasta de cemento cambiando el aspecto de mate a brillante, momento en el cual se debe retirar porque se está empezando a segregar el concreto. 296
10.000- J 5.000 (170-250)
Acabado del concreto Una vez que el concreto ha sido debidamente co locado y consolidado, deben iniciarse las operaciones de terminado que se refieren a garantizar la geometría de los elementos colados y conferirle al concreto la tex tura supemda! deseada. Por lo general, esta última operación se hace manualmente y para ello se emplean reglas (boquilleras) y llanas metálicassegún sea el caso.
TECNOLOGIA DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
Cuando se desea obtener un buen concreto con to das sus características bien desarrolladas, desde las primeras horas se debe mantener en condiciones de humedad y temperatura satisfactorias, de tal manera que el proceso de endurecimiento del concreto no se La resistencia potencial y la durabilidad del concre to se desarrollarán totalmente sólo si éste se cura en forma adecuada durante un período apropiado antes rante la hidratación de los materiales cementantes, es necesario mantener un contenido de humedad satisfac toria y una temperatura favorable.
tose mantiene a temperaturas elevadas durante sufra guado y endurecimiento inicial, las resistencias a eda des posteriores son menores que la de los concretos similares curados a más bajas temperaturas durante este mismo período. El evitar que el concreto adquiera temperaturas elevadas durante el curado no sólo ayu enfriamiento sino que también propiciará mayor resis tencia a edades posteriores. Existen dos procedimientos generales para mante creando un ambiente húmedo o previniendo la pérdida de agua por medio de materiales selladores. Curado con agua
agua de la mezcla es normalmente más alto que la can tidad que puede combinarse químicamente con el ce mento; sin embargo, la pérdida de agua de mezclado por evaporación y absorción de los agregados, de las
Es necesario que en las obras se consideren los aspectos económicosdel método seleccionado para el curado con agua. Este método debe suministrar el agua necesaria que satisfaga los requerimientos de la mez
una cantidad inferior del nivel necesario para obtener una hidratación adecuada del cemento. La evapora ción es factible controlarla mediante una protección y un curado apropiados; los efectos de secado por absor
manchas). Algunos métodos disponibles pueden ser:
letas no absorbentes y humedeciendo la sub-base. Es muy importante que después de haber sido trans portado y colocado el concreto, seevite una reducción no deseada en el contenido de humedad de la pasta que ocasione una disminución de hidratación.La pérdi da de humedad en esta etapa se manifiesta en la for· madón de grietas en la superficie debida a la contrac ción por secado del concreto (ver capítulo 9). La temperatura es un factor que interviene de ma nera significativa en el curado del concreto; las tempe raturas bajas son un factor desfavorable para el desa rrollo de resistencia a temprana edad y lo mismo en el
Producción y maneya del concreto
- Anegamiento o inmersión:Este método consiste en la inmersión total en agua, de la unidad de con creto terminado. Se estima que el agua no debe a los esfuerzos por cambios de temperatura que se originarían, con el agrietamiento consiguiente. -
Rocíos o riegos de agua:El riego o rocío de agua por medio de boquillas o dispositivos de riego pro porcionan un excelente curado cuando la tempera tura se encuentra muy superior a la del grado de congelación. El riego intermitente no es aceptado si en los intermedios se seca la superficie del con creto. Se debe tener cuidado en no producir ero sión en la supemcie.
- Mantas de estopa, algodón o fique:Estos ma teriales absorbentes conservan el agua en la super-
297
ficie, colocados ya sea horizontal o verticalmente; entre más pesada sea la manta, mayor será la capacidad de absorber agua y menor la frecuencia con que se tenga que humedecer. Las mantas de algodón o fique retienen el agua durante más tiem po que las de estopa y tienen menos riesgos de que el curado resulte inadecuado. -
Curado con tierra: Es un método muy aplicable en trabajos relativamente pequeños, tales como lo sas, pisos y en la pavimentación de carreteras. La tierra debe estar exenta de materia orgánica y de materiales granulares mayores a una pulgada.
-
Arena y aserrín: Se usan de igual forma que el curado con tierra.Se utilizan arena y aserrin húme dos y limpios. Se debe tener cuidado de que el aserrín no provenga de maderas que contengan demasiado ácido tánico que pueda atacar a los componentes del concreto.
-
Paj a o
hen o: C
on esto s ele me nto s exis te el ries go de que el vie nto se los llev e; a me nos que se ase gu ren con tela de ala mbr e, esto pa u otro s me dios . Ta mbi én exis te una alta posi bili dad de ince ndi o si se per mit e que la paja se seq
ue. Se de be usa r un a cap a de por lo me nos 15 cm de es pe sor , au nq ue a me did a que la ca pa es má s gru esa la pro ba bili da d de col ora ció n del co ncr eto es ma yor . Mater iales sella dores Lo s materi ales
selladores son hojas o membrana s sintéticas colocadas sobre el concreto a fin de reducir la pérdida de agua de mezclado. Existen ventajas en la utilización de estos materiales, tales como su menor costo y el mantenimie nto de la humedad si ésta ha que dado encerrada. Entre los materiales impermeab les se encuentran los siguientes: películas plásticas, papel impermeabl e, o compuestos químicos para formar membranas impermeab les de curado.
Mantas cubiertas aislantes 1
Son utilizadas para evitar efectos de congelación cuando las temperaturas bajan a menos de 0°C, por in termedio de capas de material seco y poroso, como paja o heno. Las mantas de algodón protegen ampliamente el curadoen condiciones climatológicas templadas, pero no resultan eficientes como aislantes térmicos si se usan de manera habitual y las temperaturas bajo cero continúan por más de unas cuátro horas. Si el prome dio de temperatura no baja de -40"C, las mantas de a godón sécas proporcionarán protección al congela miento durante los primeros días. Curado vapor a presión
con alta
Comúnmente el procedimiento de curado con va por a alta presión es utilizado en la producción de algunas unidades de concreto de mampostería, en tu bos de asbesto cemento, etc. El comité ACI-516 senta un reporte en detalle del uso de este Curado vapor a presión
con baja
Método usado comúnmente en la fabricación de productos de concreto, para acelerar el desarrollo resistencia a temprana edad. La norma ACl-517 e s t e
c l i m a c á l i d o
Curado en clima frío En clima frío, el concreto debe ser curado de acuerdo con la norma ACI-306. A pesar de que no es
probable que el concreto expuesto a un clima frío se seque con una rapidez no debida, debe tenerse cui dado en mantener la humedad satisfactoria en el con c r e t o .
En clima cálido el proceso de secado se efectúa una forma acelerada, por lo tanto la protección curado resultan más críticos que en climas frios. ello se debe buscar un curado con agua en forma tinua, con el fin de evitar cambios volumétricos dos a la intermitencia del humedecimiento y La norma AC!605 indica algunos de los pasos para c u r a d o a d e c u a d o .
m é t o d o . Curado en 298 TECNOLOG/A DEL CONCRETO Y DEL
P r
2 9
euarta
parte
Morteros y concretos especiales
CAPITULO
1·
Morteros
Introducción En Colombia el uso de morteros ha sido variado y común en la construcción, especialmente en el caso de la mampostería estructural. Dada la importancia y la amplia gama de posibilidades que revisten los morte ros, el presente capítulo pretende plantear los dife rentes conceptos, propiedades y parámetros de éstos, y finalmente indicar un procedimiento de diseño de morteros.
Definición En el sentido general de la palabra, el mortero pue de definirse como la mezcla de un material aglutinante (cemento portland y/o otros cementantes), un mate rial de relleno (agregado fino o arena), agua y eventual mente aditivos, que al endurecerse presenta propieda des químicas, físicas y mecánicas similares a las del concreto y es ampliamente utilizado para pegar piezas de mampostería en la construcción de muros, o para recubrirlos, en cuyo caso se le conoce como pañete, repello o revoque.
Tipos y usos de los morteros En términos generales, dentro de los morteros se pueden distinguir dos familias: los aéreos y los hidráuMorteros
licos. Los primeros endurecen bajo la influencia del aire al perder agua por secado al aire y fraguan lentamente por un proceso de carbonatación. Los hidraúlicos, tam bién llamados acuáticos, endurecen bajo agua, ya que, al igual que los cementos naturales, poseen en su com posición constituyentes quese obtienen por calcinación de calizas impurificadas con sílice y alúmina que le permiten desarrollar resistencias iniciales relativamen te altas. Pero en general, de acuerdo con los materiales que compongan el mortero, se pueden encontrar los siguientes tipos: Morteros calcáreos Como es sabido, la cal es un plastifican te y ligador conocido desde la antigüedad. Estas características hacen del mortero de cal el más manejable de los cono cidos. Sin embargo no pueden esperarse de él altas resistencias, debido a su baja velocidad de endureci miento. Las cales aéreas más conocidas son la cal blanca y la cal dolomítica (cal gris}. La arena en este caso en realidad constituye un material inerte cuyo objetivo principal es evitar el agrietamiento y contracción del mortero, para lo cual se recomienda que tenga partícu las angulosas y esté libre de materia orgánica, piedras 303
grandes, polvo y arcilla. Las proporciones cal-arena más usadas en morteros aéreos son 1:2 para pañetes (revoques} y 1:3 o 1:4 para mampostería simple. Si la proporción aumenta, el mortero es más magro y pier de ductilidad y trabajabilidad; y si e! mortero es más graso, pueden ocurrir contracciones y agrietamientos no deseables, especialmente en pañetes. La realidad es que esto depende mucho del conoci miento de los materiales y de la experiencia del albañil. Su uso es limitado ya que no existe hoy en día ningún procedimiento que permita medir la capacidad de en durecimiento. En Colombia se le ha utilizado únicamen te en trabajos de embellecimiento de interiores donde se requieren esquinas perfectas y delicadeza en los acabados.
Morteros de cal y cemento portland Cuando se busca una gran trabajabilidad, buena retención de agua y altas resistencias iniciales, este tipo de mortero es aconsejable. Utilizando como base un mortero 1:3 se puede ir sustituyendo parte del ce mento por cal. Estos morteros reciben el nombre de "Morteros de Cemento Rebajados" cuando el contenido de cemento es escaso. Las relaciones de mezclas más usadas va rían de 1:2:6a 1:2:10 (cemento:cal:arena). La cantidad de agua se encuentra dentro de amplios límites, de acuerdo con la composición del mortero y la consisten cia deseadas. Si el contenido de cemento es alto, las caracterís ticas serán alta resistencia y poco tiempo entre amasa do y colocación; será más o menos trabajable y habrá contracción (3%) si está muy seco. Si el contenido de cal es alto, tendrá menos resistencia, será mayor el tiempo entre amasado y colocación, será más plástico y permeable, pero mostrará más retracción (9%).Si el contenido de arena es alto, la resistencia disminuirá considerablemente y será poco trabajable pero el mor tero tendrá poca retracción. Para lograr las condido304
Tabla 14.1 Clasificación ASTM C-270 de morteros de pega para mampostería simple, según
nes deseadas debe buscarse una combinación ade cuada. Los morteros hechos de cemento portland y cal deben combinarse de tal manera que se aprovechen las propiedades adhesivas de la cal y las propiedades cohesivas del cemento portland, siendo importante tener en cuenta que cada adición de cal incrementa la cantidad de agua de mezclado necesaria. Hoy en día en muchos paises hay una amplia tec nología desarrollada a su alrededor debido especial mente a su utilidad en las obras de mampostería es tructural, en las cuales se distinguen dos tipos de morteros: el mortero de pega y el mortero de relleno. El primero es el elemento que empata las unidades de mampostería y el segundo consiste en una mezcla flui da de concreto que se vierte en el interior de los muros con el objeto de aumentar la sección neta resistente del muro y proveer la unión entre la mamposteria y el refuerzo. En cada país la clasificación de morteros, obedece a propiedades específicas de resistencia a compre sión, de acuerdo con las propiedades de los materiales utilizados en su preparación. Tal vez la norma más di fundida es la ASTM C-270,1a cual clasifica los morteros de pega, por propiedades mecánicas y por dosificación. En esta norma se aceptan 5 tipos de morteros designa dos con las letras M, S, N,O y K en orden descendente de calidad (ver tabla 14.1). Los materiales a utilizar deben cumplir con las siguientes normas: -
resistencia a la compresión a 28 días y según dosificación (partes por volumen) (14.4)
M
17.2
175
S
12.4
126
Tf:CNOLOGIA DEL CONCRUO Y DEL MORTERO
1.800
0.25 0.5 1
0.25 a 0.50
Entre 2.25 y 3 veces la
suma de
N
o K
5.2
53
750
0.5 a 1.25
2.4
25
350
1.25 a 2.50
0.5
5
75
2.50 a 4.00
otras sustancias que pudieran causar deterioro en los morteros o cualquier refuerzo metálico dentro del muro. - Aditivos: ASTM C-494 - Aditivos indusores de aire: ASTM C-260
cemento y cal utilizados
El mortero para mampostería sin refuerzo debe ser dosificado y mezclado de acuerdo con esta norma para los tipos M, S, o N. Los morteros para mampostería re forzada están regulados por la norma ASTM C-476 en la cual se distinguen los tipos PMy PL (ver tabla 14.2),
Tabla 14.2 Clasificación ASTM C-476 de morteros de pega para mampostería reforzada, según resistencia
a la compresión a 28 días y según dosificación (partes por volumen) (14.4)
Cemento portland: ASTM C-150 Cemento hidráulico mezclado: ASTM C-595 Cemento de albañilería: ASTM C-91 Cal hidratada, tipo S de ASTM C-207 Cal viva: ASTM C-5 Agregados finos: ASTM C-144
- Agregados gruesos (para morteros de rellenos): ASTMC-404 - Agua: limpia y libre de cantidades perjudiciales de aceites, ácidos, álcalis, sales, materia orgánica y
2.500
PM
17.2
175
2.500
0.25a
2.25 a
PL
17.2
175
2.500
0.50
3.00
Morteros
305
En cuanto a los morteros de relleno (GROUT), igualmente en la nonna ASTM C-476 se encuentran re guladas sus características en donde se distinguen dos tipos:relleno fino, que utiliza agregadosfinos únicamen-
te (ASTM C-144) y relleno grueso, que utiliza adicional mente agregados gruesos que pueden tener un tama ño máximo nominal de hasta 12.7 mm (ASTM C-404). Esto se puede observar en la tabla 14.3.
