Tecno

COMPARACIÓN DE DIFERENTES MÉTODOS DE DISEÑO DE MEZCLAS DE CONCRETO HIDRÁULICO UTILIZADOS EN EL SALVADOR CON APLICACIÓN PARTICULAR A PAVIMENTOS CAÑAS LAZO, Manuel Antonio1 y RETANA MARTÍNEZ, Manuel Edgardo2 1

Universidad Politécnica de El Salvador, San Salvador, El Salvador Correo electrónico: [email protected] 2 CONINCA, S.A. de C.V. San Salvador, El Salvador Correo electrónico: [email protected]

RESUMEN El presente trabajo describe la situación de la utilización del concreto en El Salvador, enfatizando de manera particular su aplicación en la construcción de pavimentos. Presenta además los resultados de una experiencia práctica desarrollada en la Universidad Politécnica de El Salvador, en la que, en busca de métodos alternativos de diseño de mezclas de concreto, se hizo un estudio comparativo entre el método recomendado por el ACI (American Concrete Institute) y uno de los métodos enseñados en la Universidad Politécnica de Valencia, España.

INTRODUCCIÓN En El Salvador, el concreto es el material más utilizado en la industria de la construcción formal. La existencia de dos fábricas de cemento (recientemente fusionadas) en una región volcánica que cruza totalmente al país de este a oeste, que constituye una fuente duradera de material rocoso, y de ríos que proveen de arenas de buena calidad, han permitido que el concreto sea un material fácilmente utilizable en cualquier zona del país. El uso del concreto se ha aplicado no sólo a la construcción de grandes edificios sino también a diversas obras de infraestructura (puentes, tanques, muros, etc.) y hasta a complejos habitacionales masivos. Los pavimentos, de manera particular aquellos que están destinados a la circulación de vehículos, son otra de las aplicaciones importantes del concreto. Cualquiera que sea su aplicación, el concreto elaborado debe cumplir con los requisitos básicos de ser económico, ser fácil de colocar y ser resistente y durable. Las anteriores características pueden ser logradas con una selección adecuada de los componentes del concreto, tanto en su calidad como en las proporciones en que éstos se combinan. A esta selección se le llama diseño de mezcla. A través de la historia, y en diferentes regiones del mundo, se han utilizado diferentes criterios y, por lo tanto, diferentes métodos de diseño de mezclas de concreto, obteniéndose como resultado, con componentes similares, concretos más o menos económicos, más o menos resistentes y más o menos durables. En un esfuerzo por obtener datos más aproximados y más confiables, y en un afán de posibilitar mezclas más económicas con igual o parecida calidad a las utilizadas tradicionalmente en el país, la Universidad Politécnica de El Salvador realizó en los años 1999 y 2000 un estudio comparativo de dos métodos de diseño de mezclas de concreto aplicados a los agregados locales más utilizados en la industria de concretos preelaborados. El presente documento presenta los resultados de esa experiencia. EL USO DEL CONCRETO EN EL SALVADOR En El Salvador el concreto es, con mucho, el material más utilizado en la industria de la construcción formal. Su uso en este país se remonta hacia los comienzos del siglo XX. Edificios de varios niveles, tanques de captación de agua, pavimentos, puentes, obras de drenaje, muros de retención, etc., son ejemplos de las diversas obras en las que su uso ___________________________________________ En: (Calvo, B., Maya, M., Parra, J.L., 2001, Editores). Primeras Jornadas Iberoamericanas sobre “Caracterización y Normalización de Materiales de Construcción”. Programa CYTED. Madrid.

