Diseño de Mezclas de Concreto
DISEÑO DE MEZCLAS DE CONCRETO Para poder realizar adecuadamente un diseño de mezcla de concreto debemos conocer las propiedades que se esperan en el concreto tanto en estado fresco como en estado endurecido las que se definen a continuación:
A) Trabajabilidad: Claramente un concreto apropiadamente diseñado debe permitir ser colocado colocado y compactado compactado apropiadamente apropiadamente con el equipamiento equipamiento disponible disponible.. El acabado que permite el concreto debe ser el requerido y la segregación y sangrado deben ser minimizados. Como regla general el concreto debe ser suministrado con la trabajabilidad mínima que permita una adecuada colocación. La cantidad de agua requerida por trabajabilidad depender principalmente de las características de los agregados en lugar de las característ características icas del cemento. cemento. Cuando la trabajabili trabajabilidad dad debe ser mejorada! mejorada! el rediseño rediseño de la mezcla mezcla debe consistir consistir en incrementar incrementar la cantidad cantidad de mortero mortero en lugar de incrementar incrementar simplemente el agua y los finos "cemento#. $ebido a esto es esencial una cooperación cooperación entre el diseñador diseñador y el constructor constructor para asegurar asegurar una buena mezcla de concreto. En algunos casos una menos mezcla económica podría ser la mejor solución. % se deben prestar oídos sordos al frecuente pedido! en obra! de &ms agua'.
B)
Resistencia Resistencia y drabilidad: drabilidad: En general las especificaciones del concreto requerirn
una resistenc resistencia ia mínima mínima a compresión. compresión. Estas especificaciones especificaciones tambi(n podrían imponer imponer limitaciones en la m)ima relación agua cemento "*+c# y el contenido co ntenido mínimo de ceme cement nto. o. Es impo import rtan ante te aseg asegur urar ar que que esto estoss requ requis isit itos os no sean sean mutu mutuam amen ente te incomp incompati atible bles. s. Como Como ,eremos ,eremos en otros otros capítul capítulos! os! no necesar necesariam iamente ente la resist resistenci enciaa a compresión a - días ser la ms importante! debido a esto la resistencia a otras edades podría controlar el diseño. Las especificaciones tambi(n podrían requerir que el concreto cumpla ciertos requisitos de durabilidad! durabilidad! tales como resistencia resistencia al congelamiento congelamiento y descongelamiento ó ataque químico. Estas consideraciones podrían establecer limitaciones adicionales en la relación agua cemento "*+c#! el contenido de cemento y en adición podría requerir el uso de aditi,os. Entonces! el proceso de diseño de mezcla! en,uel,e cumplir con todos los requisitos antes ,istos ,istos.. /simi /simismo smo debido debido a que no todos todos los requer requerimi imient entos os pueden pueden ser optimi optimizado zadoss simultneamente! es necesario compensar unos con otros0 "por ejemplo puede ser mejor emplear una dosificación que para determinada cantidad de cemento no tiene la mayor resistencia a compresión pero que tiene una mayor trabajabilidad#.
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1inalmente debe ser recordado que incluso la mezcla perfecta no producir un concreto apropiado si no se lle,a a cabo procedimientos apropiados de colocación! acabado y curado. -. DATOS !RE"IOS /ntes de dosificar una mezcla de concreto adems de conocer los datos de la obra o estructura que se ,a a construir y de las condiciones de transporte y colocación! tambi(n se deben conocer las propiedades de los materiales con los que se ,a a preparar la mezcla.
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Dat&s de la &bra
Los datos que se deben conocer de la obra son:
2)ima relación agua+cemento 3amaño m)imo nominal del agregado /sentamiento "consistencia# recomendado 2ínimo contenido de cemento $imensión mínima del elemento a construir Espaciamiento del acero de refuerzo Condiciones a que estar e)puesta la estructura 4esistencia a la compresión mínima necesaria por consideraciones estructurales. $ensidad mínima para pesas de gra,edad y estructuras similares.
5eneralmente la totalidad de estos datos se obtiene de planos y especificaciones de la obra y la norma sismo resistente.
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Dat&s de l&s 'ateriales
$e las propiedades de los materiales que se ,an a utilizar se debe conocer:
5ranulometría 2ódulo de fineza de la arena 3amaño m)imo de la piedra Peso específico de la piedra y de la arena /bsorción de la piedra y de la arena Peso unitario compactado de la piedra 6umedad de los agregados inmediatamente antes de 7acer las mezclas. Peso específico del cemento.
