DIVISION DE CIENCIAS CENTRO UNIVERSITARIO DE LA COSTA UNIVERSIDAD DE GUADALAJARA
MANUAL DE LABORATORIO DE CONCRETO UNIVERSIDAD DE GUADALAJARA
DR. MANUEL L. GUTIERREZ DE VELASCO R.
CONTENIDO 1. ANTECEDENTES 1.1 CONCRETO 1.2 TECNOLOGIA DEL CONCRETO 1.3 CONSTRUCCION CON CONCRETO DOSIFICACION MEDICION Y MEZCLADO TRANSPORTE COLOCACION Y COMPACTACION CURADO 2. MARCO TEORICO PARA EL DISEÑO DE MEZCLAS DE CONCRETO 2.1 DESCRIPCION DEL MARCO TEORICO 2.2 OBJETIVOS 2.3 LIMITACIONES 2.4 DATOS 2.5 MODELOS 2.6 PROCEDIMIENTO DOSIFICACION 3. MATERIALES 3.1 CEMENTO 3.2 AGREGADOS PROPIEDADES QUE AFECTAN AL CONCRETO METODOS PARA DETERMINAR ESAS PROPIEDADES PREPARACION Y MANEJO AGREGADOS SELECCION AGREGADOS 3.3 AGUA 3.4 AIRE INCLUIDO 3.5 ADITIVOS 4. ENSAYES PREVIOS 4.1 NORMAS 4.2 MUESTREO PLAN DE MUESTREO RECOLECCION MUESTRAS ENSAYES ANALISIS DE RESULTADOS 4.3 ENSAYES AGREGADOS A) GRANULOMETRIA B) ABSORCION C) HUMEDAD D) DENSIDAD (PESO ESPECIFICO) E) PESOS VOLUMETRICOS
5. PROCEDIMIENTO DOSIFICACION DEL ACI 211.1 5.1 NOMENCLATURA 5.2 ELECCION DEL REVENIMIENTO 5.3 ELECCION DEL TMA 5.4 ESTIMACION DEL AGUA DE MEZCLADO 5.5 ESTIMACION DEL CONTENIDO DE AIRE 5.6 RELACION AGUA/CEMENTO 5.7 CALCULO DEL CONTENIDO DE CEMENTO 5.8 ESTIMACION DEL CONTENIDO DE AGREGADO GRLUESO 5.9 ESTIMACION DEL CONTENIDO DE AGREGADO FINO 5.10 AJUSTE POR ABSORCION Y HUMEDAD 5.11 MEZCLAS DE PRUEBA 6. HOJAS DE CALCULO PARA DOSIFICACION 6.1 METODO ACI 211.1 6.2 DOSIFICACION POR SACO DE CEMENTO DOSIFICACION POR SACO ANALISIS PROPORCIONAMIENTOS POR SACO 7. MEZCLAS DE PRUEBA Y ENSAYES 7.1 CONCRETO FRESCO A) ELABORACION MEZCLA B) REVENIMIENTO C) AIRE INCLUIDO 7.2 CONCRETO ENDURECIDO A) ELABORACION CILINDROS DE PRUEBA B) RESISTENCIA 8. ANALISIS RESULTADOS DE ENSAYES 8.1 DATOS MATERIALES DOSIFICACION PRELIMINAR 8.2 MODIFICACIONES AJUSTE CONTENIDO DE AGUA POR REVENIMIENTO AJUSTE RELACION W/C POR RESISTENCIA DOSIFICACION FINAL 8.3 DETERMINACION DEL CONTENIDO DE AIRE 8.4 DESARROLLO RESISTENCIA CON LA EDAD 8.5 COMENTARIOS 9. CONTROL DE CALIDAD 9.1 RESISTENCIA DE DISEÑO DE LA MEZCLA 9.2 CONTROL DE ENSAYES 10. CONCLUSIONES
LABORATORIO DE CONCRETO Para lograr una construcción estable, duradera y económica en concreto es necesario conocer las propiedades y el comportamiento de este material, así como las técnicas y procedimientos empleados en su elaboración y puesta en obra. Es por ello que un estudiante de Ingeniería Civil requiere familiarizarse con el concreto de cemento hidráulico y sus materiales componentes, no sólo de manera teórica sino a través de la práctica adquirida con ensayes de laboratorio efectuados conforme a normas establecidas. 1. ANTECEDENTES 1.1 EL CONCRETO El concreto es una piedra artificial que se fabrica en estado plástico y que endurece con el tiempo. El concreto se obtiene de una mezcla de cemento hidráulico, agregados gruesos (grava) y finos (arena), agua, aire y aditivo. El cemento y el agua conforman aproximadamente un 20% del volumen de la mezcla, correspondiendo un 75% o más a los agregados, y alrededor de un 5% al aire incluido. Los aditivos son cualquier material, además de los materiales básicos, adicionado al concreto para modificar sus propiedades. En la siguiente gráfica se representa aproximadamente el volumen en porcentaje de cada uno de los ingredientes que conforman el concreto.
PCT VOL CONCRETO
4
9 12 cemento
33
agua grava arena aire 42
El concreto hidráulico es uno de los materiales más estudiado y utilizado en la construcción. Sus versátiles aplicaciones complementan complementan y compiten compiten con otros materiales como son los suelos y rocas en construcciones masivas, el acero en las estructuras de edificios y puentes, y el asfalto en los pavimentos. Existen aplicaciones de concretos en la Europa Balcánica que datan de la edad de piedra. Asimismo, los Griegos y Romanos utilizaron en sus construcciones un concreto fabricado con cenizas volcánicas y cal como material aglutinante. Posteriormente, durante la edad media, el uso del cemento y del concreto desapareció de la práctica. En el siglo XVIII, este material fue redescubierto y, en el siglo XIX, se inició su aplicación como material estructural. Actualmente, es el material industrializado más utilizado en la construcción. El principal ingrediente del concreto es el cemento. Los datos de producción de este material en el año 2004 indican una producción de 2,130 millones de toneladas. Importante notar que el principal productor fue la república China con 934 millones de toneladas. 1.2 TECNOLOGIA DEL CONCRETO La tecnología del concreto es el conjunto de conocimientos técnicos y científicos aplicados a la transformación de los materiales componentes para lograr un concreto hidráulico que satisfaga ciertas propiedades. El conocimiento de los conceptos básicos de la tecnología del concreto es indispensable para comprender correctamente las variables y su forma de interacción en la construcción con concreto. Como Neville (Ref. 1) indica, atinadamente, los ingredientes para elaborar un concreto bueno y otro malo son exactamente los mismos; la diferencia radica tan sólo en los conocimientos teóricos y prácticos empleados. Las principales propiedades que se buscan en el concreto son trabajabilidad, durabilidad, resistencia y economía. En la tabla anexa se relacionan otras propiedades que pueden ser de interés en determinadas aplicaciones. En las primeras etapas de desarrollo del concreto, la resistencia a la compresión, f´c, fue de interés primordial y llegó a ser la base para el registro de resultados en la práctica y en la investigación; muchas de las propiedades del concreto se han correlacionado con la resistencia a la compresión. Los avances más relevantes en el desarrollo de la tecnología del concreto son
El uso de la relación agua/cemento agua/cemento para estimar la resistencia a la compresión compresión del concreto. (1918). El incremento de la durabilidad como resultado de la inclusión de aire en la mezcla de concreto. (1940). El desarrollo de mezclas de concreto súper fluidificado mismas que poseen muy alta fluidez con contenidos bajos de agua. (1970). Actualmente, el énfasis principal de la investigación se centra en a) La elaboración de concretos de alto desempeño ( HPC ); b) El reciclado de desechos de otras industrias en la fabricación fabricació n ddel el cemento; y c) La utilización utiliza ción del producto de demolición como agregado.
El ACI publica una Cartilla del Concreto en donde se explican, basándose en preguntas y respuestas, los principios básicos sobre tecnología del concreto, haciendo referencia a las normas ASTM aplicables. (Ref. 2).
PROPIEDADES DEL CONCRETO
Trabajabilidad Cohesión Consistencia Durabilidad Resistencia al congelamiento congelamiento - deshielo Resistencia al humedecimiento - secado Resistencia al calentamiento – enfriamiento Resistencia al fuego Resistencia a la abrasión Expansión por reacción a los álcalis Resistencia a los ácidos Resistencia a los sulfatos Propiedades mecánicas Resistencia a la compresión Resistencia a la flexión Módulo de elasticidad Propiedades térmicas Propiedades acústicas Peso unitario Estabilidad volumétrica Contracción por secado Fluencia Economía
1.3 CONSTRUCCION CON CONCRETO El proceso de transformación de los ingredientes en el producto final que es el concreto colocado en obra incluye una serie de actividades que, de no ser ejecutadas de manera apropiada, afectarán nocivamente la calidad del material resultante. Los ingredientes deben seleccionarse y manejarse apropiadamente. El concreto debe mezclarse adecuadamente, ser transportado y colocado por procedimientos que eviten la segregación y pérdida de sus ingredientes. La masa consolidada deberá ser uniforme y homogénea, sin cavidades. Asimismo, no debe descuidarse el curado del concreto mientras adquiere resistencia. Procedemos a una explicación un poco más detallada de cada una de las actividades involucradas en este proceso.