Tabla 14.3 Morteros de relleno. Partes por volumen (14.4)
Relleno fino
O a 0.1
2.25 a 3.0
Relleno grueso
O a 0.1
2.25 a 3.0
En términos generales, todas las normas de los países latinoamericanos están influenciadas por la nor ma ASTM C-270 y entre los países que marchan ade lante en este tipo de construcción están México, Brasil, Argentina y Colombia. En el caso colombiano, su implantación y desarro
1a2
al consumo de cada momento, de manera tal que entre el amasado y la colocación en obra haya el menor tiem po posible debido a lo rápido del fraguado del cemento. Por ello se acostumbra a mezclar en obra, primero el cemento y la arena y luego se añade el agua.
hecho, en Bogotá, D. C.,las arenas que se utilizan para pañetes (revoques) y revestimientos son de este tipo, ya que la arcilla que contienen (hasta 10%) le confiere una gran cohesión y capacidad de adherencia a la mez cla. Estas son las llamadas arenas de peña, las cuales son explotadas en canteras situadas en los cerros orientales de la ciudad y utilizadas prácticamente tal como salen de la cantera sin ser sometidas a ningún proceso de lavado. Por otro lado, en el caso de los
Finalmente, tampoco deben prepararse morteros muy ricos para usos normales, ya que pueden ser demasiado resistentes y con alta retracción al secado, y por ello susceptibles al agrietamiento. Sin embargo, la utilidad de morteros de cemento ricos es muy común en obras de ingeniería que exijan grandes resistencias como por ejemplo muros de contención y también pa ra cimientos, ya que por ser morteros duros e imper meables resisten muy bien la acción del agua. Desde
morteros de pega de mampostería de ladrillos de ar cilla cocida, ha sido costumbre utilizar este mismo tipo
luego, en estos casos la arena que se utiliza es arena lavada o arena de río. En cuanto a los usos, en el medio
tenido de arcilla (hasta 3% o4%), por lo cual se conoce con el nombre de arena semilavada.
to de acuerdo con la experiencia y a la proporción ce mento:arena (que debe ser por peso y no por volumen) como se observa en la tabla 14.4.
Tabla 14.4 Usos de los morteros de cemento
1:1
Mortero muy rico para impermeabilizaciones. Rellenos.
queleto de granos de arena, tangentes entre sí. Con el cemento se pretende darle una soldadura perfecta de manera tal, que cada grano quede cubierto por una fi na película de cemento. Como además el mortero de berá formar una masa homogénea y compacta, las característicasde la arena, talescomo:la granulometría,
1:2
Para impermeabilizaciones y pañetes de tanques subterráneos. Rellenos.
1:3
Impermeabilizaciones menores. Pisos.
1:4
Pega para ladrillos en muros y baldosines. Pañetes finos.
módulo de finura, fonna y textura de las partículas, deben ser lasadecuadas para lograr un acomodamien to de partículas que permiten la mayor compacidad y el menor consumo de cemento.
1:5
Pañetes exteriores: pega para ladrillos y baldosines, pañetes y mampostería en general. Pañetes no muy finos.
1:6 y 1:7
Pañetes interiores: pega para ladrillos y baldosines, pañetes y mampostería en general. Pañetes no muy finos.
1:8y 1:9
Pegas para construcciones que se van a demoler pronto. Estabilización de taludes en cimentaciones.
El mortero de cemento está constituido por un es llo comenzó hacia el año de 1975, cuando se observó que la resistencia a la compresión de los ladrillos de ar cilla con que se construyeron algunos edificios de 5 pi sos con muros portantes, era baja y que adicionalmente la mampostería portante en ladrillos ofrece muy bajos coeficientes de seguridad para cargas horizontales (sismos).Sin embargo, el desarrollo de los morteros de cemento y cal para este tipo de construcción se ha visto limitado por la mala calidad de las cales, por su alto costo y por la falta de normalización. Morteros de cemento Cuando se requieren altas resistencias iniciales o resistencias elevadas, una vez el mortero ha endureci do, se pueden usar como aglomerantes los cementos naturales o los cementos portiand.Sus condiciones de trabajabilidad son variables de acuerdo con la propor ción cemento:arena usada. La confección de este mor tero, que es hidráulico, ha de efectuarse de un modo continuo, organizando un abastecimiento con arreglo
Desde luego, la cantidad de cemento no puede dis· minuir mucho, ya que si la mezcla es muy pobre en aglomerante, ésta se hace áspera e intrabajable por que las partículas de arena rozarán entre sí, al no existir la pasta lubricante de cemento. Si se desea aumentar la trabajabilidad, pueden usarse arenas con ligeras proporciones de limo e inclu so arcilla (arenas grasas, ya que su contenido de finos brinda rellenos lubricantes a los granos de arena). De
Los morteros: 1:7 a 1:9 se hacen porlo general con Los morteros:1:1 a 1:3 se deben hacer con arenas limpias (lavadas). Los morteros:1:4 a 1:6 se requieren con arenas se mi!avadas, aunque no es requisito indispensable.
arenas sucias, ya que la poca resistencia que de ellos se espera hace inútil usar arenas buenas. En resumen, los usos de los morteros de cemento se pueden reunir en cuatro grandes categorías.
306
TEC!'fOLOGIA DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
Morteros
307
- Morteros que provean suficiente resistencia para soportar cargasa compresión,o resila abrasión.
como la nterior, se requiere un método claro y prec so. A continuación se describirán brevemente los prin cipales conceptos básicos.
- Morteros que mantengan los elementos en la posi ción deseada.
Propiedades en estado plástico
-
Morteros que permitan emparejar ciertas unidades estructurales (revoques y revestimientos).
- Morteros que sirvan como relleno de juntas entre diferentes elementos constructivos (reparaciones de columnas, vigas, etc.).
Propiedades del mortero de cemento portland Como se acaba de ver, lo acostumbrado en el uso de morteros de cemento es la dosificación por partes de cemento y arena (1:n),las más de las veces hacién dose caso omiso, o desconociéndose, la resistencia que dichos morteros así dosificadosO,btendrán una vez fraguados.Es claro entonces que, plár\teada la necesi dad de diseñar y dosificar el mortero de acuerdo con las condiciones de resistencia particulares y algunas otras propiedades y características tan importantes
Manejabilidad Al igual que en el concreto, es una medida de la fa. cilidad de colocación de la mezcla, en este caso en las unidades de mampostería o en revestimientos.La ma. nejabilidad está relacionada con la consistencia, la cual se refiere al estado de fluidez del mortero, es decir, qué tan dura (seca) o blanda (fluida) es la mezcla cuan- · do se encuentra en estado plástico. En general, se acepta como medida de la maneja bilidad, la característica de fluidez de la mezcla medida en el ensayo de la mesa deflujo (ASTM C230), aunque hasta el momento dicha propied11d ha dependido de la apreciación subjetiva del albañil o el mampostero. Sin embargo, en la tabla 14.5se sugiere una guía de lama. nejabilidad requerida para diferentes tiposdeconstruc ción y sistemasde coloci:lción,en la cual se definen tres tipos de consistencia y fluidez del mortero.
Tabla 14.5 Fluidez recomendada del mortero para diversos tipos de estructura y condiciones de colocación
Dura (seca)
Media (plástica) Fluida (húmeda)
308
80-100
100-120
120-150
Secciones sujetas a vibración Sin vibración
Sin vibración.
Reparaciones, recubrimiento de túneles, galerías, pantallas de cimentación, pisos
Proyección neumática, con vibradores de formaleta
Pega de mampostería, baldosines, pañetes y revestimientos
Manual con palas y palustres
Pañetes rellenos de mampostería estructural, morteros autonivelantes para pisos
Manual, bombeo, inyección
TfCNOLOOIA DEL CONCRETO Y DEL MOKTERO
Retención de agua Esta propiedad es una medida de la habilidad del mortero para mantener su plasticidad cuando quede en contacto con una superficie absorbente, como una pieza de mampostería.Como ya se vio, la retención de agua puede ser mejorada mediante la adición de cal, dada su capacidad plastificante, aunque no necesa riamente, ya que hoy en día se tienen otras alternati vas igualmente satisfactorias como son:mayores con tenidos de finos, la adición de aditivos plastificantes y agentes incorporadores de aire o simplemente utilizan do cementos puzolánicos o cementos de adición, con carga inerte que cada día cobran mayor importancia y son muy comunes en Colombia. La retención de agua incide altamente en la veloci dad deendurecimiento y en la resistencia final a la com presión, ya que, por ejemplo, una mezcla incapaz de retener el agua no permite la hidratación del cemento.
Velocidad de endurecimiento Los tiempos de fraguado inicial y final de la mezcla deben estar entre límites adecuados. Por lo general, se aceptan valores entre 2 y 24 horas, respectivamente. Sin embargo, éstos dependen de diversos factores ta lescomo las condiciones del clima o la composición de la mezcla y hoy en día son fácilmente controlables con el uso de aditivos.
duciendo tensiones internas en el mortero, que se expresan en la formación de visibles grietas. Lo mismo ocurre si la base es muy absorbente. Aparentemente la retracción es proporcional al espesor de la capa de mortero y a la riqueza del cemento. Para evitar la re tracción es conveniente usar cementos de baja retrac ción al secado (puzolánicos o con adición inerte) y are nas de buena granulometría con pocos finos.
Adherencia En general, la adherencia esla capacidad que tiene el mortero de absorber tensiones normales y tangen ciales a la superficie que une el mortero con la estruc tura. Es de gran importancia, ya que a ella se debe el hechode que un mortero pueda resistir pandeo, cargas transversales y excéntricas, dándole resistencia a la es tructura. Morteros de baja capacidad de retención de agua y morteros de alta resistencia se adhieren sólo en par tes por lo que su adherencia es pobre. En el caso de la mampostería, para obtener una buena adherencia es necesario que la superficie del bloque sea tan rugosa como sea posible para permitir la unión mecánica del
Propiedades en estado endurecido
mortero y además debe tener un nivel de absorción adecuado y compatible con la mezcla del mortero. Los morteros plásticos, de buena adherencia, buena capa cidad de retención de agua y que no requieran de su perficies húmedas para su colocación, son los más adaptables y de mayor utilización en mampostería ya que permiten una íntima unión entre las piezas.
