FACULTAD DE INGENIERÍA, ARQUITECTURA Y URBANISMO ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL
Tesis de grado para optar el título profesional de Ingeniero Civil Denominado: Proyecto De Investigación
EVALUACIÓN COMPARATIVA DE LA RESISTENCIA A COMPRESIÓN Y A FLEXIÓN DEL CONCRETO CONVENCIONAL, CONCRETO CON FIBRA DE ACERO SIKAFIBER CHO 80/60 NB, Y CONCRETO CON FIBRA SINTÉTICA SIKAFIBER FORCE PP/PE-700/55
AUTOR PEDRO RAMÓN PATAZCA ROJAS JORGE EMHILSSEN TAFUR BUSTAMANTE
ASESOR ING. CIVIL MANUEL A. BORJA SUAREZ
Chiclayo - Perú. 2013
RESÚMEN
El presente proyecto de investigación procede su desarrollo a través del estudio comparativo de tres tipos de concreto: concreto convencional, normal o patrón (CP), concreto con fibra de acero Sikafiber CHO 80/60 NB (CP+FA) y concreto con fibra sintética Sikafiber Force PP/PE-700/55 (CP+FS); a una resistencia de diseño f’c 210 kg/cm2, de las cuales se realizaron sus respectivos ensayos a compresión y a flexión (incluyendo absorción de energía) en relación a las normas técnicas peruanas correspondientes. Se evaluó el concreto: en su estado fresco teniendo en consideración una adecuada trabajabilidad, y en su estado endurecido, su resistencia y tenacidad. Teniendo como factor influyente la forma y tiempo de curado (aplicación de aditivo curador de concreto Sika Antisol S).
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1. 2. EL PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN
2.1. Descripción de la realidad problemática En las últimas décadas, el empleo de concreto reforzado con fibras se está generalizando en el mundo de la construcción a escala internacional. Ya es habitual ejecutar con este material obras pavimentaciones
industriales,
concretos
de
soleras
y
para
el
proyectados
sostenimiento de túneles, taludes y ejecución de piscinas, concretos prefabricados, etc. Actualmente en el Perú, en los últimos años, el uso de fibras en el concreto recién se está dando a conocer y por ende se ha vuelto una nueva tecnología de aplicación, empresas del sector aditivos y concretos premezclados están tomando la iniciativa para la promoción de su uso para su aplicación en el campo de las construcciones industriales y minería, respetando detalladamente las aplicaciones de su uso. Sin embargo la aplicación en menor escala tales como edificaciones y obras menores es muy escasa, y tras el avance de mejorar las estructuras en relación al menor tiempo, mejor facilidad de aplicación y mayor productividad (concretos resistentes con menor porcentaje de acero, menores tiempos y formas de curado, etc.) son motivos de estudio, en tales condiciones de zona y facilidades para la presente investigación. Con el presente tema de investigación se pretende dar una visión global de las ventajas y aplicaciones de los concretos reforzados con fibras de acero y sintéticas presente en el mercado nacional, así como los métodos de ensayo y fórmulas de cálculo, con el objetivo de contribuir a estandarizar su empleo.
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2.2. Formulación de la pregunta de investigación ¿En qué manera influye la incorporación de fibra de acero Sikafiber CHO 80/60 NB y la incorporación de fibra sintética Sikafiber Force PP/PE700/55 en el comportamiento del concreto convencional?
2.3. Justificación e importancia de la investigación El concreto con fibra ha venido revolucionando el mercado, actúa de manera estructural. Debido a la adición de fibra mejoran sus características de tenacidad, control de fisuración y resistencia a flexión y resistencia a compresión. Además son especialmente adecuados para sobrellevar acciones dinámicas y prevenir situaciones donde se requiere el control de los procesos de fisuración, ya que cosen las fisuras del concreto formando un “puente” entre los agregados gruesos, llevando al concreto a un
comportamiento dúctil luego de la fisuración inicial evitando así la fractura frágil. El aumento de la tenacidad es una de las características más apreciadas del concreto reforzado con fibra.
2.4. Objetivos de la i nvestigación 2.4.1. Objetivo general
Evaluar y comparar la resistencia a compresión y a flexión del concreto convencional, concreto con fibra de acero Sikafiber CHO 80/60 NB, y concreto con fibra sintética Sikafiber Force PP/PE-700/55
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2.4.2. Objetivos específicos
Elaborar un diseño de mezcla de concreto convencional de resistencia a la compresión de diseño f’c = 210 kg/cm2 usando
cemento adicionado (Pacasmayo Extra Forte ICo), piedra chancada de tamaño máximo nominal (TMN) de 3/4", arena fina (arena amarilla), agua, sin incorporación de aire.
Elaborar muestras (de acuerdo a los ensayos a realizar) de concreto convencional y concreto con fibras (acero y sintética) de proporción en relación a sus hojas técnicas de cada producto.
