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Tecnologia Concreto y Mortero Rivera QUÍMICA (Universidad Nacional de San Agustín)

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El texto recopila una serie de información extractada de: libros, artículos especializados, seminarios, congresos, simposios y experiencias adquiridas durante el ejercicio de la profesión; además se presentan resultados de investigaciones realizadas en el laboratorio de materiales de la Facultad de Ingeniería Civil de la Universidad del Cauca.

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Universidad del Cauca

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iii CONTENIDO

CONTENIDO PÁGINA PRÓLOGO ---------------------------------------------------------------------------------------------------- XI CAPÍTULO 1. MATERIALES CONGLOMERANTES. 1.1 NOTA HISTÓRICA.------------------------------------------------------------------------------------1.2 CAL.-------------------------------------------------------------------------------------------------------1.2.1 CLASIFICACIÓN. -----------------------------------------------------------------------------------1.3 YESO.-----------------------------------------------------------------------------------------------------1.3.1 CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DE LOS YESOS.----------------------------------------1.4 CEMENTO.----------------------------------------------------------------------------------------------1.5 CEMENTO PORTLAND.-----------------------------------------------------------------------------1.5.1 FABRICACIÓN DEL CEMENTO PORTLAND. -----------------------------------------------1.5.1.1 Proceso húmedo.---------------------------------------------------------------------------------1.5.1.2 Procesos seco y semiseco. --------------------------------------------------------------------1.5.2 COMPOSICIÓN QUÍMICA DEL CEMENTO PORTLAND.--------------------------------1.5.3 TIPOS DE CEMENTO PORTLAND.------------------------------------------------------------1.5.4 PROPIEDADES DEL CEMENTO PORTLAND.----------------------------------------------1.5.4.1 Densidad.-------------------------------------------------------------------------------------------1.5.4.2 Finura. -----------------------------------------------------------------------------------------------1.5.4.3 Consistencia normal.-----------------------------------------------------------------------------1.5.4.4 Fraguado.-------------------------------------------------------------------------------------------1.5.4.5 Falso fraguado.------------------------------------------------------------------------------------1.5.4.6 Estabilidad volumétrica.-------------------------------------------------------------------------1.5.4.7 Calor de hidratación.-----------------------------------------------------------------------------1.5.4.8 Resistencia del cemento.------------------------------------------------------------------------1.5.5 ALMACENAMIENTO DEL CEMENTO PORTLAND.---------------------------------------1.6 REFERENCIAS.-----------------------------------------------------------------------------------------

13 13 14 15 16 18 18 18 18 19 21 23 25 26 26 27 29 29 30 32 34 35 38 39

CAPÍTULO 2. AGREGADOS PARA MORTERO O CONCRETO. 2.1 GENERALIDADES.------------------------------------------------------------------------------------2.2 DEFINICIÓN.--------------------------------------------------------------------------------------------2.3 CLASIFICACIÓN DE LOS AGREGADOS.------------------------------------------------------2.3.1 CLASIFICACIÓN SEGÚN SU PROCEDENCIA.---------------------------------------------2.3.1.1 Agregados naturales.----------------------------------------------------------------------------2.3.1.2 Agregados artificiales.---------------------------------------------------------------------------2.3.2 CLASIFICACIÓN SEGÚN SU DENSIDAD.---------------------------------------------------2.3.3 CLASIFICACIÓN SEGÚN SU TAMAÑO.------------------------------------------------------2.3.4 CLASIFICACIÓN SEGÚN SU FORMA Y TEXTURA SUPERFICIAL.------------------2.4 PROPIEDADES QUÍMICAS DEL AGREGADO.-----------------------------------------------2.4.1 EPITAXIA.---------------------------------------------------------------------------------------------2.4.2 REACCIÓN ÁLCALI-AGREGADO.--------------------------------------------------------------2.5 PROPIEDADES FÍSICAS.---------------------------------------------------------------------------2.5.1 GRANULOMETRÍA.---------------------------------------------------------------------------------

41 41 41 41 42 42 45 52 52 54 55 55 55 56 56

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iv CONTENIDO

2.5.2 DENSIDAD.-------------------------------------------------------------------------------------------2.5.3 ABSORCIÓN Y HUMEDAD.---------------------------------------------------------------------2.5.4 MASA UNITARIA.-----------------------------------------------------------------------------------2.5.5 RESISTENCIA.---------------------------------------------------------------------------------------2.6 SUSTANCIAS PERJUDICIALES.------------------------------------------------------------------2.6.1 SUELO FINO.----------------------------------------------------------------------------------------2.6.2 IMPUREZAS ORGÁNICAS.----------------------------------------------------------------------2.6.3 PARTÍCULAS DELEZNABLES.------------------------------------------------------------------2.6.4 PARTÍCULAS LIVIANAS.--------------------------------------------------------------------------2.6.5 PARTÍCULAS BLANDAS.-------------------------------------------------------------------------2.7 BENEFICIO DE AGREGADOS.--------------------------------------------------------------------2.8 MANEJO Y ALMACENAMIENTO DE AGREGADOS.----------------------------------------2.9 REFERENCIAS.-----------------------------------------------------------------------------------------

64 65 66 67 68 68 70 71 71 72 72 73 73

CAPÍTULO 3. AGUA DE MEZCLA. 3.1 GENERALIDADES.-----------------------------------------------------------------------------------3.2 IMPUREZAS ORGÁNICAS.-------------------------------------------------------------------------3.3 IMPUREZAS INORGÁNICAS.----------------------------------------------------------------------3.4 CONTAMINACIÓN POR DESECHOS INDUSTRIALES.-------------------------------------3.5 REQUISITOS.------------------------------------------------------------------------------------------3.6 TOMA DE MUESTRAS.------------------------------------------------------------------------------3.7 ENSAYOS.----------------------------------------------------------------------------------------------3.7.1 MATERIALES.----------------------------------------------------------------------------------------3.7.2 PROCEDIMIENTOS.-------------------------------------------------------------------------------3.8 CRITERIOS DE ACEPTACIÓN O RECHAZO.-------------------------------------------------3.9 REFERENCIAS.-----------------------------------------------------------------------------------------

77 77 78 78 79 79 80 81 81 81 81 82

CAPÍTULO 4. MANEJABILIDAD DEL CONCRETO. 4.1 GENERALIDADES Y DETERMINACIÓN.-------------------------------------------------------4.2 FACTORES QUE INFLUYEN EN LA MANEJABILIDAD.------------------------------------4.2.1 GRADACIÓN DEL AGREGADO FINO.-------------------------------------------------------4.2.2 GRADACIÓN DEL AGREGADO GRUESO.--------------------------------------------------4.2.3 FORMA Y TEXTURA SUPERFICIAL DE LOS AGREGADOS.--------------------------4.2.4 CANTIDADES RELATIVAS DE PASTA Y AGREGADOS.--------------------------------4.2.5 FLUIDEZ DE LA PASTA.--------------------------------------------------------------------------4.2.6 CONTENIDO DE AIRE.----------------------------------------------------------------------------4.2.7 CONTENIDO DE AGUA Y AGREGADO GRUESO.----------------------------------------4.2.8 PORCENTAJE DE ARENA EN EL AGREGADO TOTAL.---------------------------------4.2.9 ADITIVOS.--------------------------------------------------------------------------------------------4.2.10 FACTORES EXTERNOS.-----------------------------------------------------------------------4.2.10.1 Métodos de mezclado (manual o mecánico).---------------------------------------------4.2.10.2 Sistema de transporte (carretillas, vagonetas, bandas, cucharones, bombeo, etc).-------------------------------------------------------------------4.2.10.3 Tipos de colocación (caída libre, canaletas, trompa de elefante, etc).-------------4.2.10.4 Tipos de compactación (manual, con vibración, al vacío, etc).----------------------4.3 REFERENCIAS.---------------------------------------------------------------------------------------

83 83 85 86 86 86 87 87 88 90 91 91 92 92

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v CONTENIDO

CAPÍTULO 5. ECONOMÍA DEL CONCRETO. 105 5.1 GENERALIDADES.------------------------------------------------------------------------------------ 105 5.2 FACTORES QUE INFLUYEN EN LA ECONOMÍA.-------------------------------------------- 105 5.2.1 GRADACIÓN, FORMA Y TEXTURA SUPERFICIAL DE LOS AGREGADOS.--------------------------------------------------------------------------------- 105 5.2.2 FLUIDEZ DE LA PASTA.--------------------------------------------------------------------------- 105 5.2.3 TAMAÑO MÁXIMO DEL AGREGADO GRUESO.------------------------------------------- 105 5.2.4 PORCENTAJE DE ARENA EN EL AGREGADO TOTAL.--------------------------------- 106 5.3 EJEMPLOS DE AJUSTE GRANULOMÉTRICO A CURVAS IDEALES.------------------- 109 5.4 REFERENCIAS.----------------------------------------------------------------------------------------- 118 CAPÍTULO 6. RESISTENCIA DEL CONCRETO. 6.1 GENERALIDADES.-----------------------------------------------------------------------------------6.2 ANÁLISIS ESTADÍSTICO.---------------------------------------------------------------------------6.3 RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN.------------------------------------------------------------6.3.1 RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN DE DOSIFICACIÓN.-------------------------------6.3.2 ENSAYO DE RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN.----------------------------------------6.4 RESISTENCIA A LA TENSIÓN.--------------------------------------------------------------------6.5 RESISTENCIA A LA FLEXIÓN.--------------------------------------------------------------------6.5.1 RESISTENCIA A LA FLEXIÓN DE DOSIFICACIÓN.---------------------------------------6.5.2 ENSAYO DE RESISTENCIA A LA FLEXIÓN.------------------------------------------------6.6 CORRELACIONES ENTRE LA RESISTENCIA A LA FLEXIÓN Y RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN Y TENSIÓN.-------------------------------------------6.7 EVALUACIÓN Y ACEPTACIÓN DEL CONCRETO.------------------------------------------6.8 FACTORES QUE AFECTAN LA RESISTENCIA DEL CONCRETO.---------------------6.8.1 TIPO DE CEMENTO.-------------------------------------------------------------------------------6.8.2 TIPOS DE AGREGADOS.------------------------------------------------------------------------6.8.3 TIPO DE AGUA DE MEZCLA.-------------------------------------------------------------------6.8.4 RELACIÓN AGUA / CEMENTO (A/C).--------------------------------------------------------6.8.5 TIEMPO, TEMPERATURA Y HUMEDAD.----------------------------------------------------6.8.5.1 Ensayo acelerado para la predicción de resistencias futuras.-------------------------6.8.5.2 Curado del concreto.-----------------------------------------------------------------------------6.8.6 ADITIVOS.--------------------------------------------------------------------------------------------6.9 REFERENCIAS.----------------------------------------------------------------------------------------

138 139 142 142 143 143 143 146 148 149 151 151

CAPÍTULO 7. DURABILIDAD DEL CONCRETO. 7.1 GENERALIDADES.-----------------------------------------------------------------------------------7.2 PERMEABILIDAD.------------------------------------------------------------------------------------7.3 METEORIZACIÓN.-----------------------------------------------------------------------------------7.3.1 ATAQUE DE LA CONGELACIÓN Y LA FUSIÓN.------------------------------------------7.4 ACCIÓN QUÍMICA.-----------------------------------------------------------------------------------7.4.1 ATAQUE DE LOS SULFATOS.-----------------------------------------------------------------7.4.2 ATAQUE DEL AGUA DE MAR.------------------------------------------------------------------7.4.3 ATAQUE DE LOS ÁCIDOS.----------------------------------------------------------------------7.5 DESGASTE.---------------------------------------------------------------------------------------------

155 155 155 156 157 157 158 158 159 159

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121 121 121 125 126 128 131 133 133 135

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vi CONTENIDO

7.6 ELASTICIDAD, CONTRACCIÓN Y FLUENCIA.-----------------------------------------------7.6.1 MÓDULO DE ELASTICIDAD ESTÁTICO.----------------------------------------------------7.6.2 MÓDULO DE ELASTICIDAD DINÁMICO.----------------------------------------------------7.6.3 RELACIÓN DE POISSON.-----------------------------------------------------------------------7.7 REQUISITOS PARA CONDICIONES ESPECIALES DE EXPOSICIÓN.----------------7.8 REFERENCIAS.-----------------------------------------------------------------------------------------

160 161 164 165 165 168

CAPÍTULO 8. DOSIFICACIÓN DE MEZCLAS DE CONCRETO. 8.1 GENERALIDADES.-----------------------------------------------------------------------------------8.2 DATOS BÁSICOS Y PROCEDIMIENTOS DE DOSIFICACIÓN.--------------------------8.2.1 PASOS A SEGUIR.--------------------------------------------------------------------------------8.2.1.1 Selección del asentamiento.-------------------------------------------------------------------8.2.1.2 Chequeo del tamaño máximo nominal.-----------------------------------------------------8.2.1.3 Estimación del agua de mezcla.--------------------------------------------------------------8.2.1.4 Determinación de la resistencia de dosificación.-----------------------------------------8.2.1.5 Selección de la relación agua / cemento (A/C).-------------------------------------------8.2.1.6 Cálculo del contenido de cemento y aditivo.-----------------------------------------------8.2.1.7 Cálculo de la cantidad de cada agregado.--------------------------------------------------8.2.1.8 Cálculo de proporciones iniciales.------------------------------------------------------------8.2.1.9 Primera mezcla de prueba. Ajuste por humedad del agregado.----------------------8.2.1.10 Ajuste a la mezcla de prueba.---------------------------------------------------------------8.2.1.10.1 Ajuste por asentamiento.-------------------------------------------------------------------8.2.1.10.2 Ajuste por resistencia.-----------------------------------------------------------------------8.3 EJEMPLO DE DOSIFICACIÓN DE MEZCLAS DE CONCRETO (PARÁMETRO DE DISEÑO F’c).-----------------------------------------------8.3.1 SELECCIÓN DEL ASENTAMIENTO.----------------------------------------------------------8.3.2 CHEQUEO DEL TAMAÑO MÁXIMO NOMINAL DEL AGREGADO.-------------------8.3.3 ESTIMACIÓN DEL AGUA DE LA MEZCLA.--------------------------------------------------8.3.4 RESISTENCIA DE DOSIFICACIÓN DE LA MEZCLA (F’cr.).----------------------------8.3.5 SELECCIÓN DE LA RELACIÓN AGUA / CEMENTO (A/C).-----------------------------8.3.5.1 Por resistencia.------------------------------------------------------------------------------------8.3.5.2 Por durabilidad.------------------------------------------------------------------------------------8.3.6 CÁLCULO DEL CONTENIDO DE CEMENTO.----------------------------------------------8.3.7 AGREGADOS.---------------------------------------------------------------------------------------8.3.8 PROPORCIONES INICIALES EN MASA (masa seca de agregados).----------------8.3.9 PRIMERA MEZCLA DE PRUEBA.--------------------------------------------------------------8.3.10 AJUSTE POR ASENTAMIENTO.--------------------------------------------------------------8.3.11 SEGUNDA MEZCLA DE PRUEBA.-----------------------------------------------------------8.3.12 AJUSTE POR RESISTENCIA.-----------------------------------------------------------------8.3.13 TERCERA MEZCLA DE PRUEBA.------------------------------------------------------------8.3.14 CANTIDADES DE MATERIAL A UTILIZAR POR CADA 50 kg. DE CEMENTO.--8.3.15 COSTO DE 1m3 DE CONCRETO SIMPLE.------------------------------------------------8.3.16 COSTO DE 1m3 DE COLUMNA (sin incluir refuerzo).-----------------------------------

169 169 169 170 171 171 171 171 171 172 172 172 173 173 173 173

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vii CONTENIDO

8.4 EJEMPLO DE DOSIFICACIÓN DE MEZCLAS DE CONCRETO (PARÁMETRO DE DISEÑO F’r).------------------------------------------------8.4.1 SELECCIÓN DEL ASENTAMIENTO.----------------------------------------------------------8.4.2 CHEQUEO DEL TAMAÑO MÁXIMO NOMINAL DE AGREGADO.---------------------8.4.3 ESTIMACIÓN DEL AGUA DE LA MEZCLA.-------------------------------------------------8.4.4 RESISTENCIA DE DOSIFICACIÓN DE LA MEZCLA (F’rr).------------------------------8.4.5 SELECCIÓN DE LA RELACIÓN (A/C).--------------------------------------------------------8.4.6 CÁLCULO DEL CONTENIDO DE CEMENTO.----------------------------------------------8.4.7 AGREGADOS.---------------------------------------------------------------------------------------8.4.8 PROPORCIONES INICIALES EN MASA (masa seca de agregados).-----------------8.4.9 PRIMERA MEZCLA DE PRUEBA.--------------------------------------------------------------8.4.10 AJUSTE POR ASENTAMIENTO.--------------------------------------------------------------8.4.11 SEGUNDA MEZCLA DE PRUEBA.-----------------------------------------------------------8.4.12 AJUSTE POR RESISTENCIA.-----------------------------------------------------------------8.4.13 TERCERA MEZCLA DE PRUEBA.-----------------------------------------------------------8.4.14 CANTIDADES DE MATERIAL A UTILIZAR POR CADA 50 kg. DE CEMENTO.--8.4.15 COSTO DE UN 1m3 DE CONCRETO SIMPLE.-------------------------------------------8.4.16 COSTO DE 1m2 DE LOSA PARA PAVIMENTO RÍGIDO (sin pasadores), Espesor (18 cm.).------------------------------------------------8.5 REFERENCIAS.----------------------------------------------------------------------------------------CAPÍTULO 9. DOSIFICACIÓN DE MORTEROS. 9.1 INTRODUCCIÓN.-------------------------------------------------------------------------------------9.2 PROCEDIMIENTO.-----------------------------------------------------------------------------------9.2.1 DATOS DE LA OBRA.-----------------------------------------------------------------------------9.2.2 DATOS DE LOS MATERIALES.-----------------------------------------------------------------9.2.3 PASOS A SEGUIR.---------------------------------------------------------------------------------9.2.3.1 Selección de la fluidez.--------------------------------------------------------------------------9.2.3.2 Determinación de la resistencia de dosificación.------------------------------------------9.2.3.3 Selección de la relación agua / cemento.---------------------------------------------------9.2.3.4 Estimación del contenido de cemento.-------------------------------------------------------9.2.3.5 Cálculo de la cantidad de agua.---------------------------------------------------------------9.2.3.6 Cálculo del contenido de agregado.----------------------------------------------------------9.2.3.7 Cálculo de las proporciones iniciales.--------------------------------------------------------9.2.3.8 Primera mezcla de prueba. Ajuste por humedad del agregado.----------------------9.2.3.9 Ajustes a la mezcla de prueba.----------------------------------------------------------------9.2.3.9.1 Ajuste por fluidez.------------------------------------------------------------------------------9.2.3.9.2 Ajuste por resistencia.-------------------------------------------------------------------------9.3 EJEMPLO DE DOSIFICACIÓN.--------------------------------------------------------------------9.3.1 SELECCIÓN DE LA FLUIDEZ. ------------------------------------------------------------------9.3.2 DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA DE DOSIFICACIÓN.------------------------9.3.3 SELECCIÓN DE LA RELACION AGUA / CEMENTO (A/C).-----------------------------9.3.3.1 Resistencia.----------------------------------------------------------------------------------------9.3.3.2 Durabilidad.-----------------------------------------------------------------------------------------9.3.4 ESTIMACIÓN DEL CONTENIDO DE CEMENTO.------------------------------------------9.3.5 CÁLCULO DE LA CANTIDAD DE AGUA.------------------------------------------------------

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187 187 187 188 188 188 190 190 190 190 192 192 193 194 194 195 196 197 199 199 199 199 200 200 201 201 203 204 205 205 205 206 206 206 206 206 207 207 207 207 208 208 209

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viii CONTENIDO

9.3.6 CÁLCULO DEL CONTENIDO DE AGREGADO.--------------------------------------------- 210 9.3.7 CÁLCULO DE LAS PROPORCIONES INICIALES.----------------------------------------- 210 9.3.8 PRIMERA MEZCLA DE PRUEBA. AJUSTE POR HUMEDAD DEL AGREGADO.-- 210 9.3.8.1 Volumen de mortero a preparar.--------------------------------------------------------------- 210 9.3.8.2 Ajuste por humedad del agregado.------------------------------------------------------------ 211 9.3.9 AJUSTES A LA MEZCLA DE PRUEBA.------------------------------------------------------- 212 9.3.9.1 Ajuste por fluidez.---------------------------------------------------------------------------------- 212 9.3.9.2 Ajuste por resistencia.---------------------------------------------------------------------------- 213 9.3.10 CANTIDADES DE MATERIAL A UTILIZAR POR CADA 50 kg. DE CEMENTO.--- 214 9.3.11 COSTO DE 1m3 DE MORTERO.-------------------------------------------------------------- 215 9.3.12 COSTO DE UN m2 DE MURO EN LADRILLO TOLETE COMÚN, PARA CONSTRUCCIÓN DE MAMPOSTERÍA ESTRUCTURAL (espesor = 12cm).------ 216 9.4 REFERENCIAS.----------------------------------------------------------------------------------------- 217 CAPÍTULO 10. PROPORCIONES EN VOLUMEN SUELTO. 10.1 INTRODUCCIÓN.------------------------------------------------------------------------------------10.2 PROPORCIONES EN VOLUMEN SUELTO PARA CONCRETOS.---------------------10.2.1 CANTIDADES DE MATERIAL POR METRO CÚBICO DE CONCRETO SIMPLE.----------------------------------------------------------------------------10.2.2 CANTIDADES DE MATERIAL POR METRO CÚBICO DE CONCRETO CICLÓPEO.-----------------------------------------------------------------------10.2.3 EJEMPLOS DE ESTIMACIÓN DE CANTIDADES DE MATERIAL PARA UNA DETERMINADA CANTIDAD DE OBRA.----------------------------------------------10.3 PROPORCIONES EN VOLUMEN SUELTO PARA MORTEROS.-----------------------10.3.1 CANTIDADES DE MATERIAL POR METRO CÚBICO DE MORTERO.-------------10.3.2 EJEMPLO DE ESTIMACIÓN DE CANTIDADES DE MATERIAL PARA UNA DETERMINADA CANTIDAD DE OBRA.---------------------------------------------10.4 REFERENCIAS.-------------------------------------------------------------------------------------CAPÍTULO 11. ADITIVOS PARA MORTERO Y CONCRETO. 11.1 DEFINICIÓN Y GENERALIDADES.-------------------------------------------------------------11.2 RESEÑA HISTÓRICA.------------------------------------------------------------------------------11.3 CLASIFICACIÓN.------------------------------------------------------------------------------------11.3.1 TIPO A – PLASTIFICANTES.------------------------------------------------------------------11.3.2 TIPO B – RETARDADOR.----------------------------------------------------------------------11.3.3 TIPO C – ACELERANTE.-----------------------------------------------------------------------11.3.4 TIPO D – PLASTIFICANTE – RETARDADOR.--------------------------------------------11.3.5 TIPO E – PLASTIFICANTE – ACELERANTE.----------------------------------------------11.3.6 TIPO F – SUPERPLASTIFICANTE.----------------------------------------------------------11.3.7 OTROS ADITIVOS. (Incorporadotes de aire, Impermeabilizantes, Anticongelante, Expansivos, Larga vida, Colorantes, etc.).-----------------------------11.4 RECOMENDACIONES DE EMPLEO Y PRECAUCIONES.-------------------------------11.5 NOMBRES COMERCIALES DE ALGUNOS ADITIVOS.-----------------------------------11.6 REFERENCIAS.---------------------------------------------------------------------------------------

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219 219 220 221 221 222 225 225 226 229 231 231 233 234 235 237 239 240 242 242 243 251 252 255

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ix CONTENIDO

CAPÍTULO 12. CONCRETOS ESPECIALES. 12.1 INTRODUCCIÓN.------------------------------------------------------------------------------------12.2 CONCRETOS ESPECIALES MÁS UTILIZADOS.-------------------------------------------12.2.1 CONCRETO PREMEZCLADO.----------------------------------------------------------------12.2.2 CONCRETO BOMBEADO.---------------------------------------------------------------------12.2.3 CONCRETO LANZADO.------------------------------------------------------------------------12.2.4 CONCRETO INYECTADO.---------------------------------------------------------------------12.2.5 CONCRETO LIGERO.---------------------------------------------------------------------------12.2.6 CONCRETO PESADO.---------------------------------------------------------------------------12.2.7 CONCRETO COMPACTADO CON RODILLO (CCR).-----------------------------------12.2.8 CONCRETO CON FIBRAS.--------------------------------------------------------------------12.2.9 CONCRETO MADERA, CON CÁSCARA DE ARROZ O DE TRIGO.----------------12.2.10 CONCRETO CON INCLUSORES DE AIRE.----------------------------------------------12.2.11 CONCRETO REFRACTARIO.---------------------------------------------------------------12.2.12 - CONCRETO COLOREADO.----------------------------------------------------------------12.2.13 CONCRETO MASIVO.--------------------------------------------------------------------------12.3 REFERENCIAS.---------------------------------------------------------------------------------------

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257 257 258 258 259 260 262 262 264 264 265 265 265 266 266 266 267

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PRÓLOGO

El concreto simple (piedra artificial que tiene la ventaja de dejarse moldear), es un material muy utilizado en las obras civiles; por esta circunstancia ha sido objeto de un estudio cuidadoso tanto cada uno de sus componentes como sus propiedades, lo anterior ha originado numerosas publicaciones en forma de artículos o libros, sin embargo, en nuestra región no es fácil tener acceso a dicha documentación. Debido a esto, el presente libro pretende llenar el vacío que se tiene en este campo.

El texto recopila una serie de información extractada de: libros, artículos especializados, seminarios, congresos, simposios y experiencias adquiridas durante el ejercicio de la profesión; además se presentan resultados de investigaciones realizadas en el laboratorio de materiales de la Facultad de Ingeniería Civil de la Universidad del Cauca.

Este trabajo, susceptible de ser ampliado, mejorado y corregido en sus diversos temas, pretende servir de texto guía a las personas dedicadas a la enseñanza de esta área académica.

Espero que este libro, tal como sucedió con la primera versión, tenga la facilidad de ser adquirido y puesto en práctica por los estudiantes de pre y post-grado, así como por todas aquellas personas que están vinculadas en una u otra manera con el concreto o sus componentes, con lo cual se estaría mejorando en gran parte la calidad de la construcción y realizando obras económicas.

GERARDO ANTONIO RIVERA LÓPEZ MAGISTER EN INGENIERIA CIVIL CON ESPECIALIDAD EN VÍAS PROFESOR UNIVERSIDAD DEL CAUCA

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13 1. MATERIALES CONGLOMERANTES

CAPÍTULO 1 MATERIALES CONGLOMERANTES 1.1 NOTA HISTÓRICA. El uso de materiales de cementación es muy antiguo. Los egipcios ya utilizaban yeso calcinado y puro. Los griegos y romanos empleaban caliza calcinada y posteriormente, aprendieron a mezclar cal con agua, arena y piedra triturada o ladrillo y tejas quebradas; éste es conocido como el primer concreto de la historia. Un mortero de cal no endurece con el agua y para la construcción con agua, los romanos mezclaban cal con ceniza volcánica o con tejas de arcilla quemada, finamente trituradas. La sílice activa y la alúmina que se encuentran en las cenizas y en las tejas se combinaban con la cal para producir lo que fue conocido como cemento puzolánico, proveniente del nombre del pueblo de Puzzuoli, cerca del Vesubio, donde se encontraron por primera vez esas cenizas volcánicas. El nombre de cemento puzolánico se utiliza hasta nuestros días para describir cementos obtenidos de moler materiales naturales a temperatura normal. Algunas de las estructuras romanas en las cuales la mampostería se unía con morteros, tales como el Coliseo de Roma y el "Pont du Gard", cerca de Nimes (sur de Francia), han sobrevivido hasta esta época, con su material de cementación aún duro y firme. En la edad media hubo una disminución general en la calidad y el uso del cemento, y solamente en el siglo XVIII se encuentra un adelanto en el conocimiento de los cementos. En 1756, JOHN SMEATON fue comisionado para reconstruir el faro de Eddyston, en la costa de Cornwall, y encontró que el mejor mortero se obtenía cuando se mezclaba "puzolana" con caliza que contenía una alta cantidad de material arcilloso. (Puzolana: Material silíceo o sílicoaluminoso que posee propiedad puzolánica, es decir, el material una vez pulverizado tiene la aptitud de reaccionar químicamente en presencia de agua con hidróxido de calcio a la temperatura ambiente, formando compuestos que poseen propiedades hidráulicas, o sea, que el material finamente dividido tiene la propiedad de fraguar y endurecer en presencia de agua y formar compuestos estables). Al reconocer el papel de la arcilla, que hasta entonces se consideraba indeseable, SMEATON fue el primero en conocer las propiedades químicas de la cal hidráulica. A partir de esto, se desarrollaron otros tipos de cementos hidráulicos, como el "cemento romano" que obtuvo JOSEPH PARKER por calcinación de nódulos de caliza arcillosa, que vinieron a culminar en la patente del "cemento Portland" efectuada en 1824 por Joseph Aspdin, un constructor de Leeds (Inglaterra). Este cemento se preparaba calentando una mezcla de arcilla finamente triturada y caliza dura en un horno, hasta eliminar CO2, esta temperatura era mucho más baja que la necesaria para la formación de clinker, Aspdin llamó su cemento "CEMENTO PORTLAND" debido a la semejanza de color y calidad entre el cemento fraguado y la piedra Portland - una caliza obtenida en una cantera de DORSET (INGLATERRA)-.

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14 1. MATERIALES CONGLOMERANTES

A ASPDIN se le reconoce como el inventor del "cemento Portland", aunque su método de fabricación fue conservado en secreto (su patente se escribió en forma tan confusa y oscura que durante algún tiempo, nadie pudo imitar su producto). El prototipo del cemento moderno fue obtenido en 1845 por ISAAC JOHNSON, quien quemó una mezcla de arcilla y caliza hasta la formación de clinker, con la cual se produjo la reacción necesaria para la formación de un compuesto fuertemente cementoso. JOHNSON describió claramente sus experimentos y encontró que la temperatura de calcinación debía elevarse hasta el máximo que pudiera lograrse, claro está, con los métodos y equipos de ese tiempo. Tomando como base los experimentos de JOHNSON, la fabricación del cemento Portland se inició en varias factorías, no solo en Inglaterra, sino en algunos países de Europa. La cantidad producida fue muy pequeña y únicamente cerca del año de 1900, empezó el crecimiento notable de la industria del cemento, debido a dos factores: a) Experimentos realizados por los franceses VICAT y LE CHATELIER y el alemán MICHAELIS, con los cuales se logró producir cemento de calidad uniforme de modo que pudiera ser usado en la industria de la construcción y b) Dos invenciones mecánicas muy importantes los HORNOS ROTATORIOS para la calcinación y el MOLINO TUBULAR para la molienda, con esas dos máquinas pudo entonces producirse el cemento Portland en cantidades comerciales, induciendo así el rápido crecimiento de ésta industria.

1.2 CAL Cal aérea es el producto resultante de la descomposición por el calor de las rocas calizas. Si éstas son puras y se calientan a temperatura superior a 900oC se verifica la siguiente reacción: CaCO3 + calor = CaO + CO2↑ El carbonato de calcio (CaCO3) se descompone, dando anhídrido carbónico (CO2) que es gaseoso y se desprende junto con los humos del combustible y óxido de calcio o cal viva (CaO). La cal viva (CaO) es un producto sólido, de color blanco, amorfo aparentemente, pues cristaliza en el sistema regular, cuando se funde a 2570oC. La cal viva es inestable, pues presenta una gran avidez por el agua reaccionando de la siguiente manera: CaO + H2O = Ca(OH)2 + 15100 calorías Produciendo hidróxido de calcio Ca(OH)2 o cal apagada, desprendiendo calor, elevándose la temperatura a unos 160oC, pulverizándose y aumentando considerablemente el volumen aparente. Esta avidez por el agua es tan grande que el CaO absorbe el vapor de agua de la atmósfera y la de las substancias orgánicas, produciendo efectos cáusticos.

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El hidróxido de calcio Ca(OH)2 o cal apagada es un cuerpo sólido, blanco, amorfo, pulverulento, algo soluble en el agua, a la que le comunica un color blanco. En mayor cantidad forma con el agua una pasta llamada masilla de cal, la cual tiene la propiedad de endurecerse lentamente en el aire, enlazando los cuerpos sólidos, por lo cual se emplea como aglomerante. Este endurecimiento recibe el nombre de fraguado y es debido primeramente a una desecación por evaporación del agua con la cual se formó la pasta, y después, a una carbonatación por absorción del anhídrido carbónico del aire, formándose carbonato de calcio y agua, reconstituyendo la caliza de cual se partió. Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3 + H2O Esta reacción es muy lenta, pues empieza aproximadamente a las 24 horas de amasar la pasta y termina al cabo de unos 6 meses, por lo que las obras en que se emplea tardan mucho en secarse y adquirir la solidez definitiva. La reacción se verifica solo en aire seco; en el húmedo con mucha dificultad y no se realiza dentro del agua, pues la disuelve, no sirviendo en obras hidráulicas. La cal apagada al fraguar experimenta una contracción volumétrica, que unida al peso propio de la obra, produce fisuras o grietas.

1.2.1 CLASIFICACIÓN. Las calizas naturales casi nunca son la especie química carbonato de calcio, pues la acompañan otros cuerpos como: arcilla, magnesio, hierro, azufre, álcalis y materias orgánicas, las cuales al calcinarse, de no volatilizarse, comunican a la cal propiedades que dependen de la proporción en que entran a formar parte en la piedra caliza y clasifican a las cales en: 1) Cal grasa: Si la caliza primitiva contiene hasta un 5% de arcilla, la cal que produce al calcinarse se le denomina cal grasa, y al apagarse da una pasta fina blanca y untuosa, que aumenta mucho de volumen, permaneciendo indefinidamente blanda en sitios húmedos y fuera del contacto del aire, y en el agua termina por disolverse. 2) Cales áridas o magras: Son las que proceden de calizas que aún teniendo menos del 5% de arcilla, contiene además magnesio en proporción superior al 10%. Al añadirle agua forma una pasta gris que endurece menos y desprende más calor que las cales grasas. Al secarse en el aire se reduce a polvo y en el agua se deslíen y disuelven. Por estas malas cualidades no se usan en construcción. 3) Cales hidráulicas: Proceden de la calcinación de calizas que contienen más del 5% de arcilla; dan un producto que reúne, además de las propiedades de las cales grasas, la de poderse endurecer y consolidar (fraguar) en sitios húmedos y debajo del agua. Esto es debido a que en la cocción, en primer lugar, se produce una evaporación del agua de cantera hasta 110oC; hacia los 700oC empiezan a descomponerse los silicatos que forman las arcillas, y a los 900oC se descompone el carbonato de calcio. A temperatura más elevada reaccionan los productos resultantes: óxido de calcio CaO, óxido de sílice SiO2 y alúmina AL2O3, formándose silicatos y aluminatos de calcio lo cual constituye el aglomerante llamado cal hidráulica.

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La composición química de la cal hidráulica varía según su hidraulicidad entre los siguientes límites: SiO2 CaO Al2O3 Fe2O3

15-26% 51-66% 2-10% 0,5-5%

Las cales débilmente hidráulicas tienen una masa unitaria suelta comprendida entre 500 y 600 kg/m3; las medianamente hidráulicas de 600-800 kg/m3 y las eminentemente hidráulicas de 800-900 kg/m3; la densidad por lo general varía de 2600 a 2900 kg/m3 según su índice hidráulico. Sobre la malla #70 estas cales dejan un residuo del 3 al 5% y de 20-25% en la malla #170. El mortero 1:3 amasado con arena normal y conservado en agua, alcanza a los 28 días de 15 a 80 kg/cm2 de resistencia a la compresión según su hidraulicidad.

1.3 YESO Es el producto resultante de la deshidratación parcial o total del algez o piedra de yeso. Reducido a polvo y amasado con agua, recupera el agua de cristalización, endureciéndose. El yeso se encuentra muy abundante en la naturaleza, en los terrenos sedimentarios, presentándose bajo dos formas: cristalizado, anhidro (CaSO4) llamado anhidrita, y con dos moléculas de agua (CaSO4.2H2O) denominado piedra de yeso o algez.

CLASIFICACIÓN Anhidrita : es incolora o blanca, cuando está pura, y coloreada en azul, gris, amarillo o rojiza, cuando contiene arcilla: óxido de hierro, sílice, etc. Cristaliza en el sistema rómbico, su densidad es aproximadamente 2,46 g/cm3 y su dureza igual a 3 en la escala de Mohs. De estructura compacta y sacaroidea, absorbe el agua rápidamente, convirtiéndose en yeso o algez, aumentando su volumen de 30 a 50%, y esta dilatación produce grandes trastornos en los estratos que los contienen. En estado puro tiene una composición de: SO3 CaO

58,82% 41,18%

Algez o piedra de yeso: se presenta cristalizado en el sistema monoclínico, formando rocas muy abundantes, y se puede clasificar, ya sea según su estructura, o de acuerdo con su nivel de hidratación. La piedra de yeso o algez en cualquiera de sus variedades, cuando está pura, es incolora o blanca, pero generalmente contiene impurezas adquiriendo coloraciones: amarilla, gris o rojiza, etc., debidas a la arcilla, óxido de hierro, sílice, caliza, etc., en pequeñas proporciones.

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El algez tiene una densidad que por lo general varía de 2,28-2,32 g/cm3 y una dureza en la escala de mohs de 2, su composición es:

SO3

46,51%

CaO

32,56%

H2O

20,93%

Teniendo en cuenta su estructura podemos encontrar las siguientes variedades: YESO FIBROSO, formado por el CaSO4.2H2O puro, cristalizado en fibras sedosas confusamente. Con él se obtiene un buen yeso para mezclas. YESO ESPEJUELO, cristaliza en voluminosos cristales, que se exfolian fácilmente en láminas delgadas y brillantes. Proporciona un buen yeso para estucos y modelados. YESO EN FLECHA, cristalizado en forma de punta de lanza formando macla; con él se obtiene un yeso excelente para el vaciado de objetos muy delicados. YESO SACARINO, o de estructura compacta; cuando es de grano muy fino, recibe el nombre de alabastro y es usado para decoración y escultura. Este alabastro se diferencia del calizo por no producir efervescencia con los ácidos. YESO CALIZO, o piedra ordinaria de yeso; contiene hasta un 12% de carbonato de calcio. Da un buen yeso endureciéndose mucho después de fraguado. El calor actúa sobre la piedra de yeso deshidratándola, de tal forma que hace que se pueda obtener las distintas variedades que se usan en construcción. Por lo tanto, podemos clasificarlo de la siguiente forma: YESO NEGRO O GRIS, es un yeso semihidratado 60% que se obtiene del algez que presenta gran cantidad de impurezas, directamente calcinado; por lo que se ennegrece con los humos y cenizas de los combustibles. Sobre el tamiz #70 deja retenido entre el 30-50%. Se emplea en obras como bóvedas, tabiques, etc. YESO BLANCO, es el que contiene un 80% de semihidratado y está bien molido, dejando del 1 al 10% de residuo sobre el tamiz #70. Se emplea para enlucir paredes, estucos y blanqueos. ESCAYOLA, es el yeso blanco de la mejor calidad; contiene 90% de semihidratado, finura del 1% sobre el tamiz #70; está formado casi exclusivamente por semihidratado de fraguado rápido y se emplea para vaciados, molduras y decoración.

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1.3.1 CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DE LOS YESOS CARÁCTERÍSTICAS Composición química CaSO4 . ½H2O Finura (residuo) Tamiz #70 (210 µm) Tamiz #170 (88 µm) Fraguado Inicio Fin Resistencia Flexión Compresión * Yeso Lento ** Yeso Rápido

YESO NEGRO

YESO BLANCO

ESCAYOLA

≥50%

≥66%

≥80%

≤20% ≤50%

≤10% ≤20%

≤2% ≤16%

2-5 min ** 5-15 min * < 30 min

2-5 min ** 5-15 min * <15 min ** < 30 min *

4-15 min

≥30 kg/cm2 ≥ 75 kg/cm2

≥40 kg/cm2 ≥ 100 kg/cm2

≥ 70 kg/cm2 ≥ 150 kg/cm2

<30 min

Tabla No. 1.1 Características técnicas de los yesos. 1.6.1

1.4 CEMENTO Es un material pulverizado que además de óxido de calcio contiene: sílice, alúmina y óxido de hierro y que forma, por adición de una cantidad apropiada de agua, una pasta conglomerante capaz de endurecer tanto en el agua como en el aire. Se excluyen las cales hidráulicas, cales aéreas y yesos.

1.5 CEMENTO PORTLAND Producto que se obtiene por la pulverización del clinker Portland con la adición de una o más formas de sulfato de calcio. Se admite la adición de otros productos siempre que su inclusión no afecte las propiedades del cemento resultante. Todos los productos adicionales deben ser pulverizados conjuntamente con el clinker.

1.5.1 FABRICACIÓN DEL CEMENTO PORTLAND El cemento Portland está compuesto principalmente por materiales calcáreos tales como caliza, alúmina y sílice que se encuentran como arcilla o pizarra; también se utiliza marga, que es un material calcáreo-arcilloso, por yeso y en los últimos años la adición de material puzolánico, que puede ser en estado natural como tierra de diatomeas, rocas opalinas, esquistos, cenizas volcánicas, o material calcinado (los nombrados anteriormente y algunos como las arcillas y esquistos más comunes), o de material artificial (óxido de silicio precipitado y cenizas volantes).

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19 1. MATERIALES CONGLOMERANTES

El proceso de fabricación del cemento consiste en moler finamente la materia prima, mezclarla minuciosamente en una cierta proporción y calcinarla en un horno rotatorio de gran dimensión, a una temperatura de 1300 a 1400 oC, a la cual el material se sintetiza y se funde parcialmente, formando bolas conocidas como clinker. El clinker se enfría y a continuación, se adiciona un poco de yeso y en los últimos tiempos, material puzolánico, que se tritura hasta obtener un polvo fino; el producto comercial resultante es el cemento Portland, utilizado a gran escala en todo el mundo. La mezcla y la trituración de materias primas pueden efectuarse tanto en húmedo como en seco, de donde provienen los nombres de proceso "húmedo" o "seco". El método de fabricación a seguir depende, de la naturaleza de las materias primas usadas y principalmente de factores económicos. Estos dos procesos son los más usados a nivel comercial, pero existen otros métodos empleados en la fabricación del cemento a pequeña escala, que son, entre otros, el semiseco, la fabricación con horno vertical y fabricación con horno de parrilla de preparación (Lepol).

Figura 1.1. Horno Rotatorio en una Fábrica Productora de Cemento. Fàbrica Lamali – Olavarría . Provincia de Buenos Aires

(Argentina)

1.5.1.1 Proceso húmedo Cuando se emplea marga, este material se tritura finamente y se dispersa en agua en un molino de lavado, el cual es un pozo circular con brazos revolvedores radiales con rastrillos, los cuales rompen los aglomerados de materias sólidas. La arcilla también se tritura y se mezcla con agua, generalmente es un molino de lavado semejante al anterior. Enseguida se bombean las dos mezclas de forma tal que se mezclen en proporciones determinadas y pasen a través de una serie de Cribas. La lechada resultante fluye a estanques de almacenamiento. Si se emplea caliza, debe barrenarse, triturarse, generalmente en dos trituradoras, una más pequeña que la otra, y luego depositarse en un molino de bolas, con arcilla dispersa en agua. Allí se continúa el molido de la caliza hasta el grado de finura de harina, y la lechada resultante se bombea a estanques de almacenamiento. Generalmente hay varios tanques de almacenamiento en los cuales se guarda la lechada; la sedimentación de los sólidos suspendidos se impide mediante la agitación mecánica o por burbujeo de aire comprimido. El contenido de cal de la lechada está determinado por la proporción de materiales calcáreos o arcillosos.

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Un ajuste final para obtener la composición química requerida puede efectuarse mezclando lechadas de diferentes tanques de almacenamiento, utilizando a veces un sistema complicado de tanques de mezclado. De aquí en adelante, el proceso es el mismo, sin importar la naturaleza original de las materias primas. Finalmente, la lechada con contenido de cal deseado pasa a un horno rotatorio. Se trata de un cilindro de acero de gran tamaño recubierto de material refractario, con diámetro interior hasta de 5 m, y una longitud que a veces alcanza 150 m, el cual gira lentamente alrededor de su eje, levemente inclinado respecto a la horizontal. La lechada se deposita en el extremo superior del horno mientras se añade carbón pulverizado mediante la insuflación de un chorro en el extremo inferior, donde la temperatura alcanza 1300 a 1500 oC. El carbón no debe tener un contenido demasiado alto de cenizas y merece una mención especial puesto que se consume hasta 350 kg para fabricar una tonelada de cemento. Cuando la lechada desciende dentro del horno, encuentra progresivamente mayores temperaturas. Primero se elimina el agua y se libera CO2; posteriormente, el material seco sufre una serie de reacciones químicas hasta que, finalmente, en la parte más caliente del horno, un 20 a 30 por ciento del material se vuelve líquido y la cal, la sílice y alúmina vuelven a combinarse. Después la masa se funde en bolas de diámetros que varían entre 3 y 25 mm, conocidas como clinker. El clinker cae dentro de enfriadores de diferentes tipos que a menudo favorece un intercambio de calor con el aire que después se usa para la combustión del carbón pulverizado. Un horno de grandes dimensiones puede producir más de 700 toneladas de cemento al día. El clinker frío, que es característicamente negro, reluciente y duro, se mezcla con yeso para evitar un fraguado relámpago del cemento. La mezcla se efectúa en un molino de bolas compuesto de diversos compartimientos, los cuales tienen bolas de acero cada vez más pequeñas. En algunas plantas se emplea un sistema de circuito cerrado de mezcla donde el cemento descargado por el molino pasa a través de un separador, y las partículas finas se trasladan a un silo de almacenamiento por medio de una corriente de aire, mientras que las partículas mayores vuelven a pasar por el molino. El circuito cerrado de mezcla evita la producción de una gran cantidad de material excesivamente fino o de una pequeña cantidad de material demasiado grueso, fallas que a menudo se presentan en sistemas de molido de circuito abierto. Una vez que el cemento se ha mezclado satisfactoriamente, cuando alcanza a tener hasta 1,1 × 1012 partículas por kg, está en condiciones para empacarse en los conocidos sacos de papel (por lo general de 50 kg), en tambores o para transporte a granel.

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1.5.1.2 Procesos seco y semiseco En los procesos seco y semiseco, las materias primas se trituran y adicionan en las proporciones correctas en un molino de mezclado, donde se secan y se reduce su tamaño a un polvo fino. El polvo seco llamado grano molido crudo, se bombea al silo de mezclado y se hace un ajuste final en la proporción de materiales requeridos para la manufactura del cemento. Para obtener una mezcla íntima y uniforme, se mezcla el grano crudo, generalmente mediante aire comprimido, induciendo un movimiento ascendente del polvo y reduciendo su densidad aparente. El aire se bombea por turnos sobre cada cuadrante del silo y esto permite al material aparentemente más pesado de los cuadrantes no aireados, moverse lateralmente hacia el cuadrante aireado. De este modo, el material aireado tiende a comportarse como un líquido y por aireado sucesivo de todos los cuadrantes, que se completa en un período y alrededor de una hora, se obtiene una mezcla uniforme. En algunas plantas de cemento se emplean sistemas de mezclado continuo. El grano molido y mezclado se pasa por un tamiz y se deposita en una cuba rotativa llamada granulador. Simultáneamente, se agrega agua en una cantidad correspondiente a un 12 por ciento de la masa del grano molido adicionado. De esta forma, se obtienen pastillas duras de alrededor de 15 mm de diámetro interior. Esto es conveniente, si se introdujera directamente el polvo en el horno, se impediría el flujo en el aire y el intercambio de calor necesarios para las reacciones químicas de la formación del clinker del cemento. Enseguida, las pastillas se meten al horno y las operaciones posteriores son las mismas que en el proceso de fabricación en húmedo. Sin embargo, como el contenido de humedad de las pastillas es sólo del 12 por ciento, comparado con el 40 por ciento de la lechada empleada en el proceso húmedo, el horno utilizado en el proceso seco tiene dimensiones considerablemente menores. La cantidad de calor requerida es mucho más baja puesto que hay que eliminar alrededor de sólo un 12 por ciento de humedad, aunque ya se ha utilizado previamente calor adicional para remover la humedad original de las materias primas (generalmente del 6 al 10 por ciento). El proceso es, por lo tanto, bastante económico, pero sólo si las materias primas están relativamente secas. En tal caso, el consumo total del carbón puede ser tan pequeño como 100 kg por tonelada de cemento. En las figuras Nos. 1.1 y 1.2 se muestra un bosquejo de cada uno de los procesos de fabricación del cemento.

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Figura No. 1.2 Fabricación del cemento – Proceso húmedo

Figura No. 1.3 Fabricación del cemento – Proceso seco

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1.6.13

1.6.13

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1.5.2 COMPOSICIÓN QUÍMICA DEL CEMENTO PORTLAND Se ha visto que las materias primas utilizadas en la fabricación de cemento Portland consisten principalmente de cal, sílice, alúmina e hierro (tabla No. 1.2). ÓXIDO CaO SiO2 Al2O3 Fe2O3 MgO Álcalis SO3

CONTENIDO (%) 60 – 67 17 – 25 3–8 0,5 – 6,0 0,1 – 4,0 0,2 – 1,3 1–3

Tabla No. 1.2 Límites de composición aproximados para 1.6.8 cemento Portland (Tipo 1). Estos compuestos interactúan en el horno, 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 (CaO), que no ha tenido suficiente tiempo para reaccionar. Sin embargo, el equilibrio no se mantiene durante el enfriamiento, y la velocidad de éste afecta el grado de cristalización y la cantidad de material amorfo, conocido como vidrio, difieren considerablemente de las de compuestos cristalinos de una composición química nominal similar. Otra complicación aparece debido a la interacción de la parte líquida del clinker con los compuestos cristalinos ya presentes. No obstante, se puede considerar que el cemento se encuentra en un estado de equilibrio congelado, es decir, que los productos congelados reproducen el equilibrio existente durante la temperatura de formación del clinker. De hecho, se hace esta suposición para calcular la composición de compuestos de los cementos comerciales; la composición "potencial" se calcula a partir de las cantidades medibles de óxidos que están presentes en el clinker, como si se hubiera producido una cristalización completa de los productos en equilibrio. Se suelen considerar cuatro compuestos como los componentes principales del cemento; se enumeran en la tabla No. 1.3, junto con sus símbolos de abreviación. Esta anotación abreviada, utilizada por los químicos del cemento, describe cada óxido con una letra, a saber: CaO = C ;

SiO2 = S ;

Al2O3 = A ;

y Fe2O3 = F.

Análogamente, el H2O del cemento hidratado se indica por una H. Nombre del Compuesto Silicato dicálcico Silicato tricálcico Aluminato tricálcico Aluminoferrito tretacálcico

Fórmula 2CaO . SiO2 3CaO . SiO2 3CaO . Al2O3 4CaO . Al2O3 . Fe2O3

Abreviatura C2S C3S C3A C4AF

Tabla No. 1.3 Compuestos principales del cemento Portland. 1.6.8

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En realidad los silicatos que se encuentran en el cemento no son compuestos puros, pues contienen pequeñas cantidades de óxidos en soluciones sólidas. Estos óxidos tienen efectos importantes en los ordenamientos atómicos, las formas cristalinas y las propiedades hidráulicas de estos silicatos. El silicato dicálcico (C2S) endurece lentamente y contribuye en gran parte al aumento de resistencia a edades mayores de una semana, se considera que a los 180 días ha reaccionado aproximadamente un 50% únicamente. El silicato tricálcico (C3S) endurece rápidamente y es el factor principal del fraguado inicial y del rápido endurecimiento. En general, la resistencia prematura (durante el primer mes) del cemento es mayor al aumentar los porcentajes de C3S. El aluminato tricálcico (C3A) libera una gran cantidad de calor durante los primeros días de endurecimiento, en la primera semana se hidrata casi completamente contribuyendo ligeramente con la resistencia temprana. Su principal función es facilitar la reacción de la sílice con la cal. Los cementos con un bajo contenido de C3A son especialmente resistentes a los suelos y aguas que contengan sulfatos. La formación del aluminoferrito tetracálcico (C4AF) reduce la temperatura de calcinación en el horno rotatorio, ayudando, por tanto, a la fabricación del cemento. Se hidrata con relativa rapidez (a los tres días casi en su totalidad), pero contribuye muy poco a la resistencia. Los cálculos de composición potencial del cemento Portland basados en el trabajo de R.H. Bogue y otros investigadores, se denominan generalmente como "composición Bogue". Existen además otros métodos para calcular la composición, pero el tema queda fuera del alcance del presente capítulo. Fuera de los compuestos principales citados en la tabla No. 1.3, existen algunos "compuestos menores" como: MgO, TiO2, Mn2O3, K2O y Na2O, que generalmente no sobrepasan de un pequeño porcentaje de la masa del cemento. Dos de los componentes menores revisten especial interés: Los óxidos de sodio y potasio, Na2O y K2O, conocidos como "álcalis" (aunque en el cemento existen también otros álcalis). Se ha encontrado que estos componentes reaccionan con algunos agregados y que los productos de esa reacción ocasionan una desintegración del concreto, además de afectar la rapidez con que el cemento adquiere resistencia. Debido a esto, se debe destacar que el término "compuesto menor" se refiere principalmente a la cantidad, pero no necesariamente a su importancia. La cantidad de álcalis y Mn2O3 puede determinarse rápidamente utilizando un espectrofotómetro. Dos conceptos importantes que son indicativos de la calidad de un cemento son: - El residuo insoluble, determinado por el tratamiento con ácido clorhídrico, es una medida de la adulteración del cemento, que proviene principalmente de las impurezas del yeso. La NTC 321 limita el residuo insoluble al 3,0% de la masa del cemento, para cementos Portland tipos 2, 3, 4 y 5.

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- La pérdida al fuego muestra la medida de carbonatación e hidratación de la cal libre y el magnesio libre, debido a la exposición del cemento a la atmósfera. La máxima pérdida al fuego (a 1000 oC) del cemento, permitida por la NTC 321, es de 4,0 % para cementos Portland tipos 2, 3 y 5; para cemento Portland tipo 4 máximo 3,5%.

1.5.3 TIPOS DE CEMENTO PORTLAND A medida que varían los contenidos de C2S, C3S, C3A, C4AF se modifican las propiedades del cemento Portland, por lo tanto se pueden fabricar diferentes tipos con el fin de satisfacer ciertas propiedades físicas y químicas para situaciones especiales. 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 1. CEMENTO PORTLAND TIPO 2: Es el destinado en general a obras de hormigón expuestas a la acción moderada de sulfatos y a obras donde se requiera moderado 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 CON INCORPORADORES DE AIRE: Son aquellos a los que se les adiciona un material incorporador de aire durante la pulverización; para identificarlos se les coloca una "A" así por ejemplo cemento Portland tipo 1-A o tipo 3-A, etc. CEMENTO PORTLAND BLANCO: Es el que se obtiene con materiales debidamente seleccionados que le confieren una coloración blanca; prácticamente cumple las especificaciones del cemento Portland tipo 1 (NTC 1362). En Colombia se produce cemento Portland tipo 1; algunas fábricas producen otros tipos de cemento Portland generalmente son destinados para obras específicas. Tipos de Cemento Portland 1 – Normal 2 – Moderado 3 – Alta resistencia inicial 4 – Bajo calor de hidratación 5 - Resistencia a los sulfatos

C2S 24 33 13 50 40

Composición ( % ) C3S C3A 50 11 42 5 60 12 26 5 40 4

C4AF 8 13 8 12 9

Tabla No. 1.4 Composición típica calculada de los diferentes tipos de cemento Portland. 1.6.10

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La resistencia relativa de los concretos hechos con los diferentes tipos de cemento Portland, tomando como base para la comparación el cemento Portland tipo 1, se muestra a continuación. Estos valores son característicos para los concretos con curado húmedo hasta el momento en que se prueban. Tipos de Cemento Portland 1 – Normal 2 – Moderado 3 - Alta resistencia inicial 4 – Bajo calor de hidratación 5 - Resistencia a los sulfatos

1 DÍA 100 75 190 55 65

% Resistencia a la compresión 7 DÍAS 28 DÍAS 3 MESES 100 100 100 85 90 100 120 110 100 55 75 100 75 85 100

Tabla No. 1.5 Resistencia relativa aproximada del concreto según el tipo de cemento Portland.1.6.10

1.5.4 PROPIEDADES DEL CEMENTO PORTLAND La mayor parte de las especificaciones para cemento Portland establecen límites a la composición química y algunas propiedades físicas (NTC 121 y 321),1.6.7 por lo tanto, el conocimiento de algunas de estas propiedades es provechoso para interpretar los resultados de las pruebas del cemento. 1.5.4.1 Densidad La densidad del cemento Portland varía generalmente entre 2,90 y 3,20 g/cm3 dependiendo básicamente de la cantidad y densidad del material puzolánico que se adicione. La densidad de un cemento no indica la calidad del mismo; su uso principal radica en dosificación y control de mezclas. La densidad del cemento se determina generalmente con el frasco de LE CHATELIER (NTC 221). Este frasco permite determinar el volumen correspondiente a una cierta masa de cemento (64 g), por el desplazamiento de un líquido colocado dentro del frasco. El líquido empleado es kerosene libre de agua o nafta con una gravedad no inferior a 62o A.P.I., ya que no es posible emplear agua pues el cemento iniciaría sus reacciones de hidratación. Figura 1.4. Equipo utilizado en el ensayo de Densidad del Cemento. Frasco de Le Chatelier y Baño María

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1.5.4.2 Finura La importancia de la finura en el cemento radica en que a mayor finura el cemento desarrolla mayor resistencia pero desprende más calor; esto es debido principalmente, a que granos gruesos pueden durar varios años en hidratarse, e inclusive no llegar jamás a realizarlo totalmente, mientras que, cuanto más fino sea el cemento, mayor será la cantidad de material que se hidrata, ya que la superficie total en contacto con el agua es mucho mas grande. Al hidratarse un mayor porcentaje de la masa total del cemento, ésta masa reacciona, logrando un desarrollo mas alto de resistencia, pero como desprende calor al realizar este proceso, también será mayor la cantidad de calor desprendido. La medida de la finura se expresa por el área de las partículas contenidas en una masa unitaria del material, lo cual se denomina "Superficie Específica" y sus unidades de medida son unidades de área por unidades de masa así por ejemplo cm2/g o m2/kg. La finura del cemento se puede medir por tamizado (NTC 226 o 294) o con el permeámetro de Blaine (NTC 33) o con el turbidímetro de Wagner (NTC 597). El ensayo de tamizado (Figura No. 1.5), consiste en hacer pasar una cantidad de material (50 g por el tamiz 74µm (#200) o 1 g por el método de lavado por el tamiz 44 µm (#325)); se determina la cantidad de partículas en porcentaje por masa que queda retenido en el tamiz.

Rc =

2 Rs (100 ± c) (con el tamiz 74 µm) 100

Siendo:

o

Rc = Rs(100 ± c) (con el tamiz 44 µm)

Rc: Porcentaje retenido Rs: Masa del material retenido c: Factor de corrección del tamiz

Si el porcentaje retenido es mayor a un 10% sobre el tamiz 44 µm, se recomienda realizar otros ensayos de control de calidad como por ejemplo determinar el tiempo de fraguado y la resistencia a la compresión con el fin de definir si este cemento puede ser usado en una obra. Como con este ensayo no podemos conocer realmente la granulometría (tamaño de las partículas) del cemento que pasa el tamiz, este ensayo es simplemente de chequeo.

Figuras 1.5

Equipo utilizado en la determinación de la finura, por el Método del Tamizado (Tamiz 74 µm).

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28 1. MATERIALES CONGLOMERANTES

El ensayo que determina la finura del cemento con el permeámetro de BLAINE, sirve de control de calidad del cemento y se basa en la medida de la permeabilidad que ofrece una capa de cemento, colocada en determinadas condiciones de compactación, al paso del aire. La muestra se coloca en forma estandarizada en el aparato de Blaine y se determina el tiempo en que un líquido normalizado se demora en pasar por dos marcas intermedias. La superficie específica se calcula:

S=

Sp Tp

T

S=K T

(1.1)

Donde: S = Superficie específica de la muestra en ensayo (m2/kg). Sp = Superficie específica de la muestra patrón (m2/kg). T = Tiempo determinado para la muestra en ensayo (s). Tp = Tiempo determinado para la muestra patrón (s). K = Constante de calibración del aparato de Blaine.

La superficie específica por permeámetro de Blaine en m2/kg debe ser como mínimo 280, de acuerdo con la NTC 121, para todos los diferentes tipos de cemento. El método del turbidímetro de Wagner, para medir la finura del cemento, se fundamenta en la variación de la turbidez de una suspensión de cemento en un líquido (kerosene), en función del tiempo y basados en la Ley de STOKES que relaciona este tiempo con la sedimentación de las partículas en suspensión. El resultado que arroja este ensayo que determina la superficie específica, debe ser como mínimo 1600 cm2/g para cualquier tipo de cemento.

Figuras 1.6. Equipo utilizado en la determinación de la finura, por el Método del Permeámetro de Blaine.

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29 1. MATERIALES CONGLOMERANTES

1.5.4.3 Consistencia normal Con el propósito de poder determinar algunas propiedades del cemento como tiempos de fraguado o estabilidad volumétrica, se debe realizar una mezcla de cemento y agua llamada pasta; puesto que las propiedades de la pasta se ven afectadas por las cantidades de cada uno de los componentes que entran a formar parte de la mezcla, se debe preparar una pasta "normalizada", con la cantidad de agua necesaria para que la hidratación del cemento sea lo más exacta posible; ésta pasta se denomina de consistencia normal. La pasta de consistencia normal se determina mediante la NTC 110; el ensayo consiste en averiguar la cantidad de agua en porcentaje con respecto a la masa de cemento usada (500 g) que debe tener la pasta de tal manera que al colocarla en el aparato de "Vicat" (Figura No. 1.7.) la penetración de una sonda de diámetro 1 cm y masa 300 g (todo el conjunto) sea en 30 s de 10±1 mm; por lo general, el porcentaje de agua varía entre 23 y 33%.

Figura 1.7. . Aparatos de Vicat utilizados en la Determinación de la Pasta de Consistencia Normal para los Ensayos relacionados con el Fraguado.

1.5.4.4 Fraguado Fraguado se refiere al paso de la mezcla del estado fluido o plástico al estado sólido. Aunque durante el fraguado la pasta adquiere alguna resistencia, para efectos prácticos es conveniente distinguir el fraguado del endurecimiento, pues este último término se refiere al aumento de resistencia de una pasta de cemento fraguada.