Retracción
Resistencia
Comoessabido, la retracción se debe principalmen te a reacciones químicasde hidratación de la pasta, so bre todo en pastas puras con una alta relación agua cemento. La arena soluciona el problema en parte, especialmente si es de textura rugosa, ya que forma un esqueleto que evita los cambios de volumen y el peli gro de agrietamiento.En zonas calurosas y de muchos vientos, el agua de mezclado tiende a evaporarse pro-
Una vez aplicado en obra, el mortero debe actuar como unión resistente.Se requiere una alta resistencia a la compresión cuando el mortero deba soportar car gas altas y sucesivas. Siendo ésta un indicio de las re sistencias a tensiones de corte y a tensiones de tracción.
Morteros
Hay dos leyes fundamentales que se aplican a la resistencia de un mortero compuesto del mismo ce309
mento con diferentes proporciones y tamaños de are na, la primera dice:con un mismo agregado, el mortero más resistente e impermeable es aquel que tiene ma yor porcentaje de cemento en un volumen dado de mortero; y la segunda: con el mismo porcentaje de cemento en un volumen de mortero, el más resistente y generalmente más impermeable es aquél que tenga la mayor densidad, o sea aquél que en una unidad de volumen contenga el mayor porcentaje de materiales sólidos.
entre sus granos. Al agregar agua, ésta produce una película y separa los granos por tensión superficial., El efecto del agua sobre la resistencia depende también básicamente de la densidad del mortero resul tante. Morteros secos dan mayores resistencias que morteros húmedos, porque éstos pueden ser más den samente compactos. Los morteros plásticos dan resul tados más uniformes.
lumen, debido básicamente a la tecnología existente en las obras (sistemas rudimentarios de producción) y a los volúmenes de mezcla que se manejan a diario.Sin embargo, esto es un error, especialmente en obras de gran tamaño, ya que es antitécnico (por ejemplo:la hu medad de la arena no se mide) y antieconómico (el control de materiales es deficiente).
Una manera sencilla de observar esto es haciendo una comparación entre un diseño por volumen y otro por peso.Tamemos como ejemplo un mortero de pro porciólll :3, asumiendo un peso específico del cemen to de 3.15 gjcc y una masa unitaria suelta de la arena de 1.500 kg/m3 (ver Tabla 14.6).
Tabla 14.6 Comparación de diseños por volumen y por peso
Durabilidad La primera ley es realmente muy clara, pero la se gunda requiere de un mayor análisis. El valor de un ce mento de primera clase sin impurezas es universal mente reconocido. Sin embargo, las propiedades de un mortero hidráulico, como durabilidad, permeabilidad y porosidad, no dependen únicamente de la calidad del cemento sino también de la composición granular del mortero, o sea las dimensiones y posiciones relativas de los diferentes elementos que lo componen. El tamaño de los granos de arena está subordinado en su influencia sobre la resistencia y otras cualidades del mortero a la densidad del mortero producido. Se puede suponer que una arena densa, o sea aquella que contenga seca el menor volumen de poros, al ser mez clada con una proporción dada de cemento, producirá el mortero más denso y en consecuencia resistente. Pero esto no ocurre necesariamente porque la adición de cemento y agua cambia la composición física. Una mezcla de arena fina y cemento requiere más agua que una de arena gruesa y el mismo cemento. El volumen total de mortero de consistencia plás tica será afectado por la cantidad de agua usada y por los volúmenes de los materiales secos. Por ello un mortero hecho de arena fina y cemento será menos denso que uno hecho con arena gruesa y el mismo ce mento, aunque ambas arenas al ser pesadas secas con tengan la misma proporción de sólidos y poros. La are na fina tiene más granos en su unidad de volumen, por consiguiente un mayor número de puntos de contacto
310
Al igual que en el concreto, la durabilidad del mortero es la resistencia a los agentes externos tales como las bajas temperaturas, la penetración de agua, desgaste por abrasión, retracción al secado, eflorescencias, agen tes corrosivos, o choques térmicos, entre otros, sin dete rioro de sus condiciones físico-químicas con el tiempo. En general, se cree que morteros de alta resisten cia a la compresión tienen buena durabilidad; sin em bargo, el uso de agentes inclusores de aire es de par ticular importancia en ambientes húmedos, ambientes marinos y en general en condiciones de ambiente agresivo. Apariencia Un aspecto generalmente olvidado del concreto que cobra mayor importancia en el mortero es su apa riencia, especialmente en mampostería de ladrillo a la vista. En este caso, la plasticidad de la mezcla, la se lección y la dosificación adecuada de sus componen tes, son de vital importancia en la colocación y el aca bado de las superficies. El color y la textura pueden mejorarse con colorantes inorgánicos o con aditivos especiales.
Diseño de morteros de cemento portland En Colombia y en muchos sitios de Latinoamérica se tiene la tendencia a dosificar los morteros por vo-
TECNOLOGIA DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
Cement o Arena Agua TOTAL
180 (1)
540(3) 280
1.000
567 1.350
150 570
2.197
1.000
280
En la tabla anterior, claramente se observa que el diseño por peso es mucho más económico y adicional mente con mayores ventajas técnicas ya que permite una dosificación más precisa en la obra. De acuerdo con lo anterior, el siguiente procedimiento de diseño, al seleccionar las proporciones adecuadas para el morte ro, comprende el equilibrio entre una economía razo nable y un mínimo de ciertas propiedades, teniendo en cuenta los siguientes pasos: Procedimiento de diseño PASO 1: DETERMINAC!ON DEL TIPO DE ARENA La arena utilizada en morteros de pega y de relleno debe ser limpia y bien gradada. Su selección depende de la disponibilidad de ella en la zona (depósitos aluvia les, de cantera, etc.), costo de explotación y transporte y de su eventual comportamiento en el mortero en cuanto a consistencia, resistencia y tamaños existen tes representados en el módulo de finura.
Morleros
280
474 (1)
- 93
1.422 (3) 280
+ 72
2.176
-21
o
De la gradación de la arena depende en muy buena parte la trabajabilidad y la penetración de humedad. Los módulos de finura bajos requieren más agua que los gruesos para una misma consistencia, por lo cual se generan morteros frágiles y porosos. Por otra parte, si se aumenta el módulo de finura, para una consisten cia dada, el contenido de cemento disminuye. En general, el módulo de finura de la arena deberá ser el mayor económicamente disponible y compatible con las dimensiones de la estructura, pero observando que la gradación en muchos casos depende del tipo de pega para la cual se va a utilizar. Pegas de espesor con siderable admiten arenas gruesas y pegas de poco es pesor exigen arenas finas. Finalmente, por lo general las arenas naturales (de pósitos sedimentarios, ríos, etc.) producen morteros de resistencias más altas que las de cantera, obtenidas por medio de voladura, o por trituración, siendo este efecto más notorio en morteros pobres en cemento. 311
PASO 11: DETERMINACION DE LA RELACION AGUA-CEMENTO Al igual que en el concreto, la relación agua<:emen to no sólo se determina por los requisitos de resisten cia, sino también por factores como la retracción, adhe rencia, durabilidad y propiedades para el acabado. Debido a que los diferentes tipos de arenas y ce mentos producen resistencias distintas con la misma relación agua-<:emento, es importante conocer o desa rrollar la correspondencia entre la resistencia y la re lación agua-<:emento para los materiales a usarse, es pecialmente en el caso de arenas sucias.
limpias deforma redondeada y textura lisa (de río), con varios módulos de fmura, las cuales poseen valores aproximados y relativamente seguros para cemento portland tipo l.
De acuerdo con los requerimientos de la obra, se escoge la consistencia deseada, según la siguiente clasificación extractada de la tabla 14.5, que fue pre sentada con anterioridad: Tabla 14.7 Diferentes consistencias del mortero
Seca
90%
Plástica
110% 130%
Fluida
forma cúbica y textura rugosa (de cantera) y arenas
para morteros hechos con cemento portland tipo 1 y arena de forma redondeada y textura lisa Figura 14.1 Correspondencia entre los valores de relación agua-cemento y resistencia a la compresión 12
0:
3 e
E•
y• • •" "·"¡'¡
\.
1
08
07 06
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04
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03
a
------ - -- ------
Módulo
05
1'----> ........ ra;? ,¡-:::?_ t---
-!l
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o
100
200
300
400 500 600 Resistencia (kgfcm)
PASO IV: DETERMINACION DE LOS FACTORES QUE INFLUYEN EN EL CONTENIDO DE AGUA
08 07
10_
"-..
06
05
"'
::--.A1--...:::; d•fin
'-...._
04
03
r::-
::§: -:? ........
400 500 600 Resistencia (kg/cm)
02
o
\
09
700
800
900
1000
\
09
01
-¡¡
\
10
01
-
10
"'ü•"
11
02
11
"
12
01
observar esta correspondencia para arenas limpias de
e• E •u
para morteros hechos con cemento portland tipo 1 y arena de forma angular y textura rugosa
PASO 111: SELECCION DE LA CONSISTENCIA
Sin embargo, en las figuras 14.1 y 14.2 se puede
o
Figura 14.2 Correspondencia entre los valores de relación agua-cemento y resistencia a la compresión
o
100
200
300
- --
la cantidad de agua de mezclado por unidad de vo lumen de mortero requerida para producir una consis tencia dada, depende básicamente del requerimiento de agua del cemento y del requerimiento de agua de la arena.
1::::-
1.1
r--
2.7
2
700
800 900
1000
Para determinare!requerimiento de agua, el proce dimiento de prueba y error es el más·largo y tedioso pero hasta ahora ha resultado el más preciso. Sin embargo, al ensayar los materiales para buscar una condición óptima se pueden desarrollar expresiones matemáticas que indiquen los requerimientos de agua,
relacionando la consistencia con la composición del mortero. Existen diferencias de requerimiento de agua entre diferentes cementos portland, pero la diferencia es aún mayor para los cementos con puzolanas naturales o artificiales. Se ha demostrado que entre mayor sea la finura del cemento, mayor es la cantidad de agua para obtener una pasta de cemento de consistencia normal, lo que no ocurre al mezclar con agregados, en donde no necesita forsozamente un contenido de agua para obtener una consistencia especifica. Algunos investi gadores atribuyen esta diferencia a que al tomar una penetración por Vicat a la pasta de cemento, ésta mide la viscosidad, mientras que por el procedimiento de la mesa de flujo se está midiendo la capacidad de lubri-
312
Tf:C!iOLOGIA DEL CONCRETO Y DEl MORTERO
Morteros
313
cación de la pasta. La viscosidad y la lubricación no presentan relaciones directamente proporcionales. En cuanto a la arena, el requerimiento de agua dis minuye con la presencia de tamaños gruesos y aumen ta con la de agregados finos, pero esta relación no es lineal. También esta relación varía según el contenido de cemento. Por otra parte, el requerimiento de agua aumenta a medida que aumenta la angularidad, el as pecto escamoso y la aspereza de la textura superficial de las partículas, como el de la granulometría disminu ye con el aumento de proporción del cemento. Después de numerosos ensayos ejecutados sobre morteros hechos con arenas de grano redondo y tex tura lisa y con arenas de forma cúbica y textura rugosa para diferentes proporciones cemento:arena, se ha de mostrado que el requerimiento de pasta de cemento (relación agua-cemento) para una consistencia determi nada, se puede expresar matemáticamente en una ecuación de tipo exponencial como la siguiente: A
=
e
Kel'"
(14.1)
En esta ecuación, A/C es la relación agua-cemen to; n es la proporción de la mezcla (número de partes de arena por una parte de cemento en peso); bes un factor que relaciona la consistencia requerida, módulo de finura, forma y textura de la arena; e, es la base de los logaritmos neperianos (e= 2.7183); y K es el valor de la relación agua-cemento para la consistencia reque rida en términos de fluidez de la pasta de cemento. Es interesante observar que cuando n =O (no hay arena), el valor de K= A/C. En estas condiciones, el procedimiento para resol ver la ecuación se limita a lo siguiente:el valor de A/C es conocido del paso 11. Para determinar el valor de K
se confeccionan varias pastas con el cemento a utili zar, cada una con diferente contenido de agua, con el
Tabla 14.8 Valores de b para distintas consistencias y módulos de finura de la arena (14.2)
para construir una gráfica de porcentaje de flujo vs. re lación agua-cemento (ver Figura 14.3), mediante la uti lización de la mesa de flujo, cumpliendo con los requi! sitos de mezclado para pasta de cemento (norma ASTM C-305) y para el ensayo de fluidez (norma ASTM C-230). De este modo, una vez construida la gráfica, se halla el valor correspondiente de K para la consistencia especificada. Figura 14.3 Relación entre% fluidez y relación
agua-cemento
130
1
'$.