Evaluar la trabajabilidad del concreto convencional y del concreto con fibra incorporada
Acondicionar muestras de concreto endurecido curadas en laboratorio y sin curar. Para el curado del concreto se propone el uso del aditivo Sika Antisol S en proporción a su hoja técnica del producto.
Evaluar la resistencia a compresión y a flexión (incluyendo absorción de energía) del concreto convencional y del concreto con fibra incorporada a los 7, 14 y 28 días.
Comparar con cuales de las dos fibras (acero y sintética) se obtiene mejor resistencia a compresión Comparar con cuales de las dos fibras (acero y sintética) se obtiene mejor resistencia a flexión.
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Comparar con cuales de las dos fibras (acero y sintética) se obtiene mejor tenacidad (absorción de energía)
2.5. Alcance y limi taciones de la investigación
Para la elaboración de las muestras de concreto se emplearon agregados (fino y grueso) que cumplieron con los requisitos técnicos empleados en las NTP. Se tuvo en cuenta el srcen de procedencia de los agregados (cantera y chancadora). De las cuales se optó el uso de piedra chancada de TMN de 3/4", debido a los factores de economía y uso estructural, generalmente empleado en obras de infraestructura en la zona (Departamento de Lambayeque) Se utilizó agregado fino de la cantera La Victoria – Pátapo y agregado grueso de la chancadora Piedra Azul - Ferreñafe Así mismo se optó el uso de cemento portland modificado Pacasmayo Extra Forte ICo, debido a uso general sobre las estructuras de concreto en la zona. En relación a los especímenes de concreto, se optó como adecuada alternativa experimental el uso de 3 especímenes de concreto por variable a realizar, de las cuales 2 especímenes fueron curados tipo laboratorio, y un espécimen no se curó, con el fin de representar la realidad problemática que se presenta en la ejecución de las infraestructuras reales Se propone el uso del aditivo curador de concreto Sika Antisol S como medio de investigación en la toma de datos, simulando la realidad de la zona.
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2. MARCO TEÓRICO
2.1. Antecedentes de otras investigaciones
En el año 2007, Vanesa Corcino Albornoz, estudiante de la Universidad Ricardo Palma (PERÚ) hizo un “Estudio comparativo de concreto simple y reforzado con fibras de acero DRAMIX Y WIRAND, empleando cemento andino tipo V”, como tesis para optar
el título de ingeniero civil. En este informe se trató exclusivamente de la incorporación de fibras de acero en el concreto, utilizando cemento andino tipo V, los cálculos y resultados fueron comparados con resultados obtenidos del concreto patrón (dosificación de fibra de acero 0 kg/cm2).
En el año 2009, los estudios realizados por los ingenieros de la universidad norteamericana de Michigan han demostrado e ideado una nueva técnica que mejora significativamente la resistencia de edificios altos construidos con concreto en caso de terremoto. Se trata de mezclar fibra de acero con el concreto que se usa como base para fabricar las vigas de acoplamiento que después forman parte de un edificio.
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Así mismo en el año 2010 el estudiante Tito Andreas Galleguillos Caro de la Universidad de Chile realizó la siguiente investigación para optar al título de ingeniero civil: “Modelamiento de vigas de hormigón con fibras de acero”.
Este trabajo valida un modelo de interacción flexión –corte en vigas de concreto armado con adición de fibras de acero. Estas fibras son incorporadas en la mezcla del concreto, y su principal ventaja radica en un incremento en la ductilidad de los elementos, lo cual contribuye a disminuir los refuerzos tradicionales de barras de acero (longitudinales y estribos).
Un estudio similar se realizó en el año 2010 en la ciudad de Madrid – España por Patricia Cristina Mármol Salazar llamado “Hormigón
con fibras de acero, características m ecánicas”. Este trabajo presenta en sus dos primeros capítulos una introducción al conocimiento de 3 tipos de concretos con fibras más usados: acero, vidrio y polipropileno. posteriormente se ha hecho una recopilación de ensayos obtenidos de fuentes de investigación y de tesis doctorales donde se ha hecho una comparación entre sus diferentes autores, tratando exclusivamente las características mecánicas del concreto con fibras de acero.
En el año 2011, Aleksey Beresovsky De las Casas, estudiante de la Pontificia Universidad Católica del Perú realizó el presente tema de investigación para optar el título profesional de ingeniero civil denominado:
“Estudio
experimental
del
comportamiento
por
desempeño de concreto lanzado reforzado con fibras metálicas”.