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30 1. MATERIALES CONGLOMERANTES

El fraguado es causado por una hidratación selectiva de los componentes principales. El C3A puro al entrar en contacto con agua presenta una reacción muy violenta y lleva a un inmediato endurecimiento, esto produce un aspecto desfavorable en el cemento debido a que las mezclas endurecerían a muy corto plazo y no podrían ser transportadas y colocadas sino con muchos problemas. Para prevenir esto, al clinker se le agrega yeso (CaSO4.2H2O); el C3A y el yeso reaccionan para formar un compuesto inestable e insoluble llamado sulfoaluminato de calcio (3CaO.AL2O3.3CaSO4.31H2O). Posteriormente, los silicatos empiezan a hidratarse y comienza por consiguiente a fraguar formando una pasta de consistencia semisólida (fraguado inicial); luego el sulfoaluminato de calcio se descompone lentamente dejando libre al C3A que se hidrata conjuntamente con el C4AF dándole a la pasta una consistencia sólida produciendo de esta forma el fraguado final. En la práctica se utilizan los términos de fraguado inicial y fraguado final para describir etapas del fraguado elegidas arbitrariamente. Los tiempos de fraguado de la pasta, se emplean como control de calidad del cemento (NTC 121), y se pueden determinar con las agujas de GILLMORE (NTC 109) o con el aparato de VICAT que es el método más utilizado (NTC 118). El ensayo empleando las agujas de GILLMORE consiste en someter una pasta de consistencia normal a la penetración de unas agujas. Cuando la aguja de diámetro 1/12" (2,12 mm) y de masa 1/4 lb (113,4 g) no penetra en la pasta, sino que deja una ligera huella, se dice que se ha producido el fraguado inicial; el tiempo total transcurrido desde que se agregó agua al cemento hasta cuando no penetró la aguja se denomina "tiempo de fraguado inicial" y no debe ser menor de 60 minutos para cualquier tipo de cemento. Posteriormente, la pasta se lleva a la penetración de otra aguja de diámetro 1/24" (1,06 mm) y masa 1 lb (454 g), cuando la aguja no penetre se dice que se ha producido el fraguado final. El tiempo total transcurrido, desde que se preparó la pasta, se llama "tiempo de fraguado final" el cual no debe ser mayor a 10 horas para cualquier tipo de cemento.

El ensayo más utilizado para determinar los tiempos de fraguado y que sirve de control de calidad del cemento, es empleando el aparato de VICAT (Figura No. 1.7.). El ensayo consiste en someter una pasta de consistencia normal a la penetración de una aguja de 1 mm de diámetro y masa 300 g (todo el conjunto), a diferentes intervalos de tiempo. Cuando la penetración de la aguja de diámetro 1mm en 30 s es de 25mm se dice que ha transcurrido el tiempo de fraguado inicial el cual no debe ser menor de 45 minutos para cualquier tipo de cemento. Cuando la aguja (diámetro 1mm) no penetra, sino que deja una ligera huella se dice que ha transcurrido el tiempo de fraguado final el cual no debe ser mayor a 8 horas para cualquier tipo de cemento.

1.5.4.5 Falso fraguado Se da el nombre de falso fraguado a una rigidez prematura y anormal del cemento, que se presenta dentro de los primeros minutos después de haberlo mezclado con agua.

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31 1. MATERIALES CONGLOMERANTES

El falso fraguado se pone en evidencia por una gran pérdida de plasticidad, sin generar mucho calor poco después de haberse realizado la mezcla. Cuando esta pasta endurecida se remezcla, sin adicionar agua, su plasticidad se recupera y fragua normalmente sin pérdida de resistencia. Si por el contrario, la mezcla no recupera su plasticidad y desprende calor en forma apreciable se dice que lo que ocurrió fue un fraguado relámpago, o sea un verdadero fraguado pero en muy corto tiempo. Un falso fraguado muy marcado puede causar dificultades desde el punto de vista de la colocación y manipulación, pero esto no es probable donde el concreto se mezcla generalmente por un tiempo largo, como ocurre en un camión mezclador, o cuando éste es remezclado antes de colocarlo o transportarlo, como sucede en operaciones de concreto bombeado. Esto debe ser más digno de atención cuando se mezcla por un tiempo corto en mezcladoras fijas y se transporta en equipos sin agitador, como sucede en algunos tipos de obras. El falso fraguado es motivado generalmente por deshidratación del yeso cuando se mezcla con un clinker demasiado caliente (mayor a 120oC), se produce hemihidrato (CaSO4.½2H2O) o anhidrita (CaSO4) y cuando se mezcla el cemento con el agua, estos compuestos se hidratan para formar yeso. Para evitar la deshidratación del yeso, en la práctica normal se enfría el clinker antes de la molienda. Otra causa del falso fraguado puede asociarse con los álcalis del cemento; al almacenarse el cemento, los álcalis pueden carbonatarse y los carbonatos alcalinos reaccionan con Ca(OH)2 liberado por la hidrólisis del C3S para formar CaCO3, este precipita e induce a una rigidización de la pasta. El fraguado relámpago se debe principalmente a falta de yeso al molerse clinker y yeso; el C3A presente en el clinker, al no haber yeso entra en contacto con el agua reaccionando rápidamente, produciendo el endurecimiento de la pasta. Una prueba para determinar si un cemento puede presentar falso fraguado se describe en la NTC 297. El ensayo consiste en preparar una pasta con una consistencia tal que al someterla a la penetración de una sonda de diámetro 1 cm y masa 300 g, dicha penetración sea de 34±4 mm en 30 s; este valor se toma como penetración inicial (Pi). Después de realizada la lectura inicial se deja la pasta 5 minutos en reposo y se repite el proceso efectuado para la penetración inicial; la lectura obtenida corresponde a la penetración final (Pf). Pf % de penetración final =

* 100

(1.2)

Pi La norma NTC 121 especifica, como requisito opcional, que el porcentaje de penetración final mínimo debe ser 50% para cualquier tipo de cemento.

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1.5.4.6 Estabilidad volumétrica El cemento que muestra grandes expansiones luego de fraguado se conoce con el nombre de cemento expansivo; este es el peor defecto que puede presentar un cemento pues las obras hechas con él quedan seriamente amenazadas. Es esencial que la pasta de cemento, una vez fraguada, no sufra un gran cambio en volumen en particular no debe de haber una expansión apreciable, la cual, bajo condiciones de esfuerzo, podría ocasionar un rompimiento de la pasta de cemento endurecida. Tal expansión puede tener lugar debido a una hidratación retardada o lenta o a otra reacción de algún compuesto presente en el cemento endurecido, particularmente CaO, MgO o CaSO4 (yeso). Si las materias primas adicionadas al horno contienen más cal de la que puede combinarse con los otros óxidos, el exceso permanecerá en estado libre. Esta cal fuertemente calcinada se hidrata solo en forma muy lenta y puesto que la cal apagada ocupa un volumen más grande que el óxido de calcio original, se produce una expansión. Un cemento también puede tener variaciones de volumen debidas a la presencia de MgO, el cual reacciona con el agua en forma similar al CaO. El sulfato de calcio es el tercer compuesto capaz de causar expansión; si el contenido de yeso sobrepasa la cantidad que puede reaccionar con el C3A durante el fraguado, se presentará una variación de volumen en forma de expansión lenta. Por esta razón, las norma NTC 321 especifica la cantidad máxima de SO3, en porcentaje, que debe tener un determinado tipo de cemento, así por ejemplo, para cemento Portland tipo 1 se admite hasta un 3,5%. Puesto que la variación de volumen del cemento no se manifiesta, sino hasta después de un período de meses o años, es esencial probar aceleradamente la variación de volumen del cemento. Las pruebas más utilizadas para determinar si un cemento es expansivo o no, son: "Expansión al autoclave" (norma NTC 107) y "Determinación de la expansión por el método de las agujas de LE CHATELIER" (norma NTC 1514). El ensayo de "Expansión al autoclave" (Figura No. 1.8.), consiste en someter a hidratación acelerada una muestra de cemento fraguada (después de 24 horas en cámara húmeda); lo cual se logra sometiendo unas barras de 1"x1"x10" (25,4 x 25,4 x 254 mm) hechas de pasta de consistencia normal a la acción de un hervidor (presión manométrica del vapor de agua saturado 20,7 kg/cm2) durante 3 horas; antes y después del ensayo las longitudes de las barras se miden exactamente con un comparador. El aumento expresado en porcentaje de la longitud inicial se denomina Expansión al autoclave, el cual debe ser como máximo 0,8% para todos los tipos de cemento (norma NTC 121).

long. final - long. inicial % Expansión al autoclave =

* 100 long. inicial

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(1.3)

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Si el ensayo da un resultado desfavorable, se puede hacer un reensayo usando muestras nuevas, dentro de los 28 días siguientes al del ensayo. En este caso se deben ensayar tres muestras distintas y el promedio de los resultados obtenidos con ellas será la expansión del cemento al autoclave, la cual no debe ser mayor al 0,8% para poder utilizar el cemento.

Figura 1.8. Equipo de Expansión al Autoclave

La prueba con las "agujas de LE CHATELIER" consiste en llenar 6 pares de agujas con pasta de consistencia normal, luego se colocan placas de vidrio sujetándolas firmemente contra las bases de las agujas con pinzas metálicas y se mide la separación en mm de las agujas, después se introducen en agua a temperatura de 21±2oC durante 24 horas. Al cabo de este tiempo se sacan las agujas del agua se separan las placas de vidrio y se comprueba que la separación es la misma. Posteriormente se mantienen 3 pares de agujas, ya sin placas de vidrio, en la misma agua, durante 6 días al cabo de los cuales se vuelve a medir y anotar la separación en mm. La diferencia entre esta lectura y la inicial es la expansión en frío, probablemente debida a exceso de yeso o cal libre fácilmente hidratable por el cemento, o ambos. Los otros 3 pares de agujas, se colocan sin las placas de vidrio, en agua hirviendo durante 3 horas, al cabo de este tiempo se suspende la ebullición y se dejan enfriar los moldes dentro del agua, hasta que alcancen la temperatura de 21±2oC. Se mide de nuevo la separación de las agujas en mm, la diferencia entre esta lectura y la inicial (a las 24 horas) es la expansión en caliente, probablemente debida a exceso de cal libre o de óxido de magnesio libre fácilmente hidratable. La expansión del cemento se toma como el mayor valor entre la expansión en frío y en caliente, esta expansión está limitada para cementos Portland a máximo 10 mm. Si la expansión excede este valor, se repite la prueba con una muestra de cemento aireado durante 7 días, la expansión en este caso no debe exceder de 5 mm. Un cemento que no satisfaga por lo menos uno de estos dos criterios no debe usarse.

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1.5.4.7 Calor de hidratación. El calor de hidratación es el calor generado cuando reaccionan el cemento y el agua. La cantidad de calor generado depende principalmente de la composición química del cemento; a tasa de generación de calor la afecta la finura y temperatura de curado, así como la composición química. De acuerdo con las reacciones químicas, la hidratación de compuestos del cemento es exotérmica, y pueden liberar hasta 500 joules por gramo (120 calorías/gramo). Puesto que la conductividad del concreto es relativamente baja, actúa como aislante, y en el interior de una masa grande de concreto, la hidratación puede producir un fuerte aumento en temperatura. Al mismo tiempo, la masa exterior del concreto pierde algo de calor, de modo que se produce un fuerte gradiente de temperatura y durante el enfriamiento posterior del interior, pueden producirse graves agrietamientos. Esto es especialmente importante en estructuras como aquellas de gran masa, donde la rapidez y la cantidad de calor generado son importantes; si no se disipa este calor rápidamente, puede ocurrir una importante elevación de temperatura en el concreto, lo cual puede resultar inconveniente al ir acompañada de una dilatación térmica. El enfriamiento posterior del concreto endurecido a la temperatura ambiente puede crear contracciones en la masa conocidas como retracción de fraguado, y originar esfuerzos perjudiciales. En el otro extremo, el calor producido por hidratación puede impedir el congelamiento del agua en los capilares de concreto recientemente aplicado, en aguas heladas y es, por lo tanto, ventajoso que haya una fuerte dispersión de calor. Sin duda, es aconsejable conocer las propiedades productoras de calor de diferentes cementos para poder elegir el cemento más adecuado para cada finalidad. Para efectos prácticos no importa necesariamente el calor total de hidratación sino la velocidad de desarrollo del calor. La misma cantidad total de calor producida en un período mayor, puede dispersarse en mayor grado, con menor aumento consecuente de la temperatura. Para variedades usuales del cemento Portland, Bogue observó que aproximadamente una mitad de calor total se libera entre uno y tres días; aproximadamente 3/4 en 7 días y 83 al 91 por ciento del total del calor en 6 meses. 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 compuestos individuales, hidratados por separado. El calor de hidratación es la cantidad de calor en calorías por gramo de un cemento deshidratado, dispersado por una hidratación completa a una temperatura dada. El método más común para medir el calor de hidratación consiste en determinar el calor de solución de cemento deshidratado e hidratado en una mezcla de ácido nítrico y fluorhídrico; la diferencia entre estos dos valores representa el calor de hidratación (norma NTC 117). En la tabla No. 1.6 se muestra la cantidad de calor de hidratación, liberado por cada uno de los compuestos principales puros, a diferentes edades. En la tabla No. 1.7 se consigna el calor de hidratación, generado por los diferentes tipos de cemento Portland, expresado en porcentaje respecto al cemento Portland tipo 1 que se ha tomado como base.

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35 1. MATERIALES CONGLOMERANTES

COMPUESTO C2S C3S C3A C4AF

7 DÍAS 20 110 185 40

CALOR LIBERADO (Calorías / g) 28 DÍAS 6 MESES 45 60 120 120 205 207 50 70

TODO HIDRAT. 62 120 207 100

Tabla No.1.6 Calor de hidratación de los compuestos principales puros.1.6.8

TIPO DE CEMENTO 1 2 3 4 5

% A LOS 7 DÍAS 100 80-85 Hasta 150 40-60 60-65

Tabla No.1.7 Calor de hidratación para los diferentes tipos de cemento, expresado como un porcentaje de la cantidad de calor liberado por el cemento Portland tipo 1, a los 7 días.1.6.8

1.5.4.8 Resistencia del cemento La resistencia mecánica del cemento endurecido es la propiedad del material que posiblemente resulte más obvia en cuanto a los requisitos de usos estructurales. Por lo tanto no es sorprendente que las pruebas de resistencia estén indicadas en todas las especificaciones del cemento. La resistencia de un mortero o concreto depende de la cohesión de la pasta de cemento, de su adhesión a las partículas de los agregados y en cierto grado, de la resistencia del agregado mismo. No se efectúan pruebas de resistencia en pasta de cemento puro, debido a las dificultades experimentales de moldeo, que originarían una gran variación en los resultados. Para determinar la resistencia del cemento se utilizan morteros, es decir, mezcla de agua, cemento y agregado fino; de proporciones determinadas, hechos con materiales específicos en condiciones estrictamente controladas.

Figura 1.9. Equipo utilizado en la determinación de las distintas Resistencias del Cemento.

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36 1. MATERIALES CONGLOMERANTES

Existen varias formas de prueba de resistencia: tensión directa, compresión directa y flexión. Esta última determina en realidad la resistencia a la tensión por flexión, porque, como es bien sabido la pasta de cemento es considerablemente más resistente a la compresión que a la tensión. La prueba para determinar la resistencia a la tensión del cemento se realiza de acuerdo con la norma NTC 119. El ensayo se hace empleando, generalmente, un mortero que tenga una parte de cemento por tres de agregado fino seco. El agregado fino debe ser de sílice natural, normalizado para el ensayo, que pase el tamiz #20 (841µm) y quede retenido en el tamiz #30 (595µm). La cantidad de agua que se utiliza en la mezcla está en función del agua para consistencia normal. El mortero se coloca en moldes especiales en forma normalizada y durante las primeras 24 horas los moldes con el mortero se mantienen en cámara húmeda y el resto del tiempo, hasta el día del ensayo, las briquetas sueltas se colocan en agua. Por lo general, se elaboran 9 briquetas, de las cuales 3 se ensayan a los 3 días, 3 se ensayan a los 7 días y 3 se ensayan a los 28 días. Las muestras defectuosas o las que den resistencias que difieran en más del 15 % del promedio de las hechas con la misma mezcla y ensayadas al mismo tiempo, no se tienen en cuenta para determinar la resistencia a la tensión. Si una vez descartadas las muestras y los valores obtenidos de la resistencia o ambos se dispone de un solo valor para determinar la resistencia, debe repetirse el ensayo. La resistencia a la compresión del cemento se determina de acuerdo con la norma NTC 220 y es la resistencia que se emplea como control de calidad del cemento. El ensayo se hace preparando un mortero hecho de una parte de cemento y 2,75 partes de arena natural de sílice, normalizada para el ensayo y cuya gradación se muestra en la tabla No. 1.8. Tamiz 149µ (#100) 297µ (#50) 595µ (#30) 1.19 mm (#16)

% Acumulado retenido 98 ± 2 75 ± 2 2±2 0

Tabla No. 1.8 Gradación de la arena normalizada para el ensayo de resistencia a la compresión del cemento.1.6.7

La cantidad de agua de amasado, para los cementos Portland sin adiciones, debe ser aquella que produzca una relación mínima de agua/cemento de 0,485 (a/c=0,485) y para efecto de comparación, sobre cementos Portland con adiciones, se emplea la mesa de flujo (% fluidez entre 100 y 115%).

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37 1. MATERIALES CONGLOMERANTES

El mortero se coloca normalizadamente en moldes especiales (cubos de 50mm de lado). Durante las primeras 24 horas los moldes con el mortero se mantienen en cámara húmeda y el resto del tiempo los cubos sueltos se colocan en agua hasta el día del ensayo. Por lo regular, se elaboran mínimo 9 cubos, para ensayar 3 a los 3 días, 3 a los 7 días y 3 a los 28 días. Los cubos defectuosos o los que den resistencias que difieran en más del 10% del promedio de todas las muestras hechas de la misma mezcla y ensayadas al mismo tiempo, no deben tenerse en cuenta para determinar la resistencia a la compresión. Si una vez descartadas las muestras y los valores obtenidos de la resistencia solo se dispone de un valor para determinarla, debe repetirse el ensayo. TIPOS DE CEMENTO 1. Normal 2. Moderado 3. Alta resistencia 4. Bajo calor de hidratación 5. Resistencia a los sulfatos

RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN MÍNIMA (kg / cm2) 1 DÍA 3 DÍAS 7 DÍAS 28 DÍAS 80 150 240 105 175 100 210 70 175 -

85

155

210

Tabla No. 1.9. Resistencia a la compresión mínima que deben desarrollar los diferentes tipos de cemento (norma NTC 121); realizando el ensayo de acuerdo con la norma NTC 220.1.6.7 La resistencia a la flexión se determina de acuerdo con la norma NTC 120 y el ensayo consiste en preparar un mortero hecho de una parte de cemento y 2,75 partes de arena, la cual debe cumplir los mismos requisitos exigidos para el ensayo de resistencia a la compresión (norma NTC 220). La cantidad de agua debe ser la que me produzca una fluidez del mortero de 110±5% en la mesa de flujo. La mesa de flujo es un dispositivo que permite someter el mortero a impactos; el mortero se coloca en forma normalizada sobre el plato de la mesa de flujo y se mide el aumento del diámetro de la base después de dar 25 golpes en 15 s (norma NTC 111). Diámetro final - Diámetro inicial %Fluidez =

* 100

(1.4)

Diámetro inicial Una vez preparado el mortero, cumpliendo las condiciones anteriores, se procede a llenar unos moldes de 4x4x16 cm en forma estandarizada; durante las primeras 24 horas los moldes con el mortero se mantienen en cámara húmeda y el resto del tiempo hasta el día del ensayo las viguetas sueltas se sumergen en agua. Se recomienda elaborar mínimo 9 viguetas para probar 3 a los 3 días, 3 a los 7 días y 3 a los 28 días. Las viguetas se prueban simplemente apoyadas con carga en el punto medio y la resistencia a la flexión (RF) en kg/cm2 se determina de la siguiente manera:

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38 1. MATERIALES CONGLOMERANTES

P*L RF vigueta = (3 / 2) x

(1.5) B*H 2

Donde: P= Carga máxima aplicada (kg). L= Distancia entre apoyos (cm). B= Ancho de la sección en el punto de falla (cm). H= Altura de la sección en el punto de falla (cm).

Las viguetas defectuosas o las que den resistencias que difieran en más del 10% del promedio de todas las muestras hechas de la misma mezcla y ensayadas al mismo tiempo, no deben tenerse en cuenta para determinar la resistencia a la flexión. Si una vez descartadas las muestras y los valores obtenidos de la resistencia solo se dispone de un valor para determinarla, debe repetirse el ensayo.

1.5.5 ALMACENAMIENTO DEL CEMENTO PORTLAND En COLOMBIA la masa del saco de cemento es de 50 kg, aunque algunas pocas fábricas producen sacos de 42,5 kg y también se están comercializando sacos de 25 kg. En el saco de cemento debe ir impreso: el nombre del fabricante, el tipo de cemento, la masa del saco y la licencia de fabricación. El cemento Portland que se mantiene seco conserva sus cualidades indefinidamente. El cemento almacenado en contacto con la humedad fragua más despacio y desarrolla menos resistencia que el cemento seco. El aire de la bodega donde se almacene el cemento debe estar tan seco como sea posible, deberán taparse todas las grietas y aberturas. Los sacos de cemento no se deben almacenar sobre suelos húmedos, se deben colocar sobre plataformas que pueden ser de madera. Los sacos de cemento se deberán estibar juntos para reducir la circulación de aire, pero no se deben apoyar contra los muros. Los sacos que se van a almacenar durante largos períodos se deben cubrir con lonas u otras cubiertas impermeables. Cuando se use el cemento, deberá fluir libremente y no contener terrones. Si los terrones no se rompen con facilidad o la calidad del cemento es dudosa, se deberá ensayar el cemento mediante las pruebas de: finura, tiempos de fraguado y resistencia, los resultados se compararán con los valores especificados.

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39 1. MATERIALES CONGLOMERANTES

1.6 REFERENCIAS 1.6.1 - ASSO, Orus. Materiales de construcción. La Habana, Cuba. Editorial científico técnica. 1977. 1.6.2 - BOGUE, Robert Herman. La química del cemento Portland, versión española por MANUEL BENITEZ RAMIREZ. Madrid (España): Dossat, s. a. 1952. 1.6.3 - CEMENTOS DEL VALLE. "50 años construyendo progreso". En el diario EL PAIS, septiembre 23 de 1988, sección E. Cali (Colombia). 1.6.4 - Código colombiano de construcciones sismo-resistentes. Decreto 1400 de 1984. Capítulos C.3, Sección C.3.2. Bogotá (Colombia). 1984. 1.6.5 - DUDA, Walter H. Manual tecnológico del cemento. Barcelona (España): Técnicos asociados. 1977. 1.6.6 - GOMA, P. El cemento Portland y otros aglomerantes Barcelona (España): Técnicos asociados. 1979. 1.6.7 - ICONTEC. Normas técnicas colombianas para el sector de la construcción - I. Bogotá (Colombia): Legis editores s. a. 1989. 1.6.8 - NEVILLE, A. M. Tecnología del concreto tomo I y II. México: Instituto mexicano del cemento y del concreto. Primera edición, tercera reimpresión. 1980. 1.6.9 - PAPADAKIS Michel Y VENUAT Michel. Fabricación, características y aplicaciones de los diversos tipos de cemento. S. L. Barcelona (España): Editores técnicos asociados. 1968. 1.6.10 - PORTLAND CEMENT ASSOCIATION (P.C.A.). Proyecto y control de mezclas de concreto. México: Limusa. Primera edición. 1978. 1.6.11 - REZOLA IZAGUIRRE, Julián. Características y correcta aplicación de los diversos tipos de cemento. Barcelona (España): Técnicos asociados. 1976. 1.6.12 - SANCHEZ DE GUZMAN, Diego. Tecnología del concreto y del mortero. Bogotá (Colombia): Pontificia Universidad Javeriana. 1987. 1.6.13 - VILLEGAS R, Bernardo. (Colombia). ANDI.

Boletines Nos. 2 y 3, Cemento y Hormigón.

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41 2. AGREGADOS PARA MORTERO O CONCRETO

CAPÍTULO 2 AGREGADOS PARA MORTERO O CONCRETO

2. 1 GENERALIDADES. Los morteros o los concretos hidráulicos están constituidos en un alto porcentaje por agregados (50-80% en volumen), por lo tanto, éstos no son menos importantes que la pasta del cemento endurecida, el agua libre, el aire incorporado, el aire naturalmente atrapado, o los aditivos; por el contrario, gran parte de las características de las mezclas de mortero o de concreto, tanto en estado plástico como en estado endurecido, dependen de las características y propiedades de los agregados, las cuales deben ser estudiadas para obtener morteros o concretos de buena calidad y económicos.

2. 2 DEFINICIÓN. Los agregados también llamados áridos son aquellos materiales inertes, de forma granular, naturales o artificiales, que aglomerados por el cemento Portland en presencia de agua forman un todo compacto (piedra artificial), conocido como mortero o concreto. Como agregados de las mezclas de mortero o concreto se pueden considerar, todos aquellos materiales que teniendo una resistencia propia suficiente (resistencia de la partícula), no perturben ni afecten desfavorablemente las propiedades y características de las mezclas y garanticen una adherencia suficiente con la pasta endurecida del cemento Portland. En general, la mayoría son materiales inertes, es decir, que no desarrollan ningún tipo de reacciones con los demás componentes de las mezclas, especialmente con el cemento; sin embargo, existen algunos agregados cuya fracción más fina presenta actividad en virtud de sus propiedades hidráulicas colaborando con el desarrollo de la resistencia mecánica, tales como: las escorias de alto horno de las siderúrgicas, los materiales de origen volcánico en donde hay sílice activo, entre otros. Pero hay algunos otros agregados, que presentan elementos nocivos o eventualmente inconvenientes que reaccionan afectando la estructura interna del concreto y su durabilidad, como por ejemplo, los que presentan elementos sulfurados, los que contienen partículas pulverulentas más finas o aquellas que se encuentran en descomposición latente como algunas pizarras.

2.3 CLASIFICACIÓN DE LOS AGREGADOS. En general los agregados se han clasificado de varias maneras a través del tiempo, pero principalmente desde los puntos de vista de su procedencia, densidad, tamaño, forma y textura.

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2.3.1 CLASIFICACIÓN SEGÚN SU PROCEDENCIA. De acuerdo con el origen de los agregados, según su procedencia ya sea de fuentes naturales o a partir de productos industriales, se pueden clasificar de la siguiente manera: 2.3.1.1 Agregados naturales. Son aquellos procedentes de la explotación de fuentes naturales tales como: depósitos de arrastres fluviales (arenas y gravas de río) o glaciares (cantos rodados) y de canteras de diversas rocas y piedras naturales. Pueden usarse tal como se hallen o variando la distribución de tamaños de sus partículas, si ello se requiere. Todas las partículas que provienen de los agregados tienen su origen en una masa mayor la que se ha fragmentado por procesos naturales como intemperismo y abrasión, o mediante trituración mecánica realizada por el hombre, por lo que gran parte de sus características vienen dadas por la roca madre que le dió su origen. De acuerdo a la geología histórica; estos se transforman por fenómenos internos de la tierra, al solidificarse y enfriarse el magma (masa de materias en fusión), se forman las rocas originales o ígneas y posteriormente, por fenómenos geológicos externos, tales como la meteorización, con el tiempo se forman las rocas sedimentarias, al sufrir la acción de procesos de presión y temperatura forman el tercer grupo de las denominadas rocas metamórficas, esto se conoce como el ciclo geológico que esta en permanente actividad. ROCAS IGNEAS: La mayor parte de la corteza terrestre está formada por rocas ígneas y las demás proceden de ellas, por lo que se les llama rocas originales, endógenas ó magmáticas por proceder del magma. En la tabla No. 2.1 se presenta la clasificación de las rocas ígneas según la velocidad de solidificación del magma y el lugar de la corteza terrestre donde ocurre esta consolidación.

Foto No 2.1 Muestra de roca ígnea.

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DENOMINACIÓN Intrusivas, abisales o plutónicas.

VELOCIDAD DE SOLIDIFICACIÓN Lenta

Filonianas o hipoabisales

Media

Extrusivas, efusivas o volcánicas

Rápida

LOCALIZACIÓN Consolidadas a gran profundidad Consolidadas a profundidad media Consolidación cerca o sobre la superficie (por alguna erupción).

Tabla No.2.1 Clasificación de las rocas ígneas según su velocidad de consolidación y localización (origen).2.9.18

De acuerdo a la velocidad de enfriamiento del magma, se obtiene una textura dada, la cual incide en la capacidad de adherencia del material. A baja velocidad de enfriamiento, los granos o cristales son grandes, a velocidad alta son pequeños y si el enfriamiento es instantáneo quedan las partículas porosas (piedra pómez debida a la erupción de un volcán).

ROCAS SEDIMENTARIAS: Son las más abundantes en la superficie terrestre (75%); están formadas por fragmentos de rocas ígneas, metamórficas u otras sedimentarias. Su origen puede darse por dos procesos: por descomposición y desintegración de las rocas mencionadas, en un proceso de erosión, transporte, depositación y consolidación; o por precipitación o depositación química (carbonatos). Los agentes que transportan y depositan se describen en la tabla No. 2.2.

Foto No 2.2 Muestra de roca sedimentaria.

Estos agentes arrastran los materiales dándoles forma y tamaño característicos a los depósitos, dichos factores contribuyen en la calidad del material a usarse en las mezclas. Por el tamaño de las partículas y de acuerdo al grado de consolidación del depósito se pueden clasificar según la tabla No. 2.3

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AGENTE Agua

TRANSPORTE Río Lago Mar

Hielo

Glaciar

Aire

Viento

DEPÓSITO Depósitos aluviales de canto rodado, grava, arcilla, limo, etc. Depósitos lacustres de estratos horizontales. Depósitos marinos que dependen de vientos y mareas. Mezcla de toda clase de materiales y tamaños por su sistema de formación. Dunas o barbajanes (Arena), Loess (Limo).

Tabla No. 2. 2 Clasificación de rocas sedimentarias según el agente geológico externo. DEPÓSITO INCONSOLIDADO Cantos Gravas Arenas Limos Arcillas

TAMAÑO DE LAS PARTÍCULAS mm. 256 – 64 64 – 5 5 – 0,074 0,074 – 0,002 < 0,002

2.9.18

DEPÓSITO CONSOLIDADO DE ROCAS. Conglomerado muy grueso. Conglomerado. Arenisca. Limolitos. Arcillolitas o argilitas. (Según compactación).

Tabla No. 2.3 Clasificación de los depósitos de rocas sedimentarias.

2.9.16

ROCAS METAMORFICAS:

Ellas provienen de rocas ígneas y sedimentarias, las cuales experimentan modificaciones en sólido debido a grandes presiones que sufren los estratos profundos, temperaturas elevadas que hay en el interior, y emanaciones de los gases del magma; según la incidencia de estos factores el metamorfismo pueden ser: Foto No 2.3 muestra de roca metamórfica.

Metamorfismo de contacto: Debido a la intrusión del magma y al calor aportado por éste, la formación de la roca es originada por transformación iónica y porque se presenta una fluidez que permite modificar sin fragmentar los cristales que se alargan y adelgazan. Metamorfismo regional o dinámico: Se denomina regional porque generalmente ocupa grandes extensiones y se presenta a gran profundidad en condiciones de altas presiones de confinamiento, combinadas con reacciones químicas que originan una reagrupación molecular para conformar una roca más densa en su estructura. Según el grado de metamorfismo, se obtienen estructuras foliadas (esquistadas) o masivas, las cuales inciden en la forma, tamaño y textura de las partículas del agregado.

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En la tabla No. 2.4 se muestra la clasificación de los agregados naturales según el tipo de roca. Grupo Basáltico Andesita Basalto Porfiritas básicas Diabasa Dolerita Epidiorita

Grupo Pedernalino Grupo Gábrico Horsteno Diorita básica Pedernal Gneis básico Gabro Peridotita Serpentina Hornblenda-roca

Grupo Granítico Gneis Granito Granodiorita Sienita

Grupo Arenisco Arenisca Aglomerado Brecha Tufa

Grupo Hornofélsico Rocas que se alteran al contacto de toda clase excepto el mármol.

Grupo Calizo Dolomita Caliza Mármol

Grupo Porfirítico Dacita Felsita Pórfido Traquita

Grupo Cuarzoso Arcilla refractaria Areniscas cuarzosas Cuarcita recristalizada

Grupo Esquistoso Filita Esquisto Pizarra Tabla No. 2. 4 Clasificación de los agregados naturales según el tipo de roca. 2.9.16

2.3.1.2 Agregados artificiales. Por lo general, los agregados artificiales se obtienen a partir de productos y procesos industriales tales como: arcillas expandidas, escorias de alto horno, clinker, limaduras de hierro y otros, comúnmente estos son de mayor o menor densidad que los agregados corrientes Actualmente se están utilizando concretos ligeros o ultraligeros, formados con algunos tipos de áridos los cuales deben presentar ciertas propiedades como son: forma de los granos compacta, redondeada con la superficie bien cerrada, ninguna reacción perjudicial con la pasta de cemento ni con el refuerzo, invariabilidad de volumen, suficiente resistencia a los fenómenos climatológicos; además deben de tener una densidad lo menor posible, con una rigidez y una resistencia propia suficientemente elevada y ser de calidad permanente y uniforme. Los agregados ligeros más utilizados son los producidos con arcilla y pizarra expandida (incluyendo la arcilla pizarrosa y la pizarra arcillosa). Es de anotar que se han desarrollado con bastante éxito agregados ligeros en Alemania (con arcilla y pizarra), y España (con arcilla expandida conocida comercialmente como ARLITA).

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Estos agregados ligeros poseen características tales como: baja densidad, aislante, resistente, no tóxico e incombustible. Es utilizado en la fabricación de hormigón ligero estructural; aislamiento de cubiertas, suelos y terrazas; rellenos ligeros aislantes y resistentes y prefabricados (desde el bloque más ligero hasta el panel más grande). La pequeña densidad aparente de los granos se debe siempre a su gran porosidad (hasta un 50% de su volumen y más). La constitución porosa de cada uno de los granos se consigue mediante un tratamiento a altas temperaturas (en general 1100°C o mayores, según la temperatura de sinterización del material - Sinterizar: Conglomerar o soldar metales pulverulentos sin alcanzar la temperatura de fusión). La inclusión del aire se efectúa generalmente por: A) Formación de gases de determinados componentes de la materia prima o de aditivos mezclados. Una parte de los gases originados quedan encerrados en la masa viscosa y la expanden. B) Mezcla de materia prima reblandecida o ya fundida con agua o vapor. El vapor encerrado o un gas formado en ésta mezcla, origina al enfriarse, una estructura celular. C) Combustión de componentes de la materia prima.

2.3.1.2.1 Fabricación de agregados ligeros o ultra – ligeros. Los áridos ligeros o ultraligeros deben presentar una superficie bien cerrada y muy impermeable. Una condición para que esto se cumpla es que, después de la inclusión de aire, los granos tengan ya el tamaño deseado y no deban triturarse posteriormente. Según la materia prima disponible, son corrientes los siguientes procesos de preparación:

Foto No 2.4 Muestra de agregado ligero.

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A) Preparación por la vía seca. En la obtención de la pizarra expandida, el material se tritura hasta el punto preciso para que los granos después de la inclusión de aire alcancen el tamaño deseado. La forma puntiaguda del material primitivo permanece en el posterior proceso de aireación. Otra posibilidad consiste en moler finamente primero el material inicial, preformándolo después al tamaño necesario.

La materia prima en forma de terrones se hace pasar por una trituradora, siguiendo a un molino, en donde se efectúa el molido fino. Si el material esta muy húmedo (estado plástico), debe secarse previamente. El granulado se consigue rociando con agua a la que se le han añadido a veces elementos especiales, en un plato granulador; ahí se forman gránulos esféricos de diámetros bastante similares. El tamaño puede determinarse variando la velocidad de giro del plato, así como la inclinación de su eje, para que los granos no se peguen pueden espolvorearse con un mineral antes de introducirse al horno. B) Preparación por la vía húmeda. En éste proceso de preparación de arcilla expandida, de pizarra arcillosa expandida y de arcilla pizarrosa expandida, se tritura el material en varias etapas, se homogeniza y se hace una masa plástica moldeable. De ésta masa, mediante prensado, se obtienen piezas cilíndricas, cuyas dimensiones tienen ya en cuenta el volumen debido a la expansión del aire; o bien el material pasa directamente a un tambor de secado antes del horno, allí se proporciona mediante la rotación del tambor el tamaño deseado de las partículas. Para la uniformidad del árido ligero es importante que la homogeneidad del material inicial sea suficiente; debido a esto, se recomienda una explotación vertical de la materia prima cuando tiene disposición horizontal, en capas. Si la arcilla contiene compuestos cálcicos que no pueden separarse, los componentes calcáreos deben triturarse y distribuirse muy bien, de lo contrario se presenta el peligro que los áridos no mantengan un volumen invariable y al apagarse la cal viva formada durante el proceso de expansión, destruya el hormigón. Una vez preparada la materia prima la expansión del granulado preformado se realiza empleando alguno de los procedimientos siguientes: - Expansión en horno tubular rotatorio. - Expansión en horno vertical (procedimiento de corriente de circulación). - Expansión en la cinta de sinterizar.

Los áridos ligeros producidos en Alemania se obtienen en la mayoría de casos según el procedimiento del horno rotativo.

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48 2. AGREGADOS PARA MORTERO O CONCRETO

- Procedimiento del horno rotativo Los hornos tubulares rotativos utilizados en la inclusión del aire para los áridos ligeros se asemejan notablemente a los usados en la cocción del clinker en la fabricación del cemento Portland. La combustión se realiza mediante polvo de carbón, gas natural o aceites minerales. Este horno consiste en un tubo largo, revestido de material refractario, con el eje de giro inclinado ligeramente respecto a la horizontal. La introducción del material se realiza en forma continua, por el extremo superior no calentado. En algunos casos se dispone de un tambor de secado delante del horno giratorio y un tambor de refrigeración detrás; debido al lento movimiento de giro y de la ligera pendiente del tubo el material se desplaza, en sentido contrario a los gases de combustión, en dirección al extremo inferior donde tiene lugar la combustión. Después del secado que tiene lugar previamente, al aumentar el calor se forman gases y tiene lugar un reblandecimiento; por medio de un buen manejo del horno (control en la alimentación del material, velocidad de giro y temperatura) se consigue conectar entre sí ambos procesos: formación de gases y reblandecimiento, de manera tal que en cada caso se produzca precisamente el grado de expansión más adecuado a las propiedades principales del árido en cuestión, tales como: resistencia, elasticidad, y densidad. En general el horno se alimenta de material preclasificado, si éste durante la preparación, no ha adquirido unas formas redondeadas, como por ejemplo en la obtención de arcilla expandida, los granos adquieren la forma redondeada y cerrada, y según los casos una película sinterizada bastante impermeable, debido a que el avance en el horno giratorio se realiza rodando y también al reblandecimiento creciente del material por la temperatura de expansión, que llega cerca del límite de sinterización. La expansión en los áridos más pequeños que entran al horno es mayor ya que al girar en el horno estos tienden a ir a la superficie. - Expansión en el horno vertical según el proceso de corriente de circulación. Este proceso es muy empleado en Alemania, para la obtención de arcilla expandida, a pesar de que se puede expandir también pizarra arcillosa. En este procedimiento, los granos de arcilla redondeados producidos previamente mediante un plato granulador llegan en cargas sucesivas a un horno de cuba vertical, después de pasar por un tambor de secado; en este punto el chorro de gases en combustión, se interrumpe por el centro de la parte inferior de la cámara de combustión, alcanza al material y lo arrastra hacia arriba, hasta que el empuje de expansión del gas es menor que la fuerza de gravedad. El material cae rodando en la base de la cámara en forma de tolva, donde recibe de nuevo el chorro de humos y se ve otra vez empujado hacia arriba. El proceso se repite varias veces, la combustión dura en total 40 s; el proceso necesita aproximadamente un minuto por operación, incluyendo el tiempo para la carga y extracción del material.

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49 2. AGREGADOS PARA MORTERO O CONCRETO

A diferencia de muchos áridos obtenidos en hornos tubulares rotatorios, la masa unitaria de los áridos obtenidos por este procedimiento, es casi independiente de su tamaño, por el tratamiento uniforme a que ha sido sometido cada uno de los granos. - Expansión del agregado ligero en la cinta de sinterizar. En la obtención de áridos ligeros en cinta de sinterizar se mezclan combustibles con la materia prima, siempre y cuando no contenga ya de origen, suficientes componentes combustibles (como por ejemplo algunas cenizas volantes); estos combustibles son en la mayoría de los casos, carbón molido o coque.

La fabricación de áridos para concreto armado ligero es adecuada, tan sólo si se realiza la sinterización de granos a los que se les ha dado previamente una forma conveniente, puesto que sólo así puede conseguirse un grano redondeado con la superficie cerrada. La sinterización de material no previamente conformado, que debe romperse después de la combustión, da granos angulosos con poros bien abiertos, con la forma a menudo rara y poca resistencia. Los hormigones obtenidos con estos componentes se compactan muy difícilmente y poseen una resistencia muy baja en comparación con su masa unitaria. Los granos dispuestos en una capa uniforme en la cinta de sinterizar llegan a los quemadores de gas o aceite, después de pasar por dispositivos de secado y calefacción. La combustión que alcanza inicialmente a la superficie, atraviesa todo el grueso de la capa; los gases originados se introducen en los granos en estado caliente plástico y los expanden. Propiedades de los áridos ultraligeros o ligeros. A continuación se mencionará solo las propiedades de los agregados ligeros o ultraligeros que influyen de manera apreciable en el hormigón, antes del fraguado, en el endurecimiento o después de ellos. A) Forma y tamaño de los granos; condiciones de la superficie de los mismos.

La forma de los granos influye en la granulometría del árido y como en el hormigón normal en la manejabilidad de la mezcla, en el contenido de cemento y la cantidad de agua en la mezcla. Un grano de cantos redondeados proporciona ventajas solamente al hormigón fresco; así como en el hormigón normal la adherencia se presenta mejor con granos de cantos angulosos (como la piedra triturada), y por lo tanto mejora su resistencia, de igual manera se comportan los áridos ligeros. La superficie de los granos influye sobre la superficie del hormigón y sobre la adherencia del árido con la pasta de cemento en el hormigón ya fraguado. El tamaño de los granos también influye en las propiedades de la mezcla, ya que en su elaboración, al aumentar el tamaño puede disminuir su densidad, rigidez y resistencia, por lo que el diámetro no debe ser mayor a 25 mm (1"); para alta resistencia se recomienda que éste no sobrepase los 19 mm (3/4").

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B) Densidad aparente, densidad real y porosidad de los granos.

La densidad aparente de los áridos es una de sus principales cualidades, por que influye en la densidad y en la resistencia de los hormigones con ellos elaborados. La densidad aparente de un grano se define como la relación entre la masa de dicho grano y el volumen encerrado dentro de la superficie que lo envuelve. Este volumen abarca tanto el volumen del material sólido como el de los poros contenidos en el interior del grano. La reducción de la densidad aparente depende del proceso de elaboración del grano, ella varía entre 1/3 y 2/3 del valor de los áridos considerados normales. La obtención de la densidad aparente del árido se efectúa basados en el principio de Arquímedes (volumen desalojado). La densidad real de un árido se define como la relación entre la masa y el volumen de la parte sólida; todos los poros pueden eliminarse mediante un molido fino. La densidad real de los áridos varía entre límites relativamente estrechos (2,6 a 3,0 kg/dm3). En la mayoría de las arcillas y pizarras expandidas está alrededor de 2,7 kg/dm3. La porosidad es el valor numérico de la relación entre el espacio ocupado por los poros y el volumen encerrado dentro de la superficie del grano; esta propiedad define el contenido de poros de dicho grano, en los áridos fabricados en Alemania se encuentran valores entre el 50% al 75% del volumen, para la fracción con diámetros entre 8-19 mm; para granos de tamaño 2 mm la porosidad oscila entre 30% y 50% en volumen. C) Masa unitaria del árido.

La masa unitaria del árido se define como el cociente entre la masa de una cantidad de árido y el volumen ocupado por el mismo incluidos en aquel todos los poros, tanto los propios de los granos como los que quedan en el amontonamiento. No representa ninguna característica fija del material, puesto que además de depender de la humedad depende de la compacidad del amontonamiento. Para estos agregados, se pueden obtener valores de masa unitaria entre 0,40 y 0,80 kg/dm3, para granos comprendidos entre 8 y 19 mm. D) Módulo de elasticidad y resistencia propia de los granos.

Como en el concreto normal, en el hormigón ligero la resistencia depende en forma decisiva no sólo de la calidad de la pasta de cemento, sino también de la calidad del grano y sobre todo, de la rigidez de los áridos. El módulo de elasticidad y la resistencia propia de los granos son, por ello, características importantes del árido.

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E) Absorción de agua.

Los áridos ligeros debido a su estructura porosa, tienen una mayor capacidad de absorción que los agregados normales. La absorción de agua de los áridos debe de tenerse en cuenta al verter el agua de amasado, puesto que influye en la manejabilidad del hormigón, en la eficaz relación agua / cemento, en la resistencia y la densidad del hormigón y en propiedades del hormigón que están en dependencia con ellas, como la deformabilidad en función del tiempo (retracción y fluencia). La absorción de agua es la relación entre el agua absorbida en un tiempo determinado y la masa seca del árido. F) Resistencia al congelamiento y deshielo.

Los agregados ligeros para hormigón, que muy a menudo están expuestos a cambios de congelación y descongelación cuando todavía están húmedos, deben poseer una resistencia suficiente; la cantidad de agregados destruidos por esta razón debe ser menor al 4%. El aumento de un 10% en volumen que sufre el agua en los poros al congelarse, es una de las causas que puede dañar los áridos ligeros; los áridos en los que la totalidad de sus poros se llenan de agua corren especial peligro. Por fortuna, aún después de mucho tiempo sumergidos dentro del agua, los poros de las partículas del agregado ligero no se llenan en su totalidad, y los huecos restantes que quedan con aire, sirven para absorber el aumento de volumen ocasionado por el hielo. G) Propiedades térmicas.

El coeficiente de dilatación de los áridos y su relación con el coeficiente de dilatación de la pasta de cemento influyen en las presiones internas que aparecen en el hormigón al variar la temperatura. No se han establecido valores cuantitativos de dilatación térmica, pero se presume que debe ser similar que para los ladrillos (por ser materiales cerámicos). Una de las ventajas del hormigón ligero armado respecto al normal es su mejor comportamiento como aislante térmico, esto se debe a la menor conductividad térmica de los áridos ligeros, por la porosidad de los mismos. Debido a la alta temperatura alcanzada en su fabricación los áridos ligeros son muy refractarios. H) Ingredientes perjudiciales.

Los agregados no deben reblandecerse con el agua, ni descomponerse, ni formar combinaciones desfavorables con los elementos del cemento; no deben influir negativamente sobre la hidratación ni amenazar la protección contra la corrosión del refuerzo. Según la cantidad y distribución pueden ser nocivos los siguientes componentes: polvos capaces de entrar en suspensión, materias de origen orgánico, determinados componentes de azufre, elementos con tendencia al reblandecimiento, la hinchazón o el enmohecimiento, combustibles y materiales que puedan favorecer la corrosión, como por ejemplo cloruros. Si no se esta seguro, que no existen materias desfavorables en cantidad peligrosa, deben analizarse los áridos.

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52 2. AGREGADOS PARA MORTERO O CONCRETO

2.3.2 CLASIFICACIÓN SEGÚN SU DENSIDAD. Depende de la cantidad de masa por unidad de volumen y del volumen de los poros, ya sean agregados naturales o artificiales. Esta distinción es necesaria porque afecta la densidad del concreto (ligero, normal o pesado) que se desea producir, como lo indica la tabla No. 2.5.

TIPO DE CONCRETO

MASA UNITARIA APROX. DEL CCTO. kg/m3

MASA UNITARIA DEL AGREGADO kg/m3

Ultraligero

500 – 800

Ligero

950 – 1350 1450 – 1950

480 –1040

Normal

2250 – 2450

Pesado

3000 – 5600

EJEMPLO DE UTILIZACIÓN

EJEMPLO DE AGREGADO

Concreto para aislamiento.

Piedra pómez Ag. Ultraligero.

Rellenos y mampostería no estruct. Ccto. Estructural

Perlita Ag. Ultraligero.

1300 – 1600

Ccto. Estruct. Y no estruct.

Agregado de río o triturado.

3400 – 7500

Hematita, barita, Ccto. Para coridón, magnetita. proteger de radiación gamma ó X, y contrapesos

Tabla No. 2.5 Clasificación de los agregados según su masa unitaria. 2.9.16

2.3.3 CLASIFICACIÓN SEGÚN SU TAMAÑO. La forma más generalizada de clasificar los agregados es según su tamaño, el cual varía desde fracciones de milímetros hasta varios centímetros de sección; ésta distribución del tamaño de las partículas, es lo que se conoce con el nombre de GRANULOMETRÍA. De acuerdo con la clasificación unificada, los suelos se dividen en suelos finos (material de tamaño inferior a 0,074 mm o 74µm-tamiz No. 200) y suelos gruesos (material de tamaño superior o igual a 0,074 mm o 74µm-tamiz No. 200); para la elaboración de mezclas de mortero o de concreto se emplean los suelos gruesos y se limita el contenido de suelo fino. La fracción fina de los suelos gruesos, cuyas partículas tienen un tamaño inferior a 4,76 mm (tamiz No. 4) y no menor de 0,074 mm o 74µm (tamiz No. 200), es lo que comúnmente se denomina AGREGADO FINO; y la fracción gruesa, o sea aquellas partículas que tienen un tamaño superior a 4,76 mm (tamiz No. 4), es lo que normalmente se llama AGREGADO GRUESO.

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53 2. AGREGADOS PARA MORTERO O CONCRETO

GRAVA: Agregado grueso de tamaño máximo mayor o igual a 20 mm. GRAVILLA: Agregado grueso de tamaño máximo menor a 20 mm. La grava y la gravilla son resultantes de la desintegración natural y abrasión de las rocas o del procesamiento de conglomerados débilmente ligados.

ARENA: Agregado fino resultante de la desintegración natural y abrasión de las rocas o del procesamiento de conglomerados débilmente ligados.

GRAVA TRITURADA O TRITURADO: Agregado grueso resultante de la trituración artificial de la roca. ARENA MANUFACTURADA O ARENA TRITURADA: Agregado fino resultante de la trituración artificial de la roca, piedra o escoria (residuo mineral de hierro). ESCORIA DE ALTO HORNO: Producto no metálico, constituido esencialmente por silicatos y aluminosilicatos de calcio y de otras bases, que se produce en forma líquida o fluida simultáneamente con el hierro en un alto horno. Una clasificación más específica es la que aparece en la tabla No. 2.6 donde se muestra los nombres más usuales de las fracciones y su aptitud para morteros o concretos según el tamaño de sus partículas. TAMAÑO EN mm.

DENOMINACIÓN MÁS COMÚN

CLASIFICACIÓN

< 0,002 0,002 – 0,074

Arcilla Limo

Fracción muy fina Fracción fina

0,074 – 4,76 #200 - #4

Arena

Agregado fino

4,76 – 19,1 #4 – ¾”

Gravilla

19,1 – 50,8 ¾” – 2”

Grava

50,8 – 152,4 2” – 6”

Piedra

> 152,4 6”

Rajón, Piedra bola

USO COMO AGREGADO DE MEZCLAS No recomendable No recomendable Material apto concreto

para

mortero

Material apto para concreto

Agregado grueso

Material apto para concreto

Concreto ciclópeo

Tabla No. 2.6 Clasificación de los agregados según el tamaño de sus partículas.

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o

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54 2. AGREGADOS PARA MORTERO O CONCRETO

2.3.4 CLASIFICACIÓN SEGÚN SU FORMA Y TEXTURA SUPERFICIAL. La presencia de partículas alargadas o aplanadas puede afectar la trabajabilidad, la resistencia y la durabilidad de las mezclas, porque tienden a orientarse en un solo plano lo cual dificulta la manejabilidad; además debajo de las partículas se forman huecos de aire y se acumula agua perjudicando las propiedades de la mezcla endurecida. Por otro lado, la textura superficial de las partículas del agregado influye en la manejabilidad y la adherencia entre la pasta y el agregado, por lo tanto, afecta la resistencia (en especial la resistencia a la flexión). La norma NTC 174 limita la cantidad total de partículas alargadas y aplanadas presentes en el agregado a máximo 50%, sin embargo el ICPC (Instituto Colombiano de Productores de Cemento) recomienda que la cantidad total de éstas partículas no debe ser mayor al 15%. PARTICULA LARGA: Es aquella cuya relación entre la longitud y el ancho es mayor de 1,5. PARTICULA PLANA: Es aquella cuya relación entre el espesor y el ancho es menor de 0,5.

FORMA Redondeadas

Irregular

Escamosa

Angular

Alongadas

DESCRIPCIÓN Totalmente desgastada por el agua o completamente limada por frotamiento. Irregularidad natural, o parcialmente limitada por frotamiento y con orillas redondeadas. Material en el cual el es pequeño en relación a las otras dos dimensiones. Posee orillas bien definidas que se forman en la intersección de caras más o menos planas. Material normalmente angular en el cual la longitud es considerablemente mayor que las otras dos dimensiones.

EJEMPLO Grava de río o playa, arena del desierto, playa. Otras gravas, pedernales del suelo o de excavación.

Roca laminada.

Rocas trituradas de todo tipo, escoria triturada.

Tabla No. 2. 7 Clasificación de las partículas del agregado según su forma. 2.9.16

La clasificación de las partículas del agregado según su textura superficial se basa en el grado en que la superficie de una partícula es pulida o mate, suave o áspera; es preciso describir el tipo de aspereza. La textura depende de la dureza, el tamaño del grano y las características porosas de la roca original (las rocas densas, duras y de grano fino generalmente tienen superficies con fracturas suaves), así como del grado en que las fuerzas que actúan sobre la superficie de la partícula han modificado sus características.

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55 2. AGREGADOS PARA MORTERO O CONCRETO

TEXTURA Vítrea Lisa

Granular Áspera

Cristalina Apanalada

CARACTERÍSTICAS Fractura concoidal.

EJEMPLO Pedernal negro, escoria vítrea. Desgastada por el agua, o liso Gravas, pizarras, mármol, debido a la fractura de roca algunas reolitas. laminada o de grano Fractura que muestra granos más o Arenisca. menos uniformemente redondeados. Fractura áspera de roca con granos Basalto, felsita, pórfido, finos o medianos que contienen caliza. constituyentes cristalinos no fácilmente visibles. Contiene constituyentes cristalinos Granito, Gabro, Gneis. fácilmente visibles. Con poros y cavidades visibles Pómez, escoria espumosa, arcilla expandida.

Tabla No. 2. 8 Clasificación de las partículas del agregado según su textura superficial. 2.9.16

2.4 PROPIEDADES QUÍMICAS DEL AGREGADO. Tal como se expresó en la definición de agregado, la mayoría de los áridos son inertes. Sin embargo desde hace algún tiempo se han observado reacciones entre agregado y pasta de cemento (algunas dañinas).

2.4.1 EPITAXIA. Mejora la adherencia entre ciertos agregados calizos y la pasta de cemento, a medida que transcurre el tiempo; lo cual favorece el desarrollo de las propiedades en el concreto endurecido.

2.4.2 REACCIÓN ÁLCALI-AGREGADO. Esta es una reacción desfavorable porque origina esfuerzos de tensión dentro de la masa endurecida del mortero o del concreto; dichos esfuerzos pueden causar fallas en la estructura debido a que la resistencia a la tensión del mortero o del concreto es baja, del orden de un 10% de su resistencia a la compresión. La reacción más común se produce entre los óxidos de sílice (SiO2) en sus formas inestables y los óxidos alcalinos de la pasta de cemento (Na2O y K2O). Esta reacción que es del tipo sólidolíquido, produce un gel hinchable que aumenta de volumen a medida que absorbe agua, lo cual origina presiones internas en el concreto que conducen a la expansión, agrietamiento y ruptura de la pasta de cemento, esto se conoce como reacción álcali-sílice, ya que también existe otra reacción similar entre algunos tipos de caliza dolomítica y los álcalis del cemento, en lo que se llama una reacción álcali-carbonato, que es menos frecuente.

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56 2. AGREGADOS PARA MORTERO O CONCRETO

Cuando se presuma que los agregados contienen sílice inestable activo (estado vítreo, criptocristalino, microcristalino y amorfo), debe de tenerse en cuenta este fenómeno. Las rocas que por lo general contienen sílice activo son: rocas silicosas como pedernal (con ópalo y/o calcedonia), calizas y dolomitas silíceas; rocas volcánicas ácidas e intermedias (como vidrio volcánico) como las riolitas, latitas, dacitas, andesitas y sus respectivas tobas; algunas formas de cuarzo criptocristalino, microcristalino ó cristalino intensamente deformado. Para detectar la presencia de sílice activo se deben efectuar los ensayos de reactividad potencial por el método químico descrito en la norma NTC 175 o la prueba de expansión del mortero por el método de las barras descritos en la norma ASTM C-227, además de un análisis petrográfico de acuerdo a la norma ASTM C-295.

2.5 PROPIEDADES FÍSICAS. 2.5.1 GRANULOMETRÍA. Es la distribución de los tamaños de las partículas que constituyen una masa de agregados; se determina mediante el análisis granulométrico que consiste en dividir una muestra representativa del agregado en fracciones de igual tamaño de partículas; la medida de la cuantía de cada fracción se denomina como granulometría. El análisis granulométrico consiste en hacer pasar el agregado a través de una serie de tamices que tienen aberturas cuadradas y cuyas características deben de ajustarse a la norma NTC 32. Actualmente la designación de tamices se hace de acuerdo a la abertura de la malla, medida en milímetros o en micras. La norma NTC 32, incluye algunos tamices intermedios que no cumplen la relación 1:2 de la abertura, pero se usan frecuentemente para evitar intervalos muy grandes entre dos mallas consecutivas. Por fines prácticos, la serie de tamices que se emplea en agregados para morteros o concreto se ha establecido de manera que la abertura de cualquier tamiz es aproximadamente la mitad de la abertura del tamiz inmediatamente superior, esto es relación 1:2; en la tabla No. 2.9 se incluyen tamices que no cumplen esta relación, pero son de uso frecuente para determinar mejor la granulometría, principalmente de la fracción gruesa. El tamizado debe efectuarse cumpliendo con la norma NTC 77 en la que se describe el tamaño de la muestra a ensayar y el procedimiento a seguir para realizar un análisis granulométrico. Los resultados deben expresarse en la forma tabulada, como se muestra en la tabla No. 2.10.

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57 2. AGREGADOS PARA MORTERO O CONCRETO

Foto No 2.5 Tamices para ensayo de granulometría.

DESIGNACION ICONTEC

DESIGNACION A.S.T.M.

------* 101,6 mm * 90,5 mm 76,1 mm

6” 5” 4 ½” 4” 3 ½” 3”

* 64,0 mm * 50,8 mm 38,1 mm * 25,4 mm 19,0 mm * 12,7 mm

2 ½” 2” 1 ½” 1” ¾” ½”

9,51 mm 4,76 mm 2,38 mm 1,19 mm 595 µm

3/8” No. 4 No. 8 No. 16 No. 30

297 µm

No. 50

149 µm

No. 100

No. 200 74 µm * Tamices que no cumplen la relación 1:2. Tabla No. 2. 9 Tamices más empleados en un análisis granulométrico.

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2.9.7 Y 2.9.16

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58 2. AGREGADOS PARA MORTERO O CONCRETO

Para la Tabla 2.10 Tenemos lo siguiente: Columna (1): Esta columna indica la serie de tamices empleada en el análisis granulométrico en orden descendente (en la tabla se muestran unos a manera de ejemplo). Columna (2): Aparece indicado la masa retenida en cada tamiz (obtenido en el laboratorio) (Xi). Columna (3): En ella se expresa cada valor Xi de la columna (2) como porcentaje de la masa total de la muestra XT de acuerdo a la siguiente fórmula: Yi=Xi*100 / XT Columna (4): En esta se indica el acumulado de los porcentajes retenidos en cada tamiz: Por ejemplo: Z1=Y1, Z2=Y1+Y2, Z3=Y1+Y2+Y3,...hasta Zn=100% Columna (5): Con base en el porcentaje retenido acumulado en cada tamiz se determina el porcentaje que pasa también por cada tamiz: ti=100-Zi. Este porcentaje que pasa es el más utilizado para hacer la representación gráfica de la granulometría.

mm

TAMIZ - pulg. (1)

MASA RETENIDA g (2) X1

% RETENIDO (3)

% RETENIDO ACUMULADO (4)

38,1 mm Y1 Z1 1 ½” 25,4 mm X2 Y2 Z2 1” 19,0 mm X3 Y3 Z3 ¾“ 12,7 mm X4 Y4 Z4 ½“ 9,51 mm X5 Y5 Z5 3/8 “ 4,76 mm X6 Y6 Z6 No. 4 Fondo X7 Y7 100% TOTAL XT 100% Tabla No. 2. 10 Determinación de la granulometría de agregados.

% PASA (5) t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7

Curvas granulométricas. Para una mejor comprensión e interpretación de los resultados se acostumbra a representar gráficamente el análisis granulométrico en la curva denominada granulométrica o línea de cribado. En la curva de granulometría se representa generalmente sobre el eje de las ordenadas el porcentaje pasa, en escala aritmética; y en las abscisas la abertura de los tamices en escala logarítmica. En la figura No. 2.1 se representa, a manera de ejemplo, la granulometría dada en la tabla No. 2.11.

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59 2. AGREGADOS PARA MORTERO O CONCRETO

mm 9,51 4,76 2,38 1,19 0,595 0,297 0,149 0,074

TAMIZ - pulg.

3/8” No. 4 No. 8 No. 16 No. 30 No. 50 - No. 100 - No. 200 Fondo TOTAL

MASA RETENIDA g 0 127,8 575,1 617,7 277,0 276,8 149,1 85,2 21,3 2130

% RETENIDO

% RETENIDO ACUMULADO

% PASA

0 6 27 29 13 13 7 4 1 100

0 6 33 62 75 88 95 99 100 ---

100 94 67 38 25 12 5 1 0 ---

Tabla No. 2.11 Análisis granulométrico.

ABERTURA 9.51

4.76

2.38

3/8"

No. 4

No. 8

1.19

0.595

0.297

No. 16

No. 30

No. 50

0.149

0.074

100 90 80

% PASA

70 60 50 40 30 20 10 0 No. 100 No. 200

TAMI CES Figura No. 2.1 Curva granulométrica.

Además de las ventajas ya nombradas de la curva granulométrica, es posible obtener del análisis granulométrico, algunos factores que constituyen una caracterización más de la distribución de tamaños del agregado.