100
0.3238 0.2947 0.2879 0.2477
1.7 2.2
0.3172 0.2927
0.3216 0.3003
2.7 3.2
0.2687 0.2340
0.2949 0.2629
Pero, como:
Una vez conocidos los valores de A/C. K y b, la única incógnita que hay en la ecuación presentada, es el valor de n. Despejando la ecuación queda:
1 22
0.3242 0.3033 0.2734 0.2368
1:n
n= 90
1.7
PASO V: DETERMlNACION DE LA PROPORCION
1
11o
2.2 2.7 3.2
Plástica (110 %)
(130 %)
1 1/
¡¡:
0.3215 0.3028 0.2930 0.2494
22 2.7 3.2
Fluida
1/ 1
o12o S'
0.3293 0.3!10 0.2772 o:2394
1.7
Seca (90 %)
24
26
28
In (A/C) -In (K) b
30
Densidad=
El factor b, como se había mencionado antes, es un factor que relaciona la consistencia requerida (seca, plástica o fluida) con el módulo de finura de la arena, para diversas formas y textura de las partículas, las cuales hasta el momento han sido imposibles de medir
C
(14.2)
e
Donde:
. forma angular y textura rugosa y para arenas de forma r dondeada y textura lisa. Para valores de módulo de
V Ve
a
V + V + A = 1.000 1
Volumen de cemento Volumen de arena
A
1.000
(14.5)
a
Donde:
La cantidad de cemento por unidad de volumen se obtiene partiendo de los volúmenes que conforman 1 m3 de mortero.
de manera cuantitativa. Por tal motivo, una vez cono cida la consistencia (Paso 111), el módulo de finura y el tipo de arena (Paso1), se puede consultar la tabla 14.8, en donde aparecen los valores de b, para arenas de
a
t-+
G G
PASO VI: CALCULO DEL CONTENIDO DE CEMENTO
e
(14.4)
Se tiene:
20 Relación agua-cemento
--Volumen
(14.3)
C
Cemento en kg Arena en kg A Agua en kg o 1 G Peso específico del cemento Densidad aparente seca de la arena Pero, a= nC y A= CKeb", entonces:
a
o:
C + nC + CKE!'"
'
= 1.000
(14.6)
fin de establecer los porcentajes de flujo necesarios 314
finura distintos a los de la tabla puede interpolarse. TE:CNOLOG/A DE:t CONCRE'TO Y DEL MORTERO
l Morteros
Peso o volumen de agua
Ge Ga 315
Factorizando: (14.7)
Donde:
1.000
da, y la arena presenta algún grado de saturación (hu medad) que depende de las condiciones de almacena miento y del estado del tiempo, necesariamente hay que determinar ese grado de humedad en el campo y hacer las correcciones pertinentes (ver capítulo 11).
El contenido de agua, a13licando la ecuación (14.10) será:
PASO X: AJUSTES A LAS MEZCLAS DE PRUEBA
será:
(14.8)
Pero, Ket"' =A/C
El contenido de arena, aplicando la ecuación (14.11)
a = 3,35 x 424 = 1.420 kgjm3 De modo que al tabular estos datos se tienen los valores de la tabla 14.9.
Ejemplo de aplicación
Entonces:· 1.000
C=----1 n A
(14.9)
-+-+ Gc a. C
PASO VIl: DETERMINACION DEL CONTENIDO DE AGUA Conocida la relación agua-cemento del Paso 11 y el contenido de cemento del paso anterior, el contenido de agua es: A
=
(A/C) C
(14.10)
PASO VIII:DETERMlNAClON DEL CONTENIDO DE ARENA Conocido el valor de n (Paso V) y el valor del con tenido de cemento (Paso VII) el contenido de arena en peso es: a=nC
(14.11)
PASO IX: AJUSTES POR HUMEDAD DE ARENA Al igual que en el concreto, puesto que el agua de absorción de la arena no hace parte del agua de mez316
proce de a verificar las proporciones calculadas por medio de mezclas de prueba y hacer los ajustes correspondien tes si los hay.
de mortero en proporción 1:3,35
A= 0,72 x 424 = 3051/m 3
Una vez efectuados los pasos anteriores, se
C=
Tabla 14.9 Contenido de materiales por metro cúbico
Se desea diseñar un mortero fluido con una resis tencia de 210 kg/cm2,usando arena de río lavada, con un módulo de finura de 2.2 y densidad aparente seca de 2.56 gjcm3• El cemento tiene una densidad especí fica de 3.03 g/cc. De la figura 14.1 se obtiene una relación agua-ce mento de 0,72 para una resistencia de 210 kgjcm2 y módulo de finura de 2.2. La consistencia requerida es fluida (130%). Al hacer ensayos sobre la pasta decemento y cons truir una gráfica como la de la figura 14.3, se encontró que para una consistencia fluida se necesita una rela: ción agua-cemento de 0.27, o sea que K es igual a este valor. El valor de b, se extrae de la tabla 14.8, de tal modo que reemplazando los valores correspondientes en la ecuación (14.2) se obtiene:
n = ln (0,72) -ln (0.27) = 3,35 0,2927
El contenido de cemento, aplicando la ecuación (14.9) será: 1.000
C= ------= 424 kg/cm3
1
3.35
3,03 + 2,56 + 0•72
TECNOLOGIA DEL CONCRE:TO Y DEL MOFITERO
Morteros
317
CAPITULO
1
Concretos por especialidad - Nuevas tecnologías
Introducción De acuerdo con lo expuesto en el primer capítulo, el concreto u hormigón puede definirse como la mezcla de un material aglutinante (cemento portland hidráuli co), un material de relleno (agregados o áridos), agua y eventualmente aditivos, que al endurecerse forma un todo compacto (piedra artificial) y después de cierto tiempo es capaz de soportar grandes esfuerzos de compresión.
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Sin embargo, hoy en dia, la selección de compo nentes, el diseño, la producción, la colocación y el ma. nejo de mezclas de concreto se han sofisticado y per feccionado a tal punto, que fácilmente y sin mayores costos se pueden obtener toda suerte de tipos de mez cla con el grado requerido de manejabilidad, que al fraguar y endurecer a la velocidad apropiada, adquie ren propiedades como: resistencia, durabilidad, peso unitario, estabilidad de volumen, y apariencia adecuadas. Por ello, como finalización de esta obra, se presen tará un "compendio de clasificaciones y tipos de concre to", según sus propiedades y características, según el sistema de colocación que se emplee, y según los de sarrollos y nuevas tecnologías que ha habido en años recientes. Desde luego, esta clasificación no es definíConcretas por especialidad - Nuevas tecnologias
tiva, tan sólo es un simple intento de mostrar las diver sas clases y tipos de concreto más utilizados en el me dio latinoamericano, y especialmente en Colombia.
Clasificación general del concreto Como punto de partida, y teniendo en cuenta las propiedades y características de los ingredientes usa dos, las especificaciones y condiciones de servicio del concreto solicitado y las condiciones particulares bajo las cuales el concreto será producido y colocado, se pueden considerar las siguientes clases de concretos. Clasificación según tamaño máximo del agregado Según la proporción de cada uno de los ingredien tes del concreto, y utilizando como parámetro de clasi ficación el tamaño máximo del agregado empleado, se obtiene el más básico punto de partida para definir tér minos y tipos de mezclas de cemento portland hidráu lico como se muestra a continuación en la tabla 15.1. Clasificación según consistencia Según la consistencia del concreto en estado fres co, la cual a su vez depende de (figura 15.1 ): el tamaño 319
Tabla 15.1 Definición de términos y clasificación de las mezdas de cemento portland
Figura 15.1 Colocación y compactación del concreto
fresco en una estructura tradicional, aligerada con casetón de guadua
hidráulico según composición (15.32)
Materiales cementantes
Menos de 0,060
C. portland,
adiciones Agua
Aire
Atrapado, o incluido
4%-8%
0,002- 0,074
Umo
0%-5%
0,074-4,76
Arena
24%-27%
4,76- 19,00
Gravilla
19,00- 50,80
Grava
50,80- 152,20
Piedra
Agregado fino Agregado grueso
Agregado muy grueso
14%-18%
Pasta de cemento
Mortero 31%-47%
colocación de la mezcla; y el sistema de compactación, se tiene entonces la siguiente clasificación empírica del concreto, que ya había sido presentada en el capítulo 11, y que se reproduce en la tabl'l 15.2.
Clasificación según tiempo de fraguado
Tabla 15.2 Clasificación del concreto según consistencia de la mezcla en estado fresco, para diversos
tipos de construcción, y sistemas de colocación y compactación (15.34)
A. grueso
concreto
Rajón de Piedra Piedra bola
de la sección que se va a construir y la cantidad y espa
En la tabla 15.4 se observa que un concreto es de resistencia normal cuando su resistencia a la compre sión no supera los 420 kg/cm2 (figura 15.2).
Pasta+ A. fino= Mortero +
Más de 152,20
Pero en general, en estado endurecido y desde el punto de vista de su resistencia a la compresión, el concreto se puede clasificar según se indica en la tabla 15.4.
7%-15%
Agua
empleado es el de 210 kg/cm 2 (3.000 p.s.i.) para concretos colados en sitio. En el caso de la industria de los prefabricados (tubos, postes, pretensados y postensados, etc.), los concretos tienen resistencias mayores y técnicas de fabricación especial.
38%-48%
Ciclópeo Precolocado
Muy seca
0-20
Seca
Prefabricados de alta resistencia, revestimiento de pantallas de cimentación
Con vibradores de formaletas; concretos de proyección neumática (lanzado)
Secciones sujetas a vibración extrema, puede requerirse presión
20-35
Pavimentos
Pavimentadoras con terminadora vibratoria
Secciones sujetas a vibración intensa
Semi-seca
35-50
Pavimentos fundaciones en concreto simple
Colocación con máquinas operadas manualmente
Secciones simplemente reforzadas con vibración
Media
50-100
Pavimentos compactados
Colocación manual
Secciones medianamente
para saber si es necesario utilizar aditivos (retardantes con el fin de regular los tiempos de mezclado y trans porte al sitio de obra, de manera que no se vaya a ver afectada ni la manejabilidad ni la resistencia del con creto.
Clasificación según resistencia a la compresión En el medio colombiano, los concretos que nor malmente se utilizan para construcciones corrientes
Al considerar el cambio de estado plástico a estado endurecido del concreto, surge una nueva clasificación (Tabla 15.3). Pues según el estado del tiempo (tempe ratura, humedad ambiente, etc.), la determinación de los tiempos de fraguado (inicial y final), es importante 320
tienen una resistencia a la compresión a 28 días de edad, comprendida entre los 70 kg/cm2 (1.000 p.s.i.) y 420 kg/cm2 (6.000 p.s.i.); entre estos valores, el más TECNOWGIA DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
Continúa Tabla 15.2 Concrelos por especialidad - Nueuas tecnologías
321
Figura 15.2 Estructura
Continuación Tabla 15.2
a mano, losas, muros, vigas Húmeda
100-150
Muy húmeda
150 o más
tradicional de conc.eto de resistencia normal (Columnas de 280 kgfcm2 y placas aéreas de 210 kg/cm 2)
figura 15.3
Edificaciones con estructura de concreto expuesto a ambiente marino en la costa d e l
Elementos estructurales esbeltos
C a r i b e
Elementos muy esbeltos, pilotes fundi dos "in situ"
c o l o m b i a n o
Tabla 15.3
Clasif icació n del concr eto segú n tiemp os de fragu ado (15.32 )
Retardante después
De 1:00 a 3:30 horas Hasta 25% más Lento
No más temprano de Reductor de agua 1:00, ni más tarde de 1:30 100% a 28 Normal días
· De otra parte, actualmente se considera que un concreto es de alta resistencia cuando a los 28 días de edad permite obtener resistencias a la compresión su periores a los 420 kg/cm 2 y generalmente de 560 kg/ cm2 y 630 kg/cm 2• De igual modo, en el V Congreso de la Federación Internacional del Hormigón Pre-esforza do, celebrado en París, en junio de 1966, se fijó el valor de 1.000 kg/cm2 como límite de los concretos de alta resistencia elaborados con base en precedimientos y materiales convencionales. Los concretos con resis tencias superiores a los 1.000 kg/cm 2 se consideran
pos: Concretos de permeabilidad normal, concretos impermeables (Tabla 15.5), y concretos resistentes a la acción del congelamiento y deshielo, concretos re sistentes a soluciones que contienen sulfatos (figura 15.3), concretos resistentes a la abrasión, y concretos resistente al fuego, entre otros. Tabla 15.5
Clasifica
ción del concreto según permeabilidad (15.1)
De 1:00 a 3:30 hora s ant es
Aceler ante
R á p
H a s t a 2 5 %
m á s
Clasificación según durabilidad
Tabla 15.4
Clasificación del concreto según resistencia a compresión (15.32)
70-420 1.000 - 6.000 Alta resistencia 420- 1.000 6.000- 14.000
M
322 TECNOLOG/A DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
Agua dulce Agua salina o de mar
Es sabido que un concreto de resistencia razonable y adecuadamente colocado, es durable bajo condicio nes ordinarias, pero cuando las condiciones de expo sición sean tales que la alta durabilidad es vital, son éstas las que deben determinar el tipo de materiales y la relación aguacemento a usarse.