DOSIFICACION Existen diversos métodos para realizar una dosificación inicial pero, debido a la variabilidad en las características de los materiales, no se obtiene un resultado definitivo. La dosificación dosificaci ón adecuada de los ingredientes se obtiene mediante el ajuste sucesivo de mezclas de prueba en el laboratorio. Esta etapa del proceso es parte medular de nuestro curso y se comentará posteriormente en el capítulo 5 de este manual. MEDICION Para propósitos de producción es importante controlar estrictamente las cantidades de los materiales empleados, en especial el agua ya que su exceso afectará la resistencia del concreto. Durante las operaciones de medición, los agregados deben manejarse de tal manera que mantengan la graduación deseada, pesándose todos los materiales dentro de la tolerancia requerida para mantener homogéneas las reproducciones de la mezcla de concreto seleccionada. Puede utilizarse cemento empacado o a granel pero no ambos. El cemento a granel se deberá medir en peso con una tolerancia del 1%. Las tolerancias recomendadas para los otros ingredientes del concreto son 1% para el agua, 2% para los agregados, y 3% para los aditivos. Si se utilizan sacos de cemento como base del proporcionamiento, el volumen de concreto se hará en función de sacos completos. Además del peso exacto, otro aspecto importante para el éxito del mezclado es la apropiada secuencia y combinación de los ingredientes durante la carga de la revolvedora. MEZCLADO Es reconocida la importancia del mezclado completo para el desarrollo de la resistencia y para la obtención obtención de la uniformidad total de la mezcla. El concreto puede mezclarse mezclarse en sitio o mezclarse en el trayecto de transportarse desde una planta central. Se recomienda una velocidad de rotación de las mezcladoras no menor de 8 rpm. Una mejor uniformidad se obtiene más rápidamente a velocidades entre 14 y 18 rpm. El tiempo de mezclado recomendado es de 90 segundos en revolvedoras de ¾ m3 de capacidad o menores; para capacidades mayores el tiempo debe ser incrementado unos 30 seg/m3. Un mezclado muy prolongado puede ser dañino. El tiempo máximo de mezclado no deberá exceder en 60 segundos al mínimo recomendado. En camiones revolvedora (trompos) se acostumbra exigir un mínimo de 50 revoluciones y no permitir más de 100. El mezclado después de las 100 revoluciones debe ser solamente a velocidad de agitado. El tiempo límite total de mezclado y agitado, para un concreto sin aditivos, es de hora y media.
TRANSPORTE El transporte del concreto se efectúa con equipos tales como mezcladoras de camión, en cajas de camión fijas, o por bandas transportadoras. Cada tipo de transportación posee ventajas y desventajas específicas que dependen de la mezcla, de la accesibilidad y ubicación del sitio, de la capacidad y tiempo de entrega requeridos, y de las condiciones ambientales. Si el equipo de transporte carece de sistema de agitado, la descarga deberá efectuarse dentro de los 45 minutos posteriores al mezclado, y si la temperatura del concreto alcanza los 30 grados este tiempo se reducirá a 30 minutos. COLOCACION Y COMPACTACION La colocación es el traslado del concreto desde el vehículo de transporte hasta su posición final en el sitio mediante equipos y métodos diversos como carretillas, cubas, bandas transportadoras, canalones, bombeo. La selección del equipo para este traslado interno depende de consideraciones prácticas que permitan una velocidad de colado predeterminada. Se debe tener cuidado en evitar la segregación de los ingredientes durante la colocación. El concreto debe colocarse en capas de espesor de unos 50 cm seguidas de vibración ó alguna otra forma de compactación. La compactación es el proceso manual ó mecánico por medio del cual se elimina el aire atrapado en el concreto al ser colocado en la cimbra; por lo general se emplea alguna forma de vibración. Bajo vibración a alta frecuencia, el concreto se hace fluido y se desplaza por gravedad. El vibrado libera las burbujas de aire atrapado; en cuanto se dejan de observar las burbujas y aparece material suave en la superficie, la vibración debe cesar. ACABADO En algunos casos, como en los pavimentos, se requiere dar un acabado a la superficie del concreto. Puede darse una textura adecuada mediante el uso de manta de yute, escobillado, cepillos de alambre, estampado, con incrustaciones de agregado, etc. Asimismo puede requerirse de acabado antiderrapante o con dureza adicional empleando aditivos. CURADO El curado consiste en mantener un ambiente favorable, en cuanto a humedad y temperatura, para que el concreto fraguado continúe las reacciones químicas de las que depende su resistencia. Es muy importante el curado a edades tempranas, ya que es cuando se constituye la estructura interna del concreto que aporta resistencia e impermeabilidad. Las reacciones químicas que se desarrollan en la masa del concreto ocurren más rápidamente con alta temperatura. El fraguado se retarda mucho a temperaturas inferiores a 5 °C. Entre los distintos procedimientos para conservar húmedo el concreto, se pueden citar el anegamiento ó inmersión, el riego continuo, la protección con mantas húmedas, polietileno, ó papel impermeable, así como con membranas selladoras.
2. MARCO TEORICO PARA EL DISEÑO DE MEZCLAS DE CONCRETO. En el diseño de una mezcla se determinan los materiales adecuados y sus proporciones para lograr de manera económica un concreto de calidad, esto es un concreto con ciertas propiedades como son la trabajabilidad, la resistencia, y la durabilidad requeridas. Existen diversos procedimientos para el diseño de mezclas aunque comparten algunas características comunes. En este capítulo se describe un marco teórico para diseñar mezclas de concreto y sus componentes principales en términos generales. 2.1 DESCRIPCION DEL MARCO TEORICO El diseño de una mezcla de concreto se puede considerar considerar como una serie de actividades en las cuales se ajusta la dosificación hasta lograr los objetivos requeridos. Estas actividades incluyen 1. La definición del objetivo que se pretende de la mezcla mezcla resultante; 2. Obtención de la información necesaria necesaria para determinar determinar la dosifica dosificación ción requerida, incluyendo ensayes de caracterización de los materiales; 3. Aplicación de un procedimiento de dosificación; 4. Elaboración de mezclas preliminares para verificar mediante ensayes ensayes de laboratorio el logro de los objetivos establecidos; 5. Selección de de la dosificación dosifica ción a proponer. 6. Control de calidad en obra para ajustar continuamente la dosificación. dosificación . En la figura anexa se presenta un diagrama de flujo que indica la relación y la secuencia entre las actividades mencionadas. A continuación se explican estas actividades en mayor detalle. 2.2 OBJETIVOS El tipo de objetivo para el que diseña una mezcla se refiere a la especificación de la calidad requerida en alguna propiedad en relación con el uso que se le pretende dar al concreto.
RESISTENCIA Resistencia a la compresión Resistencia a la flexión Edad para lograr la resistencia Coeficiente de variación DURABILIDAD Aire incluido Resistencia a ambientes agresivos Características especiales
DIAGRAMA DE FLUJO PARA EL DISEÑO DE UNA MEZCLA DE CONCRETO
TRABAJABILIDAD Consistencia Cohesión ECONOMIA OTROS Estética Densidad
2.3 LIMITACIONES Las principales limitaciones son de naturaleza económica o técnica y varían para cada situación. Algunas especificaciones especificaciones presentan límites que funcionan como guía sobre las proporciones a emplearse para evitar un alto grado de control, como por ejemplo a) La relación agua/cemento máxima b) El contenido máximo de cemento c) El contenido mínimo de aire d) La resistencia a la compresión mínima Asimismo, existen limitaciones respecto a la disponibilidad de recursos como son e) Los agregados en el sitio f) Limitaciones Limitacione s de tiempo g) Techo presupuestal 2.4 DATOS Los datos necesarios se refieren a los relacionados con los materiales, las condiciones ambientales durante la construcción y la vida útil del concreto, así como los requerimientos constructivos que afectan las decisiones respecto al tipo, cantidad y calidad de los materiales, y al procedimiento de transformación de los mismos. La determinación de las propiedades de los materiales mediante ensayes y el efecto de estas propiedades en el concreto se presentan en detalle en el capítulo 4 de estas notas. A continuación se relacionan algunos ejemplos de datos constructivos y ambientales requeridos que afectarían en la selección de los materiales. TIPO DE CEMENTO
Concreto masivo En contacto con sulfatos Resistencia rápida Reacción álcalis-agregado
ADITIVOS
Ambiente severo En contacto con sustancias nocivas Resistencia rápida Trabajabilidad Fraguado lento Impermeabilidad 2.5 MODELOS MATEMATICOS
Existen diferentes modelos para predecir las propiedades del concreto elaborado con diferentes materiales constituyentes, y sujeto a variadas condiciones ambientales y estructurales. Anotamos enseguida algunos de los modelos importantes para nuestros propósitos
Efecto de la relación agua/cemento en la resistencia Efecto de la edad en la resistencia Efecto del TMA en las cantidades de materiales requeridas en el concreto Modelos estocásticos
Resistencia con edad 120
) t 100 c p ( 80 a i c n 60 e t s i 40 s e R 20 0 0
50
Edad (días)
10 0
Se anexa una gráfica, a manera de ejemplo, que muestra uno de los modelos matemáticos utilizados en el diseño de mezclas y que muestra los efectos de la edad en la resistencia del concreto. Una de las curvas representa el desarrollo de la resistencia para un cemento normal, RN, y la otra para un cemento de resistencia rápida, RR. El modelo matemático es de la forma fc / f‟c = ( 2 x / ( x + 28 )) n donde fc
Resistencia del concreto a la edad x Resistencia a la compresión esperada a los 28 días Edad del concreto, días coeficiente que vale 0.56 para concreto RN, y 0.25 para RR.
f‟c
x n
2.6 PROCEDIMIENTO DE DOSIFICACION No hay métodos exactos de dosificación, de allí que exista una gran variedad de ellos; cualquier método es un punto de partida para definir una dosificación inicial misma que habrá que afinar fabricando mezclas de prueba. Los procedimientos existentes van de lo simple a lo sofisticado. Como ejemplo de un método simple mostramos la tabla anexa que recomienda proporcionamientos para lograr cierta resistencia resistenci a especificada para dos tamaños máximos de agregado. Las plantas premezcladoras premezcladora s de concreto han desarrollado sus propios métodos para optimizar el uso de cemento. En el extremo de la escala de sofisticación de los métodos existentes anotamos los procedimientos actuales para el diseño de concretos de alto desempeño (HPC).
PROPORCIONAMIENTO MEZCLAS DE CONCRETO GRAVA 3/4 "
GRAVA 1 1/2 "
f'c
AGUA
ARENA
GRAVA
AGUA
ARENA
GRAVA
RECOMENDACION
100
2 1/4
6 1/2
7
2 1/4
6 1/3
9
MUROS Y PISOS
150
2
5
5 3/4
1 3/4
5
7 3/4
TRABES Y DALAS
200
1 1/2
4
5
1 1/2
4
6 1/2
250
1 1/3
3
4
1 1/3
3 1/2
5 1/2
LOSAS Y ZAPATAS COLS Y ENTREPISOS
300
1
2 1/3
3 1/2
1
2 1/3
4 3/4
PAVIMENTOS
BOTES ALCOHOLEROS DE 19 LTS POR SACO DE CEMENTO
Entre los métodos comunes empleados en México contamos con el de la CFE y el del ACI. El Manual de tecnología del Concreto de la CFE ( Ref. 9 ) presenta un método experimental que busca una combinación de agregados finos y gruesos que dé el peso volumétrico máximo, para después completar los vacíos con la pasta de agua y cemento. En estas notas se emplea el procedimiento empírico de dosificación recomendado por el ACI-211.1 ( Ref. 4 ) para concretos normal y pesado; en el capítulo 5 se explica el procedimiento en detalle.