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60 2. AGREGADOS PARA MORTERO O CONCRETO

Módulo de finura. El módulo de finura es un factor empírico que permite estimar que tan fino o grueso es un material. Esta definido como la centésima parte del número que se obtiene al sumar los porcentajes retenidos acumulados en la siguiente serie de tamices: 149µm(No.100), 297µm(No.50), 595µm(No.30), 1,19mm(No.16), 2,38mm(No.8), 4,76mm(No.4), 9,51mm(3/8"), 19mm(3/4"), 38,1mm(1½") y los tamices siguientes cuya abertura está en relación de 1 a 2.

El módulo de finura se puede calcular a cualquier material, sin embargo se recomienda determinar el módulo de finura al agregado fino y según su valor, este agregado se puede clasificar tal como se presenta en la tabla No. 2.12.

MODULO DE FINURA Menor que 2,00 2,00 – 2,30 2,30 – 2,60 2,60 – 2,90 2,90 – 3,20 3,20 – 3,50 Mayor que 3,50

AGREGADO FINO Muy fino o extra fino Fino Ligeramente fino Mediano Ligeramente grueso Grueso Muy grueso o extra grueso

Tabla No. 2.12 Clasificación del agregado fino de acuerdo con el valor del módulo de finura. 2.9.14.

Tamaño Máximo. Está definido como la menor abertura del tamiz que permite el paso de la totalidad del agregado. De manera práctica representa el tamaño de la partícula más grande que tiene el material.

Tamaño Máximo Nominal. El tamaño nominal máximo de las partículas es el mayor tamaño del tamiz, listado en la norma aplicable, sobre el cual se permite la retención de cualquier material. Es más útil que el tamaño máximo porque indica de mejor manera el promedio de la fracción gruesa, mientras que el tamaño máximo solo indica el tamaño de la partícula más grande de la masa de agregados, la cual puede ser única. El tamaño máximo y el tamaño máximo nominal se determinan generalmente al agregado grueso únicamente.

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61 2. AGREGADOS PARA MORTERO O CONCRETO

Existen varias razones para especificar límites en las granulometrías y el tamaño máximo del agregado. La granulometría y el tamaño máximo afectan las proporciones relativas de los agregados, así como la cantidad de agua y cemento necesarios en la mezcla y también la manejabilidad, la economía, la porosidad y la contracción del concreto. Las variaciones en la gradación pueden afectar seriamente la uniformidad de una mezcla a otra. En general, los agregados deben de tener partículas de todos los tamaños con el fin de que las partículas pequeñas llenen los espacios dejados por las partículas más grandes, de ésta forma se obtiene un mínimo de huecos o sea una máxima densidad; como la cantidad de pasta (agua más cemento) que se necesita para una mezcla es proporcional al volumen de huecos de los agregados combinados, es conveniente mantener este volumen al mínimo.

Especificaciones granulométricas. En la norma NTC 174 se dan las especificaciones granulométricas, tanto para agregado grueso como para agregado fino a utilizar en concretos y en la norma NTC 2240 la especificación granulométrica de agregado fino a utilizar en morteros. En las tablas Nos. 2.13, 2.14 y 2.15 se muestran las especificaciones más utilizadas. TAMIZ 2” 1 ½” 1” ¾” ½” 3/8” No. 4 No. 8

AGREGADO No. 3 % PASA 100 95 – 100

AGREGADO No. 4 % PASA --100 95 – 100

35 – 70

AGREGADO No. 5 % PASA ----100 90 – 100

25 – 60 10 – 30 0–5

0 – 10 0–5

20 – 55 0 – 10 0–5

Tabla No. 2.13 Especificaciones granulométricas para agregado grueso (más utilizadas).2.9.7

TAMIZ 3/8” No. 4 No. 8 No. 16 No. 30 No. 50 No. 100

-

(9,51 mm) (4,76 mm) (2,38 mm) (1,19 mm) (595 µm) (297 µm) ( 149 µm)

AGREGADO FINO % PASA 100 95 – 100 80 – 100 50 – 85 25 – 60 10 – 30 2 – 10

Tabla No. 2.14 Especificaciones granulométricas para agregado fino a utilizar en concreto. 2.9.7

•

Se recomienda adicionalmente, que entre dos mallas consecutivas (de las especificadas anteriormente) no se retenga más del 45% del material y para que la mezcla sea manejable, cohesiva y presente un buen acabado más del 15% debe pasar por la malla No.50 y más de un 4% por la malla No.100.

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62 2. AGREGADOS PARA MORTERO O CONCRETO

TAMIZ 3/8” No. 4 No. 8 No. 16 No. 30 No. 50 No. 100

-

(9,51 mm) (4,76 mm) (2,38 mm) (1,19 mm) (595 µm) (297 µm) ( 149 µm)

ARENA NATURAL % PASA 100 95 – 100 70 – 100 40 – 75 10 – 35 2 – 15 ---

ARENA MANUFACTURADA % PASA 100 95 – 100 70 – 100 40 – 75 20 – 40 10 – 25 0 – 10 2.9.7

Tabla No. 2.15 Especificaciones granulométricas para agregado fino a utilizar en morteros. * Se recomienda adicionalmente, que entre dos mallas consecutivas (de las especificadas anteriormente) no se retenga más del 50% del material y no más del 25% entre las mallas No.50 y No.100.

Sin embargo, no siempre es posible que la distribución granulométrica del agregado disponible, cumpla con las especificaciones granulométricas dadas; por lo tanto es aconsejable combinar los agregados disponibles de tal manera que la granulometría resultante garantice un mínimo de vacíos, se sugiere tomar como referencia las curvas ideales corregidas propuestas por FULLER o WEYMOUTH, las cuales se presentan en las tablas Nos. 2.16 y 2.17 o los valores recomendados por ASOCRETO tabla No. 2.18

FULLER MALLA

TAMAÑO MAXIMO (mm) 50,8 38,1 25,4

Pulg.

76,1

19,1

3”

100,0

2”

81,0

100,0

1 ½”

69,8

86,1

100,0

1”

56,5

69,6

80,8

100,0

¾”

48,5

59,7

69,4

85,8

100,0

3/8”

33,4

41,1

47,8

59,0

68,8

No. 4

22,7

27,9

32,5

40,1

46,8

No. 8

15,2

18,6

21,6

26,7

31,2

No. 16

9,8

12,0

14,0

17,1

20,1

No. 30

6,0

7,3

8,6

10,5

12,4

No. 50

3,3

4,1

4,7

5,7

6,8

No. 100

1,4

1,7

2,0

2,4

2,8

Tabla No. 2.16 Gradaciones ideales corregidas de agregados para concreto (% que pasa por cada malla).2.9.11.

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63 2. AGREGADOS PARA MORTERO O CONCRETO

WEYMOUTH MALLA Pulg.

76,1

3”

100,0

2”

---

1 ½”

19,1

100,0

80,5

1”

TAMAÑO MAXIMO (mm) 50,8 38,1 25,4

---

91,2 ---

100,0 ---

100,0

¾”

61,7

70,9

78,1

89,8

100,0

3/8”

46,0

53,2

59,0

68,2

76,2

No. 4

34,3

39,5

43,9

51,1

57,0

No. 8

25,0

28,9

31,9

37,0

41,2

No. 16

17,3

20,0

22,2

25,8

28,6

No. 30

11,2

12,9

14,2

16,6

18,4

No. 50

6,2

7,0

7,9

9,3

10,0

No. 100

2,1

2,4

2,7

3,1

3,4

Tabla No. 2.17 Gradaciones ideales corregidas de agregados para concreto (% que pasa por cada malla).2.9.11.

TAMIZ

LIMITE DE LOS PORCENTAJES QUE PASAN LOS SIGUIENTES TAMAÑOS MAXIMOS

Pulgadas

mm

90,6mm (3 ½”)

76,1mm (3“)

64,0mm (2 ½“)

50,8mm (2“)

38,1mm (1 ½“)

25,4mm (1“)

19,0mm (3/4“)

12,7mm (½“)

9,51mm ( 3/8“)

3½ 3 2½ 2 1½ 1 ¾ ½ 3/8 No.4 No.8 No.16 No.30 No.50 No.100

90,6 76,1 64,0 50,8 38,1 25,4 19,0 12,7 9,51 4,76 2,36 1,18 600µ 300µ 150µ

100 94 91 89 83 82 73 74 62 64 50 58 42 50 34 45 29 36 20 28 13 22 9 17 6 14 4 11 3

100 94 91 87 80 78 68 68 55 62 47 53 37 48 32 38 22 30 15 23 10 18 7 14 4 11 3

100 92 88 83 75 72 60 65 51 57 41 51 35 40 24 32 16 25 11 20 8 15 5 12 4

100 90 85 78 68 71 58 62 47 56 40 44 27 34 18 27 13 21 9 17 8 13 4

100 87 80 78 68 68 55 62 47 48 32 38 22 30 15 23 10 18 7 14 5

100 90 85 78 68 71 58 56 40 44 27 34 18 27 13 21 9 17 6

100 87 80 78 68 62 47 48 32 38 22 30 15 23 10 18 7

100 90 85 71 58 55 40 44 27 34 19 27 13 21 9

100 78 68 61 46 48 32 38 22 30 15 23 10

Tabla No. 2.18 Rangos granulométricos recomendados por ASOCRETO (% que pasa por cada malla).2.9.2.

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64 2. AGREGADOS PARA MORTERO O CONCRETO

2.5.2 DENSIDAD. Las partículas del agregado están conformadas por masa del agregado, vacíos que se comunican con la superficie llamados poros permeables o saturables y vacíos que no se comunican con la superficie, es decir que quedan en el interior del agregado llamados poros impermeables o no saturables; de acuerdo con lo anterior tenemos tres densidades a saber: DENSIDAD REAL: Masa promedio de la unidad de volumen de las partículas del agregado, excluyendo sus poros permeables o saturables y los no saturables o impermeables. DENSIDAD NOMINAL: Masa promedio de la unidad de volumen de las partículas del agregado, excluyendo únicamente los poros permeables o saturables. DENSIDAD APARENTE: Masa promedio de la unidad de volumen de las partículas del agregado, incluyendo tanto poros permeables o saturables como poros impermeables o no saturables (volumen aparente o absoluto).

Si la masa de agregado se determina con material seco tendríamos densidad aparente seca, pero si la masa del agregado se determina con material saturado y superficialmente seco (S.S.S), tendríamos densidad aparente saturada. De los tres tipos de densidades antes definidas, la DENSIDAD APARENTE es la que se emplea en el cálculo de mezclas, porque se parte que el material primero se satura, es decir, todos los poros permeables de cada partícula quedan llenos de agua y el agua adicional a éste estado (agua libre) es la que reacciona con el cemento; si la densidad del agregado que se toma en el diseño es la aparente saturada las masas que se calculen del agregado serán masas saturadas, pero si se toma para dosificación de mezclas la densidad aparente seca las masas que se determinen del agregado serán masas secas. La densidad aparente del agregado fino se halla de acuerdo con la norma NTC 237; el ensayo consiste en tomar cierta cantidad del material en estado S.S.S, se coloca en un matraz (o probeta) con agua y se determina su masa luego se pone a secar hasta masa constante; por diferencia de masas y con base en el volumen desalojado se determina la densidad aparente.

Foto No 2.6 Ensayo de densidad de agregado fino

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65 2. AGREGADOS PARA MORTERO O CONCRETO

La densidad aparente del agregado grueso se determina de acuerdo con la norma NTC 176; el ensayo consiste en tomar una muestra del agregado en estado S.S.S (saturado y superficialmente seco), se determina su masa en el aire y sumergido en el agua, luego se pone a secar hasta masa constante; por diferencia de masas y con base en el volumen desalojado se calcula la densidad aparente. La densidad aparente no es una medida de la calidad del agregado, sin embargo una densidad baja puede indicar un agregado de estructura porosa, de mala calidad; la mayor parte de los agregados de masa normal tienen una densidad que varía generalmente entre 2,4 y 2,8 kg/dm³.

2.5.3 ABSORCIÓN Y HUMEDAD. La absorción (porcentaje de agua necesaria para saturar los agregados o el hormigón expresada con respecto a la masa de los materiales secos) y la humedad, deben determinarse de acuerdo con las normas NTC 176, 237 y 1776, de manera que la cantidad de los materiales en la mezcla pueda controlarse y se establezca las masas correctas de cada uno de ellos. La estructura interna de las partículas de un agregado está conformada por materia sólida y por poros o huecos los cuales pueden contener agua o no. Las condiciones de humedad en que se puede encontrar un agregado serán: SECO: Ningún poro con agua. HUMEDO NO SATURADO: Algunos poros permeables con agua. SATURADO Y SUPERFICIALMENTE SECO (S.S.S): Todos los poros permeables llenos de agua y el material seco en la superficie. HUMEDO SOBRESATURADO: Todos los poros permeables contienen agua y además el material tiene agua en la superficie (agua libre).

Dependiendo de las condiciones de humedad que tenga el agregado, puede quitar o aportar agua a la mezcla (porque se considera que el agregado se satura y el agua libre es la que reacciona con el cemento). Si la humedad del agregado es mayor que la absorción, el material tiene agua libre y está aportando agua a la mezcla; pero si por el contrario la humedad del agregado es menor que la absorción, el agregado le va a quitar agua a la mezcla para saturarse. Esto es importante para poder definir la cantidad de agua de mezcla y no alterar la relación agua-cemento. De otra parte, el agregado fino aumenta de volumen cuando esta húmedo, la humedad superficial mantiene separadas las partículas produciendo el aumento de volumen conocido como "hinchamiento o expansión del agregado fino". La expansión varía con la humedad y con la granulometría, las arenas finas se expanden más que las gruesas para una humedad dada; la expansión es baja para humedades bajas (cercanas a 0%) o humedades altas (mayores al 15%) y el hinchamiento es alto (algunas veces hasta un 40%) para humedades intermedias (entre 4 y 8%). Como la mayor parte de las arenas se entregan húmedas pueden ocurrir grandes variaciones en las cantidades de las mezclas si se hacen de acuerdo con el volumen (volumen suelto); por esta razón no se recomienda la dosificación por volumen.

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66 2. AGREGADOS PARA MORTERO O CONCRETO

2.5.4 MASA UNITARIA. La masa unitaria de un material es la masa del material necesaria para llenar un recipiente de volumen unitario. En la masa unitaria además del volumen de las partículas del agregado se tiene en cuenta los vacíos que hay entre partículas. La masa unitaria puede determinarse compactada o suelta; la masa unitaria compactada se emplea en algunos métodos de dosificación de mezclas y la masa unitaria suelta sirve para estimar la cantidad de agregados a comprar si estos se venden por volumen (volumen suelto) como ocurre comúnmente. La masa unitaria se determina de acuerdo con la norma NTC 92 y su valor para agregados normales varía generalmente entre 1,30 y 1,80 kg/dm3, siendo mayor para un mismo material el valor de la masa unitaria compactada. El ensayo consiste en llenar un recipiente normalizado en forma estandarizada; la masa unitaria se determina como el cociente entre la masa del agregado que contiene el recipiente y el volumen del recipiente. Si el recipiente se llena dejando caer libremente el material desde una altura no mayor de 5 cm por encima de su borde, la masa unitaria determinada es suelta; pero si el llenado se realiza en tres capas, compactando el material, la masa unitaria ser compactada. El método de compactación puede ser vibrado proporcionando 50 caídas normalizadas del recipiente por capa y se emplea para agregados de tamaño máximo entre 38 y 100 mm – 1 ½" y 4"; o apisonado dando 25 golpes estándar por capa, para agregados de tamaño máximo menor o igual a 38 mm – 1½ ".

Foto No 2.7 Ensayo de masa unitaria.

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67 2. AGREGADOS PARA MORTERO O CONCRETO

2.5.5 RESISTENCIA. La resistencia al desgaste de un agregado se usa con frecuencia como indicador general de la calidad del agregado; esta característica es esencial cuando el agregado se va usar en concreto sujeto a desgaste como en el caso de los pavimentos rígidos. El método de prueba más común es el ensayo en la máquina de “Los Ángeles” (norma NTC 93 y 98); la prueba consiste en colocar una muestra del material con la carga abrasiva dentro de un tambor de acero y poner a girar la máquina (30 a 33 rpm) un cierto número de revoluciones (la carga abrasiva y el número de revoluciones depende de la granulometría del material); luego se retira el material de la máquina, se lava sobre el tamiz No. 12 (1,68mm), el material retenido se pone a secar hasta masa constante y se halla su masa. Las especificaciones limitan el porcentaje de desgaste a máximo 40%. Pa - Pb Porcentaje de desgaste = ----------- * 100 Pa

(2.1)

Donde: Pa = Masa de la muestra seca antes del ensayo (g). Pb = Masa de la muestra seca retenida en el tamiz No. 12 (g).

Foto No 2.8 Máquina de los Ángeles.

La resistencia a la acción del clima, es decir al intemperismo, de las partículas del agregado, se ha tratado de determinar con el ensayo de solidez o sanidad (norma NTC 126), aunque esta prueba no es representativa para climas tropicales el ensayo se emplea ampliamente.

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68 2. AGREGADOS PARA MORTERO O CONCRETO

El ensayo consiste en sumergir una muestra del material en una solución saturada de sulfato de sodio o magnesio (preparada de acuerdo con la norma), el material se deja sumergido durante un período de 16 a 18 horas, teniendo la precaución que la superficie de la solución quede 15 mm por lo menos por encima de la muestra. Posteriormente se retira la muestra y se deja la solución escurrir durante 15 minutos, luego se pone a secar hasta masa constante. Todo este proceso se denomina un ciclo; a los agregados para concretos o morteros las especificaciones exigen 5 ciclos y las pérdidas máximas permitidas, ponderadas de acuerdo con la granulometría del material son las siguientes: - Agregado fino: Sulfato de sodio Sulfato de magnesio

Pérdida máxima = 10% Pérdida máxima = 15%

- Agregado grueso: Sulfato de sodio Sulfato de magnesio

Pérdida máxima = 12% Pérdida máxima = 18%

La dureza de las partículas del agregado influye en la resistencia del concreto, si el material está compuesto por una cantidad apreciable de partículas blandas la resistencia del hormigón se verá afectada desfavorablemente. La dureza de las partículas del agregado grueso se determina con el ensayo de rayado (norma NTC 183); el cual consiste en someter cada partícula del agregado grueso, de acuerdo con la cantidad mínima de la muestra especificada, a un rayado con una aguja de bronce de di metro 1,59 mm aplicando una fuerza de 1 kg. Las partículas se consideran blandas si durante el rayado se forma en ellas una ranura sin desprendimiento de metal de la aguja o si se separan partículas de la masa rocosa. La cantidad de partículas blandas presentes en el agregado grueso debe ser como máximo 5,0%.

2.6 SUSTANCIAS PERJUDICIALES. Las sustancias perjudiciales que pueden estar presentes en los agregados son: suelo fino (limos o arcillas), impurezas orgánicas (materia vegetal en descomposición), carbón de piedra , lignito y partículas livianas o blandas. La mayor parte de las especificaciones limitan las cantidades permisibles de estas sustancias.

2.6.1 SUELO FINO. El suelo fino (material que pasa el tamiz No. 200- 74µm) puede estar presente como polvo o puede estar recubriendo las partículas del agregado, aún cuando delgadas capas de limo o arcilla cubran las partículas, puede haber peligro porque debilitan la adherencia entre la pasta de cemento y las partículas del agregado, perjudicando la resistencia y la durabilidad de las mezclas. Si están presentes algunos tipos de limos y arcillas en cantidades excesivas, el agua necesaria en la mezcla puede aumentar considerablemente.

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69 2. AGREGADOS PARA MORTERO O CONCRETO

La cantidad de suelo fino presente en el agregado se puede determinar por el método de lavado (norma NTC 78); el ensayo consiste en tomar el material seco hasta masa constante, lo colocamos en un recipiente y agregamos agua limpia de tal forma que todo el material quede recubierto, se agita la muestra enérgicamente para que el suelo fino quede en suspensión en el agua, luego se hace pasar el agua a través del tamiz No. 200 (74µm). Se repite la operación el suficiente número de veces hasta que el agua salga limpia, posteriormente se seca el material que quedó en el recipiente más el que retuvo el tamiz y se determina su masa. B-C A=

* 100

(2.2)

B

Donde: A = Material que pasa el tamiz No. 200 - 74µm B = Masa seca del material antes del ensayo (g). C = Masa seca del material después del ensayo (g).

Las especificaciones limitan el contenido de suelo fino a los siguientes valores: - Agregado fino A ≤ 3,0% A ≤ 5,0%

para concreto sujeto a desgaste. para cualquier otro caso (incluyendo morteros).

En el caso de arena manufacturada los límites pueden aumentarse a 5% y 7% respectivamente. - Agregado grueso A ≤ 1,0% para cualquier caso. A ≤ 1,5% para triturado.

Una prueba muy empleada para determinar la cantidad de suelo fino presente en el agregado fino es el ensayo de "equivalente de arena" (norma MOP Designación E 35-62), el cual consiste en verter una solución de trabajo (solución stock de cloruro de calcio diluida en agua) preparada de acuerdo a la especificación, en un recipiente cilíndrico estandarizado hasta una altura de 4 pulg. Luego se coloca una cantidad determinada de arena (pasante del tamiz No. 4 - 4,76mm) secada en el horno hasta masa constante y se deja en reposo 10 minutos. Se tapa el cilindro y se agita vigorosamente dando 90 ciclos en 30 s, después se quita el tapón del cilindro y se lavan las paredes con solución de trabajo hasta completar una altura de 15 pulg. y se deja en reposo 20 minutos, se determinan los niveles superiores de arcilla y arena. Lect. nivel superior de la arena Equiv. Arena =

* 100 Lect. nivel superior de la arcilla

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(2.3)

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70 2. AGREGADOS PARA MORTERO O CONCRETO

Se recomienda que el agregado fino tenga un equivalente de arena mínimo del 70%.

Foto No 2.9 ensayo de equivalente de arena

2.6.2 IMPUREZAS ORGÁNICAS. La materia orgánica suele consistir por lo general en productos de la descomposición de materia vegetal (sobre todo ácido tónico y sus derivados) y se manifiesta en forma de humus o margas orgánicas. La materia orgánica puede interferir las reacciones químicas de hidratación, retrasar el fraguado y el endurecimiento del concreto, en algunos casos descomponerse produciendo deterioro afectando la durabilidad del hormigón. El azúcar puede impedir el fraguado del cemento durante algunos días. Las impurezas orgánicas pueden afectar la adherencia pasta agregado disminuyendo la resistencia. La determinación del contenido de materia orgánica presente en el agregado fino se realiza de acuerdo con la norma ICONTEC 127; el ensayo se realiza colocando una muestra de arena en un recipiente cilíndrico con una solución de hidróxido de sodio, de tal manera que la cantidad de arena sea aproximadamente 130 cm3 y solución más arena después de agitado 200 cm3; se tapa el frasco y se agita vigorosamente dejando luego en reposo durante 24 horas, al cabo de este tiempo se compara el color que ha tomado la solución de la muestra con un color patrón establecido previamente. Si la muestra tiene un color más claro que el patrón, el agregado fino no presenta cantidades perjudiciales de materia orgánica, pero si el color que toma la muestra es más oscuro que el patrón puede suceder que la arena tenga cantidad apreciable de materia orgánica (que perjudican el concreto) o sustancias minerales (no perjudiciales del hormigón) que produzcan la coloración más oscura. En caso de duda, se procede a realizar un ensayo de resistencia a la compresión de morteros según la norma NTC 579; la prueba consiste en lavar parte de la arena con solución de hidróxido de sodio al 3% hasta que un nuevo ensayo colorimétrico produzca un color más claro, luego se lava con agua para eliminar la solución; con ella se prepara un mortero con relación agua-cemento de 0,60 y agregando arena hasta obtener una fluidez de 100 ± 5%, con este mortero se elaboran una serie de cubos de 50mm de lado llenándolos en 2 capas y apisonando 20 veces en cada capa.

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71 2. AGREGADOS PARA MORTERO O CONCRETO

Se repite este procedimiento con arena sin tratar; si la resistencia a la compresión promedio obtenida a los 28 días en los cubos hechos con arena sin tratar es como mínimo el 95% de la resistencia obtenida en cubos hechos con arena tratada se considera que la arena puede utilizarse sin peligro alguno.

Foto No 2.10.- Determinación del contenido de materia orgánica.

2.6.3 PARTÍCULAS DELEZNABLES. El carbón de piedra o lignito, terrones de arcilla u otros materiales que se desmoronan fácilmente afectan la resistencia y la durabilidad del concreto; si estas impurezas están cerca de la superficie pueden reventarse, desintegrarse o producir manchas. La cantidad de partículas deleznables o terrones de arcilla presentes en los agregados se determina de acuerdo con la norma NTC 589 y la prueba consiste en colocar el material (de acuerdo a las fracciones especificadas por la norma) en un recipiente, se cubre con agua pura 24 horas; las partículas que puedan desmenuzarse con los dedos hasta reducirlas a material fino se consideran partículas deleznables o terrones de arcilla. La especificación permite como máximo de partículas deleznables y terrones de arcilla en el agregado fino tanto para morteros como para concretos 1,0%, y para agregado grueso 0,25%.

2.6.4 PARTÍCULAS LIVIANAS. Las partículas livianas afectan la resistencia y la durabilidad del concreto así como la manejabilidad de las mezclas y pueden producir concretos de mala apariencia.

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72 2. AGREGADOS PARA MORTERO O CONCRETO

La cantidad de partículas livianas que contenga el agregado se determina de acuerdo con la norma NTC 130, el material se coloca en un recipiente con un líquido pesado de densidad 2,00 g/cm3 cuyo volumen mínimo debe ser 3 veces el del agregado, se agita vigorosamente para que las partículas livianas floten luego se vierte cuidadosamente el líquido en un segundo recipiente pasándolo previamente por un colador; se debe tener la precaución que solamente las partículas que floten sean las retenidas por el colador. Se repite la operación devolviendo el líquido que ha pasado el colador al recipiente inicial, se agita enérgicamente y se vuelve a hacer pasar a través del colador hasta que se note que no haya partículas que floten en el líquido; posteriormente se lavan las partículas retenidas en el colador con tetracloruro de carbono hasta remover de ellas el líquido pesado, se dejan secar y se halla su masa. La cantidad permitida de partículas livianas es: - Morteros Porcentaje máximo permisible en el agregado fino = 0,5%

- Concretos Los porcentajes máximos permisibles tanto para agregado fino como para agregado grueso son: 0,5% cuando es importante la apariencia de la superficie del concreto y 1,0% para cualquier otro caso.

2.6.5 PARTÍCULAS BLANDAS. Las partículas blandas son perjudiciales porque afectan la resistencia y la durabilidad del concreto y puede producir reventones, si son quebradizas pueden romperse durante el mezclado y aumentar por tanto la demanda de agua para una misma manejabilidad. La cantidad de partículas blandas se determina mediante el ensayo de dureza al rayado (norma NTC 183), visto anteriormente.

2.7 BENEFICIO DE AGREGADOS. El término "beneficio de agregados" se emplea para describir la mejora en la calidad de los agregados mediante la remoción de las sustancias perjudiciales. Algunos de los procesos que se usan son: tamizado, lavado, trituración y separación en medios pesados. El tamizado se emplea generalmente para eliminar partículas de tamaños indeseables ya sea muy grandes, muy pequeñas o intermedias; mediante el tamizado podemos producir la gradación deseada.

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73 2. AGREGADOS PARA MORTERO O CONCRETO

El lavado se hace para eliminar materia orgánica o suelo fino ya sea presente en polvo, adherido a los agregados o en forma de terrones. Por lavado también podemos eliminar exceso de arena muy fina. La trituración puede usarse para reducir la cantidad de partículas blandas presentes en el agregado o para disminuir de tamaño algunas partículas y hacerlas utilizables. La separación en medios pesados se emplea para eliminar sustancias perjudiciales cuya densidad es significativamente menor que la densidad del material de buena calidad. Desafortunadamente con cualquier proceso se pierde algo de material aceptable y la eliminación de partículas perjudiciales puede ser difícil o costosa.

2.8 MANEJO Y ALMACENAMIENTO DE AGREGADOS. Los agregados deben manejarse y almacenarse de manera que sea mínima la segregación (separación del material en fracciones) y se evite la contaminación con sustancias perjudiciales. Los montones de los almacenamientos deben formarse por capas de espesor uniforme y no ser muy altos porque se produce segregación; cuando se deja caer material de bandas transportadoras o cucharones el viento puede llevarse las partículas más finas lo que debe evitarse en lo posible. Cuando el material se almacena en silos estos deberán ser circulares o casi cuadrados, sus fondos deberán tener una inclinación no menor de 50 grados con la horizontal de todos los lados hacia la salida central. Al cargar los silos los materiales deben caer verticalmente sobre la salida, si el material cae sobre los costados formando ángulo puede producirse segregación. Para evitar la segregación y variaciones en la granulometría se deben almacenar por separado los agregados de acuerdo con su tamaño, así por ejemplo: agregado de tamaño máximo 1 ½" en una parte, agregado de tamaño máximo 1" en otra y la arena en otra; si se tienen diferentes arenas también se deben separar.

2.9 REFERENCIAS. 2.9.1 ARANGO T., Jesús H. Artículo: Posibilidades del concreto liviano en Colombia. Memorias técnicas: III Reunión del concreto. Cartagena (Colombia). 1990. 2.9.2 ASOCIACION COLOMBIANA DE PRODUCTORES DE CEMENTO, (ASOCRETO), Colección básica del concreto. Tecnología y propiedades. Bogotá (Colombia). 2000.

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74 2. AGREGADOS PARA MORTERO O CONCRETO

2.9.3 ASSO, Orus. Materiales de construcción. La Habana, Cuba: Editorial científico técnica. 1977. 2.9.4 CANDEL VILA, Rafael. Geología práctica. Barcelona (España): Ediciones Omega S.A. 1958. 2.9.5 Código colombiano de construcciones sismo-resistentes. Decreto 1400 de 1984. Capítulo C.3 Bogotá (Colombia). 1984. 2.9.6 FERNANDEZ R., CUJAR G., FERNANDEZ G., RIVERA G. Análisis de agregados del área de Popayán usados en la fabricación de mezclas de concreto. Popayán (Colombia): Universidad del Cauca. 1987. 2.9.7 ICONTEC. Normas técnicas colombianas para el sector de la construcción - I. Bogotá (Colombia): Legis editores s. a. 1989 2.9.8 ICPC. Gráficos para el control de calidad y el manejo de agregados. Nota técnica, 3ed. Medellín (Colombia). 1990. 2.9.9 ICPC. Guía para la utilización de agregados de peso normal en el concreto. Nota técnica, 3ed. Medellín (Colombia). 1989. 2.9.10 ICPC. Selección y uso de agregados para concreto. Nota técnica No. 7. Medellín (Colombia). 1976. 2.9.11 ICPC, SOLINGRAL. (Colombia). 1974.

Manual de dosificación de mezclas de concreto.

Medellín

2.9.12 LEGGET / KARROW. Geología aplicada a la ingeniería civil. México: McGRAW-HILL. 1986. 2.9.13 NORMAS COLOMBIANAS DE DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN SISMO RESISTENTE NSR/98, Asociación colombiana de ingeniería sísmica. Bogotá (Colombia). 1998. 2.9.14 MENA F., Víctor Manuel y LOERA P., Santiago. Guía para fabricación y control de concreto en obras pequeñas. México: UNAM. 1972. 2.9.15 MINISTERIO DE OBRAS PÚBLICAS. Normas de ensayo para materiales de carreteras tomo II. Bogotá (Colombia). 1962. 2.9.16 NEVILLE, A. M. Tecnología del concreto tomo I y II. México: Instituto mexicano del cemento y del concreto. Primera edición, tercera reimpresión. 1980. 2.9.17 PAYA PEINADO, Miguel. Hormigón vibrado y hormigones especiales. Ediciones CEAC. 12º Edición. 1979.

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España:

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75 2. AGREGADOS PARA MORTERO O CONCRETO

2.9.18 PERAFFAN L., Antonio. Geología para ingenieros. Medellín (Colombia): Servigráficas. 1978. 2.9.19 PORTLAND CEMENT ASSOCIATION (P.C.A.). concreto. México: Limusa. Primera edición. 1978.

Proyecto y control de mezclas de

2.9.20 RUEDA ROJAS Hernando. Artículo: El coque como agregado grueso en concretos estructurales aligerados. Memorias técnicas: II Reunión del concreto. Cartagena (Colombia). 1988. 2.9.21 RUIZ DE M. Julia y RIVERA L. Gerardo. Comportamiento de mezclas de concreto elaboradas con agregados del área de Popayán. Popayán (Colombia): Universidad del Cauca. 1984. 2.9.22 SANCHEZ DE GUZMAN, Diego. Tecnología del concreto y del mortero. (Colombia): Pontificia Universidad Javeriana. 1987.

Bogotá

2.9.23 WEIGLER - KARL. Hormigones ligeros armados. Barcelona (España): Editorial Gustavo Gili, s.a.

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77 3. AGUA DE MEZCLA

CAPÍTULO 3 AGUA DE MEZCLA

3. 1 GENERALIDADES. El agua de mezcla cumple dos funciones muy importantes, permitir la hidratación del cemento y hacer la mezcla manejable. De toda el agua que se emplea en la preparación de un mortero o un concreto, parte hidrata el cemento, el resto no presenta ninguna alteración y con el tiempo se evapora; como ocupaba un espacio dentro de la mezcla, al evaporarse deja vacíos los cuales disminuyen la resistencia y la durabilidad del mortero o del hormigón. La cantidad de agua que requiere el cemento para su hidratación se encuentra alrededor del 25% al 30% de la masa del cemento, pero con esta cantidad la mezcla no es manejable, para que la mezcla empiece a dejarse trabajar, se requiere como mínimo una cantidad de agua del orden del 40% de la masa del cemento, por lo tanto, de acuerdo con lo anterior como una regla práctica, se debe colocar la menor cantidad de agua en la mezcla, pero teniendo en cuenta que el mortero o el hormigón queden trabajables.

Como norma general se considera que el agua es adecuada para producir mortero u hormigón si su composición química indica que es apta para el consumo humano, sin importar si ha tenido un tratamiento preliminar o no; es decir, casi cualquier agua natural que pueda beberse y que no tenga sabor u olor notable sirve para mezclar el mortero o el concreto. Sin embargo, el agua que sirve para preparar estas mezclas, puede no servir para beberla.

El agua puede extraerse de fuentes naturales cuando no se tienen redes de acueducto y puede contener elementos orgánicos indeseables o un alto contenido inaceptable de sales inorgánicas. Las aguas superficiales en particular, a menudo contienen materia en suspensión tales como: aceite, arcilla, sedimentos, hojas y otros desechos vegetales; lo cual puede hacerla inadecuada para emplearla sin tratamiento físico preliminar, como filtración o sedimentación para permitir que dicha materia en suspensión se elimine.

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78 3. AGUA DE MEZCLA

3.2 IMPUREZAS ORGÁNICAS. Las sustancias orgánicas contenidas en aguas naturales, afectan considerablemente el tiempo de fraguado inicial del cemento y la resistencia última del hormigón. Las aguas que tengan un color oscuro, un olor pronunciado, o aquellas en las cuales sean visibles lamas de algas en formación de color verde o café, deben ensayarse. Se debe tener especial cuidado con los altos contenidos de azúcar en el agua por que pueden ocasionar retardo en el fraguado.

3.3 IMPUREZAS INORGÁNICAS. Los límites permisibles para contenidos inorgánicos son algo amplios, pero en algunas partes, éstos pueden presentarse en cantidades suficientes para causar un deterioro gradual del hormigón. La información disponible respecto al efecto de los sólidos disueltos en la resistencia y durabilidad del hormigón es insuficiente para poder establecer unos límites numéricos con base en un sistema comprensible, pero se puede proporcionar una guía sobre niveles permisibles de ciertas impurezas. Los mayores iones que se presentan usualmente en aguas naturales son calcio, magnesio, sodio, potasio, bicarbonato, sulfato, cloruro, nitrato, y menos frecuente carbonato. Las aguas que contengan un total combinado de estos iones comunes que no sea mayor de 2 g/l (2000ppm), son generalmente adecuadas como agua de mezcla. La presencia de cloruros en el hormigón, ya sea que provengan del agua de mezcla, o de otras fuentes, puede presentar problemas potenciales con algunos cementos (generalmente con cantidades apreciables de aluminato tricálcico - C3A) o cuando se tienen metales embebidos en el hormigón. La cantidad de cloruros que pueden permitirse en el agua de mezcla, depende de la cantidad total de cloruros en el hormigón considerando las demás fuentes. Como una guía, el contenido total de cloruros del agua no debe exceder generalmente de 0,5 g/l. Algunas veces es necesario aceptar concentraciones más altas, como en ciertas regiones áridas donde las aguas naturales son bastante salinas. El agua de mar se ha empleado para producir hormigón de cemento Portland, pero existe una tendencia para que esta cause humedad superficial y eflorescencia (formación de depósitos salinos en la superficie del mortero o del concreto). Su uso puede causar también una moderada reducción de la resistencia. El agua de mar no debe emplearse en hormigón reforzado o preesforzado. Una guía general a la aceptabilidad de los sulfatos en el agua de mezcla, es que el contenido de sulfatos no exceda 1 g de SO3 /l. Sin embargo se ha empleado satisfactoriamente agua con un contenido de sulfatos más alto. La cantidad de sulfatos, permitida en agua de mezcla, depende del contenido de sulfatos de los agregados y el cemento, ya que el factor crítico es la cantidad total de sulfatos en el hormigón.

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79 3. AGUA DE MEZCLA

El agua que contiene carbonatos y bicarbonatos de álcalis puede afectar el tiempo de fraguado del cemento y la resistencia del hormigón. Su presencia puede ser perjudicial si existe un riesgo de reacción álcalis-agregado. En general, su total combinado no debe exceder 1 g/l de agua. 3.4 CONTAMINACIÓN POR DESECHOS INDUSTRIALES. Se debe tener cuidado cuando se empleen aguas que pueden estar contaminadas por afluentes industriales o por drenaje de minas y depósitos de minerales entre otros; estas aguas deben ensayarse tal como se indica más adelante. 3.5 REQUISITOS. Como una guía, de ser posible realizar un análisis químico, se recomienda que el agua utilizada en la preparación de mezclas de mortero o concreto, cumpla los requisitos de la tabla No. 3.1. Sin embargo, es preferible ensayar el agua que se va a emplear en la preparación de la mezcla y comparar los resultados con los de un agua testigo (de comportamiento conocido como por ejemplo agua destilada). VALOR MÁXIMO TIPO DE IMPUREZA RECOMENDADO 10000 ppm Ácidos orgánicos ( ácido sulfúrico ) 2% Aceite mineral ( por masa de cemento) no recomendable Agua con algas Agua de mar: 35000 ppm *para concreto no reforzado no recomendable *para concreto reforzado o pretensado 20 ppm Aguas sanitarias 500 ppm Azúcar 400 ppm Carbonato de calcio y magnesio 1000 ppm Carbonatos y bicarbonatos de sodio y potasio 30000 ppm Cloruro de calcio 40000 ppm Cloruro de magnesio Cloruros: *estructuras con bajo potencial de corrosión y 20000 ppm condiciones secas 500 ppm *concreto pretensado *estruct. con elementos galvaniz. y de aluminio 1000 ppm 1,2% Hidróxido de potasio (por masa de cemento) 0,5% Hidróxido de sodio ( por masa de cemento ) 2000 ppm Partículas en suspensión 6-8 PH 40000 ppm Sales de hierro Sales de magnesio, estaño, zinc, cobre y plomo 500 ppm 25000 ppm Sulfato de magnesio 1000 ppm Sulfato de sodio 100 ppm Sulfito de sodio El contenido máximo de iones combinados de calcio, magnesio ,sodio, potasio, bicarbonato, sulfato, cloruro, nitrato y carbonato es 20000ppm Tabla No. 3. 1 Límites de impurezas permitidos al agua de mezcla 3.9.4

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80 3. AGUA DE MEZCLA

impurezas

fraguado

endurecimiento

corrosión

adherencia

expansión

aire

hidratación

incluido

PH

X

X

-----

----

----

----

----

sustancias

X

X

X

X

----

----

----

sulfatos

X

X

X

X

X

----

----

cloruros

X

X

X

----

----

-----

----

X

X

----

----

----

X

X

solubles

sustancias orgánicas solubles en eter

Tabla No. 3. 2 Efectos negativos sobre el concreto si se superan los valores límites Permisibles de sustancias en el agua. X : causa efecto negativo ----: no causa efecto negativo

Se considera que el agua no tendrá efecto significativo en las características de fraguado y de resistencia del mortero u hormigón, si cuando se ensaya como se especifica en las normas NTC 118 y 220 respectivamente, presenta lo siguiente: Tiempo de fraguado: Los tiempos de fraguado inicial del cemento, determinados a partir del agua de ensayo y del agua testigo, no deben diferir en más de 30 min. Resistencia a la compresión: El promedio de la resistencia a la compresión de los cubos de mortero hechos con agua de ensayo, evaluada a 7 días y 28 días, deberá ser mayor o igual al 90% de la resistencia promedio de los cubos de mortero hechos con el agua testigo.

3.6 TOMA DE MUESTRAS. Se debe tomar una muestra de agua no inferior a 5 l por un representante competente de las partes interesadas. La muestra debe ser representativa del agua que se esté empleando en la elaboración del mortero u hormigón. La muestra no debe recibir ningún tratamiento, adicional al contemplado por el suministro en volumen, antes de ser usada en el hormigón. La muestra debe almacenarse en un recipiente limpio previamente lavado con agua similar. La norma NTC 229 puede servir de guía sobre los métodos de muestreo. Puede reemplazarse el uso de colectores de muestras sofisticados por cualquier recipiente adecuado, ya que los primeros no son esenciales.

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81 3. AGUA DE MEZCLA

3.7 ENSAYOS. 3.7.1 MATERIALES. AGUA DESTILADA. Debe disponerse de una cantidad de agua destilada no menor de 5 l, la cual debe emplearse en los ensayos testigo y almacenarse en un recipiente limpio. Puede usarse agua desionizada. CEMENTO. Debe disponerse de una cantidad no menor de 15 kg de cemento, el cual debe ser del mismo tipo, en lo posible de la misma bachada o manufactura aunque no necesariamente; se evitará que sufra alguna alteración antes de ser empleado en el hormigón. Este cemento debe mezclarse completamente, y almacenarse en un recipiente hermético. El cemento debe cumplir con los requisitos de la norma NTC 121 y deberá tener un tiempo de fraguado inicial de por lo menos 30 min. Más que el tiempo mínimo de fraguado especificado en la norma, el cual no debe ser menor de 45 min.

3.7.2 PROCEDIMIENTO. Ensayo del tiempo de fraguado inicial: Se debe determinar el tiempo de fraguado inicial empleando agua de ensayo y cemento por el procedimiento descrito en la norma NTC 118. Se debe determinar el tiempo de fraguado inicial con el agua destilada y empleando el mismo cemento, siguiendo el procedimiento anterior. Es recomendable continuar con el ensayo para determinar el tiempo de fraguado final ya que su resultado puede ser útil. Ensayo de resistencia a la compresión: Se debe determinar la resistencia a la compresión, siguiendo el procedimiento descrito en la norma NTC 220, mediante los cubos de mortero de 50 mm de lado, elaborados con el agua de ensayo, cemento y arena limpia. Se determinará la resistencia a la compresión empleando el método anterior, con agua destilada, el mismo cemento y la misma arena. Los cubos deben ensayarse a los 7 días y 28 días después de su preparación. Se debe reportar la resistencia promedio de los cubos elaborados con agua de ensayo y con el agua testigo. Es aconsejable, a partir de las mismas mezclas de mortero, preparar cubos para ensayarlos a otras edades. 3.8 CRITERIOS DE ACEPTACIÓN O RECHAZO. Los valores que estén por fuera de los valores límites establecidos anteriormente para los tiempos de fraguado y para la resistencia a la compresión, implican que el agua está causando un perjuicio, por lo tanto, se debe conseguir una fuente alternativa de agua, o si la resistencia es menor que el 90% de los cubos de mortero testigo, se debe contemplar la modificación de las proporciones de la mezcla.

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82 3. AGUA DE MEZCLA

3.9 REFERENCIAS. 3.9.1 ANEFHOP (Agrupación Nacional Española de Fabricantes de Hormigón Preparado). Manual de consejos prácticos sobre hormigón. Madrid (España). 3.9.2 Código colombiano de construcciones sismo-resistentes. Capítulos C.3, Bogotá (Colombia). 1984.

Decreto 1400 de 1984.

3.9.3 ICONTEC. Agua para la elaboración de hormigón y morteros de cemento hidráulico (anteproyecto de norma ICONTEC C04.184/90). Bogotá (Colombia). 3.9.4 Instituto del concreto ASOCRETO (Tecnología y propiedades) 3.9.4 ICONTEC. Normas técnicas colombianas para el sector de la construcción - I. Bogotá (Colombia): Legis editores s. a. 1989. 3.9.5 NEVILLE, A. M. Tecnología del concreto tomo I y II. México: Instituto mexicano del cemento y del concreto. Primera edición, tercera reimpresión. 1980. 3.9.6 NORMAS COLOMBIANAS DE DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN SISMO RESISTENTE NSR/98, Asociación colombiana de ingeniería sísmica. Bogotá (Colombia). 1998. 3.9.7 PORTLAND CEMENT ASSOCIATION (P.C.A.). concreto. México: Limusa. Primera edición. 1978.

Proyecto y control de mezclas de

3.9.8 SANCHEZ DE GUZMAN, Diego. Tecnología del concreto y del mortero. (Colombia): Pontificia Universidad Javeriana. 1987.

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Bogotá

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83 4. MANEJABILIDAD DEL CONCRETO

CAPÍTULO 4 MANEJABILIDAD DEL CONCRETO

4.1 GENERALIDADES Y DETERMINACIÓN. La manejabilidad es una propiedad del concreto fresco que se refiere a la facilidad con que este puede ser: mezclado, manejado, transportado, colocado, compactado y terminado sin que pierda su homogeneidad (exude o se segregue). El grado de manejabilidad apropiado para cada estructura, depende del tamaño y forma del elemento que se vaya a construir, de la disposición y tamaño del refuerzo y de los métodos de colocación y compactación. Así por ejemplo, un elemento delgado o muy reforzado necesita una mezcla más fluida que un elemento masivo o poco reforzado. Un método indirecto para determinar la manejabilidad de una mezcla, consiste en medir su consistencia o fluidez por medio del ensayo de "asentamiento con el cono o slump" (NTC 396). Es una prueba que se usa comúnmente en las construcciones de todo el mundo; la prueba no mide la trabajabilidad del concreto, sino que determina la consistencia o fluidez de la mezcla; es muy útil para detectar variaciones en la uniformidad de una mezcla de proporciones determinadas. El molde para la prueba de asentamiento con el cono o slump es un tronco de cono de 10 cm de diámetro menor, 20 cm de diámetro mayor y 30 cm de altura; el tronco de cono se humedece y se coloca en una superficie rígida, plana, húmeda y no absorbente, con la abertura más pequeña hacia arriba.

Figura 4.1 Ensayo de asentamiento con el cono o slump.

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Se debe llenar con hormigón en tres capas de aproximadamente un tercio del volumen del molde cada una, apisonando cada capa 25 veces con una varilla lisa de 16 mm de diámetro, longitud 600 mm y redondeada en la punta; una vez compactada la última capa, la superficie superior se alisa a ras; inmediatamente después, se levanta lentamente el tronco de cono sin producir giro o torsión. Al faltarle apoyo, el concreto se asentará o revenirá. La disminución de la altura en la parte superior se llama asentamiento y se mide con una aproximación de 5 mm. Si en lugar de asentarse uniformemente el cono, como en un revenimiento normal, la mitad del cono se desliza en un plano inclinado, se dice que ha tenido lugar un asentamiento o revenimiento por corte y la prueba deberá repetirse. En la tabla No. 4.1 se presentan valores de asentamientos recomendados para concretos de diferentes grados de manejabilidad, según el tipo de obra y condiciones de colocación.

Consistencia Muy seca

Asentamiento (mm) 0-20

Seca

20-35

Semiseca

35-50

Media (plástica)

50-100

Húmeda

100-150

Muy Húmeda Super Fluida

150-200 Más de 200

Ejemplo de tipo de construcción

Sistema de colocación

Sistema de compactación

Prefabricados de alta resistencia, revestimiento de pantallas de cimentación. Pavimentos.

Con vibradores de Secciones sujetas a formaleta; concretos vibración extrema, puede de proyección requerirse presión. neumática (lanzados). Pavimentadoras con Secciones sujetas a terminadora vibratoria. vibración intensa. Secciones simplemente Pavimentos, fundaciones Colocación con reforzadas con vibración. en concreto simple. Losas máquinas operadas manualmente. poco reforzadas. Pavimentos compactados Colocación manual. Secciones simplemente a mano, losas, muros, reforzadas con vibración. vigas, columnas, cimentaciones. Elementos estructurales Bombeo. Secciones bastante esbeltos o muy reforzadas con vibración. reforzados. Elementos esbeltos, Tubo embudo tremie. Secciones altamente pilotes fundidos “in situ”. reforzadas sin vibración. Elementos muy esbeltos. Autonivelante, Secciones altamente autocompactante. reforzadas sin vibración y normalmente no adecuados para vibrarse.

Tabla No. 4.1 Asentamientos recomendados para diversos tipos de construcción y sistemas de colocación y compactación.4.3.15 Debe tenerse en cuenta que dos mezclas que tengan la misma consistencia no son igualmente manejables. Para que ello sea así, deben tener además el mismo grado de plasticidad. Esta propiedad puede observarse durante el ensayo de asentamiento, al golpear lateralmente el tronco de cono del concreto fresco con la varilla. Una mezcla plástica se asentará sin cambiar sustancialmente en forma; en cambio, una mezcla poco plástica se derrumbará y se desmenuzará. Por otra parte, mezclas de diferentes consistencias que sean difíciles de derrumbar con la varilla, posiblemente son mezclas ásperas con exceso de agregado grueso.

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Otra prueba que se utiliza para medir la trabajabilidad de una mezcla es la prueba de "la esfera de Kelly", fundamentalmente Norteamericana y se incluye en la norma ASTM C360-63. Consiste en determinar la profundidad a que un hemisferio de metal de 152 mm de diámetro y una masa de 13,6 kg se puede hundirá bajo su propia masa en concreto fresco. El uso de esta prueba se asemeja a la de asentamiento, es decir, consiste en una verificación rutinaria de la consistencia del concreto para fines de control. En particular, la prueba de la esfera es más sencilla y más rápida de hacer y lo que es más importante, puede aplicarse al concreto en una carretilla o en formaleta. A fin de evitar efectos de límites, la profundidad del concreto que se prueba no debe ser menor de 200 mm, ni la menor dimensión lateral de 460 mm. En la tabla No. 4.2 se presenta la correlación aproximada entre las pruebas de asentamiento con el cono o slump y la esfera de Kelly. Otras pruebas que tratan de medir la trabajabilidad del concreto fresco, pero de uso menos frecuente son las siguientes: prueba del factor de compactación, prueba de Vebe y prueba de fluidez (empleada generalmente para morteros). Figura 4.2 Esfera de Kelly. PENETRACIÓN ESFERA KELLY (mm) 15 20 25 30 35 40 45 50

ASENTAMIENTO CON EL CONO (mm) 20 30 40 50 60 70 80 90

Tabla No. 4.2 Correlación entre el ensayo de asentamiento con el cono o slump y la esfera de Kelly. 4.3.8 La manejabilidad se ha tratado, hasta aquí, únicamente como una propiedad del concreto fresco; sin embargo es también vital en el producto terminado, pues de ella depende que la compactación a máxima densidad sea posible con una cantidad moderada de trabajo o con el esfuerzo que se esté dispuesto a invertir en determinadas condiciones.

4.2 FACTORES QUE INFLUYEN EN LA MANEJABILIDAD 4.3.6 Los factores más importantes que influyen en la manejabilidad de una mezcla, son los siguientes:

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4.2.1 GRADACIÓN DEL AGREGADO FINO. Una arena mal gradada, con exceso o defecto de partículas de un tamaño dado, puede presentar una gran cantidad de espacios vacíos que deben ser llenados con pasta de cemento y agua para que la mezcla sea manejable y no quede porosa. Las recomendaciones más importantes, relacionadas con la gradación de la arena, se pueden resumir en las siguientes: A) El agregado fino no debe retener más de un 45% entre dos mallas consecutivas, considerando la serie de tamices números 4, 8, 16, 30, 50 y 100. B) Para que la mezcla sea más manejable, cohesiva, tenga menos agua superficial y presente buena textura para un buen acabado, el agregado fino que se utilice, especialmente en muros delgados con acabado liso, debe tener más de un 15% de partículas que pase por la malla No. 50 (297 µm) y más de un 4% por la malla No. 100 (149 µm). C) Debe evitarse la utilización de arenas muy finas o muy gruesas; con las primeras se obtendrán mezclas que se segregan y con las segundas mezclas ásperas. 4.2.2 GRADACIÓN DEL AGREGADO GRUESO. Con respecto a la gradación del agregado grueso puede decirse lo mismo que para el agregado fino. Una grava o un triturado mal gradado, presentará exceso de vacíos que deben ser llenados con mortero para que la mezcla sea manejable. Un concepto diferente sobre la influencia de la granulometría de los agregados en la manejabilidad, resistencia y contenido de cemento de una mezcla se emplea para dosificar concretos de granulometría discontinua; si se utiliza un agregado grueso de granulometría discontinua (eliminando tamaños intermedios) y un agregado fino en el cual se descartan las partículas más finas, es posible obtener una igual resistencia con un menor contenido de cemento e igual manejabilidad que con unos agregados de granulometría continua. Tal fenómeno se atribuye al hecho de que las partículas individuales se colocan de tal manera que quedan en contacto unas con otras, los vacíos se llenan con una matriz uniforme y las cargas de compresión son transmitidas especialmente por el contacto directo entre las partículas del agregado grueso y no por el mortero (que es más débil). Este último transmite los esfuerzos de tracción y cizalladura. 4.2.3 FORMA Y TEXTURA SUPERFICIAL DE LOS AGREGADOS. Los agregados gruesos con partículas alargadas, aplanadas, ásperas, rugosas y angulosas, exigen una mayor cantidad de mortero en una mezcla que los compuestos por partículas redondeadas y lisas, para conservar una manejabilidad comparable. Para los agregados finos, a su vez, puede hacerse la misma observación, con respecto al contenido de agua o de pasta. Las principales recomendaciones relacionadas con la forma y textura de los agregados son las siguientes:

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A) Debe tratar de utilizarse, en lo posible, las arenas naturales en lugar de las obtenidas durante el proceso de trituración de rocas (arenas manufacturadas o trituradas). B) Entre los agregados gruesos especialmente los triturados, deben preferirse los que tienen forma aproximadamente redondeada o cúbica. Puede permitirse un porcentaje moderado de partículas aplanadas o alargadas para que su efecto en la manejabilidad de la mezcla no sea importante (máximo 15%). 4.2.4 CANTIDADES RELATIVAS DE PASTA Y AGREGADOS. La manejabilidad del concreto fresco está determinada por el efecto lubricante de la pasta de cemento y agua, el cual está influenciado por la cantidad de pasta con respecto a la de los agregados. Si esta relación tiene un valor alto los agregados podrán moverse libremente dentro de la masa de concreto. Si la cantidad de pasta se reduce hasta un punto en que no es suficiente para llenar los espacios vacíos y permitir que los agregados "floten", la mezcla se volverá granulosa y áspera. 4.2.5 FLUIDEZ DE LA PASTA. Para una cantidad de pasta y agregados, la plasticidad de la mezcla dependerá de las cantidades relativas de agua y cemento en la pasta. Una pasta con poca agua y mucho cemento será muy rígida, no podrá admitir la adición de los agregados sin llegar a ser enteramente inmanejable. Por el contrario, si el contenido de agua es alto y del cemento es bajo, la pasta puede llegar a ser tan fluida que no es capaz de impedir la segregación de los agregados (especialmente de los tamaños gruesos); los sólidos más pesados se asentarán y el agua se acumulará en la superficie de la mezcla produciendo el fenómeno conocido como exudación. La pasta fresca es una suspensión, más no una solución de cemento en agua. Mientras más diluida, mayor será el espacio entre las partículas de cemento y entonces más débil será la estructura de la pasta en cualquier estado de hidratación de la misma. Por lo tanto, en mezclas plásticas la resistencia del concreto variará como una función inversa de la relación agua/cemento, la cual es una manera de expresar el grado de dilución de la pasta.

Figura 4.3 Segregación de agregados

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4.2.6 CONTENIDO DE AIRE. Durante las operaciones de dosificación y mezcla del concreto es introducido un volumen de aire variable en cantidad, tamaño y forma de las burbujas, denominado generalmente como "aire atrapado"; si estas burbujas permanecen dentro del concreto ocupando un porcentaje considerable del volumen, se obtiene un descenso importante en la resistencia potencial de la mezcla y en su durabilidad; de allí que no deba ahorrarse esfuerzo para lograr una adecuada compactación del concreto. Por otro lado, el aire que es introducido intencionalmente en el concreto fresco en forma de esferoides uniformemente distribuidos y aislados, de diámetros variables entre 0,07 y 1,25 mm produce algunos efectos deseables en el concreto; este aire se denomina "aire incorporado o incluido". Con respecto al concreto fresco aumenta la plasticidad de la mezcla y reduce la exudación y la segregación; la manejabilidad es mejorada en parte porque las burbujas de aire aumentan el volumen de mortero; además, su forma es flexible y ayudan al movimiento de las partículas de agregado. La inclusión de aire mejora en el concreto endurecido la resistencia al congelamiento y al deshielo lo mismo que a la fusión, por lo tanto mejora su durabilidad. La consistencia de una mezcla puede conservarse si el volumen de arena se reduce en la misma cantidad que se aumentó el contenido de aire; si se hace esta reducción, es posible disminuir el contenido de agua en un 3% por cada 1% de aire incorporado y de esta forma recuperar parte de la resistencia mecánica que se pierde por la presencia de vacíos dentro del concreto. El contenido de aire aumentará en una mezcla cuando se presenten las siguientes variaciones: - Una mayor cantidad de agentes aireantes. - Mezclas más pobres en cemento. - Agregados con tamaño máximo menor. - Mayor cantidad de arena. - Consistencias más húmedas. - Operaciones de mezclado más fuertes y prolongadas. El contenido de aire, en una mezcla se puede determinar de acuerdo con el método de la presión, NTC 1032; este método se basa en la ley de Boyle, que relaciona a la presión con el volumen. Muchos de los instrumentos de este tipo que se pueden adquirir, se calibran para que den lecturas directas de la proporción de aire cuando se les aplica una presión determinada; la presión aplicada comprime el aire que está dentro de la muestra de concreto, incluyendo el aire de los poros del agregado; por esta razón las pruebas hechas con este método en los concretos fabricados con agregado ligero u otros materiales porosos pueden dar resultados erróneos. Los factores de corrección para la mayor parte de agregados de masa normal son relativamente constantes y aunque son pequeños deben aplicarse. El instrumento debe calibrarse para las diferentes elevaciones sobre el nivel del mar, si se va a usar en localidades que tengan grandes diferencias de elevación. En algunos medidores se utiliza el cambio de presión a que se somete un volumen de aire conocido y no los afecta el cambio de altura.

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Los medidores del tipo de presión se usan mucho porque no es necesario conocer las proporciones de la mezcla ni las densidades de los materiales, además el tiempo necesario para hacer la prueba es menor que el que requiere el método volumétrico. Otra forma para determinar el contenido de aire es mediante el método volumétrico, NTC 1028, en el cual se extrae el aire de un volumen conocido de concreto agitándolo en un exceso de agua. Este método puede usarse con hormigón que contenga cualquier tipo de agregados incluyendo los materiales porosos o ligeros. A esta prueba no la afecta la presión atmosférica, ni es necesario conocer la densidad de los materiales, ni las proporciones de la mezcla. Debe tenerse cuidado de agitar la muestra lo suficiente para extraer todo el aire. Un tercer método es el gravimétrico, en este método se utiliza la misma prueba que determina la masa unitaria del concreto (ASTM C 138); por este procedimiento deberá conocerse con precisión las proporciones de la mezcla y las densidades de los materiales, pues de otra manera los resultados serán erróneos. La determinación del contenido de aire, en porcentaje por volumen, se realiza de acuerdo a lo siguiente: Contenido de aire = 100 * (1- Wr/Wt)

(4.1)

(% por volumen)

Wr = Masa unitaria real por unidad de volumen (ASTM C138) Wr = Masa de la mezcla fresca (contenida en un recipiente) Volumen del recipiente

Wt = Masa unitaria teórica Wt = Σ masas de los materiales que componen la mezcla Σ volúmenes absolutos de los materiales de la mezcla Volumen Absoluto =

Masa (seca) del material Densidad o Densidad aparente seca del material

(4.2)

La siguiente tabla presenta las cantidades recomendables de aire total (atrapado mas incorporado) y las cantidades promedio de aire atrapado en mezclas de concreto. TAMAÑO MÁXIMO DEL AGREGADO GRUESO 9,5 mm (3/8”) 19,1 mm (3/4”) 38,1 mm (1 ½”) 76,2 mm (3”)

CANTIDAD DE AIRE RECOMENDABLE (ATRAPADO + INCORPORADO (%)) 6 – 10 4–8 3–6 1,5 – 4,5

CANTIDAD PROMEDIO. AIRE ATRAPADO (%) 3,0 2,0 1,0 0,3

Tabla No. 4.3 Cantidades de aire en mezclas de concreto. 4.3.6

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4.2.7 CONTENIDO DE AGUA Y AGREGADO GRUESO. Las experiencias de investigadores tales como: Dunagan, Kellerman y Goldbeck, indican que la manejabilidad y consistencia de una mezcla preparada con unos materiales dados, quedará aproximadamente constante si a la vez los contenidos de agua y agregados gruesos por m3 de concreto se mantienen constantes; o sea que para modificar la relación agua/cemento, se varían o intercambian los volúmenes absolutos de cemento y arena. También se encontró que si se utiliza una arena de un determinado módulo de finura y agregado grueso de tamaño máximo dado, cuando se mantiene constante el volumen compactado de agregado grueso por m3 de concreto, se obtiene el mismo asentamiento cualquiera que sea la relación agua/cemento empleada. En la tabla No. 4.4 se da la cantidad de agua recomendada, en kg por m3 de concreto, para los tamaños máximos nominales indicados y de acuerdo al valor del asentamiento, para concreto sin aire incluido y para concreto con aire incorporado. Una mezcla de concreto o mortero es básicamente: Volumen Absoluto + Agua

Volumen Absoluto Cemento

+

Volumen Absoluto + Agregados

Volumen Absoluto Aditivos

+

Volumen Aire = incorporado

Vol. Unitario. de mezcla (1 m3)

En los casos donde no se incorpora aire en la mezcla, el volumen de aire atrapado se desprecia, este aire debe tratar de eliminarse en su totalidad para no afectar la resistencia mecánica ni la durabilidad. CONCRETOS SIN AIRE INCLUIDO TAMAÑOS MÁXIMOS NOMINALES (mm) 10 13 19 25 38 50 0,0 – 2,5 185 180 165 160 140 135 3,0 – 5,0 205 200 185 180 160 155 5,5 – 7,5 215 210 190 185 170 165 8,0 – 10,0 225 215 200 195 175 170 10,5 – 15,0 235 225 205 200 180 175 15,5 – 18,0 240 230 210 205 185 180 % CONTENIDO DE AIRE 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 CONCRETOS CON AIRE INCLUIDO ASENTAMIENTO (cm) TAMAÑOS MÁXIMOS NOMINALES (mm) 10 13 19 25 38 50 0,0 – 2,5 175 170 155 150 135 130 3,0 – 5,0 180 175 165 160 145 140 5,5 – 7,5 190 185 175 170 155 150 8,0 – 10,0 200 190 180 175 165 155 10,5 – 15,0 210 195 185 180 170 160 15,5 – 18,0 215 205 190 185 175 165 % CONTENIDO DE AIRE 8,0 7,0 6,0 5,0 4,5 4,0 ASENTAMIENTO (cm)

75 125 145 155 165 170 175 0,3

75 120 135 145 150 155 160 3,5

Tabla No. 4. 4 Cantidad de agua recomendada, en kg por m3 de concreto, para los tamaños máximos nominales indicados y de acuerdo al valor del asentamiento. 4.3.8

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91 4. MANEJABILIDAD DEL CONCRETO

La situación más corriente de mezclas de concreto que se presenta es: Así por ejemplo: Vol.