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2.2. Desarrollo de la temática correspondiente al tema investigado (Bases teórico – científica) 2.2.1. Fibras
Clasificación de las fibras Las fibras como refuerzo secundario para concreto en general pueden clasificarse según diferentes consideraciones, hoy en día se emplean principalmente dos tipos de clasificación, así:
Por material Fibras metálicas, Secciones discretas de metal que tienen una relación de aspecto (relación entre la longitud y el diámetro) que va desde 20 hasta 100. Estas fibras son de acero (en general de bajo contenido de carbón). Fibras
sintéticas,
Secciones
discretas
que
se
distribuyen
aleatoriamente dentro del concreto que pueden estar compuestas por Acrílico, Carbón, Polipropileno, Poliestileno, Nylon, Poliéster, etc. Fibras de vidrio, Secciones discretas de fibra de vidrio resistentes al álcali. Fibras naturales, Secciones discretas de srcen como coco, sisal, madera, caña de azúcar, yute, bambú, etc. Cuyos diámetros varían entre 0.5 y 0.2 mm, con valores de absorción superiores al 12%
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Por funcionalidad, geometría y dosificación Microfibras, Estas fibras están destinadas a evitar la fisuración del concreto en estado fresco o antes de las 24 horas. Se dosifican en el concreto para volúmenes de entre 0.03% a 0.15% del mismo. Las más frecuentes son las fibras en polipropileno (Tipo Sikafiber AD) cuya dosificación en peso oscila entre 0.3 a 1.2 kg/m3 de concreto. Estas fibras tienen diámetros entre 0.023 mm a 0.050 mm, pueden ser monofilamento o fibriladas. Las microfibras al tener diámetros tan pequeños se califican con un parámetro denominado Denier. Denieres el peso en gramos de 9000 metros de una sola fibra.
Macrofibras Estas fibras están destinadas a prevenir la fisuración en estado endurecido, a reducir el ancho de la fisura si ésta se presenta y a permitir el adecuado funcionamiento de la estructura fisurada. Las dosificaciones más frecuentes oscilan entre 0.2% a 0.8% del volumen del concreto. Las macrofibras más usadas son las sintéticas y las metálicas cuyos diámetros varían entre 0.05 mm a 2.00 mm. La relación de aspecto (L/d) de las macrofibras varía entre 20 a 100. Las macrofibras pueden ser metálicas (Tipo Sikafiber CHO 80/60), sintéticas (Tipo Sikafiber FORCE PP/PE-700/55) o naturales. Las macrofibras actúan en estado endurecido, es decir antes de las 24 horas no tienen mayor efecto.
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En conclusión:
Sikafiber CHO 80/60 NB Son fibras de acero trefilado de alta calidad para reforzamiento del concreto usado en losas de concreto tradicional e industriales y elementos de concreto pre-fabricado, especialmente encoladas (pegadas) para facilitar la homogenización en el concreto durante el mezclado, evitando la aglomeración de las fibras individuales. Sikafiber CHO 80/60 NB son fibras de acero de alta relación longitud / diámetro (l/d) lo que permite un alto rendimiento con menor cantidad de fibra. Fibras de acero Sikafiber CHO 80/60 NB
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Sikafiber Force PP/PE-700/55 Es una fibra macro sintética de alta densidad diseñada y usada para el refuerzo secundario de concreto,
es
fabricada a partir de
polipropileno virgen y polímeros de alto desempeño y deformadas mecánicamente, de cuerpo circular para maximizar el anclaje en el concreto y evitar la pérdida excesiva cuando se proyecta (Shotcrete), altamente orientada a permitir un área de contacto de mayor superficie dentro del concreto, lo que resulta en una mayor unión interfacial y eficiencia de la resistencia de la flexión. Sikafiber Force PP/PE700/55
específicamente diseñada y fabricada en una instalación
certificada bajo la norma ISO 9001:2000 para ser usada como refuerzo secundario de concreto a una tasa de adición mínima de 2 kg por metro cúbico. Cumple con la norma ASTM C 1116/C 1116 M, concreto Tipo III reforzado con fibra y con la norma Europea EN14889-2 como clase II. Fibras sintéticas Sikafiber Force PP/PE-700/55
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2.2.2. Cemento Portland 2.2.2.1. Cemento Pacasmayo Extra Forte ICo El cemento Extra forte ICo es un cemento de uso general recomendado para columnas, vigas, losas, cimentaciones y otras obras que no se encuentren en ambientes húmedos-salitrosos. Este cemento contiene adiciones especialmente seleccionadas y formuladas que le brindan buena resistencia a la compresión, mejor maleabilidad y moderado calor de hidratación.
2.2.3. Agregado fino Se define como agregado fino a aquel proveniente de la desintegración natural o artificial de las rocas, que pasa el tamiz Nro 4 y queda retenido en la malla N° 200, y cumple con los límites establecidos en las normas NTP 400.037 O ASTM C - 33.
2.2.4. Agregado grueso Se define como agregado grueso a aquel proveniente de la desintegración natural o artificial de las rocas, retenida en el tamiz 4,75 mm (Nro. 4) y que cumple con los límites establecidos en la norma N.T.P. 400.037 Ó ASTM C - 33.
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2.2.5. El agua Cuando el agua de uso previsto es potable, cabe suponer en principio que sus características físico-químicas son adecuadas para hacer concreto, excepto por la posibilidad de que contenga alguna sustancia saborizante, lo cual puede detectarse fácilmente al probarla. Así, por ejemplo, si considera que el agua es clara, y no tiene sabor dulce, amargo o salobre, puede ser usada como agua de mezclado o de curado para concreto, sin necesidad de mayores pruebas.