3. MATERIALES Los materiales que componen el concreto son el cemento, el agua, el agregado grueso (grava), el agregado fino (arena), el aire, y los aditivos. El cemento se puede sustituir parcialmente con escorias y puzolanas. A continuación se comenta sobre la producción y las características de estos componentes que impactan al concreto. 3.1 CEMENTO Aunque sólo entre el 10 y el 15% del volumen de una mezcla de concreto corresponde al cemento, es el ingrediente más importante ya que la resistencia y la durabilidad, así como el costo, dependen principalmente de él. El cemento se fabrica mezclando materiales calcáreos y arcillosos, finamente molidos, sujetos a calentamiento cercano a sus temperaturas de fusión en hornos giratorios, para producir un clinker que enfriado y molido muy fino constituye el cemento. Los componentes del cemento son principalmente óxidos de calcio, sílice, aluminio y fierro. Cuando se añade agua al cemento para formar una pasta, sus compuestos reaccionan químicamente de manera que fraguan lentamente y se endurecen dando lugar a un material sólido. En el concreto, la pasta de agua y cemento aglutina las partículas de agregado, cubriéndolas y rellenando los huecos existentes. CARACTERISTICAS Las características físicas y mecánicas más importantes del cemento son su finura, peso específico, tiempo de fraguado, expansión y resistencia mecánica. La finura afecta la velocidad de las reacciones químicas que tienen lugar durante el fraguado por lo que las especificaciones buscan equilibrar este valor. Una de las pruebas empleadas con el propósito de medir la finura es el método Blaine que determina la superficie específica de un gramo de material. El peso específico del cemento portland es de aproximadamente 3.15 kg/dm3. La adición de puzolanas modifica este peso específico. Los tiempos de inicio y terminación del fraguado del cemento están limitados por las normas; estos valores se determinan de manera convencional mediante la aguja de Vicat. Uno de los problemas que puede presentar el cemento al mezclarlo con el agua es una excesiva expansión después del fraguado, por la presencia de cal y magnesia sin combinar. Para detectar este problema se efectúa un ensaye de expansión en autoclave con barras (25 x 2.5 x 2.5 cm) de pasta de cemento. La resistencia mecánica se obtiene de morteros cemento - arena elaborados con una arena estándar, y con relación W/C de 0.5.
TIPOS DE CEMENTO Existen varios tipos de cementos en el mercado para diferentes usos. Anteriormente los tipos de cemento producido en México se clasificaban, de acuerdo a la norma americana, como
Tipo I II III IV V
Descripción Normal Con moderados calor y resistencia a sulfatos Resistencia rápida Bajo calor de hidratación Resistente a sulfatos
La clasificación actual, además de incluir diferentes tipos de cemento, indica su clase resistente (20, 30, 30R, 40, 40R) y sus características especiales (Resistente a sulfatos, RS; Baja reactividad álcalis-agregado, BRA; Bajo calor de hidratación, BCH; Blanco, B).
Tipo CPO CPP CPEG CPC CPS CEG
Descripción Cemento Portland Ordinario Cemento Portland Puzolánico Cemento Portland con Escoria Granulada Cemento Portland Compuesto Cemento Portland con humo de Sílice Cemento con Escoria Granulada
La puzolana se emplea en sustitución parcial del cemento portland. La puzolana reduce el calor de hidratación y restringe la expansión producida por la reacción álcalis-agregado. Sin embargo, el CPP y el CPC requieren de mayor cantidad de agua de mezclado, y por ende mayor consumo de cemento, además de resultar en resistencias a la compresión más bajas que el CPO para relaciones relaciones similares W/C. 3.2 AGREGADOS Dado que los agregados conforman aproximadamente un 75% del volumen del concreto es de esperarse que sus características tengan una influencia significativa en las propiedades del mismo (Ref. 3).
La malla No. 4 nos sirve para discriminar entre agregados gruesos o gravas, y agregados finos o arenas. PROPIEDADES DE LOS AGREGADOS QUE AFECTAN AL CONCRETO El requisito más importante de un agregado para concreto es que sea durable y químicamente inerte bajo las condiciones a las cuales estará expuesto. Algunas veces, agregados en sí durables pueden causar reacciones destructivas con los componentes del cemento. En general, la obtención de agregados satisfactorios es más un problema de costos que de disponibilidad. Las propiedades de un agregado requeridas para poder proporcionar una mezcla de concreto son la granulometría, el contenido de humedad y la absorción, el peso específico y el peso volumétrico. La obtención de estas propiedades se describe posteriormente. A continuación se enlistan las propiedades de los agregados que afectan las características del concreto
Propiedades no estandarizadas Forma Textura Porosidad Granulometría Densidad Peso volumétrico Absorción Humedad superficial Sanidad Por medio de sulfatos Congelamiento - deshielo Abrasión Limpieza y sustancias dañinas Cribado por malla No. 200 Grumos Partículas ligeras Impurezas orgánicas Equivalente de arena Reactividad Reactividad con álcalis Dureza del agregado grueso Rayado Escleroscopía Petrografía
PREPARACION Y MANEJO AGREGADOS Los métodos de almacenamiento y manejo, así como la medición de los ingredientes, deben permitir que la mezcla diseñada pueda realizarse correctamente en todo momento, sin que se presenten problemas como contaminación, exceso de humedad, ó segregación. Un material básicamente bueno puede conducir a resultados de calidad inferior si no se maneja adecuadamente.
Procesamiento básico Trituración y molienda Cribado Lavado Beneficio Trituración Separación Manejo y almacenamiento 3.3 AGUA
En cuanto a calidad, el agua que se emplee en la producción del concreto debe estar limpia; esto es, libre de sales, sulfatos, y otras sustancias deletéreas que puedan afectar la resistencia del concreto. En cuanto a la cantidad, el agua regularmente usada para facilitar la colocación es mayor a la requerida por la reacción química que produce el endurecimiento de la mezcla. Un exceso de agua puede resultar en sangrado, segregación, y contracción y agrietamiento por secado. El uso de aditivos fluidificantes permite reducir el contenido de agua. Además del agua de mezclado, después de fraguado el concreto, se requiere reponer el agua perdida por secado mediante el proceso de curado. La relación agua/cemento es el parámetro crítico en la definición de la resistencia a la compresión del concreto. 3.4 AIRE INCLUIDO Parte del volumen del concreto consiste en burbujas milimétricas de aire, menores a los granos de la arena pero mayores que las grietas capilares de la pasta, que funcionan como cámaras de amortiguamiento que alivian la presión causada por el congelamiento del agua libre en los capilares, evitando así el daño a la pasta endurecida. Así mismo, las burbujas actúan como lubricante en la pasta de cemento incrementando su trabajabilidad. Las cantidades de aire requeridas para un comportamiento adecuado del concreto expuesto a condiciones severas de intemperismo están definidas. Existen varios métodos para determinar el contenido de aire de una mezcla. Para incrementar el volumen de aire en la pasta se emplean aditivos.
3.5 ADITIVOS Un aditivo es otro material, adicional a los materiales básicos, que se utiliza en el concreto para modificar algunas de sus propiedades dependiendo del fin al que se destine. La mejor manera de determinar el que un aditivo actúe como se desea es ensayando mezclas de concreto con y sin las dosificaciones recomendadas del aditivo para comparar los resultados. Existen aditivos que mejoran la trabajabilidad del concreto y facilitan su colocación en la obra; otros aceleran el desarrollo de la resistencia de manera que la construcción pueda ser más expedita; asimismo, se puede retrasar el fraguado cuando los acabados así lo requieran. Los principales usos de los aditivos se enlistan a continuación, siendo los cinco primeros los más relevantes
Reductores de agua Inclusor de aire Acelerante Retardador del fraguado Superfluidificantes Impermeabilizantes Expansivos Concretos celulares Reductores de calor Resistente a los ácidos Para incrementar adherencia entre concreto y acero Para incrementar adherencia entre concreto viejo y nuevo Concretos de color Acción fungicida, bacteriana, ó insecticida
Para la producción de concretos de alto desempeño se utilizan aditivos minerales, mejor denominados como materiales suplementarios, como son escorias granuladas, polvos de sílice, cenizas volantes y puzolanas.
4. ENSAYES PREVIOS El diseño de una mezcla de concreto así como su control de producción pueden realizarse a partir de pruebas de laboratorio como es el caso de los ensayes previos que se utilizan para determinar las propiedades físicas básicas de los materiales; una vez elaborada la mezcla de concreto se utilizan otros ensayes para determinar la trabajabilidad, el contenido de aire, y la resistencia. 4.1 NORMAS Para efectuar satisfactoriamente las pruebas de laboratorio se deben utilizar las últimas versiones de las normas aplicables, como el ASTM o la DGN (Ref. 7 y 8). Un laboratorio profesional debe contar con copias de estas normas. El laboratorista debe estudiar en detalle las normas y métodos de pruebas relacionados con el concreto y sus ingredientes. En estas notas no se presentan las especificaciones de manera estricta sino resumida. Las descripciones de los procedimientos de pruebas se tomaron de la Ref. 6 en donde también se pueden consultar otros ensayes adicionales. 4.2 MUESTREO Las pruebas no proporciona proporcionarán rán resultados correctos correctos si las muestras no se tomaron con el debido cuidado para que representen al material en estudio. Hay cuatro puntos que requieren especial atención y planeación: 1) Un plan de ensayes que suministr suministree el máximo de información informac ión con el costo mínimo. 2) Recolección Recolecció n de de muestras, de acuerdo con procedimientos predeterminados, en en los sitios seleccionados. 3) Ejecución de los ensayes. 4) Análisis de la información. PLAN DE MUESTREO La profundidad en el detalle de la investigación para una obra específica dependerá de su tamaño e importancia. El programa de laboratorio dependerá de los equipos e instalaciones disponibles y hasta de preferencias personales. RECOLECCION MUESTRAS Es importante que los ensayes se efectúen en muestras representativas del material. Debido a la naturaleza aleatoria de las propiedades de los materiales, no existe de manera estricta tal cosa como una muestra representativa. Por lo que, para tener un conocimiento
razonable de alguna propiedad, hay que determinar las características promedio y su variabilidad. Entonces se deberá desarrollar un plan de muestreo estadístico que se podrá ir ajustando sobre la marcha. Como ejemplo de requisitos de muestreo anotamos los siguientes respecto al número y tamaño de las muestras de agregados
El mínimo de muestras de campo debe ser suficiente para que los resultados de las pruebas sean confiables. El tamaño de las muestras de campo recomendadas para arenas es de 100 kg.; para gravas con tamaños máximos de agregado menores a 75 mm, el tamaño de la muestra es de 100 kg., y de 200 kg. para tamaños mayores.