Abs. + Cemento

Vol. Abs. Ag. fino

+

Vol. Abs. Ag. grueso

+

Vol. Abs. Agua

Constante

(dm3) (dm3) (dm3) (dm3) (dm3)

Agua Cemento Ag. Fino Ag. Grueso Vol. Total

= = = = =

1 m3 de mezcla

=

Asentamiento igual

Mezcla 1

Mezcla 2

Mezcla 3

180 125 245 450 1000

180 135 235 450 1000

160 130 260 450 1000

De acuerdo a los resultados de las investigaciones de Dunagan, Kellerman y Goldbeck, en estas mezclas realizadas con los mismos materiales, la mezcla 1 y la mezcla 2 tendrán aproximadamente el mismo asentamiento y la mezcla 3 tendrá menor slump.

4.2.8 PORCENTAJE DE ARENA EN EL AGREGADO TOTAL. Mezclas que tengan un bajo porcentaje de arena son difíciles de colocar, terminar y tienden a producir segregación y exudación. Por otra parte, cuando el porcentaje de arena es elevado será necesario añadir una cantidad excesiva de agua o de pasta para que la mezcla sea manejable. En general, el porcentaje de arena que requiere una mezcla preparada con una pasta dada (relación agua/cemento fija), para obtener una manejabilidad determinada es menor si la arena es fina y mayor si la arena es gruesa. % ARENA =

MASA DE LA ARENA * 100 MASA TOTAL AGREGADO

(4.3)

4.2.9 ADITIVOS. Para mejorar la manejabilidad de la mezcla, especialmente cuando los agregados son deficientes en finos o cuando el cemento tiene tendencia a producir exudación, se pueden usar aditivos en forma de polvo fino, tales como: cal hidratada, pumicita, tierra diatomácea, bentonita y cenizas. El uso de estos aditivos generalmente obliga a utilizar una mayor relación agua / cemento y por lo tanto es necesario hacer un ajuste en la mezcla para que no se presenten efectos adversos tales como disminución en la resistencia, durabilidad y aumento en la retracción del concreto.

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Existen en el mercado una serie de agentes plastificantes con los cuales es posible aumentar el asentamiento de una mezcla determinada, sin aumentar el agua, o mejorar la manejabilidad de mezclas que contengan agregados ásperos o mal gradados.

4.2.10 FACTORES EXTERNOS. Entre ellos tenemos: 4.2.10.1 Métodos de mezclado (manual o mecánico). Si el mezclado se realiza manual, se requerirá un concreto de consistencia más fluida que si el mezclado es mecánico. 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 hacer una masa uniforme; además, esta uniformidad no debe perturbarse por el proceso de descarga en la mezcladora.

Figuras 4.4 y 4.5

Mezclado manual (izquierda) Mezclado mecánico (derecha)

4.2.10.1.1 Mezclado mecánico. De hecho, el método de descarga constituye una de las bases de clasificación de las mezcladoras de concreto. Existen varios tipos, en la mezcladora basculante, la cámara de mezclado, conocida como olla, se inclina para la descarga; la olla es usualmente cónica con aspas en su interior, y la eficiencia de la operación de mezclado depende de detalles de diseño. En ella, la acción de descarga es generalmente buena, ya que el concreto puede sacarse rápidamente como una masa sin segregación tan pronto como la olla se inclina. En las no basculantes el eje de la mezcladora está siempre horizontal y la descarga se obtiene mediante un canalón que se inserta en la olla o al invertir el sentido de rotación de la olla o algunas veces, abriendo la misma; se cargan siempre por medio de tolvas cargadoras.

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Figuras 4.6 y 4.7

Mezcladora basculante (izquierda) Mezcladora no basculante (derecha)

El tamaño nominal de una mezcladora se basa en el volumen del concreto que puede preparar en una sola operación (bachada). Las mezcladoras se hacen en una variedad de tamaños, que van desde 0,04 m3 para uso en laboratorios hasta 13 m3; las más empleadas en obras pequeñas son las de 6, 9 y 12 pies cúbicos (designación dada por los fabricantes) o sea 0,17, 0,25 y 0,34 m3 respectivamente. No pueden darse reglas estrictas sobre el orden de alimentación de los materiales en la mezcladora, ya que dependen de las propiedades tanto de la mezcla como de la mezcladora. Generalmente una pequeña cantidad de agua (≈20%) debe colocarse al principio, seguida por todos los materiales sólidos (de mayor a menor según el tamaño de las partículas), que de ser posible han de colocarse uniforme y simultáneamente dentro de la mezcladora. Si se puede, la mayor parte del agua restante debe añadirse al mismo tiempo, dejando el resto para después de mezclar los materiales sólidos. Con algunas mezcladoras de olla, sin embargo, cuando se usa una mezcla muy seca es necesario poner en la mezcladora algo de agua y todo el agregado grueso, ya que de otra manera la superficie no queda suficientemente húmeda. Con pequeñas mezcladoras, especialmente de turbina, se ha encontrado que conviene alimentar la mezcladora primero con arena, una parte del agregado grueso y cemento, después se pone el agua y finalmente el resto del agregado grueso, para así romper cualquier grumo en el mortero.

4.2.10.1.1.1 Tiempo de Mezclado. En las obras siempre se tiende a mezclar el concreto tan rápidamente como sea posible y por lo tanto, es importante saber cual es el tiempo mínimo de mezclado necesario para producir un concreto uniforme en composición y como resultado de esto, de resistencia satisfactoria. Este tiempo varía con el tipo de mezcladora que se usa y en un sentido estricto no es el tiempo de mezclado sino el número de revoluciones de la mezcladora el que marca el criterio a seguir para un mezclado adecuado. Generalmente, alrededor de 20 revoluciones son suficientes para una bachada, sin embargo, ya que existe una velocidad de rotación óptima recomendada por el fabricante de la mezcladora (velocidad de mezclado ≈10-20 rpm; velocidad de agitado ≈2-6 rpm), el número de revoluciones y el tiempo de mezclado son interdependientes.

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En la tabla No. 4.5 se dan los tiempos mínimos de mezclado recomendados por la ASTM. CAPACIDAD DE LA MEZCLADORA (m3)

TIEMPO MÍNIMO DE MEZCLADO (Minutos)

≤ 0,8 1,5 2,3 3,1 3,8 4,6 7,6

1 1¼ 1½ 1,75 2 2¼ 3¼

Tabla No. 4.5 Tiempos mínimos de mezclado recomendados. 4.3.8 La norma NSR/98 establece que “El mezclado debe continuarse por lo menos durante un minuto y medio después de que todos los materiales están en la mezcladora, a menos que con un tiempo menor se cumplan los requisitos de uniformidad de la Norma NTC 3318 (ASTM C94.)”4.3.9. Lo anterior lo fija la norma NTC 3318 para mezcladoras hasta de 1 m3; para mezcladoras de mayor capacidad, esta norma establece que el tiempo mínimo (90 s) debe incrementarse en 20 s por cada m3 o fracción adicional. 4.2.10.1.2 Mezclado a mano. El mezclado de concreto manual es caro en mano de obra y por ello, no es sorprendente que las mezcladoras mecánicas se usen desde hace muchos años, pero puede haber ocasiones en que el concreto tenga que ser mezclado a mano; debido a que en este caso la uniformidad es más difícil de conseguir, es necesario aplicar más esfuerzo y tener un cuidado especial. Cada vez que se realiza una mezcla recibe el nombre de tanda. Se podrán utilizar una o más veces las proporciones de la mezcla de acuerdo con el número de sacos de cemento que se empleen y la cantidad que se necesite. La mezcla se debe hacer sobre un piso limpio, plano que no absorba agua. Lo mejor es mezclar sobre un piso de concreto, un entarimado de madera o una lámina metálica, nunca sobre el suelo directamente ya que al palear la mezcla, puede resultar suelo fino dentro del concreto disminuyendo su calidad. Se coloca el cajón medidor encima del piso sobre el que se va a mezclar, se llena con arena suelta y se enrasa, teniendo en cuenta retirar del piso la arena que sobra, esto se repite tantas veces como sea necesario para completar las proporciones que se deseen; a continuación se riega toda la arena sobre el piso, formando una capa de unos 10 cm de espesor. Se coloca sobre la arena los bultos de cemento indicados según la proporción de la mezcla, con la pala se riega el cemento sobre la arena de modo que la tape toda; se mezcla la arena y el cemento pasándolos con la pala de un sitio a otro dos o tres veces mínimo, hasta que no se noten partes con más cemento que otras; se adiciona el agregado grueso y se repite el mezclado hasta que la mezcla sea uniforme, luego se añade el agua medida, gradualmente, de manera que ni el agua ni el cemento puedan regarse; se traspalea nuevamente hasta obtener un color y una consistencia uniforme.

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95 4. MANEJABILIDAD DEL CONCRETO

4.2.10.2 Sistema de transporte. (carretillas, vagonetas, bandas, cucharones, bombeo, etc.). Dependiendo del sistema de transporte a utilizar en la obra se puede emplear una mezcla más o menos plástica, así por ejemplo, la consistencia de una mezcla que se vaya a bombear deberá ser mayor que si se va a transportar en carretillas. Sin embargo, el método para manejar y transportar el concreto y el equipo usado no debe constituir una restricción para la consistencia del hormigón.

Figura 4.8

Medio de Transporte del Concreto: Mixer.

4.2.10.2.1 Carretillas o vagonetas. Estas se deben encontrar limpias y secas al comenzar la tarea. Al mover la mezcla, las partículas más grandes tienden a irse hasta la parte inferior del recipiente, separándose de la arena, el cemento y el agua, lo que se conoce como segregación. Para impedir que esto ocurra se debe evitar los golpes y las vibraciones del recipiente. Cuando el transporte se realiza a una distancia considerable se debe evitar contaminación con polvo, arena o desperdicios, o la evaporación del agua, para evitar esto se debe cubrir con un plástico o con un material similar (también en caso de lluvia).

Figura 4.9 y 4.10 Carretilla manual (Izquierda) y Equipo motorizado (Derecha)

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96 4. MANEJABILIDAD DEL CONCRETO

4.2.10.2.2 Bandas. Los transportadores de banda se pueden usar para acarrear concreto si se toman ciertas precauciones para evitar segregación, pérdida perjudicial en el asentamiento y pérdida de mortero en la banda de retorno. La segregación ocurre principalmente en los puntos de transferencia y en los extremos de los transportadores y puede evitarse usando las tolvas adecuadas y canaletas de caída. La pérdida de asentamiento la causa generalmente la evaporación o la elevación de temperatura y puede disminuirse al mínimo protegiendo el transportador del sol y del viento. La mezcla que se pega a la banda debe rasparse en el punto de descarga.

4.2.10.2.3 Cucharones. Los cucharones se hacen de diferentes formas y tamaños, algunas veces su volumen llega hasta 8 yardas cúbicas (≈ 6,12 m3) para diferentes aplicaciones. Algunos cucharones, que se usan principalmente en obras de gran masa, tienen secciones rectangulares, pero la mayor parte de ellos tienen sección circular. El concreto se extrae abriendo una compuerta que forma el fondo del cucharón. Para obras de gran masa los cucharones a menudo tienen costados rectos con compuertas que se abren a toda el área del fondo. Para la mayor parte de trabajos se prefieren los cucharones en que se reduce su sección hasta una compuerta menor. En las obras pequeñas se prefiere los cucharones con compuertas que puedan regularse para controlar la salida del concreto y cerrarse después de haber vaciado parte del hormigón. Las compuertas pueden funcionar manualmente o por medios mecánicos o neumáticos. Cuando se manejan los cucharones por medio de cable-vía o cableguía, las compuertas operadas mecánica o neumáticamente son las más seguras, ya que la descarga puede efectuarse sin sacudir bruscamente el cable-vía. Los cucharones se manejan y transportan por medio de: grúas, plumas, montacargas, cable-vía, carros de ferrocarril, camiones o por una combinación de estos medios. Cualquiera que sea el método usado, debe tenerse cuidado en evitar tirones y sacudidas; estos pueden producir segregación especialmente si el concreto está relativamente fluido.

Figura 4.11 Cucharón 4.2.10.2.4 Bombeo de concreto. Este medio de transporte requiere del uso de una mezcla con propiedades especiales de manejabilidad. El sistema consta esencialmente de una tolva donde el concreto se descarga de la mezcladora, una bomba de concreto y una tubería a través de la cual se bombea el concreto.

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97 4. MANEJABILIDAD DEL CONCRETO

Muchas bombas son de acción directa, del tipo de émbolo horizontal con sistema de válvulas semirotatorias para permitir siempre el paso de las partículas más grandes del agregado que se use, con el fin de evitar un cierre total. El concreto se alimenta a la bomba por gravedad y se succiona también en parte durante la carrera de succión. Las válvulas se abren y se cierran con pausas definidas de modo que, aunque el concreto se mueva en una serie de impulsos, la tubería permanece siempre llena. La tubería es generalmente de acero y puede ser de 6, 7, o de 8 pulgadas de diámetro exterior (15,24, 17,78 o 20,32 cm) y 3/16 de pulgada de espesor; el diámetro mínimo debe ser 3 veces el tamaño máximo del agregado. La distancia máxima de bombeo puede reducirse mucho por curvas y tramos muy inclinados.

Figura 4.12 Bombeo de concreto

Recientemente se han introducido pequeñas bombas portátiles, para el uso con tuberías pequeñas (hasta 75 o 100 mm). El concreto colocado en una tolva recolectora es alimentado por aspas rotatorias dentro de una tubería flexible localizada en la cámara de bombeo.

4.2.10.3 Tipos de colocación (caída libre, canaletas, trompa de elefante, etc.). Dependiendo del tipo de colocación que se vaya a emplear en la obra se puede requerir una mezcla de una determinada trabajabilidad; así por ejemplo, una mezcla colocada en caída libre desde una altura de 1,20 m. requiere una consistencia diferente a una mezcla colocada por canaleta o mediante una manguera flexible, con altura de caída de 20 cm. El hormigón debe depositarse, en lo posible, cerca o en su posición final con el fin de evitar la segregación. Durante la colocación la velocidad de vaciado debe permitir al concreto conservarse en estado plástico y fluir fácilmente entre los espacios de las varillas; el concreto parcialmente endurecido o contaminado con materiales extraños, no debe colocarse en las formaletas. No debe utilizarse concreto al que después de preparado se le ha adicionado agua para mejorar su plasticidad, ni el que haya sido mezclado nuevamente después del fraguado inicial. La operación de vaciado debe realizarse continuamente hasta completar una sección determinada.

Figura 4.13 Tipo de colocación: Trompa de elefante

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98 4. MANEJABILIDAD DEL CONCRETO

En la construcción de losas la colocación deberá empezarse desde el perímetro, en un extremo, vaciando cada tanda contra el concreto colocado anteriormente. El concreto no debe vaciarse formando montones separados, nivelándolos y juntándolos después; tampoco se debe vaciar formando grandes montones, llevándolo luego a su posición final. En los muros, las primeras tandas deberán colocarse en los extremos de la sección y luego ir llenando hacia el centro. Este procedimiento puede emplearse también en vigas y trabes. En todos los casos, deberá evitarse que el agua se junte en los extremos y esquinas de los moldes y a lo largo de las caras. En general, el hormigón debe colocarse en capas horizontales de espesor uniforme, debiéndose compactar completamente cada capa antes de depositar la siguiente. Las capas deben tener un espesor de 15 a 35 cm en elementos reforzados y de 35 a 50 cm en obras de gran masa, dependiendo el espesor, de la anchura entre moldes y de la cantidad de refuerzo. El concreto no deberá moverse horizontalmente en distancias largas dentro de la formaleta o en las losas. El concreto se debe vaciar desde poca altura para evitar que al caer las partículas más grandes queden en el fondo y las más pequeñas en la superficie; se recomienda una altura no mayor a 1,50 m. En lo posible, el hormigón se debe colocar al aire y no en el agua; sin embargo, cuando se debe depositar bajo el agua el trabajo debe hacerse bajo supervisión experimentada y tomando muchas precauciones. Se usan varios métodos para colocar el concreto bajo el agua, siendo el más común el que emplea el embudo con tubo largo. El aparato consta de un tubo recto, lo suficientemente largo para que llegue hasta el punto más bajo al que se va a colocar desde una plataforma colocada arriba del agua. Se coloca una tolva en el extremo superior; el extremo inferior se mantiene sumergido todo el tiempo en concreto fresco para formar un cierre hermético y empujar el concreto hasta su posición por presión. El hormigón debe ser plástico y cohesivo, que corra con facilidad y usualmente con un asentamiento de 10 a 15 cm (obtenido con plastificantes); la mezcla deberá ser más rica en cemento que cuando se coloca fuera del agua. El vaciado deberá hacerse en forma continua, perturbando lo menos posible el concreto depositado con anterioridad, la superficie superior se mantendrá a nivel todo lo que sea posible. También puede colocarse el concreto bajo el agua mediante cucharones especiales que descargan por el fondo o con cucharones que bombean, o con bombas. Para la colocación de concreto en clima cálido se presentan algunos problemas especiales, causados tanto por la alta temperatura del concreto como en muchos casos por la mayor evaporación en la mezcla fresca. Estos problemas son relativos al mezclado, la colocación y el cuidado del concreto. Una mayor temperatura en el concreto fresco produce una hidratación más rápida y se necesita más agua en la mezcla para obtener la misma consistencia, esto conduce por lo tanto a un fraguado más rápido y una resistencia más baja del concreto endurecido porque se aumenta la relación agua/cemento y se establece una estructura más débil y menos uniforme de gel; más aún, una evaporación rápida puede causar contracción plástica y agrietamiento superficial porque el enfriado posterior del concreto endurecido introduce esfuerzos de tensión.

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99 4. MANEJABILIDAD DEL CONCRETO

La temperatura del concreto fresco se recomienda que no sea superior a 32 °C (90 °F), en el caso que se requiera bajar la temperatura se deberán enfriar los agregados y/o utilizar agua fría o hielo (escarcha) siempre y cuando esté completamente fundido cuando se termine el mezclado. En clima frío deberá proporcionarse la protección adecuada cuando se presenten temperaturas iguales o inferiores a 4 °C (40 °F) durante la colocación y durante el curado. La baja temperatura hace que el cemento se hidrate más lentamente, por lo tanto la mezcla va a permanecer fluida durante más tiempo y el incremento de resistencia es menor. Es conveniente usar concreto con aire incluido durante el tiempo frío, para reducir la posibilidad de daño por los cambios de congelamiento a fusión. Se dispondrá de la protección necesaria hasta que el hormigón haya alcanzado las propiedades mínimas requeridas. Para proteger el concreto deberá planificarse con anticipación, disponer del equipo adecuado para calentar los materiales, construir recintos (si se requiere) para mantener temperaturas favorables, etc. Para adquirir resistencia más rápidamente se puede usar uno o la combinación de varios de los siguientes recursos: - Utilizar cemento Pórtland tipo 3 - Baja relación agua/cemento - Aditivos aceleradores - Mayor temperatura de curado (curado a vapor) Los materiales componentes del concreto, el refuerzo, la formaleta, los rellenos y el suelo, que van a estar en contacto con el concreto, deben estar libres de escarcha; no deben utilizarse materiales congelados o que contengan hielo.

4.2.10.4 Tipos de compactación (manual, con vibración, al vacío, etc.). El proceso de compactación del concreto consiste esencialmente en la eliminación de aire atrapado, por lo tanto una mezcla de consistencia seca requiere una compactación más enérgica que una mezcla fluida. En los más antiguos métodos se apisonaba o consolidaba la superficie del concreto a fin de desalojar el aire y juntar las partículas en una configuración más estrecha. En la actualidad éste tipo de compactación, de forma manual, se hace cada vez menos usual, dando paso a un método más moderno, el método de vibrado. 4.2.10.4.1 Compactación manual. La compactación manual es el método más elemental, el que da menos rendimiento y su uso va decayendo día tras día. Los pisones manuales constan generalmente de una placa de hierro cuadrada o redonda con lado o diámetro que varía entre 10 y 15 cm, masa media de 15 kg y manipulado por medio de un mástil, comúnmente de madera. Cuando se trata de apisonar elementos de reducidas dimensiones, suelen emplearse pisones mucho más manejables y rápidos, no excediendo normalmente de 7 kg de masa. La reducción máxima de volumen por este método de compactación es aproximadamente de un 20%, valor que depende de la clase de agregados empleados, granulometría, etc.

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100 4. MANEJABILIDAD DEL CONCRETO

El apisonado debe efectuarse sin interrupción en lo posible, toda la superficie del hormigón debe ser apisonada de una manera uniforme, los golpes deben repetirse en un mismo lugar pero sin llegar a ser violentos, ya que tendría lugar una segregación de las zonas próximas recién compactadas. 4.2.10.4.2 Vibrado del concreto. El método más moderno de compactación del hormigón es la vibración, por medio de la cual las partículas se separan momentáneamente, lo cual permite acomodarlas en una parte compacta. El uso de la vibración como método de compactación hace posible usar mezclas más secas que las que pueden ser compactadas a mano (reducción de volumen hasta de un 40%). De hecho las mezclas extremadamente duras y secas pueden ser vibradas satisfactoriamente, a fin de hacer concreto de una resistencia deseada con un menor contenido de cemento, esto significa un ahorro en costo; pero en contra tenemos que considerar el costo de equipo de vibrado y de una formaleta más fuerte y rígida. En cualquier caso el factor clave reside en el costo de mano de obra si la elección se hace con base al costo exclusivamente. En lo que a la calidad del concreto concierne, tanto la vibración como la compactación manual, con la mezcla justa y buena calidad de mano de obra pueden producir un excelente concreto; así mismo, ambos medios de compactación pueden producir concreto de baja calidad; en el caso del concreto apisonado a mano la causa más común es la compactación inadecuada, cuando se usa vibración es posible que no se aplique uniformemente a la masa completa de concreto, de modo que algunas de sus partes no queden compactadas del todo, mientras que otras se segregan debido a la sobre - vibración. 4.2.10.4.2.1 Vibración Interna. La vibración interna llamada también "pervibración", consiste en aplicar directamente al hormigón la acción de la vibración, colocando un aparato en el interior de la masa que se desea vibrar; la cantidad de concreto vibrado en un tiempo determinado depende de la rapidez de desplazamiento, de la eficiencia del vibrador y de la consistencia de la mezcla; la compactación de la mezcla se realiza más enérgicamente que en los otros métodos de vibración. La pervibración se aplica preferentemente en la fabricación de vigas, cimientos, muros, etc. La frecuencia puede variar entre 6000 y 30000 vibraciones por minuto, siendo las más eficaces las frecuencias comprendidas entre 10000 y 18000 vibraciones por minuto. Estos vibradores se basan casi exclusivamente sobre el principio de una masa excéntrica sometida a rotación, pero existen algunos tipos basados en el péndulo cónico. Aparte de la electricidad suministrada por las centrales eléctricas o grupos electrógenos y el aire comprimido como fuentes de alimentación, pueden emplearse también motores de gasolina o diesel.

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Figura 4.14 Vibración interna

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101 4. MANEJABILIDAD DEL CONCRETO

La transmisión de energía de la fuente al vibrador se efectúa por medio de los siguientes métodos: X Un eje flexible, en una o varias piezas, cuya longitud máxima es de 10 m, siendo la velocidad propia del eje de 3000 revoluciones por minuto. X Un cable eléctrico conectado directamente con el motor incorporado en el cilindro vibrador. X Un tubo que lleva el aire comprimido al turbo - motor, situado en el interior del vibrador y de una longitud aproximada de 6 m. Cuando hay que vibrar elementos de paredes más o menos delgadas, conviene emplear vibradores cuya aguja no roce constantemente con la superficie de los moldes. El rendimiento de un vibrador de 45 mm es de aproximadamente 2 m3 de hormigón vibrado por hora, cifra que puede variar según la consistencia de la masa, refuerzo existente, etc. 4.2.10.4.2.2 Vibración Externa. Este tipo de vibrador se fija rígidamente en la formaleta y descansa sobre un soporte elástico, así que vibran tanto la formaleta como el concreto, como resultado una considerable proporción del trabajo realizado se usa en el vibrado de la formaleta, que debe ser fuerte y rígida para prevenir deformaciones y fugas de lechada. Los vibradores externos se usan en prefabricados o en secciones delgadas o en formas o espesores en los que un vibrador interno no puede usarse. Cuando se usa un vibrador externo, el concreto tiene que colocarse en capas de espesor adecuado, ya que el aire no puede salir a través de un espesor muy grande de concreto. La posición del vibrador tiene que cambiarse a medida que se avanza en el vaciado del concreto. Figura 4.15 Vibración externa

Se pueden usar vibradores externos portátiles, no fijos, en secciones que de otra manera serían inaccesibles, pero el intervalo de compactación en este tipo de vibrador es muy limitado.

La frecuencia de los vibradores externos suele variar de 3000 a 6000 ciclos por minuto, los datos del fabricante deben examinarse cuidadosamente, ya que algunas veces se cita el número de impulsos que es la mitad de un ciclo. Existen algunos tipos que pueden alcanzar valores de 9000 vibraciones por minuto necesitando un cambiador de frecuencia. 4.2.10.4.2.3 Vibración Superficial. En general tiene menos aplicación que los anteriores métodos de vibración, consiste en desplazar sobre la superficie del hormigón un plato o plataforma o regla encima de los cuales se monta un vibrador del tipo de masa excéntrica.

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102 4. MANEJABILIDAD DEL CONCRETO

Figura 4.16 Regla vibratoria (cercha) Esta modalidad es ventajosa cuando el espesor del concreto es reducido, pero su efecto disminuye considerablemente a medida que aumenta el espesor, no debiéndose vibrar capas superiores a 25 cm (este valor viene determinado por la consistencia del hormigón y la potencia del vibrado). La vibración superficial se emplea, generalmente, en la construcción de pavimentos para carreteras o aeropuertos, placas, etc. La fuente de alimentación de los aparatos puede ser indistintamente la electricidad, aire comprimido, gasolina o diesel.

4.2.10.4.2.4 Recomendaciones a seguir en la Vibración. Normalmente en cada posición, la duración del vibrado oscila entre 10 y 30 segundos dependiendo de la frecuencia del vibrador y de la consistencia de la mezcla; cuanto más acelerada sea la vibración menor será su duración, una vibración excesiva termina por segregar el concreto. Para obtener un buen rendimiento es preciso que la introducción del pervibrador se haga verticalmente y no debe colocarse dos veces en el mismo sitio; así mismo, debe procurarse que el vibrador penetre unos 5 cm en la capa inferior ya compactada anteriormente pues de esta manera se asegura la trabazón entre las dos capas. El desplazamiento del vibrador se hará a distancias siempre iguales teniendo en cuenta el radio de acción del vibrador, el cual suele ser alrededor de 2/3 de la longitud de la aguja vibrante. Cuando hay que compactar capas superpuestas no es conveniente vibrar espesores superiores a 30 cm. Tanto al introducir como al retirar el vibrador de la masa de concreto hay que hacerlo lentamente para evitar la formación de huecos en la misma; la introducción debe hacerse sin forzar el aparato dejando que penetre en la masa por si mismo, no conviene transmitir la vibración a través del refuerzo poniendo el vibrador en contacto con la armadura; una vez retirada la aguja se procede rápidamente a introducirla en otra posición adyacente; la vibración se considera completa cuando la pasta de cemento empieza a aparecer en la superficie.

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103 4. MANEJABILIDAD DEL CONCRETO

4.3 REFERENCIAS. 4.3.1 ANEFHOP (Agrupación Nacional Española de Fabricantes de Hormigón Preparado). Manual de consejos prácticos sobre hormigón. Madrid (España). 4.3.2 BAUD, G. Tecnología de la construcción. Barcelona (España): Editorial Blume. Tercera edición. 1970. 4.3.3 Código colombiano de construcciones sismo - resistentes. Capítulo C.5 Bogotá (Colombia). 1984.

Decreto 1400 de 1984.

4.3.4 GRACÍA, C., Guillermo. Artículo: Colocación del concreto con bomba. Memorias técnicas: I Reunión del concreto. Cali (Colombia). 1986. 4.3.5 ICONTEC. Normas técnicas colombianas para el sector de la construcción - I. Bogotá (Colombia): Legis editores s. a. 1989. 4.3.6 ICPC, SOLINGRAL. (Colombia). 1974.

Manual de dosificación de mezclas de concreto.

Medellín

4.3.7 MENA F., Víctor Manuel y LOERA P., Santiago. Guía para fabricación y control de concreto en obras pequeñas. México: UNAM. 1972. 4.3.8 NEVILLE, A. M. Tecnología del concreto tomo I y II. México: Instituto mexicano del cemento y del concreto. Primera edición, tercera reimpresión. 1980. 4.3.9 NORMAS COLOMBIANAS DE DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN SISMO RESISTENTE. NSR/98. Asociación colombiana de Ingeniería sísmica. Bogotá (Colombia). 1998. 4.3.10 LEMOINE, Catherine y SAENZ Roberto. Artículo: Sistemas de colocación de concreto. Memorias técnicas: II Reunión del concreto. Cartagena (Colombia). 1988. 4.3.11 PAYA PEINADO, Miguel. Hormigón vibrado y hormigones especiales. Ediciones CEAC. 12o Edición. 1979. 4.3.12 PORTLAND CEMENT ASSOCIATION (P.C.A.). concreto. México: Limusa. Primera edición. 1978.

España:

Proyecto y control de mezclas de

4.3.13 RUIZ DE M. Julia y RIVERA L. Gerardo. Comportamiento de mezclas de concreto elaboradas con agregados del área de Popayán. Popayán (Colombia): Universidad del Cauca. 1984. 4.3.14 SANCHEZ DE GUZMAN, Diego. Tecnología del concreto y del mortero. (Colombia): Pontificia Universidad Javeriana. 1987.

Bogotá

4.3.15 SANCHEZ DE GUZMAN, Diego. Artículo: Nuevas tendencias en la especificación y diseño de mezclas de concreto. Memorias técnicas: X Reunión del concreto. Cartagena (Colombia). 2004

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105 5. ECONOMÍA DEL CONCRETO

CAPÍTULO 5 ECONOMÍA DEL CONCRETO

5.1 GENERALIDADES. La economía en una mezcla de concreto se obtiene encontrando la combinación más apropiada entre los agregados disponibles, agua, cemento y cuando se requiera aditivos, utilizando la mínima cantidad de pasta (menos cemento) por unidad de volumen de concreto y que dé por resultado una mezcla que cumpla con los requisitos de manejabilidad, resistencia y durabilidad necesarias para una estructura determinada. Variando las proporciones de mezcla y escogiendo los materiales más apropiados, es posible obtener la más económica entre varias que cumplan igualmente con los requisitos de manejabilidad, resistencia y durabilidad necesarios para el tipo de obra en que se utilice.

5.2 FACTORES QUE INFLUYEN EN LA ECONOMÍA.

5.2.1 GRADACIÓN, FORMA Y TEXTURA SUPERFICIAL DE LOS AGREGADOS. Los agregados mal gradados, con partículas alargadas, aplanadas, ásperas, rugosas o angulosas, exigen más pasta de cemento, por lo tanto, su utilización es antieconómica.

5.2.2 FLUIDEZ DE LA PASTA. Mientras más fluida sea la pasta (mayor relación agua/cemento), menor será la cantidad de cemento necesaria para obtener un grado de manejabilidad dado y por lo tanto la mezcla será más económica. Deberá utilizarse la mayor relación agua/cemento que no perjudique las propiedades del concreto endurecido, o sea que cumpla los requisitos de resistencia y durabilidad.

5.2.3 TAMAÑO MÁXIMO DEL AGREGADO GRUESO. Si se divide la resistencia de un concreto por su contenido de cemento, se obtiene una medida de la eficiencia del cemento. Resistencia a la Compresión (kg / cm 2 ) Eficiencia = -----------------------------------------------------------Contenido de cemento ( kg/m3 de mezcla )

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106 5. ECONOMÍA DEL CONCRETO

Por lo tanto, máxima eficiencia significará obtener una máxima resistencia a la compresión utilizando el mínimo contenido de cemento. En concreto de alta resistencia (> 30 Mpa o 300 kg/cm2), mientras mayor sea la resistencia requerida, menor deberá ser el tamaño máximo del agregado para que la eficiencia sea máxima. Para cada resistencia existe un margen estrecho para el tamaño máximo por encima o por debajo del cual ser necesario aumentar el contenido de cemento. En concretos de baja resistencia (< 17,5 Mpa o 175 kg/cm2), entre mayor sea el tamaño máximo del agregado, menor es la cantidad de cemento requerida para obtener mayor eficiencia. En concretos de resistencia intermedia (17,5 Mpa a 30 Mpa o 175 a 300 kg/cm2), existe un rango amplio en los tamaños máximos (3/4" hasta 3") que pueden usarse para una misma resistencia, en la cual, la cantidad de cemento es mínima para obtener máxima eficiencia. Para una misma relación agua/cemento, en los concretos preparados con agregados de menor tamaño máximo se obtendrán mayores resistencias. La diferencia en la resistencia entre los tamaños máximos mayores y menores es más significativa para las relaciones agua/cemento más bajas. Lo indicado anteriormente servirá especialmente de guía para el diseño de mezclas de concreto masivo o de alta resistencia. Para estructuras de concreto reforzado, el tamaño máximo del agregado está limitado por las dimensiones de la estructura y el espaciamiento entre varillas; según el NSR 98, artículo C.3.3.3 el tamaño máximo nominal del agregado no debe ser mayor de: A) 1/5 de la dimensión menor entre los lados de las formaletas, ni B) 1/3 de la profundidad de las losas, ni C) 3/4 del espaciamiento libre mínimo entre las barras o alambres individuales del refuerzo, paquetes de barras o los tendones o ductos de preesforzado

Pueden obviarse estas limitaciones, si los métodos de compactación y la manejabilidad son tales que el concreto pueda ser colocado, sin que se produzcan hormigueros o vacíos.

5.2.4 PORCENTAJE DE ARENA EN EL AGREGADO TOTAL. El porcentaje de arena puede expresarse en volumen o en masa. Volumen absoluto de agregado fino Porcentaje de arena = ------------------------------------------------------ * 100 Volumen absoluto total de agregados Masa seca agregado fino Porcentaje de arena = ------------------------------------------ * 100 Masa seca total de agregado

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107 5. ECONOMÍA DEL CONCRETO

Para una mezcla preparada con unos agregados dados, existe un porcentaje óptimo de arena con el cual el contenido de cemento será el mínimo necesario para obtener una consistencia determinada, utilizando una pasta definida por su relación agua/cemento. Si el porcentaje de arena es mayor que el óptimo se requerirá más cantidad de pasta para lubricar la superficie adicional de las partículas de arena; de otro lado, si el porcentaje es menor que el óptimo, la mezcla será áspera por exceso de agregado grueso, a menos que se aumente la pasta de cemento. El porcentaje óptimo de arena aumentará cuando se presenten los siguientes cambios: - Se utilice una arena más gruesa (mayor módulo de finura). - Se utilice un tamaño máximo menor. - Se emplee una relación agua/cemento mayor. - La mezcla sea más pobre en cemento. Un método que se emplea normalmente para determinar el porcentaje óptimo de arena (porcentaje en masa), consiste en buscar la combinación de los agregados disponibles que produzca la máxima densidad (o mínimo de vacíos). Este método fue propuesto por FULLER y THOMPSON, consiste en combinar en tal forma los agregados que la granulometría del conjunto se adapte lo más cercanamente posible a una "curva ideal" (mínimo de vacíos). En las tablas Nos. 5.1 y 5.2 se dan las gradaciones ideales de agregados para concreto según FULLER y según WEYMOUTH, corregidas para que la fracción de arena tenga un 6% que pasa por la malla No. 100 (149 µm).Para concretos que se compacten manualmente o con vibración normal, se recomienda utilizar la curva basada en el criterio de WEYMOUTH; para concretos que se compacten más enérgicamente puede utilizarse la curva basada en el criterio de FULLER.

MALLA

FULLER TAMAÑO MAXIMO (mm)

PULG.

76,1

3”

100

50,8

38,1

25,4

2”

81,0

100

1 ½”

69,8

86,1

100

1”

56,5

69,6

80,8

100

¾”

48,5

59,7

69,4

85,8

19,1

100

3/8”

33,4

41,1

47,8

59,0

68,8

No. 4

22,7

27,9

32,5

40,1

46,8

No. 8

15,2

18,6

21,6

26,7

31,2

No. 16

9,8

12,0

14,0

17,1

20,1

No. 30

6,0

7,3

8,6

10,5

12,4

No. 50

3,3

4,1

4,7

5,7

6,8

No. 100

1,4

1,7

2,0

2,4

2,8

Tabla No. 5.1 Gradaciones ideales corregidas de agregados para concreto (% que pasa por cada malla). 5.3.3

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108 5. ECONOMÍA DEL CONCRETO

MALLA

WEYMOUTH TAMAÑO MAXIMO (mm)

PULG.

76,1

50,8

38,1

25,4

3”

100

2”

---

100

1 ½”

80,5

91,2

100

1”

---

---

---

100

19,1

¾”

61,7

70,9

78,1

89,8

100

3/8”

46,0

53,2

59,0

68,2

76,2

No. 4

34,3

39,5

43,9

51,1

57,0

No. 8

25,0

28,9

31,9

37,0

41,2

No. 16

17,3

20,0

22,2

25,8

28,6

No. 30

11,2

12,9

14,2

16,6

18,4

No. 50

6,2

7,0

7,9

9,3

10,0

No. 100

2,1

2,4

2,7

3,1

3,4

Tabla No. 5.2 Gradaciones ideales corregidas de agregados para concreto (% que pasa por cada malla).

ASOCRETO recomienda los rangos de valores indicados en la tabla No. 5.3, para ser tenidos en cuenta en un ajuste granulométrico, el cual consiste en combinar los agregados disponibles en cualquier proporción que se encuentre dentro del rango, tomando el criterio del punto medio o la economía de los materiales. TAMIZ

Pulgadas

3½ 3 2½ 2 1½ 1 ¾ ½ 3/8 No.4 No.8 No.16 No.30 No.50 No.100

LIMITE DE LOS PORCENTAJES QUE PASAN LOS SIGUIENTES TAMAÑOS MAXIMOS 90,6mm (3 ½”)

76,1mm (3“)

64,0mm (2 ½“)

50,8mm (2“)

38,1mm (1 ½“)

25,4mm (1“)

19,0mm (3/4“)

12,7mm (½“)

9,51mm ( 3/8“)

90,6 100 76,1 94 91 64,0 89 83 50,8 82 73 38,1 74 62 25,4 64 50 19,0 58 42 12,7 50 34 9,51 45 29 4,76 36 20 2,36 28 13 1,18 22 9 600µ 17 6 300µ 14 4 150µ 11 3

100 94 91 87 80 78 68 68 55 62 47 53 37 48 32 38 22 30 15 23 10 18 7 14 4 11 3

100 92 88 83 75 72 60 65 51 57 41 51 35 40 24 32 16 25 11 20 8 15 5 12 4

100 90 85 78 68 71 58 62 47 56 40 44 27 34 18 27 13 21 9 17 8 13 4

100 87 80 78 68 68 55 62 47 48 32 38 22 30 15 23 10 18 7 14 5

100 90 85 78 68 71 58 56 40 44 27 34 18 27 13 21 9 17 6

100 87 80 78 68 62 47 48 32 38 22 30 15 23 10 18 7

100 90 85 71 58 55 40 44 27 34 19 27 13 21 9

100 78 68 61 46 48 32 38 22 30 15 23 10

mm

Tabla No. 5.3 Rango granulométrico recomendado

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109 5. ECONOMÍA DEL CONCRETO

5.3.1 EJEMPLOS DE AJUSTE GRANULOMÉTRICO A CURVAS IDEALES 1. Ejemplo: A partir de la granulometría de cada uno de los materiales se escogen las curvas ideales de FULLER y WEYMOUTH según el tamaño máximo del agregado grueso (Tabla Nº 5.4)

GRADACIONES MATERIALES RESULTANTES A COMBINAR Tamiz

AG.GRUESO AG.FINO %PASA %PASA

FULLER %PASA

WEYMOUTH %PASA

1"

100,0

---

100

100

3/4"

73,0

---

85,8

89,8

3/8"

28,0

100,0

59

68,2

No. 4

8,0

95,0

40,1

51,1

No. 8

0,0

79,0

26,7

37

No. 16

54,0

17,1

25,8

No. 30

-----

33,0

10,5

16,6

No. 50

---

18,0

5,7

9,3

No. 100

---

6,0

2,4

3,1

No. 200

---

2,0

0

0

Tabla Nº 5.4 Gradación de cada uno de los materiales

Para determinar los porcentajes, en que se deben combinar los agregados, con el fin de ajustar a las gradaciones ideales, se empleará el método gráfico. El método consiste en dibujar un cuadrado, el cual se divide en escalas aritméticas cada uno de sus lados (figura Nº 5.1), los lados laterales van en escala de 0 a 100 en forma ascendente, y corresponde: el lado izquierdo al %pasa del agregado grueso, el lado derecho al %pasa del agregado fino. La parte inferior se divide de 0 a 100 de izquierda a derecha, en esta parte se coloca el % a tomar del agregado fino; la parte superior se divide en escala de 0 a 100, pero en forma descendente, en esta parte va el porcentaje a tomar del agregado grueso. Posteriormente se marca para cada tamiz el % que pasa de cada material, en el lado respectivo; luego se unen los puntos con rectas (estas líneas se identifican para cada tamiz). Sobre las líneas correspondientes a cada malla se colocan los puntos de gradación ideal. Se traza una línea vertical (paralela a los dos lados laterales del cuadrado) tratando de coger la mayor cantidad de puntos y equidistante con los puntos que quedan fuera de la vertical. Los puntos donde la vertical intercepta la parte inferior y superior del cuadrado representan los porcentajes a tomar de agregado fino y agregado grueso respectivamente.

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110 5. ECONOMÍA DEL CONCRETO

Para cada gradación ideal se tienen unos porcentajes a tomar de cada material; los porcentajes que se deben escoger son aquellos que nos reproduzcan mas exactamente la granulometría ideal ya sea de FULLER o la de WEYMOUTH; lo cual se puede determinar observando los puntos que menos se alejan de la vertical o dibujando granulometrías del material combinado, figura Nº 5.2, calculadas de acuerdo con los porcentajes tomados, tabla Nº 5.5 y comparándola con las curvas ideales. Algunos investigadores toman una gradación intermedia entre las ideales propuestas por FULLER y WEYMOUTH.

FIGURA Nº 5.1 Ajuste granulométrico, método gráfico

CURVAS AJUSTADAS: FULLER (% PASA) - AG. FINO =33% - AG. GRUESO =67%

WEYMOUTH (% PASA) -AG. FINO = 50% -AG. GRUESO = 50%

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111 5. ECONOMÍA DEL CONCRETO

GRANUMOMETRÍA AG. GRUESO AG. FINO TAMIZ %PASA %PASA

CURVAS IDEALES FULLER WEYMOUTH % PASA % PASA

CURVAS AJUSTADAS FULLER WEYMOUTH %PASA % PASA

1"

100

--

100

100

100

100

3/4"

73

--

85,8

89,8

81,9

86,5

3/8"

28

100

59

68,2

51,8

64

Nº4

8

95

40,1

51,1

36,7

51,5

Nº8

0

79

26,7

37

26,1

39,5

Nº16

--

54

17,1

25,8

17,8

27

Nº30

--

33

10,5

16,6

10,9

16,5

Nº50

--

18

5,7

9,3

5,9

9

Nº100

--

6

2,4

3,1

2

3

Nº200

--

2

0

0

0,7

1

Tabla Nº 5.5 Gradaciones de los materiales, curvas ideales y granulometrías resultantes del ajuste

Figura Nº 5.2 Gradaciones de los materiales y curvas ideales

PORCENTAJES A TOMAR: AGREGADO FINO = 50% AGREGADO GRUESO = 50%

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112 5. ECONOMÍA DEL CONCRETO

2. Ejemplo de dosificación realizado por el método gráfico (figura No. 5.3), tratando de reproducir las gradaciones ideales propuestas por FULLER o WEYMOUTH, dadas en la siguiente tabla. La granulometría de cada uno de los materiales y la gradación ajustada se presentan en la tabla No. 5.6 y en la figura No. 5.4.

TAMIZ 1” ¾” 3/8” #4 #8 # 16 # 30 # 50 # 100 # 200

GRANULOMETRÍA AG. GRUESO AG. FINO % PASA % PASA 100 72 43 11 0 ------

---100 85 57 33 21 7 2

CURVAS IDEALES FULLER WEYMOUTH %PASA % PASA 100 85,8 59,0 40,1 26,7 17,1 10,5 5,7 2,4 --

100 89,8 68,2 51,1 37,0 25,8 16,6 9,3 3,1 --

CURVAS AJUSTADAS FULLER WEYMOUTH %PASA % PASA 100 80,4 60,1 37,7 25,5 17,1 9,9 6,3 2,1 0,6

100 84,6 68,7 51,1 38,3 25,7 14,9 9,5 3,2 0,9

Tabla No. 5.6 Granulometría de los materiales, gradaciones ideales, granulometrías resultantes del ajuste.

Figura Nº 5.3 Ajuste granulométrico

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113 5. ECONOMÍA DEL CONCRETO

CURVAS AJUSTADAS: FULLER (% PASA) - AG. FINO = 30% - AG. GRUESO = 70%

WEYMOUTH (% PASA) - AG. FINO = 45% - AG. GRUESO = 55%

Figura Nº 5.4 Gradaciones de los materiales y curvas ideales

PORCENTAJES A TOMAR: AGREGADO FINO = 45% AGREGADO GRUESO = 55%

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114 5. ECONOMÍA DEL CONCRETO

3. Ejemplo de dosificación realizado por el método gráfico (figura No. 5.6), tratando de reproducir las gradaciones ideales propuestas por FULLER o WEYMOUTH, dadas en la siguiente tabla. La granulometría de cada uno de los materiales y la gradación ajustada se presentan en la tabla No. 5.7 y en la figura No. 5.6. GRANULOMETRÍA TAMIZ AG. GRUESO AG. FINO % PASA % PASA

CURVAS IDEALES FULLER WEYMOUTH % PASA % PASA

CURVAS AJUSTADAS FULLER WEYMOUTH % PASA % PASA

1 1/2” 1” 3/4 “ 3/8 “ #4 #8 # 16 # 30 # 50 # 100

100 75 55 15 0 ------

---100 94 67 38 25 12 5

100 80,8 69,4 47,8 32,5 21,6 14,0 8,6 4,7 2,0

100 -78,1 59,0 43,9 31,9 22,2 14,2 7,9 2,7

100 83,5 70,3 43,9 31,9 22,8 12,9 8,5 4,1 1,7

100 88,3 78,9 60,0 49,8 35,5 20,1 13,3 6,4 2,7

# 200

--

1

--

--

--

--

Tabla No. 5.7 Granulometría de los materiales, gradaciones ideales, granulometrías resultantes del ajuste.

Figura Nº 5.5 Ajuste granulométrico

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115 5. ECONOMÍA DEL CONCRETO

CURVAS AJUSTADAS: FULLER (% PASA) - AG. FINO = 34% - AG. GRUESO = 66%

WEYMOUTH (% PASA) - AG. FINO = 53% - AG. GRUESO = 47%

Figura Nº 5.6 Gradaciones de los materiales y curvas ideales

PORCENTAJES A TOMAR: AGREGADO FINO = 34% AGREGADO GRUESO = 66%

5.3.2 EJEMPLO DE AJUSTE GRANULOMÉTRICO A CURVAS IDEALES SEGÚN ASOCRETO A partir de la granulometría de cada uno de los materiales se escogen los rangos recomendados por Asocreto, según el tamaño máximo del agregado grueso (Tabla Nº 5.8).

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116 5. ECONOMÍA DEL CONCRETO

Sobre las líneas correspondientes a cada malla se colocan los puntos del rango recomendado por Asocreto. Se traza una línea vertical (paralela a los dos lados laterales del cuadrado) por el punto inferior que se encuentre mas a la derecha y otra vertical por el punto superior que se encuentre mas a la izquierda, estas dos líneas verticales definen el rango de posibles combinaciones de los agregados que cumplen con lo recomendada por asocreto (figura 5.7). La proporción a tomar se realiza trazando una línea vertical dentro de este rango definido, que dependerá del criterio que se adopte ya sea el del punto medio o el de la economía de los agregados (dependiendo de su costo). Los puntos donde la vertical intercepta la parte inferior y superior del cuadrado representan los porcentajes a tomar de agregado fino y agregado grueso respectivamente.

GRADACIONES MATERIALES RESULTANTES A COMBINAR Tamiz

AG. GRUESO %PASA

AG. FINO %PASA

MÍN. %PASA

MÁX. %PASA

1"

100,0

--

100

100

3/4"

81,0

--

85

90

1/2"

56,0

--

68

78

3/8"

28,0

100,0

58

71

No. 4

7,0

89,0

40

56

No. 8

3,0

70,0

27

44

No. 16

0,0

54,0

18

34

No. 30

--

42,0

13

27

No. 50

--

27,0

9

21

No. 100

--

15,0

6

17

No. 200

--

4

0

0

Tabla Nº 5.8 Gradación de cada uno de los materiales

CURVAS AJUSTADAS: (% PASA) - AG. FINO = 44% - AG. GRUESO = 56%

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117 5. ECONOMÍA DEL CONCRETO

FIGURA Nº 5.7 Ajuste granulométrico, método gráfico

Figura Nº 5.8 Gradaciones de los materiales y curvas ideales de Asocreto

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118 5. ECONOMÍA DEL CONCRETO

TAMIZ

GRANUMOMETRÍA AG. GRUESO AG. FINO %PASA %PASA

CURVAS ASOCRETO % PASA % PASA MÍN. MÁX.

CURVAS AJUSTADAS ASOCRETO %PASA

1"

100,0

100,0

100

100

100

3/4"

81,0

100,0

85

90

89,36

1/2"

56,0

100,0

68

78

75,36

3/8"

28,0

100,0

58

71

59,68

No. 4

7,0

89,0

40

56

43,08

No. 8

3,0

70,0

27

44

32,48

No. 16

0,0

54,0

18

34

23,76

No. 30

-

42,0

13

27

18,48

No.50

-

27,0

9

21

11,88

No. 100

-

15,0

6

17

6,60

-

4

0

0

1,76

No. 200

Tabla Nº 5.9 Gradación de cada uno de los materiales corregidos a Asocreto

5. 6 REFERENCIAS. 5.3.1 ANEFHOP (Agrupación Nacional Española de Fabricantes de Hormigón Preparado). Manual de consejos prácticos sobre hormigón. Madrid (España). 5.3.2 Código colombiano de construcciones sismo-resistentes. Decreto 1400 de 1984. Capítulo C.3. Bogotá (Colombia). 1984. 5.3.3 ICPC, SOLINGRAL. Manual de dosificación de mezclas de concreto. Medellín (Colombia). 1974. 5.3.4 MENA F., Víctor Manuel y LOERA P., Santiago. Guía para fabricación y control de concreto en obras pequeñas. México: UNAM. 1972. 5.3.5 NEVILLE, A. M. Tecnología del concreto tomo I y II. México: Instituto mexicano del cemento y del concreto. Primera edición, tercera reimpresión. 1980.

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119 5. ECONOMÍA DEL CONCRETO

5.3.6 NORMAS COLOMBIANAS DE DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN SISMO RESISTENTE. NSR/98. Asociación colombiana de Ingeniería sísmica. Bogotá (Colombia). 1998. 5.3.7 PAYA PEINADO, Miguel. Hormigón vibrado y hormigones especiales. España: Ediciones CEAC. 12o Edición. 1979. 5.3.8 PORTLAND CEMENT ASSOCIATION (P.C.A.). Proyecto y control de mezclas de concreto. México: Limusa. Primera edición. 1978. 5.3.9 RUIZ DE M. Julia y RIVERA L. Gerardo. Comportamiento de mezclas de concreto elaboradas con agregados del área de Popayán. Popayán (Colombia): Universidad del Cauca. 1984. 5.3.10 SANCHEZ DE GUZMAN, Diego. Tecnología del concreto y del mortero. Bogotá (Colombia): Pontificia Universidad Javeriana. 1987.

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121 6. RESISTENCIA DEL CONCRETO

CAPÍTULO 6 RESISTENCIA DEL CONCRETO

6.1 GENERALIDADES. Cuando se estudian los procedimientos para dosificar mezclas de concreto, se recomienda hacer mezclas de prueba, con el fin de determinar las proporciones del hormigón que cumplan con las características deseadas, para ser empleado en la construcción. Sin embargo, esto no significa, que el hormigón hecho en la obra o en la planta vaya a tener una resistencia uniforme e igual a la determinada con base en las mezclas de prueba. Lo anterior se debe a que el concreto es un material esencialmente heterogéneo, porque sus componentes tienen características que no son constantes. No sólo son los materiales los causantes de las variaciones en la calidad del hormigón; también influye la forma de mezclarlo, su transporte y colocación en formaletas, la compactación a que se someta y el curado que se le proporcione. Por las razones anteriores, es necesario tomar las precauciones adecuadas para que la calidad del material producido, sea aceptable. La medida final que informa sobre la calidad obtenida, es la que resulta de los ensayos de resistencia. Aquí surge otra variable, pues la forma de hacer los ensayos y la precisión de la máquina que se use, van a influir en los resultados. La resistencia de un concreto, normalmente aumenta con la edad. Dicho aumento se produce muy rápidamente durante los primeros días posteriores a su colocación, resultando más gradual al transcurrir el tiempo, aún continuará incrementándose en una proporción más reducida durante un período de tiempo indefinido. La resistencia a compresión de un concreto a los 28 días, determinada de acuerdo con los ensayos normalizados y suponiendo que haya sido curado en forma correcta, se emplea generalmente como índice de calidad del mismo. El mejor método para obtener un criterio sobre calidad, debido a la dispersión de los resultados, es el derivado de consideraciones estadísticas.

6.2 ANÁLISIS ESTADÍSTICO. Se ha comprobado que los resultados de los ensayos de resistencia de una misma mezcla, se agrupan siguiendo una curva de distribución normal de frecuencias (figura No. 6.1). Lo anterior ha conducido a la presentación de procedimientos estadísticos sencillos, con base en los cuales se han fijado normas para la producción y aceptación de mezclas de concreto.

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122 6. RESISTENCIA DEL CONCRETO

F R E C U E N C I A

t * s

Xi

X

RESISTENCIA

Figura No. 6.1 Curva de distribución normal. 6.9.14 De lo anterior podemos definir entonces la ecuación general de la curva de distribución normal. __ X = Xi + t*S (6.1) Donde:

X =∑

( Xi) = n

Valor medio.

[ Mpa ]

o

⎡ kg ⎤ ⎢⎣ cm 2 ⎥⎦

(6.2)

1

⎡ ∑ ( Xi − X ) 2 ⎤ 2 S= ⎢ ⎥ n ⎢⎣ ⎥⎦

= Desviación estándar.

(6.3)

Xi = Valor de resistencia por debajo del cual se presenta un porcentaje dado de resultados. t = Coeficiente sin unidades que depende del porcentaje de resultados que se presenten por debajo de Xi. En la tabla No. 6.1 se muestran algunos valores de t en función del porcentaje de resultados inferiores a Xi.

n = Número total de resultados. Para que el análisis estadístico sea confiable n>30.

% t

25 0,674

20 0,842

15 1,036

10 1,282

5 1,645

2,5 1,960

1 2,326

Tabla No. 6. 1 Algunos valores de t.6.9.13

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0,5 2,576

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123 6. RESISTENCIA DEL CONCRETO

La ecuación de la curva de distribución normal también se puede expresar como:

X =

Xi t *V 1− 100

(6.4)

Donde

⎛S⎞ ⎟ * 100 ⎝X⎠

V(%) = ⎜

(6.5)

V = Coeficiente de variación, expresado en porcentaje. Los valores de S o de V nos indican que tan dispersos están los resultados; así, valores altos de S o V representan resultados muy alejados del promedio, lo que significa baja calidad de la mezcla y por el contrario un valor pequeño representa uniformidad en la mezcla (figura No. 6.2). En la tabla No. 6.2 se muestran valores típicos del coeficiente de variación (V) y grado de uniformidad que puede esperarse en el concreto, bajo diferentes condiciones de producción.

F R E C U E N C I A

VALOR DE S. O V. PEQUEÑO

VALOR DE S. O V. ALTO

X

RESISTENCIA

Figura No. 6.2 A menor valor de S y V, menor dispersión. Los menores valores de S y V dan una curva que representa mejor uniformidad (calidad).6.9.14

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124 6. RESISTENCIA DEL CONCRETO

V (%) 0–5 5 – 10

UNIFORMIDAD DEL CONCRETO Excelente Muy bueno

10 – 15

Bueno

15 – 20

Mediano

20 – 25

Malo

> 25

Muy malo

CONDICIONES FRECUENTES EN QUE SE OBTIENE Condiciones de laboratorio. Preciso control de materiales y dosif. por masa. Buen control de los materiales y dosif. por masa. Algún control de los materiales y dosif. por masa. Algún control de los materiales y dosif. por volumen. Ningún control de los materiales y dosif. por volumen.

Tabla No. 6. 2 Valores de coeficiente de variación y grado de uniformidad que puede esperarse en el concreto, bajo diferentes condiciones de producción.6.9.15

De acuerdo a los conceptos estadísticos, se debe tener en cuenta que si un conjunto de datos sigue una distribución normal el conjunto de promedios de “m” ensayos consecutivos, también sigue una distribución normal, con el mismo valor promedio y con un coeficiente de variación y una desviación estándar igual a: Vm =

(V ) ( m)

(6.6)

1 2

ó Sm =

(S ) ( m)

(6.7)

1 2

m = Número de ensayos consecutivos. Cuando el número de resultados es menor de 30 (n<30), los valores de S o de V no son enteramente confiables, y por lo tanto, con el fin de tener una mayor seguridad los valores de S o de V deben ampliarse; la NSR/98 da unos coeficientes de modificación para la desviación estándar cuando hay disponibles menos de 30 ensayos; estos coeficientes pueden ser aplicados al coeficiente de variación (V), si se trabaja con él. En la tabla No. 6.3 se presentan dichos coeficientes. N Menos de 15 15 20 25 30 o Màs

Coeficiente Usar Tabla No. 6.4 1,16 1,08 1,03 1,00

* Se puede interpolar linealmente entre el número de ensayos.

Tabla No. 6. 3 Valores del coeficiente de modificación cuando hay disponibles menos de 30 resultados.6.9.4

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125 6. RESISTENCIA DEL CONCRETO

Resistencia nominal a la compresión F’c MPa

Resistencia promedio requerida a la compresión F’cr MPa *

Menos de 21 MPa

F’ c + 7 MPa

de 21 MPa a 35 MPa más de 35 MPa

F’ c + 8,5 MPa F’ c + 10 MPa

* MegaPascal (1Mpa = 10 kg/cm2)

Tabla No. 6.4 Resistencia promedio requerida a la compresión cuando no hay datos que permitan determinar la 6.9.4 desviación estándar.

De acuerdo a lo anterior la ecuación general de la curva de distribución normal quedaría:

X = Xi + t * S * Coeficiente

(6.8)

o

X =

Xi t * V * Coeficiente 1− 100

(6.9)

6.3 RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN Generalmente el diseñador de estructuras, especifica en la memoria de cálculos y en los planos una resistencia a la compresión del concreto (F’c), la cual utilizó como base para calcular el dimensionamiento y el refuerzo de los diferentes elementos de una obra. Cuando en la obra se obtenga una resistencia menor que la especificada (F'c), se disminuirá el factor de seguridad de la estructura. Para evitar esta posible disminución de seguridad y debido a que en toda obra se obtienen diferentes valores de resistencia para una misma mezcla, debido a variaciones en la dosificación, mezcla, transporte, colocación, compactación y curado del concreto; la mezcla deberá dosificarse para obtener una resistencia a la compresión promedia (F’cr) mayor que F’c. En la práctica resulta antieconómico indicar una resistencia mínima, igual a la resistencia de diseño; puesto que de acuerdo al análisis estadístico, siempre existe la posibilidad de obtener algunos valores más bajos.