se ha hecho frecuente. En los años 1970 y 1971 se construyó en el país la primera carretera pavimentada con concreto hidráulico (12 kilómetros). En los años recientes el uso del concreto hidráulico en la construcción de pavimentos se ha intensificado. Centros comerciales, complejos habitacionales, pequeñas comunidades, han utilizado este material para pavimentar sus áreas de parqueos y sus vías de circulación. La principal empresa fabricante de cemento, junto con las principales empresas productoras de concretos premezclados, ha impulsado un esfuerzo serio para promover cada vez más el uso del concreto hidráulico. Producto de este esfuerzo ha sido la fundación del Instituto Salvadoreño del Cemento y del Concreto (ISCYC), el cual apoya técnicamente a todas las empresas dedicadas a la industria de la construcción y a las instituciones de educación superior, a través de charlas, seminarios, congresos, biblioteca y próximamente laboratorios. MÉTODOS DE DISEÑO DE MEZCLAS MÁS UTILIZADOS Por su proximidad geográfica, y por estar dentro de sus áreas de influencia, los métodos de diseño de mezclas de concreto más utilizados en El Salvador son los del Instituto Americano del Concreto (ACI, por sus siglas en inglés) y algunas variantes de éste utilizados en México. En 1994, se decretaron en el país unas normas técnicas que intentaron incorporar algunas variantes al método de diseño del ACI con el fin de adaptarlo a condiciones locales, tanto de control de calidad como de características de los componentes del concreto y de prácticas constructivas. La descripción de estos métodos no se describen en este trabajo por no ser su objetivo. EL CONCRETO EN PAVIMENTOS Cuando el concreto hidráulico se usa en la construcción de pavimentos, particularmente para carreteras, las condiciones de calidad establecidas son un tanto diferentes a las requeridas para usos más comunes de este material. Aunque la resistencia a la compresión sigue siendo importante, garantizar un módulo de ruptura adecuado a las condiciones de uso se vuelve fundamental en el caso de los concretos para pavimentos. La durabilidad, la resistencia al desgaste y otras, son características que se vuelven importantes, a diferencia de aquellas que se requieren en la construcción de edificios. Encontrar un método de diseño que garantice esas características con el resultado de un concreto económico es una tarea importante. La finalidad de este trabajo ha mantenido esa ruta. Aunque los resultados obtenidos no serían de aplicación exclusiva a los pavimentos de concreto, éstos eran la preocupación básica del equipo investigador. En un trabajo aparte se presentan resultados del complemento de la investigación reportada en éste. En ese trabajo se puede observar cómo, utilizando diferentes fuentes de agregados en El Salvador, aplicando un mismo método de diseño de mezclas (el método del ACI - 1985) se obtienen concretos de diferente calidad. La etapa aún pendiente de desarrollar es repetir la experiencia utilizando el método de diseño enseñado en la Universidad de Valencia, España, para comparar los resultados obtenidos, para cada fuente de agregados, aplicando dos métodos de diseño diferentes. INVESTIGACIÓN COMPARATIVA DE DOS MÉTODOS DE DISEÑO DE MEZCLAS DE CONCRETO Con el fin de analizar los criterios utilizados en diferentes métodos de diseño de mezclas de concreto hidráulico, y establecer cuál o cuáles se adaptan mejor a las condiciones de los agregados locales, se hizo un estudio teórico comparativo de los métodos de diseño del Instituto Americano del Concreto (ACI, por sus siglas en inglés) y un método enseñado en la Universidad Politécnica de Valencia, España. El método del ACI aquí utilizado es el recomendado en la publicación ACI 211.1 (1985), por volúmenes absolutos. El método de la UPV (Universidad Politécnica de Valencia) fue utilizado en este estudio atendiendo una sugerencia de docentes y alumnos de esa universidad con ocasión de una visita a la Universidad Politécnica de El Salvador en 1999.

En el cuadro 1 se presentan los métodos para establecer las proporciones en que han de participar los diferentes componentes en una mezcla de concreto hidráulico. Cuadro 1. Descripción comparativa del métodos del ACI y de la UPV CARACTERÍSTICA Resistencia a la compresión del concreto

Tamaño máximo del agregado

Relación agua/cemento (A/C)

Contenido de aire Revenimiento o consistencia Contenido de agua

Contenido de cemento

procedimiento para proporcionamiento de mezclas utilizados por los MÉTODO DEL ACI (ACI, 1985) Se determina a partir de la experiencia de campo con diseños anteriores o con tablas sugeridas por el ACI cuando no existe información previa Se establece con base en el tamaño de malla más pequeño por el que pasa el 100% del agregado

Se define a partir de la resistencia a la compresión especificada y de la condición de aire incluido en la mezcla Se estima a partir del tamaño máximo del agregado Se establece con base en el tipo de elemento a ser construido Se determina según el tamaño máximo del agregado, del revenimiento deseado y de la inclusión de aire Se calcula a partir de la relación agua/cemento y del contenido de agua

Contenido de agregado grueso

Depende del tamaño máximo del agregado y del módulo del agregado fino.

Contenido de agregado fino

Se calcula por diferencia de volúmenes absolutos entre un metro cúbico de concreto y la suma de los volúmenes de los componentes ya definidos, incluyendo el contenido de aire.

MÉTODO DE LA UPV Se determina a partir de las condiciones de trabajo y de control en la estructura a construir Se establece con base en una interpolación para encontrar el tamaño teórico de una malla por la cual pasa el 90% del agregado Se define a partir de la resistencia especificada, del tipo de agregado y del tipo de cemento utilizados. No considera el aire atrapado Se determina según el tipo de la obra a construirse Se determina según el tamaño máximo del agregado y de la consistencia deseada Depende del tipo de cemento, del tipo de agregados y de la relación cemento/agua por resistencia. También puede depender del ambiente de exposición del concreto, del agua efectiva y de la relación agua/cemento. Se establece a partir del volumen total de agregados calculado por diferencia entre el volumen de concreto para el que está diseñando la mezcla (1025 l) y el volumen de agua y cemento que ya han sido definidos. El contenido de agregado grueso se obtiene después de determinar el contenido de agregado fino. Se determina por medio del método de De la Peña (Control que de Calidad…,95-96) establece que, del volumen total de agregados, corresponde un porcentaje al agregado fino dependiendo del tamaño máximo del agregado grueso.