ENSAYES En los capítulos 4 y 7 se describen las pruebas que se efectuarán en el laboratorio en este curso y que nos permitirán desarrollar el proceso de dosificación de una mezcla de concreto siguiendo el método propuesto por el ACI. Los ensayes a los ingredientes, descritos en el capítulo 4, nos proporcionan las características requeridas como datos previos al procedimiento de dosificación. Asimismo, en el capítulo 7, se describen las pruebas a realizar en el concreto fresco y en el concreto endurecido para lograr una mezcla que satisfaga cierta calidad preestablecida. La recolección y el registro de datos deben hacerse de manera ordenada y sistemática. Es conveniente contar con formatos expresamente diseñados para cada prueba. ANALISIS DE RESULTADOS Es importante que los resultados que se obtengan se analicen con detenimiento para detectar posibles fallas en el procedimiento. Asimismo, debemos observar en particular algunos de los resultados para comparar y validar las propuestas teóricas como son los siguientes casos en los ensayes de concreto 1) 2) 3) 4) 5) 6)
La relación entre el revenimiento y el contenido de agua La apariencia de la mezcla para detectar segregación El peso volumétrico del concreto concreto fresco La relación entre resistencia a la compresión y la razón agua/cemento agua/cemento La relación entre la edad y la resistencia a la compresión El contenido de aire El capítulo 8 de estas notas se dedica a explicar con más detalle el análisis de resultados.
4.3 ENSAYES EN AGREGADOS A continuación se detallan los procedimientos a seguir en la determinación de algunas de las propiedades de los agregados; estos ensayes son parte de la información previa requerida para determinar la dosificación del concreto.
Granulometría Tamaño máximo del agregado Modulo de Finura Absorción Contenido de humedad Densidad ( peso específico ) Pesos Volumétricos Suelto Compacto A) GRANULOMETRIA
El análisis granulométrico de un agregado consiste en separar y medir los porcentajes de cada tamaño. La norma aplicable es la ASTM C 136. Los requisitos granulométricos se establecen en la norma ASTM C 33. GRANULOMETRIA ARENA EQUIPO
Balanza de torsión con capacidad de 1 kg y 0.1 g de sensibilidad Juego de mallas números 4, 8, 16, 30, 50, y 100, fondo y tapa Recipientes de porcelana Brocha de cerdas Cepillo de alambre
PROCEDIMIENTO 1) Se cuartea la muestra total de arena, previamente secada, hasta obtener 500 g de material con una aproximación de 0.1 g. 2) La cantidad de muestra pesada se cierne en las mallas superpuestas de menor a mayor. 3) Vertida la muestra sobre sobre la malla superior, la número 4, se procede con la operación de cribado de forma manual ó mecánica. El cribado manual se efectúa soportando la serie de mallas sobre los dedos e inclinándola de uno a otro lado, a la vez que se golpean sus costados con las palmas de las manos. 4) Una vez que se haya comprobado que cada malla ha dado el paso a todo el material menor que su abertura, las porciones se colocarán en los recipientes de porcelana para después pesarlos.
LABORATORIO DE CONCRETO ENSAYES DE AGREGADOS
GRANULOMETRIA GRAVA
TMA
MALLA
PESO RET
PCT RET
ACUM
3 1 1/2 3/4 3/8 No. 4
ARENA
MF
MALLA No. 8 16 30 50 100 CHAROLA
COMENTARIOS
NOMBRE FECHA
PESO RET
PCT RET
ACUM
5) Las mallas deben quedar siempre limpias después de vaciar su contenido, empleando la brocha ó el cepillo. 6) Se pesa cada una de las porciones obtenidas en el cribado, con aproximación de 0.1 g, registrando los datos en el orden de tamaños correspondiente. La suma de los pesos deberá coincidir con el peso total de la muestra empleada. Por esta razón, se conservarán por separado las distintas porciones después de pesadas, para en caso de comprobar los datos. CALCULOS Se deberá completar la tabla de análisis granulométrico, misma que contendrá el peso del material retenido en cada malla, el porcentaje retenido, el porcentaje acumulado, las sumas totales, así como la determinación del módulo de finura. Se recomienda preparar una gráfica de la granulometría, como la mostrada en la figura, en donde también se tracen las gráficas correspondientes a los límites recomendados de los porcentajes que pasan diferentes tamaños de mallas según las normas, y que se anotan a continuación.
100
Tamaño de malla
ASTM C 33
80
3/8 4 8 16 30 50 100
60
40
20
0 8
16
30
50
10 0
CHA ROLA
GRANULOMETRIA GRAVA EQUIPO
Báscula de 125 kg de capacidad Juego de tamices de 1 ½, 3/4, 3/8, y 3/16 Charolas de lámina galvanizada Brocha de cerdas Cepillo de alambre
100 95 - 100 80 - 100 50 - 85 25 - 60 10 – 30 2 - 10
PROCEDIMIENTO 1) Para el análisis granulométrico de la grava se requiere una muestra con con un peso peso total no menor a 25 kg, obtenida por cuarteo. 2) La muestra se criba en las mallas especificadas, separando en charolas los retenidos correspondientes. 3) Una vez separado el material, se procederá a pesar cada porción en charolas taradas. Los pesos obtenidos deberán registrarse siguiendo el orden de tamaños. La suma de los pesos deberá coincidir con el peso de la muestra. CALCULOS Se deberá completar la tabla de análisis granulométrico, misma que contendrá el peso del material retenido en cada malla, el porcentaje retenido, el porcentaje acumulado, las sumas totales. Se recomienda preparar una gráfica de la granulometría, similar a la figura anexa, en donde también se tracen las gráficas correspondientes correspondie ntes a los límites recomendados de los porcentajes que pasan diferentes tamaños de mallas según las normas, y que se anotan a continuación.
Tamaño de malla
ASTM C 33 1½
2 1½ 1 ¾ ½ 3/8 4 8
100 95 – 100 35 – 70 10- 30 0 – 5
3/4
100 90 – 100 20 –55 0 – 10 0 – 5
1/2
100 90 – 100 40 – 70 0 – 15 0 – 5
B) ABSORCION La absorción es la cantidad de agua retenida por un material (arena ó grava), después de estar sumergido durante 24 horas, expresada como porcentaje del peso seco del material. La norma aplicable es ASTM C 127 para agregados gruesos y la C 128 para agregados finos.
ABSORCION ARENA EQUIPO
Balanza de torsión de 1 kg de capacidad y 0.1 g de sensibilidad Bandeja de lámina galvanizada Molde en forma de cono truncado, de lámina galvanizada, con dimensiones 88.9 mm de diámetro inferior y 38.1 mm de diámetro superior por 73.0 mm de altura. Pisón metálico de 336 g y de 25.4 mm de diámetro. Placa de material no absorbente Ventilador Estufa Charola de lámina galvanizada Cuchara de albañil
PROCEDIMIENTO 1) Se ponen 2 kg de arena arena en la bandeja de lámina, se añade agua hasta cubrir el material, y se deja saturar en reposo por 24 horas. 2) Se escurre el agua sobrante sobrante de la muestra. 3) Para el proceso de secado, se extiende la arena en la placa no absorbente y se coloca junto al ventilador. 4) Se remueve frecuentemente hasta considerar que sólo haya perdido el agua superficial. 5) Se llena el molde. 6) Se compacta suavemente dando 25 golpes con el pisón. 7) Se enrasa la arena al borde del molde. 8) Se levanta el molde y se observa el comportamiento de la arena moldeada. Si al quitar el molde la arena muestra una superficie plana en su cara superior, se repiten los pasos del 3 al 7 hasta que al quitar el molde la arena forme un cono. La arena formando un cono indica que se encuentra superficialmente seca. 9) Se pesan 500 g de la arena que formó el cono, y se anota este dato dato como peso de la muestra saturada y superficialmente seca, B. 10) La arena se seca en la estufa hasta lograr un peso constante, las pesadas deben hacerse estando el material frío. Entonces se anota el peso del material seco, A. CALCULOS Porcentaje de absorción absorción = 100 ( B – A ) / A ABSORCION GRAVA EQUIPO Balanza de torsión de 1 kg de capacidad y 0.1 g de sensibilidad Bandeja de lámina galvanizada Franela o toallas de papel Estufa Charola de lámina galvanizada
PROCEDIMIENTO 1) Se ponen 2 kg de material en una bandeja de lámina, se añade agua hasta cubrir cubrir el material, y se deja saturar en reposo por 24 horas. 2) Se seca la muestra superficialmente con la franela o las toallas de papel. 3) Se pesan 1000 g de material y se anota anota este dato como el peso saturado y superficialmente superficialmente seco, B. 4) La grava se seca en la estufa tantas veces como sea necesario hasta lograr un peso constante. Las pesadas deben hacerse estando el material frío. Entonces se anota el peso del material seco, A. CALCULOS Porcentaje de absorción absorción = 100 ( B – A ) / A C) HUMEDAD El contenido total de humedad es la suma de las cantidades de agua absorbida en el interior de las partículas de agregado y el agua libre en la superficie de las mismas. Existen varias técnicas para determinar la humedad en los agregados como los método por secado, con presión de gas, ó con equipo nuclear. La norma aplicable para secado en horno ó parrilla es la C 566. Cuando el contenido de humedad excede 3 ó 4% para el agregado grueso, ó excede 7 ó 9% para el agregado fino, el agua libre en los agregados tenderá a drenarse y acumularse en la parte baja de las pilas o montones de almacenamiento, siendo difícil que las muestras obtenidas sean representativas. EQUIPO
Balanza de torsión de I kg de capacidad y 0.1 g de sensibilidad Charola Brocha Cuchara de albañil Estufa
PROCEDIMIENTO 1) Se toma toma una una muestra muestra representativa del material mediante cuarteo. 2) Se pesa una cantidad de material material dependiente del tamaño del agregado. Para arena 500 g y para la grava 1000 g. Se registra el peso, C. 3) Se seca en la estufa a una temperatura de 100-110 °C °C hasta lograr un peso constante. Las pesadas se efectúan con el material frío. 4) Se pesa el material seco seco y se registra registra el dato, dato, A.