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126 6. RESISTENCIA DEL CONCRETO

6.3.1 RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN DE DOSIFICACIÓN Con el fin de no disminuir en forma apreciable el factor de seguridad de las estructuras o encarecer innecesariamente el concreto, se acepta que un porcentaje razonable de resultados caigan por debajo de F’c. La NSR/98 da las siguientes normas para la mezcla que se vaya a producir. Cuando una instalación productora de concreto disponga de registros de ensayos, debe calcularse su desviación estándar. La desviación estándar se debe calcular utilizando los registros de ensayo que cumplan las siguientes condiciones: (a) Representen los materiales, procedimientos de control de calidad y condiciones similares a las esperadas en la obra y las variaciones permitidas en los registros de ensayos de los materiales y sus proporciones no deben ser más restrictivas que las permitidas en la obra. (b) Representen un concreto producido para una resistencia o resistencias nominales, F'c, que no difieran en más de 7 MPa (MegaPascal) de la resistencia nominal especificada para la obra. (c) Consistan en por lo menos 30 ensayos consecutivos, correspondientes cada uno de ellos al promedio de dos cilindros ensayados el mismo día, o de dos grupos de ensayos consecutivos que sumen, en total, al menos 30 De acuerdo a los criterios estadísticos tenemos: A-) La probabilidad de tener resultados por debajo de (F’c – 3,5) Mpa, debe ser inferior al 1%. B-) La probabilidad de que el promedio de 3 ensayos consecutivos sea menor de F’c (Mpa), debe ser inferior al 1%. Si se define: F'c = Resistencia a la compresión de diseño del calculista y determinada con probetas de tamaño normalizado, expresada en MPa, si no se especifica su edad, se adopta que es a los 28 días. F'cr = Resistencia promedio a la compresión del concreto requerida para dosificar las mezclas, en MPa. SRC = Desviación estándar de valores de resistencia a la compresión, en MPa Aplicando las anteriores normas en las fórmulas vistas en el análisis estadístico (6.8 y 6.9) se tiene: A-) F'cr = F'c – 3,5 + 2,33 * SRC * Coeficiente

(6.10)

o

F´cr =

F ' c − 3,5 2,33 * V * coef . 1− 100

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(6.11)

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127 6. RESISTENCIA DEL CONCRETO

B-) F'cr = F'c +1,34 * SRC * Coeficiente

(6.12)

o

F´cr =

F'c 1,34 * V * coef . 1− 100

(6.13)

C-) Cuando no se tengan registros de ensayos para calcular la desviación estándar (o el coeficiente de variación) o cuando el número de resultados sea menor de 15, el valor de F'cr deberá determinarse de acuerdo a la tabla No. 6.4 De acuerdo a lo anterior tenemos: * De las tres normas se debe tomar el mayor valor entre el primero y el segundo criterio (fórmulas 6.10 o 6.11 y 6.12 o 6.13), teniendo como tope máximo o límite el tercer criterio (tabla No. 6.4). * Cuando no hay datos o este número es menor de 15, se utiliza solamente el tercer criterio. * Cuando el número de datos está entre 15 y 30, se usa el valor de S o V pero multiplicado por los coeficientes dados en la tabla No. 6.3, teniendo en cuenta que se puede interpolar linealmente.

Ejemplo: Calcular el valor de resistencia a la compresión de dosificación de una mezcla (F'cr), si se tienen los siguientes datos: F'c = 21 MPa (MegaPascal) SRC = 3 MPa para n = 25 datos Solución: Para n = 25 datos el coeficiente correspondiente es 1,03 Criterios: A-) F'cr = F'c – 3,5 + 2,33 * SRC * coeficiente F'cr = 21 – 3,5 + 2,33 * 3 * 1,03 = 24,70MPa

B-) F'cr = F'c + 1,34 *SRC * coeficiente F'cr = 21 + 1,34* 3*1,03 = 25,14 MPa

C-) Como F'c =21 MPa ---> F'cr = F'c + 8,5 = 29,5 MPa De los criterios A-) y B-), el mayor valor es 25,14 Mpa y éste no supera a 29,5 Mpa. Luego, f'cr = 25,14 Mpa. (251,4 kg/cm2) En la figura No. 6.3 se presenta un resumen gráfico con la solución a los criterios planteados.

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128 6. RESISTENCIA DEL CONCRETO

F 'c r ( K g /c m 2 ) 450 400 f 'c

350 f 'c

300

250

f 'c

f 'c

=

= 3

= 2

= 2

f 'c =

200 150 100

g 0 k 35

/c m

kg 15

kg 80 kg 45

2

/c m

2

/c m

2

/c m

2

k g /c 210

m2

k g /c

m2

175 f 'c = 140 f 'c =

k g /c

m2

/c m 05 kg f 'c = 1

2

5 20 25 0 10 15 C O E F IC IE N T E D E V A R IA C IÓ N ( V ) * C o e f . Figura No. 6.3 - Resistencia promedio a la compresión del concreto requerida para dosificar las mezclas (F'cr), para diferentes valores de resistencia a la compresión de diseño del calculista (F'c) y de coeficientes de variación (V).

6.3.2 ENSAYO DE RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN El ensayo con el cual se mide la resistencia a la compresión del concreto, está establecido en las normas NTC 550 y 673. Se emplean moldes cilíndricos de 15 cm de diámetro por 30 cm de longitud. Para cada edad se deben ensayar como mínimo 2 cilindros y trabajar con el valor promedio. Se deben aceitar las paredes del molde; al llenar éste se debe lograr una buena compactación, la cual puede realizarse con varilla (método apisonado) si el asentamiento es mayor a 7,5 cm ó con vibrador (método vibrado) si el asentamiento es menor a 2,5 cm, para asentamientos entre 2,5 y 7,5 cm puede usarse varilla o vibrador preferiblemente el método empleado en la obra.

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129 6. RESISTENCIA DEL CONCRETO

La varilla compactadora debe ser de acero estructural, cilíndrica, lisa, de 16 mm de diámetro y de longitud aproximada de 600 mm, la punta debe ser redondeada. Los vibradores pueden ser internos o externos; los vibradores internos pueden ser de eje rígido o flexible, preferiblemente accionados con motores eléctricos, la frecuencia de vibración debe ser de 7000 rpm o mayor, el diámetro exterior o dimensión lateral del elemento vibratorio no debe ser menor de 19 mm, ni mayor de 38 mm; La longitud del eje sumada a la del elemento vibrante debe ser como mínimo 400 mm. Los vibradores externos pueden ser de mesa o de plancha, la frecuencia de vibración debe ser de 3600 rpm o mayor y su construcción debe ser tal que el molde quede bien ajustado, se debe usar un tacómetro para controlar la frecuencia de vibración. Los cilindros se llenan con hormigón en capas de igual volumen aproximadamente, el número de capas depende del método de compactación escogido, así: Varillado Vibrado

3 capas 2 capas

En el método apisonado cada capa debe compactarse con 25 golpes, los cuales deben distribuirse uniformemente en toda la sección transversal del molde. La capa del fondo debe compactarse en toda su profundidad, al compactar las capas superior e intermedia la varilla debe penetrar aproximadamente 25 mm en la capa inmediatamente inferior. Si al retirar la varilla quedan huecos en el cilindro, éstos deben cerrarse golpeando suavemente en las paredes del molde. La vibración se debe transmitir al cilindro el tiempo suficiente para lograr la adecuada compactación del hormigón, pues un exceso de vibrado puede causar segregación. El molde se debe llenar y vibrar en dos capas aproximadamente iguales, todo el concreto para cada capa se debe colocar en el molde antes de iniciar su vibrado. La duración del vibrado depende de la manejabilidad del concreto y de la efectividad del vibrador, se considera suficiente el vibrado, cuando el hormigón presente una superficie relativamente lisa. En la vibración interna en cada capa se debe introducir el vibrador en tres sitios diferentes; al compactar, el vibrador no debe tocar el fondo o las paredes del molde y debe penetrar 25 mm aproximadamente en la capa inferior. El vibrador se debe retirar suavemente de modo que no se formen bolsas de aire. En la vibración externa debe tenerse el cuidado de que el molde esté rígidamente unido a la superficie o elemento vibrante. Los cilindros deben referenciarse. Los moldes con el concreto, se deben colocar durante las primeras 16 horas como mínimo y máximo 24 horas, sobre una superficie rígida, libre de vibración u otras perturbaciones. Los cilindros se deben almacenar en condiciones tales que se mantenga la temperatura entre 16 oC y 27 oC y se prevenga la pérdida de humedad de los mismos. Los cilindros para verificar diseño o para control de calidad, deben removerse de los moldes después de 20+4 horas de haber sido moldeados y deben almacenarse en condiciones de humedad tales que siempre se mantenga agua libre en todas sus superficies, a temperatura permanente de 23+2 oC hasta el momento del ensayo. Los cilindros no deben estar expuestos a goteras o corrientes de agua, si se desea almacenamiento bajo agua ésta debe estar saturada de cal.

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130 6. RESISTENCIA DEL CONCRETO

Foto 6.1. Almacenamiento del concreto bajo agua saturada con cal.

Los cilindros que se toman para conocer el tiempo mínimo de desencofrado, el tiempo para dar al servicio una estructura o para hacer el control de curado en las obras, se deben almacenar dentro o sobre la estructura, tan cerca como sea posible al sitio donde se esté usando el concreto y deben recibir la misma protección que la dada a las partes de la estructura que representan y los moldes deben removerse simultáneamente con el retiro de los encofrados no portantes. Para el ensayo de compresión deben sumergirse en agua los cilindros por 24+4 horas inmediatamente antes de la rotura para asegurar una condición uniforme de humedad. Los cilindros se deben probar a la edad especificada por el calculista, aunque se recomienda probar parejas de cilindros antes y después de la edad especificada con el fin de determinar como ha sido el desarrollo de resistencia. Antes de probar los cilindros se debe comprobar que sus bases sean planas, las bases de los cilindros que no sean planas dentro de 0,005 mm deben refrentarse. El refrentado se puede hacer con mortero de azufre o yeso de acuerdo con la norma NTC 504. Los cilindros deben ensayarse tan pronto como sea posible, en estado húmedo; se llevan a la máquina de ensayo y se aplica carga a una velocidad constante (1,4 a 3,5 kg/cm2/s) hasta que el cilindro falle.

Foto 6.2. Refrentado de cilindros de concreto (mortero de azufre y almohadillas de neopreno).

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131 6. RESISTENCIA DEL CONCRETO

La resistencia a la compresión se calcula así: (6.14)

RC = P/A

Donde: P = Carga máxima aplicada en kg. A = Área de la sección transversal en cm2. RC= Resistencia a la compresión del cilindro en kg/cm2, con aproximación a 1 kg/cm2. 2 10kg/cm ≈ 1Mpa

Foto 6.3. Ensayo de Resistencia a la Compresión del Concreto.

Adicional al valor de la resistencia a la compresión se debe reportar el número de identificación o referencia del cilindro, su edad, tipo de fractura y defectos tanto del cilindro como del refrentado. La resistencia a la compresión del concreto se debe determinar como el promedio de al menos dos cilindros probados al mismo tiempo.

6.4 RESISTENCIA A LA TENSIÓN El concreto posee muy baja resistencia a la tensión y por lo tanto esta propiedad no se tiene en cuenta en el diseño de estructuras normales. Sin embargo, la tensión tiene importancia en el agrietamiento del concreto debido a la restricción de la contracción inducida por el secado o por disminución de la temperatura. Los concretos preparados con agregados livianos, se encogen considerablemente más que los normales y por lo tanto la resistencia a la tensión puede ser tenida en cuenta en el diseño de la estructura correspondiente.

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132 6. RESISTENCIA DEL CONCRETO

La resistencia a la tensión es difícil de medir por medio de ensayos directos, debido a las dificultades para montar las muestras y las incertidumbres que existen sobre los esfuerzos secundarios inducidos por los implementos que sujetan las muestras. Para evitar este problema existe un método indirecto (norma NTC 722), en el cual la resistencia a la tensión se determina cargando a compresión el cilindro estándar de 15 cm de diámetro por 30 cm de longitud, a lo largo de dos líneas axiales diametralmente opuestas; los listones diametrales de apoyo deben ser dos tiras de cartón o de madera laminada, libres de imperfecciones, de 3 mm de espesor y 25 mm de ancho aproximadamente. La elaboración y curado de los cilindros se realiza en forma similar al ensayo de resistencia a la compresión; la velocidad de aplicación de la carga debe ser de 7 a 15 kg/cm2/min. La resistencia a la tensión indirecta se calcula con la siguiente ecuación: RT =

2P πLD

(6.15)

Donde: RT = Resistencia a la tracción o tensión indirecta de un cilindro en (kg/cm2), con aproximación a 1 kg/cm2. P = Carga máxima aplicada (kg.). L = Longitud del cilindro (cm). D = Diámetro del cilindro (cm).

Foto 6.4. Esquema del Ensayo de Resistencia a la Tensión indirecta.

Para cada edad se deben ensayar como mínimo 2 cilindros y trabajar con valores promedio. En caso de no poderse realizar el ensayo, la resistencia a la tensión puede tomarse aproximadamente como el 10% de la resistencia a la compresión.

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133 6. RESISTENCIA DEL CONCRETO

6.5 RESISTENCIA A LA FLEXIÓN La resistencia a la flexión de un concreto es baja en comparación con su resistencia a la compresión, pero muy superior a su resistencia en tracción pura. Este parámetro es aplicado en estructuras tales como pavimentos rígidos; debido a que los esfuerzos de compresión que resultan en la superficie de contacto entre las llantas de un vehículo y el pavimento son aproximadamente iguales a la presión de inflado de las mismas, la cual en el peor de los casos puede llegar a ser de 5 o 6 kg/cm2; este esfuerzo de compresión sobre un pavimento de concreto hidráulico resulta sumamente bajo con relación a la resistencia a la compresión del concreto que normalmente varía entre 150 y 350 kg/cm2 en nuestro medio. Por lo tanto, no es la resistencia a la compresión el factor determinante de la calidad del concreto para pavimentos, sino la resistencia a la flexión, por el paso de los vehículos y por diferencias de temperatura un lado de la losa estará sometida a tensión y el otro lado a compresión, siendo cambiables estos esfuerzos. Los esfuerzos de flexión podrían ser atendidos por medio de refuerzo, pero esto sería antieconómico debido a que se tendría que utilizar refuerzo en dos capas. En la práctica lo que se hace es diseñar el espesor del pavimento en forma tal que los esfuerzos de flexión, causados por el paso de los vehículos y la diferencia de temperatura, sean inferiores a la capacidad máxima a flexión de las placas. Es claro entonces que para el diseño de pavimentos de concreto la característica importante es la resistencia a la flexión del concreto o también llamada "módulo de rotura".

6.5.1 RESISTENCIA A LA FLEXIÓN DE DOSIFICACIÓN Lo indicado anteriormente sobre la resistencia de diseño a la compresión es aplicable a la flexión. Por lo tanto, la mezcla deberá dosificarse para obtener un módulo de rotura promedio mayor que la resistencia a la flexión de diseño, con el fin de no disminuir el factor de seguridad de la estructura (la vida útil del pavimento). Luego: F'r = Resistencia a la flexión o módulo de rotura de diseño del calculista en Mpa o kg/cm2. Si no se especifica la edad se asume que es a los 28 días. F'rr= Resistencia promedio a la flexión del concreto requerida para dosificar las mezclas en Mpa o kg/cm2. SRF =Desviación estándar de valores de resistencia a la flexión, en MPa o kg/cm2.

Los valores de resistencia a la flexión de una mezcla de concreto se agrupan de acuerdo a una curva de distribución normal; con el fin de no disminuir la vida útil del pavimento ni encarecer la mezcla, el Instituto Colombiano de Productores de Cemento (ICPC) recomienda que sólo un 20% de valores sean menores de F'r. De acuerdo con lo anterior, al reemplazar este criterio en las fórmulas vistas en el análisis estadístico (6.8 y 6.9) tenemos:

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134 6. RESISTENCIA DEL CONCRETO

A-) En función de la desviación estándar: F'rr = F'r + t * SRF * coeficiente

Para un 20% de valores inferiores a F'r, t es 0,842 Luego: F'rr = F'r + 0,842 * SRF * coeficiente

(6.16)

O en función del coeficiente de variación (V en %) F´rr =

F'r 0,842 * V * coef . 1− 100

(6.17)

Los valores del coeficiente son los mismos dados en la tabla No. 6.3 y depende del número de datos (n). B-) Cuando no hay datos o los datos son muy pocos (menos de 15) o el grado de uniformidad de la mezcla producida es malo y está representada por valores de S y V altos, el valor de F'rr se recomienda tomarlo como: (6.18)

F'rr = 1,20 * F'r

Es decir, que se debe tomar el menor valor de los dos criterios antes expuestos.

Ejemplo: Calcular el valor de resistencia a la flexión de dosificación de una mezcla (F'rr), si se tienen los siguientes datos: F'r = 4 Mpa SRF = 0,37 Mpa para n = 20 datos Solución: Para n = 20 datos el coeficiente correspondiente es 1,08 A-) F'rr = F'r + 0,842 * SRF * coef. F'rr = 4 + 0,842 * 0,37 * 1,08 = 4,34 Mpa

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135 6. RESISTENCIA DEL CONCRETO

B-) F'rr = 1,20 * F'r F'rr = 1,20 * 4 = 4,8 Mpa

Luego, el módulo de rotura de dosificación de la mezcla es: F'rr = 4,34 Mpa (43,4 kg/cm2)

6.5.2 ENSAYO DE RESISTENCIA A LA FLEXIÓN El método más empleado para medir la resistencia a la flexión es usando una viga simplemente apoyada con carga en los tercios de la luz, aunque en algunas partes se emplea el método de la viga en voladizo o el de la viga simplemente apoyada con carga en el punto medio; los resultados obtenidos difieren con el método empleado. El ensayo de la viga simplemente apoyada con carga en los tercios de la luz se realiza de acuerdo con la norma NTC 1377 o ASTM C31 y ASTM C78. El equipo empleado en el ensayo es el siguiente: - Probetas para ensayo: vigas rectangulares elaboradas y endurecidas con el eje mayor en posición horizontal. Los moldes deben cumplir los siguientes requisitos: Longitud > 3 profundidad en posición de ensayo + 5 cm. Ancho / profundidad (en la posición en que se elabora) <1,5 Dimensión menor de la sección recta >3 tamaño máximo del agregado (para TM>5cm)

Los moldes más empleados tiene una sección de 15,2 * 15,2 cm y una longitud de 55,8 cm y se usará para concretos con agregado grueso de tamaño máximo < 5 cm. Se pueden usar moldes de otras dimensiones pero que cumplan los requisitos antes vistos. - Varilla compactadora : debe ser de acero estructural, cilíndrica, lisa, de 16 mm de diámetro y de longitud aproximada de 600 mm, la punta debe ser redondeada. - Vibrador: puede ser vibración interna o externa, se debe cumplir con los mismos requisitos que para el ensayo de resistencia a la compresión. La utilización de la varilla o el vibrador para compactar, se hace de acuerdo a los criterios del ensayo de resistencia a la compresión, a menos que las especificaciones de la obra indiquen lo contrario. Asentamiento > 7,5 cm se debe utilizar varilla. Asentamiento < 2,5 cm se debe utilizar vibrador. Asentamiento entre 2,5 y 7,5 cm se puede utilizar varilla o vibrador, preferiblemente el método empleado en la obra.

Los moldes se deben aceitar y luego se procede a llenarlos por capas de acuerdo a la tabla No. 6.5.

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136 6. RESISTENCIA DEL CONCRETO

ALTURA DEL MOLDE (cm) < 20 > 20 < 20 > 20

FORMA DE COMPACTAR Varilla Varilla Vibrador Vibrador

No. DE CAPAS 2 3 o más 1 2 o más

ALTURA APROX. DE CADA CAPA Mitad de la altura 10 cm Toda la altura 20 cm 6.9.7

Tabla No. 6. 5 Número de capas requeridas en la elaboración de las vigas.

Cada capa se compactará de la siguiente forma: -Varilla: se dará un golpe por cada 14 cm2 de sección horizontal. -Vibrador: la duración requerida de la vibración es función de la trabajabilidad del concreto y de la efectividad del vibrador. Usualmente la vibración debe suspenderse inmediatamente después de que la superficie del concreto se haga relativamente suave (comience a fluir la pasta); se debe tener cuidado de no sobrevibrar porque produce segregación. En la vibración interna se coloca el vibrador cada 15 cm a lo largo del eje longitudinal y se penetra ligeramente en la capa inferior; cuando las probetas tienen un ancho mayor de 15 cm debe introducirse el vibrador alternadamente a lo largo de 2 líneas de acción. En la vibración externa el molde debe colocarse rígidamente unido a la superficie vibrante. Las vigas deben referenciarse. Los moldes con el hormigón, se deben colocar durante las primeras 16 horas como mínimo y máximo 24 horas, sobre una superficie rígida, libre de vibración u otras perturbaciones. Las vigas se deben almacenar en condiciones tales que se mantenga la temperatura entre 16 oC y 27 oC y se prevenga la pérdida de humedad de las mismas. Las vigas para verificar diseño o para control de calidad deben removerse de los moldes después de 20+4 horas de haber sido moldeadas y deben almacenarse en condiciones de humedad tales que siempre se mantenga agua libre en todas sus superficies a temperatura permanente de 23+2 oC hasta el momento del ensayo. Las vigas no deben estar expuestas a goteras o corrientes de agua, si se desea almacenamiento bajo agua ésta debe estar saturada de cal. Las vigas que se elaboran para conocer el tiempo en que se pueda dar al servicio el pavimento o para hacer el control de curado en la obra, se deben almacenar sobre la losa o tan cerca como sea posible al sitio donde se esté usando el concreto y deben recibir la misma protección. Para el ensayo de flexión deben sumergirse en agua las vigas por 24+4 horas inmediatamente antes de la rotura para asegurar una condición uniforme de humedad. Las vigas se deben probar a la edad especificada por el calculista, aunque se recomienda probar parejas de vigas antes y después de la edad especificada con el fin de determinar como ha sido el desarrollo de resistencia.

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137 6. RESISTENCIA DEL CONCRETO

Foto 6.5. Ensayo de Resistencia a la flexión.

Las vigas deben ensayarse tan pronto como sea posible, en estado húmedo; se llevan a la máquina de ensayo, se giran 90o respecto a la posición de elaboración y se aplica carga a una velocidad constante (8,8 a 12,4 kg/cm2/min.), hasta que la viga falle. La resistencia a la flexión se calcula así: A-) Si la falla ocurre dentro del tercio central, el módulo de rotura se determina con la fórmula: MR =

P*L b*d2

(6.19)

Siendo: MR = Módulo de rotura de la viga (kg/cm2). P = Carga máxima aplicada en (kg.). L = Distancia entre apoyos (cm). b = Ancho de la viga en la posición de ensayo, en la sección de falla (cm). d = Altura de la viga en la posición de ensayo, en la sección de falla (cm).

B-) Si la falla ocurre por fuera del tercio central, pero no está separada de él por más de una longitud equivalente al 5% de la luz libre o distancia entre apoyos, el módulo de rotura se determina con la ecuación siguiente: MR =

3* P * a b*d2

(6.20)

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138 6. RESISTENCIA DEL CONCRETO

Siendo MR = Módulo de rotura (kg/cm2). P = Carga máxima aplicada en kg. a = Distancia entre la sección de falla y el apoyo más próximo medido sobre el eje longitudinal de la cara inferior de la viga en cm. b = Ancho de la viga en la posición de ensayo, en la sección de falla (cm). d = Altura de la sección en la posición de ensayo, en la sección de falla (cm).

C-) Si la falla ocurre por fuera del tercio medio de la viga y a una distancia mayor del 5% de la distancia entre apoyos, se debe descartar el resultado del ensayo. La resistencia a la flexión del concreto se debe determinar como el promedio de al menos dos vigas probadas al mismo tiempo y con una aproximación a 0,1 kg/cm2. 10kg/cm2 ≈ 1Mpa.

6.6 CORRELACIONES ENTRE LA RESISTENCIA A LA FLEXIÓN Y LAS RESISTENCIAS A LA COMPRESIÓN Y TENSIÓN El módulo de rotura presenta valores 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, es la siguiente: MR = k (RC)1/2

(6.21)

Donde: MR = Módulo de rotura estimado para el concreto (kg/cm2). RC = Resistencia a la compresión obtenida en el concreto (kg/cm2). k = Constante que varía normalmente entre 2,0 y 2,7, para resistencias en kg/cm2 a 28 días.

La relación entre el módulo de rotura y la resistencia a la tensión indirecta es de tipo lineal. Para materiales del área de Popayán (agua potable, cemento del Valle y agregados de la zona) se han encontrado las siguientes correlaciones, las cuales se deben ajustar periódicamente. Arena y grava de río: MR28D = 2,20 * ( RC28D)1/2 en kg/cm2; r = 0,86 MR28D = 15,03 + 0,90 RT28D en kg/cm2; r = 0,98 r = Coeficiente de correlación

(6.22) (6.23)

Arena de río y triturado: 1/2 en kg/cm2; r = 0,88 MR28D = 2,48 * ( RC28D) MR28D = 12,25 + 1,03 RT28D en kg/cm2; r = 0,99

(6.24) (6.25)

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139 6. RESISTENCIA DEL CONCRETO

6.7 EVALUACIÓN Y ACEPTACIÓN DEL CONCRETO Según la NSR/98; las muestras para las pruebas de resistencia correspondientes para cada clase de concreto, deben estar conformadas cuando menos por una pareja de cilindros tomados no menos de una vez por día, ni menos de una vez por cada 40m3 de concreto o una vez por cada 200m2 de área de losas o muros. Como mínimo debe tomarse una pareja de muestra de concreto de columnas por piso. De igual manera como mínimo debe tomarse una pareja de muestras por cada 50 bachadas de cada clase de concreto. Si en una determinada obra, el volumen total de concreto es tal que la frecuencia de los ensayos, da lugar a menos de 5 ensayos de resistencia para una misma clase de concreto, las muestras deben tomarse de por lo menos 5 mezclas seleccionadas al azar, o en cada mezcla si se usan menos de 5. Cuando la cantidad total de una clase de concreto sea menor de 10m3, pueden suprimirse las pruebas de resistencia si, a juicio del Supervisor Técnico, existe suficiente evidencia de que la resistencia que se va a obtener es satisfactoria. Un ensayo de resistencia debe ser el resultado del promedio de resistencia de 2 cilindros tomados de una misma mezcla y ensayados a los 28 días, o a la edad especificada en caso de que sea diferente de 28 días. El nivel de resistencia para cada clase de concreto se considera satisfactorio si cumple simultáneamente los siguientes requisitos: A-) Que los promedios aritméticos de todos los conjuntos de tres resultados consecutivos de ensayos de resistencia a la compresión, igualen o excedan el valor especificado para F'c, y B-) Que ningún resultado individual de las pruebas de resistencia a la compresión (promedio de al menos dos cilindros), sea inferior a F’c en más de 3,5 MPa. Si no se cumple cualquiera de los dos requisitos, deben tomarse las medidas necesarias para asegurar que la capacidad de carga de la estructura no se esté comprometiendo. Si se confirma que el concreto puede ser de baja resistencia, se apelará al ensayo sobre núcleos extraídos de la zona en duda, de acuerdo con la norma NTC 889 o norma ASTM C 42. En tal caso, deben tomarse 3 núcleos por cada ensayo de resistencia menor a F'c-3,5 (Mpa). Si el concreto en servicio va a estar seco, los núcleos se secan al aire durante siete días antes del ensayo y deben probarse secos. Si durante el servicio el hormigón va a estar húmedo, los núcleos deben sumergirse en agua por lo menos durante 40 horas y ensayarse húmedos. El concreto de la zona representada por los núcleos es estructuralmente adecuado, si ningún núcleo tiene resistencia menor al 75% de F'c y si su promedio es por lo menos el 85% de F'c. Si lo anterior no se cumple y la seguridad estructural permanece en duda, se puede ordenar pruebas de carga en la parte dudosa de la estructura.

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140 6. RESISTENCIA DEL CONCRETO

Foto 6.6. Toma de núcleos.

Figura 6.7. Núcleo extraído.

En el caso de resistencia a la flexión, la mezcla se dosifica para que un 80% de los resultados de ensayo den módulos de rotura por encima del de diseño (F'r), lo cual implica que muy probablemente al ejecutar la obra, se va a obtener aproximadamente un 20% de ensayos por debajo de dicho valor. Ahora bien, si la diferencia de los resultados de uno de éstos ensayos y el módulo de rotura de diseño estructural (F'r) es muy poca no hay ningún problema, pero cuando la diferencia es grande puede ponerse en peligro la estabilidad o la duración del pavimento. A éste respecto y aunque las normas no lo dicen claramente, se recomienda que se acepte el concreto cuyo módulo de rotura sea al menos el 80% del módulo de rotura de diseño (F'r), siempre que el resultado promedio de cinco ensayos consecutivos lo supere o al menos lo iguale; en caso de que no se cumplan éstas condiciones debe revisarse todo el proceso de ensayo o comprobarse la calidad del concreto tomando núcleos o con ensayos no destructivos. Cuando los cilindros estándar o las vigas normalizadas, no dan la resistencia que se requiere y la calidad del hormigón permanece en duda y ante la dificultad de extraer núcleos, existen otras alternativas para determinar la resistencia del concreto endurecido, son los ensayos no destructivos. Uno de los ensayos no destructivos que ha encontrado mayor aceptación práctica, dentro de alcances limitados, es el martillo de rebote o martillo de impacto o esclerómetro. Este instrumento mide el rebote de un cilindro de acero empujado por un resorte después que ha actuado y golpea una superficie de concreto, la lectura del rebote da una indicación de la resistencia del concreto. Deben tomarse varias precauciones al estimar la resistencia, ya que al rebote lo afecta el tipo de agregado, el grado de humedad del concreto, el tamaño y la firmeza de apoyo de la muestra, lo parejo de la superficie y la edad del concreto. Para ser más útil, el martillo debe calibrarse para el concreto particular sobre el que se va a usar. Se puede emplear como comparador de resistencias entre dos concretos similares.

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141 6. RESISTENCIA DEL CONCRETO

Foto 6.8. Martillo de rebote o Esclerómetro.

Para el martillo de rebote o esclerómetro que se tiene en el laboratorio de materiales de la Facultad de Ingeniería Civil de la Universidad del Cauca y con materiales del área de Popayán se tienen las siguientes ecuaciones de calibración (las cuales deben ajustarse periódicamente): RC= 10,42 * LEH - 85,6

r=0,88

(6.26)

RC= 11,80 * LEV - 96,8

r=0,93

(6.27)

Donde: RC = Resistencia a la compresión estimada del concreto en kg/cm2. LEH = Lectura en el esclerómetro en posición horizontal. LEV = Lectura en el esclerómetro en posición vertical (hacia abajo). r = Coeficiente de correlación.

Otra prueba no destructiva es la del pulso ultrasónico donde se mide la velocidad de onda longitudinal en el concreto; no existe una relación única entre esta velocidad y la resistencia del concreto, pero en condiciones específicas, las dos cantidades si tienen una relación directa. El factor común es la masa unitaria del concreto, un cambio en la masa unitario produce un cambio en la velocidad de pulso; por lo tanto, una disminución en la masa unitario ocasionado por un aumento en la relación agua / cemento reduce tanto la resistencia a la compresión del concreto como la velocidad de un pulso transmitido a través de él. La velocidad de onda no se determina directamente, sino que se calcula a partir del tiempo que tarda un pulso en recorrer una distancia medida. Este pulso ultrasónico se obtiene al aplicar un rápido cambio de potencial a partir de un impulsor transmisor a un transductor de cristal piezo-eléctrico, que emite vibraciones a su frecuencia fundamental. El transductor está en contacto con el concreto, de modo que las vibraciones viajan a través de él y son recogidas por otro transductor en contacto con la cara opuesta.

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142 6. RESISTENCIA DEL CONCRETO

Normalmente se pueden probar concretos de 0,10 a 2,50 m de espesor, sin embargo, se han efectuado algunas pruebas en concretos con espesores hasta de 15 m. La técnica de velocidad de pulso ultrasónico se usa como medio de control de calidad en productos que supuestamente están elaborados de concretos semejantes; en casos prácticos conviene calibrar el aparato, estableciendo la relación entre la resistencia y la velocidad de pulso para los materiales utilizados.

Foto 6.9. Ensayo de velocidad de onda.

6.8 FACTORES QUE AFECTAN LA RESISTENCIA DEL CONCRETO 6.8.1 TIPO DE CEMENTO Es lógico pensar que las características del cemento empleado tienen una gran influencia en la resistencia final alcanzada por el concreto, ya que el cemento es un material "activo" en las mezclas. Se ha demostrado en diversas investigaciones y en la práctica constructiva misma, que existe una estrecha correlación entre la resistencia de un cemento determinado de acuerdo con un proceso normalizado (norma NTC 220) y la resistencia de los concretos preparados con dicho cemento; de ahí que distintas marcas de cemento, aún de un mismo tipo, no deban ser intercambiadas sin un cuidadoso análisis del efecto que dicho cambio pueda tener sobre las propiedades del concreto endurecido. La resistencia que puede producir un determinado cemento depende fundamentalmente de su composición química; por ejemplo, con un cemento con alto contenido de C3S se obtendrán buenas resistencias y en un tiempo relativamente corto, acompañadas por un desprendimiento de calor relativamente alto durante el endurecimiento, en tanto que un cemento rico en C2S producirá altas resistencias pero en un tiempo relativamente largo, con un moderado calor de hidratación, lo cual conlleva a una mejor resistencia a los ataques químicos.

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143 6. RESISTENCIA DEL CONCRETO

La finura a la cual se haya molido el cemento también influye en las características del concreto, ya que los cementos más finos ganan resistencia más rápidamente que los gruesos, pero en cambio producen mayor retracción al endurecer y liberan más calor y más rápidamente, durante la hidratación. 6.8.2 TIPOS DE AGREGADOS Los concretos que tengan agregados angulosos o rugosos son generalmente más resistentes que otros de igual relación agua / cemento que tengan agregados redondeados o lisos; sin embargo, para igual contenido de cemento, los primeros exigen más agua para no variar la manejabilidad y por lo tanto el efecto en la resistencia no varía apreciablemente. Sin embargo, como es lógico la calidad del agregado afecta el desarrollo de resistencia. 6.8.3 TIPO DE AGUA DE MEZCLA Se ha dicho usualmente que el agua que se puede beber y que no tenga color, olor y sabor apreciable puede usarse en mezclas de concreto. El agua utilizada en una mezcla de concreto debe estar limpia y libre de cantidades perjudiciales de: aceite, ácidos, álcalis, sales, materiales orgánicos u otras sustancias que puedan ser dañinas para el concreto o el refuerzo. El agua de mezcla para el concreto preesforzado o para el concreto que vaya a contener elementos de aluminio embebidos, o el agua debida a la humedad libre de los agregados, no debe contener cantidades perjudiciales de ión cloro. El agua impotable no debe utilizarse en el concreto a menos que se cumplan las siguientes condiciones: A-) La dosificación debe estar basada en mezclas de concreto que utilice agua de la misma fuente. B-) Los cubos para ensayos de morteros hechos con agua impotable de mezcla, deben tener una resistencia a la compresión a los 7 y 28 días de edad, igual o mayor al 90% de la resistencia a la compresión de probetas similares hechas con agua potable. La comparación de los ensayos de resistencia debe hacerse sobre morteros idénticos, excepto para el agua de mezcla, preparados y ensayados de acuerdo con la norma NTC 220. El agua con una salinidad de 3,5% produce una reducción de resistencia a los 28 días del 12%, aumentando la salinidad a 5% la reducción de resistencia es del orden del 30%. La presencia de sales produce oxidación del refuerzo, por lo tanto no debe usarse agua salada en concreto reforzado y preesforzado. 6.8.4 RELACION AGUA / CEMENTO (A/C) Duff Abrams, enunció la siguiente ley que lleva su nombre: "Dentro del campo de las mezclas plásticas, la resistencia a los esfuerzos mecánicos, así como las demás propiedades del concreto endurecido, varían en razón inversa a la relación agua / cemento".

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144 6. RESISTENCIA DEL CONCRETO

Lo que significa que a menor relación agua / cemento (A/C), mayor resistencia, más durabilidad y en general mejoran todas las propiedades del concreto endurecido. La ley de Abrams se expresa matemáticamente como: R=

k1 k2

(6.28)

A/C

Donde: R = Resistencia a los esfuerzos mecánicos. A/C = Relación agua / cemento. k1 y k2 = Son valores que dependen de la calidad del cemento, edad del concreto, sistema de curado y tipo de agregados.

Para materiales del área de Popayán (agua potable, cemento del Valle y agregados de la zona) se han encontrado las siguientes correlaciones (éstas ecuaciones deben de ajustarse con periodicidad): - Arena y grava de río: RC7D = (815,58) / (37,48)A/C en kg/cm2 ; r = 0,96 RC28D= (889,61) / (19,21)A/C en kg/cm2 ; r = 0,97

(6.29) (6.30)

- Arena de río y triturado: A/C en kg/cm2 ; r = 0,95 RC7D = (777,28) / (32,77) A/C RC28D= (734,88) / (10,95) en kg/cm2 ; r = 0,89

(6.31) (6.32)

La firma SOLINGRAL LTDA encontró para materiales procedentes del valle del río Medellín y de diferentes regiones de Antioquia, Valle, Choco, Caldas y la Costa Atlántica y cementos: El Cairo, Nare, Argos y Caribe, la siguiente relación: RC28D = (985) / (14,3)A/C en kg/cm2

6.9.13

(6.33)

El DECRETO 1400 presenta unos valores recomendados, para el caso que no se tenga una idea del comportamiento de los materiales con los que se está trabajando y son los siguientes: Resistencia a la compresión (kg/cm2) 175 210 245 280 315

A/C Concreto sin aire incluido 0,67 0,58 0,51 0,44 0,38

A/C Concreto con aire incluido 0,54 0,46 0,40 0,35 -----

Tabla No. 6. 6. Valores recomendados de A/C para diferentes resistencias a la compresión en concretos sin aire incluido y concretos con aire incluido.6.9.4

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145 6. RESISTENCIA DEL CONCRETO

Las ecuaciones para estos valores del DECRETO 1400 son: •

Sin aire incluido

RC28D = (685,14) / (7,64)A/C en kg/cm2

•

Con aire incluido

RC28D = (661,04) / (11,86)A/C en kg/cm2

6.9.4

(6.34)

6.9.4

(6.35)

En la figura No. 6.4 se representan gráficamente las anteriores correlaciones y los valores recomendados para concreto sin aire incluido por el DECRETO 1400.6.9.4 10kg/cm2 ≈ 1Mpa

RESISTENCIA A LA COMPRESION (Mpa) 40 37.5 35 32.5 30 27.5 25 22.5 20 DECRETO 1400

17.5

SOLINGRAL

15

TRITURADO GRAVA DE RIO

12.5 10 0.35

0.40

0.45

0.50

0.55

0.60

0.65

0.70

RELACION A/C DECRETO 1400

TRITURADO

GRAVA DE RIO

SOLINGRAL

Figura No. 6. 4. Resistencia a la compresión en función de la relación agua / cemento.

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6.8.5 TIEMPO, TEMPERATURA Y HUMEDAD Una vez que el agua ha entrado en contacto con el cemento, el concreto empieza a endurecer gradualmente hasta que pasa del estado plástico al rígido, entonces se dice que el concreto ha "fraguado". Una elevación en la temperatura de curado acelera las reacciones químicas de hidratación, incrementando la resistencia temprana del concreto, sin efectos contrarios en la resistencia posterior; sin embargo, una temperatura más alta durante la colocación y el fraguado, aunque incrementa la resistencia a muy temprana edad, puede afectar adversamente la resistencia a partir de aproximadamente los 7 días. Esto es debido, a que una rápida hidratación inicial parece formar productos de una estructura física más pobre, probablemente más porosa. La exposición al aire del concreto, debido a la pérdida de humedad, impide la hidratación completa del cemento y por lo tanto la resistencia final disminuirá. La velocidad e intensidad del secamiento depende de la masa de concreto relativa al área de la superficie expuesta, así como también de la humedad ambiente. En la figura No. 6.5 se representa en forma gráfica el efecto de las condiciones de humedad durante el curado y de la humedad del concreto en el instante de falla. A mayor tiempo de curado, en mayor o menor grado, mayor será la resistencia alcanzada por el concreto. Si el concreto es moldeado y mantenido a una temperatura constante, mientras más alta sea ésta, las resistencias serán mayores hasta edades cercanas a los 28 días; a edades superiores las resistencias no varían apreciablemente pero a mayor temperatura la resistencia será menor. Para una edad de 28 días, tomando como base una temperatura de 23 o C, a una temperatura de 10 oC la resistencia es un 18% menor y a 35 oC un 10% mayor. Lo anterior es válido hasta una temperatura máxima cercana a 50 oC , pues de ahí en adelante los resultados se invierten. R E S IS T E N C IA R E L A T IV A (% ) 400 110

e r , c o n t in u a m e n t C u ra d o e s ta n d a o e n e n s a yaod o húm edo, húm ed ur c l e es ndo 3 m es ic ia e R e in p u é s d des o m edo en ensay s de un m es hú A l a ir e d e s p u é

100 90 80 70 60

sayo e, seco en en C u r a d o a l a ir sayo n e n e C u r a d o a l a ir e , h ú m e d o

50 40 30 20 10 0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

T IE M P O ( M E S E S )

Figura No. 6. 5. Efecto de las condiciones de humedad durante el curado y en el instante de falla sobre la resistencia a la compresión del concreto.6.9.13

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147 6. RESISTENCIA DEL CONCRETO

Por otra parte, si la temperatura de curado es más alta que la temperatura inicial de moldeo, la resistencia resultante a los 28 días será mayor y viceversa; para unos 5 oC de diferencia entre las temperaturas de moldeo y de curado, la variación de resistencia es del orden de 8%. El aumento promedio de resistencia con el tiempo está indicado en la tabla No. 6.7, en forma aproximada y únicamente para cemento Pórtland tipo 1.

TEMPERATURA O C 10 23 35

3 25 34 40

7 40 52 60

TIEMPO (DÍAS) 14 63 76 87

21 76 91 102

28 82 100 % 110

Tabla No. 6. 7 Aumento promedio en porcentaje de la resistencia a la compresión con el tiempo y para diferentes temperaturas.6.9.1

Debido a que la resistencia del concreto depende de la edad y de la temperatura, se puede decir que la resistencia está en función de ∑(tiempo * temperatura) y esta suma se llama "MADUREZ"; la regla de la madurez se aplica convenientemente cuando la temperatura inicial del concreto está entre 16 y 27 oC y no hay pérdida de humedad por secado durante el período considerado, el rango de temperatura de curado se recomienda considerarlo por encima de 0 o C hasta 50 oC. La madurez se mide en "oC-Horas" o "oC-Días". Los españoles toman la madurez como:6.9.1 MADUREZ = # de días * (10 + temperatura)

(6.36)

Cilindros de concreto, hechos de la misma mezcla, que tengan igual madurez tendrán aproximadamente la misma resistencia y entre mayor sea la madurez mayor será la resistencia. Así por ejemplo, la madurez de los cilindros curados en condiciones normalizadas será de 924 días-oC (28 días a 23 oC); si estos cilindros se curan durante 21 días a 34 oC desarrollarán aproximadamente la misma resistencia que en condiciones estándar, de acuerdo a la ecuación planteada por los españoles. Se ha tratado de relacionar la resistencia a la compresión a los 28 días con la resistencia a la compresión a los 7 días, con el fin de poder tomar decisiones más rápidamente sobre la calidad del concreto. Estas relaciones son aproximadas ya que están influenciadas por: las características del cemento, agregados, relación agua / cemento, aditivos, la humedad, la temperatura, etc. Las siguientes ecuaciones pueden servir de guía para estimar la resistencia a la compresión probable a los 28 días. RC28D = 50 + 1,13 RC7D en kg/cm2 (ICPC)

(6.37)

Para materiales del área de Popayán (agua potable, cemento del Valle y agregados de la zona) se han encontrado las siguientes correlaciones:

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- Arena y grava de río: 2 RC28D = 53,5 + 1,10 RC7D en kg/cm ; r =0,94

(6.38)

- Arena y triturado:

RC28D = 76,9 + 1,06 RC7D en kg/cm2 ; r =0,85

(6.39)

6.8.5.1. Ensayo acelerado para la predicción de resistencias futuras. Teniendo en cuenta que la construcción se ha desarrollado enormemente y esperar 28 días para definir la calidad de un concreto es mucho tiempo, aún 7 días ya es muy demorado; se ha tratado de correlacionar la resistencia a un día (acelerada mediante el incremento de la temperatura) con la resistencia a los 28 días y de esta forma poder tomar decisiones más rápidamente. El ensayo se realiza de acuerdo con la norma NTC 1513, consiste en elaborar los cilindros estándar en forma normalizada (descrita en el ensayo de resistencia a la compresión), luego se les coloca una tapa atornillada con tuercas o mariposas. Se deben elaborar mínimo 3 cilindros por cada lote de hormigón. Una vez tapados los cilindros se dejan en reposo durante 18 horas + 30 minutos por el "método A", o 23 horas + 30 minutos por el "método B". El procedimiento que se sigue después de haberse completado el tiempo de reposo es el mismo para cualquiera de los dos métodos. Completado el tiempo de reposo se sumergen los cilindros tapados, en el tanque para tratamiento térmico, el cual debe contener agua a una temperatura de 5 oC menos que el punto de ebullición; las muestras deben quedar cubiertas con agua a la temperatura indicada, durante un período de 4 horas + 5 minutos, al cabo del cual se retiran del tanque, se dejan enfriar durante 1 hora; luego se les saca de los moldes, se refrentan y se ensayan a compresión después de haber transcurrido 2 horas a partir de la terminación del tratamiento térmico. La resistencia a la compresión a las 24 horas por el método "A", o a las 29 horas por el método "B" debe darse como el promedio de los cilindros ensayados. En el laboratorio de materiales de la Facultad de Ingeniería Civil de la Universidad del Cauca, se ha encontrado que para materiales del área de Popayán la resistencia a la compresión a los 28 días es aproximadamente 3 veces la resistencia a la compresión a las 29 horas. Sin embargo, se recomienda encontrar las correlaciones respectivas para cada caso, empleando siempre un mismo método y se sugiere utilizar la siguiente fórmula: RC28D= X(RC29H) + Y(RC29H)2

(6.40)

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149 6. RESISTENCIA DEL CONCRETO

Donde: RC28D= Resistencia a la compresión estimada del concreto, a los 28 días, en kg/cm2. RC29H= Resistencia a la compresión determinada por el ensayo rápido, en kg/cm2 (puede ser 24 horas - método "A"). X, Y = Coeficientes. Para su determinación deben emplearse un mínimo de 10 ensayos, los cuales deben cubrir un rango de por lo menos 140 kg/cm2 (siempre por el mismo método).

6.8.5.2. Curado del concreto. El curado se define como el proceso de mantener un contenido de humedad satisfactorio y una temperatura favorable en el concreto, durante la hidratación de los materiales cementantes, de manera que se desarrollen en el hormigón las propiedades deseadas. El curado es una de las operaciones más importantes en las construcciones con hormigón y lamentablemente una de las más descuidadas. Un buen curado aumenta la resistencia y durabilidad y en general todas las propiedades del concreto endurecido. El endurecimiento del concreto se produce por las reacciones químicas que tienen lugar entre el cemento y el agua. Este proceso, llamado hidratación, continúa solamente si no falta agua y si la temperatura es adecuada. Cuando en el concreto recién colocado se pierde mucha agua por evaporación, la hidratación se interrumpe. Cerca a la temperatura de congelación (0oC) la hidratación prácticamente se detiene. En estas condiciones el concreto deja de ganar resistencia y mejorar otras propiedades convenientes. Hay tres sistemas muy usados para curar el concreto. Los dos primeros proporcionan la humedad requerida, con el fin de que el concreto desarrolle completamente su resistencia potencial y durabilidad. El tercero aumenta la temperatura por lo tanto se incrementa el desarrollo de resistencia: A-) Manteniendo un medio húmedo mediante la aplicación de agua. B-) Evitando la pérdida del agua de mezclado mediante el uso de materiales sellantes. C-) Acelerar las reacciones. La evaporación del agua de mezcla puede ser controlada mediante protección y curado adecuados; los efectos secantes de la absorción pueden ser reducidos mediante el uso de agregados húmedos, de formaletas no absorbentes y mojando el suelo. Una señal de que la pasta está perdiendo agua es la aparición de fisuras por retracción plástica en la superficie del concreto cuando está listo para el acabado. Los métodos y materiales de curado más empleados están contenidos dentro de los tres sistemas de curado mencionados.

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150 6. RESISTENCIA DEL CONCRETO

Métodos y materiales de curado. Los métodos más utilizados, de acuerdo a los tres sistemas de curado mencionados son: A-) Manteniendo un medio húmedo mediante la aplicación continua o frecuente de agua. Los procedimientos por este sistema pueden ser: la inmersión del elemento de concreto en agua; el uso de rociadores de agua; usando materiales que se mantengan saturados de agua como: aserrín, fique y algodón húmedos colocados sobre la estructura; empleando arena, tierra de contenido orgánico nulo y paja o heno húmedos sobre el concreto. B-) Evitando la pérdida de agua, usando materiales sellantes. Son láminas o membranas colocadas sobre el concreto para evitar la pérdida de humedad; o parafinando el elemento de hormigón. Algunos de estos materiales son poco costosos y fáciles de manejar; entre ellos está la película plástica, que puede ser blanca o negra, usada en estados de clima muy soleado y muy frío respectivamente, la blanca permite la reflexión de rayos solares y la negra la absorción de calor. Otro material es el papel impermeable que funciona similar a la película plástica. Los compuestos líquidos que forman membrana como las ceras, resinas y disolventes de alta volatilidad se pueden usar inmediatamente el agua libre ha desaparecido de la superficie. C-) Acelerar las reacciones. Consiste en aumentar la temperatura siempre y cuando se mantenga la humedad del concreto para que el cemento se hidrate más rápidamente. Se pueden utilizar mecheros o emplear paneles de energía solar para aumentar la temperatura ambiente. Con alguna frecuencia y en especial en clima frío, se usan quemadores de kerosene o gasolina con ventiladores para calentar recintos, estos calentadores deben contar siempre con buena ventilación.

Criterios para finalizar el curado. La NSR/98 menciona los siguientes requisitos: - El concreto, diferente del de alta resistencia temprana, debe mantenerse a una temperatura por encima de los 10 ºC y húmedo para permitir su hidratación, por lo menos durante los primeros 7 días contados a partir de su vaciado. - El concreto de alta resistencia a edad temprana debe mantenerse a una temperatura por encima a 10 oC y húmedo para permitir su hidratación, por lo menos durante 3 días después de su vaciado.

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Los procedimientos de protección y curado del concreto deben mejorarse cuando las resistencias de los cilindros curados en el campo (bajo las mismas condiciones que la estructura), a la edad especificada para medir F'c, sea menor del 85% de la resistencia obtenida en cilindros curados en el laboratorio. Cuando la resistencia en los cilindros curados en el laboratorio sea apreciablemente mayor que F'c, la resistencia en los cilindros curados en el campo no necesita exceder a F'c en más de 3,5 MPa, aún cuando no se cumpla con el criterio del 85%. Sin embargo, cabe recordar que entre más tiempo se realice un curado adecuado, mejorarán todas las propiedades del concreto endurecido.

6.8.6 ADITIVOS Son productos químicos que modifican el desarrollo de la resistencia. Pueden ser acelerantes cuando permiten un rápido desarrollo de la resistencia, siendo el más común el cloruro de calcio el cual debe añadirse en forma de solución como parte del agua de mezcla; o retardantes si hacen que el tiempo de fraguado sea mayor. El uso de retardantes, en general, acompaña alguna reducción en la resistencia en los primeros días (de 1 a 3) mientras que los efectos de estos materiales en las demás propiedades del concreto, como la retracción, pueden no ser previsibles. Por lo tanto, las pruebas de aceptación deberán hacerse con materiales de la obra para las condiciones previstas.

6.9 REFERENCIAS 6.9.1 ANEFHOP (Agrupación Nacional Española de Fabricantes de Hormigón Preparado). Manual de consejos prácticos sobre hormigón. Madrid (España). 6.9.2 ARANGO, T. Jesús H. Artículo: Sensibilidad de la seguridad estructural al control de calidad de los materiales. Memorias: "I Reunión del concreto". Cali (Colombia). 1986 6.9.3 BAUD, G. Tecnología de la construcción. Barcelona (España): Editorial Blume. Tercera edición. 1970. 6.9.4 Código colombiano de construcciones sismo-resistentes. Capítulos C.4 y C.5. Bogotá (Colombia). 1984.

Decreto 1400 de 1984.

6.9.5 FERNANDEZ R., CUJAR G., FERNANDEZ G., RIVERA G. Análisis de agregados del área de Popayán usados en la fabricación de mezclas de concreto. Popayán (Colombia): Universidad del Cauca. 1987. 6.9.6 GOMEZ, C. Gabriel. Artículo: Resistencia real de diseño de una mezcla de hormigón. Memorias: "I Reunión del concreto". Cali (Colombia). 1986

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152 6. RESISTENCIA DEL CONCRETO

6.9.7 ICONTEC. Normas técnicas colombianas para el sector de la construcción - I. Bogotá (Colombia): Legis editores s. a. 1989 6.9.8 ICPC. Práctica recomendada para el curado del concreto. Nota técnica No. 5. Medellín (Colombia). 1976. 6.9.9 ICPC., MADRID C. Registro eficiente de los resultados de ensayo del concreto. Nota técnica No. 8. Medellín (Colombia). 6.9.10 ICPC., MADRID C. Consideraciones sobre el diseño de mezclas y el control de calidad de concreto de cemento para pavimentos. Nota técnica No. 10. Medellín (Colombia). 6.9.11 ICPC., MADRID C., SANTANDER N. Normas ASTM para ensayos de control de calidad del concreto para pavimentos. Nota técnica No. 1. Medellín (Colombia). 6.9.12 ICPC, SANTANDER R. Norman, MADRID M. Carlos, FERNANDEZ O. Otoniel. Pavimentos de concreto - Manual de diseño. Medellín (Colombia): Ediciones gráficas. 1975. 6.9.13 ICPC, SOLINGRAL. (Colombia). 1974.

Manual de dosificación de mezclas de concreto.

Medellín

6.9.14 MADRID, Carlos A. Resistencia que debe tener el concreto. Medellín (Colombia), comité de la industria del cemento. Andi. 1972. 6.9.15 MENA F., Víctor Manuel y LOERA P., Santiago. Guía para fabricación y control de concreto en obras pequeñas. México: UNAM. 1972. 6.9.16 NEVILLE, A. M. Tecnología del concreto tomo I y II. México: Instituto mexicano del cemento y del concreto. Primera edición, tercera reimpresión. 1980. 6.9.17 NORMAS COLOMBIANAS DE DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN SISMO RESISTENTE. NSR/98. Asociación Colombiana de Ingeniería Sísmica. Bogotá (Colombia) 1998. 6.9.18 PAYA PEINADO, Miguel. Hormigón vibrado y hormigones especiales. Ediciones CEAC. 12o Edición. 1979.

España:

6.9.19 PEREZ R. Jaime E. Estadística para ingenieros. Popayán (Colombia): Universidad del Cauca. 1977. 6.9.20 PORTLAND CEMENT ASSOCIATION (P.C.A.). concreto. México: Limusa. Primera edición. 1978.

Proyecto y control de mezclas de

6.9.21 RUIZ DE M. Julia y RIVERA L. Gerardo. Comportamiento de mezclas de concreto elaboradas con agregados del área de Popayán. Popayán (Colombia): Universidad del Cauca. 1984.

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153 6. RESISTENCIA DEL CONCRETO

6.9.22 SANCHEZ DE GUZMAN, Diego. Tecnología del concreto y del mortero. (Colombia): Pontificia Universidad Javeriana. 1987.

Bogotá

6.9.23 SARMIENTO L. Javier, TORRES P. José, MENDEZ G. Luis A. Artículo: Innovaciones y limitaciones del ultrasonido. Memorias: "I Reunión del concreto". Cali (Colombia). 1986.

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155 7. DURABILIDAD DEL CONCRETO

CAPÍTULO 7 DURABILIDAD DEL CONCRETO

7.1 GENERALIDADES Un concreto durable es aquel que puede resistir en forma satisfactoria las condiciones de servicio a que estará sujeto, tales como: la meteorización, la acción química y el desgaste. Es indispensable que el concreto resista, sin deteriorarse con el tiempo, las condiciones para las cuales se ha proyectado. La falta de durabilidad puede deberse al medio al que esta expuesto el concreto, o a causas internas del concreto mismo. Las causas externas pueden ser físicas, químicas o mecánicas; originadas por condiciones atmosféricas, temperaturas extremas, abrasión, acción electrolítica, ataques por líquidos y gases de origen natural o industrial. El grado de deterioro producido por estos agentes dependerá principalmente de la calidad del concreto, aunque en condiciones extremas cualquier concreto mal protegido se daña. Las causas internas son: la reacción álcali-agregado, cambios de volumen debidos a diferencias entre las propiedades térmicas del agregado y de la pasta de cemento y sobre todo la permeabilidad del concreto; este factor determina en gran medida la vulnerabilidad del concreto ante los agentes externos y por ello un concreto durable debe ser relativamente impermeable. Es raro que el deterioro de un concreto se deba a una causa aislada, a menudo, aun cuando tenga algunas características indeseables, el concreto puede ser satisfactorio; sin embargo, con sólo un factor adverso más, el daño puede ocurrir. Por esta razón, algunas veces es difícil asignar el deterioro a una causa en particular.

7.2 PERMEABILIDAD La penetración de materiales en solución puede afectar adversamente la durabilidad del concreto, como por ejemplo cuando esas soluciones lixivian Ca(OH)2 o cuando se efectúan ataques de líquidos agresivos (lixiviación: remoción de materiales solubles por el agua). Esta penetración depende de la permeabilidad del concreto y está determinada por la facilidad relativa con que el concreto puede saturarse de agua, por lo tanto, la permeabilidad se asocia mucho con la vulnerabilidad del concreto a la congelación. Además, en el caso del concreto reforzado, el acceso de la humedad y del aire tiene como resultado la corrosión del acero de refuerzo, que a su vez causa un aumento en el volumen del acero, lo cual puede dar origen a grietas y descascaramientos del concreto y a pérdida de adherencia entre el acero y el hormigón.

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156 7. DURABILIDAD DEL CONCRETO

La permeabilidad del concreto es importante también en relación a lo hermético de las estructuras que retienen líquidos. Además, la penetración de humedad en el concreto afecta sus propiedades de aislamiento térmico. La permeabilidad del concreto no es solamente función de su porosidad, sino que depende también del tamaño, la distribución y la continuidad de los poros. La permeabilidad del concreto se ve afectada por las propiedades del cemento. Para una misma relación agua/cemento, el cemento grueso tiende a producir una pasta de más porosidad que un cemento fino. La composición del cemento afecta la permeabilidad en cuanto a su influencia sobre la rapidez de hidratación, pero el grado final de porosidad y de permeabilidad no se afecta. Un concreto con baja relación agua/cemento (con mínimo contenido de agua), buena gradación de los agregados, manejable y bien compactado es casi impermeable, por lo tanto muy durable.

7.3 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. 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: A-) Una relación agua/cemento baja y un mínimo contenido de agua (agregados bien gradados, porcentaje adecuado de arena, consistencia plástica en la mezcla, buena compactación). B-) Un concreto homogéneo (mezcla manejable, mezclado eficiente, adecuada colocación y vibración). C-) Un curado adecuado (temperatura favorable, pérdida mínima de humedad). D-) Un contenido óptimo de aire incorporado. Las rocas componentes de ciertos agregados, estructuralmente blandas o con planos de debilidad (lutitas, arcillolitas, chert y ciertos materiales micáceos), pueden desintegrarse fácilmente. Si no se posee información sobre el comportamiento de concretos preparados con estos agregados, puede hacerse la prueba de sanidad o solidez en sulfato de sodio o de magnesio (norma NTC 126). La cristalización de estas sales que van en solución dentro del agregado, causa una fuerza expansiva que simula en una forma acelerada la que puede causar la desintegración por meteorización. Para el agregado fino se acepta una perdida máxima de 10% en sulfato de sodio o de 15% si es sulfato de magnesio; para el agregado grueso 12% y 18% respectivamente.

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7.3.1 ATAQUE DE LA CONGELACIÓN Y LA FUSIÓN Los efectos adversos producidos por congelación y deshielo son unos de los problemas principales de la durabilidad. El deterioro puede ser producido por la dilatación del agua de la pasta, la dilatación de algunas partículas del agregado o la combinación de ambas. La inclusión de aire mejora la resistencia a este tipo de deterioro. La dilatación destructiva del agua de la pasta durante la congelación la absorbe el concreto con aire incluido, las burbujas de aire de la pasta son equivalentes a cámaras en las que se disipa la fuerza expansiva. Cuando se congela el concreto expuesto a la humedad durante un largo tiempo, lo suficiente como para saturar algunas partículas del agregado (en particular del agregado grueso), pueden generarse presiones hidráulicas destructivas. El agua desalojada de estas partículas del agregado, durante la formación de hielo, no puede escapar con suficiente rapidez a través de la pasta que la rodea y así evitar que se produzca esta presión. Sin embargo, bajo casi todas las condiciones de exposición a la intemperie, una pasta de buena calidad, con baja relación agua/cemento, puede impedir que las partículas del agregado se saturen. Si la pasta contiene aire, este puede alojar las pequeñas cantidades en exceso de agua que son expulsadas del agregado, protegiendo así al concreto de los daños producidos por la congelación y la fusión.

7.4 ACCIÓN QUÍMICA El daño del concreto puede ser debido a reacciones químicas expansivas entre los álcalis del cemento y ciertos agregados que contienen sílice (ópalo, calcedonia, tridimita, cristobalita) y ciertas rocas volcánicas (riolita, andesita, dacita). Un agregado que contenga estos materiales en cantidades tan pequeñas como 1%, puede ser perjudicial para el concreto. La ASTM C-150 recomienda que el contenido de Na2O + 0,658 K2O del cemento no debe ser mayor de 0,6% cuando se utilicen agregados que puedan reaccionar con los álcalis. Las formas más comunes de la agresión química son: la lixiviación del cemento, la acción del agua de mar, la acción de los sulfatos y la de aguas naturales ligeramente ácidas. La lixiviación o lavado de compuestos de calcio, conduce en algunas circunstancias a la formación de depósitos salinos en la superficie del concreto conocidas como eflorescencias; El carbonato de calcio formado por la reacción del Ca(OH)2 con el CO2 queda después en forma de un deposito blanco, se encuentran también depósitos de sulfato de calcio. Las eflorescencias pueden deberse también al empleo de agregados de arena de playa sin lavar; la capa salina en la superficie de las partículas del agregado puede formar un depósito blanco en la superficie del concreto. El yeso y los álcalis en el agregado producen un efecto semejante. Además de la lixiviación, la eflorescencia tiene importancia solamente con respecto a la apariencia del concreto.