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Mt&d&s de D&si*icaci+n
8e puede apreciar que para el diseño de mezclas se recurre tanto a datos reales como a datos empíricos o de e)periencia que con la ayuda de tablas! grficas y bacos! se obtiene una guía para alcanzar combinaciones óptimas de los materiales. La optimización de las proporciones de la mezcla de concreto que cumpla con las características deseadas con los materiales disponibles! se logra mediante el sistema de ajuste y reajuste. E)isten ,arios m(todos de diseño de mezcla los cuales no estn e)igidos en su uso ya que pueden ,ariar seg9n las condiciones de la obra! tipo de materiales! posición geogrfica! clima y otros factores.
#$($%$ Elecci+n del asenta'ient& Los ,alores de asentamiento se eligen de acuerdo al elemento que se desea llenar. 6ay que tener en cuenta que los ,alores de asentamiento indicados se usan cuando el m(todo de compactación utilizado es la ,ibración. Cuando se empleen otros m(todos diferentes se deben aumentar en -. cm.
#$($#$ Elecci+n del ta'a,& '-.i'& n&'inal /TMN) El 32; est limitado por las dimensiones de la estructura teni(ndose presente que en ning9n caso debe e)ceder de un quinto la menor dimensión entre los lados de la formaleta! de un tercio el espesor de las losas! ni de las tres cuartas partes del espaciamiento libre entre ,arillas indi,iduales de refuerzo! 7aces de ,arillas o cables pretensados. Estas restricciones se pueden e,itar! si a juicio del ingeniero! la trabajabilidad y los m(todos de compactación son tales que el concreto se puede colocar sin que se produzcan cangrejeras o ,acíos. $e otra parte! los agregados con una buena granulometría y con mayor 32; tienden a formar masas ms compactas y con menos ,acíos que los de menor 32;0 en consecuencia! si se aumenta el 32; de los agregados en una mezcla de concreto para un asentamiento dado! tanto el contenido de agua como de cemento se disminuyen! con lo que se consiguen concretos ms económicos y con menor retracción por fraguado. 8in embargo cuando se desea obtener concreto de alta resistencia! se debe reducir el 32; de los agregados! debido a que estos producen mayores resistencias con una determinada relación agua cemento.
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En algunas ocasiones la elección del 32; puede no estar limitada por la dimensión mínima del elemento a construir sino de otros factores como el equipo disponible para mezclar o el m(todo de colocación del concreto que se requiera.
#$($($ Esti'aci+n del c&ntenid& de aire Con el objeto de tener un mejor criterio acerca de la cantidad de aire en el concreto! en una tabla se enseñan los ,alores que recomienda la norma t(cnica para ,arios grados de e)posición. Es importante anotar que cuando se pre,ea que la estructura no estar e)puesta a ambientes se,eros! la incorporación de aire incluido es notoriamente menor. El aire incluido beneficia la manejabilidad y la co7esión de la mezcla con la mitad de los ,alores de contenido de aire que se recomienda para concretos con aire incorporado.
#$($0$ Esti'aci+n de la cantidad de a1a de 'e2clad& /a) 8e puede anotar que la cantidad de agua por ,olumen unitario de concreto que se requiere para producir un asentamiento dado depende del tamaño m)imo del agregado! la forma y te)tura de las partículas así como de la gradación de los agregados! de la cantidad de aire incluido y de los aditi,os reductores de agua "cuando son utilizados#. $e tabla se pueden obtener estimati,os apro)imados de la cantidad de agua de mezclado. Las cur,as que aparecen estn en función del 32; del agregado! del asentamiento deseado y de la forma y te)tura de las partículas de agregado. Es necesario 7acer 7incapi( en que al ,alor encontrado en la tabla 7ay que sumarle el agua de absorción de los agregados o restarle el agua libre de los mismos. Esto se debe a que la cantidad de agua calculada asume que los agregados son lisos y no absorbentes! o sea que estn en la condición saturada y superficialmente seca "sss#. $e allí la importancia de medir el contenido de 7umedad de los agregados con la mayor e)actitud posible inmediatamente antes de colocarlos en la mezcladora. $e otra parte! cuando se 7acen mezclas de prueba para establecer relaciones de resistencia o para ,erificar la capacidad de producción de resistencia de una mezcla! se debe usar la combinación menos fa,orable de agua de mezclado y contenido de aire. En otras palabras! se debe utilizar el m)imo contenido de aire permitido o el que probablemente ocurra! y el concreto se debe calcular con el asentamiento ms alto
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permisible. Con estas precauciones se e,ita que se 7aga una estimación demasiado optimista de la resistencia! bajo la suposición de que las condiciones promedio ms que las e)tremas son las que predominan en el campo.