2.2.6. Aditivo curador de concreto 2.2.6.1. Sika Antisol S Es una emulsión líquida que cuando es aplicada con un pulverizador sobre concreto fresco desarrolla una película impermeable y sellante de naturaleza micro cristalino. Asegura una protección perfecta al concreto después que el cemento ha reaccionado positivamente. Uso Sika Antisol S ofrece una protección durable y consistente del concreto fresco contra una evaporación demasiado rápida debido a la acción del sol y viento, por lo tanto previene el desarrollo de fisuras superficiales en la mezcla de cemento en proceso de endurecimiento. Es especialmente apropiado para el tratamiento de superficies verticales donde la previsión es realizada para la posterior protección de la estructura sin efectos negativos.
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3. 4. MARCO METODOLÓGICO
4.1. Tipo de investigación Investigación experimental: Es aquella investigación en que la hipótesis se verifica mediante la manipulación “deliberada” por parte del investigador
de las variables.
4.2. Diseño de la i nvestigación Investigación de laboratorio o experimental: Esta investigación se presenta mediante la manipulación de una variable no comprobada, en condiciones rigurosamente controladas, con el fin de escribir de qué modo y por qué causa se produce una situación o acontecimiento particular.
4.3. Población y muestra 4.3.1. Población La población destinada para esta investigación fueron cilindros de concreto ensayadas según NTP 339.034:2008 equivalente al ASTM C–39, vigas de concreto ensayadas según la NTP 339.078:2012 equivalente al ASTM C-78, y paneles circulares según la NTP 339.206:2007 equivalente al ASTM C-1550
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4.3.2. Muestra El número de muestras para esta investigación está determinado por las siguientes variables:
Resistencia de diseño del concreto = 210 kg/cm2 Tamaño Máximo Nominal del agregado grueso = 3/4"
Tiempo de rotura de los especímenes = 7, 14 y 28 días
Dosificación de fibras = 3 dosificaciones por tipo de fibra en relación a sus especificaciones técnicas: Dosis-Nomenclatura. Fibra de acero Sikafiber CHO 80/60 NB Dosis Proporción Nomenclatura 1
15 kg/m3
CP+FA1
2
27.5 kg/m3
CP+FA2
3
45 kg/m3
CP+FA3
Dosis-Nomenclatura. Fibra sintética Sikafiber Force PP/PE – 700/55 Dosis Proporción Nomenclatura
1
2 kg/m3
CP+FS1
2
5 kg/m3
CP+FS2
3
8 kg/m3
CP+FS3
Numero de muestras a diseñar por cada variable = 3 especímenes (2 serán curados en laboratorio y 1 será sin curar)
Tipo de curado = Aplicación de aditivo curador de concreto Sika Antisol S, proporción en relación a sus especificaciones técnicas
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Se elaboró y ensayó un total de 189 muestras de concreto en la siguiente distribución:
63 muestras corresponden a muestras cilíndricas de 30 cm de largo y 15 cm de diámetro
63 muestras corresponden a muestras prismáticas en formas de vigas de 6” de ancho, 6” de altura y 21” de longitud
63 muestras corresponden a muestras cilíndricas en forma de losas de 7.5 cm de espesor y 80 cm de diámetro
4.4. Hipótesis 4.4.1. Hipótesis especificas Debido a que la formulación de la hipótesis es correlacional (especifican la relación entre dos o más variables) se formulan hipótesis específicas, las cuales en relación a sus resultados obtenidos (al ser experimentados) se concluye:
Contraste Hipótesis especificas
de la hipótesis
Si incorporamos al concreto convencional, fibra de acero Sikafiber CHO 80/60 NB, y fibra sintética Sikafiber Force PP/PE-700/55
RECHAZO
entonces aumentaremos su resistencia a compresión Si incorporamos al concreto convencional, fibra de acero Sikafiber CHO 80/60 NB, y fibra sintética Sikafiber Force PP/PE-700/55 entonces aumentaremos su resistencia a flexión
ACEPTA
Si incorporamos al concreto convencional, fibra de acero Sikafiber CHO 80/60 NB, y fibra sintética Sikafiber Force PP/PE-700/55 entonces aumentaremos su resistencia a flexión en relación a su
ACEPTA
tenacidad (Absorción de energía)
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4.5. Variables e indicadores
Variables independientes o
o
o
Concreto convencional (concreto patrón) Fibra de acero Sikafiber CHO 80/60 NB Fibra sintética Sikafiber Force PP/PE-700/55
Variables dependientes o
Resistencia a compresión del concreto (kg/cm2)
o
Resistencia a flexión del concreto (kg/cm2)
o
Resistencia a flexión del concreto con fibra de refuerzo expresada como la absorción de energía (Joule)
Variables intervinientes o
Trabajabilidad del concreto (slump)
o
Resistencia de diseño del concreto f´c = 210 kg/cm2
Indicadores o
Cemento modificado Pacasmayo Extra Forte ICo
o
Tamaño máximo nominal del agregado grueso (Piedra chancada de 3/4")
o
Tipo y tiempo de curado (Sika Antisol S)
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4.6. Métodos y técnicas de investigación
Norma técnica peruana NTP - HORMIGÓN Y PRODUCTOS DE HORMIGÓN
NTP 339.034:2008 hormigón (concreto), “Método de ensayo
normalizado para la determinación de la resistencia a la compresión del concreto, en muestras cilíndricas. 3a. ed.” (ASTM C-39)
NTP 339.078:2012 hormigón (concreto), “Método de ensayo para
determinar la resistencia a la flexión del concreto en vigas simplemente apoyadas con cargas a los tercios del tramo. 3a. ed.”