Normal
Ultra alta resiste ncia
como de ultra alta resistencia.
M
Por ello, si se quisiera clasificar el concreto según su durabilidad, se podrían mencionar los siguientes ti-
0,45 Simple Agua salina o de mar 0,40 Reforzada Ciclos de 0, 4 5 Si m pl e y deshielo
0,45 Reforzada
Concretos por especialidad - Nuevas tecnologias
323
1
NOTA: Es conveniente el uso de aditivos inclusores de aire.
Clasificación según peso unitario El concreto convencional es hecho a base de agre gados pétreos naturales de peso normal, y su peso unitario aproximado es del orden de 2.300 kg/m3 de concreto.Sin embargo, a nivel mundial se han desarro-
liado y utilizado concretos cuyos pesos unitarios pue den ser tan bajos como 400 kg/m3 (concretos ligeros) o tan altos como5.600 kg/m3 (concretos pesados).En la tabla 15.6 se puede apreciar una clasificación gene' ralizada del concreto según su peso unitario.
a continuación se presentarán los distintos tipos de concreto que se obtienen al referirse a este tema.
Tal como se expuso en el capítulo 8, la apariencia del concreto ha recobrado una importancia inusitada tanto en concretos fundidos en sitio como en la indus tria dlos prefabricados, por sus ilimitadas ventajas técnicas, funcionales, constructivas, y económicas.
Concreto de agregado precolocado
Por ello, dentro de los concretos arquitectónicos se pueden distinguir los siguientes:
Tabla 15.6 Clasificación del concreto según su peso unitario (15.32)
Ugero
400-2.000
60-1.040
Pómez, Perfita
Normal
2.000- 2.500
1.300 - 1.600
Canto rodado
Pesado
2.500- 5.600
3.400 - 7.500
Balita, hierro
Además,es conveniente mencionar que dentro del concreto ligero hay varios tipos, según se trate de
Clasificación según apariencia
Concretos coloreados Concretos de agregado expuesto Concretos estampados Concretos abusardados Figura 15.4 Concreto coloreado y estampado
Este tipo de concreto se produce en dos etapas. ri ero s:llenan las formaletas con agregado grueso lrmpro Y bren gradado; y luego se inyecta mortero es tructural en la masa del agregado, de abajo hacia arri ba. También es conocido como concreto pre-empa cado, concreto de intrusión, o concreto inyectado. En este caso, los agregados deben cumplir con todas las normas de limpieza, sanidad y durabilidad especifica das, pero su granulometría es de tipo escalonado (ver Tabla 15.8), y por economía, el contenido de vacíos en tre partículas del agregado grueso debe mantenerse lo más bajo posible (de 38% a 48%). Para trabajo estructural normal, un mortero típico consta de dos partes de cemento portland: una parte de puzolana altamente activa y finamente pulverizada, y tres o cuatro partes de arena fina; y la relación agua
agregados naturales, artificiales, o agentes indusores de aire en una alta proporción (Tabla 15.7).
cemento más puzolana, comúnmente es de 0,45 a 0,50. El procedimiento de diseño más conocido es el de la especificación CRD C85del Cuerpo de Ingenieros de los Estados Unidos.
Tabla 15.7 Ejemplo de clasificación del concreto ligero (15.10)
ttipo de concreto es muy útil en lugares que no son facrlmente accesibles con técnicas ordinarias de colocación; en secciones con gran número de artículos _ inmersos, que tengan que estar precisamente coloca dos; en construcciones bajo agua; en construcciones masivas donde la temperatura tiene que controlarse; y en concretos con acabado de agregado expuesto.
Concretos por especialidad Al referirse a una clasificación del concreto por especialidad, el parámetro de referencia más común es el sistema de colocación en el sitio de obra. Por ello, Concretos par especialidad - Nuevas Jecnologfas
En el medio colombiano se ha desarrollado una variedad de concreto de este tipo, conocido con el nombre de "Concreto ciclópeo", el cual es ampliamen te utilizadoen cimentaciones corridas (figura 15.5) que generan una estructura maciza de transmisión de car gas al suelo. En este caso, el tamaño de las partículas del agregado que se precoloca, oscila entre 150 mm (6") y 250 mm (8"); y en lugar de mortero fino, se vada 325
y compactación se efectúan simultáneamente, ya que la fuerza del chorro que hace imp¡¡cto en la superficie compacta el material, de modo que se puede autoso portar, sin resbalar o caerse aun en una cara vertical o en un techo.
Tabla 15.8 (iranulometría típica de agregados para concreto de agregado precolocado, preparado con arena fina, puzolana y fluldificantes (15.4)
(mm) (pulg)
(mm) (pulg)
150 6
115 4
76 3
100
100 100
67 78 100
2,38 100 100 100
1,19 97 98 96
0,595 67 72
56
concreto convencional, cuyo tamaño máximo de agre gado puede ser hasta del orden de 38.1 mm (1 "),con un asentamiento entre 75 mm y 150 mm (dependien do del sistema de colocación), y con resistencias a la compresión entre 140 kg/cm2 y 210 kg/cm2•
45
40
100
40 40 62 97
m
m
0,297 31 34 36
22
20
16
45
6 10 4 9
2 2 2 2
i's
0,149 10 11 20
%
Fondo
o o o
rs
13
Módulo de Anura 1,95 1,85 1,92
Figura 15.5 Cimentación corrida en concreto ciclópeo
En este caso, el contenido de vacíos entre las par tículas del agregado grueso puede estar entre un 40 (para suelos de buena capacidad portante) y un 60% (para suelos de baja capacidad portante). Es decir, que el contenido de concreto convencional es menor en el caso desuelosduros, y mayor en el caso de suelos blandos. ·
Concreto lanzado De acuerdo con el documento A.C.I.-506, se da este nombre al concreto o mortero transportado, por algún medio, a través de una manguera y proyectado neumáticamente, a alta velocidad, contra una superfi-
326
cie.lgualmente, se le conoce como concreto neumát co o como concreto proyectado. Este tipo de concreto difiere del concreto convencional en que su colocación TfCI'iOLOGIA DEL CONCRfll) Y DEL MORTERO
Figura 15.6 Colocación de concreto lanzado
en una pantalla de cimentación en Bogotá, D. C.
Esta característica hace que el concreto lanzado se utilice principalmente en la construcción de:secciones delgadas (por lo general con espesores desde 100 mm hasta 300 mm) y ligeramente reforzadas (como cas carones, recubrimiento de túneles,canales, y pantallas de cimentación, ver figura 15.6); elementos de geome tria complicada, donde se dificulta el uso de formaletas· y, en reparaciones de concreto deteriorado, estabiliza: ción de taludes, recubrimiento de acero para protec ción contra incendios, o como sobrecapa ligera de mampostería. En general, existen dos procesos básicos por me dio de los cuales se aplica el concreto lanzado: por vía seca y por vía húmeda. El primero consiste en mezclar el cemento y los agregados (con un contenido de hu medad máximo de hasta el8%), para luego ser trans portados con aire a través de una manguera flexible hasta una boquilla especial que pulveriza agua a pre sión e hidrata la mezcla que sale disparada a gran velocidad. El segundo, se caracteriza por que los ingre dientes se mezclan previamente con el agua y luego son proyectados con aire a través de una manguera a alta velocidad. El proceso de vía seca es más apropia do para lanzar a una mayor distancia y para el uso de aditivos acelerantes de fraguado instantáneo; pero el proceso de vía húmeda da mejor control de lacantidad de agua y de cualquier aditivo empleado.Además, este último produce menos desperdicio por rebote. De·otra parte, el concreto lanzado debe tener una consistencia relativamente seca para autosoportarse una vez colocado. El intervalo usual de relaciones agua-cemento es del orden de 0,35a 0,50, locual gene ra muy baja exudación. Los agregados deben cumplir con las normas granulométricas del Comité A.C.I.506, y el tamaño máximo permisible es de hasta 25
Concretos por especialidad - Nueuas tecno/oglas
mm (1"). Por facilidad de bombeo, el contenido de agregado grueso debe ser menor que en un concreto convencional.
327
Concreto para pavimentos Debido a que los pavimentos y bases de concreto están expuestos nosolamente a las cargas del tránsito, sino a otros factores que tienden a destruirlos, como la abrasión, los cambios bruscos de temperatura, y subra santes y bases de soporte de calidad heterogénea, es necesario darun tratamiento especial al diseño de mez clas y a los procedimientos de colocación. En lo que concierne a los materiales, se recomien da el uso de cemento con bajo contenido de C3A (má ximo 8%) para garantizar un calor de hidratación lo más bajo posible y evitar retracciones. Como la resis tencia del concreto a la tracción depende en gran me dida de la adherencia entre el mortero y el agregado grueso, el uso de agregados triturados es más recomen dable que el uso de gravas aluviales por presentar ca ras más rugosas. De otra parte, la resistencia de los pa vimentos de concreto al patinamiento, depende de su textura superficial; por ello, la arena empleada debe proveer suficiente microtextura a la superficie y esto se logra con arenas que contengan cantidades signifi cativas de sílice en las partículas más grandes. Los adi tivos a emplear dependen de las especificaciones da das y de las condiciones de colocación. Con referencia a las especificaciones del concreto propiamente dicho, la resistencia seleccionada debe ser adecuada al uso y tiempo de servicio, pero para pro pósitos de diseño y durabilidad, el Comité A.C.l.316 recomienda que las resistencias especificadas del con creto no deben ser menores de 45,7 kg/cm 2 de resis tencia a la flexión a 28 días de edad, en viguetas con carga en el tercio medio, y de 281,2 kg/cm2 a los 28 días, en muestras probadas a compresión, con conte nidos mínimos de cemento de 335 kg/m 3. Sin embar go, si la experiencia y los materiales empleados de muestran que se pueden disminuir éstas especifica ciones, el comité recomienda que la resistencia a flexión a 28 días de edad no sea inferior a 38,7 kg/cm 2 y que el contenido de cemento en ningún caso sea menor de 280 kg/m 3•
328
Por otra parte, dependiendo de los sistemas de co locación y de compactación, se recomienda utilizar una consistencia entre 25 mrn (con terminadora vibra toria, ver figura 15.7) y 75 mm (colocación manual). Para obtener buena resistencia a la abrasión se reco mienda limitar el tamaño máximo del agregado a 25 mm { l "), así como el uso de relaciones agua-cemento bajas. De igual modo, se recomienda un contenido mí nimo de aire de acuerdo con las condiciones de expo sición. Figura 15.7 Construcción de pavimentos de concreto
_ con máquina terminadora vibratoria en el Aeropuerto Internacional "Eidorado" de la ciudad de Bogotá, D. C.