LABORATORIO DE CONCRETO ENSAYES DE AGREGADOS
ABSORCION ARENA C/TARA
MOLDE
S/TARA
PESO HUMEDO PESO SECO
ABSORCION GRAVA C/TARA
MOLDE
S/TARA
PESO HUMEDO PESO SECO
ABSORCION
HUMEDAD ARENA C/TARA
MOLDE
S/TARA
PESO HUMEDO PESO SECO
HUMEDAD GRAVA C/TARA
MOLDE
PESO HUMEDO PESO SECO
HUMEDAD NOMBRE FECHA
S/TARA
CALCULOS Porcentaje de humedad = 100 ( C – A ) / A D) DENSIDAD ( PESO ESPECIFICO ) Se denomina densidad relativa a la relación entre el peso de un volumen dado de material saturado y superficialmente seco ( arena o grava ) y el peso del mismo volumen de agua destilada a 4 °C de temperatura. Para un agregado puede hacerse la prueba con agua potable y a la temperatura ambiente. METODO DE CAMPO EQUIPO
Báscula de 125 kg de capacidad Bote vertedor de 20 lts de capacidad Charola Cucharón Probeta graduada de 1000 ml
PROCEDIMIENTO 1) Se afora el bote vertedor con agua potable. 2) Se pesan 5 kg del material saturado y superficialmente seco, A. 3) Se vierte lentamente el material evitando salpicaduras y procurando que no arrastre aire. 4) El volumen de agua desalojado, B, deberá medirse cuando termine totalmente el escurrimiento. CALCULOS Densidad = A / B METODO DE GABINETE (ARENA) EQUIPO
Balanza de torsión de 1 kg de capacidad y 0.1 g de sensibilidad Frasco LeChatellier LeChatellier Brochuelo de cerdas Recipiente de porcelana
PROCEDIMIENTO 1) Se afora con agua agua el frasco LeChatellier LeChatellier haciendo haciendo coincidir el menisco inferior inferior con la marca de ceros.
2) Se seca seca el interior del cuello del frasco. 3) Se pesan 50 g en la balanza de torsión, P. 4) En el frasco LeChatellier LeChatellier se vierten vierten los 50 g de la muestra. Esta operación se realiza realiza con el brochuelo. 5) Se toma el frasco cuidadosamente, inclinándolo levemente, se se agita mediante giros hasta expulsar totalmente el aire arrastrado por el material. 6) Se pone el frasco en posición posición vertical, y se efectúa efectúa la lectura al nivel del menisco menisco inferior. inferior . Esta lectura se anota y da da directamente el volumen, V, de la muestra introducida. CALCULOS Densidad = P / V E) PESOS VOLUMETRICOS El peso volumétrico de un material es la relación entre su peso y el volumen ocupado por el mismo, expresado en kg/m3. Hay dos valores para esta relación, dependiendo del grado de acomodo que se le haya dado al material inmediatamente antes de la prueba; la denominación que se le da a cada caso es (a) Peso volumétrico suelto, y (b) Peso volumétrico varillado. El peso volumétrico suelto (PVS) se usa invariablemente para la conversión de peso a volumen. El peso volumétrico varillado ó compactado (PVC) se utiliza en la determinación del volumen de agregado grueso por volumen unitario de concreto del método de dosificación del ACI. PESO VOLUMETRICO SUELTO ARENA EQUIPO
Báscula de 125 kg de capacidad Cucharón Medida de volumen (recipiente de fierro y cilíndrico con peso y volumen propio conocidos)
Varilla de 5/8” con punta de casquete esférico y 60 cm de longitud
Charola
PROCEDIMIENTO 1) De requerirse, se obtiene el peso y volumen de las medidas ó recipientes, recipientes, P1 y V1. V1. 2) En la medida correspondiente se vierte la arena dejándola caer con un deslizamiento continuo de una altura de más o menos 5 cm del borde de la medida, hasta que el material forme un cono natural. La medida no debe moverse durante la operación. 3) A continuación se enrasa sobre los bordes de la medida, tantas veces como sea necesario, para lograr una superficie plana, procurando no originar movimiento o vibraciones durante la operación.
4) Se pesa la medida con su contenido de arena. y se anota el peso obtenido, obtenido, P2. CALCULOS PVS = ( P2 – P1) / V1 PESO VOLUMETRICO VARILLADO ARENA En este caso el método es similar al anterior, con la excepción de que habrá que compactar el material como se indica a continuación, esto es sustituir el paso 2 anterior con un llenado de la medida en tres capas, varillando cada una de ellas con 25 golpes, teniendo cuidado de que la varilla no penetre más espesor que el de la capa que se compacta. PESO VOLUMETRICO SUELTO GRAVA EQUIPO
Báscula de 125 kg de capacidad Cucharón Medida de volumen (recipiente de fierro y cilíndrico con peso y volumen propio conocidos); el volumen de la medida depende del tamaño máximo de agregado que se ensaya. Varilla de 5/8” con pu nta de casquete esférico y 60 cm de longitud Charola
PROCEDIMIENTO 1) De requerirse, se obtiene el peso y volumen de las medidas ó recipientes, P1 y V1. 2) Se vierte la grava en la medida, dejándola caer de una manera manera uniforme hasta llenar totalmente la medida ó recipiente. 3) Se enrasa sacando todo el material que se oponga al libre movimiento del enrasador en caso de grava de tamaño pequeño, menor a 1“. Si la grava tiene mayor tamaño,
el enrase se hará a mano, tratando de que el material no sobresalga de los bordes de la medida. 4) Los espacios vacíos dejados en la operación anterior se rellenan acomodando manualmente grava sin hacer presión. 5) Se pesa la medida con su su contenido de grava, y se se anota el peso obtenido. CALCULOS PVS = ( P2 – P1) / V1
LABORATORIO DE CONCRETO ENSAYES DE AGREGADOS
PESOS VOLUMETRICOS ARENA VOLUMEN MOLDE
SUELTO
COMPACTO
PVS
PESO (C/TARA) PESO MOLDE
PVC
PESO (S/TARA)
GRAVA SUELTO
COMPACTO
PVS
PESO (C/TARA) PESO MOLDE
PVC
PESO (S/TARA)
DENSIDAD (peso especifico) ARENA PESO VOLUMEN DENSIDAD
NOMBRE FECHA
GRAVA
PESO VOLUMETRICO VARILLADO GRAVA En este caso, la única diferencia con el método anterior, consiste en sustituir el paso marcado con el número 2 por lo que se indica a continuación, y que consiste en llenar la medida con tres capas, picando cada una de ellas 25 veces, teniendo cuidado de no hacer penetrar la varilla más del espesor de la capa en que se trabaja y de no fracturar la grava.
5. PROCEDIMIENTO DOSIFICACION DEL ACI 211.1 El procedimiento de dosificación de mezclas de concreto del ACI 211.1 (Ref. 4), esto es la estimación de los pesos requeridos, comprende una secuencia de pasos lógicos y directos que se basa en las características de los materiales disponibles para obtener una mezcla apropiada para la obra. El objetivo principal del procedimiento del ACI es lograr una resistencia a la compresión preestablecida. 1) Revenimiento 2) Tamaño máximo de agregado 3) Agua de Mezclado 4) Contenido de Aire 5) Relación agua/cemento 6) Cemento 7) Agregado grueso 8) Agregado fino 9) Ajuste por por humedad y absorción 10) Mezclas de prueba No hay que perder de vista que el problema del diseño de una mezcla consiste en obtener el mejor producto al mínimo costo, empleando los materiales disponibles. En lugar de las tablas de valores presentadas en la referencia 4 se presentan ecuaciones, desarrolladas utilizando regresión lineal, que permiten programar el procedimiento en computadora. 5.1 NOMENCLATURA R T W A C f „c
P U M
Revenimiento, cm Tamaño máximo grava, mm Agua, kg/m3 Aire, % Cemento, kg/m3 Resistencia a la compresión a los 28 días, kg/cm2 Porcentaje agregado grueso, m3/m3 Peso específico concreto fresco, kg/m3 Módulo de finura arena. 5.2 ELECCION DEL REVENIMIENTO
Deben utilizarse mezclas de consistencia muy rígida que puedan colocarse eficientemente. Los revenimientos recomendables para diversos tipos de construcción dependen de la dificultad de colocación por lo estrecho de las cimbras ó por la densidad del refuerzo; en casos extremos conviene utilizar aditivos fluidifica f luidificantes. ntes. Los revenimientos revenimientos máximos, suponiendo que el concreto se compacta con vibración, serían 5 cm en concreto masivo, 8 cm en cimentaciones, pavimentos y losas, y 10 cm en trabes, columnas, y muros. Estos valores
pueden aumentarse en 2 cm cuando se utilizan métodos de compactación distintos a la vibración. El revenimiento mínimo recomendado es de 2 cm. 5.3 ELECCION DEL TAMAÑO MAXIMO DE AGREGADO Desde el punto de vista económico es conveniente utilizar el mayor TMA posible. El procedimiento descrito a continuación es más adecuado para TMA menores a 38mm (1 ½ “). Bajo ninguna circunstancia el tamaño máximo del agregado debe exceder una quinta parte de la menor dimensión entre los lados de las cimbras, de una tercera parte del peralte de las losas, ni de las ¾ partes de la separación mínima entre las varillas individuales de refuerzo. El tamaño máximo del agregado es un parámetro clave en el procedimiento ya que el contenido de agua, aire y agregados se estiman a partir de este valor. 5.4 ESTIMACION DEL AGUA DE MEZCLADO La cantidad de agua por emplearse depende del revenimiento, del tamaño máximo de agregado y del contenido de aire. Notar que la cantidad de agua se reduce con el contenido de aire.