(ASTM C-78)
NTP 339.206:2007 hormigón (concreto), “Método de ensayo
estándar para determinación de la resistencia a la flexión del concreto con fibras de refuerzo (usando cargas centrales alrededor de un panel).”(ASTM C -1550)
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4.6.1. Agregados fino y grueso A. NTP 400.012:2013 AGREGADOS. Análisis granulométrico del agregado fino, grueso y global. 3ra Ed.
El ensayo se realizó con las indicaciones de la norma ASTM C136 y la NTP 400.012. Mediante este método se obtiene la granulometría de los agregados al ser tamizados por las mallas normalizadas. El objetivo del ensayo es el de trazar la curva granulométrica, y a partir de ello determinar el Tamaño Máximo Nominal para el caso del agregado grueso y el Módulo de Fineza para el caso del agregado fino.
B. NTP 400.021:2002 AGREGADOS. Método de ensayo normalizado para el peso específico y absorción del agregado grueso. 2da Ed. Para el caso del agregado grueso el ensayo se realizó con las indicaciones de la norma ASTM C127 y la NTP 400.021. Resumen del método: Una muestra de agregado se sumerge en agua por 24 h aproximadamente para llenar los poros esencialmente. Luego se retira el agua, se seca el agua de la superficie de las partículas, y se pesa. La muestra se pesa posteriormente mientras es sumergida en agua. Finalmente la muestra es secada al horno y se pesa una tercera vez. Usando los pesos así obtenidos y formulas en este ensayo, es posible calcular tres tipos de peso específico y de absorción.
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C. NTP 400.022:2002 AGREGADOS. Método de ensayo normalizado para el peso específico y absorción del agregado fino. 2da Ed. Para el caso del agregado fino el ensayo se realizó con las indicaciones de la norma ASTM C128 y NTP 400.022. Esta NTP se aplica para determinar el peso específico seco, el peso especifico saturado con superficie seca, el peso específico aparente y la absorción (después de las 24 horas) del agregado fino.
D. NTP 339.185: 2002 AGREGADOS Contenido de humedad total de agregado por secado
El ensayo se realizó con las indicaciones de la norma ASTM C566 y NTP 339.185 Es la relación entre el peso del agua contenida en la muestra y el peso de la muestra secada al horno expresado en porcentaje.
E. NTP 400.017: 2011 AGREGADOS. Método de ensayo para determinar la masa por unidad de volumen o densidad ("peso unitario") y los vacíos en los agregados. 3a. ed. El ensayo se realizó con las indicaciones de la norma ASTM C29 y la NTP 400.017. Este método de ensayo cubre la determinación del peso unitario suelto o compactado y el cálculo de vacios en el agregado fino, grueso o en una mezcla de ambos. 21
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4.6.2. Concreto Fresco A. NTP
339.046:2008.
(revisada
el
2013)
HORMIGON
(CONCRETO). Método de ensayo para determinar la densidad (peso unitario), rendimiento y contenido de aire (método gravimétrico) del hormigón (concreto). 2a. ed. Peso unitario Consiste en determinar el peso de un volumen conocido de concreto fresco, compactado en forma normalizada
B. NTP 339.035:2009 HORMIGON Método de ensayo para la medición del asentamiento del hormigón con el cono de Abrams. 3ra Ed. Resumen del método: Se coloca una muestra del concreto fresco compactada y varillada en un molde de forma de cono trunco, el molde es elevado permitiendo al concreto desplazarse hacia abajo. La distancia entre la posición inicial y la desplazada, medida en el centro de la superficie superior del concreto, se reporta como el asentamiento del concreto.
4.6.3. Diseño de mezclas (método del ACI)
El método ACI es utilizado para elaborar diseños de mezcla de concreto con agregados que cumplan las normas correspondientes, hecho que no siempre se da en nuestro medio, ya que los agregados utilizados no se encuentran completamente limpios; ni tampoco se cuenta con unas granulometrías correctas.
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Es por esta causa que en general el método ACI nos da mezclas más secas de lo previsto y pedregosas, pero afortunadamente existen correcciones, las cuales no sólo son de agua, sino también de agregados.