Concreto de bombeo De acuerdo con la terminología del Comité A.C.I.304, el concreto bombeado puede definirse como un concreto conducido por presión a través de un tubo rí gido o de una manguera Hexible y vaciado directamen te en el área de trabajo. Este tipo de concreto goza hoy en día de una amplia difusión, pues puede emplearse en casi todas las construcciones de concreto. Pero es especialmente útil, donde el espacio o el acceso para los equipos de construcción son limitados. Según el equipo, el volu men de bombeo Huctúa entre 8 y 150 m 3/hora y la dis tancia de bombeo puede alcanzar los 2.000 m horizon tales (figura 15.8), y en algunos casos hasta 430 m verticales (figura 15.9). Figura 15..8 Tubería de bombeo horizontal de coner'eto con bomba estacionaria
agua y por los aditivos presentes. La práctica ha de mostrado que para garantizar un bombeo sin interrup ciones, la proporción de "finos" (partículas de 0-0,2 mm) debe estar comprendida entre 350 y 400 kg/m 3 de concreto. En relación con los agregados, debe recordarse que el tamaño máximo del agregado grueso anguloso está limitado a la tercera parte del diámetro interior de la tubería, y para agregados bien redondeados, el ta maño máximo debe estar limitado al40% del diámetro de la tubería.Sin embargo, la experiencia ha demostra do que las mezclas diseñadas con agregados de granu lometría .continua y tamaño máximo de 38.1 mm ( J W') presentan característicasóptimasde bombeo.Su granu lometria debe cumplir con las especificaciones dadas en las normas vigentes (ASTM C-33), pero teniendo es pecial cuidado con el agregado fino, ya que en siste mas de tubos pequeños (menores de 150 mm) de115 al30% debe pasar el tamiz de 0,3 mm (No. 50), y del 5 al10% debe pasar el tamiz 0,15 mm (No. 100). Por último, se recomienda que la relación arena/agregado total {por volumen) esté entre 40y 50% para combina ciones de agregados gruesos y finos bien gradados. Figura 15.9 Bombeo vertical de concreto con
autobomba
finalmente, debido a la alta relación que hay entre el área superficial expuesta y el volumen de la mezcla en un pavimento de concreto, es vital que se tomen las precauciones necesarias (barreras contra viento, dis minución de temperatura de la mezcla, uso de cubier tas o membranas de curado), para evitar un deseca miento superficial prematuro que conduzca a la for mación de fisuras y grietas. De igual modo, el curado con agua debe ser intensivo durante por lo menos los primeros 7 días de edad.
TECNOLiXi/A DEL CONCRE:TO Y DEL MORTERO
Dentrode las características especiales de las mez clas de bombeo, comúnmente se recomienda que ha ya una película lubricante de la tubería,además de una cantidad suficiente de lechada para cubrir cada grano de agregado. Esta masilla lubricante debe estar com puesta por los materiales cementantes, por las partícu las de arena de menos de 0,2 mm de diámetro, por el
Concretos por especialidad - Nuevas tecnologías
329
En cuanto a las especificaciones de la mezcla, la experiencia indica que resulta preferible un promedio de asentamiento entre 5 y 15 cm y es recomendable el uso de aditivos reductores de agua, superfluidificantes, aditivos minerales finamente divididos y polímeros so lubles en agua que mejoran o aumentan la consisten· da, la viscosidad y la cohesión del concreto, con el fin de facilitar la trabajabilidad y la bombeabilidad. Final· mente, una inclusión de aire del 3 al5% retrasa la exu dación e incrementa la trabajabilidad y, por lo tanto, la bombeabilidad. Si las cantidades de aire incluido son superiores al6 o 7%, el concreto se vuelve demasiado compresible, imposibilitando el bombeo.
Figura 15.1O Vaciado de un pilote de concreto por el sistema de tubo-embudo Tremie
Este es el nombre que se da a concretos dosificados con aditivos reductores de agua de alto rango, más co nocidos como superplastificantes, los cuales se utili zan como agentes para incrementar la manejabilidad de las mezclas. Su utilidad principal estriba en que se logra un alto asentamiento para facilitar el vaciado del concreto, sin tener que recurrir a un alto contenido de agua de mezclado que reduce la resistencia y eleva la contracción.
La colocación de concreto por el método de tubo embudo (Tremie), es la más frecuentemente usada pa ra vaciar concreto bajo agua o en cimentaciones pro fundas.
En términos generales, el procedimiento consiste en aprovechar el principio físico de los vasos comuni cantes que caracteriza a los fluidos. La colocación sue le ser alimentada por gravedad, desde arriba de la su perficie del agua (o de los lodos bentoníticosempleados en el vaciado de pilotes "in situ", figura 15.10), por un tubo vertical conectado a una tolva en forma de embu do en la parte superior. El concreto fluye por el tubo embudo hacia afuera desde el fondo del tubo, empu · jando la masa hacia afuera y hacia arriba.
330
Figura 15.11 Concreto superfluido empleado en la construcción de una edificación hecha con sistema túnel
Concreto fluido
Concreto vaciado por tubo-embudo (Trernie)
Las características especiales de este tipo de con· creta radican en una alta fluidez, por la necesidad de que la mezcla fluya a su lugar lentamente, por grave dad, sin vibración y sin ayuda mecánica. Por ello, las mezclas deben diseñarse para un asentamiento de 15 a 23 cm. Generalmente se emplea grava redonda na tural en lugar de roca triturada, por las necesidades de fluidez. Al igual que en el concreto de bombeo, el tama ño máximo de agregado más recomendable es de 38.1 mm (1W') y la relación arena/agregado total (por
rante el período de colocación. El uso de aditivos indu· seres de aire y puzolanas también es benéfico para las características de flujo. Para mantener la calidad es tructural y mejorar las condiciones de colocación, de be mantenerse la temperatura de la mezcla tan baja como sea posible, generalmente menos de 21.1• C. Por último, la máxima relación agua-cemento recomen dable para concreto colocado por este sistema, es de 0,44.
Dentro de las características especiales de este ti po de concreto, están:el que a una mezcla con 5cm de asentamiento se añade el aditivo y se obtiene un asen· tamiento superior a los 20 cm durante un período de 30 a 60 minutos (dependiendo de la temperatura). De es ta manera, el concreto tiene la resistencia de una mez cla de baja relación aguacemento, con la fluidez de una mezcla de alto contenido de agua.Otra caractens tica especial es que dicha fluidez se logra sin segrega ción ni exudación excesivas, si el asentamiento no pa sa los 25 cm. Así mismo, la acción retardan te anormal y la inclusión de aire comúnmente están ausentes.
volumen) entre 40 y 50% para combinaciones de agre gatlos gruesos y finos bien gradados. De otra parte, es indispensable el uso de aditivos re tardantes y reductores de agua que garanticen la ma· nejabilidad, consistencia y plasticidad del concreto du-
TECNOLOG/A DEL CONCRETO Y DfL MORTERO
Por ello, el concreto fluido es de gran utilidad en aplicaciones donde hay congestionamiento de acero de refuerzo, en secciones estrechas y complicadas, o cuando hay numerosas esquinas o partes inaccesibles (ver figura 15.11). Demodoquealsertanlíquido,esun concreto prácticamente "autonivelante" que no requie re de vibración. Por ello, se le conoce también como concreto autonivelante o concreto autocompactante.
Concretos por especialidad - Nuevas tecnologías
Sus características de diseño son muy similares a las de una mezcla de bombeo, en lo que se refiere al contenido de finos y a la relación arena/agregado total. Sin embargo, el aditivo se debe añadir a pie de obra, dado que la duración de su actividad está restringida a un máximo de una hora y a las condiciones del clima.
Nuevas tecnologías Lo que se ha enfatizado hasta el momento es la adaptabilidad del concreto ordinario a una amplia va· riedad de usos y aplicaciones que lo han convertido en un verdadero medio universal de construcción. Pues ha demostrado tener una versatilidad ajena a cualquier otro material, y tiene la ventaja adicional de que se pue de elaborar con componentes que en su mayoría están disponibles localmente. Sin embargo, la investigación y el desarrollo de nuevas aplicaciones y tecnologías es interminable. Hoy, cuando vivimos la última década del siglo XX, vemos nuevos y sorprendentes descubri mientos. Entre ellos, podemos mencionar el concreto ligero y el desarrollo que en años recientes han tenido el concreto de alta resistencia, el concreto reforzado con fibras y el concreto compactado con rodillo (CCR). 331
Concreto ligero Como su nombre lo indica, el concreto ligero o liviano es aquel cuya densidad es inferior a la del concreto convencional y usualmente varía entre 400 kgjm3 y 2.000 kgjm3• En términos generales, existen tres formas básicas para producir concreto ligero: 1.
El uso de agregado poroso de bajo peso específico, llamado agregado ligero o de peso liviano.
2. La introducción de grandes huecos en el concreto o en la masa de mortero. Estos vacíos deben dis tinguirse claramente de las finísimas burbujas pro ducidas por la inclusión intencional de aire que se hace al concreto convencional con fines de aumen tar su durabilidad. Este tipo de concreto suele co nocerse con los nombres de aireado, celular, espu moso o gaseoso. 3. La preparación de concreto convencional pero omitiendo el agregado fino en la mezcla, lo que oca siona un gran número de espacios vacíos. Este concreto recibe el nombre de concreto sin finos. Concreto lígero a base de agregado ligero Como se mencionó antes, la característica esen cial del agregado ligero es su alta porosidad, que pro voca un bajo peso específico aparente. Los agregados ligeros pueden ser orgánicos e inorgánicos, naturales o artificiales, y de granulometría continua o discontinua. Agregados ligeros orgánicos · Dentro de estos, se pueden distinguir la cascarilla de arroz, la viruta de madera y el styropor o icopor. Cascarilla de arroz Este agregado tiene una alta disponibilidad en las zonas arroceras, donde es considerado un desperdicio por tener bajo poder nutritivo y un contenido de sílice 332
del orden del 18% que impide su consumo como ali mento. Su utilidad en el concreto ligero estriba en que las partículas de cascarilla tienen una forma aconchada que permiten atrapar aire, aligerando la masa de con creto. De otra parte, el hecho de poseer entre sus cons tituyentes el sílice, hace que las partículas presenten un aspecto" petrificado" que es compatible con la com posición química del cemento. De hecho, si esta se cal cina, se puede también utilizar como puzolana o adi ción cementante de mezclas de concreto o de mortero. Dentro de los cuidados en su utilización, es reco mendablesaturarla previamente en una lechada de cal al5%, para remover su aceite natural y mejorar adhe rencia con la pastade cemento; y de otra parte, evitar la absorción del agua de mezclado evitando cambios bruscos de humedad y disminución de la retracción. Viruta de madera La viruta de madera es el agregado vegetal más ampliamente utilizado para la fabricación de concreto ligero. La viruta en astillas, que procede de aserríos y talleres de carpintería, debe ser sometida a un trata miento especial antes de ser empleada en la fabrica ción de concreto.Este tratamiento consiste en una "mi neralización" por inmersión de la viruta en una lechada de cal, lechada de cemento, silicato potásico o cloruro potásico para mejorar su resistencia y evitar su putre facción. Los concretos livianos de viruta de madera,cbmpac tados de manera corriente, alcanzan escasas resisten cias. Sin embargo, se pueden obtener mejores resulta dos si se prensan los elementos y piezasfabricadascon este tipo de concreto. Este tipo de concreto posee una alta retracción, por lo cual no es recomendable para vaciados "in situ", y su curado debe ser muy intenso y duradero.Su prin cipal aplicación es en divisiones que requieren aisla-
miento térmico y acústico sin alta capacidad portante. Finalmente, el aserrín de madera no es recomendable como agregado, debido al alto consumo de cemento. Styropor o icopor Este es un agregado orgánico sintético formado por resinas espumosas de poliéster. Se obtiene a partir del poliestireno como agente de expansión incorpora do, cuyas perlas esféricas y vítreas se expanden al ser calentadas por vapor. Una vez expandidas, las perlas tienen una densidad aproximada de 12 kgjm 3• La estructura de una perla expandida es alveolar y alberga alrededor de un millón de celdillas cerradas higroscópi cas y elásticas, y su volumen llega a ser 40 veces su perior al original. El concreto aligerado con icopor se obtiene me diante el mezclado de estas perlas expandidas de po liestireno con cemento, arena y agua, llegando a ocu par el icopor entre el60% y e170% de !amasa total. La preparación de este tipo de concreto exige mu cho cuidado en la adición de agua y en la colocación por tener una alta tendencia a la segregación. Su re tracción es alta y es combustible, pero tiene alto poder de aislamiento térmico y acústico. Sus principales aplicaciones son los morteros ais lantes, la fabricación de bloques y elementos prefabri cados para aligerar cargas. Agregados ligeros naturales . Los principales agregados de esta categoría son la piedra pómez o pumicita, la escoria, cenizas volcáni cas y tufas, y la diatomita; todas de origen volcánico, excepto la última. Piedra pómez o pumicita La piedra pómez o pumicita es una roca volcánica de color claro y aspecto espumoso, con un peso volu métrico a granel comprendido entre 500 y 900 kg/m3•
Las variedades de esta piedra que no son excesi vamente frágiles estructuralmente, resultan adecua das para concretos con peso volumétrico entre 700 y 1.400 kg/m3 de buenas características aislantes, pero con altos grados de absorción y contracción. Escoria volcánica La escoria volcánica es una roca vidriosa vesicular, de color oscuro (pardo y rojizo), con estructura de po ros muy grandes y variables, los cuales no se encuen tran conectados entre sí, con un peso volumétrico a granel comprendido entre 700 y 1.500 kg/m 3• En general, sus partículas presentan resistencias mejores que las de la piedra pómez, debido a su es tructura interna. De igual modo, los concretos fabrica dos con este tipo de agregado presentan menor absor ción de agua y por lo tanto menor retracción. Diatomita La diatomita es un agregado ligero natural prove niente de rocas silíceas de origen orgánico formadas por esqueletos remanentesde plantasacuáticas micras· cópicas (algas protozoarias) llamadas diatomeas. La diatomita es de color blanco, tiene estructura la minar, presenta poros y se desmenuza fácilmente. Cuando se encuentra pura (libre de arena y arcilla, tiene un peso volumétrico a granel promedio de 450 kg/m3). Finalmente, los concretos fabricados con este agregado tienen un alto poder aislante, por lo que son muy empleados en hornos de altas temperaturas. Agregados ligeros artificiales Los agregados ligeros artificiales se conocen en el mundo con una variedad de nombres de marcas co merciales, pero la mejor clasificación de ellos se basa en la materia prima utilizada y el método de produc ción, donde se distinguen tres grupos.