Con los criterios anteriores, se procedió a diseñar mezclas de concreto para un mismo tipo de estructura utilizando similares materiales componentes del concreto. La estructura “a construir” sería una losa de concreto de 18 cm de espesor, con una resistencia a la compresión de diseño de 210 kg/cm2 y un revenimiento de 7,5 cm. Los materiales a utilizar, sus características (Tabla 1) y el diseño de las mezclas (Cuadro 2, Tabla 2) son los siguientes: • Cemento Tipo HE (fabricado bajo la Norma ASTM C-1157(Control de Calidad…,95-96) por la empresa Cementos de El Salvador “CESSA”), equivalente al cemento II-35 de Normas españolas. • Agregado grueso proveniente de la empresa productora de materiales pétreos PROTERSA, ubicada en la población de Ateos, Departamento de La Libertad. • Agregado fino proveniente de la empresa HORIZONTES DEL NORTE, S.A. de C.V., ubicada en jurisdicción de Comalapa, Departamento de La Paz. • Agua proveniente del sistema de abastecimiento de agua domiciliar de San Salvador.

Tabla 1. Características de los componentes sólidos MATERIALES Ø MÁXIMO M.F (cm) GRAVA 5,0 (*) ARENA CEMENTO AGUA (*) Según criterio del ACI

2,88

G.E

P.V.C P.V.S (kg/m3) (kg/m3)

ABSORCIÓN (%)

HUMEDAD (%)

2,60 2,43 3,15 1,00

1 331 1 514

1,66 3,61

2,00 5,00

1 479 1 636

Cuadro 2. Diseño de las mezclas CARACTERISTICA METODO DEL ACI Resistencia a la compresión del Como no se disponen de datos concreto estadísticos de campo, se utiliza la fórmula recomendada por el ACI:

Por lo tanto,

METODO DE LA UPV Con fck = 210 kg/cm² (resistencia característica) y considerando condiciones de ejecución buenas, la norma española proporciona las constantes 1.35 y 15 en la expresión para calcular fcm (resistencia media), así:

f´cr = 295 kg/cm2

fcm = 1.35 x fck + 15.

f´cr = f´c + 85

Por tanto: fcm = 299 kg/cm² Tamaño máximo del agregado

Del análisis granulométrico se estableció que la malla más pequeña por la que pasa el 100% del agregado es la malla de 2” (5,04 cm). Por lo tanto: Ømax = 50.4 mm. El espesor de la losa permite un Ømax = 60,0 mm (1/3 de su espesor que es de 18 cm.)

Del análisis granulométrico e interpolación logarítmica, el tamaño máximo lo determina la malla por donde pase el 90 % del árido. Utilizando el gráfico en el método de De la Peña, se obtuvo: Dmax. = 37.4 mm.

Relación agua/cemento (A/C)

Por interpolación en tablas del ACI, Por resistencia, la relación agua-cemento recomendada para un f’cr de 295 C/A = k1 x fcm + k2 kg/cm² y para un concreto sin aire incluido es: Si utilizamos cemento tipo II-35 y agregados triturados, k1= 0,033 y k2 = 0,64 A/C = 0,55 C/A = 1,63

Contenido de aire

Para concreto sin aire incluido y No considera el aire atrapado tamaño máximo de agregado de 2”, según Tabla del ACI se espera un % de aire atrapado = 0,5%.

Revenimiento o consistencia

En las condiciones iniciales del En las condiciones iniciales del problema ya se ha establecido: problema ya se ha establecido:

Contenido de agua

Revenimiento = 75 mm

Consistencia = 75 mm

Según tabla del ACI para concreto sin aire incluido y tamaño máximo de agregado de 50,4 mm, para un revenimiento de 75 mm, se recomienda un contenido de agua aproximado de

Para agregados triturados, una consistencia de 75 mm y un Dmax. = 37,4 mm, de tablas, por interpolación, el contenido de agua es: A = 193 l

A = 169 l Contenido de cemento

Para A/C = 0.55 y A = 169 kg, por Para C/A = 1.63 y A = 193 Kg, por simple despeje de fórmula, simple despeje de fórmula, C = 315 Kg C = 307 Kg

Contenido de agregado grueso

Con un tamaño máximo de agregado de 50,4 mm. y módulo de finura de la arena de 2,88, de tablas del ACI, para 1 m3 de concreto, el volumen seco compacto del agregado grueso será: 0.73 m3