#$($3$ Elecci+n de la relaci+n a1a4ce'ent& /a4c) La relación agua+cemento! medida en peso! es uno de los factores ms importantes en el diseño de mezclas de concreto y por lo tanto se le debe prestar muc7a atención a su selección! la relación agua+cemento requerida se determina bsicamente por requisitos de resistencia! durabilidad! impermeabilidad y acabado. Puesto que los diferentes agregados y cementos producen generalmente resistencias distintas con la misma relación agua+cemento se debe 7acer con base en el desarrollo de grficas en donde se relacione la resistencia a la compresión y la relación agu a +cemento. $e otro lado! cuando se pre,ean condiciones se,eras de e)posición! la elección de la relación agua+cemento debe ser lo ms baja posible! aun cuando los requisitos de resistencia puedan cumplirse con una ,alor ms alto.
#$($5$ C-lcl& del c&ntenid& de ce'ent& El clculo de la cantidad de cemento por metro c9bico de concreto es muy sencillo. 8implemente! como ya se tienen la relación agua+cemento y el contenido de agua! calculados en los dos pasos inmediatamente anteriores se despeja el contenido de cemento "c#.
#$($6$ "eri*icaci+n de las es7eci*icaci&nes 1ranl&'tricas
#$($6$%$ Ajste de la cantidad de a1a de 'e2clad& debid& a la 8'edad de l&s a1re1ad&s
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Las partículas de agregado! debido a la porosidad de los granos! siempre tendrían alg9n grado de 7umedad! recordndose que el secado total se logra 9nicamente mediante un 7orno a >>?@C las -A 7oras. $e otra parte la estimación de la cantidad de agua de mezclado! se 7izo tomando como base que los agregados estn en condición sss! lo cual no se logra sino en el laboratorio. En consecuencia! con respecto a la condición sss! siempre tendr un e)ceso de agua "agua libre# o un defecto! cantidad que no es independiente del agua de mezclado y por lo tanto se debe o restarle la cantidad de e)ceso o sumarle la cantidad en efecto. Para determinar el sobrante o faltante de agua se puede utilizar la siguiente e)presión:
A 9 M / ; Abs ) $e donde: A 9 /gua en e)ceso o defecto con respecto a la condición sss. M 9 Peso de la muestra seca! en Bg. 9 6umedad del agregado en tanto por uno Abs 9 /bsorción del agregado en tanto por uno Cuando la 7umedad es mayor que la absorción! indica que el agregado tiene agua en e)ceso y est aportando agua a la mezcla! de tal forma que 7ay que restarle agua a la derec7a y por lo tanto se debe usar el signo menos "#. Por el contrario! cuando la absorción es mayor que la 7umedad indica que el agregado necesita ms agua para llegar a la condición sss! entonces 7ay que agregarle agua a la mezcla puesto que 7ay defecto en (sta! por lo tanto 7ay que usar el signo positi,o "D#.
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Ajstes a las 'e2clas de 7reba
El diseño e)plicado anteriormente para calcular las proporciones de los diferentes materiales que componen el concreto! permite conocer unas cantidades que teóricamente producen un concreto con las propiedades deseadas. 8in embargo! e)isten algunos factores de los materiales que no se detectan en los ensayos y que traen como consecuencia un concreto con propiedades algo diferentes a las esperadas. Por esto es necesario comprobar las cantidades teóricas por medio de mezclas de prueba. La mezcla de prueba se debe efectuar de acuerdo con la norma. / dic7a mezcla se le ,erifica el peso unitario y el rendimiento ,olum(trico del concreto ";orma /832 C >=# así como el contenido de aire. 3ambi(n se debe obser,ar que el concreto tenga la trabajabilidad y el acabado adecuado y que no se presente e)udación ni segregación. $e acuerdo a ellos! se puede lle,ar a cabo los
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ajustes pertinentes con las proporciones de las mezclas subsecuentes siguiendo el procedimiento sugerido por el /C y que se indica a continuación:
8e estima de nue,o la cantidad de agua de mezclado necesaria por metro c9bico de
concreto! di,idiendo el contenido neto de agua de mezclado de la mezcla de prueba entre el rendimiento de la mezcla de prueba en metros c9bicos. 8i el asentamiento de la mezcla de prueba no fue el correcto! se aumenta o se disminuye la cantidad estimada de agua en -Bg por cada centímetros de aumento o disminución del asentamiento requerido. 8i el contenido del aire que se obtu,o no es el deseado "para concreto con aire incluido#! se
estima nue,amente el contenido de aditi,o requerido para el contenido adecuado de aire y se aumenta o se reduce el contenido de agua de mezclado indicando en el prrafo "a# en =Fg+m= por cada >G de contenido de aire que deba disminuirse o aumentarse en la mezcla de prueba pre,ia. 8e calculan los nue,os pesos de la mezcla partiendo de la elección de la relación agua+cemento. 8i es necesario! se modifica el ,olumen de agregado grueso mostrado en la tabla > >.H ",er ane)os# con el objeto de lograr de una trabajabilidad adecuada.