Concretos por especiaUdad - Nuevas tecnologlas
333 TECNOLOGIA DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
En el primer grupo se incluyen los agregados pro ducidos por la aplicación de calor, a fin de expandir la arcilla, la pizarra, el esquisto y la pizarra diatomácea, la perlita, la obsidiana y la vermiculita. El segundo tipo se obtiene mediante un proceso de enfriamiento, gracias al cual se logra una expansión de escorias de alto hor no. El tercero y último tipo está formado por cenizas industriales.
mientras que su contracción es inferior a la de la mayo ría de concretos ligeros. De otra parte, el peso volu métrico del concreto producido con estos agregados 1 puede situarse entre los 1.400 y los 1.800 kg/m 3, aun que se han logrado valores tan bajos como 800 kg/m3•
por lo cual se utiliza como material aislante, como agre gado para la fabricación de bloques y muros, y como protección del refuerzo contra el fuego. Una de las ven tajas de este tipo de concreto es que seca con mucha rapidez y puede recibir acabado de inmediato.
Ladrillo triturado
Pizarra, esquisto y arcilla expandida
Para fabricar concreto de baja densidad y baja re sistencia, sin necesidad de utilizar arcillas calcinadas y expandidas, se han utilizado los desechos de fabrica ción de la industria ladrillera, o los desperdicios de la drillo de obras de construcción y demoliciones.
Escoria horno
Estos materiales se obtienen mediante el calen tamiento rápido de materias primas adecuadas en un horno rotatorio a una temperatura de fusión incipiente (1.000 a 1.200° C), produciéndose una expansión del material (hasta varias veces su tamaño original), debi da a la generación de gases que quedan atrapados en la masa piroplástica y viscosa, resultando así un pro ducto que contiene una cantidad de cavidades peque ñas. Esta estructura porosa se conserva al enfriarse, obteniéndose un material con un peso específico apa rente mucho más bajo que el del material antes del calentamiento. A menudo la ateria prima se reduce al tamaño deseado antes del calcinamiento, pero también se pue de utilizar la trituración después de la expansión, aun que los resultados no son exactamente los mismos puesto que el primer método produce un agregado me nos absorbente. La pizarra o la arcilla expandida son agregados li geros que se presentan en forma de bolitas porosas, re dondeadas y medianamente compactas. Cuando se elaboran en horno rotatorio, su peso volumétrico a gra nel puede estar comprendido entre 300 y 650 kg/m 3, debido a su estructura microporosa, resistente, quími camente estable, de alta resistencia al fuego y con buen aislamiento térmico y acústico.' La resistencia obtenida en los concretos con agre gados de pizarra o arcilla expandida es comparable a la de otros concretos ligeros de peso unitario similar,
Este tipo de concreto se emplea en divisiones y asi lamientos térmicos, y sus principales ventajas son la baja retracción, módulo de elasticidad relativamente bajo y gran aislamiento.
Vermiculita o mica esponjada La vermiculita es un mineral del grupo de los silica tos, de estructura laminar, que al calentarse a presión a temperaturas de650a 1.000° C, expande su volumen hasta 30 veces su volumen original por un proceso de esfoliación de hojas finas. Su peso volumétrico a granel es tan sólo de 60 a 130 kgjm3 y el concreto que se hace con este material tiene muy poca resistencia y presen ta mucha contracción, aunque es excelente aislante de calor.
alto
La escoria de alto horno expandida se produce de dos maneras: una de ellas es poner en contacto una cantidad controlada de agua con la escoria fundida aplicándola como rociador mientras el material se descarga del horno (en la producción de hierro fundi do). Se genera vapor¡que hincha la escoria, aun en es, tado plástico, lo que hace que endurezca en forma porosa, de manera similar a la de la pumicita. Este proceso se llama de "chorro de agua". En el proceso de "máquina", la escoria fundida se agita rápidamente con una cantidad controlada de agua, se atrapa vapor y se forman además algunos ga ses, debido a\reacciones químicas de algunos compo nentes de la escoria con el vapor de agua. El peso vol métrico a granel de este tipo de agre gado oscila entte 650 kg/m3 (para las más finas), 900 kg/m3 (para las!más gruesas). Las resistencias obteni das con estas escorias son bajas y sus contracciones medias.
Perlita expandida
Escoria de lluÚa
Esta es una roca volcánica vidriosa y, aunque es natural, su estructura física no se parece a la de la pie dra pómez debido a su alta densidad. Sin embargo, al calentarse hasta el punto de fusión incipiente (900 a 1.100°(), la perlita se expande por evolución del vapor y forma un material celular liviano, con un peso volumé trico a granel de sólo 30 a 240 kg/m3•
Esta es formada por el fundido y la sinterización de residuos bien quemados de los procesos de combus tión de hornos industriales a altas temperaturas en donde se usa la hulla como combustible, como es el caso de calderas y plantas termoeléctricas.
El concreto ligero que se hace con perlita tiene una resistencia muy baja y un alto grado de contracción, 334
de
TECNOLOGIA DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
La escoria de hulla se forma de minerales que se encuentran presentes en la hulla, como por ejemplo, calcitas, caolinitas y piritas. Las escorias más recomen dadas para producir concreto ligero son las más duras y limpias de cenizas.
Concretos por especialidad - Nuevas tecnologfas
Pero, de otra parte, no es recomendable el uso de escoria de hulla en concretos ligeros reforzados o que requieran de una alta durabilidad, debido a que la pe queña cantidad de sales agresivas que contiene la es coria puede causar corrosión en el acero de refuerzo. Por ello, adicionalmente se recomienda que la pérdida al fuego no supere e125% y que el contenido de azufre (503) sea menordell%. La escoria de hulla presenta un peso volumétrico a granel entre 700 y 1.200 kg/m3, y los concretos produ cidos con ella tienen pesos unitarios entre 1.000 y 1.500 kg/m3, resistencias medias a bajas y contraccio nes medías. Su principal empleo es en elementos ais-. !antes como bloques y también para rellenos.
Cenizas industriales La ceniza de combustible pulverizada, o ceniza vo lante, es un residuo finamente molido obtenido de la combustión de carbón en polvo en modernas plantas de calderas, como las plantas de energía eléctrica. El proceso consiste en humedecer la ceniza, trans formándola posteriormente en partículas redondea das y calentadas en un horno adecuado. El concreto ligero hecho de cenizas volantes sinterizadas tiene una relación de resistencia-densidad notablemente alta y un encogimiento al secado relati vamente bajo, que lo hace muy apropiado para ele mentos estructurales reforzados.
Concreto ligero aireado, celular, espumoso o gaseoso El concreto aireado se puede definir como una mezcla de estructura homogénea de silicatos, de gra nos finos, que contienen pequeñas celdas de aire no comunicadas entre sí. Los ingredientes silicosos actúan en parte como re lleno y en parte como reactivoquímico con el aglutinante
335
que puede ser cemento portland, cal o una mezcla de ambos.Su peso volumétrico puede estar entre 400 y 1.800 kg/m3, dependiendo de la proporción de sus in gredientes. En este tipo de concreto ligero se distin guen dos clases: concreto aireado con gas mediante aireación química y concreto aireado con aditivos es pumantes.
Concreto aireado con gas En este tipo de concreto aireado, el método para
log ar la formación de aire o vacíos en el interior de la lechada, es por medio de una reacción química dentro de la masa durante su estado plástico, que opera de la misma manera que la levadura en el pan y los produc tos horneados. Para ello, se agrega a la lechada un metal finamen te pulverizado (usualmente aluminio o zinc), el cual reacciona con la cal que ha sido empleada como agen tecementante oquese ha formadoen la matriz durante el fraguado del cemento, generando gas e inflando la mezcla. El concreto aireado con gas es muy empleado en la producción de prefabricados o precolados como blóques para muros, que usualmente son curados con vapor a alta presión (curado en autoclave). La densi dad de este concreto varía entre 400 y 800 kg/m3,sien do el más liviano utilizado en aislamientos, dada su baja resistencia. Si este tipo de concreto es curado en autoclave, su contracción por secado es baja.
Concreto aireado con aditivos espumantes En este é:aso, el concreto es aireado mediante la formación de una espuma estable preformada muy similar a la que se utiliza para combatir el fuego.
Una vez que se ha mezclado el cemento, la arena y el agua en una mezcladora común y corriente, se añade la espuma que ha sido previamente preparada con la ayuda de un compresor. Después de introducir
336
la espuma se continúa el mezclado para dispersarla ho mogéneamente por toda la masa y asegurar una dis tribución adecuada de las celdas de aire dentro de la mezcla.
Concreto ligero sin finos Este es un concreto constituido por cemento, agua y agregado grueso, cuyo tamaño máximo está entre 1,O y 2,0 cm. De esta manera, los vacíos que deberían ser llenados por la arena quedan uniformemente distr huidos, aligerando el material. Su peso unitario es sensiblemente más bajo (2/3) que el de un concreto convencional hecho con el mis mo agregado. la pasta de cemento no debe constituir un relleno, sino la liga entre los puntos de contacto de las partículas de agregado.Su resistencia es media y la contracción por secado es baja.
Concreto de alta resistencia Como ya se mencionó, el término"concreto de alta resistencia" es aplicable a aquellos concretos cuya re sistencia a la compresión supera los 420 kg/cm2• Den tro de la carrera por aumentar la resistencia del concre to, el área de Chicago en los Estados Unidos es pio nera. Allí se han desarrollado concretos de hasta 1.260 kgjcm2 (18.000 p.s.i.). las pruebas continuas de materiales cementantes (cemento, ceniza volante y microsílice), aditivos retar dantes y reductores de agua de alto rango, agregados muy bien seleccionados y gradados, y un claro enten dimiento de la Tecnología del Concreto, han permitido el desarrollo de mezclas óptimas, diseñadas para obte ner propiedades específicas, que se han denominado "Concreto de Comportamiento Diséñado". A ellas per tenece el concreto de alta resistencia. En relación con los materiales, el cemento más recomendable, aunque no indispensable, es el cemen to portland tipo Ill.las puzolanas, que actúan como lleTECNOLOGIA DEL CI)NCRETO Y DEL MORTERO
1
¡ t
•
Figura 15.12 Edificio Water Tower Place, situado
en la ciudad de Chicago (USA) y construido en concreto de alta resistencia
f
cipales del cemento portland), son la base del diseño de pastas de alta resistencia, porque producen una me jor cementación de la pasta. Estas pueden ser natura les (formadas por enfriamiento rápido del sílice conte io en l.lava.de erupciones volcánicas y ricas en ox1do de s1hce S102), o artificiales (cenizas volantes ob tenidas del filtrado de los humos de centrales térmicas Y humo de sílice o microsílice obtenidas del filtrado d los humos de hornos de producción de sílice o silicatos metálicos). De otra parte, los aditivos superplastificantes per miten reducir la relación agua-<:emento hasta un valor cercano al mínimo teórico de hidratación del cemento (0,27), y a la vez dispersar homogéneamente la puzo l?na.y el cemento, obteniéndose un incremento sign f1cattvo de la resistencia sin sacrificar las condiciones de fluidez requeridas para una buena colocación y compactación.
r
f
Por último, conviene mencionar que por razo es económicas y debido a que los elementos de concreto de alta resistencia no son cargados sino hasta varios meses después de haber sido colocado el concreto las resistencias finales se especifican a 56 o 90 dfa;de edad.