Por diferencia de volúmenes obtenemos el volumen absoluto total de agregados así: 1025–193–315/3.15 = 732 l El porcentaje de volumen absoluto que ocupa el agregado grueso en el concreto es, entonces:

Conocido el peso volumétrico seco compacto del agregado grueso, (732/1025) x 100 = 71.41% 1,479 kg/m3, podemos convertir ese Con módulo de finura de la arena volumen a peso: de 2,88 y un tamaño de malla por la que pasa el 90% del agregado 1,080 Kg igual a 33,9 mm, de gráfico obtenemos, sobre el volumen absoluto total de agregados. % de agregado fino = 36% Por tanto, el volumen absoluto del agregado grueso será: 732x(100-36)/100 = 468 l

Conocido el peso específico del agregado grueso (2 604 kg/m3), convertimos el volumen absoluto a peso: Contenido de agregado fino

0,468 x 2 604 = 1 219 kg Por diferencia de volúmenes Del volumen absoluto total de absolutos entre un metro cúbico de agregados determinado en la concreto y la suma de los casilla anterior: volúmenes de los componentes ya definidos, incluyendo el contenido Var= 732x36/100 de aire: Var = 264 l Var=1000-(169+307/3.15+ Conocido el peso específico de la 1080/2,60+0.5x1000/100) arena (2,430 kg/m3), podemos expresar el contenido de arena en Var=313 l peso: Conocido el peso específico de la arena (2,430 kg/m3), podemos Arena = 0,264m3 x 2 430 kg/m3 expresar el contenido de arena en peso: Arena = 642 Kg Arena = 0,313 m3 x 2430 kg/m3 Arena = 761 kg

Tabla 2. Resumen de los resultados. COMPONENTE Agua Cemento Agregado grueso Agregado fino Concreto

METODO DEL ACI 169 Kg 307 Kg 1 080 Kg 761 Kg 2 317 Kg

METODO DE LA UPV 193 Kg 315 Kg 1 219 Kg 642 Kg 2 369 Kg

CONCLUSIONES Al observar y comparar los resultados obtenidos al utilizar ambos métodos de diseño de mezclas de concreto se tienen las siguientes conclusiones: 1. El contenido de agua es bastante mayor en el concreto obtenido por el método de la UPV que en el obtenido por el método del ACI. Esto puede representar una mejor trabajabilidad del concreto que redundaría en menores costos de mano de obra. Sin embargo, podría influenciar negativamente en el nivel de resistencia que podría llegar a alcanzar el concreto 2. El contenido de cemento es ligeramente mayor en el concreto obtenido por el método de la UPV que en el obtenido por el método del ACI. Aunque esto puede ser una desventaja respecto del costo, podría redundar en un pequeño incremento de resistencia que llevaría a demandar menores secciones en las estructuras y, por lo tanto, menor volumen de concreto.

3. El contenido de agregado grueso es bastante mayor en el concreto obtenido por el método de la UPV que en el obtenido por el método del ACI. Esto puede significar un beneficio en el costo, si consideramos que este componente del concreto es de los más baratos. 4. El contenido de agregado fino es bastante menor en el concreto obtenido por el método de la UPV que en el obtenido por el método del ACI. Esto puede significar un beneficio en el costo, si consideramos que este tipo de agregado es más caro que el agregado grueso. 5. El peso del concreto obtenido por el método de la UPV es ligeramente mayor que el obtenido por el método del ACI. Esto puede representar ventaja si asumimos que a mayor densidad mayor resistencia y/o durabilidad, pero puede ser una desventaja si consideramos el incremento del peso muerto en la estructura. CONCLUSIÓN Y RECOMENDACIÓN FINAL De los resultados obtenidos, podemos concluir que por el método de la UPV se pueden obtener concretos que podrían ofrecer condiciones más ventajosas que aquellos diseñados por el método del ACI Este estudio debe complementarse elaborando mezclas de concreto a partir de los diseños obtenidos, elaborar especímenes para ensayos de resistencia y comparar los resultados que se obtengan para verificar si éstos se acercan a los resultados esperados por ambos métodos y para hacer nuevas comparaciones sobre los valores de resistencias obtenidos. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Diseño y Control de Mezclas de Concreto, 1992, Instituto Mexicano del Cemento y del Concreto A.C. ACI 211.1 , 1985. Práctica Recomendada para Seleccionar el Proporcionamiento de Concreto Normal, Pesado y Masivo, ACI. 211.1-81, revisada en 1985, Reporte del Comité ACI 211 del Instituto Americano del Concreto. Control de Calidad del Hormigón y sus Materiales Constituyentes, Servicio de Publicaciones, Curso 95/96, Universidad Politécnica de Valencia, España. ASTM C-1157, Especificaciones Standard sobre Comportamiento de Concretos Hidráulicos Mezclados