4.6.4. Elaboración y ensayo de las muestras de concreto: 4.6.4.1. NTP 339.033. 2009. HORMIGÓN (CONCRETO). Práctica normalizada para la elaboración y curado de especímenes de concreto en campo El concreto utilizado para elaborar especímenes moldeados debe ser muestreado después de que hayan sido hechos todos los ajustes in situ de la dosificación de la mezcla, incluyendo la incorporación de agua de mezclado y aditivos.
4.6.4.2. NTP 339.0342008. HORMIGÓN (CONCRETO). Método de ensayo normalizado para la determinación de la resistencia a la compresión del concreto, en muestras cilíndricas El método consiste en aplicar una carga de compresión axial a los cilindros moldeados o extracciones diamantinas a una velocidad normalizada en un rango prescrito mientras ocurre la falla. La resistencia a la compresión de la
probeta es calculada por
división de la carga máxima alcanzada durante el ensayo, entre el área de la sección recta de la probeta.
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4.6.4.3. NTP 339.078 2012. CONCRETO. Método de ensayo para determinar la resistencia a la flexión del concreto en vigas simplemente apoyadas con cargas a los tercios del tramo Este método de ensayo consiste en aplicar una carga en los tercios de la luz de la viga hasta que ocurra la falla. El módulo de rotura se calculará, según la ubicación de la falla: dentro del tercio medio o a una distancia de éste no mayor del 5 % de la luz libre.
4.6.4.4. NTP 339.206 2007. HORMIGÓN (CONCRETO). Método de ensayo estándar para la determinación de la resistencia a la flexión del concreto con fibras de refuerzo (usando cargas centrales alrededor de un panel)
Esta Norma Técnica Peruana se aplica para la determinación de la resistencia a la flexión del concreto con fibras de refuerzo (usando cargas centrales alrededor de un panel).
SÍNTESIS DEL MÉTODO DE ENSAYO Los paneles circulares moldeados de concreto con fibras de refuerzo o concreto proyectado con fibras de refuerzo están sujetados a un punto de carga central mientras están soportados por tres pivotes simétricamente dispuestos. La carga es aplicada a través de un pistón de acero con terminal semi-esférico cuyo desplazamiento se efectúa una velocidad prescrita. La carga y la deflexión son registradas simultáneamente sobre una deflexión central especificada. La energía absorbida por el panel sobre una deflexión central especificada es representativa de la resistencia a la flexión del panel de concreto con fibras de refuerzo.
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4.7. Materiales equipos y herramientas utili zados 4.7.1. Materiales
Agregados.
Cemento portland modificado Pacasmayo Extra Forte ICo Agua
Fibra de acero Sikafiber CHO 40/60 NB
Fibra sintética Sikafiber Force PP/PE-700/55
4.7.2. Herramientas
Moldes cilíndricos de 15 cm de diámetro por 30 cm de altura. NTP 339.034:2008
Moldes rectangulares de 6” de lados, por 21” de longitud (6”x6”x21”). NTP 339.078:2012.
Moldes circulares de 80 cm de diámetro por 7.5 cm de altura. NTP 339.206:2012
Herramientas diversas empleadas en la elaboración de muestras de concreto y ensayo de materiales (tamices, picotas, horno, taras, etc.)
4.7.3. Equipos
Máquina de rotura de testigos de concreto a compresión Máquina de rotura de testigos de concreto a dos tercios a flexión
Máquina de determinación de absorción de energía de concreto
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5. ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE LOS RESULTADOS 5.1. DISEÑO DE MEZCLAS Resumen de diseño de mezcla – concreto patrón f´c = 210 kg/cm2
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5.2. CONCRETO FRESCO: Peso unitario y asentamiento Relación de peso unitarios y slump obtenidos PU (Kg/m3) 2375 2383
SLUMP (pulg)
CP CP+FA1 CP+FA2 CP+FA3 CP+FS1 CP+FS2 CP+FS3
2392 2404 2408 2368 2348
3.0” 2.0” 4.0”
4.0” 4.0”
3.5”
3.0”
5.3. CONCRETO ENDURECIDO: 5.3.1. Ensayo normalizado para la determinación de la resistencia a la compresión del concreto, en muestras cilíndricas. NTP 339.034 2008 Resultados de f´c Concreto Patrón
Se planteó una resistencia de diseño f´c = 210 kg/cm2, de la cual se incrementó un factor de seguridad de + 54 kg/cm2 f´cr = 264 kg/cm2 (teórico). Posteriormente al ensayar el concreto patrón real a los 28 días se obtuvo una resistencia f´c =228 kg/cm2, la cual se utilizó como base de comparación con los resultados obtenidos del concreto incorporado con fibras.