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7.4.1 ATAQUE DE LOS SULFATOS Las sales en estado sólido no atacan al concreto, pero cuando se encuentran en solución pueden reaccionar con la pasta de cemento endurecido. Algunas arcillas contienen, por ejemplo, álcalis y sulfatos de calcio y de magnesio, y las aguas freáticas con este tipo de arcilla son una solución de sulfatos. Por lo tanto, puede haber un ataque al cemento, al reaccionar el sulfato con la Ca(OH)2 y con el C3A. La rapidez de ataque del sulfato aumenta al elevarse la concentración de la solución, pero mas allá de una concentración alrededor del 0,5% de MgSO4 o del 1% de Na2SO4 la rapidez con que aumenta el ataque es menor. Una solución saturada de MgSO4 causa graves deterioros en el concreto; aunque con una relación agua/cemento baja, esto tiene lugar solamente después de 2 o 3 años. Además de la concentración de sulfatos, el grado de ataque al concreto, depende también de la velocidad con que el sulfato removido por la reacción con el cemento puede ser reemplazado. Por lo tanto, para estimar el peligro del ataque de sulfatos, debe conocerse el movimiento del agua freática. Cuando el concreto está expuesto a la presión de agua sulfatada por un lado, la rapidez de ataque será máxima. Así mismo, la saturación seguida del secado, produce deterioro rápido. Por otra parte, cuando el concreto se encuentra totalmente bajo tierra, sin cauce alguno de agua freática las condiciones son menos severas. El concreto atacado por sulfatos tiene un aspecto blanquecino y característico. El daño suele iniciarse en los bordes y los ángulos, va seguido por agrietamientos y descascaramientos progresivos que reducen el concreto a un estado frágil o incluso blando. La vulnerabilidad del concreto a sulfatos puede reducirse con el empleo de cemento bajo en C3A. Con los cementos tipos 2 y 5 de bajo contenido de C3A los problemas de variación de volumen y formación de grietas serán menores que con los demás tipos, por lo tanto, la acción de los sulfatos tendrá una importancia menor. La resistencia al ataque de los sulfatos mejora también mediante la adición o sustitución parcial del cemento con puzolanas. La resistencia del concreto al ataque de sulfatos depende también de su impermeabilidad. La resistencia del concreto al ataque de sulfatos puede determinarse en el laboratorio, mediante la inmersión de muestras en una solución de sulfato de sodio o de magnesio o bien una mezcla de los dos. Al humedecer y secar sucesivamente se acelera el daño, debido a la cristalización de las sales en los poros del concreto. Los efectos de exposición pueden estimarse por la perdida de resistencia de la muestra, por los cambios en su módulo de elasticidad, su expansión, su pérdida de masa o incluso con una inspección visual.

7.4.2 ATAQUE DEL AGUA DE MAR El agua de mar contiene sulfatos y ataca al concreto en forma semejante a la antes descrita (tema anterior). Además de la acción química, la cristalización de las sales en los poros del concreto puede destrozarlo debido a la presión ejercida por los cristales de las sales.

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En vista de que la cristalización tiene lugar en el momento de la evaporación del agua, esta forma de ataque se produce en concretos sobre el nivel del agua; sin embargo, la solución salina asciende en el concreto por acción capilar, por lo que la impermeabilidad es una vez más una característica muy importante. El concreto situado entre las mareas alta y baja esta sometido a ciclos alternados de humedecimiento y secado recibiendo ataques severos, mientras que en el concreto sumergido el ataque es menor. El avance real del ataque por el agua de mar varía y es retardado por el bloqueo de los poros del cemento mediante acumulación de hidróxido de magnesio. En climas tropicales el ataque es más rápido. En algunos casos la acción del agua de mar sobre el concreto va acompañada por la acción destructiva de la congelación, el impacto de las olas y la abrasión, todo esto tiende a agravar el deterioro del concreto. En el caso de concreto reforzado, la absorción de sales establece áreas anódicas y catódicas; debido a la acción electrolítica resultante, se acumulan en el acero productos corrosivos y en consecuencia se produce una ruptura del concreto alrededor del refuerzo; es decir, los efectos del agua de mar son más severos en el concreto reforzado que en el concreto simple, por esto es necesario dar suficiente recubrimiento al refuerzo, mínimo 5 cm. de preferencia 7,5 cm. y emplear un concreto compacto e impermeable.

7.4.3 ATAQUE DE LOS ÁCIDOS En condiciones húmedas, el SO2, el CO2 y algunos otros gases ácidos presentes en la atmósfera atacan al concreto disolviéndolo y removiendo una parte del cemento fraguado, después de lo cual queda una masa suave y semisólida. Esta forma de ataque ocurre comúnmente en las chimeneas y en los túneles por donde pasan locomotoras de vapor. El ataque de ácidos se encuentra también en áreas de uso industrial; ningún cemento Portland resiste los ácidos. El concreto sufre también ataques por agua con CO2 disuelto, como el agua cenagosa. Las corrientes de agua pura, procedentes de la fusión de las nieves o la condensación y con poco CO2, también disuelven el Ca(OH)2 y causan erosión superficial. Otra forma de ataque químico que se puede presentar en el concreto, es cuando los compuestos de azufre se reducen a H2S por la acción de bacterias aerobias; este no es un agente destructivo por sí mismo, pero se disuelve en una película de humedad sobre la superficie expuesta del concreto y experimenta posteriormente oxidación por acción de bacterias aerobias, para producir finalmente ácido sulfúrico. El cemento se disuelve gradualmente y el concreto se deteriora progresivamente.

7.5 DESGASTE Las principales causas de erosión en las superficies del concreto son:

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A-) Movimiento de materiales desgastadores por medio del agua en movimiento. B-) Acción del tráfico en pavimentos. C-) Cavitación (formación, movimiento y colapso de burbujas de agua en obstrucciones o cambios de alineamiento en estructuras hidráulicas). Para que un concreto sea resistente al desgaste debe tener una relación agua/cemento baja, un mínimo contenido de agua y un curado adecuado. La resistencia del agregado grueso debe ser compatible con la de la matriz ligante. Un método usado normalmente para evaluar la dureza de un agregado consiste en determinar la resistencia al desgaste en la máquina de los ángeles (normas NTC 93 y 98). El porcentaje de pérdida de dicho ensayo no debe ser mayor de 40%. La resistencia del concreto a la abrasión puede determinarse por varios métodos, cada uno de los cuales intenta simular una forma de abrasión basada en la práctica. En todas las pruebas, la pérdida de masa de la muestra se emplea como medida de la abrasión. En la prueba de abrasión de las bolas de acero, se aplica una carga a una cabeza rotatoria que esta separada de la muestra mediante bolas de acero. Durante la prueba se hace circular agua con el fin de remover el material que se ha desprendido por desgaste. En la prueba de abrasión de la rueda desgastadora, se emplea una prensa barrenadora modificada para aplicar una carga a 32 ruedas giratorias desbastadoras en contacto con la muestra. La cabeza impulsadora gira 5000 veces a 190 revoluciones por minuto y como material abrasivo se emplea carborundo. Las pruebas con rueda desbastadora y con bolas de acero sirven para estimar la resistencia del concreto sometido a tráfico intenso; en cambio, la tendencia a la erosión por sólidos en agua corriente se determina mediante la prueba del chorro de perdigones. Se lanzan 2000 piezas de acero quebrado para perdigones (de 850 µm de tamaño) bajo aire a presión de 6,3 kg/cm2, por una boquilla de 6,3 mm, contra la muestra de concreto a una distancia de 102 mm. No es fácil simular las condiciones reales de desgaste y la principal dificultad en la prueba de abrasión reside en asegurar que el resultado de una prueba represente la resistencia comparativa del concreto a un tipo de desgaste determinado.

7.6 ELASTICIDAD, CONTRACCIÓN Y FLUENCIA Como muchos otros materiales estructurales, el concreto tiene algún grado de elasticidad. Bajo carga sostenida la deformación unitaria se incrementa con el tiempo, o sea, el concreto presenta una fluencia. Además, independientemente de que esta sometido a carga, el concreto se contrae al secarse y este proceso se conoce como contracción. Las magnitudes de la contracción y la fluencia son del mismo orden que las de la deformación unitaria elástica, dentro de los límites usuales de esfuerzo; de modo que los diversos tipos de deformación unitaria deben tomarse siempre en cuenta.

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161 7. DURABILIDAD DEL CONCRETO

7.6.1 - MÓDULO DE ELASTICIDAD ESTÁTICO El término "módulo de elasticidad" de Young, puede aplicarse solo 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. Este es el módulo tangente inicial, pero reviste poca importancia práctica. Es posible encontrar un módulo tangente en cualquier punto de la curva esfuerzodeformación unitaria, pero este módulo se aplica solamente a cambios muy pequeños por encima o por debajo de la carga para la cual se considera el módulo tangente. El incremento de la deformación unitaria, mientras actúa la carga completa o una parte de ella, se debe a la fluencia del concreto, pero la dependencia de una deformación unitaria instantánea respecto de la velocidad de carga dificulta mucho la demarcación entre las deformaciones unitarias elásticas y las de fluencia. En la práctica se hace una distinción arbitraria, 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 requisito es el módulo secante que es un módulo estático. La relación entre el módulo de elasticidad y la resistencia depende de las proporciones de la mezcla (ya que generalmente el agregado tiene un módulo más alto que la pasta de cemento) y de la edad de la muestra; a edades mayores, el módulo se incrementa más rápidamente que la resistencia. El módulo del concreto con agregado ligero suele estar entre el 40 y 80 por ciento del módulo del concreto normal de la misma resistencia. Ya que el módulo del agregado ligero difiere un poco únicamente del módulo de la pasta de cemento, las proporciones de la mezcla del concreto ligero no afectan al módulo de elasticidad. El módulo de elasticidad de acuerdo al ACI se puede tomar como: Ec = 4270 * (W)1,5 * (RC)1/2

Donde:

en kg/cm2 (7.1) 2

RC =Resistencia a la compresión del concreto en kg/cm W = Masa unitaria del concreto endurecido (1,4 a 2,5 Ton/m³)

Foto No 7.1 Ensayo de Resistencia a la compresión y determinación del módulo de elasticidad y la relación de Poisson del concreto.

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Foto No 7.2 . Masa unitaria del concreto endurecido

El módulo de elasticidad para el concreto de masa normal según el Decreto 1400, puede tomarse como: Ec = 13000 * (Resist. a la compresión)½

en kg/cm2 (7.2)

El módulo de elasticidad según la NSR/98 para el concreto de masa normal, debe determinarse experimentalmente a partir de curvas esfuerzo-deformación obtenidas para un grupo representativo de cilindros estándar de concreto según la norma NTC 4025. En el mismo ensayo se puede determinar la relación de Poisson, si se miden las deformaciones en el sentido no solo vertical sino también horizontal. Ec = (S2 – S1) / (

2v

–

1v)

(7.3)

µ=(

/(

2v

–

(7.4)

2H

–

1H)

1v)

Donde: Ec = Módulo de elasticidad estático del concreto en kg/cm2 o Mpa. S2 = 40% del esfuerzo máximo en kg/cm2 o Mpa. S1 = Esfuerzo correspondiente a 1 v 2 v = Deformación unitaria vertical correspondiente a S2 1 v = Deformación unitaria vertical de 0,00005. 2 H = Deformación unitaria horizontal correspondiente a S2 1 H = Deformación unitaria horizontal correspondiente a

1 v de 0,00005.

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163 7. DURABILIDAD DEL CONCRETO

En el caso de que no se disponga de este valor experimental, la norma NSR-98 ha determinado los siguientes valores, para concretos cuya masa unitaria (wc) varía entre 1450 y 2450 kg/m3: Para agregado grueso de origen ígneo: Ec = (wc)1,5 0,047

F´C en Mpa

(7.5)

Para agregado grueso de origen metamórfico: Ec = (wc)1,5 0,041

F´C en Mpa

(7.6)

Para agregado grueso de origen sedimentario: Ec = (wc)1,5 0,031

F´C en Mpa

(7.7)

El valor medio para toda la información experimental nacional, sin distinguir por tipo de agregado, es: Ec = (wc)1,5 0,034

F´C en Mpa

(7.8)

En ausencia de un valor experimental de Ec o cuando no se disponga del valor de la masa unitaria del concreto, puede utilizarse: Para agregado grueso de origen ígneo: Ec = 5500 F´C en Mpa

(7.9)

Para agregado grueso de origen metamórfico: Ec = 4700 F´C en Mpa

(7.10)

Para agregado grueso de origen sedimentario: Ec = 3600 F´C en Mpa

(7.11)

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164 7. DURABILIDAD DEL CONCRETO

El valor medio para toda la información experimental nacional, sin distinguir por tipo de agregado, es: Ec = 3900 F´C en Mpa

(7.12)

La relación de Poisson para el concreto debe determinarse por medio del ensayo de cilindros de concreto, realizado de acuerdo con la norma NTC 4025 (ASTM C469). En el caso de que no se disponga del valor experimental puede utilizarse un valor de 0,20.

7.6.2 - MÓDULO DE ELASTICIDAD DINÁMICO Ya que durante la vibración de la muestra se aplica un esfuerzo demasiado pequeño, el módulo dinámico se refiere casi solamente a los efectos elásticos y no se ve afectado por la fluencia. Por esta razón, el módulo dinámico es aproximadamente igual al módulo tangente inicial y es, por lo tanto, apreciablemente mas alto que el módulo secante (estático). La diferencia entre el módulo estático y el dinámico se debe también a la heterogeneidad del concreto que afecta a los dos módulos de diferente manera. El "British Code of Practice for the Structural Use of Concrete" da una relación del módulo dinámico de elasticidad (Ed) con su resistencia y también presenta una relación con el módulo estático; las ecuaciones son las siguientes: Ed = [22 + 2,8 (RC/10)1/2] * 104

(7.13)

Donde: Ed = Módulo de elasticidad dinámico en kg/cm2 RC = Resistencia a la compresión del concreto en kg/cm2 Ec = [(1,25 * Ed * 10-4) - 19] * 104

(7.14)

Donde: Ed y Ec son los módulos de elasticidad dinámico y estático respectivamente en kg/cm2 . Esta relación no es aplicable a concretos que contengan agregado ligero o más de 500 kg de cemento por m³ de concreto. El módulo de elasticidad dinámico se puede determinar con el ensayo de velocidad de onda aplicando la siguiente fórmula: Ed = W V 2 (1+µ) (1-2µ) / (1-µ)

(7.15)

Donde: Ed = Módulo de elasticidad dinámico en Mpa ( 1 Mpa = 10 kg/cm2) W = Masa unitaria del concreto endurecido en kg/m³ V = Velocidad de onda en km/s µ = Relación de Poisson

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Foto No 7.3. Determinación indirecta del Módulo de Elasticidad Dinámico.

7.6.3 - RELACIÓN DE POISSON Es la relación entre la deformación unitaria lateral y la deformación unitaria axial aplicada, que acompaña dicha deformación; esta última deformación se usa en el diseño y análisis de muchos tipos de estructuras. La relación de Poisson para el concreto varía entre 0,11 y 0,21 (generalmente de 0,15 a 0,20) cuando se determina a partir de mediciones de la deformación unitaria, tanto de concreto normal como de concreto ligero.

7.7 - REQUISITOS PARA CONDICIONES ESPECIALES DE EXPOSICIÓN A continuación se presentan los máximos valores de relación agua/cemento, que se pueden usar en las obras, cumpliendo requisitos de durabilidad; de acuerdo a la NSR/98. Estos son los mismos valores que estaban el DECRETO 1400 (tablas Nos. 7.1 y 7.2) El concreto que debe ser impermeable o esta‚ expuesto a agua salina debe cumplir los requisitos de la tabla No. 7.1.

CONDICIONES DE EXPOSICIÓN

MÁXIMA RELACION AGUA / CEMENTO

Concreto que debe ser permeable: a. Expuesto a agua dulce b. Expuesto a agua salina Para la protección del concreto reforzado expuesto al agua salina o a ser salpicado por agua salina

0,50 0,45 0,40

Tabla No. 7.1 - Requisitos para condiciones especiales de exposición.7.8.3

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166 7. DURABILIDAD DEL CONCRETO

El Concreto que pueda verse expuesto a soluciones que contengan sulfatos, debe cumplir los requisitos de la tabla No. 7.2 o fabricarse con cemento resistente a los sulfatos y con una relación agua-cemento que no exceda la máxima dada en la misma tabla.

SULFATOS SOLUBLES EN AGUA (SO4) EN EL SUELO, PORCENTAJE EN MASA

SULFATOS (SO4) EN EL AGUA EN PARTES POR MILLÓN

TIPO DE CEMENTO

RELACIÓN AGUA— CEMENTO MÁXIMA POR MASA

0,00 a 0,10

0 a 150

-------

--------

Moderada

0,10 a 0,20

150 a 1500

2, 1--P

0,50

Severa

0,20 a 2,00

1500 a 10000

5

0,45

Muy severa

Mas de 2,00

Mas de 10000

5 con puzol.

0,45

EXPOSICIÓN AL SULFATO

Despreciable

Tabla No. 7.2 - Requisitos para concreto expuesto a soluciones que contienen sulfatos.

7.8.3

El ACI recomienda los siguientes valores máximos de relación A/C para diferentes tipos de estructuras y grados de exposición (tabla No. 7.3).

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167 7. DURABILIDAD DEL CONCRETO

Tabla No. 7.3 ACI: Valores máximos de relación A/C para diferentes tipos de estructuras y grados de exposición.7.8.5.

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168 7. DURABILIDAD DEL CONCRETO

7.8 - REFERENCIAS 7.8.1 - ACI. Reglamento de las construcciones de concreto reforzado. ACI 318-71. 7.8.2 - ANEFHOP (Agrupación Nacional Española de Fabricantes de Hormigón Preparado). Manual de consejos prácticos sobre hormigón. Madrid (España). 7.8.3 - Código colombiano de construcciones sismo-resistentes. Capitulo C.4. Bogotá (Colombia). 1984.

Decreto 1400 de 1984.

7.8.4 - ICONTEC. Normas técnicas colombianas para el sector de la construcción - I. Bogotá (Colombia): Legis editores s. a. 1989. 7.8.5 - ICPC, SOLINGRAL. (Colombia). 1974.

Manual de dosificación de mezclas de concreto.

Medellín

7.8.6 - MENA F., Víctor Manuel y LOERA P., Santiago. Guía para fabricación y control de concreto en obras pequeñas. México: UNAM. 1972. 7.8.7 - NEVILLE, A. M. Tecnología del concreto tomo I y II. México: Instituto mexicano del cemento y del concreto. Primera edición, tercera reimpresión. 1980. 7.8.8 NORMAS COLOMBIANAS DE DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN SISMO RESISTENTE. NSR/98. Asociación Colombiana de Ingeniería Sísmica. Bogotá (Colombia) 1998. 7.8.9 - PORTLAND CEMENT ASSOCIATION (P.C.A.). concreto. México: Limusa. Primera edición. 1978.

Proyecto y control de mezclas de

7.8.10 - RUIZ DE M. Julia y RIVERA L. Gerardo. Comportamiento de mezclas de concreto elaboradas con agregados del área de Popayán. Popayán (Colombia): Universidad del Cauca. 1984. 7.8.11 - SANCHEZ DE GUZMAN, Diego. Tecnología del concreto y del mortero. Bogotá (Colombia): Pontificia Universidad Javeriana. 1987. 7.8.12 - SIKA S.A. Cartilla Hormigón: sanear, reparar, proteger. Versión española del manual BETON : sanieren - reparieren - schOtzen. Suiza: Sika A. G.

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169 8. DOSIFICACIÓN DE MEZCLAS DE CONCRETO

CAPÍTULO 8 DOSIFICACIÓN DE MEZCLAS DE CONCRETO

8.1 – GENERALIDADES8.5.5 Dosificar una mezcla de concreto es determinar la combinación más práctica y económica de los agregados disponibles, cemento, agua y en ciertos casos aditivos, con el fin de producir una mezcla con el grado requerido de manejabilidad, que al endurecer a la velocidad apropiada adquiera las características de resistencia y durabilidad necesarias para el tipo de construcción en que habrá de utilizarse. Para encontrar las proporciones más apropiadas, será necesario preparar varias mezclas de prueba, las cuales se calcularán con base en las propiedades de los materiales y la aplicación de leyes o principios básicos preestablecidos. Las características de las mezclas de prueba indicarán los ajustes que deben hacerse en la dosificación de acuerdo con reglas empíricas determinadas. En la etapa del concreto fresco que transcurre desde la mezcla de sus componentes hasta su colocación, las exigencias principales que deben cumplirse para obtener una dosificación apropiada son las de manejabilidad y economía de la mezcla; para el concreto endurecido son las de resistencia y durabilidad. Otras propiedades del concreto como: cambios volumétricos, fluencia, elasticidad, masa unitaria, etc., sólo son tenidas en cuenta para dosificar mezclas especiales, en cierto tipo de obras. La dosificación de concretos especiales queda fuera del alcance del presente capítulo.

8.2 - DATOS BÁSICOS Y PROCEDIMIENTO DE DOSIFICACIÓN Los datos básicos para la dosificación son los siguientes: - Características de los materiales disponibles (partiendo que son de buena calidad, cumplen especificaciones de normas NTC), basados en ensayos de laboratorio (normas NTC): Cemento: Densidad (Gc). Masa unitaria suelta (MUSc). Agua: Densidad (Ga) se puede asumir Ga= 1,00 kg / dm3.

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Agregados: Análisis granulométrico de los agregados incluyendo el cálculo del módulo de finura (MF) o del tamaño máximo nominal (TMN), según el árido. Densidad aparente seca (G) y porcentaje de absorción de los agregados (% ABS.). Porcentaje de humedad de los agregados inmediatamente antes de hacer las mezclas (Wn). Masas unitarias sueltas (MUS). Aditivos: Densidad (Gad.) - Características geométricas y de diseño del elemento o elementos estructurales a construir, y condiciones de colocación de la mezcla, de las cuales se obtiene: Consistencia apropiada (Tabla No. 8.1). Chequeo del tamaño máximo nominal. - Resistencia de diseño del calculista (F'c o F'r). - Grado de control de la obra, expresada en forma de desviación estándar (S) o coeficiente de variación (V). - Condiciones de exposición de la estructura. De acuerdo con ellas, podrá obtenerse la máxima relación agua/cemento que puede utilizarse en el proporcionamiento de la mezcla. (Tabla No. 8.5.) 8.2.1 - PASOS A SEGUIR Para obtener las proporciones de la mezcla del concreto que cumpla las características deseadas, con los materiales disponibles, se prepara una primera mezcla de prueba, teniendo como base unas proporciones iniciales que se determinan siguiendo el orden que a continuación se indica: a.- Selección del asentamiento b.- Chequeo del tamaño máximo nominal c.- Estimación del agua de mezcla d.- Determinación de la resistencia de dosificación e.- Selección de la relación Agua/Cemento f.- Cálculo del contenido de cemento y aditivo g.- Cálculo de la cantidad de cada agregado h.- Cálculo de proporciones iniciales i.- Primera mezcla de prueba. Ajuste por humedad de los agregados

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171 8. DOSIFICACIÓN DE MEZCLAS DE CONCRETO

Con los resultados de la primera mezcla se procede a ajustar las proporciones para que cumpla con el asentamiento deseado y el grado de manejabilidad requerido, posteriormente se prepara una segunda mezcla de prueba con las proporciones ajustadas; las propiedades de ésta segunda mezcla se comparan con las exigidas y si difieren se reajustan nuevamente. Se prepara una tercera mezcla de prueba que debe cumplir con el asentamiento y la resistencia deseada; en caso que no cumpla alguna de las condiciones por errores cometidos o debido a la aleatoriedad misma de los ensayos, se puede continuar haciendo ajustes semejantes a los indicados hasta obtener los resultados esperados. A continuación se describe la metodología a seguir en cada paso: 8.2.1.1 - Selección del asentamiento. El asentamiento requerido para el concreto se escogerá de acuerdo con las especificaciones de la obra; en su defecto se tomará de la tabla No. 8.1 que sirve de guía. 8.2.1.2 - Chequeo del tamaño máximo nominal. El tamaño máximo nominal del agregado disponible debe cumplir los requisitos del NSR/98: 1/3 (Espesor de la losa) 1/5 (Menor distancia entre lados de formaleta) 3/4 (Espacio libre entre varillas de refuerzo)

8.2.1.3 - Estimación del agua de mezcla. Se supone una cantidad de agua, según la tabla No. 8.2, con el asentamiento escogido y de acuerdo al tamaño máximo nominal del agregado, teniendo en cuenta si es concreto con aire incluido o no. Si se va a emplear aditivo se deben consultar las recomendaciones del fabricante, en especial si es un plastificante o un súperplastificante. 8.2.1.4 - Determinación de la resistencia de dosificación. El cálculo de la resistencia de dosificación se realiza de acuerdo a lo expresado en el capítulo 6 - Resistencia del concreto, apartes 6.3.1 o 6.5.1. 8.2.1.5 - Selección de la relación agua/cemento (A/C). La relación agua/cemento (A/C) requerida, se debe determinar no sólo por los requisitos de resistencia, sino también, teniendo en cuenta durabilidad. Puesto que distinto cemento, agua y agregado producen generalmente resistencias diferentes con la misma A/C, es muy conveniente encontrar la relación entre la resistencia y la A/C para los materiales que se usarán realmente. A falta de esta información, puede emplearse la figura No. 8.1, suponiendo una curva, ya sea la correspondiente a los valores que traía recomendados el código colombiano de construcciones sismo-resistentes (Decreto 1400), aunque en la NSR/98 ya no están, o las otras curvas realizadas para materiales de la región.

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La relación A/C por durabilidad se escogerá de las tablas Nos. 8.3 y 8.4, según la región y las condiciones de la obra. Se deberá trabajar con el menor valor de relación agua/cemento, puesto que este valor garantiza tanto la resistencia como la durabilidad del concreto.

8.2.1.6 - Cálculo del contenido de cemento y aditivo. Cantidad de cemento (kg / m3 concreto) = C = A/(A/C)

(8.1)

Si se va a emplear aditivo, se determina la cantidad así: (teniendo en cuenta las recomendaciones del fabricante, por lo general, la cantidad de aditivo se da como un % de la masa del cemento). Cant. Aditivo = Ad. (kg / m3 concreto) = % escogido *C

(8.2)

8.2.1.7 - Cálculo de la cantidad de cada agregado. Vol. absoluto material = Masa del material / Densidad Volumen absoluto de los agregados (dm3) = Vag.

Vag. = 1000 -

A C Ad G c G A G Ad

G promedio =

100 %i ∑G i

(8.3)

(8.4)

Masa seca agregados (kg / m3 concreto) = Mag. = Vag* Gprom.

(8.5)

Masa seca agreg. i (kg / m3 concreto) =Mag * % ajuste granulom del agregado.

(8.6)

8.2.1.8 -Cálculo de proporciones iniciales. El método más utilizado para expresar las proporciones de una mezcla de concreto, es el de indicarlas en forma de relaciones por masa de agua, cemento y agregados, tomando como unidad el cemento.

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Para evitar confusiones cuando hay varias clases de agregado fino y agregado grueso, es conveniente colocar las proporciones en orden ascendente de tamaño (primero la arena con módulo de finura menor y por último el agregado grueso de mayor tamaño máximo). Además de lo anterior, se considera conveniente colocar antes de la unidad el valor de la masa del agua, o sea la relación agua/cemento. Si se utiliza aditivo, además de las proporciones, se debe dar la cantidad escogida (% en masa del cemento) y el nombre comercial. A/C : 1 (C) : Fi : Gi Proporción agregado i = (Masa del agregado i)

/C

(8.7)

8.2.1.9 - Primera mezcla de prueba. Ajuste por humedad del agregado. Las proporciones iniciales calculadas deben verificarse por medio de ensayos de asentamiento y resistencia hechos a mezclas de prueba elaboradas ya sea en el laboratorio o en el campo, teniendo en cuenta la humedad de los agregados. Cuando no se cumple con el asentamiento y/o la resistencia requerida se debe hacer los ajustes a la mezcla de prueba.

8.2.9.10 - Ajustes a la mezcla de prueba. 8.2.1.10.1 - Ajuste por asentamiento. Al preparar la primera mezcla de prueba deberá utilizarse la cantidad de agua necesaria para producir el asentamiento escogido. Si ésta cantidad de agua por m3 de concreto difiere de la estimada, es necesario, calcular los contenidos ajustados de agua, cemento y agregados, y las proporciones ajustadas, teniendo en cuenta que si se mantiene constante el volumen absoluto de agua y agregado grueso por unidad de volumen de concreto, el asentamiento no presenta mayor cambio al variar un poco los volúmenes absolutos de cemento y agregado fino. 8.2.1.10.2 - Ajuste por resistencia. Se prepara una segunda mezcla de prueba con las proporciones ajustadas, que debe cumplir con el asentamiento y se elaboran muestras para el ensayo de resistencia. Si las resistencias obtenidas difieren de la resistencia de dosificación, se reajustan los contenidos de agua, cemento y agregados, sin perjudicar durabilidad. Las proporciones reajustadas se calculan variando las cantidades de cemento y agregado fino para obtener la nueva relación agua/cemento, pero dejando constante la cantidad de agua y agregado grueso por volumen unitario de concreto, para mantener el asentamiento.

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8.3 EJEMPLO DE DOSIFICACIÓN DE MEZCLAS DE CONCRETO (PARÁMETRO DE DISEÑO F'c) Se desea dosificar una mezcla de concreto para la construcción de un edificio en la ciudad de Popayán, La resistencia a la compresión de diseño del calculista (F'c) es de 21Mpa (210 kg/cm²) y la firma constructora ha producido concreto, empleando materiales en condiciones similares, con un coeficiente de variación del 11% para un total de 20 datos. Los materiales disponibles tienen las siguientes características: - Agregado grueso Densidad aparente seca Tamaño máximo Tamaño máximo nominal Porcentaje de absorción Masa unitaria suelta

(Gg) (TM) (TMN) (%ABSg) (MUSg)

= 2,57 kg / dm3 = 1" = 3/4" = 1,50% = 1,52 kg / dm3

- Agregado fino Densidad aparente seca Módulo de finura Porcentaje de absorción Masa unitaria suelta

(Gf) (MF) (%ABSf) (MUSf)

= 2,51 kg / dm3 = 2,97 = 3,70% = 1,47 kg / dm3

Del respectivo ajuste granulométrico tratando de reproducir una gradación ideal (Fuller o Weymouth) o ajustando a uno de los rangos granulométricos (según TM) recomendados por ASOCRETO se obtuvo: - Agregado fino = 45% - Agregado grueso = 55% - Cemento Densidad Masa unitaria suelta

(Gc) (MUSc)

= 3,01 kg / dm3 = 1,13 kg / dm3

(Ga) (MUSa)

= 1,0 kg / dm3 = 1,0 kg / dm3

- Agua Densidad Masa unitaria suelta

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175 8. DOSIFICACIÓN DE MEZCLAS DE CONCRETO

8.3.1 - SELECCIÓN DEL ASENTAMIENTO De acuerdo con la tabla No. 8.1, para la obra a realizar, asentamiento escogido = 5,0 cm. CONSISTENCIA MUY SECA

ASENTA MIENTO mm. 0,0 – 20

SECA

20-35

SEMISECA

35-50

MEDIA (PLÁSTICA)

50-100

HÚMEDA

100-150

EJEMPLO DE TIPO DE CONSTRUCCIÓN Prefabricados de alta resistencia, revestimiento de pantalla de cimentación. Pavimentos.

Pavimentos, fundaciones en concreto simple, losas poco reforzadas. Pavimentos compactados a mano, losas, muros, vigas, columnas, cimentaciones. Elementos estructurales esbeltos o muy reforzados.

SISTEMA DE COLOCACIÓN

SISTEMA DE COMPACTACIÓN

Con vibradores de formaleta, concretos de proyección neumática (lanzados).

Secciones sujetas a vibración externa, puede requerirse presión.

Pavimentos con máquina terminadora vibratoria. Colocación con máquinas operadas manualmente.

Secciones sujetas a vibración intensa. Secciones simplemente reforzadas con vibración.

Colocación manual.

Secciones simplemente reforzadas con vibración.

Bombeo.

Secciones bastante reforzadas con vibración.

MUY HÚMEDA

150-200

Elementos esbeltos, pilotes fundidos “in situ”.

Tubo-embudo-tremie.

Secciones altamente reforzadas con vibración.

SÚPER FLUIDA

más de 200

Elementos muy esbeltos.

Autonivelante, autocompactante.

Secciones altamente reforzadas sin vibración y normalmente no adecuados para vibrarse.

Tabla No 8.1 Asentamientos recomendados para diversos tipos de construcción y sistemas de colocación y compactación.

8.5.12

8.3.2 - CHEQUEO DEL TAMAÑO MÁXIMO NOMINAL DEL AGREGADO Recomendaciones de la NSR 98: 1/3 (Espesor de la losa) = --1/5 (Menor distancia entre lados de formaleta) = --3/4 (Espacio libre entre varillas de refuerzo) = ---

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176 8. DOSIFICACIÓN DE MEZCLAS DE CONCRETO

Lo anterior se chequea con los planos estructurales o con las recomendaciones del calculista. Se asume que: TMN agregado disponible = 3/4" ¡Correcto!

8.3.3 - ESTIMACIÓN DEL AGUA DE LA MEZCLA De acuerdo a la tabla No. 8.2 (concreto sin aire incluido), se supone que con 185 kg de agua por m3 de concreto se obtiene el asentamiento de 5,0 cm. para TMN =3/4". A = 185 kg / m3 de concreto

CONCRETOS SIN AIRE INCLUIDO ASENTAMIENTO (cm)

0,0 – 2,5 3,0 – 5,0 5,5 – 7,5 8,0 – 10,0 10,5 – 15,0 15,5 – 18,0 % CONTENIDO DE AIRE

TAMAÑOS MÁXIMOS NOMINALES (mm) 10 13 19 25 38 50 75 185 205 215 225 235 240 3,0

180 200 210 215 225 230 2,5

165 185 190 200 205 210 2,0

160 180 185 195 200 205 1,5

140 160 170 175 180 185 1,0

135 155 165 170 175 180 0,5

125 145 155 165 170 175 0,3

CONCRETOS CON AIRE INCLUIDO ASENTAMIENTO (cm)

0,0 – 2,5 3,0 – 5,0 5,5 – 7,5 8,0 – 10,0 10,5 – 15,0 15,5 – 18,0 % CONTENIDO DE AIRE

TAMAÑOS MÁXIMOS NOMINALES (mm) 10 13 19 25 38 50 75 175 180 190 200 210 215 8,0

170 175 185 190 195 205 7,0

155 165 175 180 185 190 6,0

150 160 170 175 180 185 5,0

135 145 155 165 170 175 4,5

130 140 150 155 160 165 4,0

120 135 145 150 155 160 3,5

Tabla No. 8.2 - Cantidad de agua recomendada, en kg por m3 de concreto, para los tamaños máximos nominales indicados y de acuerdo al valor del asentamiento.8.5.8

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177 8. DOSIFICACIÓN DE MEZCLAS DE CONCRETO

8.3.4 - RESISTENCIA DE DOSIFICACIÓN DE LA MEZCLA (F'cr) n = 20 datos, entonces Coeficiente = 1,08 V * coef. = 11 * 1,08 =11,9% En la figura No. 8.1: Para F'c = 21 Mpa (210 kg / cm² ) y (V * coef.)=11,9% tenemos que F'cr = 25 Mpa (250 kg / cm2 )

F 'c r ( K g /c m 2 ) 450 400 = f 'c

350 f 'c

300

250

f 'c

=

35

0

/ kg

g 5 k 31

= 2

kg 80

4 = 2 f 'c

5

150 100

175 f 'c = 140 f 'c =

2

/c m

2

/c m

2

/c kg

210 f 'c =

200

cm

m2

k g /c

k g /c

m2

m2

k g /c

m2

/c m 05 kg f 'c = 1

2

5 0 1 0 11,9 15 20 25 C O E F IC IE N T E D E V A R IA C IÓ N ( V ) * C o e f . Figura No. 8.1 Resistencia a la compresión de dosificación de concreto Vs. Coeficiente de variación

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178 8. DOSIFICACIÓN DE MEZCLAS DE CONCRETO

8.3.5 SELECCIÓN DE LA RELACIÓN AGUA/CEMENTO (A/C) 8.3.5.1 - Por resistencia En la figura No. 8.2, se supone que el comportamiento de los materiales, es similar, a los valores de Resistencia a la Compresión vs. A/C, recomendados en el código colombiano de construcciones sismorresistentes (D 1400); para un valor de resistencia a la compresión de 250 kg /cm2 se obtiene un valor de relación A/C = 0,50.

RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN vs A/C 350

RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN (kg/cm 2 )

325

300

275

250

225 DE CR ETO

200

140 0

T RI TUR A

175 GR

150

AV A

DE

DO

RIO

125

100 0,35

0,4

0,45

0,5

0,55

0,6

RELACION A/C Figura N° 8.2 RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN Vs. A/C

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0,65

0,7

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179 8. DOSIFICACIÓN DE MEZCLAS DE CONCRETO

8.3.5.2- Por durabilidad Según la NSR 98 tablas 8.3 y 8.4, la relación Agua / Cemento, teniendo en cuenta los requisitos de Durabilidad, es para este caso la escogida por resistencia. A/C por durabilidad = A/C por resistencia = 0,50 El concreto que esté expuesto a las condiciones indicadas en la tabla 8.3 debe cumplir las relaciones a/c máximas y las resistencias mínimas a la compresión indicadas allí.

Condiciones de exposición

Máxima relación A/C

Resistencia mínima a la compresión F´c, en Mpa

0,50

24

0,45

31

0,40

35

Concreto de baja permeabilidad para ser expuesto al agua ( AGUA DULCE). Concreto expuesto a ciclos de congelamiento y descongelamiento en una condición húmeda, o a químicos que impidan el congelamiento (AGUA SALINA). Para la protección contra la corrosión del refuerzo de concreto expuesto a cloruros, sal, agua salina o que puede ser salpicado por agua salina.

Tabla 8.3 – Requisitos para condiciones especiales de exposición8.5.9

Exposición a sulfato

Despreciable

Sulfatos solubles en agua (SO4 ) en el suelo porcentaje en masa 0,00 a 0,10

Sulfatos (SO4) en el agua en ppm (partes por millón) 0 a 150

Tipo de cemento

Relación a/c máxima por masa (1)

Resistencia mínima a la compresión F´c en Mpa

-

-

-

Moderada (2)

0,10 a 0,20

150 a 1500

II (3)

0,50

28

Severa

0,20 a 2,00

150 a 10000

V

0,45

32

Muy severa

Mas de 2,00

Mas de 10000

V con puzolanas (4)

0,45

32

Tabla 8.4 – Requisitos para concretos expuestos a soluciones que contienen sulfatos

8.5.9

Nota-1 Puede requerirse una relación agua-material cementante menor por requisitos de baja permeabilidad o para protección contra la corrosión. Nota-2 Agua marina. Nota-3 Además de los cementos Tipo II se incluyen los MS. Nota-4 Puzolanas que cuando se utilizan con cementos Tipo V, hayan demostrado que mejoran la resistencia del concreto a los sulfatos bien sea por ensayos o por buen comportamiento en condiciones de servicio.

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180 8. DOSIFICACIÓN DE MEZCLAS DE CONCRETO

8.3.6 - CÁLCULO DEL CONTENIDO DE CEMENTO A C=

185 = 370 kg /m3 de concreto

= A/C

0,50

8.3.7 - AGREGADOS Vol. abs. agregados +Vol. abs. agua + Vol. abs. cemento = 1000 dm3 185 Vol. abs. agregados = 1000 -

370

1 100 G promedio =

= 692,08 dm3

3,01 100

= 2,54 kg / dm3

= %i

45

55 +

Gi

2,51

2,57

Masa de los agregados = 692,08 * 2,54 Masa del agregado fino = 1757,88 * 0,45 Masa del agregado grueso = 1757,88 * 0,55

= 1757,88 kg/m3 de concreto = 791,05 kg/m3 de concreto = 966,83 kg/m3 de concreto

8.3.8 - PROPORCIONES INICIALES EN MASA (MASA SECA DE AGREGADOS) Vol. absoluto material = Masa / Densidad

Masa mat. (kg / m3 ccto) Vol. Abs. Materiales (dm3 / m3 de concreto) Prop. en masa seca

AGUA

CEMENTO

AG. FINO

AG. GRUESO

∑

185

370

791,05

966,83

2312,88

185

122,92

315,16

376,20

999,28

0,50

1

2,14

2,61

Proporciones iniciales en masa seca 0,50 : 1 : 2,14 : 2,61

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181 8. DOSIFICACIÓN DE MEZCLAS DE CONCRETO

8.3.9 - PRIMERA MEZCLA DE PRUEBA Volumen de concreto a preparar: = 1 * 5,5 dm3 = 6 * 5,3 dm3

SLUMP CILINDROS NORMALIZADOS

= 5,5 dm3 =31,8 dm3 3

37,3 dm 3,7 dm3

Desperdicio (10%)

41,0 dm3

Volumen de concreto a preparar = 41,0 dm3 Cantidad de cemento para la primera mezcla de prueba: C1 = 41,0 * 370 / 1000 = 15,17 kg

Humedades de los materiales (Antes de preparar la mezcla). Agregado fino (Wnf) = 4,0% Agregado grueso (Wng) = 0,9%

% absf = 3,70% % absg = 1,50%

(1) Material

(2) Prop. inic

(3) Masa seca (kg)

(4) Masa húm. (kg)

(5) Agua Agr. (kg)

(6) Absorción (kg)

(7) Agua libre (kg)

(8) Aporte (kg)

AGUA CEMENTO AG. FINO AG. GRUESO

0,50 1 2,14 2,61

7,59 15,17 32,46 39,59

------33,76 39,95

------1,30 0,36

------1,20 0,59

------+0,10 -0,23

-------

Masa seca materiales Masa húm. mat. Agua en los agr. Absorción Agua libre Aporte

-0,13

= prop. * Masa cemento; (3) = (2) * C1 = masa seca * (100+ Wn)/100; (4)=(3)* (100+ Wn )/100 = masa húm. mat. – masa seca mat.; (5) = (4)-(3) = masa seca * %abs./100; (6) = (3) * %abs./100 = agua en los agr. - absorción; (7) = (5) - (6) = agua libre; (8) = (7)

Agua de mezcla (teórica) = agua calculada - aporte Agua de mezcla (teórica) = 7,59 - (-0,13) = 7,72 kg Cemento = 15,17 kg Ag. Fino = 33,76 kg Ag. grueso = 39,95 kg Al preparar la primera mezcla de prueba se observa que para obtener el asentamiento escogido de 5,0 cm hubo necesidad de utilizar 8 kg de agua. Agua = agua de mezcla (real) + aporte Agua = 8,00 + (-0,13) = 7,87 kg

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182 8. DOSIFICACIÓN DE MEZCLAS DE CONCRETO

agua (A/C) utilizada = cemento

(A/C) utilizada

7,87 =

= 0,52 15,17

(A/C) escogida entonces se debe hacer ajuste por asentamiento.

8.3.10. - AJUSTE POR ASENTAMIENTO

Proporción utilizada Masa material (kg) Vol. Abs. (dm3)

AGUA

CEMENTO

0,52 0,52 ç 0,52 ç

1 ç kg 0,33 ç

AG. FINO 2,14 2,14 ç 0,85 ç

AG. GRUESO 2,61 2,61 ç 1,02 ç

∑

2,72 ç

3 3 2,72 Ç dm concreto = 1000 dm concreto

1000 Ç=

= 367,65 kg cemento 2,72

-

Mezcla preparada (por m3 de concreto)

Prop. en masa seca Masa mat. (kg / m3 ccto) Vol. Abs. (dm3 /m3 ccto)

-

AGUA

CEMENTO

0,52 191,18 191,18

1 367,65 122,14

AGUA

CEMENTO

191,18 191,18 0,50

127,03 382,36 1

AG. FINO 2,14 786,77 313,45

AG. GRUESO 2,61 959,57 373,37

AG. FINO 308,42 774,13 2,03

AG. GRUESO 373,37 959,56 2,51

∑ 2305,17 1000,14

Ajuste

Vol. Abs. (dm3 /m3 ccto) Masa mat. (kg / m3 ccto) Prop. en masa seca

∑ 1000 2307,23

Proporciones ajustadas en masa por asentamiento: 0,50: 1 : 2,03 : 2,51

8.3.11 - SEGUNDA MEZCLA DE PRUEBA Se preparó una segunda mezcla de prueba con las proporciones ajustadas, se efectuaron las correspondientes correcciones por humedad de los agregados y se midió el asentamiento el cual dió 5,0 cm como era de esperarse. Se elaboraron entonces los cilindros probándose a los 28 días; se obtuvieron en promedio los siguientes resultados: Mezcla 1 2

A/C 0,52 0,50

RC 28d (kg / cm2) 228 234

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183 8. DOSIFICACIÓN DE MEZCLAS DE CONCRETO

El valor de la resistencia a la compresión de dosificación de la mezcla, F'cr =250 kg/cm² (25 Mpa) es diferente a las resistencias obtenidas (tolerancia ± 5%), por lo tanto se deben ajustar las proporciones por requisito de resistencia sin perjudicar durabilidad.

8.3.12 - AJUSTE POR RESISTENCIA En la figura No. 8.3, se observa que los puntos obtenidos para los materiales de la mezcla, no corresponden a la curva supuesta del decreto 1400 (CCCSR). Entonces, para los puntos de resistencia a la compresión y relación A/C obtenidos en el laboratorio, para los materiales, se interpola una línea paralela a la del DECRETO 1400 (CCCSR); esta línea corresponde a los materiales de la mezcla. Para una resistencia a la compresión de 250 kg/cm², se lee una relación A/C=0,47 empleando la línea de los materiales. (A/C) resistencia =0,47 (A/C) durabilidad = *

A/C = 0,47 (ESCOGIDA)

RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN vs A/C

RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN (kg/cm 2)

350 325 300 275

mat eria l es

250

d ec

225

reto

200

140

0

175 150 125 100 0,35

0,4

0,45 0.47

0,5

0,55

0,6

RELACION A/C

Figura No. 8.3 Resistencia a la compresión del concreto vs. A / C

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0,65

0,7

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184 8. DOSIFICACIÓN DE MEZCLAS DE CONCRETO

Vol. Abs. (dm3 /m3 ccto) Masa mat. (kg /m3 ccto) Prop. en masa seca

AGUA

CEMENTO

191,18 191,18 0,47

135,14 406,77 1

AG. FINO 300,31 753,78 1,85

AG. GRUESO 373,37 959,56 2,36

∑ 1000 2311,29

Proporciones reajustadas en masa por resistencia: 0,47: 1: 1,85: 2,36

8.3.13 - TERCERA MEZCLA DE PRUEBA Si todas las mediciones y operaciones matemáticas han sido bien realizadas esta mezcla debe cumplir los requisitos exigidos. Se preparó entonces la tercera mezcla de prueba con las proporciones reajustadas efectuando la corrección por humedad de los agregados; se midió el asentamiento y dió 5,0 cm como se esperaba. Los resultados de los cilindros fueron: A/C

RC 28d (kg / cm2)

0,47

256

Como RC28D =256 kg/cm² >250 kg/cm² (dentro de la tolerancia del ± 5%) entonces ¡correcto! Proporciones definitivas en masa seca: 0,47: 1: 1,85: 2,36

Las anteriores proporciones se pueden utilizar en una central de mezclas o donde por las condiciones de trabajo se facilite medir la masa de los materiales con los respectivos ajustes de humedad. Sin embargo en obras pequeñas, aunque se cometen algunos errores, se pueden hacer las siguientes aproximaciones: 8.3.14 - CANTIDADES DE MATERIAL A UTILIZAR POR CADA 50 kg DE CEMENTO Agua Cemento Ag. fino Ag. grueso ̇ ̇ ̇ ̇

=0,47 * 50 = 23,5 kg = 50 kg =1,85 * 50 = 92,5kg / 1,47 kg/dm3 = 62,93 dm3 =2,36 * 50 = 118 kg / 1,52 kg/dm3 = 77,63 dm3 Agua Cemento Ag. fino Ag. grueso

= que produzca un asentamiento máximo de 5,0 cm = 50 kg = 0,063 m3 (volumen suelto) = 0,078 m3 (volumen suelto)

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185 8. DOSIFICACIÓN DE MEZCLAS DE CONCRETO

Para medir estos volúmenes se elaboran unos cajones cuyas dimensiones se definen así: Agregado grueso: 3) Volumen del cajón (0,03 - 0,05 m =

0,078

= 0,039 m3

2 L (máx = 0,35 m) = 0,35 m A (máx = 0,35 m) = 0,35 m H = 0,039 / (0,35 * 0,35) = 0,32 m

Para el agregado grueso se requieren 2 cajones cada uno con las siguientes dimensiones 35*35*32 (cm). Agregado fino: Se recomienda utilizar el mismo cajón definido antes y completar lo que falte de material con uno diferente 3

Volumen del cajón (material faltante) : 0,063 – 0,039 = 0,024 m 1/ 3 Dimensiones (asumiendo un cubo): (0,024) = 0,29 m

En resumen: ̇ ̇ ̇ ̇

Agua Cemento Ag. Fino Ag. Grueso

= que produzca un asentamiento máximo de 5,0 cm = 50 kg (un saco) = 1 cajón (35*35*32 cm )+ 1cajon (cubo) de 29*29*29 cm = 2 cajones (35 * 35 * 32 cm)

8.3.15 - COSTO DE 1 m3 DE CONCRETO SIMPLE

Prop. Def. masa seca Cant. de mat (kg.) Vol. abs. (dm3)

AGUA

CEMENTO

0,47 0,47ç 0,47ç

1 ç kg 0,33 ç

AG. FINO 1,85 1,85 ç 0,74 ç

AG. GRUESO 2,36 2,36 ç 0,92 ç

2,46Ç dm3 concreto = 1000 dm3 concreto 1000 Ç=

3 = 406,50 kg/m de concreto

2,46

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∑

2,46 ç

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186 8. DOSIFICACIÓN DE MEZCLAS DE CONCRETO

Prop. Def. masa seca 3 Cant. Mat. (kg / m ccto) 3 Vol. Abs. (dm / m3ccto) 3 3 Vol. Suelto. (dm /m ccto) Prop. volumen suelto

AGUA

CEMENTO

0,47 191,06 191,06 191,06 0,53

1 406,50 135,05 359,73 1

AG. FINO 1,85 752,03 299,61 511,59 1,42

AG. GRUESO 2,36 959,34 373,28 631,14 1,75

∑ 2308,93 999,00

Vol. Absoluto material = Masa material / Densidad Vol. suelto material = Masa material / Masa unitaria suelta.

Si las proporciones en volumen suelto de los agregados, coinciden con números enteros (o mitad), se puede tomar cualquier recipiente como medida, teniendo en cuenta que la unidad es el cemento y el agua se controla con el ensayo de asentamiento. Costos de los materiales: Agua =$ Cemento =$ Ag. fino =$ Ag.. grueso =$

/l /kg 3 /m (volumen suelto) 3 /m (volumen suelto)

Entonces el costo de 1 m3 será: Agua = 191,06 l * Cemento = 406,50 kg * Ag. fino = 0,512 m3 * Ag. grueso = 0,631 m3 * Desperdicio

=$ =$ =$ =$ =$

Costo de 1 m3 de concreto F'c=21Mpa

=$

8.3.16 - COSTO DE 1 m3 DE COLUMNA (sin incluir refuerzo) - Materiales: 3 Concreto de F'c=21 Mpa (210 kg/cm²) 1,05 m * $ Formaleta Curador 3 kg * $

/kg

/m3 = $ =$ =$ $

- Equipo: 3

Mezcladora 9 pies Vibrador Herramienta menor

$ $

/H * 1,20 H/m3 3 /H * 1,20 H/m

=$ =$ =$ $

- Mano de obra: Valor cuadrilla TOTAL COSTO DIRECTO por m3 de columna

$ _________________ $

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187 8. DOSIFICACIÓN DE MEZCLAS DE CONCRETO

8.4 - EJEMPLO DE DOSIFICACIÓN DE MEZCLAS DE CONCRETO (PARÁMETRO DE DISEÑO F'r) Se desea dosificar una mezcla de concreto para un pavimento rígido en la ciudad de Popayán. El espesor del pavimento será de 18 cm y la mezcla se compactará con regla vibratoria; el módulo de rotura de diseño del calculista (F'r) es de 40 kg/cm² (4 Mpa) y la firma constructora ha producido concreto, empleando materiales en condiciones similares, obteniendo un módulo de rotura promedio de 42 kg/cm² (4,2 Mpa) con una desviación estándar de 5,5 kg/cm² (0,55 Mpa) para un total de 35 datos. Los materiales de que se dispone, tienen las siguientes características: - Agregado grueso Densidad aparente seca Tamaño máximo Tamaño máximo nominal Porcentaje de absorción Masa unitaria suelta - Agregado fino Densidad aparente seca Módulo de finura Porcentaje de absorción Masa unitaria suelta

(Gg) (TM) (TMN) (%ABSg) (MUSg) (Gf) (MF) (%ABSf) (MUSf)

= 2,63 kg/dm3 = 1½" = 1" = 1,30% = 1,58 kg/dm3 = 2,58 kg/dm3 = 3,59 = 3,50% = 1,49 kg/dm3

- Cemento Densidad Masa unitaria suelta

(Gc) = 2,99 kg/dm3 (MUSc) = 1,10 kg/dm3

- Agua Densidad Masa unitaria suelta

(Ga) = 1,0 kg/dm3 (MUSa) = 1,0 kg/dm3

De un ajuste granulométrico, tratando de reproducir las gradaciones ideales de Fuller o Weymouth, o ajustando a uno de los rangos granulométricos (según TM) recomendados por ASOCRETO se obtuvo: Agregado fino = 34% Agregado grueso = 66% 8.4.1 - SELECCIÓN DEL ASENTAMIENTO De acuerdo con la tabla No. 8.1, para la obra a realizar, asentamiento escogido = 3,5 cm 8.4.2 - CHEQUEO DEL TAMAÑO MÁXIMO NOMINAL DE AGREGADO Recomendaciones de la NSR 98: 1/3 (Espesor de la losa) = 1/3 (18 cm) = 6 cm 1/5 (Menor distancia entre formaletas) = --3/4 (Espacio libre entre varillas de refuerzo) = --TMN ≤ 6 cm entonces: TMN agregado disponible = 1" ¡Correcto!

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188 8. DOSIFICACIÓN DE MEZCLAS DE CONCRETO

8.4.3 - ESTIMACIÓN DEL AGUA DE LA MEZCLA De acuerdo a la tabla No. 8.2, concreto sin aire incluido, se supone que con 180 kg de agua por m3 de concreto se obtiene el asentamiento de 3,5 cm para TMN = 1". A = 180 kg /m3 de concreto

8.4.4 - RESISTENCIA DE DOSIFICACIÓN DE LA MEZCLA (F'rr) Primer criterio: SRF V=

5,5 * 100% =

Frr

* 100% = 13% 42

n = 35 datos, entonces Coeficiente = 1,0 F'r

40

F'rr =

=

= 44,92 kg/cm²

V 1-0,842*

13 *Coef.

1 - 0,842*

100

* 1,0 100

O también (se podría determinar) : F'rr = F'r + 0,842 * SRF * Coef. F'rr = 40 + 0,842 * 5,5 * 1,00 = 44,6 kg/cm² (similar al anterior)

Segundo criterio: F'rr =1,20 * f'r = 1,20 * 40 = 48 kg/cm²

Se toma según lo anterior (el primer criterio con el coeficiente de variación). F'rr = 44,92 kg/cm²

8.4.5 - SELECCIÓN DE LA RELACIÓN (A/C) Por resistencia F'rr = k (F'cr)½ Se supone un valor de k = 2,7

F’rr 2,7

2 =

44,92 2,7

2

= 276,89 kg /cm2

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189 8. DOSIFICACIÓN DE MEZCLAS DE CONCRETO

En la figura No. 8.5, se supone que el comportamiento de los materiales, es similar, a los valores de Resistencia a la Compresión vs A/C, recomendados en el decreto 1400 (CCCSR); para un valor de resistencia a la compresión de 276,89 kg/cm² se obtiene un valor de relación A/C = 0,45. (A/C) = 0,45 por resistencia

RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN vs A/C

RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN (Kg/cm2)

350 325 300

0.4 5, 2 76. 89

275 250 225

DE CR

200 175

GR

150

ETO

140 0

T RI TUR ADO AV A DE RIO

125 100 0,35

0,4

0,45

0,5

0,55

0,6

0,65

0,7

RELACION A/C Figura No. 8.5. Resistencia a la Compresión del concreto Vs. A / C

Por durabilidad Según la NSR 98, tablas 8.3 y 8.4, la relación A/C teniendo en cuenta los requisitos de durabilidad, es para este caso la escogida por resistencia. A/C = * A/C por durabilidad = A/C Por resistencia = 0,45

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190 8. DOSIFICACIÓN DE MEZCLAS DE CONCRETO

8.4.6 - CÁLCULO DEL CONTENIDO DE CEMENTO A C=

180 =

A/C

= 400 kg /m3 de concreto

0,45

8.4.7 - AGREGADOS Vol. abs. agregados + Vol. abs. agua + Vol. abs. cemento = 1000 dm3 180 Vol. abs. agregados = 1000 -

400

= 686,22 dm

1

2,99

100 G promedio =

3

100

3

=

= 2,61 kg/dm

%i

34

66 +

Gi

2,58

2,63

= 686,22* 2,61 = 1791,03 kg/m3 de concreto = 1791,03 * 0,34 = 608,95 kg/m3 de concreto = 1791,03 * 0,66 = 1182,08 kg/m3 de concreto

Masa de los agregados Masa del agregado fino Masa del agregado grueso

8.4.8 - PROPORCIONES INICIALES EN MASA (masa seca de agregados) Vol. absoluto material = Masa material / Densidad

Masa mat. (kg /m3 ccto) 3 3 Vol. abs. (dm /m ccto) Prop. en masa seca

AGUA

CEMENTO

180 180 0,45

400 133,78 1

AG. FINO 608,95 236,03 1,52

AG. GRUESO 1182,08 449,46 2,96

Proporciones iniciales en masa (masa seca de agregados): 0,45: 1: 1,52: 2,96 8.4.9 - PRIMERA MEZCLA DE PRUEBA Volumen de concreto a preparar: SLUMP CILINDROS NORMALIZADOS VIGAS (0,15*0,10*0,70 m) Desperdicio (10%)

= 1 * 5,5 dm3 3 = 4 * 5,3 dm = 4 * 10,5 dm3

= 5,5 dm3 = 21,2 dm3 = 42,0 dm3 68,7 dm3 6,9 dm3 75,6 dm3

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∑ 2371,03 999,27

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191 8. DOSIFICACIÓN DE MEZCLAS DE CONCRETO

3

Volumen de concreto a preparar =75,6 dm

Cantidad de cemento para la primera mezcla de prueba: C1 = 75,6 * 400/1000 C1 = 30,24 kg

Humedades de los materiales (Antes de preparar la mezcla): - Agregado fino (Wnf) = 3,2% - Agregado grueso (Wng) = 2,0%

Absf : 3,5% Absg : 1,3%

(1) Material

(2) Prop. Inc.

(3) Masa seca (kg)

(4) Masa húm. (kg)

(5) Agua Agr. (kg)

(6) Absorción (kg)

(7) Agua libre (kg)

(8) Aporte (kg)

AGUA CEMENTO AG. FINO AG. GRUESO

0,45 1 1,52 2,96

13,61 30,24 45,97 89,51

------47,44 91,30

------1,47 1,79

------1,61 1,16

-------0,14 +0,63

-------

Masa seca materiales Masa húm. mat. Agua en los agreg. Absorción Agua libre Aporte

+0,49

= prop. * masa cemento; (3) = (2) * C1 = masa seca * (100+Wn)/100; (4)=(3)* (100+Wn)/100 = masa húm. mat. – masa seca mat; (5) = (4)-(3) = masa seca * %abs./100; (6) = (3) * %abs./100 = agua en los agr. - absorción; (7) = (5) - (6) = agua libre; (8) = (7)

Agua de mezcla (teórica) = agua calculada - aporte Agua de mezcla (teórica) = 13,61 - (+0,49) = 13,12 kg Cemento = 30,24 kg Ag. fino = 47,44 kg Ag. grueso = 91,30 kg

Al preparar la primera mezcla de prueba se observa que para obtener el asentamiento escogido de 3,5 cm hubo necesidad de utilizar 13,70 kg de agua. Agua = agua de mezcla (real) + aporte Agua = 13,70 + (+0,49) = 14,19 kg Agua (A/C) utilizada = Cemento

(A/C) utilizada

14,19 =

= 0,47 30,24

(A/C) escogida entonces se debe hacer ajuste por asentamiento.

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192 8. DOSIFICACIÓN DE MEZCLAS DE CONCRETO

8.4.10 - AJUSTE POR ASENTAMIENTO

Proporción utilizada Masa material (kg) Vol. abs. mat (dm3)

AGUA

CEMENTO

0,47 0,47ç 0,47ç

1 ç kg 0,33 ç

AG. FINO 1,52 1,52 ç 0,59 ç

AG. GRUESO 2,96 2,96 ç 1,13ç

∑

2,52 ç

3 3 2,52Ç dm concreto = 1000 dm concreto

1000 Ç=

= 396,83 kg cemento 2,52

- Mezcla preparada (por m3 de concreto)

Prop. en masa seca Masa mat. (kg /m3 ccto) Vol. abs. (dm3/m3 ccto)

-

AGUA

CEMENTO

0,47 186,51 186,51

1 396,83 132,72

AG. FINO 1,52 603,18 233,79

AG. GRUESO 2,96 1174,62 446,62

AG. FINO 228,25 588,89 1,42

AG. GRUES 446,62 1174,61 2,83

∑ 2361,14 999,64

Ajuste

Vol. abs.(dm3/m3ccto) Masa mat. (kg/m3ccto) Prop. en masa seca

AGUA

CEMENTO

186,51 186,51 0,45

138,62 414,47 1

∑ 1000 2364,48

Proporciones ajustadas en masa por asentamiento: 0,45: 1: 1,42: 2,83 8.4.11 - SEGUNDA MEZCLA DE PRUEBA Se preparó una segunda mezcla de prueba con las proporciones ajustadas, se efectuaron las correspondientes correcciones por humedad de los agregados y se midió el asentamiento el cual dió 3,5 cm como era de esperarse. Se elaboraron entonces los cilindros y las vigas probándose a los 28 días; se obtuvieron en promedio los siguientes resultados: A/C 0,47 0,45

RC 28d (kg / cm2) 245 251

MR 28d (kg / cm2) 41,3 42,4

El valor de la resistencia a la flexión de dosificación de la mezcla, F'rr = 44,92 kg/cm² es diferente a las resistencias obtenidas (tolerancia ± 5%), por lo tanto se deben ajustar las proporciones por requisito de resistencia sin perjudicar durabilidad.