Para concreto sin aire incluido W = 268.68 ( R 0.108 / T0.180)
Par concreto con aire incluido W = 216.07 ( R 0.115 / T0.148)
AGUA AGUA DE MEZCLADO 250 25 0 REV 4
225 22 5
REV 9
) 3 200 20 0 m / g k (
175 17 5
A U G 150 0 A 15
125 12 5 100 10 0 0
25
50
75 TMA (mm )
100
125
150
5.5 ESTIMACION DEL CONTENIDO DE AIRE El contenido de aire se ve afectado por el tamaño máximo de agregado.
Para concreto sin aire incluido A = 0.4297 / T 1.092
Para concreto con aire incluido A = 0.1774 / T 0.371
CONTENIDO AIRE 10
S/A IRE
8
E R I A T C P
C/AIR C/A IRE 6
4
2
0 0
25
50
75
10 0
12 5
150
175
TMA (mm)
5.6 RELACION AGUA/CEMENTO El objetivo principal para el que se diseña la mezcla de concreto es para lograr una cierta resistencia a la compresión a los 28 días de edad en cilindros fabricados y curados en condiciones estándar. Ya que los diferentes agregados y cementos generalmente producen resistencias distintas con la misma relación agua/cemento, es recomendable conocer o desarrollar la respectiva correspondencia para los materiales a usarse. En ausencia de tal información, pueden utilizarse las siguientes ecuaciones basadas en el modelo de Abrams :
Para concreto sin aire incluido W / C = 0.88 Log ( 1216 / f „c )
Para concreto con aire incluido W / C = 0.84 Log ( 1044 / f „c )
La resistencia promedio seleccionada debe exceder la resistencia especificada por un margen suficiente para mantener el número de resistencias bajas dentro de los límites especificados (Ref. 5). La relación agua/cemento se determina no sólo por los requerimientos de resistencia sino también por factores tales como la durabilidad y el tipo de estructura. Las relaciones agua/cemento máximas permisibles para concreto sujeto a condiciones severas es de 0.45 en estructuras expuestas al agua de mar ó a sulfatos, y de 0.50 en estructura frecuentemente húmedas y expuestas a congelación y deshielo. Estos valores deberán reducirse en 0.05 para para secciones delgadas o con recubrimientos reducidos.
LEY DE ABRAMS 450 SIN AIRE
2 400 m c / 350 k , 300 A I C 250 N E 200 T 150 S I S 100 E R 50
CON AIRE
0 0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
AGUA/CEMENTO
5.7 CALCULO DEL CONTENIDO DE CEMENTO El cemento requerido es igual al contenido estimado de agua de mezclado dividido entre la relación agua cemento. Si se especifica una cantidad mínima de cemento, o los requisitos de durabilidad lo especifiquen, habrá que utilizar el criterio que conduzca a la mayor cantidad de cemento. El peso específico del cemento CPO se considera igual a 3.15.
5.8 ESTIMACION DEL CONTENIDO DE AGREGADO GRUESO El volumen de agregado grueso, seco y compactado con varilla, para un volumen unitario de concreto sólo depende de su tamaño máximo y del módulo de finura del agregado fino, según valores empíricos obtenidos para producir concreto con un grado de trabajabilidad adecuado, y que se aproximan con la siguiente ecuación P = 0.505 + 0.295 Log T – 0.1 M Este porcentaje de volumen se convierte al peso seco del agregado grueso requerido por metro cúbico de concreto multiplicándolo por el peso volumétrico del agregado grueso, seco y compactado con varilla. El módulo de finura de la arena es igual a la suma de las relaciones acumulativas retenidas en las mallas números 100, 50, 30, 16, 8, y 4 dividida entre el número de mallas por cien; se puede considerar como un tamaño promedio ponderado. El rango de valores de módulo de finura empleado en la derivación de la ecuación presentada presentada está entre 2.4 y 3.0, por po r lo que se debe tener cuidado con extrapolar estos valores ya que puede resultar en mezclas con revenimientos inadecuados. Las mezclas de concreto diseñadas para colocarse con bomba requieren ser más trabajables, de manera que contenga suficiente pasta de cemento para reducir la fricción en la tubería. Este incremento en trabajabilidad se puede lograr incrementando el contenido de mortero y reduciendo el contenido de grava hasta en un 10%.
0.90 3 0.80 m / 3 m (
O 0.70 D A G E 0.60 R G A L O 0.50 V
MF 2.4 MF 3.0
0.40 0
25
50
75 TMA (mm (mm )
1 00
125
150
5.9 ESTIMACION DEL CONTENIDO DE AGREGADO FINO Hasta este punto se han calculado todos los ingredientes del concreto con la excepción del agregado fino. Este material se calcula por diferencia, ya sea para completar (a) el peso de un m3, ó (b) el volumen faltante para un m3. a) Por peso. Se presupone por experiencia ó con las ecuaciones presentadas a continuación, el peso de un m3 de concreto; entonces el peso del agregado fino es la diferencia entre el peso del concreto fresco y el peso de los otros ingredientes.
Para concreto sin aire incluido U = 2105 + 191.547 Log T
Para concreto con aire incluido U = 2006 + 209.061 Log T
Si se desea obtener un cálculo teóricamente más preciso del peso del concreto, se puede utilizar la fórmula presentada en la Ref. 4.
2600
2500 ) 3 m / 2400 k ( . l o V o 2300 s e P S/AIRE
2200
C/AIRE
2100 0
25
50
75
100
125
150
TMA (mm)
b) Por volumen. Un procedimiento más exacto para estimar la cantidad requerida de agregado fino se basa en el uso de los volúmenes de los ingredientes. El volumen que cualquier ingrediente ocupa en el concreto es igual a su peso dividido entre su peso específico. En este caso, el volumen de los
ingredientes se resta de 1.0 m3 para obtener el volumen de arena; multiplicando el volumen por el peso específico calculamos la arena en peso. 5.10 AJUSTES POR HUMEDAD Y ABSORCION Por lo general, los agregados están húmedos y a su peso en seco habrá que aumentarle el porcentaje de agua que contengan, tanto la absorbida como la superficial. El agua de mezclado debe reducirse en una cantidad igual a la de la humedad libre que contenga el agregado, esto es, humedad total menos absorción. En la tabla de correcciones de la hoja de cálculo presentada para el diseño de mezclas del siguiente capítulo, se puede estudiar los ajustes por humedad y absorción. 5.11 MEZCLAS DE PRUEBA Se deberán realizar mezclas de prueba para verificar el revenimiento, el contenido de aire, y la ausencia de sangrado y segregación de la mezcla del concreto fresco. Asimismo habrá que verificar el peso volumétrico y ajustar la relación agua/cemento según la resistencia obtenida en los cilindros de concreto endurecido. Esto se trata en mayor detalle en los capítulos 7 y 8.
6 HOJAS DE CALCULO PARA DOSIFICACION 6.1 METODO ACI 211.1 Se anexa una hoja de cálculo que contiene un ejemplo del procedimiento para diseñar mezclas de concreto con el método del ACI 211.1, resuelto con el programa EXCEL. En la internet se pueden obtener programas similares para el diseño de mezclas basados en el método del ACI, como el CIKS/HPC ó el del Union College.
DOSIFICACION CONCRETO DATOS f'c REV TMA MF ABSORCION HUMEDAD PVS PVC PE
300 8 GRAVA 10 0.4 0.7
k/cm2 cm ARENA mm 3 0.7 0.8 k/m3 k/m3
1700 2.65
2.68
AIRE
S/AIRE 3.5
C/AIRE 7.6
AGUA
218
199
k/m3
AGUA/CEMENTO
0.53
0.45
k/k
CEMENTO
408
438
k/m3
GRAVA/CONCRETO
0.50
0.50
m3/m3
GRAVA
850
850
k/m3
PESO CONCRETO
2297
2215
k/m3
ARENA
820
728
k/m3
AGREGADOS/CEMENTO
4.1
3.6
k/k
PROCEDIMIENTO pct
CORRECCIONES CEMENTO AGUA GRAVA ARENA
CEMENTO AGUA GRAVA ARENA ADITIVO
408 218 850 820 2297
CONCRETO S/AIRE ABSOR HUMEDAD k/m3 408 9 -13 215 -3 6 856 -6 7 827 2306
5.310 2.796 11.137 10.757 30.000
438 199 850 728 0 2215
CONCRETO C/AIRE ABSOR HUMEDAD k/m3 438 9 -12 196 -3 6 856 -5 6 734 0 2224
5.902 2.649 11.545 9.904 0.000 30.000
La hoja de cálculo presentada inicia con la declaración de los datos a utilizar en el problema como son la resistencia a la compresión y el revenimiento requerido de la mezcla de concreto y los datos obtenidos en los ensayes previos a los agregados. La nomenclatura utilizada es f´c REV TMA MF PVS PVC PE
resistencia resistenci a a la compresión del concreto revenimiento tamaño máximo de agregado módulo de finura de la arena peso volumétrico suelto peso volumétrico compacto peso específico
El procedimiento muestra los valores obtenidos empleando las ecuaciones presentadas en el capítulo anterior tanto para el concreto sin y con aire incluido. Se conserva la secuencia de pasos utilizada por el ACI 211.1. En las tablas de correcciones, para concreto sin y con aire, se ajustan los valores por humedad y absorción. En estas tablas se resume la dosificación por peso recomendada tanto por m3 de concreto como para 30 kg. de una mezcla de prueba. 6.2 DOSIFICACION POR SACO DE CEMENTO A continuación se muestran dos hojas de cálculo, una para transformar la dosificación en peso por una dosificación en botes por saco de cemento, y otra en donde se efectúa la transformación inversa de dosificación por saco y botes a dosificación por peso.
DOSIFICACION POR SACO En esta primera HC se transforma la dosificación en peso a volumen por metro cúbico de concreto, ya corregida por absorción y humedad; posteriormente el volumen se transforma a volumen suelto; y, finalmente a botes de 19 litros por saco de 50 kg de cemento. El orden de las operaciones es el de las columnas hacia de izquierda a derecha. Este tipo de dosificación es útil para obras pequeñas en donde no se pesan los ingredientes del concreto ni se utiliza concreto premezclado.
DOSIFICACION POR SACO DE CEMENTO
CEMENTO AGUA AIRE GRAVA ARENA
PESO k/m3 291 116 0 1138 878 2423
PE 3.15 1.00 2.62 2.51
VOL lts/m3 92.5 115.6 7.7 434.5 349.7 1000
PVS
VOL SUELTO lts/m3
1.0
115.6
50.0 1.0
1.5 1.3
759.0 675.2
6.9 6.1
kg botes
ANALISIS PROPORCIONAMIENTOS POR SACO En esta hoja de cálculos se transforma una dosificación dada en botes de 19 litros por saco de cemento de 50 kg en una dosificación por peso, kg/m3. Se inicia con los datos en la parte superior de la HC. El procedimiento seguido en el análisis se presenta por filas: el volumen en botes se transforma a volumen en litros, este volumen se transforma a peso utilizando el peso volumétrico suelo, PVS, para transformar a su vez el peso a volumen por metro cúbico de concreto, incluyendo el contenido de aire, utilizando el peso específico, PE. Finalmente, utilizando el PE del concreto estimado para el tamaño máximo del agregado, TMA, se obtiene el peso por m3 de concreto en proporción al volumen en litro por m3. De la relación agua / cemento se puede calcular la resistencia promedio a la compresión del concreto utilizando la ley de Abrams presentada en el capítulo en donde se explicó el método del ACI 211.1. La resistencia promedio se convierte a resistencia de diseño siguiendo las recomendaciones del ACI, en este caso reduciendo la resistencia en 85 kc/m2. Si se conocen los datos, habría que aplicar las correcciones por humedad y absorción. Importante mencionar que sin estas correcciones los resultados, como es el caso de la resistencia del concreto, pueden ser muy distintos.