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Resultados de f´c CP + Fibra de Acero
Resultados de f´c CP + Fibra Sintética
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Resistencia a la compresión CP vs CP+FA1 vs CP+FS1
78%
CP+FS1 - Curado
71%
CP+FS1 - Sin curar 98%
68%
CP+FA1 - Sin curar 100%
72%
0%
20%
40%
60%
CP+FA1 - Curado CP - Curado CP - Sin curar
80%
100%
Resistencia a la compresión CP vs CP+FA2 vs CP+FS2
84%
CP+FS2 - Curado
67%
CP+FS2 - Sin curar CP+FA2 - Curado
74% 66%
CP+FA2 - Sin curar 100%
72%
0%
20%
40%
60%
80%
CP - Curado CP - Sin curar
100%
Resistencia a la compresión CP vs CP+FA3 vs CP+FS3
79%
CP+FS3 - Curado
66%
CP+FS3 - Sin curar 77%
CP+FA3 - Curado
70%
CP+FA3 - Sin curar 100%
72%
0%
20%
40%
60%
80%
CP - Curado CP - Sin curar
100%
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5.3.2. Ensayo para determinar la resistencia a la flexión del concreto en vigas simplemente apoyadas con cargas a los tercios del tramo. NTP 339.078 2012 Resultados de Mr Concreto Patrón
Resultados de Mr CP + Fibra de acero
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Resultados de Mr CP + Fibra Sintética
Una vez determinado el diseño de mezclas del concreto patrón f´c =228 kg/cm2, se procede a ensayar las muestras de resistencia a la flexión, obteniéndose como resultado a los 28 días en el concreto patrón un módulo de rotura Mr = 34.7 kg/cm2 la cual se utilizó como base de comparación con los resultados obtenidos del concreto incorporado con fibras.
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Módulo de rotura CP vs CP+FA1 vs CP+FS1
111% 99%
CP+FS1 - Sin curar 116%
100% 84%
50%
CP+FA1 - Curado CP+FA1 - Sin curar CP - Curado
105%
0%
CP+FS1 - Curado
CP - Sin curar
100%
Módulo de rotura CP vs CP+FA2 vs CP+FS2
113% 102%
CP+FS2 - Curado CP+FS2 - Sin curar
120%
CP+FA2 - Curado CP+FA2 - Sin curar
98% 100%
CP - Curado
84%
0%
50%
CP - Sin curar
100%
Módulo de rotura CP vs CP+FA3 vs CP+FS3
119% 99%
CP+FS3 - Sin curar 125%
105% 100% 84%
0%
50%
CP+FS3 - Curado CP+FA3 - Curado CP+FA3 - Sin curar CP - Curado CP - Sin curar
100%
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5.3.3. Ensayo estándar para la determinación de la resistencia a la flexión del concreto con fibras de refuerzo (usando cargas centrales alrededor de un panel). NTP 339.206 2007 A continuación se presenta el resumen de los resultados obtenidos durante la presente investigación:
Resultados de Absorción de energía - Concreto Patrón
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Resultados de Absorción de energía – CP + Fibra de acero
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Resultados de Absorción de energía – CP + Fibra sintética
Se obtuvo como resultado a los 28 días en el concreto patrón una absorción de energía AE = 54.77 Joule, la cual se utilizó como base de comparación con los resultados obtenidos del concreto incorporado con fibras.
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Concreto Patrón vs CP+ Fibra de Acero vs CP+ Fibra Sintética GRÁFICA 1: Energía Absorbida CP vs CP+FA vs CP+FS (Sin curar)
202.47%
128.20%
CP+FS3 - Sin curar CP+FS2 - Sin curar
113.20%
CP+FS1 - Sin curar 257.89%
CP+FA3 - Sin curar CP+FA2 - Sin curar
235.69%
CP+FA1 - Sin curar 170.30% CP - Sin curar 91.87%
0%
100%
200%
300%
GRÁFICA 2: Energía Absorbida CP vs CP+FA vs CP+FS (Curado)
221.26%
147.45%
CP+FS3 - Curado CP+FS2 - Curado
138.84%
CP+FS1 - Curado 306.19%
298.30%
CP+FA3 - Curado CP+FA2 - Curado CP+FA1 - Curado
197.28% CP - Curado 100.00%
0%
100%
200%
300%
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5.4. ANÁLISIS ECONÓMICO 6. 7. En relación a la información obtenida por parte de la empresa proveedora de las fibras SIKA PERU S.A. se presenta el siguiente cuadro de precios actualizado a la fecha: 8. PRODUCTO
UNIDAD
Fibra de acero Sikafiber CHO 80/60 NB
Bolsa 20kg
110.00
kg
20.00
Balde 20lt
68.00
M3
380.00
Fibra sintética Sikafiber Force PP/PE-700/55 Aditivo curador de concreto Sika Antisol S
PRECIO (S/.)
Concreto premezclado f´c = 210 kg/cm2 9.
10. Agregados de la zona (Chiclayo) DESCRIPCIÓN
UNIDAD PRECIO (S/.)