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193 8. DOSIFICACIÓN DE MEZCLAS DE CONCRETO

8.4.12 - AJUSTE POR RESISTENCIA RC 28d (kg / cm2)

A/C 0,47 0,45

MR 28d (kg / cm2)

245 251

K mat = MR (RC)1/2

41,3 42,4

2,64 2,68

Kprom. materiales = 2,66 entonces: F'rr = 2,66 * (F'cr)½

F’rr 2,66

2 =

44,92 2,66

2

= 285,27 kg/cm2

En la figura No. 8.6, se observa que los puntos obtenidos para los materiales de la mezcla, no corresponden a la curva del decreto 1400 (CCCSR). Entonces, por los puntos de resistencia a la compresión y relación A/C obtenidos en el laboratorio, para los materiales, se interpola una línea paralela a la del DECRETO 1400 (CCCSR); esta línea corresponde a los materiales de la mezcla. Para una resistencia a la compresión de 285,27 kg/cm², se lee una relación A/C =0,41 empleando la línea de los materiales. (A/C) resistencia = 0,41 (A/C) durabilidad = *

A/C=0,41 (ESCOGIDA) RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN vs A/C

RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN (kg/cm2)

350 325 300 275 DE CR

250

ETO

140 0 ma ter iale s

225 200 175 150 125 100 0,35

0,4

0,45

0.47

0,5

0,55

0,6

0,65

RELACION A/C

Figura No. 8.6. Resistencia a la Compresión del concreto Vs. A / C

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0,7

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194 8. DOSIFICACIÓN DE MEZCLAS DE CONCRETO

Vol. abs.(dm3/m3ccto) 3 Masa mat. (kg/m ccto) Prop. en masa seca

AGUA

CEMENTO

186,51 186,51 0,41

152,14 454,90 1

AG. FINO 214,73 554,00 1,22

AG. GRUESO 446,62 1174,61 2,58

∑ 1000 2370,02

Proporciones reajustadas en masa: 0,41: 1: 1,22: 2,58 8.4.13 - TERCERA MEZCLA DE PRUEBA Si todas las mediciones y operaciones matemáticas han sido bien realizadas esta mezcla debe cumplir los requisitos exigidos. Se preparó entonces la tercera mezcla de prueba con las proporciones reajustadas efectuando la corrección por humedad de los agregados; se midió el asentamiento y dió 3,5 cm como se esperaba. Los resultados de las vigas y cilindros fueron: A/C

RC 28d (kg / cm2)

MR 28d (kg / cm2)

0,41

282

44,5

Como MR 28D = 44,9 kg/cm² ≈ 44,5 kg/cm², entonces ¡Correcto!

Proporciones definitivas en masa: 0,41: 1: 1,22: 2,58 Estas proporciones definitivas en masa (masa seca de agregados), se pueden utilizar en una central de mezclas o donde las condiciones de trabajo faciliten la medida de la masa de los materiales, con los respectivos ajustes por la humedad de los agregados. Sin embargo en obras pequeñas, aunque se cometen algunos errores, se pueden hacer las siguientes aproximaciones:

8.4.14 CANTIDADES DE MATERIAL A UTILIZAR POR CADA 50 kg DE CEMENTO Agua Cemento Ag. fino Ag. grueso

= 0,41 * 50 = 20,5 kg = 50 kg = 1,22 * 50 = 61 kg / 1,49 kg/dm3 = 2,58 * 50 = 129kg / 1,58 kg/dm3

Agua Cemento Ag. fino Ag. grueso

= que produzca un asentamiento máximo de 3,5 cm = 50 kg = 0,041 m3 (volumen suelto) 3 = 0,082 m (volumen suelto)

= 40,94 dm3 = 81,65 dm3

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195 8. DOSIFICACIÓN DE MEZCLAS DE CONCRETO

Cuando el volumen del agregado fino no es proporcional al volumen del agregado grueso, una posibilidad es hacer cajones para cada agregado, en este caso que los volúmenes son proporcionales se realizara un solo tipo de cajón. Agregado grueso: 3 Volumen del cajón (0,03 - 0,05 m ) =

0,082

= 0,041 m3

2 L (máx = 0,35 m) = 0,35 m A (máx = 0,35 m) = 0,35 m H = 0,041 / (0,35 * 0,35) = 0,33 m Dimensiones del cajón para ag. grueso = 0,35*0,35*0,33 m

Agregado fino: 0,041m3 0,041 – 0,041 = 0 Por tanto se requiere un cajón con las siguientes dimensiones L (máx = 0,35 m) = 0,35 m A (máx = 0,35 m) = 0,35 m H = 0,33 m

En resumen: Agua = que produzca un asentamiento máximo de 3,5 cm Cemento = 50 kg (un saco) Ag. fino = 1 cajón (0,35 * 0,35 * 0,33 m) Ag. grueso = 2 cajones (0,35 * 0,35 * 0,33 m)

8.4.15 - COSTO DE 1 m3 DE CONCRETO SIMPLE Proporciones a utilizar en masa (masa seca de agregados): 0,41:1:1,22:2,58

Prop. def. masa seca Cant. de mat. (kg) 3 Vol. abs.(dm )

AGUA 0,41 0,41ç 0,41ç

CEMENTO 1 ç kg 0,33 ç

AG. FINO 1,22 1,22 ç 0,47 ç

AG. GRUESO 2,58 2,58 ç 0,98 ç

2,19Ç dm3 concreto = 1000 dm3 concreto 1000 Ç=

= 456,62 kg/m3 de concreto

2,19

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∑

2,19 ç

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196 8. DOSIFICACIÓN DE MEZCLAS DE CONCRETO

Prop. def. masa seca Cant. mat. (kg/m3 ccto) 3 3 Vol. abs. (dm /m ccto) 3 Vol suelto (dm /m3 ccto) Prop. volumen suelto

AGUA

CEMENTO

0,41 187,21 187,21 187,21 0,45

1 456,62 152,72 415,11 1

AG. FINO 1,22 557,08 215,92 373,88 0,90

AG. GRUESO 2,58 1178,08 447,94 745,62 1,80

∑ 2378,99 1003,79

Vol. absoluto material = Masa material / Densidad Vol. suelto material = Masa materia / Masa unitaria suelta

Si las proporciones en volumen suelto de los agregados, coinciden con números enteros (o mitad), se puede tomar cualquier recipiente como medida, teniendo en cuenta que la unidad es el cemento y el agua se controla con el ensayo de asentamiento. Costos de los materiales: Agua Cemento Ag. fino Ag. grueso

=$ =$ =$ =$

/l /kg 3 /m 3 /m

Entonces el costo de 1 m3 será: Agua Cemento Ag. fino Ag. grueso Desperdicio

= 187,21 l * = 456,62 kg * 3 = 0,374 m * = 0,746 m3 *

=$ =$ =$ =$ =$

3 Costo de 1 m de concreto F'r= 4 Mpa (40 kg/cm² )

$

8.4.16 - COSTO DE 1 m² DE LOSA PARA PAVIMENTO RIGIDO (sin pasadores), Espesor (18 cm.) - Materiales: Concreto de F'r = 4 Mpa (40 kg/cm² ) Formaleta Material sellante de juntas Curador

0,19 m3 * $ ½ kg * $ ¼ kg * $

/m3 = $ =$ /kg = $ /kg =$

$

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197 8. DOSIFICACIÓN DE MEZCLAS DE CONCRETO

- Equipo: Mezcladora 9 pies3

$

/H ÷ 5,00 m² / H = $

Regla vibratoria Herramienta menor

$

/H ÷ 5,00 m² / H = $ =$

$ - Mano de obra: Valor cuadrilla

$

TOTAL COSTO DIRECTO por m² de losa

$

8.5 - REFERENCIAS 8.5.1 - ARANGO T., Jesús Humberto. Método práctico para dosificar mezclas de concreto. Nota técnica No. 12. Medellín (Colombia): ICPC. 1977. 8.5.2 - Código colombiano de construcciones sismo-resistentes, Capítulos C.3, C.4 y C.5 Bogotá (Colombia). 1984.

Decreto 1400 de 1984,

8.5.3 - FERNANDEZ R., CUJAR G., FERNANDEZ G., RIVERA G. Análisis de agregados del área de Popayán usados en la fabricación de mezclas de concreto. Popayán (Colombia): Universidad del Cauca. 1987. 8.5.4 - ICONTEC. Normas técnicas colombianas para el sector de la construcción - I. Bogotá (Colombia): Legis editores s. a. 1989 8.5.5 – ICPC, SOLINGRAL. (Colombia). 1974.

Manual de dosificación de mezclas de concreto.

Medellín

8.5.6 - MADRID, Carlos A. Resistencia que debe tener el concreto. Medellín (Colombia), comité de la industria del cemento. Andi. 1974. 8.5.7 - MENA F., Víctor Manuel y LOERA P., Santiago. Guía para fabricación y control de concreto en obras pequeñas. México: UNAM. 1972. 8.5.8 - NEVILLE, A. M. Tecnología del concreto tomo I y II. México: Instituto mexicano del cemento y del concreto. Primera edición, tercera reimpresión. 1980. 8.5.9 - NORMAS COLOMBIANAS DE DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN SISMO RESISTENTE, NSR/98. Asociación Colombiana de Ingeniería Sísmica. Bogotá (Colombia) 1998.

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198 8. DOSIFICACIÓN DE MEZCLAS DE CONCRETO

8.5.10 - PORTLAND CEMENT ASSOCIATION (P.C.A.). Proyecto y control de mezclas de concreto. México: Limusa. Primera edición. 1978. 8.5.11 - RUIZ DE M. Julia y RIVERA L. Gerardo. Comportamiento de mezclas de concreto elaboradas con agregados del área de Popayán. Popayán (Colombia): Universidad del Cauca. 1984. 8.5.12 - SANCHEZ DE GUZMAN, Diego. Tecnología del concreto y del mortero. Bogotá (Colombia): Pontificia Universidad Javeriana. 1987. 8.5.13 - SANCHEZ DE GUZMAN, Diego. Artículo: Nuevas tendencias en la especificación y diseño de mezclas de concreto. Memorias técnicas: X reunión del concreto. Cartagena (Colombia). 2004.

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199 9. DOSIFICACIÓN DE MORTEROS

CAPÍTULO 9 DOSIFICACIÓN DE MORTEROS

9.1 - INTRODUCCIÓN El mortero es, en el mundo y en especial en Colombia, uno de los materiales de uso más frecuente en las construcciones en general, por su variada gama de posibilidades de utilización. En los últimos años debido al auge que ha tomado el empleo de la mampostería estructural y su influencia en la ejecución de obras civiles principalmente edificaciones, el consumo de mortero se ha incrementado enormemente, siendo utilizado como elemento de pega o de relleno. Sin embargo, hasta el momento, no han existido procedimientos técnicos de diseño, producción y control que garanticen una buena calidad de este material, como sí se tienen para el concreto. Este capítulo pretende mostrar un procedimiento de dosificación, utilizado por el autor, en el laboratorio de materiales de la Facultad de Ingeniería Civil de la Universidad del Cauca; que está al alcance de todas aquellas personas que tengan que ver en una u otra forma con la preparación del mortero. El método se basa en el cálculo de los volúmenes absolutos ocupados por cada uno de los componentes del mortero. El trabajo ha tomado como principal referencia la nota técnica No. 12 del ICPC (Método práctico para dosificar mezclas de concreto) y no pretende ser un tratado sobre el tema, sino, mostrar paso a paso y en forma ordenada el procedimiento a seguir, sin profundizar en los principios en que se fundamenta.

9.2 PROCEDIMIENTO Antes de proceder a dosificar un mortero, deben conocerse ciertos datos de la obra a realizar, como también las propiedades de los materiales que se van a emplear en la construcción para preparar el mortero. 9.2.1 DATOS DE LA OBRA Deberá obtenerse la información correspondiente a las especificaciones y planos de la obra con los cuales se puedan determinar todos o algunos de los siguientes datos: - Finura del agregado recomendado (Módulo de finura) - Máxima relación agua/cemento - Fluidez recomendada - Mínimo contenido de cemento - Condiciones de exposición - Resistencia a la compresión de diseño del mortero.

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200 9. DOSIFICACIÓN DE MORTEROS

9.2.2 DATOS DE LOS MATERIALES Las características de los materiales deben medirse con ensayos de laboratorio sobre muestras representativas del material a utilizar en la obra. Se sugiere seguir las normas NTC en la realización de las pruebas. Las propiedades que deben determinarse son: Cemento - Densidad (Gc). - Masa unitaria suelta (MUSc). Agua - Densidad (Ga), se puede asumir Ga = 1,00 kg/dm3. Agregado Fino - Análisis granulométrico del agregado incluyendo el cálculo del módulo de finura (MF). - Densidad aparente seca (Gf) y porcentaje de absorción del agregado (% ABSf). - Porcentaje de humedad del agregado inmediatamente antes de hacer las mezclas (Wn). - Masa unitaria suelta (MUSf).

9.2.3 PASOS A SEGUIR Para obtener las proporciones de la mezcla del mortero que cumpla las características deseadas, con los materiales disponibles se prepara una primera mezcla de prueba teniendo como base unas proporciones iniciales que se determinan siguiendo el orden que a continuación se indica: 9.2.3.1 Selección de la fluidez 9.2.3.2 Determinación de la resistencia de dosificación 9.2.3.3 Selección de la relación agua/cemento 9.2.3.4 Estimación del contenido de cemento 9.2.3.5 Cálculo de la cantidad de agua 9.2.3.6 Cálculo del contenido de agregado 9.2.3.7 Cálculo de las proporciones iniciales 9.2.3.8 Primera mezcla de prueba. Ajuste por humedad del agregado 9.2.3.9 Ajustes a las mezclas de prueba Con los resultados de la primera mezcla se procede a ajustar las proporciones para que cumpla con la fluidez deseada, posteriormente se prepara una segunda mezcla de prueba con las proporciones ajustadas; las propiedades de esta segunda mezcla se comparan con las exigidas y si difieren se reajustan nuevamente. Se prepara una tercera mezcla de prueba que debe cumplir con la fluidez y la resistencia deseada; en caso que no cumpla alguna de las condiciones por errores cometidos o debido a la aleatoriedad misma de los ensayos, se puede continuar haciendo ajustes semejantes a los indicados hasta obtener los resultados esperados.

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201 9. DOSIFICACIÓN DE MORTEROS

A continuación se describe la metodología a seguir en cada paso: 9.2.3.1 Selección de la fluidez. La fluidez requerida por el mortero se escogerá de acuerdo con las especificaciones de la obra; en su defecto se tomará de la tabla No. 9.1 que sirve de guía. El % de Fluidez debe determinarse de acuerdo con la norma NTC 111. % FLUIDEZ (MESA DE FLUJO)

CONSISTENCIA

TIPO DE ESTUCTURA

CONDICIONES DE COLOCACIÓN

SISTEMA DE COLOCACIÓN

80-100

Dura (seca)

Secciones Reparaciones, recubrimiento de túneles, sujetas galerías, pantallas de vibración. cimentación, pisos.

100-120

Media (plástica)

Pega de mampostería, Sin vibración. baldosines, pañetes y revestimientos.

Manual palas palustres.

120-150

Fluida (húmeda)

Rellenos de mampostería Sin vibración. estructural, morteros autonivelantes para pisos.

Manual, bombeo, inyección.

Proyección a neumática, con vibradores de formaleta.

con y

Tabla No. 9.1 Fluidez recomendada para morteros. 9.4.15 9.2.3.2 Determinación de la resistencia de dosificación. El mortero debe dosificarse y producirse para asegurar una resistencia promedio lo suficientemente alta, minimizando la frecuencia de resultados de pruebas de resistencia por debajo de la resistencia tomada para diseño. La NSR/98 "Norma Colombiana de diseño y construcción sismo resistente" clasifica los morteros así: - Morteros de pega MORTERO TIPO M S N

R'm (MPa) 17,5 12,5 7,5 1 Mpa = 10 kg/cm2

R'm = Resistencia a la compresión del mortero mínima a los 28 días, medida en cubos de 5 cm. de arista (Mpa o kg/cm²)

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202 9. DOSIFICACIÓN DE MORTEROS

- Mortero de Relleno

1,20 F'm ≤ R'm ≤ 1,50 F'm

F'm = Resistencia a la compresión de diseño de la mampostería (MPa) R'm = Resistencia a la compresión del mortero mínima a los 28 días, medida de acuerdo con la norma NTC 673 (MPa) Para la dosificación del mortero se recomienda tomar las siguientes fórmulas para obtener su resistencia de dosificación (según fórmulas 6.8 y 6.9 - capítulo 6): - Mortero de pega R'mm = R'm + 1,28 * S * Coef.

(9.1)

R'm R'mm =

(9.2) 1,28 * V * Coef.

1100 R'mm = 1,35 * R'm

(9.3)

R'mm = Resistencia a la compresión del mortero, de dosificación, a los 28 días, medida en cubos de 5 cm. de arista (Mpa o kg/cm²). S = Desviación estándar (Mpa o kg/cm²). V = Varianza o coeficiente de variación (%). Coef. = Factor dado en la tabla No. 9.2 que depende del número de ensayos obtenidos para calcular S o V; tomado del NSR/98. Nº DE ENSAYOS COEF. 1,00 ≥30 1,03 25 1,08 20 1,16 15 Fórmula 9.3 <15 Tabla No. 9.2 Coeficiente de modificación para la desviación estándar o para el coeficiente de variación.9.4.2 Se puede interpolar entre el número de ensayos Nota: La resistencia a la compresión de dosificación del mortero de pega, se tomará como el menor valor obtenido al reemplazar en las fórmulas Nº 9.1 y 9.3 o fórmulas Nº 9.2 y 9.3. - Mortero de inyección R'mm = 1,35 * F'm

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(9.4)

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203 9. DOSIFICACIÓN DE MORTEROS

9.2.3.3 Selección de la relación agua/cemento. La relación agua/cemento (A/C) requerida se debe determinar no sólo por los requisitos de resistencia, sino también por factores de durabilidad, retracción, etc. Puesto que distinto cemento, agua y agregado producen generalmente resistencias diferentes con la misma A/C, es muy conveniente encontrar la relación entre la resistencia y la A/C para los materiales que se usarán realmente. A falta de esta información, puede emplearse la figura No. 9.1 realizada para materiales locales teniendo en cuenta que entre más grueso sea el agregado fino (mayor módulo de finura), la curva de resistencia a la compresión vs (A/C) tiende hacia la parte superior del rango señalado. La ecuación para el límite superior (Arenas gruesas) es: RcMortero 28d =

666,57 6,59

(9.5)

A C

La ecuación para el límite inferior (Arenas finas) es: RcMortero 28d =

851,12 19,86

(9.6)

A C

Donde: RcMortero 28d : Resistencia a la compresión del mortero a los 28 días en kg/cm2. A/C : Relación Agua – Cemento en masa.

Figura 9.1. Resistencia a la compresión del Mortero Vs. A / C

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204 9. DOSIFICACIÓN DE MORTEROS

La durabilidad no se tendrá en cuenta en este procedimiento, debido a que no existen en el País normas reglamentarias al respecto, como sí sucede con el concreto.

9.2.3.4 Estimación del contenido de cemento. La cantidad de cemento en kg por m3 de mortero (C) para una primera mezcla de prueba se puede suponer empleando la figura No. 9.2. 9.4.16

Figura 9.2. Resistencia a la Compresión del Mortero Vs. Contenido de Cemento

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205 9. DOSIFICACIÓN DE MORTEROS

9.2.3.5 Cálculo de la cantidad de agua. A = Cantidad de agua (kg/m3 de mortero) = A = C * (A/C) Si se va a emplear aditivo se deben consultar las recomendaciones del fabricante, si es del caso reducir la cantidad de agua y cemento. Ad. = Cant. de aditivo = (kg/m3 de mortero)= C * % escogido

9.2.3.6 Cálculo del contenido de agregado. Vf = Volumen absoluto del agregado (dm3)

Vf = 1000 C A Ad. Gc Ga. Gad.

C A Ad G c G A G Ad

(9.7)

= Cantidad de Cemento ( kg.) = Cantidad de Agua ( kg.) = Cantidad de Aditivo ( kg.) = Densidad del Cemento ( kg./dm3 ) = Densidad del Agua ( kg. / dm3 ) = Densidad del Aditivo ( kg. / dm3 ) Vol. absoluto material = Masa material / Densidad

Pf = Masa seca del agregado (kg/m3 mortero) Pf = Vf * Gf

(9.8)

9.2.3.7 Cálculo de las proporciones iniciales El método más práctico para expresar las proporciones de un mortero es indicarlas en forma de relación por masa de agua, cemento y agregado tomando como unidad el cemento. Las siguientes son las fórmulas para calcular las proporciones iniciales (en masa seca del agregado): a:c:f a/c : 1 : f a/c = A / C f = Pf / C

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(9.9) (9.10)

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206 9. DOSIFICACIÓN DE MORTEROS

9.2.3.8 Primera mezcla de prueba. Ajuste por humedad del agregado. Las proporciones iniciales calculadas deben verificarse por medio de ensayos de fluidez y resistencia hechos a mezclas de prueba elaboradas ya sea en el laboratorio o en el campo, teniendo en cuenta la humedad del agregado. Cuando no se cumple con la fluidez y/o la resistencia requerida se debe hacer los ajustes a la mezcla de prueba.

9.2.3.9 Ajustes a la mezcla de prueba 9.2.3.9.1 Ajuste por fluidez Al preparar la primera mezcla de prueba deberá utilizarse la cantidad de agua necesaria para producir la fluidez requerida. Si esta cantidad difiere de la calculada en 9.2.3.5, es necesario, calcular los contenidos ajustados de cemento y agregado, y las proporciones ajustadas, teniendo en cuenta que si se mantiene constante el volumen absoluto de agua por unidad de volumen de mortero, la fluidez no presenta mayor cambio al variar un poco los volúmenes absolutos de cemento y agregado fino. 9.2.3.9.2 Ajuste por resistencia Se prepara una segunda mezcla de prueba con las proporciones ajustadas, que debe cumplir con la fluidez y se elaboran muestras para el ensayo de resistencia. Si las resistencias obtenidas difieren de la resistencia de dosificación (R'mm), se reajustan los contenidos de cemento y agregado, determinando las proporciones ajustadas, dejando constante la cantidad de agua por volumen unitario de mortero, para mantener la fluidez.

9.3 EJEMPLO DE DOSIFICACIÓN Se desea dosificar una mezcla de mortero tipo S (R'm=12,5 Mpa = 125 kg/cm²), que se utilizará para pega de ladrillo tolete en la construcción de muros para mampostería estructural. La firma constructora ha producido morteros con materiales y en condiciones similares de trabajo, obteniendo en los ensayos una varianza de 11% para un total de 36 registros. Los materiales con los que se realizará la obra tienen las siguientes características: Densidad G ( kg. / dm3 ) M.U.S. ( kg. / dm3 ) M.F. % ABS.

Cemento 3,08 1,19

Agua 1,00

Agregado fino 2,55 1,50 2,83 3,70

Empleando el procedimiento descrito en la parte 9.2, las proporciones de mezcla se calculan de la siguiente manera:

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207 9. DOSIFICACIÓN DE MORTEROS

9.3.1 SELECCIÓN DE LA FLUIDEZ En la tabla No. 9.1 se observa que para pega de mampostería, se recomienda que el mortero tenga una fluidez entre 100 y 120 %, por lo tanto este será el rango escogido para la consistencia de la mezcla.

9.3.2 DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA DE DOSIFICACIÓN R'm V # Registros

= 125 kg/cm² = 11% = 36 : coef. = 1,00 R'm R'mm

= 1,28 * V * Coef. 1100 125

R'mm

=

= 145,5 kg/cm² 1,28 * 11 * 1,00 1100 R'mm = 1,35 * R'm R'mm = 1,35 * 125 = 168,8 kg/cm²

El menor valor obtenido al reemplazar en las fórmulas Nos. 9.2 y 9.3 se toma como resistencia de dosificación del mortero: R'mm = 145,5 kg/cm2

9.3.3 SELECCIÓN DE LA RELACIÓN AGUA/CEMENTO (A/C) 9.3.3.1 Resistencia. En la figura No. 9.3 se supone una curva que pueda reflejar el comportamiento de los materiales con los que se preparará el mortero.

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208 9. DOSIFICACIÓN DE MORTEROS

Figura 9.3. Resistencia a la Compresión del mortero Vs. A / C

9.3.3.2 Durabilidad. La determinación de la Relación Agua / Cemento a partir del concepto de durabilidad se determina mediante la utilización de la NSR/98. De acuerdo con esto tenemos lo siguiente: Por lo tanto: A/C (escogida) = 0,77

9.3.4 ESTIMACIÓN DEL CONTENIDO DE CEMENTO En la figura No. 9.4 se supone una curva que represente el comportamiento de los materiales con los que se realizará la mezcla.

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209 9. DOSIFICACIÓN DE MORTEROS

Figura 9.4. Resistencia a la Compresión Vs. Contenido de Cemento C= 440 kg/m3 de mortero

9.3.5 CÁLCULO DE LA CANTIDAD DE AGUA A = C * ( A/C) = 440 * 0,77 = 338,8 kg/m3 mortero

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210 9. DOSIFICACIÓN DE MORTEROS

9.3.6 CÁLCULO DEL CONTENIDO DE AGREGADO Vf = 1000 - (440/3,08) - (338,8/1,00) Vf = 518,3 dm3/m3 mortero Vol. absoluto material = Masa mat./ Densidad Pf = 518,3 * 2,55 = 1321,7 kg/m3 mortero

9.3.7 CÁLCULO DE LAS PROPORCIONES INICIALES A/C

= 338,8 / 440 = 0,77

f

= 1321,7 / 440 = 3,00 Proporciones Iniciales: 0,77 : 1 : 3,00 Agua

Cemento

Agregado Fino

Masa (kg/m3)

338,8

440,0

1321,7

2100,50

3

Vol. abs.(dm )

338,8

142,9

518,3

1000,00

Proporciones

0,77

1,00

3,00

9.3.8 PRIMERA MEZCLA DE PRUEBA. AJUSTE POR HUMEDAD DEL AGREGADO Para determinar las cantidades de material que se utilizarán en la elaboración de la mezcla, previamente se debe definir el volumen de mortero a preparar de acuerdo al número de ensayos que se vayan a realizar. Debido a que el agregado presenta cierta humedad natural, ésta debe determinarse antes de mezclar los materiales con el fin de calcular la cantidad de agua de aporte.

9.3.8.1 Volumen de mortero a preparar Fluidez

= 1 ensayo = Vol. Tronco de cono = 0,30 dm3

Resistencia = 12 cubos (lado 5 cm) = Vol. (1 cubo) = 0,125 dm3

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211 9. DOSIFICACIÓN DE MORTEROS

Fluidez Resistencia

1 * 0,30 dm3 = 0,30 dm3 12 * 0,125 dm3 = 1,50 dm3

= =

= 1,80 dm3 = 0,18 dm3

Suma Desperdicio 10% Volumen de mortero

= 1,98 dm3

= Vm

Cantidad de cemento para la primera mezcla de prueba: C1 = Vm * C C1 = 1,98 * 440 / 1000 = 0,87 kg Podemos emplear 1 kg (1000 gramos) de Cemento para la primera mezcla de prueba, C1 = 1000 g

9.3.8.2 Ajuste por humedad del agregado En el laboratorio se determinó la humedad natural del agregado obteniéndose un valor de 3,00% (Wn=3,00%) (1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

Proporciones

Masa Seca (g)

Masa Húmeda (g)

Agua Agregado (g)

Absorción ( g)

Aporte ( g)

Agua Cemento

0,77 1,0

770 1000

Agregado fino

3,0

3000

3090

90

111

-21

Mate rial

(3) = (2) * (C1) (5) = (4) - (3) (7) = (5) - (6)

(7)

(4) = (3) * (100 + Wn)/100 (6) = (3) * %ABS/100

Agua de mezcla supuesta = 770 - (-21) = 791 g Cemento = 1000 g Agregado fino = 3090 g Al preparar la primera mezcla de prueba se observa que para obtener una fluidez entre 100 120 % requerida, hubo necesidad de utilizar una cantidad de agua total en la mezcla de 751 g La relación agua/cemento de la mezcla fué entonces: (A/C)m = (751 + (-21)) / 1000 = 0,73

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212 9. DOSIFICACIÓN DE MORTEROS

Como esta (A/C)m de la mezcla de prueba es diferente a la que se había escogido en el punto 9.3.3 se debe realizar un ajuste a las proporciones.

9.3.9 AJUSTES A LA MEZCLA DE PRUEBA A pesar de que la mezcla preparada tiene una relación A/C diferente a la escogida, se procede a elaborar los cubos para el ensayo de resistencia referenciándolos claramente.

9.3.9.1 Ajuste por fluidez

Proporciones Masa ( kg) Volumen Absoluto ( dm3)

Agua

Cemento

0,73 0,73Ç 0,730Ç

1,00 Ç 0,325Ç

Agregado Fino 3,00 3,00Ç 1,176Ç

2,231Ç

2,231Ç (dm3 mortero ) = 1000 dm3 mortero 1000 Ç=

= 448,2 kg de cemento/m3 de mortero

2,231 Cantidades de material por m3 de mortero para la mezcla preparada

Proporciones Masa ( kg) Volumen Absoluto 3 ( dm )

Agua

Cemento

0,73 327,2 327,2

1,00 448,2 145,5

Agregado Fino 3,00 1344,6 527,3

2120,0 1000,0

- Ajuste (manteniendo constante el volumen absoluto de agua por volumen unitario de mortero)

Volumen Absoluto 3 ( dm ) Masa ( kg) Proporciones

Agua

Cemento

327,2

138,0

Agregado Fino 534,8

327,2 0,77

424,9 1,00

1363,7 3,21

Las proporciones en masa seca ajustadas por fluidez serán entonces: 0,77 : 1 : 3,21

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1000,0 2115,8

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213 9. DOSIFICACIÓN DE MORTEROS

9.3.9.2 Ajuste por resistencia Se preparó una segunda mezcla de prueba con las proporciones ajustadas, realizando la correspondiente corrección por humedad del agregado. Se determinó su fluidez y dió dentro del rango de 100 - 120 % (como era de esperarse) y se procedió a elaborar los cubos para la prueba de resistencia. A la edad de 28 días se probaron los cubos fabricados con cada una de las mezclas, los resultados obtenidos fueron: MEZCLA

1 2

A/C 0,73 0,77

2

RC 28d kg./cm

133 124

R'mm = 145,5 kg/cm² (tolerancia ±5%) De acuerdo a los valores anteriores, los materiales con que se elaboraron las mezclas no están contenidos en la curva supuesta (figura No. 9.3) de la cual se escogió la relación agua/cemento. La selección de la nueva A/C deberá hacerse basándose en una curva paralela a la supuesta anteriormente, que pase aproximadamente por los puntos obtenidos (figura No. 9.5).

Figura 9.5. Resistencia a la compresión del Mortero Vs. A / C

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214 9. DOSIFICACIÓN DE MORTEROS

Esta nueva curva representa a los materiales de que disponemos para la preparación del mortero; por consiguiente, para la resistencia de dosificación R'mm = 145,5 kg/cm² corresponde una relación agua/cemento=0,70 (A/C)Aj = 0,70 La corrección a las proporciones ajustadas será la siguiente:

Volumen 3 Absoluto ( dm ) Masa ( kg) Proporciones

Agua 327,2

Cemento 151,8

Agregado Fino 521,0

327,2 0,70

467,4 1,00

1328,6 2,84

1000,0 2123,2

Al preparar una tercera mezcla de prueba (testigo) con las proporciones en masa seca reajustadas de 0,70 : 1 : 2,84, esta deberá cumplir con los requisitos de fluidez y resistencia exigidos, por lo tanto, las proporciones definitivas en masa (masa seca del agregado) a utilizar en la obra para preparar el mortero serán: 0,70 : 1 : 2,84 En el caso que no se cumpla con alguna de las condiciones por algún error cometido o debido a la aleatoriedad de los ensayos, se continuará haciendo ajustes semejantes a los realizados hasta obtener los resultados deseados. Las anteriores proporciones se pueden utilizar en una central de mezclas o donde por las condiciones de trabajo se facilite medir la masa de los materiales con el respectivo ajuste de humedad. Sin embargo en obras pequeñas, aunque se cometen algunos errores, se puede hacer la siguiente aproximación: 9.3.10 CANTIDADES DE MATERIAL A UTILIZAR POR CADA 50 kg DE CEMENTO Agua Cemento Ag. fino Agua Cemento Ag. fino

= 0,70 * 50 = 35 kg = 50 kg = 2,84 * 50 = 142 kg / 1,50 kg/dm3 = 94,67 dm3 = que produzca una fluidez entre 100 y 120% = 50 kg = 0,095 m3 (volumen suelto)

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215 9. DOSIFICACIÓN DE MORTEROS

3

0,095

= 0,0475 m3

Volumen del cajón ag. fino (0,03 - 0,05 m ) =

2 L (máx = 0,35 m) = 0,35 m A (máx = 0,35 m) = 0,35 m H = 0,0475 / (0,35 * 0,35) = 0,39 m Dimensiones del cajón para agregado fino = 0,35*0,35*0,39 m En resumen: Agua = que produzca una fluidez entre 100 y 120 % Cemento = 50 kg (un saco) Ag. Fino = 2 cajones (0,35 * 0,35 * 0,39 m) 9.3.11 COSTO DE 1 m3 DE MORTERO Proporciones a utilizar en masa (seca de agregado) 0,70 : 1 : 2,84

Proporciones Masa ( kg) Volumen Absoluto ( dm3)

Agua

Cemento

Agregado Fino

0,70 0,70Ç 0,70Ç

1 Ç kg 0,324Ç

2,84 2,84Ç 1,114Ç

2,138Ç

2,138Ç dm3 mortero = 1000 dm3 mortero 1000 Ç=

= 467,7 kg/m3 de mortero

2,138

Prop.def.masa seca 3 Cant.mat.(kg/m mort.) 3 3 Vol.abs.(dm /m mort.) 3 3 Vol.suelto(dm /m mort.) Prop.volumen suelto

AGUA 0,70 327,4

CEMENTO 1 467,7

AG.FINO 2,84 1328,3

2123,4

327,4

151,9

520,9

1000,2

327,4

393,0

885,5

0,83

1

2,25

Vol. absoluto material = Masa material / Densidad Vol. suelto material = Masa material / Masa unitaria suelta.

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216 9. DOSIFICACIÓN DE MORTEROS

Si la proporción en volumen suelto del agregado, coincide con número entero (o mitad), se puede tomar cualquier recipiente como medida, teniendo en cuenta que la unidad es el cemento y el agua se controla con el ensayo de fluidez. Costo de los materiales: Agua Cemento Ag. fino

=$ =$ =$

/l /kg /m3 (volumen suelto)

Entonces el costo de 1 m3 de mortero será: Agua = 327,4 l * Cemento = 467,7 kg * Ag. fino = 0,886 m3 * Desperdicio

=$ =$ =$ =$

Costo de 1 m3 de mortero tipo S

$

9.3.12 COSTO DE UN m² DE MURO EN LADRILLO TOLETE COMÚN, PARA LA CONSTRUCCIÓN DE MAMPOSTERÍA ESTRUCTURAL (espesor =12 cm). Materiales: Ladrillo tolete común (7*12*22cm) 50 un * $ Mortero de R'm = (12,5 Mpa) 125 kg/cm² 0.028 m3 Agua de absorción (ladrillos) 15 l *$ /l Desperdicio

/un *$

/m3

=$ =$ =$ =$ $

Equipo: Andamios Herramienta varia Mezcladora 9 pies3

$ /H * 0.02 H/m²

=$ =$ =$ $

Mano de obra: Valor cuadrilla

$

TOTAL COSTO DIRECTO por m² de muro

$

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217 9. DOSIFICACIÓN DE MORTEROS

9.4 - REFERENCIAS 9.4.1 - ARANGO T., Jesús Humberto. Método práctico para dosificar mezclas de concreto. Nota técnica No. 12. Medellín (Colombia): ICPC. 1977. 9.4.2 - Código colombiano de construcciones sismo-resistentes. Capítulos C.3, C.4 y C.5 Bogotá (Colombia). 1984.

Decreto 1400 de 1984.

9.4.3 - FERNANDEZ R., CUJAR G., FERNANDEZ G., RIVERA G. Análisis de agregados del área de Popayán usados en la fabricación de mezclas de concreto. Popayán (Colombia): Universidad del Cauca. 1987. 9.4.5 - GALLEGO H., Uriel. Memorias seminario sobre Mampostería Estructural. Popayán (Colombia): Universidad del Cauca. 1986. 9.4.6 - ICONTEC. Normas técnicas colombianas para el sector de la construcción - I. Bogotá (Colombia): Legis editores s. a. 1989. 9.4.7 - ICPC, SOLINGRAL. (Colombia). 1974.

Manual de dosificación de mezclas de concreto.

Medellín

9.4.8 - MADRID, Carlos A. Resistencia que debe tener el concreto. Medellín (Colombia), comité de la industria del cemento. Andi. 1974. 9.4.10 - MENA F., Víctor Manuel y LOERA P., Santiago. Guía para fabricación y control de concreto en obras pequeñas. México: UNAM. 1972. 9.4.11 - NEVILLE, A. M. Tecnología del concreto tomo I y II. México: Instituto mexicano del cemento y del concreto. Primera edición, tercera reimpresión. 1980. 9.4.12 - NORMAS COLOMBIANAS DE DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN SISMO RESISTENTE. NSR/98. Asociación colombiana de Ingeniería sísmica. Bogotá (Colombia). 1998. 9.4.13 - PORTLAND CEMENT ASSOCIATION (P.C.A.). Proyecto y control de mezclas de concreto. México: Limusa. Primera edición. 1978. 9.4.14 - RUIZ DE M. Julia y RIVERA L. Gerardo. Comportamiento de mezclas de concreto elaboradas con agregados del área de Popayán. Popayán (Colombia): Universidad del Cauca. 1984. 9.4.15 - SANCHEZ DE GUZMAN, Diego. Tecnología del concreto y del mortero. Bogotá (Colombia): Pontificia Universidad Javeriana. 1987. 9.4.16 - SALAMANCA C. Rodrigo. Artículo: Dosificación de Morteros. Bogotá (Colombia): Universidad Nacional. 1985. 9.4.17 - SALAZAR, Alejandro. Artículo: Método empírico para el proporcionamiento de mezclas de cemento Pórtland para albañilería. Cali (Colombia): Universidad del Valle. 1985.

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219 10. PROPORCIONES EN VOLUMEN SUELTO

CAPÍTULO 10 PROPORCIONES EN VOLUMEN SUELTO

10.1 - INTRODUCCIÓN Durante el transcurso de los años, muchos investigadores como Fuller, García B., Abrams, Weymouth, Dunagan, Kellerman, etc. y diferentes entidades como ACI (American Concrete Institute) y PCA (Portland Cement Association), han indicado varios procedimientos, basados en mediciones de los materiales en masa, para determinar las proporciones del hormigón y de esta manera producir concretos de mejor calidad. A pesar de las investigaciones tan valiosas realizadas, una gran parte del hormigón que se hace y particularmente en obras pequeñas, se mezcla con mediciones en volumen (volumen suelto) ya convenidas; sin contar la cantidad de agua, sino gobernada ésta, por el grado de manejabilidad requerido por la mezcla, la cual depende de las características e importancia de la obra. Estas proporciones en volumen han sido adecuadas dependiendo de la clase de hormigón que se necesita y teniendo en cuenta las condiciones de los agregados, porque por ejemplo, un agregado grueso presenta menos superficie que recubrir con pasta de cemento que un agregado fino, luego resulta más económico; entonces se debe emplear una cantidad de agregado fino suficiente para llenar los huecos dejados por el agregado grueso y que vuelva la mezcla trabajable, un exceso de agregado fino trae como resultado vacíos que requerirán más pasta y por lo tanto más cemento para llenarse, la mezcla será más costosa. En morteros, también se han adecuado proporciones en volumen que dependen de la función de la mezcla y su consistencia requerida, y al igual que en el hormigón, el agregado debe traer la mayor economía posible. Las proporciones se han determinado en volumen suelto (volumen de las partículas del agregado más el espacio entre partículas), porque de esta forma es mucho más fácil trabajar en la obra, con recipientes o cajones de volúmenes conocidos, que midiendo la masa de los materiales. Es de anotar que se deben hacer los ajustes necesarios para determinar la cantidad de cada material. Sin embargo, con las proporciones en volumen, por lo general, se cometen errores que pueden dar como resultado un concreto heterogéneo; como es el hecho de no cuantificar el aporte de agua de los agregados a la mezcla y algo muy importante es no tener en cuenta la variación que experimenta el volumen del agregado fino con el cambio de humedad (expansión del agregado fino); por lo tanto al variar la humedad del material se puede estar colocando en unos casos más y en otros menos arena, y de esta forma se está perdiendo homogeneidad en el hormigón disminuyendo la calidad.

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220 10. PROPORCIONES EN VOLUMEN SUELTO

En diferentes regiones se tiene una gran experiencia con las proporciones en volumen, para materiales de la zona, sin embargo, la tendencia cada vez mas es a utilizar concreto preparado en plantas especiales (centrales de mezcla), donde se facilita el control de calidad de los materiales y las cantidades se pueden determinar por masa, teniendo en cuenta los aportes de agua a la mezcla; con lo anterior se logra un concreto casi homogéneo y de mejor calidad.

10.2 PROPORCIONES EN VOLUMEN SUELTO PARA CONCRETOS Las proporciones en volumen se expresan colocando primero la unidad que representa el cemento, el siguiente número representa la proporción de agregado fino y el tercer número representa la proporción del agregado grueso; proporciones referidas a un volumen unitario suelto de cemento, es decir: C:F:G

o sea

1:F:G

Como se había mencionado antes, la cantidad de agua no se coloca y viene establecida (controlada) de acuerdo al grado de manejabilidad que requiera la mezcla, según la obra. Las proporciones en volumen (suelto) más empleadas en la fabricación de concretos son: - Concreto estructural: 1:2:2 1:2:2.5 1:2.5:2,5 1:2:3 1:2:4 - Concreto simple para preparar concreto ciclópeo o concretos de resistencias intermedias: 1:3:3 1:3:4 1:3:5 1:3:6 - Concreto de baja resistencia: 1:4:7 1:4:8 Una proporción en volumen (suelto) 1:2:3 significa que por cada volumen suelto de cemento se deben colocar 2 volúmenes sueltos de agregado fino y 3 volúmenes sueltos de agregado grueso. Para la determinación del volumen suelto se puede emplear cualquier recipiente, se recomienda utilizar siempre los mismos recipientes y de preferencia con volumen conocido. Se debe tener en cuenta que para un mismo grado de manejabilidad, a medida que se aumenta la proporción de agregados respecto al cemento se disminuye la resistencia.

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221 10. PROPORCIONES EN VOLUMEN SUELTO

10.2.1 CANTIDADES DE MATERIAL POR METRO CÚBICO DE CONCRETO SIMPLE Para las proporciones en volumen, se pueden estimar en forma aproximada las cantidades de material por metro cúbico de concreto, de la siguiente forma: Masa unitaria suelta del cemento (MUSc) ≈ 1200 kg/m3

10.4.1.

Si se trabaja con sacos de cemento de 50 kg (el más común en el País), tenemos que el volumen suelto de un saco de cemento será aproximadamente: Volumen suelto de 1 saco de cemento (50 kg) = 50/1200 = 0,04 m3

Si para preparar cada mezcla se utiliza un saco de cemento de 50 kg; 0,04 m3 deberá ser el volumen de los recipientes que se empleen para medir las cantidades de agregado fino y grueso. Se recomienda emplear cajones de madera (cubos) cuyas medidas interiores sean de 34 cm de lado. Masa unitaria del concreto normal ≈ 2300 kg/m3

10.4.2

El contenido de agua es aproximadamente 200 kg/m3 de concreto, dependiendo de la consistencia de la mezcla. Como el agua no se tiene en cuenta en forma directa en las proporciones por volumen, entonces la masa unitaria del concreto sin incluir el agua será de 2100 kg/m3, o sea cemento y agregados únicamente. La cantidad de cada uno de los materiales se podrá estimar así: Cemento = 2100/(1+F+G)

kg/m3 de concreto.

(10.1)

Siendo "F" y "G" la proporción en volumen suelto de agregado fino y grueso respectivamente. Cemento (en sacos de 50 kg) = Cs = 2100/((1+F+G)*50) Cs = 42/(1+F+G)

Número de sacos de cemento de 50 kg/m3 concreto

(10.2)

Agregado fino = 0,04 * Cs * F (m3 de material /m3 concreto)

(10.3)

Agregado grueso = 0,04 * Cs * G (m3 material /m3 concreto)

(10.4)

La cantidad de material está dada en volumen suelto, lo cual es una ventaja, debido a que se puede estimar fácilmente la cantidad de material que se requiere en la obra y proceder a adquirirlo, en la mayoría de regiones del país los agregados se venden en volumen suelto.

10.2.2 CANTIDADES DE MATERIAL POR METRO CÚBICO DE CONCRETO CICLOPEO El concreto ciclópeo que se emplea con mayor frecuencia en las obras civiles consiste en 60% concreto simple y 40% piedra, luego el volumen suelto de piedra será: Volumen suelto = Volumen absoluto * Gp / MUSp

(10.5)

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222 10. PROPORCIONES EN VOLUMEN SUELTO

Gp = Densidad aparente seca de la piedra ≈ 2,60 Ton / m3 MUSp=Masa unitaria suelta de la piedra ≈ 1,60 Ton / m3

Un metro cúbico de concreto ciclópeo, 60% concreto simple y 40% piedra, estará compuesto en volumen absoluto por: Concreto simple (vol. absoluto) = 0,60 m3 Piedra (vol. absoluto) = 0,40 m3

luego: Piedra (vol. suelto) = 0,4*2,60/1,60 = 0,65 m3 de material

10.2.3 EJEMPLOS DE ESTIMACIÓN DE CANTIDADES DE MATERIAL PARA UNA DETERMINADA CANTIDAD DE OBRA Ejemplo No. 1 - Aplicación: cantidad total de material que se requiere para construir una obra. Estimar la cantidad de cemento, arena y grava, colocando 5% por desperdicio; que se requiere para la construcción de un pavimento rígido de 80 m de longitud, 8,00 m de ancho y 0,20 m de espesor, si la proporción en volumen (volumen suelto) a emplear de concreto es 1:2:3. Solución: Para 1 m3 de concreto 1:2:3 las cantidades aproximadas de los materiales serán: Cs = 42/(1+F+G) = 42 / (1+2+3) = 7 sacos de 50 kg/m3 concreto. Cemento = 7 sacos * 50 = 350 kg/m3 de concreto Ag. Fino = 0,04*Cs*F = 0,04*7*2 = 0,56 m3 de material /m3 de Concreto. Ag. Grueso = 0,04*Cs*G = 0,04*7*3 = 0,84 m3 de material /m3 de Concreto.

Para la construcción del pavimento se necesitará: Volumen de concreto para construir el pavimento =80*8*0,20 Volumen de concreto = 128 m3 Cemento =350 * 128 * 1,05 = 47040 kg ≈ 941 sacos de 50 kg. Ag. Fino = 0,56 * 128 * 1,05 = 75,26 m3 Ag. Grueso = 0,84 * 128 * 1,05 = 112,90 m3

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223 10. PROPORCIONES EN VOLUMEN SUELTO

Ejemplo No. 2 - Aplicación: cantidad de material que se debe pedir a la bodega para construir un elemento estructural (en particular el cemento). Estimar la cantidad de cemento, arena y grava, colocando 5% por desperdicio; que se requiere para la construcción de una viga de 4,00 m de longitud y una sección de 0,30 m de ancho y 0,35 m de espesor si la proporción en volumen a emplear de concreto es 1:2:2. Solución: Recordando, una proporción en volumen 1:2:2 significa que por cada volumen unitario de cemento se deben colocar 2 volúmenes de agregado fino y 2 de agregado grueso. Para 1 m3 de concreto 1:2:2 las cantidades aproximadas de los materiales serán: Cs = 42/(1+F+G) = 42 / (1+2+2)=8,4 sacos de 50 kg/m3 concreto. Cemento = 8,4 sacos * 50 = 420 kg/m3 de concreto Ag. Fino (y ag. grueso) = 0,04*Cs*F ( o G) Ag. Fino y ag. Grueso =0,04*8,4*2 = 0,67 m3 de material /m3 de concreto

Para la construcción de la viga se necesitará: Volumen de concreto para construir la viga= 4,00*0,30*0,35 Volumen de concreto= 0,42 m3 Cemento =420 * 0,42 * 1,05 = 185,22 kg ≈ 4 sacos de 50 kg. Ag. fino y ag. grueso = 0,67 * 0,42 * 1,05 = 0,30 m3

Ejemplo No. 3 - Aplicación: cantidad total de material que se requiere para construir una obra (concreto ciclópeo). Estimar la cantidad de cemento, arena, grava y piedra, que se requiere para la construcción de un muro de contención en concreto ciclópeo de 3,4 m3 /m y una longitud de 20 m, si se emplea 40% de piedra y 60% de concreto simple 1:3:3 (colocar 5% de desperdicio). Solución: Volumen de concreto ciclópeo = 3,4 * 20 = 68 m3.

Para 1 m3 de concreto simple (1:3:3) se tiene: Cs = 42/(1+F+G) =42/(1+3+3) = 6 sacos de 50 kg/m3 de concreto. Cemento = 6 sacos * 50 = 300 kg / m3 de concreto simple. Ag. fino (y ag. grueso) = 0,04 * Cs * F (o G) Ag. fino y ag. grueso = 0,04*6*3 = 0,72 m3 /m3 concreto simple.

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224 10. PROPORCIONES EN VOLUMEN SUELTO

Para un volumen de 1 m3 de concreto ciclópeo, 60% concreto simple y 40% piedra, se sabe que: Concreto simple= 0,60 m3 3 Piedra = 0,65 m en volumen suelto

Entonces para 68 m3 de concreto ciclópeo las cantidades de material, teniendo en cuenta un 5% de desperdicio, serán: Cemento = 300*0,6*68*1,05 = 12852 kg ≈257 sacos de 50 kg. Ag. fino = 0,72 * 0,6 * 68 * 1,05 = 30,84 m3 Ag. grueso = 0,72 * 0,6 * 68 * 1,05 = 30,84 m3 Piedra = 0,65 * 68 * 1,05 = 46,41 m3

En la tabla No. 10.1 se presentan las cantidades aproximadas de material por m3 de concreto, para diferentes proporciones en volumen y la estimación de la resistencia a la compresión promedia probable a los 28 días, teniendo en cuenta que el valor inferior se obtiene generalmente con material de río y el superior con triturado. La calidad de los materiales influye en la resistencia obtenida, así como las costumbres constructivas, de ahí que se recomienda para cada región determinar los propios valores de resistencia.

MEZCLA Prop. en Vol. C:F:G 1:2:2 1:2:2,5 1:2:3 1:2:3,5 1:2:4 1:2,5:2,5 1:2,5:3 1:2,5:3,5 1:2,5:4 1:2,5:4,5 1:3:3 1:3:4 1:3:5 1:4:7 1:4:8

CEMENTO

kg 420 385 350 325 300 350 325 300 280 265 300 265 235 175 165

Sacos 8,50 7,75 7,00 6,50 6,00 7,00 6,50 6,00 5,50 5,25 6,00 5,25 4,75 350 325

AG. FINO 3 m

0,67 0,61 0,56 0,52 0,48 0,70 0,65 0,60 0,56 0,53 0,72 0,63 0,56 0,56 0,52

AG. GRUESO 3 m

0,67 0,76 0,84 0,91 0,96 0,70 0,78 0,84 0,90 0,95 0,72 0,84 0,93 0,98 1,03

AGUA l

190 180 170 165 160 170 165 160 155 150 160 150 145 120 115

RANGO DE RESIST. PROBABLE A LA COMPRESIÓN 28 días kg./cm2 210-250 200-240 190-230 175-215 150-190 190-230 175-215 150-190 140-180 135-175 150-190 135-175 110-140 80-120 70-100

P.S.I. 3000-3600 2900-3450 2700-3300 2500-3100 2100-2700 2700-3300 2500-3100 2100-2700 2000-2600 1900-2500 2100-2700 1900-2500 1600-2000 1100-1700 1000-1500

Tabla No. 10.1 - Cantidades de material estimadas por metro cúbico de concreto y resistencias probables obtenidas. 10.4.8

SACOS DE CEMENTO DE 50 kg. AGREGADOS SATURADOS Y SUPERFICIALMENTE SECOS. TAMAÑO MÁXIMO = 1 1/2"(máx.) ASENTAMIENTO MAXIMO = 3" (7,5 cm) 3 3 3 CONCRETO CICLOPEO: 40% PIEDRA = 0,65 m Y 60% CONCRETO SIMPLE = 0,60 m PARA 1 m

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225 10. PROPORCIONES EN VOLUMEN SUELTO

10.3 PROPORCIONES EN VOLUMEN SUELTO PARA MORTEROS Las proporciones en volumen se expresan en forma similar al caso de los concretos, colocando primero la unidad que representa el cemento y el siguiente número representa la proporción de agregado fino; proporciones referidas a un volumen unitario de cemento, es decir: C: A

o sea

1: A

La cantidad o proporción de agua no se coloca y viene establecida de acuerdo al grado de fluidez que requiera la mezcla, según la utilidad que se le vaya a dar en la obra. Las proporciones en volumen más empleadas en la fabricación de morteros son: - Mampostería estructural: 1: 2 1: 3 1: 4 1: 5 - Mortero para repellos o pañetes: 1: 3 1: 4 1: 5 1: 6 - Morteros de baja resistencia (algunas veces empleados en rellenos): 1: 7 1: 8 Se debe tener en cuenta que para una misma fluidez, a medida que se aumenta la proporción de agregado fino respecto al cemento se disminuye la resistencia. Una proporción 1:3 significa que por cada volumen de cemento se deben colocar 3 volúmenes de agregado fino; se puede emplear cualquier recipiente como medida, en lo posible de volumen conocido. 10.3.1 CANTIDADES DE MATERIAL POR METRO CÚBICO DE MORTERO En forma similar al concreto, para unas proporciones en volumen dadas, se pueden estimar, en forma aproximada, las cantidades de material por metro cúbico de mortero, de la siguiente manera: Masa unitaria suelta del cemento (MUSc) ≈ 1200 kg/m3.

10.4.1

Si se trabaja con sacos de cemento de 50 kg (el más común en el País), tenemos que el volumen de un saco de cemento será aproximadamente: Volumen de 1 saco de cemento (50 kg) = 50/1200 = 0,04 m3.

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226 10. PROPORCIONES EN VOLUMEN SUELTO

Si para preparar cada mezcla se utiliza un saco de cemento de 50 kg; 0,04 m3 deberá ser el volumen de los recipientes que se empleen para medir las cantidades de agregado fino. Se recomienda emplear cajones de madera (cubos) cuyas medidas interiores sean de 34 cm de lado. Masa unitaria del mortero normal ≈ 2100 kg/m3

10.4.8

El contenido de agua es aproximadamente 300 kg/m3 de mortero, dependiendo de la fluidez requerida para la mezcla. Como el agua no se tiene en cuenta en las proporciones por volumen, entonces la masa unitaria del mortero sin incluir el agua será de 1800 kg/m3, o sea cemento y agregado únicamente. La cantidad de cada uno de los materiales se podrá estimar así: Cemento = 1800/(1+A) kg/m3 de mortero.

(10.6)

Siendo "A" la proporción en volumen suelto de agregado fino. Cemento (en sacos de 50 kg) = CB = 1800/((1+A)*50) CB = 36/(1+A) Número de sacos de cemento de 50 kg/m3 mortero Agregado fino = 0,04 * CB * A (m3 material /m3 mortero)

(10.7) (10.8)

La cantidad de material está dada en volumen suelto.

10.3.2 EJEMPLO DE ESTIMACIÓN DE CANTIDADES DE MATERIAL PARA UNA DETERMINADA CANTIDAD DE OBRA De acuerdo a datos tomados en obra, se pueden estimar las siguientes cantidades: -

En repello se emplea aproximadamente 0,02 m3 de mortero por m2 de pañete. Para pega de mampostería con ladrillo cerámico macizo (7x12x22 cm), se tiene:

Siguiendo las dimensiones respectivas Tipo de Muro

Largo (X) (cm)

Alto (Y) (cm)

Espesor (Z) (cm)

Tizón

12

7

22

Soga

22

7

12

Papelillo

22

12

7

Con espesor de mortero de pega = 1,5 cm

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227 10. PROPORCIONES EN VOLUMEN SUELTO

Cantidad Horizontal:

Cantidad vertical:

100 cm ____________________ Largo + espesor mortero

100 cm ______________________ Alto + espesor mortero

Cantidad de ladrillos por m2 = Cantidad .horizontal * Cantidad .vertical Cant. Mortero m3 / m2 muro = [100*100 – X*Y*(# de ladrillos/m2)] *Z/106

MURO Espesor

No. Ladrillos 2 ( 7*12*22)/m de Muro

Mortero de 3 Pega ( m )

Tipo de Muro

22

87

0,059

Tizón

12

50

0,028

Soga

7

31,5

0,012

Papelillo

Tabla No 10.2. Cantidades estimadas de ladrillo tolete común (7x12x22cm) y mortero de pega (espesor=1,5cm), para diferentes espesores de muro

Se debe tener en cuenta que las anteriores cantidades son para unas dimensiones de ladrillos dadas y pueden variar de una región a otra, al utilizar ladrillos con dimensiones diferentes. Ejemplo: Estimar las cantidad de cemento, arena y ladrillos, que se requiere para construir 150 m2 de muro en ladrillo tolete común (7x12x22 cm) de espesor 12 cm, si para la pega se va a emplear un mortero en proporción 1:3 con un espesor de 1,5 cm; y se desea repellar 200 m2 con una proporción 1:4 (colocar 5% de desperdicio para la mampostería y 10% para el repello). Solución: 3 Cantidad de material por m de mortero en proporción 1:3.

CB = 36/(1+A) = 36/(1+3) = 9 sacos de 50 kg/m3 de mortero Cemento = 9 sacos * 50 = 450 kg/m3 de mortero. Ag. Fino = 0,04*CB*A= 0,04*9*3 = 1,08 m3 de material/m3 de Mortero.

Para un muro de espesor 12 cm (soga) tenemos de acuerdo a la tabla No. 10.2 las siguientes cantidades por m2: 100 2 Nº de ladrillos / m muro= ______ 22+1,5

100 x _______ = 50 ladrillos 7+1,5

3 2 3 Mortero m / m muro = (100 x 100 – 50 x 22 x 7 )*12/1000000 = 0,028 m

No. de ladrillos = 50 y mortero de pega = 0,028 m3

(por m2 de muro)

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228 10. PROPORCIONES EN VOLUMEN SUELTO

Cemento = 450*0,028*150*1,05 = 1984,5 kg ≈ 40 sacos de 50 kg. Ag. fino = 1,08*0,028*150*1,05 = 4,76 m3 Ladrillos = 50*150*1,05 = 7875 ladrillos.

Para el repello tenemos: Cantidad de material por m3 de mortero en proporción 1:4 CB = 36/(1+A) = 36/(1+4)= 7,2 sacos de 50 kg/m3 de mortero Cemento = 7,2 sacos * 50 = 360 kg/m3 de mortero. Ag. Fino = 0,04*CB*A= 0,04*7,2*4 = 1,15 m3 de material/m3 de mortero.

Para los 200 m2 de repello se tiene: Cemento = 360*0,02*200*1,10 = 1584 kg. ≈ 32 sacos de 50 kg. Ag. Fino = 1,15*0,02*200*1,10 = 5,06 m3

Totalizando quedará: Ladrillos = 7875 unidades Cemento = 1984,5 + 1584 = 3568,5 kg ≈ 72 sacos de 50 kg Arena para pega = 4,76 m3 ≈ 5 m3 Arena para repello = 5,06 m3 ≈ 5 m3

En la tabla No. 10.3 se presentan las cantidades de material por m3 de mortero para las proporciones en volumen suelto más usadas y la estimación de la resistencia a la compresión a los 28 días. Como en el caso del concreto, se recomienda establecer los propios valores de resistencia para los materiales de la región.

MEZCLA Prop. en Vol. C:F 1:1 1:2 1:2,5 1:3 1:3,5 1:4 1:5 1:6 1:7 1:8 1:9 1:10

CEMENTO

kg 900 600 515 450 400 360 300 260 225 200 180 165

Sacos 18,00 12,00 10,25 9,00 8,00 7,20 6,00 5,25 4,50 4,00 3,75 3,25

AG. FINO 3 m

AGUA l

0,72 0,96 1,03 1,08 1,12 1,15 1,20 1,23 1,26 1,28 1,30 1,31

405 300 280 260 250 240 225 210 195 185 175 165

RANGO DE RESIST. PROBABLE A LA COMPRESIÓN 28 días 2 P.S.I. kg/cm 3300-4000 230-280 2700-3450 190-240 2300-3000 160-210 2000-2700 140-190 1800-2500 125-175 1600-2300 110-160 1500-2200 100-150 1200-1900 85-135 1100-1800 75-125 900-1600 65-115 800-1500 55-100 650-1350 45-95

Tabla No. 10.3 Cantidades de material estimadas por metro cúbico de mortero y resistencias probables obtenidas.10.4.8

*Sacos de cemento de 50 kg, Agregado Saturado y Superficialmente Seco, Fluidez: 85-100%

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229 10. PROPORCIONES EN VOLUMEN SUELTO

10.4 REFERENCIAS 10.4.1 - BAUD, G. Tecnología de la construcción. Tercera edición. 1970.

Barcelona (España): Editorial Blume.

10.4.2 - Código colombiano de construcciones sismo-resistentes. Capítulo B.3. Bogotá (Colombia). 1984. 10.4.3 - FERREYRA, Luis G. Mercatali. 1950.

Construcciones rurales.

Decreto 1400 de 1984.

Argentina: Imprenta de F. y M.

10.4.4 - NORMAS COLOMBIANAS DE DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN SISMO RESISTENTE. NSR/98. Asociación colombiana de Ingeniería sísmica. Bogotá (Colombia). 1998. 10.4.5 - MERRITT, Frederik. Manual del ingeniero civil. México: Editores UTEHA. 1976. 10.4.6 - PARKER, Kindder. Manual del arquitecto y del constructor. México: Editores UTEHA. 1987. 10.4.7 - SIKA ANDINA S.A. Manual de información técnica. Bogotá (Colombia). 10.4.8 - TEC. Catálogo de consulta técnica. Bogotá (Colombia). 1991. 10.4.9 - TOXEMENT. Gráficas Carman.

Catálogo general de especificaciones técnicas. Bogotá (Colombia):

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11. ADITIVOS PARA MORTEROS O CONCRETOS

CAPÍTULO 11

ADITIVOS PARA MORTERO Y CONCRETO

11.1 DEFINICIÓN Y GENERALIDADES

Foto No. 11.1. Aditivo

Aditivo es una sustancia química, generalmente dosificada por debajo del 5% de la masa del cemento, distinta del agua, los agregados, el cemento y los refuerzos de fibra, que se emplea como ingrediente de la pasta, del mortero o del concreto, y se agrega al conjunto antes o durante el proceso de mezclado, con el fin de modificar alguna o algunas de sus propiedades físicas, de tal forma que el material se adapte de una mejor forma a las características de la obra o las necesidades del constructor. Los aditivos se emplean cada vez en mayor escala en la fabricación de morteros y hormigones, para la elaboración de productos de calidad, en procura de mejorar las características del producto final. No se trata en ningún modo de aditivos del cemento, pues la misión del aditivo no consiste en mejorar el cemento, sino permitir la transformación o modificación de ciertos caracteres o propiedades de un producto acabado, que según los casos, puede ser un hormigón, un mortero o una lechada para inyecciones.