CEMENTO ARENA
GRAVA
AGUA
AIRE
SUMAS
DATOS TMA PE PVS
mm 3.15
2.50 1.40
19 2.70 1.70
1.00 1.00
1 SACO
2.5 BOTE
4.5 BOTE
1.25 BOTE
50.00 15.87 129.92
47.50 66.50 26.60 217.72
85.50 145.35 53.83 440.62
23.75 23.75 23.75 194.39
17.35
285.60 120.06 1000.00
K/M3
409
544
1190
194
0
2338
W/C f cm f' c
0.475 351 266
PROPORCION
ANALISIS VOL SUELTO PESO VOLUMEN
Lts Kg Lts Lts/m3
RESULTADO
k/cm2
7. MEZCLAS DE PRUEBA Y ENSAYES Es importante entender que los pasos mencionados en los capítulos anteriores nos llevan a una dosificación preliminar misma que deberemos de corregir por tanteo y error en el laboratorio. Para propósitos de verificar la resistencia tendremos que elaborar, además de la mezcla calculada, una serie de mezclas por encima (+0.05) y por debajo (-0.05) de la relación W/C establecida teóricamente. Para cada mezcla se efectuarán los siguientes ajustes al proporcionamiento a) Revenimiento. Si el revenimiento de la mezcla de prueba no fue el correcto, se aumenta o disminuye la cantidad de agua en 2 kilos / m3 por cada centímetro de aumento o disminución del revenimiento requerido. b) Aire. Si no se obtuvo el contenido deseado de aire, para concreto con aire incluido, se estima nuevamente el contenido de aditivo. c) Se calculan los nuevos pesos de la mezcla para el nuevo contenido de agua. d) Se obtiene el peso unitario unitari o del concreto. concreto. 7.1 CONCRETO FRESCO A) ELABORACION MEZCLA EQUIPO Bandejas de lámina galvanizada Báscula de 125 kg de capacidad Guantes de hule Lienzo húmedo Probetas graduadas Cronómetro Cucharón Cemento Grava Arena Agua
PROCEDIMIENTO 1) Se pesan cada cada uno de los materiales y se colocan en bandejas separadas hasta su mezcla.
2) Se mide en las probetas graduadas la cantidad de agua necesaria según la proporción calculada. 3) En una bandeja, previamente humedecida con un lienzo mojado, se se vierte la arena , se extiende y sobre ella se vierte el cemento. 4) Se hace la mezcla homogénea, lo cual se conoce conoce por el color uniforme del conjunto. 5) Se extiende la mezcla de arena y cemento y se vierte sobre ella el agregado grueso. 6) Se mezclan en seco perfectamente los materiales. 7) La mezcla se dispone con una una oquedad en el centro para verter en ella el agua de mezclado. 8) Se vierte la totalidad del agua y a partir de ese momento se toma el tiempo con el cronometro. 9) Se mezcla y uniformiza a mano mano durante dos minutos. 10) Al terminar el mezclado se verifica el revenimiento de la mezcla. Se anota el dato. 11) Si Si el revenimiento obtenido obtenido es menor al especificado, se vuelve a extender la mezcla en la charola con una oquedad en el centro. 12) Para lograr que la mezcla de la consistencia consis tencia requerida se le harán adiciones sucesivas de lechada con relación agua/cemento igual a lo especificado. Esta operación se efectúa colocando el cemento en la oquedad y añadiendo el agua correspondiente. 13) Se hace uniforme unif orme la mezcla durante dur ante un minuto minut o más y se vuelve a medir el revenimiento. Se anota el nuevo dato. 14) Si hay necesidad de un nuevo aumento de cemento y agua y el tiempo de mezcla ha excedido de 4 minutos, se volverá a iniciar la operación con nuevos materiales. B) REVENIMIENTO La consistencia es una de las formas de calificar la trabajabilidad de un concreto y que se pretende determinar con pruebas como la llamada revenimiento, el cual no es otra cosa que el asentamiento que presenta una mezcla fresca al retirarse el molde en que inicialmente se le había colocado; es decir, la diferencia de altura entre el molde y la que adquiere la mezcla después de quitarlo, determina el revenimiento. El revenimiento varía especialmente en función de la cantidad de agua adicionada a la mezcla, misma que actúa como lubricante entre las partículas que integran el concreto; por lo tanto, el revenimiento indica la facilidad ó dificultad tanto para el manejo como para segregarse que tiene una mezcla dada. El revenimiento también se ve afectado por el contenido de aire y por los aditivos dispersantes. EQUIPO
Cono truncado de lámina galvanizada de 20 cm de diámetro en la base inferior y de 10 cm de diámetro en la parte superior, y de 30 cm de altura, provisto de asas y orejas para sujetarlo durante la prueba. Cucharón Bandeja Placa que opera como superficie plana, rígida y no absorbente
LABORATORIO DE CONCRETO CONCRETO FRESCO
DISEÑO DE MEZCLAS DOSIFICACION MEZCLA
C
W
Gr
Ar
CARACTERISTICAS TOTAL
W/C
PU
R
OBSERVACIONES
COMENTARIOS
NOMBRE
FECHA Varilla de fierro de 5/8” de diámetro por 60 cm de longitud
Guantes de hule Escala graduada en mm
PROCEDIMIENTO 1) La mezcla de concreto fresco que va a servir para la prueba, se uniformiza mezclándola con un cucharón. 2) Se coloca el molde cónico sobre la placa, sujetándolo pisando las orejas con los pies.
3) Con el cucharón, se se vierte el concreto fresco fresco en el interior del molde, hasta ocupar ocupar una tercera parte de su volumen. 4) Se apisona 25 veces en en toda la superficie. 5) El cono deberá llenarse en tres capas, las cuales se llenan y apisonan como se indicó en los pasos 3 y 4, teniendo cuidado de no penetrar la capa anterior en más de 2.5 cm. 6) Terminando el llenado, se enrasa con la misma varilla y se retira toda la mezcla que haya caído exteriormente. 7) Inmediatamente después de la operación anterior anterior se quita el molde, para lo cual debe sujetarse por sus asas; se quitan los pies de las orejas y se tira hacia arriba verticalmente y de manera continua. 8) Se coloca el molde a un lado de la muestra de concreto y empleando la varilla varilla y la escala graduada se toma la diferencia de altura. Si la superficie del concreto es muy irregular, deberán tomarse tres lecturas sobre uno de los diámetros y promediar. C) AIRE INCLUIDO Aunque existen tres métodos para medir el contenido de aire incluido en el concreto fresco, método gravimétrico, método volumétrico y método de presión, emplearemos para nuestros propósitos el primero de ellos. El método gravimétrico se basa en comparar el peso específico del concreto fresco con aire incluido con el peso específico calculado del concreto sin considerar el aire pero con las mismas proporciones del resto de los ingredientes. El contenido de aire se determinaría por diferencia entre los pesos específicos así obtenidos. 7.2 CONCRETO ENDURECIDO A) ELABORACION CILINDROS DE PRUEBA EQUIPO
Moldes cilíndricos Grasa lubricante
Varilla de 5/8” por 60 cm
Bandejas Cucharón Cuchara de albañil Lienzo ó papel húmedo Cubetas de 20 lts con agua Cal
PROCEDIMIENTO Colocación y compactación. 1) Se limpian y engrasan los moldes cilíndricos.
2) Se coloca un molde en un sitio plano donde no se produzcan vibraciones y pueda permanecer sin ser movido durante 24 horas. 3) El molde se llenará en tres tres capas. Se vierte el concreto concreto en el molde hasta hasta que llenar la tercera parte de su volumen. Procurar que cada cucharada de concreto se deposite en distinta dirección. 4) La capa se compactará con la varilla picando 25 veces consecutivas en toda la superficie del concreto, cuidando que la varilla no penetre más de 2.5 cm en la capa anteriormente compactada. 5) Después de compactar la tercera capa, se adiciona una pequeña cantidad de concreto con la cuchara y se enrasa el borde del molde, alisando la superficie. 6) El molde deberá permanecer inmóvil durante 24 horas, y se protegerá la superficie con un lienzo ó papel húmedo cuando haya desaparecido el agua superficial del concreto. El cilindro deberá identificarse con alguna etiqueta. Descimbrado. 7) A todos los especimenes se les quitará el molde a las 24 24 horas después de su colado; para ello se tendrá cuidado de no lastimar el espécimen, evitando golpearlo en la operación. 8) Una vez quitado el molde del espécimen, se marcará en una de las las bases como en la superficie cilíndrica, con la identificación que le corresponda (clave y fecha de colado); al mismo tiempo se anotarán estos datos en los registros adicionales de que se disponga, completándolos con la edad de prueba y la fecha de ejecución. Curado. 9) El agua en en las cubetas de 20 litros, se satura con la cal. 10) Acto continuo el espécimen se protegerá de la pérdida de humedad colocándolo en inmersión de agua en las cubetas. 11) El espécimen permanecerá en curado hasta el momento de su prueba. B) RESISTENCIA CABECEADO CILINDROS EQUIPO
Aparato para cabecear con placa maquinada Grasa para lubricar Cincel Martillo de cabeza de hule Cuchara de albañil Azufre en polvo Arcilla cribada por la malla No. 50 Recipiente para fundir azufre Estufa Nivel Cepillo de alambre
PROCEDIMIENTO Preparación de la mezcla de azufre 1) Tres partes de azufre en polvo por una de arcilla cribada constituyen los elementos para la elaboración de la mezcla. 2) La mezcla se calienta entre 175 y 200 °C para fundirla de manera que se logre una una apariencia viscosa y espumosa; para el cabeceo deberá dejarse enfriar un poco hasta que disminuya su viscosidad quedando más fluida y desaparezca la espuma. 3) La mezcla puede recalentarse repetidas veces. Preparación cilindros 4) Se retiran los cilindros de las cubetas donde están inmersos. 5) Los cilindros se secan superficialmente. 6) A las bases se se les quitará la costra natural de pasta mediante mediante piquetes con cincel a una profundidad no mayor de 1.5 mm, con el objeto de lograr una superficie rugosa que se adhiera mejor con la mezcla de azufre. 7) Después de picarse las superficies de las bases, se cepillan con un un cepillo de alambre para eliminar el polvo y las partículas sueltas. 8) Una vez limpio el cilindro cilindro se pesa, pesa, y miden varios varios diámetros y alturas. alturas. Los datos se promedian y se registran. Cabeceo 9) Se coloca la placa maquinada, debidamente engrasada, en el equipo para cabecear. 10) Se vierte en ella la mezcla fundida hasta llenar la depresión central. 11) Inmediatamente Inmediatamente y antes de que cristalice la mezcla, se coloca el cilindro presionándolo contra la placa y dejando enfriar la mezcla. 12) Se golpea ligeramente la placa con el martillo para despegar de ella la mezcla de azufre. 13) Cerciorarse si la lámina de mezcla de azufre es compacta y está íntimamente ligada a la base del cilindro. 14) Se repiten las operaciones para el empareje de la base opuesta. ENSAYE A COMPRESION EQUIPO
Máquina de compresión
PROCEDIMIENTO 1) Se limpia y engrasa la máquina. 2) El espécimen debe colocarse bien centrado en la plataforma de la máquina de compresión. 3) Verificar Verifica r que la carátula de la máquina de compresión marque ceros. 4) Se hace funcionar la máquina de modo que la cabeza de carga se aproxime lentamente al cilindro hasta encontrar apoyo completo. 5) Se va aplicando la carga uniformemente, a razón de 25,000 kg/minuto, hasta la falla del espécimen.