Arena amarilla Piedra Chancada 3/4" Cemento Pacasmayo Extra Forte Agua potable
M3
40.00
M3 Bolsa
70.00 21.00
M3
1.00
11. 12. Concreto elaborado. Dosificación volumen: 1 – 2.15 – 2.90 – 25.5 (cemento – arena – piedra – agua) por pie3 de concreto DESCRIPCIÓN
DOSIS FIBRA (Kg/m3)
CP
UNIDAD
PRECIO (S/.)
M3
266.00
CP+FA1
10
M3
316.00
CP+FA2
27.5
M3
403.50
CP+FA3
45
M3
491.00
CP+FS1
2
M3
306.00
CP+FS2
5
M3
366.00
CP+FS3
8
M3
426.00
13. 37
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CAPÍTULO V: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
5.1. CONCLUSIONES
Se elaboró un diseño de mezclas por el método del ACI, del concreto convencional (normal o patrón) con una resistencia a la compresión de diseño f´c = 210 kg/cm2, obteniéndose la dosificación: En peso: 1 – 2.18 – 2.63 – 25.5 y en volumen: 1 – 2.15 – 2.90 – 25.5 (cemento – arena – piedra – agua) por pie3 de concreto
Se elaboraron un total de 189 muestras ensayadas (concreto patrón y concreto con fibras) de las cuales 63 especímenes fueron probetas, 63 especímenes fueron vigas, y 63 especímenes fueron losas en relación a sus NTP
Del concreto fresco: A medida que aumentamos la proporción de fibra de acero al concreto, la trabajabilidad (slump) de la mezcla disminuye considerablemente; en el caso de la fibra sintética, disminuye moderadamente.
Se empleó el uso del aditivo curador de concreto Sika Antisol S aplicado a 126 muestras (distribuidas equitativamente entre probetas, vigas y losas). 63 muestras no fueron curadas
Se elaboró muestras de concreto convencional, de la cual se obtuvo como resultado a los 28 días (curado) una resistencia real en laboratorio de f’c = 228 kg/cm2 (compresión), Mr = 34.7 Kg/cm2
(flexión) y J = 54.7 joule (absorción de energía). Dichos valores son usados como base de comparación para los resultados obtenidos del concreto con fibra
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Del concreto endurecido a los 28 días:
El uso de fibras de acero como sintéticas, no influyen en el aumento de la resistencia a compresión.
El uso de fibras de acero como sintéticas aumentan la resistencia a flexión del concreto, siendo la fibra de acero dosis 3 = 45 kg/cm2 con la que se obtuvo mejores resultados.
El uso de fibras de acero como sintéticas aumentan considerablemente la tenacidad del concreto. Siendo la fibra de acero dosis 3 = 45 kg/cm2 con la que se obtuvo mejores resultados.
5.2. RECOMENDACIONES
Se debe tomar en cuenta para un adecuado diseño de mezclas: la calidad de los materiales; y la relación agua – cemento, las cuales son factores muy
influyentes en la determinación de la resistencia
requerida.
Para la elaboración de concreto fresco con fibra, se recomienda diseñar con un asentamiento (slump) mayor a lo solicitado
No se recomienda diseñar un concreto con fibras para fines de mejorar su resistencia a compresión
Es recomendable diseñar un concreto con fibras para fines de mejorar su resistencia a flexión y tenacidad (absorción de energía).
Se debe tomar en cuenta un adecuado curado de la estructura, ya que es un factor muy influyente en su resistencia (óptimos resultados) 39
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No se recomienda añadir las fibras como primer componente en el mezclado, sino al final de todos los componentes (dispersándolos para evitar que se formen pelotas de fibras), hasta que todas las fibras se separen individualmente, incrementando el tiempo de batido.
Se recomienda proteger las fibras de acero contra la lluvia y el medio ambiente, ya que pueden corroerse (oxidarse). En el caso de las fibras sintéticas, se recomienda su adecuado almacenado, debido a que son fibras muy ligeras pueden ser dispersadas muy fácilmente.
Se puede señalar que las aplicaciones en las cuales el
concreto
reforzado con fibra de acero y sintética puede brindar excelentes resultados, son las siguientes:
Losas, Sobre losas Área de estacionamiento Pavimentos Industriales, Pavimentos para Contenedores.
Concreto Proyectado, Revestimientos de Túneles
Reservorios
Prefabricados, etc. Edificaciones, siempre y cuando se pretenda mejorar su resistencia a flexión (ejemplos: vigas, losas, cimentaciones superficiales), en relación a su resistencia a compresión no es recomendable su uso (ejemplos: Columnas).
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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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cimentaciones
y
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13. PINA MATEO, Enrique y SÉMELAS LEDESMA, Gabriel. Empleo y aplicaciones de hormigones reforzados con fibras sintéticas estructurales (Documento Digital). Disponible en: http://www.revista-anales.es/web/n_8/pdf/seccion_6.pdf 14. ARTICULO: “Utilizan fibra de acero para mejorar la resistencia de los edificios en caso de terremoto”. Tendencias de la ingeniería, Instituto de la
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