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11. ADITIVOS PARA MORTEROS O CONCRETOS

En resumidas cuentas el aditivo no se limita a actuar sobre el cemento, sino que su acción se ejerce sobre los tres componentes de la mezcla: el árido o agregado, el cemento y el agua. En esta acción influyen en gran manera la naturaleza y la dosificación de cada uno de esos componentes. Los aditivos se utilizan cada vez más en la pasta, los morteros y hormigones por las siguientes razones: A-) Los aditivos se perfeccionan incesantemente. Al principio se usaban, sin purificar, determinados productos de la industria papelera o petrolífera, de lo que resultaban variaciones en la composición química. Actualmente, la orientación se dirige cada vez mas hacia un control de calidad de esos subproductos y a una corrección de sus composiciones gracias a tratamientos y adiciones, han sucedido investigaciones sistemáticas que condujeron a la fabricación de productos básicos especiales o de una mezcla de materias primas existentes, a fin de presentar al mercado aditivos polivalentes. B-) Economía. Ante problemas con el concreto el constructor tendrá que plantearse las alternativas de saber si se debe utilizar un aditivo o no, luego saber cual se debe usar y finalmente como y en que dosis debe usarse. Para esto, tendrá que consultar las instrucciones de los fabricantes y remitirse a documentos especiales. Debe saber eventualmente la dosificación a emplear y que ensayos se le deben hacer, a pie de obra, para precisar la dosificación a utilizar. Es por esta razón, por la cual se pretenden obtener mezclas con la dosificación más económica a unos menores costos de construcción. El costo del aditivo no solo se relaciona con la dosificación del concreto, sino también: por la cuantía mínima de cemento, el control de los requerimientos del agua, por los ahorros de energía, la economía en el tiempo de la colocación, disminución en los costos de las formaletas y encofrados debido a el rápido desencofrado y la reutilización de los moldes, la facilidad en la colocación y compactación y el avance en forma considerable de la obra y puesta en servicio. C-) Las Técnicas Ésta razón influye en la modificación o en el mejoramiento de una o varias de las propiedades físicas del concreto tanto en el estado fresco como el incremento en la manejabilidad, trabajabilidad extendida, disminución de la exudación y de la segregación, hormigón cohesivo, fraguados programados y en la aptitud para el bombeo; y el concreto en estado endurecido en el cual se puede lograr mejorar las resistencias mecánicas, las resistencias a las acciones físicas como heladas y a las acciones químicas, disminución de la porosidad, en el control del calor de hidratación, en la contracción controlada y en los mejores acabados.

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D-) Cumplimiento de las especificaciones Se debe tener en cuenta a la hora de usar uno o varios aditivos en cumplir con los requerimientos exigidos para los distintos usos del concreto como relación agua/cemento fija, adecuada manejabilidad, resistencias a temprana edad, resistencias finales, resistencia a la abrasión, tiempos de fraguado, cantidad de aire incorporado, impedir la corrosión del refuerzo, garantizar la mayor adherencia entre el acero y el concreto y una mejor unión entre el concreto nuevo y el viejo.

En conclusión, a la hora de usar cualquier tipo de aditivo se debe intervenir de forma positiva en la calidad del concreto, de tal forma que se le den soluciones a los diferentes problemas y satisfacer los distintos requerimientos. sin detrimento de la resistencia y durabilidad del material.

11.2 RESEÑA HISTÓRICA

Foto No. 11.2. Coliseo Romano Es indudable que en la época Romana se utilizaron aditivos, adicionándolos al hormigón de cal y puzolanas. Hay quien supone que los primeros aditivos para los hormigones fueron la sangre y la clara de huevo. La fabricación del cemento Portland es relativamente reciente y se sitúa hacia los alrededores de 1850. Poco tiempo después y con el fin de obtener fraguado más regular del cemento, se utilizó el yeso crudo o el cloruro de calcio, que se agregaban al cemento al fabricarlo o al hormigón en el momento de su preparación. La incorporación de estos productos se remonta a los años 1875-1890. Los constructores Franceses de esa época, añadían al cemento sin yeso crudo, un poco de yeso vivo, a pie de obra, en el momento de amasar el hormigón. La adición de cloruro de calcio como aditivo de los hormigones fue patentada en 1885. CANDLOT en 1888, hizo investigaciones acerca de este producto y demostró que según la dosis, podía ser utilizado como retardador o acelerador del fraguado.

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Las primeras preocupaciones de los usuarios del hormigón fueron las de regular la duración del fraguado, y sobre todo la de poder acelerarlo, así como la de fabricar hormigones más impermeables. Hacia 1895 CANDLOT en Francia y DYCKERHOFF en Alemania practicaron adiciones de cal grasa con el fin de mejorar la plasticidad, algo más tarde en 1906 en los EEUU se hizo lo mismo. En una publicación de 1926, se citaba la acción de productos tales como: el alumbre, el jabón potásico, la caseína, la colofonia, las materias albuminosas, la caliza y la arcilla en polvo, ciertos cloruros, carbonatados, silicatos, sulfatos, etc. Igualmente a principios de siglo, se ensayó la incorporación de silicato sódico y de diversos jabones para mejorar la impermeabilidad. Se empezaba ya a añadir polvos finos para colorear el hormigón. Los fluosilicatos se emplearon desde 1905 como endurecedores de superficie. La acción retardadora del azúcar también había sido ya observada, un articuló publicado en marzo de 1909 en la Reveu Des Materiaux de construcción, menciona la influencia del azúcar sobre el fraguado. La comercialización de productos que mejoran algunas de las propiedades del hormigón, data de 1910; se trataba entonces de los impermeabilizantes, se añadían a los hormigones destinados a la fabricación de depósitos de agua, entibaciones, piscinas, etc.; así como a la fabricación de morteros destinados a la reparación de obras subterráneas de mampostería o de ladrillo cuyas juntas se hubiesen deteriorado. En cuanto a los retardadores, si bien su comercialización no tuvo lugar hasta bastante tiempo después, los efectos de ciertos productos eran conocidos hacía tiempo. RENGADE demostró en 1929 que amasando un cemento sobre una lámina de zinc, podían introducirse indicios de ZnO, que actuaba como un poderoso retardador del fraguado; atribuyó a esta circunstancia, las discrepancias comprobadas en los tiempos de fraguado, halladas en diferentes laboratorios, en los que se amasaba en unos si y en otros no, sobre mesas forradas con plancha de zinc. Durante la última guerra los estudios hechos en Alemania condujeron a la utilización de un 1% de ácido fosfórico para el retardo de los hormigones. Esos retardos del fraguado eran necesarios para poder interrumpir los trabajos en las obras monolíticas de hormigón durante los ataques aéreos. Los anticongelantes aparecieron en 1955. Más recientemente y gracias al progreso de la industria química, las materias plásticas se fueron incorporando al hormigón. Hace algunos años que los aditivos se multiplicaron en muchos países. Los fabricantes ponen a punto productos más adecuados a las necesidades de la construcción moderna.

11.3 - CLASIFICACIÓN En Colombia, la norma NTC 1299 establece los requisitos que deben cumplir los aditivos químicos que pueden agregarse al concreto, y los clasifica en: TIPO A - PLASTIFICANTE: Es el aditivo que permite disminuir la cantidad de agua necesaria para obtener una determinada consistencia del hormigón.

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TIPO B - RETARDADOR: Es aquel que demora el fraguado del hormigón. TIPO C - ACELERANTE: Es aquel que acelera tanto el fraguado como la ganancia de resistencia a temprana edad del concreto. TIPO D - PLASTIFICANTE RETARDADOR: Es aquel que permite disminuir la cantidad de agua (acción primaria) necesaria para obtener un hormigón de una determinada consistencia y retardar su fraguado (acción secundaria). TIPO E - PLASTIFICANTE ACELERANTE: Es aquel que permite disminuir la cantidad de agua (acción primaria) necesaria para obtener un hormigón de determinada consistencia y acelerar tanto el fraguado como la resistencia del hormigón a temprana edad (acción secundaria). TIPO F – SUPERPLASTIFICANTE: Es el aditivo que permite la reducción del agua de mezcla en más de un 12% para obtener una determinada consistencia del hormigón TIPO G – SUPERPLASTIFICANTE RETARDADOR: Es el aditivo que permite la reducción del agua de mezcla, en más de un 12%, para obtener una determinada consistencia del hormigón (acción primaria) y además retarda el fraguado (acción secundaria). TIPO H – SUPERPLASTIFICANTE ACELERANTE: Es el aditivo que permite la reducción del agua de mezcla, en más de un 12%, para obtener una determinada consistencia del hormigón (acción primaria) y además acelera tanto el fraguado como la resistencia del hormigón a temprana edad (acción secundaria). Sin embargo, existen en el mercado una serie de productos, no clasificados dentro de lo anterior, como por ejemplo los aditivos impermeabilizantes o los colorantes, etc., que son muy importantes. 11.3.1 TIPO A – PLASTIFICANTES

Foto No. 11.3. Concreto con aditivo plastificante

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Son aditivos que permiten, una reducción de la cantidad de agua para igual trabajabilidad, o un aumento de la manejabilidad para igual proporción de agua, es decir, provoca la dispersión de las partículas de cemento, agrupadas en flóculos comúnmente en una mezcla sin aditivos. Esos aditivos mejoran la aptitud a la deformación de los morteros y hormigones frescos bajo el efecto de un medio de compactación dado; su característica principal es aumentar la manejabilidad del concreto fresco, y/o reducir la cantidad de agua utilizada para un asentamiento determinado. Lo más frecuente es que se presenten bajo la forma de un líquido de color pardo oscuro, de una densidad que oscila entre 1,10 y 1,25 kg/dm3 (más raramente bajo la forma de un polvo de color castaño un poco claro). Las dosis que suelen utilizarse varían, en general, entre 1,0 y 2,0% de la masa del cemento. Algunos de los productos base que se emplean para fabricar los aditivos plastificantes son: - Jabones de resina o de abietato alcalino sódico o potásico (obtenidos por tratamiento de resina vegetal). - Lignosulfonato sódico o cálcico (subproducto de la fabricación de la pasta de papel). Sales de calcio, sodio y amonio del ácido lignosulfónico. - Sulfonatos de alkilarilo (productos sintéticos). El formaldehído melanina sulfonatado. - Sal de hidrocarburo sulfonado (subproducto obtenido en el tratamiento del petróleo). Sales de ácido carboxílico hidroxilatado. - Ester de poliglicol. POLVOS FINOS: - Harina fósil de diatomáceas silificadas. - Bentonita: arcilla coloidal. - Cales grasas o hidráulicas finas, cenizas volantes y puzolanas molidas y pulverizadas. Los polvos finos e inertes, mejoran las características de los hormigones frescos en la medida en que estos hormigones carecen de elementos muy finos. En este caso la exudación disminuye y las resistencias mecánicas pueden quedar aumentadas. Por el contrario, si el hormigón esta bien compuesto y es rico en cemento, la adición de estos elementos finos puede no producir efecto alguno o incluso rebajar las resistencias mecánicas a igualdad de plasticidades. Entre las ventajas y beneficios que se obtienen al utilizar los aditivos plastificantes tenemos: - En Concreto Fresco: Mejoran la trabajabilidad. Mejora las características del terminado. Menor energía de compactación. - En Concreto Endurecido: Mejoran la apariencia final de los terminados. Pueden aumentar la resistencia (compresión, flexión, tensión y la adherencia del concreto al refuerzo). Reducen la permeabilidad. Disminuyen los agrietamientos. Pueden desarrollar mayores resistencias tempranas y finales.

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Los aditivos plastificantes se pueden utilizar en todo tipo de concretos, donde se requieran condiciones normales o particulares de colocación: - Mejoran los concretos bombeados, lanzados y los normales o convencionales. - Mejoran los concretos simples (sin refuerzo), reforzados, prefabricados, pretensados y normales. - Mejoran notablemente la manejabilidad de las mezclas, o alternativamente permiten reducir el agua a utilizar, ganando resistencias finales en el concreto. - Permiten obtener concretos impermeables, solos o en combinación con los aditivos incorporadores de aire. En resumen, el aditivo tipo A se utiliza por: ¬ La disminución del agua, que tiene por objeto incrementar la resistencia del concreto sin aumentar el contenido del cemento, disminuir la porosidad de la pasta de tal forma que disminuya la permeabilidad; la consistencia del concreto será la misma que la del concreto sin aditivo a pesar de la disminución del agua. ¬ Cuando se enfrentan casos en que la mezcla contiene cemento en exceso para garantizar las resistencias debidas, con utilizar el aditivo tenemos una reducción de la cantidad de cemento requerido acompañado de una reducción en la cantidad de agua necesaria para la mezcla, debido a la disminución de la relación agua/cemento. Pero es importante recalcar que existe un límite en lo que se refiere a la economía del cemento ya que por debajo de cierta cifra se empieza a ver afectada la durabilidad de la estructura.

11.3.2 TIPO B – RETARDADOR

Foto No. 11.4. Transporte de concreto con aditivo retardador

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Son aditivos que aumentan el tiempo de fraguado, es decir la mezcla permanece fluida más tiempo. Al uso de retardadores, en general, lo acompaña alguna reducción en la resistencia, principalmente en los primeros días, mientras que los efectos de estas sustancias en las demás propiedades del concreto, como la contracción, pueden no ser previsibles. Por tanto, las pruebas de aceptación para los retardadores deberán hacerse con materiales de la obra para las condiciones previstas. Es preferible que el aditivo sea presentado bajo forma líquida y las dosis a utilizar varían, en la práctica, entre el 0,1 y el 1% de la masa del cemento. La dosis media debería ajustarse para el cemento y los demás materiales que se va a emplear en la construcción. La acción de un retardador cambia mucho con: - La naturaleza del cemento y su dosificación. - La dosis del aditivo. - La relación A/C. Entre los productos base que se emplean para fabricar estos aditivos tenemos: - Los ácidos fosfórico, fluorhídrico, húmico. - La glicerina. - Fosfatos y fluoruros. - Óxidos de zinc y plomo. - El bórax. - Sales de magnesio y sales solubles de zinc. - Sulfato de cobre. - Compuestos de boro y caseína. - Hidratos de carbono de fórmula general Cn(H20)m. Los azúcares (los más utilizados) y sus compuestos como las glucosas, las sacarosas, el almidón, la celulosa. - El yeso crudo (o piedra de yeso) puede también ser considerado como un aditivo. Los aditivos retardadores se emplean particularmente en los siguientes casos: - Colocación del concreto en época de calor, para contrarrestar el efecto acelerante de la alta temperatura. - Cuando se desea suprimir el efecto de las reanudaciones de trabajo. - Para transporte a larga distancia del hormigón.

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11.3.3 - TIPO C – ACELERANTE

Foto No. 11.5. Algunos de los usos de aditivos acelerantes (desencofrado rápido). Viga postensada Son aditivos químicos generalmente líquidos, que permiten acelerar el fraguado y tener resistencias iniciales y finales más altas. La mayor parte de los acelerantes comúnmente usados producen un aumento de la contracción que sufre el concreto al secarse. Frecuentemente se dosifican estos aditivos entre 1,5 y 5,0% de la masa del cemento en la mezcla. Con los aditivos acelerantes obtenemos las siguientes ventajas: - Desarrollo de resistencias más rápidamente. - Mejora de las características del terminado. - Disminución de los agrietamientos. - Cumplimiento de su función estructural más temprano. Las siguientes sustancias se utilizan como base para fabricar los aditivos acelerantes: - Cloruros: cálcico, sódico, de aluminio, de hierro, amónico. - Nitrato y nitrito de calcio. - Formiato de calcio. - Trietanolamina. - Ácido oxálico. - Fluosilicato sódico. - Alunita. - Las bases alcalinas: sosa, potasa, amoníaco. - Carbonatos, silicatos y fluosilicatos, boratos de sosa o de potasa.

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11. ADITIVOS PARA MORTEROS O CONCRETOS

El cloruro de calcio es el aditivo acelerante más común empleado y deberá añadirse en forma de solución como parte del agua de mezcla. Si se añade al concreto en forma seca, puede suceder que no todas las partículas secas se disuelvan durante la mezcla. Los terrones que no se disuelven en la mezcla pueden producir reventones o manchas negras en el concreto endurecido. En forma seca, el cloruro de calcio puede también reducir la eficacia de los aditivos inclusores de aire. La cantidad de cloruro de calcio añadida, en ningún caso deberá exceder del 2% en masa del cemento. Una cantidad mayor creará problemas y puede ser perjudicial para el concreto, que puede hacerse rápidamente inmanejable, aumentar su contracción al secarse y corroer el refuerzo. El uso de cloruros de calcio o de aditivos que contengan cloruros solubles no se recomienda bajo ciertas condiciones: - En el concreto pre-esforzado debido a los posibles riesgos de corrosión. - En concreto donde esta sumergido (ahogado) el aluminio, por ejemplo tubo conduit, porque puede producirse una fuerte corrosión del aluminio, especialmente si este está en contacto con acero incrustado y si el concreto esta en un ambiente húmedo. - Cuando el acero galvanizado va a quedar en contacto permanente con el concreto. - En concreto sometido a reacciones entre álcalis y agregados o expuestos a suelos o agua que contenga sulfatos. Los aditivos acelerantes se usan generalmente en los siguientes casos: - Acabado más rápido de placas. - Colocación del concreto en tiempo frío. - Permiten reducir los tiempos de desencofrado. - Aumentan los usos posibles de las formaletas. - En la industria de los prefabricados. - Reducción de los períodos de curado. - Trabajos rápidos. - Reducción necesaria de las presiones sobre el encofrado. - Sellado, impermeabilización y obturación de grietas y venas de agua. - Trabajos en galerías de minas o túneles o paredes húmedas. - Trabajos bajo el agua. - Hormigones y morteros proyectados (lanzados).

11.3.4 TIPO D - PLASTIFICANTE - RETARDADOR Este aditivo busca fusionar las propiedades de dos sustancias, una de plastificante (acción primaria) y la otra de retardador (acción secundaria), así se aprovechan los dos efectos permitiendo controlar la pérdida acelerada de manejabilidad. La siguiente figura muestra la pérdida de asentamiento de mezclas de concreto con plastificante-retardador y sin aditivo

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Foto No. 11.6. Pérdida del asentamiento de mezclas de concreto con plastificante – retardador y sin aditivo. El retardo del hormigón normalmente afecta un poco el desarrollo de la resistencia inicial (1-3 días), comparada con al concreto sin aditivo, sin embargo luego de tres días se supera su influencia y es típico de hormigones con retardador que su resistencia a los 28 días sea superior a la del concreto sin aditivo para una misma relación agua/cemento En el siguiente gráfico se muestra el comportamiento de retardadores y plastificantes en el desarrollo de resistencia.

Foto No. 11.7. Desarrollo de resistencias de concreto con retardador

Este aditivo es utilizado en plantas (centrales de mezclas) porque permite alcanzar y sobrepasar la resistencia de diseño y por otro lado satisfacer los requerimientos de manejabilidad a pesar de factores que afectan dicha característica del concreto en estado fresco

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11.3.5 TIPO E - PLASTIFICANTE – ACELERANTE Son una variedad de aditivos que cumplen una doble función: plastifican la mezcla aumentando su manejabilidad, permitiendo una colocación y compactación más fácil y aceleran la ganancia de resistencia a temprana edad y a edades tardías.

Foto No. 11.8. Colocación de mezcla de concreto con plastificante – acelerante 11.3.6 TIPO F – SUPERPLASTIFICANTE Este aditivo apareció en el mercado alrededor de los años 70, coincidiendo con la necesidad de la industria de la construcción y de los diseñadores de reducir las secciones de los elementos portantes en rascacielos, puentes, etc. Se precisaba entonces de un hormigón con la reología necesaria para que escurriera como un fluido dentro de las formaletas congestionadas de acero y que brindara resistencias muy por encima de las normales ya que las secciones eran mínimas. Los superplastificantes son de una categoría superior a la de los plastificantes, permite dosificaciones hasta 5 veces mayores, sin alterar significativamente el tiempo de fraguado ni su contenido de aire. La siguiente tabla muestra los resultados de los ensayos de asentamiento y reducciones de agua de mezclas con aditivo plastificantes y superplastificantes. ASENTAMIENTO cm

MÁXIMA REDUCCIÓN DE AGUA POSIBLE %

ANTES DE ADITIVO

DESPUÉS DE ADITIVO

PLASTIFICANTE

12

7

15

SUPERPLASTIFICANTE

30

7

25

ADITIVO

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La aplicación práctica de los aditivos superplastificantes se encuentra en la elaboración de concretos con altas resistencias, con un porcentaje de cemento balanceado, sin problemas de contracción y fisuramiento de las mezclas que contienen cemento en exceso. El gran incremento de resistencia del hormigón cuando se usan superplastificantes es debido a la notable disminución de la porosidad de la pasta (reducción en el agua de la mezcla) y otras características del concreto también se ven beneficiadas, éstas son la reducción de la permeabilidad y el incremento en la durabilidad del concreto. Otras aplicaciones inmediatas de las mezclas fluidas se dan en el bombeo del concreto, la colocación (concreto tremie), estructuras esbeltas y/o densamente armadas; pues el rendimiento es muy alto compensando de esta manera los costos.

11.4. - OTROS ADITIVOS Incorporadores de aire

Foto No. 11.9. Vista microscópica de concreto con burbujas de aire incorporado.

El descubrimiento de los aditivos incorporadores de aire se hizo alrededor del año 1930, su utilización ha sido, sin duda, uno de los mayores progresos realizados en la tecnología de los hormigones, puesto que mejoran, a la vez, las propiedades de los hormigones en estado frescos y las de los hormigones en estado endurecidos. Los aditivos incluidores de aire se pueden clasificar dentro de los plastificantes, porque esta es una de sus características, aunque no la primordial, debido a que son especialmente importantes en aquellos sitios en donde las estaciones están bien marcadas y se presenta durante el invierno el fenómeno de la congelación del agua.

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La congelación del agua es un fenómeno perjudicial para el hormigón, porque en un concreto normal su estructura interna contiene una cierta porosidad, con canales capilares que permiten la entrada de agua. Al producirse la congelación, esta tiene lugar en forma relativamente rápida y acompañada de un aumento de volumen, al pasar el agua del estado líquido al estado sólido; este aumento de volumen hace que el agua llene nuevo espacio, pero al tener que ocupar los conductos, estos quedan muy estrechos lo cual trae como consecuencia la aparición de presiones internas. Estas presiones pueden llegar a tener valores muy altos poniendo en peligro la estructura del concreto, el resultado es la desintegración. Los aditivos incorporadores de aire no producen las burbujas de aire que quedan distribuidas dentro de la masa del hormigón, sino que estabilizan las burbujas de aire que normalmente se forman durante el proceso de la mezcla de los ingredientes del concreto. Estas burbujas pequeñísimas, cuyo diámetro promedio es del orden de 70 micras, se distribuyen en grandes cantidades, constituyéndose en esferas que facilitan el movimiento de unas partículas respecto de las otras, por lo cual aumentan grandemente la plasticidad y manejabilidad de la mezcla (por esta razón se pueden clasificar como plastificantes con reducción del contenido de agua para producir una determinada manejabilidad). La mejora de la durabilidad del concreto, que se obtiene con la adición de incluidores de aire, particularmente en lo que se refiere a la congelación del agua, se debe a dos factores principalmente: el primero porque estas burbujas interceptan los canales capilares, aislándolos unos de otros y por consiguiente impiden la entrada de agua; y segundo porque estas burbujas se comportan como depósitos de aire y al producirse la congelación del agua, encuentra en ellos el espacio requerido para su expansión, sin crear esfuerzos internos porque no se llenan totalmente. Otra ventaja de los incluidores de aire consiste en impedir la exudación en los concretos, lo cual consiste en la separación del agua y su consiguiente ascenso a la superficie libre de la mezcla, fenómeno este que va en detrimento de la calidad del concreto. Los porcentajes normales de aire incorporado varían entre 3 y 6%; la efectividad de un incluidor de aire varía con la granulometría de las partículas dentro de las cuales va a actuar, en la fracción muy gruesa no tiene influencia y en la fracción muy fina, así como en el cemento fino, no actúa ya que su acción queda totalmente inhibida. La dosificación de los incluidores de aire, por lo general, varía entre el 0,008 y el 0,26% de la masa del cemento en la mezcla. Las principales sustancias que sirven de base para fabricar aditivos incorporadores de aire son: - Aceites y grasas de origen animal y vegetal. - Jabones alcalinos de ácidos grasos naturales como el estearato de sodio, los oleatos (derivados del ácido oleico), los lauratos (derivados del ácido laurico). En realidad, lo que se emplea no son los ácidos grasos puros, sino una mezcla de ácidos grasos extraída del sebo, llamada estearina (los ácidos grasos del sebo son principalmente los ácidos estéricos, palmítico y oleico). - Sulfonatos de alcohol graso. - Jabones sódicos de ácidos polihidroxicarboxilicos.

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Con los usos de los aditivos incorporadores de aire se obtienen los siguientes beneficios: - Reduce la permeabilidad del concreto. - Reduce la segregación y la exudación. - Aumenta la plasticidad y la manejabilidad. - Protección contra la acción de aguas agresivas. - Mejorar la durabilidad a ciclos de humedecimiento y secado. Sin embargo, se tiene que tener en cuenta que a medida que aumenta la dosis del aditivo incorporador de aire, aumenta el volumen de aire incorporado, sólo que después de cierta dosis se satura la solución y aunque agregamos más aditivo el contenido de aire no aumentará.

Impermeabilizantes

Foto No. 11.10. Concreto impermeabilizado para zapatas. El objeto de obtener concretos y morteros impermeables es impedir el paso del agua o su absorción, pero también hacerlos lo mas resistentes posibles contra la penetración de agentes agresivos que puedan producir la descomposición del hormigón. Existen dos procedimientos para lograr la impermeabilidad: el primero es revestir la superficie del hormigón con una capa impermeable, generalmente a base de material bituminoso siempre que no se trate de proteger de agentes agresivos como la gasolina, kerosene, aceites, etc., caso en el cual hay que recurrir a recubrimientos especiales. El segundo método se basa en lograr impermeabilizar toda la masa del hormigón o del mortero, o sea la impermeabilización integral de los mismos, lo cual se alcanza añadiendo a la mezcla un aditivo adecuado. El agua puede penetrar al concreto por presión, que es el caso de obras sumergidas, como por ejemplo: paredes de presas o depósitos; o por capilaridad, donde los aditivos incorporadores de aire pueden servir como impermeabilizantes.

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Los principales productos que sirven para fabricar aditivos impermeabilizantes integrales son: - Jabones metálicos (estearatos, oleatos y lauratos). - Sulfato de aluminio, carbonato sódico, oxalato sódico, coloides susceptibles de hincharse, a base de algas marinas (alginato sódico, por ejemplo) o de plantas de la familia de las leguminosas (aunque la presencia de azúcar puede convertirlos en retardadores de fraguado). Anticongelantes

Foto No. 11.11. Construcción de estructura de concreto a bajas temperaturas. Son productos químicos solubles, análogos a los acelerantes, que activan la hidratación del cemento; el calor de hidratación se desprende más a prisa. Pueden aumentar en algunos grados la temperatura del agua de amasado por reacción exotérmica o rebajar su punto de congelación. El hormigón de este modo, puede endurecerse antes de que sobrevenga su congelación. Pueden igualmente proteger el hormigón endurecido. Como en el caso de otros productos químicos, su acción depende: - De la concentración en el agua de amasado. - De la naturaleza del congelante - De la granulometría de la arena. Tomando determinadas precauciones permiten colocar concreto hasta a -10 grados centígrados. Los productos de base son en la mayoría de los casos, los mismos que los utilizados en el caso de los acelerantes. Los bi o trivalentes comprenden: - Un acelerante, aparte del CaCl2 pueden ser empleados silicatos o carbonatos alcalinos (sosa o potasa) y aluminato u oxalato sódico. - Un agente inclusor de aire, generalmente a base de lignosulfito. - Un dispersante, agua en el caso de un aditivo líquido; o tierra de infusorios, cal, en el caso de un aditivo en polvo. - Un producto que evita el envejecimiento como gluconato sódico o urea.

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Las dosis de estos aditivos suelen variar de 1 a 3% de la masa del cemento. Se emplean normalmente en los siguientes casos: - Colocación del concreto en tiempo frío (más económico que el calentamiento). - Protección de hormigones endurecidos contra heladas. - Prefabricación de hormigón manufacturado. - Concreto transportado (por ejemplo premezclado).

Expansivos o Expansores

Foto No. 11.12. Viga de puente tensado. Hace ya mucho tiempo que se pensó en fabricar conglomerantes expansivos o bien agregar al cemento productos susceptibles de hincharse, su objeto era compensar los efectos de la retracción o bien ejercer esfuerzos de expansión regulares. Se aprobaron algunas patentes relativas a la adición de cal viva CaO o de MgO calcinadas, de anhidrita de yeso crudo o de polvos metálicos oxidables. El papel de estos aditivos consiste en aumentar el volumen del concreto durante el fraguado y antes de producirse el endurecimiento de la pasta. Las sustancias más comunes que tienen esta propiedad son: la limadura de hierro y el aluminio en polvo. Las primeras producen la expansión por la oxidación del hierro y el segundo porque reacciona con el cemento produciendo hidrógeno. Estos aditivos se emplean para producir concreto ligero denominado "concreto celular" (de estructura porosa, por lo tanto tiene baja masa unitaria, lo anterior trae como consecuencia un descenso de la resistencia mecánica). Una de las aplicaciones de estos aditivos expansivos es adicionarlo a hormigones o morteros que van a sellar ductos en concretos pre o post-tensados.

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Larga vida Es una combinación de aditivos que se utilizan en la producción de morteros de larga vida. Están compuestos por estabilizadores retenedores de agua y retardadores plastificantes. No hay que confundirlos con retardadores, puesto que lo que ocurre es que el fraguado se inicia tan pronto entra en contacto con la unidad de mampostería y toma prácticamente el mismo tiempo que un mortero sin aditivo. La pérdida de manejabilidad y el fraguado se inicia una vez los compuestos son absorbidos por las unidades de mampostería permitiendo que se produzca el proceso normal de hidratación. De manera análoga a los retardadores, la dosis de estos aditivos se debe incrementar en la medida que aumenta la temperatura, porque la velocidad de la reacción química del cemento con el agua se aumenta con la temperatura.

Colorantes

Foto No. 11.13. Concreto con aditivo colorante. El hormigón puede ser coloreado en toda su masa gracias a polvos finos constituidos, la mayoría de las veces, por óxidos metálicos naturales o sintéticos, mezclados con el cemento. Están caracterizados por sus curvas granulométricas. Las cualidades que se exigen a los colorantes son las siguientes: - Regularidad del tono y elevado poder colorante. - Buena aptitud de mojado y mezcla fácil de efectuar. - Insolubilidad en el agua. - Estabilidad ante la luz y los agentes atmosféricos. - Neutralidad química.

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Las aplicaciones que se obtienen de estos productos colorantes son numerosas, entre ellas tenemos: - Enlucidos decorativos - Revestimiento del suelo: baldosín de cemento, losas, etc. - Hormigón manufacturado y prefabricado: elementos de fachada, elementos decorativos, bloques, bordillos de acera, señalización de carreteras, etc. - Esculturas, revestimiento de piscinas, pista de tenis.

Inhibidores de corrosión

Foto No. 11.14. Estructura de concreto con inhibidor de corrosión. Las armaduras de acero colocadas en el hormigón están protegidas de la oxidación por que están sumergidas, por lo menos durante las primeras edades, en un medio básico. El acero se recubre de una capa protectora muy delgada y queda pasivo. Sin embargo, el concreto puede carbonatarse con el tiempo, el PH puede descender y la protección del acero ya no queda asegurada. Desde hace algún tiempo, ciertos investigadores han ensayado aditivos de productos destinados a evitar la corrosión; los inhibidores de corrosión actúan formando en la superficie del metal una película protectora muy insoluble. Los inhibidores de corrosión más usados, utilizados disueltos en el agua de amasado del concreto, en dosis variable del 1 al 3% de la masa de cemento, son: - Nitrito sódico. - Benzoato sódico. - Cromato potásico. - Molibdatos de sodio o de potasio. - Fosfatos. Igualmente puede añadirse una cantidad del orden del 10% de estos productos a una lechada de cemento, destinada a recubrir las armaduras de acero antes del vaciado del hormigón en los encofrados o moldes.

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Fungicidas, germicidas, insecticidas En ciertos casos particulares, el hormigón (como la madera) puede ensuciarse o ser atacado por parásitos de origen vegetal o animal (solamente cuando ya esta carbonatado). Es el caso de las obras de hormigón o juntas de mortero conservadas en medio ambiente: húmedo, agresivo (agua dulce o salada, agua sucia, etc.). Pueden crecer en los morteros y hormigones, cuando su superficie no es suficientemente lisa y compacta, hongos microscópicos, mohos o algas. Hay un medio preventivo que consiste en incorporar al cemento, durante su amasado, sales de cobre. Se han advertido ataques superficiales en el concreto que pueden profundizar 10 mm, y se deben a un hongo que llega en las formaletas o encofrados de madera. Hay también microorganismos que pueden atacar el hormigón. Los animales marinos, los moluscos perforantes, ciertos gusanos e insectos pueden deteriorar las obras. Los productos que pueden agregarse al hormigón o al mortero para protegerlo de lo anterior, son a base de arseniato de cobre o de mercurio, de fenoles o de creosota. Contra los insectos puede emplearse también una adición del 2 al 4% de diclorodifeniltricloroetano o exaclorocicloexano.

Espumantes para aplicaciones especiales

Foto No. 11.15. Relleno fluido de densidad y resistencia controlada para andenes. Recientemente se han desarrollado aplicaciones constructivas que demandan efectuar un ajuste sobre la densidad de mezclas de concreto o mortero, bien sea con el propósito de reducir la carga muerta de la estructura de ciertos elementos no estructurales como en morteros de afinado de pisos o el pendientado de cubiertas previo a la impermeabilización flexible.

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También puede ser necesaria la incorporación de espuma en mezclas cementosas con el fin de conferir propiedades aislantes desde el punto de vista térmico o acústico. Últimamente se han desarrollado morteros autonivelantes para la elaboración de rellenos de zanjas, base para pavimentos y andenes, que gracias a sus características de fluidez, permiten ejecutar este tipo de rellenos con un rendimiento mayor en comparación con los convencionales de material compactado; también permite que estos rellenos puedan ser reexcavados con posterioridad.

11.5 - RECOMENDACIONES DE EMPLEO Y PRECAUCIONES El empleo de un ADITIVO supone, en primer término, que haya sido correctamente escogido, y a continuación que está bien utilizado. Las recomendaciones de empleo están dadas en general por las informaciones del fabricante. Las precauciones que deben tomarse son: - Productos en polvo, conservarlos en un sitio seco, sobre todo si el envase es defectuoso. - Productos líquidos, puede formarse un sedimento, de manera que es preferible agitarlos antes de su utilización. - En invierno, en regiones donde desciende mucho la temperatura, es necesario conocer su punto de congelación y almacenarlos. - Cerciorarse de que no se ha excedido el plazo límite de utilización. - Atenerse a las instrucciones para su empleo, en especial en el caso de tener que manipular productos tóxicos. Entre los errores más frecuentes tenemos: - Errores de dosificación. - Exceso global (por ejemplo confusión entre las unidades de medida). - Exceso de dosificación local debido al mal reparto del producto. La homogeneidad y la buena distribución del aditivo en la masa de los morteros o de los hormigones es fundamental. - Las incompatibilidades con ciertos conglomerantes. Esta es la razón por la cual conviene siempre controlar los productos en la obra, mediante ensayos preliminares y luego durante la producción del hormigón. - La utilización simultanea de varios tipos de aditivos que pueden no ser compatibles (consultar con el distribuidor especializado).

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11.6 NOMBRES COMERCIALES DE ALGUNOS ADITIVOS A continuación se adjunta algunos nombres de aditivos vendidos en Colombia y su nombre comercial de acuerdo a algunas de las diferentes casas que los producen. ADITIVO TOXEMENT Acelerante Impermeable para concreto Impermeable para mortero

Plastificante (rango alto)

Plastificante (rango medio) Plastificante

Retardante y reductor de agua

Morteros de larga vida Aditivo para concreto lanzado Aditivo para relleno fluido Aditivo para concreto celulares

Especialidades

Fibras para concreto

NOMBRE Y CARACTERÍSTICA Acceguard 80: acelerante de fraguado rápido sin cloruros Acceguard 90: acelerante reductor de agua, sin cloruros Acceguard HE: acelerante de fraguado para hormigón y mortero Eucon IM 100: impermeable integral y reductor de agua para concreto Toxement 1A: impermeable integral para hormigón y mortero. Toxement polvo: impermeable integral para hormigón y mortero Eucon 1037: superplastificante – reductor de agua alto rango Eucon 36: reductor de agua y acelerante de alto poder Eucon 37: reductor de agua alto rango Eucon 537: Eucon 6000 y retardador de alto rango Eucon 5000: retardador de alto rango Eucon 6000: hiperplastificante para concreto especial. Eucon MR 250: reductor de agua con ligero retardo de fraguado Eucon MR 360: reductor de agua Eucon MR 370: reductor de agua y retardante Eucon MR 380: reductor de agua y retardante Eucon N: reductor de agua para hormigón y mortero Eucon 75R: retardante de fraguado y reductor de agua Eucon 100R: reductor de agua y retardante de fraguado con prolongado tiempo de manejabilidad Eucon 200R: Eucon 200R para hormigón y mortero Eucon 400R: reductor de agua y retardante de fraguado con prolongado tiempo de manejabilidad Eucon LV: aditivo para mortero larga vida Eucoshot 902: Acelerante para concreto y mortero proyectado libre de álcalis Eucoshot 950: acelerante líquido para concreto y mortero proyectado libre de álcalis Eucoshot 960: acelerante para concreto lanzado Eucocell 200: aditivo líquido para rellenos fluidos Eucocell 1000: aditivo líquido para relleno fluido en inyección

Euco Wash Out: estabilidad de agua de lavado de concreto Eucocomp 100: aditivo reductor de contracción de concreto bajo agua Eucon A.W.A: aditivo mejorador para colocación de concreto bajo agua Eucon ARC treatment: tratamiento de penetración superior para control de reactividad de álcali-sílice Eucon CIA: inhibidor de corrosión Eucon integral ARC: aditivo para control de reacción álcali-sílice Euco Tuf-Strand SF: fibras sintéticas estructurales Toc fibra 500: fibra de refuerzo secundario para concreto o mortero

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ADITIVO SIKA Antisol blanco Antisol rojo Intraplas Z Plastiment BV-40 Plastiment BV-41 Plastiment RMX Plastiment TM 10 Plastiment TM 11 Plastiment TM 13 Plastiment TM 15 Plastiment TM 20 Plastiment TM 5 Plastiment TM U2 Plastocrete 169HE Plastocrete 261R Plastocrete DM Separol Separol FM Separol polvo Sigunit L-22 Sigunit L-520 Sigunit T-65 Sigunit 49-Af Sikacontrol 40 SikaFerrobard-901 SikaLightcretc SikaTarol E SikaViscocrete 5 SikaViscocrete 5600 SikaViscocrete 6 SikaAer D Sikacrete P Sikafiber AD Sikafiber Microbac SikaFilm SikaFluid SikaFume Sikamend HE-200

CARACTERÍSTICA Curador para concreto y mortero en ambiente normal Curador para concreto en ambiente con condiciones extremas de viento y calor Expansor plastificante. Relleno de cavidades con lechadas y mortero expansivo Reductor de agua - plastificante Reductor de agua de alto rango Reductor de agua - plastificante Reductor de agua – plastificante - retardante Reductor de agua – plastificante - retardante Reductor de agua – plastificante Reductor de agua – plastificante - retardante Retardador plastificante Retardador plastificante Retardador - reductor de agua - plastificante Plastificante – acelerante Retardador - reductor de agua - plastificante Impermeabilizante integral para concreto Desformaleteante para fácil desencofre de concreto, protector de formaletas y acabados estéticos Agente desmoldeante que evita la adherencia de concreto y mortero a las formaletas Desformaleteante y color secundario del sistema de pisos escampados Acelerante para concreto lanzado Acelerante líquido para concreto lanzado libre de álcalis Acelerante rápido para concreto y mortero proyectado por vía húmeda Aditivo en polvo no alcalino para concreto Aditivo retardador de retracción para concreto Aditivo inhibidor de corrosión Agente espumante líquido para concreto liviano Aditivo controlador de hidratación del cemento Reductor de agua de alto poder Reductor de agua de alto poder Superplastificante con excelente tiempo de manejabilidad Incorporador de aire Con base en microsílica para concreto drenable Fibra de polipropileno para el refrentado del concreto y mortero antibacteriano Fibra de polipropileno para el refrentado del concreto y mortero antibacteriano Facilitador de acabados, reducción de vaporización Fluidificante para mezcla de concreto Adición con base en microsílica para concreto de alto desempeño Reductor de agua de alto poder , acelerante sin cloruros

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ADITIVO SIKA Sikamend -306 Sikamend -320 Sikamend N100 Sikamend NS Sikamend R100 Sikand SikaRipid - 1 Sikaset L

ADITIVO MASTERBUILDERS WRDA Paratard 525 Hi tech fibers Colacrato Promesh fibers Dci-s PSI-III

CARACTERÍSTICA Superplastificante, reductor de agua de alto poder, levemente retardante Superplastificante y reductor de agua de alto poder Superplastificante y reductor de agua de alto poder Superplastificante y reductor de agua de alto poder Retardante superplastificante Retenedor de agua y reductor de grietas Acelerante sin cloruros Acelerante para concreto

CARACTERÍSTICA Superplastificante, reductor de agua de alto poder Retardador de concreto para concreto Fibra de polipropileno para el refrentado del mortero y mínimo de retracción Aditivo para colorear concreto y mezcla de cemento Portland Fibra de polipropileno para el refrentado del concreto y mínimo de retracción Aditivo inhibidor de corrosión Aditivo para acelerante de fraguado, libre de cloruros

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11. ADITIVOS PARA MORTEROS O CONCRETOS

11.7 - REFERENCIAS 11.6.1 - ANDERCOL S. A. (Colombia).

Manual de aplicaciones - Aditivos para concreto.

Medellín

11.6.2 - ANEFHOP (Agrupación Nacional Española de Fabricantes de Hormigón Preparado). Manual de consejos prácticos sobre hormigón. Madrid (España). 11.6.3 - ICONTEC. Normas técnicas colombianas para el sector de la construcción - I. Bogotá (Colombia): Legis editores s. a. 1989. 11.6.4 - ICPC, SOLINGRAL. (Colombia). 1974.

Manual de dosificación de mezclas de concreto.

Medellín

11.6.5 - NORMAS COLOMBIANAS DE DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN SISMO RESISTENTE. NSR/98. Asociación colombiana de Ingeniería sísmica. Bogotá (Colombia). 1998. 11.6.6 - PORTLAND CEMENT ASSOCIATION (P.C.A.). Proyecto y control de mezclas de concreto. México: Limusa. Primera edición. 1978. 11.6.7 - SIKA ANDINA S.A. Manual de productos. Bogotá (Colombia): Publicaciones cultural ltda. 1991 www.sika.com.co E-mail: [email protected] 11.6.8 - TEC. Cátalogo de consulta técnica. Bogotá (Colombia). 1991. 11.6.9 - TECNOCONCRETO S. A. Hojas técnicas sobre aditivos. Bogotá (Colombia). 11.6.10 - TOXEMENT. Catálogo general de especificaciones técnicas. Bogotá (Colombia): Gráficas Carman. www.toxement.com.co E-mail: [email protected] 11.6.11 - VENUAT, Michel. Aditivos y tratamientos de morteros y hormigones. Barcelona (España): Editores técnicos asociados S.A. 1972. 11.6.12 www.masterbuilders.com 11.6.13 www.avingenieria.com

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257 12. CONCRETOS ESPECIALES

CAPÍTULO 12

CONCRETOS ESPECIALES

12.1 – INTRODUCCIÓN

Foto 12.1 Aplicación de un concreto especial (concreto lanzado). El concreto hecho con cemento Portland, agua y agregados, tiene un uso extenso como material de construcción debido a sus muchas características favorables. Pero algunas veces resulta difícil hacer uso adecuado de estas propiedades, como por ejemplo a la hora de su colocación, ya sea por el rápido o lento endurecimiento o por la consistencia de la mezcla, etc. Para resolver estos problemas se han adaptado o creado procesos constructivos o adecuado concretos o adicionado aditivos o sustancias especiales que modifican alguna o algunas de las propiedades de la mezcla; por lo anterior puede ésta clase de hormigón recibir un nombre en particular.

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12.2 CONCRETOS ESPECIALES MÁS UTILIZADOS 12.2.1 CONCRETO PREMEZCLADO Si en vez de mezclar y dosificar el concreto en la obra, una planta central lo entrega listo para su colocación, se dice que este hormigón es "concreto premezclado". Este tipo de concreto se usa ampliamente y ofrece numerosas ventajas en comparación con el método tradicional de preparación en obra. El concreto premezclado es particularmente útil en obras que están muy congestionadas o en la construcción de vías donde solo se disponga de un espacio muy pequeño para tener una planta mezcladora y almacenar los agregados. Pero la principal ventaja del concreto premezclado consiste en que el hormigón puede hacerse en mejores condiciones de control.

Foto 12.2 Planta mezcladora de concreto. Hay dos categorías principales de concreto premezclado: en la primera categoría el mezclado se hace en una planta central y el concreto se transporta en un camión (mixer) que lo agita lentamente, a fin de evitar la segregación y un indebido endurecimiento; este concreto se conoce como de mezclado central.

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Foto 12.3 Concreto transportado en mixer. La segunda categoría es el concreto mezclado en tránsito o concreto mezclado en el camión; aquí los materiales se dosifican en una planta central pero se mezclan en el vehículo mezclador (mixer), ya sea durante el recorrido o en la obra inmediatamente antes de descargar el concreto. El mezclado en tránsito permite un recorrido más largo y es menos vulnerable en caso de retraso, pero la capacidad del vehículo mezclador (mixer) es de solamente las 3/4 partes que si el camión se usara para agitar el concreto premezclado. Algunas veces el concreto se mezcla parcialmente en la planta central y el mezclado se complementa en la vía, a fin de aumentar la capacidad del vehículo. El proceso de agitar difiere del de mezclar únicamente en la velocidad de rotación de la mezcladora, la velocidad de agitación, en los mixer, esta entre 2 y 6 revoluciones por minuto mientras que la velocidad de mezclado puede variar de 4 a 16 revoluciones por minuto.

12.2.2 CONCRETO BOMBEADO

Foto. 12.4 Concreto bombeado

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El concreto normal, mezclado, se vierte en una tolva y con ayuda de una bomba con válvulas de aspiración y compresión, se impulsa y transporta el concreto por una tubería. La granulometría del agregado debe ser controlada debido a que el concreto confeccionado debe ser dócil (manejable) y pueda retener el agua con el fin de evitar la segregación. El hormigón bombeado evita el empleo de carretillas, vagonetas, grúas, elevadores o cucharones, etc. Se deben tener cuidados como por ejemplo, cerciorarse que la presión sea suficiente para transportar el hormigón hasta el sitio deseado; se recomienda que la tubería tenga un diámetro mínimo de 3 veces el tamaño máximo del agregado, la tubería no debe ser de aluminio porque el aluminio reacciona con el cemento generando hidrógeno, este gas introduce vacíos en el concreto endurecido con la consiguiente pérdida de resistencia; la tubería no debe formar ángulos muy agudos porque se puede atascar y se debe tener en cuenta la eficiencia de la bomba porque a medida que aumenta la altura sobre el nivel del mar disminuye la eficiencia de la bomba, reduciéndose la altura hasta la cual puede bombearse.

12.2.3 CONCRETO LANZADO

Foto 12.5 Operario aplicando concreto lanzado. Este es el nombre que se le da al mortero transportado a través de una manguera y proyectado neumáticamente a alta velocidad contra una superficie. La fuerza del chorro que hace impacto en la superficie, compacta el material, de modo que se puede soportar a si mismo sin resbalar ni caerse aún en una cara vertical o en un techo.

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Como en esencia el proceso consiste en que la mezcla se proyecta neumáticamente, al concreto lanzado se le llama más formalmente mortero o concreto aplicado neumáticamente y sus propiedades no difieren de las de un concreto colocado convencionalmente de proporciones similares; es el método de colocación el que confiere al concreto lanzado sus significativas ventajas en numerosos usos. La mezcla es lanzada a gran velocidad por medio de una pistola de cemento con una presión de 3 atmósferas a paredes, armaduras, encofrados o dentro de moldes, etc. El concreto lanzado se emplea en la construcción de elementos de reducido espesor como son: cubiertas, revestimientos, pilares, placas, recubrimiento de canales, depósitos, túneles, estabilización de taludes, etc. Trae ventajas como: uniformidad, economía de mano de obra y rapidez de ejecución. En esta mezcla, lo que se emplea normalmente como agregado, es arena muy gruesa con algo de material gravoso, luego es más mortero que concreto lo que se lanza. Algunas de las ventajas con respecto al concreto común es que se coloca y compacta a la vez, además se adhiere íntimamente a la superficie y permite obtener la forma deseada con gran variedad de acabados. Existen dos tipos de concreto lanzado que son: Mezcla seca o Gunita

Foto 12.6 Operario gunitando.

Es una combinación proporcionada de cemento Portland, agregados y agua. La mezcla de los materiales se realiza por medios mecánicos y es bombeada en estado seco hasta una boquilla en donde se adiciona agua, con aditivos superacelerantes generalmente, y aire para impulsar el material. La fuerza del chorro de aire compacta el material contra la superficie. El mezclado real toma lugar en la pared y es por ello que deben hacerse movimientos circulares con la boquilla durante el lanzado, de manera que se integre el agua en el contorno con la mezcla en el centro. Todo el éxito de un lanzado en vía seca radica en un suministro de aire comprimido adecuado, el cual debe estar seco y libre de aceites; y una cantidad de agua apropiada.

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Mezcla húmeda El sistema húmedo es simplemente el bombeo convencional hidráulico de concreto de alta calidad, mezclado en una planta de concreto en forma controlada. El agua ya va incluida desde antes y no es manipulada durante el proceso de proyección. En este método, el concreto premezclado es bombeado en estado plástico a la boquilla, donde se le inyecta aire, para que sea impulsado a alta velocidad sobre la superficie, generalmente también se adicionan acelerantes. Se corre el riesgo que el concreto se atasque y endurezca antes de salir de la manguera, lo cual se debe controlar. En la vía húmeda es posible utilizar un mayor porcentaje de grava (≈40% por masa del agregado total) y con tamaños hasta de 1/2 pulgada.

12.2.4 CONCRETO INYECTADO

Foto 12.7 Operarios inyectando concreto.

Este es muy similar al concreto lanzado, se utiliza principalmente para sanear macizos rocosos sellando sus fisuras, para anclajes de cables en estabilización de taludes o para colocar mortero sobre un agregado grueso colocado previamente (concreto precolocado o preempacado). Estas inyecciones de concreto, aunque lo que se inyecta generalmente es pasta o mortero con algún aditivo, se hacen proyectando a presión la mezcla por tubería. En el caso del saneamiento de un macizo rocoso, el último tramo de la tubería va perforado, por lo que generalmente se le llama "flauta", e introducida en el orificio por donde se va a inyectar; mediante el control del aumento de la presión en el orificio se puede garantizar que se sellan las fisuras.

12.2.5 CONCRETO LIGERO Son aquellos cuya masa unitaria es inferior a 2300 kg/m3. Pueden estar constituidos por áridos ligeros, los cuales se producen comercialmente en hornos giratorios que hacen que estos se esponjen y por conglomerados hidráulicos o resinas sintéticas.

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Entre las ventajas que ofrecen los hormigones ligeros tenemos: bajo masa, aislamiento térmico, resistencia al fuego, etc. Los hormigones ligeros se clasifican según su composición, la que depende de la técnica para obtener los vacíos en el hormigón y según su constitución que depende de los agregados, los cuales tienen baja densidad. Hay básicamente dos tipos: 12.2.5.1 Concreto ligero estructural Es aquel que a los 28 días tiene una resistencia a la compresión mínima de 175 kg/cm2 y una masa unitaria menor de 1850 kg/m3. Está compuesto por agregados ligeros que se clasifican de acuerdo a su fabricación, debido a que en los distintos procesos se producen agregados con propiedades físicas diferentes, las cuales influyen en las propiedades del concreto ligero, como son: masa unitaria, absorción, forma, textura y densidad aparente. Con este concreto se tiene la ventaja de utilizar menos refuerzo, puesto que la masa propia de la estructura es menor, aunque puede suceder que el costo del agregado ligero sea muy alto y encarezca el hormigón. 12.2.5.2 Concreto ligero no estructural El concreto ligero no estructural tendrá una resistencia a la compresión a los 28 días máximo de 70 kg/cm2 y una masa unitaria que no sobrepasa los 1500 kg/m3; estos hormigones se usan principalmente como aislantes térmicos y se emplean generalmente en techos de edificaciones. Una forma de obtener un concreto ligero, sin recurrir a agregados livianos es introduciendo burbujas de gas en la mezcla plástica a fin de producir un material con estructura celular. Este "concreto gaseoso o espumoso", utilizado principalmente como aislante térmico, se obtiene mediante una reacción química que genera un gas en la mezcla fresca, de modo que al fraguar se obtiene un gran número de burbujas; el material que se emplea para producir la reacción química es normalmente el aluminio en forma de polvo muy fino, aunque también se usa polvo de zinc o de una aleación de aluminio. Otra forma de lograr un concreto ligero es eliminando el agregado fino de la mezcla, es decir, un concreto de solo cemento, agua y agregado grueso, este concreto se conoce con el nombre de "concreto sin finos". El concreto sin agregado fino es una aglomeración del agregado grueso, donde cada una de las partículas queda rodeada por una capa de pasta de cemento; existen por consiguiente grandes poros dentro del cuerpo del concreto, a los cuales se debe su baja resistencia, pero el gran tamaño de los vacíos significa que no puede haber ningún movimiento capilar de agua. Por lo tanto, una de sus aplicaciones es en rellenos donde se quiera eliminar la ascensión del agua por capilaridad.

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12.2.6 CONCRETO PESADO Concreto pesado es aquel cuya masa unitaria es mayor al normal, varía generalmente entre 3,0 y 6,5 Ton/m3. Están constituidos por una pasta de cemento y áridos pesados. Se emplean áridos naturales como: hematita, limonita, corindón, barita (sulfato de bario), magnetita, como agregado fino ilmenita (FeTiO3), etc.; o agregados artificiales como: acero, ferrofósforo (fosfuro de hierro) y algunas veces plomo. Estos hormigones constituyen un medio eficaz contra radiaciones nucleares o de rayos X o gamma y se puede utilizar el concreto pesado en estructuras cuya estabilidad dependa de su propia masa. Estos hormigones deben ser homogéneos, compactos, sin fisuras, deben contener suficientes elementos finos y una cantidad relativamente pequeña de agua, para evitar segregación durante el transporte y la puesta en obra. Se pueden agregar aditivos de productos finos o plastificantes.

12.2.7 CONCRETO COMPACTADO CON RODILLO (CCR)

Foto 12.8 Concreto compactado con rodillo. Presa Zanja en Honda (Tolima).

El concreto compactado con rodillo es una mezcla de cemento, agua y agregados cuya consistencia es muy similar a la de una mezcla de asentamiento nulo. La cantidad de agua utilizada debe ser suficiente para hidratar el cemento y para dar un margen de trabajabilidad que permita a los equipos de compactación lograr la máxima densidad. En este concreto se utiliza una mínima relación agua/cemento. El equipo de compactación (compactadores vibratorios de cilindro o llantas) básicamente consiste en un cilindro sobre el cual se coloca una plataforma metálica donde se instala un motor, la vibración tiene lugar en el interior del cilindro donde existe una masa excéntrica provista de movimiento rotatorio. Se utiliza en presas aunque en los últimos años se ha empleado mucho en pavimentos; fue desarrollado con el fin de obtener una densidad alta y una buena adherencia entre las sucesivas capas, resultando una alta impermeabilidad de la estructura. El contenido de material cementante es superior a 150 kg/m3, algunas veces con una proporción alta de puzolanas del orden del 75% de la masa total.

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Las propiedades más importantes de un concreto compactado con rodillo, cuando es utilizado en la construcción de presas son: la densidad, la permeabilidad, la resistencia a la cizalladura (cohesión y ángulo de fricción) y la resistencia a los esfuerzos de tensión. En el caso de los pavimentos, además de las anteriores ventajas, la distancia entre juntas de contracción es mayor, debido a que por el bajo contenido de agua, la retracción hidráulica y el desprendimiento del calor de hidratación son menores.

12.2.8 CONCRETO CON FIBRAS Es un hormigón ligero o normal al cual se le han adicionado fibras que pueden ser de: acero, plástico, asbesto, vidrio, nylon, poliéster, polipropileno, polietileno, fique, caña de azúcar, coco, yute, etc. Este concreto con fibras puede ser útil cuando sea necesario absorber una gran energía (por ejemplo cargas explosivas) o cuando se desea mejorar la resistencia a la tensión; luego es posible mermar el refuerzo por que parte de la tensión lo absorbe la fibra. En el caso de los pavimentos rígidos, se pueden utilizar espesores de losa menores para las mismas cargas e igual periodo de diseño, la separación de juntas puede ser mayor porque las fibras aumentan la resistencia a la flexión del concreto. El hormigón con fibras proporciona también un buen aislamiento acústico y térmico, buena resistencia al impacto y a la erosión. Algunas fibras, en especial las naturales de origen vegetal, requieren de un tratamiento especial para ser usadas y así no perjudicar las propiedades del concreto

12.2.9 CONCRETO MADERA, CONCRETO CON CÁSCARA DE ARROZ O DE TRIGO Modernamente se fabrican hormigones mezclando cemento con virutas de madera o cáscaras de arroz o de trigo, corcho molido, etc., siendo estos materiales considerados como agregado. Algunos de estos materiales, como es el caso de la viruta, deben someterse a un tratamiento especial para lograr que la materia orgánica resulte resistente y no se pudra. El empleo de concreto madera tiene especial aplicación en aquellas obras donde se impone un aislamiento térmico y acústico. Estos concretos tienen baja masa unitaria y se emplean principalmente en la construcción de piezas prefabricadas. Por medio de prensas o cualquier otro medio de compactación enérgico, se pueden fabricar elementos livianos con alta resistencia a la rotura.

12.2.10 CONCRETO CON INCLUSORES DE AIRE Utilizado en regiones donde se presentan heladas o en estructuras hidráulicas como presas, túneles y rebosaderos, porque sirve como impermeabilizante integral. Los inclusores de aire consisten en jabones o resinas de bases sintéticas las cuales añadidas al agua de mezcla, forman una serie de poros con diámetros entre 0,02-0,03 mm en la pasta aglutinante de los agregados. Estos poros crean un sistema lubricante que mejora la manejabilidad de la mezcla y tapona las fisuras capilares aumentando la impermeabilidad del concreto, se logra además mayor durabilidad, mejorando la resistencia a la congelación y fusión al servir de cámaras disipadoras de presión; presión generada por el aumento del volumen de agua al congelarse.

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12.2.11 CONCRETO REFRACTARIO Es aquel capaz de resistir elevada y prolongada acción térmica, su resistencia al efecto del calor es muy superior al hormigón corriente de cemento Portland, o sea que puede resistir temperaturas superiores a 300 grados centígrados. Su obtención se consigue con el empleo de cemento aluminoso o fundido a base de desechos refractarios. Este concreto se puede amoldar a cualquier forma que se le quiera dar.

12.2.12 - CONCRETO COLOREADO

Foto 12.9 Concreto coloreado.

Se obtiene incorporando pigmentos colorantes cuando las mezclas se encuentran en estado plástico o empleando agregados coloreados expuestos a la vista, lo cual se logra con una formaleta tratada con aditivo retardador, que permite lavar posteriormente la pasta no hidratada. Si el color se logra con un pigmento este debe tener un PH completamente estable, una buena resistencia a la acción de la luz y el clima, un excelente poder colorante, encontrarse libre de sales solubles, ácidos y sulfatos de calcio. Generalmente los pigmentos que cumplen estos requisitos son los óxidos de hierro.

12.2.13 CONCRETO MASIVO Se define como cualquier volumen de concreto vaciado in-situ, con dimensiones lo suficientemente grandes como para requerir que se tomen medidas para controlar la generación de calor y los cambios de volumen, con el fin de minimizar la fisuración. Su mayor utilización es en estribos, presas, grandes fundaciones y construcciones voluminosas.

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12.3 REFERENCIAS 12.3.1 - CORTÉS, R., Álvaro. Artículo: Concretos masivos - Aspectos constructivos. Memorias técnicas "I Reunión del concreto". Cali (Colombia). 1986. 12.3.2 - CORTÉS, R., Álvaro. Artículo: Los inclusores de aire en el concreto de estructuras hidráulicas. Revista "Noticreto" No. 20. Bogotá (Colombia): Asocreto. Junio de 1991. 12.3.3 - CHAPARRO T., Francisco. Artículo: Concretos y morteros coloreados. "Noticreto" No. 20. Bogotá (Colombia): Asocreto. Junio de 1991.

Revista

12.3.4 - DELVASTO, A., Silvio. Artículo: Las fibras aplicadas al concreto reforzado. Memorias técnicas "I Reunión del concreto". Cali (Colombia). 1986. 12.3.5 - GARAVITO E., AMAYA F., GOMEZ J. Artículo: El concreto compactado con rodillo y su aplicación en presas y pavimentos. Memorias técnicas "III Reunión del concreto". Cartagena (Colombia). 1990. 12.3.6 - JULIAO DE LA ROSA, Santiago. Artículo: Pavimentos de concreto compactado con rodillos - CCR. Revista "Noticreto" No. 15. Bogotá (Colombia): Asocreto. Marzo de 1990. 12.3.7 - MORENO NEIRA, Carlos A. Artículo: Sistema de micro-refuerzo del concreto. Revista "Noticreto" No. 15. Bogotá (Colombia): Asocreto. Marzo de 1990. 12.3.8 - NEVILLE, A. M. Tecnología del concreto tomo I y II. México: Instituto mexicano del cemento y del concreto. Primera edición, tercera reimpresión. 1980. 12.3.9 - LIEVANO DE LA TORRE, Roberto. Artículo: Concreto proyectado húmedo: una alternativa. Memorias técnicas "III Reunión del concreto". Cartagena (Colombia). 1990. 12.3.10 - LONDOÑO, N., Cipriano. Artículo: Concreto seco compactado con rodillos. Memorias técnicas "II Reunión del concreto". Cartagena (Colombia). 1988. 12.3.11 - PAYA PEINADO, Miguel. Hormigón vibrado y hormigones especiales. Ediciones CEAC. 12o Edición. 1979.

España:

12.3.12 - PORTLAND CEMENT ASSOCIATION (P.C.A.). Proyecto y control de mezclas de concreto. México: Limusa. Primera edición. 1978. 12.3.13 - SCHLUBACH, Carlos. Artículo: Hacia la introducción de concretos ligeros en Colombia. Memorias técnicas "II Reunión del concreto". Cartagena (Colombia). 1988.

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