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C-lcl& del 7es& nitari& y rendi'ient& <&l'tric&
El peso unitario del concreto consiste en determinar el ,olumen del concreto producido a partir de una mezcla de cantidades conocidas de os materiales componentes con el fin de ,erificar la correcta dosificación y rendimiento de los materiales.
!=C 9 / !MC > !M ) 4 "M $ónde: P
R9 !=T 4 !=C $ónde: 4: 4endimiento del concreto P<3: Peso unitario teórico "suma de pesos 79medos de los materiales# P
($ !ROCEDIMIENTO DE LOS !RINCI!ALES M?TOS DE DISEÑO DE MEZCLA DE CONCRETO
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Mt&d& ACI #%%
Este procedimiento propuesto por el comit( /C ->>! se basa en el empleo de tablas cuales 7an sido elaboradas en base a e)perimentos en el laboratorio. 8ecuencia: >. 8elección de la resistencia requerida "fJcr# fJcrK fJcr D >.== fJcrK fJcr D -.== = -. 8elección de 32; del agregado grueso =. 8elección del asentamiento A. 8eleccionar el contenido de agua 3/ML/ ?> . 8eleccionar el contenido de aire atrapado 3/M/L/ ?N. 8elección de la relación agua+cemento sea por resistencia a compresión o por durabilidad. 3/ML/8 ? % ?O O. Clculo del contenido de cemento /gua+4elación ac . 8eleccionar el peso del agregado grueso 3/ML/ ?A proporciona el ,alor de b+bo! donde bo y b son los pesos unitarios secos con o sin compactar respecti,amente del agregado grueso. H. Calcular la suma de ,ol9menes absolutos de todos los materiales sin considerar el agregado fino >?. Clculo del ,olumen del agregado fino >>. Presentación del diseño en estado seco >-. Corrección del diseño por el aporte de 7umedad de los agregados >=. Presentación del diseño en estado 79medo.
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Mt&d& @aler 8ecuencia:
>. 8elección de la resistencia requerida "f cr# fJcrK fJcr D >.== fJcrK fJcr D -.== = -. 8elección del 32; del agregado grueso =. 8elección del asentamiento A. 8eleccionar el contenido de agua 3/M/L/ ?H . 8eleccionar en contenido de aire atrapado 3/M/L/ ?N. 8elección de la relación agua+cemento sea por resistencia a compresión o por durabilidad 3/ML/ ? % ?O O. Clculo del contenido del cemento /gua+ 4elación ac . Calcular la suma de los ,ol9menes absolutos de todos los componentes sin incluir los agregados.
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H. $eterminar el ,olumen del agregado total >?. Calcular el porcentaje del agregado fino 3/ML/ ? >>. Calcular el ,olumen del agregado grueso >-. Clculo de los pesos de los agregados grueso y finos >=. Presentación del diseño en estado seco >A. Corrección del diseño por el aporte de 7umedad de los agregados. >. Presentación de diseño en estado 79medo.
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Mt&d& del M+dl& de ine2a de la C&'binaci+n de l&s a1re1ad&s$
8ecuencia: >. 8elección de la resistencia requerida "fcr# fJcrK fJcr D >.== fJcrK fJcr D -.== = -. =. A. . N.
8elección del 32; del agregado grueso 8elección del asentamiento 8eleccionar el contenido de agua 3/M/L/ ?> 8eleccionar en contenido de aire atrapado 3/ML/ ?8elección de la relación agua+cemento sea por resistencia a compresión o por durabilidad.
3/ML/8 ? % ?O O. Clculo del contenido de cemento /gua+4elación ac . Calcular la suma de los ,ol9menes absolutos de todos los componentes sin incluir los agregados H. Clculo del módulo de fineza de la combinación de los agregados. 3/ML/ ?= >?. Clculo del porcentaje de agregado fino "rf#
r* 9 /'1 > ' ) 4 /'1 > '* ) >>. Clculo de los ,ol9menes absolutos de los agregados >-. Clculo de los pesos secos de los agregados >=. Presentación del diseño en estado seco >A. Corrección del diseño en estado 79medo 4ederencia bibliogrfica
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