1f
!
Concreto reforzado con fibras
1 f
nante de los poros existentes entre· los granos de
cemento de una pasta (por tener un diámetro hasta 100 veces menor que las partículas de cemento), y a la vez reaccionan con la cal libre del cemento y con el agua (por tener los mismos elementos químicos prin-
Aunque la utilización de fibras sintéticas o natura les como refuerzo parcial o total del concreto tiene cier ta antigüedad y difusión, éste es otro desarrollo que ha cobrado importancia desde 1960, cuando se desarro llaron aplicaciones modernas de las fibras metálicas de vidrio, dcarbón, orgánicas y minerales (madera: yute, bambu, coco, asbesto, etc.), de polipropileno, ny lon, poliéster, y otras que se encuentran relacionadas en la tabla 15.9. Desde entonces, éstas han sido estu diadas por el comité A.C.I.-544. El principio básico de utilización de fibras en el concreto consiste en mejorar las propiedades de una matriz débil y quebradiza, que nosolamente aumentan
Concretos par especialidad - Nuevas lecnologias
337
Tabla 15.9 Propiedades de algunas fibras (15.15)
ASBESTO AZUL
0.1 a20
VIORIO'E"
9a 15
AWMINIO SIUCATO
100
35
1.970
21 a 35
775
022
la resistencia a todos los modos de carga que inducen medio de vibración externa, que se logra con el uso de tensión (tensión directa, flexión y cortan- equipos de esfuerzos de rodillo vibratorio (ver figura 15.13). te), sino que aminoran la fragilidad de la matriz y producen un material relativamente más flexible. Figura 15.13 Colocación de concreto compactado
2a3
Plástico
3.37
Bajo
2a5
Frági
2.56
Bajo
800
Frágft
2.73
Bajo
1.750
Frágft
1.99
Bajo
400 a 1.500
Frágft
1.74
Bajo
400 a 1.500
1.100
2a8
250
CARBON TIPO 1
8
11
14a21
4225
0.2a0.4
CARBON TIPO 11
8
11
2.5 a 3.2
2.817
0.2 a 0.4
11
3.2
2.040
0.33
3
Intermedio
7.84
Bajo
1.400
11
1.1
2.040
0.33
4
Plástico
7.84
Bajo
1.500
1.6ZO
0.33
3
Intermedio
Bajo
1.450
ACERO (alto carbón) ACERO (bajo carbón)
5a 500
0.5
POUPROPILENO: >4
a
6.5
49
029
18
Plástico
0.91
Moderado
IZO
Fibnlado
>4
11
4.0
78
0.46
8
Plástico
0.91
Moderado
IZO
NYLON
>4
11
8.7
42
0.40
13.5
Plástico
1.14
Moderado
250
>4
a
8.9
11.2
10.5
Plástico
1.38
260
1.35 Moderado
150
Moderado
150
Filamento POUPROPILENO:
POUESTERC (Terylene) ALGODON
J0a20
65
2.8a8.5
SISAL
10a50
1.200
8.5
CABUYA
40a80
1.800
3.9
CAÑAMO
Z0a50
1.800
CRIM
50 a 100
1.500
CELULOSA
a 11.2
SaJO
frágB
1.48
3
3a5
Frágil
1.48 Moderado
150
3.9
2
FrágR
1.48 Moderado
150
2.6
2.5
Frágü
2.0 .
3a4
10.1
• En investigación
338
TEatOLOGIA DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
La capacidad de refuerzo de una fibra depende del grado en que los esfuerzos pueden serie transferidos desde la matriz, grado que a su vez está regido por las caracteristicas intrínsecas de la fibra como:resistencia a la tensión más resistente que la matriz; capacidad de resistir deformaciones muy superiores a la deformación en que la matriz se agrieta; módulo de elasticidad alto para aumentar el esfuerzo que soporten en un ele- mento bajo carga, siempre y cuando las fibras y la ma- triz se conserven totalmente adheridas; adherencia adecuada con la pasta decemento; relación de Poisson menor que la de la matriz para aumentar fricción de adherencia; y relación longitud/diámetro adecuada para que conserve su capacidad de absorción de es- fuerzas.
con rodillo en la ciudad de Bogotá, D. C.
Difiere del concreto convencional en su consistenFinalmente, las fibras se han utilizado principa da seca, peso unitario ligeramente mayor, y aparien-· mente en pavimentos y losas donde la relación área/ da (color más oscuro, ver figura 15.14). Su origen volumen es alta y se requiere de un mecanismo decontroJ de grietas superficiales; de igual modo ha ocurrido proviene de las técnicas de construcción de vías con en losconcretos masivos, donde el calor de hidratación suelo-cemento y bases tratadas o concretos pobres. es alto y se requiere controlar grietas y fisuras; pero este tipo de concreto está siendo muy investigado en Su mayor desarrollo se ha visto en la construcción las estructuras modernas que requieren de una gran de presas de gravedad, pero su aplicación a los pavicapacidad de absorción de energía como es el caso de mentas ha cobrado mucho interés, debidoa que te los últimos 20 años se han construido más durán- los diseños antisísmicos, o las estructuras hidráulicas de 1O donde se disminuye notablemente el ataque por eromillones de metros cuadrados, en todo el mundo, con sión o cavitación. excelentes resultados. España es el país pionero en este campo. Concreto compactado con rodillo En cuanto a las caracteristicas de fabricación de Otro desarrollo importante que ha evolucionado este tipo de concreto, se pueden mencionar lassiguien- rápidamente desde finales de la década de los años 60, tes:es recomendable el uso de es el llamado concreto compactado con rodillo (CCR), de hidratación; el uso de cementos de bajo calor el cual consisteen una mezcla homogénea decemento puzolanas y adiciones activas es adecuado; los o materiales cementantes, agregados y pota agua, agregados tienen requisitos de gradación menos que exige para su colocación una energía de compacexigentes que los del concreto convencional, e inclusive se permite que el contenido de finos no tación alta (por su consistencia seca), obtenida por plásticos puede ser hasta dell 0%; Concretos por especialidad - Nuevas lecnologfas
339
Figura 15.14 Comparación entre concreto compactado
con rodillo (izquierda) y concreto convencional (derecha)
Dentro de sus ventajas comparativas están el uso de maquinaria tradicional para trabajos de tierra o asfaltos (camiones, motoniveladoras, cilindros, etc.), la rapidez de ejecución de las obras, la disminución de juntas de retracción, su baja permeabilidad, y conteni dos de cemento similares a los de un concreto conven cional (entre 180 y 350 kg/m3) que lo hacen competi tivo desde el punto de vista económico.
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TECNOLOGIA DEL CONCRErO Y DEL MORTERO
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341
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COMITÉ An211: Práctica
342 TECNOLOG/A DEL CONCRETO Y DEL1-fORTERO
5.3
5.4
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349
Dieg o Sánc hez De Guz mán es Inge nier o Civil de la Pont ifici a Uni vers idad Jave rian a {Bo gotá , Col omb ia]. Má gist er en Inge niarl a Civil de la Univ ersio dad de los And es {Bo got á, Col om bia] , Ma ster of
Scie nce en Cien cias Indu stria les [Ad mini strac ión de la Con struc ción ] de Colo rado Stat e Univ ersity [Fort Colli ns, Colo rado E.E.U .U.] y Espe cialis ta en la Dire cció n de Con trol de la Cali dad de la Aso ciaci ón Colo mbia na de Cont rol de Cali dad.
Dentro de su actividad académica, ha sido fundador y director del programa de posgrado «Especiali zación en Gerencia de Construcc iones». jefe de la sección de Estructur as y Construc ción, y profesor investiga dor y de cátedra de la Facultad de Ingenierí a de la Pontifici a Universi dad Javeriana . Profesor de cátedra de la Facultad de lngenierfa de la Universid ad de los Andes, y profesor asociado de la Universid ad Militar Nueva Granada en Santafé de Bogotá.
En el sect or indu stria l, se ha dese mpe ñad o com o Jefe de Cont rol de Cali dad, Subg erent e de Plan eaci ón y Pro yect os, Gere nte Técn ica y, final ment e, com o Gere nte Gene ral de la Cen tral de Mez clas S.A., en Sant afé de Bog otá. Ha sido cons ultar inde pen dien te para emp resa s indu stria les, ent
dad as gub erna men tales y
emp resa s rela cion adas con el cam po de la admi nistr ació n de la cont rucci ón. Ase sor de firm as cons ultar as. cons truct oras, inter vent oras y
prod uc tora s de mat erial es de cons truc ción , en los sigu ient es cam pos de la inge nierí a de Con sulta : Tecn olog ía del
con creto, Producció n y manejo del concreto, Control de cali dad del concreta, Patología y
reparación de estructura s de concreto, Prefabricac ión y mampost ería. Conferenc ista de la Asociación Colombian a de Producto res de Concreto ASOCRET O, del Instituto Colombia no de Producto res de Cementa ICPC, y de la Federaci ón Iberoame ricana del Hormigó n Premezc lado FIHP. Miembro de la Junta Directiva de la American Concrete lnstitute [Capitula Colombia]. Autor de numeroso s artículos Y publicaci ones sobre Tecnologí a y Control
de Cali dad del Con cret o, entr e los cual esse dest aca la pres ente obr a, TEC NOL OGI A DEL CON CRE TO Y
DEL MOR TER O, gala rdo nad a por la Soci eda d Col omb iana de Inge nier os con Men ción de Hon or en el «Pre mio Diod oro Sánc hez» en el a ñ o d e 1
994 .
BHA NDA R
rJl{ EDIT ORE S
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La literatura técnica en español sobre planeación y control de obras ha sido muy escasa en nuestro medio y Bhandar Editores se propusó desde 1990 llenar este vacío, rescatan do para el país la enorme experien cia acumulada de sus constructores y estudiosos del tema con La Biblio teca de la Construcción. Una colec ción en la cual se analizan y desarro llan por parte de profesionales cuya trayectoría es ampliamente conoci da los temas que cotidianamente se trabajan en las oficinas de consultoría y en las obras pero que hasta ahora no se habían tratado académicame n te, tal vez porque
nuestros arquitec tos, ingenieros y economista s son muy poco dados a escribir. La enorme acogida que ha teni do la Biblioteca todas sus primeras ediciones se agotaron desmostró que las premisas que le dieron orígen eran ciertas, por lo cual Bhandar Edi tores continuará con su propósito de divulgar estos temas en el país y el medio hispano parlante para contri buir a la creación y conservaci ón de este conocimien to.
Adem ás del prese nte volu men, la Bilblio teca ha public ado hasta hoy los siguie ntes titulas :
AVALÚOS DE INMUEBLES Y GRANTÍAS O s e a r B a r r e r o O c h o a
CONTROL INTEGRAL DE LA EDIFICACIÓN T o m o 1 P l a n e a m i e n t o G e r m á n P u y a n a G a r cí a
CONTROL INTEGRAL DE LA EDIFICACIÓN Tomo 11-lnterventoría de
Obra Germán Puyana García
B .
CONTROL INTEGRAL DE LA EDIFICACIÓN
OBR A: ADMI NIST RACI ÓN Y GERE NCIA
Tomo 111Administración y Mantenimiento Germán Puyana García
o Con sueg ra
SECRETOS DEL ÉXITO EN FINCA RAÍZ
J o r g e N o ri e g a S a n t o s
FINANZA S DE LA CONSTR UCCIÓN M i g u e l T é l l e z L u n a
GE RE NCI A DE EQ UIP OS PAR A OBR AS CIVI LES Y MIN ERÍ A Jor ge H. Sola nilla
P R ES U P U ES T O S D E C O N ST U C CI Ó N
L u i s F e r n a n d o C o r r e a
TR AY EC TO RÍ A CR ÍTI CA J o r g e N o r i e g a J u a n G u i l l e r m
S a n t o s
VALORACIÓN DE PREDIOS AGRARIOS Osear Barrero Ochoa
&
otros