6) La carga total necesaria para ocasionar la falla del espécimen debe ser registrada y expresarse como resistencia unitaria en kg/cm2. CALCULOS f „c = P / A
LABORATORIO DE CONCRETO CONCRETO FRESCO
DISEÑO DE MEZCLAS DOSIFICACION MEZCLA
C
W
Gr
Ar
CARACTERISTICAS TOTAL
W/C
PU
COMENTARIOS
NOMBRE
FECHA
R
OBSERVACIONES
8. ANALISIS RESULTADOS DE ENSAYES
A continuación se efectúa el diseño y el análisis de una dosificación de concreto para una resistencia y un revenimiento determinados. A partir de los datos de los materiales, se presenta el diseño teórico de la mezcla, así como los resultados de los ensayes a las mezclas de ajuste que se elaboraron en laboratorio. Esta información se analiza con el propósito de aproximar la dosificación de concreto inicial obtenida teóricamente a la dosificación final.
El análisis presentado incluye El ajuste del contenido de agua de la mezcla para lograr el revenimiento El cálculo del peso específico del concreto La determinación del contenido de aire de la mezcla La definición de la relación agua/cemento para lograr la resistencia La obtención de valores para el desarrollo de la resistencia con la edad
8.1 DATOS MATERIALES El cemento utilizado fue del tipo CPC 30 R, de la marca Apasco, empacado en saco de 50 kgs. El peso específico del cemento obtenido en laboratorio fue de 2.815. Notar que este valor es distinto al PE de 3.15 recomendado en la literatura técnica para el cemento Pórtland. Los resultados de los ensayes previos efectuados a los agregados se resumen en la siguiente tabla. El procedimiento para evaluar dichos ensayes se comentó en un capítulo anterior.
AGREGADOS
TMA MF ABSORCION HUMEDAD PVS PVC PE
GRAVA 19 mm 1.52 % 2.10 % 1.530 ton/m3 1.710 ton/m3 2.65
ARENA 2.48 4.20 % 7.50 % 1.189 ton/m3 1.400 ton/m3 2.53
DOSIFICACION PRELIMINAR El objetivo es obtener un concreto sin aire incluido con resistencia a la compresión a los 28 días, f´c, de 250 kg/cm2 y con un revenimiento de 6 cms. El valor de la resistencia a la compresión del concreto es un valor promedio y no un valor de resistencia especificada para diseño estructural. La dosificación de la mezcla fue obtenida con el método ACI 211.1 empleando la hoja ce cálculo presentada en el capítulo anterior. kg 1.970 3.950 13.810 10.270 30.000
W C GR AR
k/m3 154.3 309.4 1081.8 804.5 2350
El contenido de aire calculado es de 1.72 %. MEZCLAS LABORATORIO Se efectuaron tres mezclas de concreto con distintas relaciones de W/C. En la tabla anexa se presentan las adiciones de agua y cemento que se efectuaron en el laboratorio para lograr el revenimiento requerido. Si el revenimiento revenimiento de la mezcla de prueba no fue el correcto, se aumenta o disminuye la cantidad de agua en 2 kilos / m3 por cada centímetro de aumento o disminución del revenimiento requerido.
MEZCLA I
II
III
C 4.31 0.364 0.364 0.364 5.402 3.95 0.326 0.326 0.326 4.928 3.65 0.302 0.302 0.302 4.556
W 1.99 0.2 0.2 0.2 2.59 1.97 0.197 0.197 0.197 2.561 1.96 0.196 0.196 0.196 2.548
GR 13.82
AR 9.88
30.00
W/C 0.55
13.82 13.81
9.88 10.27
31.69 30.00
0.6
R 0.7 0.9 3.9 7.2
2.5 6.5 13.81 13.81
10.27 10.58
31.57 30.00
0.65 1.0 6.0
13.81
10.58
31.49
8.2 MODIFICACIONES AJUSTE CONTENIDO DE AGUA POR REVENIMIENTO Se graficaron pares de valores de cantidad de agua y revenimiento. A estos valores se ajusta una línea de tendencia utilizando el programa Excel como se muestra en la figura. 8.0 y = 0.0006x 9.8521 R2 = 0.95
7.0 m6.0 c , o t 5.0 n e 4.0 i m i n 3.0 e v e 2.0 R
1.0 0.0 1.800
2.000
2.200
2.400
2.600
Cantidad de agua, lts
W 1.990 2.156 2.190 2.364 2.390 2.548 2.561 2.590
R 0.70 1.00 0.90 2.50 3.90 6.00 6.50 7.20
R (cm) W (lts)
6.0 2.547
2.800
Empleando la ecuación de tendencia desarrollada, se obtuvo la cantidad de agua necesaria para lograr el revenimiento requerido. En seguida se presenta el ajuste a la mezcla II, aunque dicho ajuste aplica a todas las mezclas.
W C GR AR
k/m3 2.561 4.928 13.810 10.270 31.569
0.014 0.024
k/m3 2.547 4.904 13.810 10.270 31.531
En teoría cada mezcla debió de ajustarse independientemente y haber elaborado las mezclas de los cilindros de ensayes con esa nueva dosificación.
AJUSTE RELACION W/C POR RESISTENCIA Se elaboraron pares de cilindros de concreto para efectuar ensayes de resistencia a la compresión a la edad de 7 días para cada mezcla, y un par adicional para el ensaye a los 28 días de la mezcla I. Los resultados de los ensayes se presentan en la siguiente tabla.
RESISTENCIA A LA COMPRESION área volumen
176.715 5.301
cm2 lts
ESPEC
W/C
PESO
PU
EDAD
CARGA
f'c
IA IB
0.55
12.55 12.59
2367 2375 2371
7 7
40000 36100
226 204 215
IIA IIC
0.60
12.50 12.55
2358 2367 2363
7 7
30050 34160
170 193 182
IIB IID
0.60
12.40 12.50
2339 2358 2348
28 28
43250 43250 40100
245 227 236
IIIA IIIB
0.65
12.46 12.48
2350 2354 2352
7 7
27900 28200
158 160 159
Se graficó la relación W/C contra la resistencia a la compresión a los 7 y a los 28 días. Los valores empleados para la resistencia de las mezclas I y III a los 28 días son estimados. De esta gráfica se obtiene la relación W/C que se necesita para lograr la resistencia requerida. f'c W/C
250 0.583
k/cm2
290
2 270 m c / k , 250 n o [ i s e r 230 p m o 210 c 210 a a i c 190 n e t s i s 170 e R
y = 94.319x -1.8078 R2 = 0.9987
150 0.54
0.56
0.58
0.60
0.62
0.64
0.66
Re lación W / C
DOSIFICACION FINAL Se ajusta nuevamente el proporcionamiento para modificar el contenido de cemento en función de la relación agua/cemento que se derivó de los ensayes de compresión. Esta dosificación deberá resultar en una mejor aproximación al revenimiento y la resistencia requeridos. El carácter aleatorio del problema no permite una solución definitiva. kgs A W C GR AR W/C
2.941 4.904 13.526 9.553 30.924
2.941 5.042 13.526 9.553 31.062
0.600
0.583
ABS
HUM
0.607
-1.001
-0.206 -0.401
0.284 0.717
k/m3 2.547 5.042 13.810 10.270 31.669
189.4 382.3 1025.7 724.5 2355.5
El peso específico del concreto teórico fue de 2350 valor muy aproximado al obtenido en laboratorio de 2355 k/m3.
8.3 DETERMINACION DEL CONTENIDO DE AIRE Verificamos el contenido de aire de la mezcla utilizando el peso de los cilindros elaborados en laboratorio para el cálculo del peso específico del concreto El volumen de cada material en la mezcla se obtiene de la relación del peso entre el peso específico. Asimismo se obtiene el volumen total de los datos recabados en el laboratorio. La diferencia de volumen observada entre este último valor y el obtenido de la suma de los valores parciales de los materiales corresponde al volumen de aire. Si no se obtuvo el contenido deseado de aire, para el caso de un concreto con aire incluido, se estima nuevamente el contenido de aditivo.
A W C GR AR
k/m3
ABS
HUM
k/m3
PE
2.547 4.904 13.810 10.270
0.607
-1.001 -1. 001
-0.206 -0.401
0.284 0.717
2.941 4.904 13.526 9.553
1.000 2.815 2.650 2.530
30.924
2.355
31.531
lts 0.432 2.941 1.742 5.104 3.776 13.563 13.131
lts/m3 30.8 210.1 124.5 364.7 269.8 1000.0
En el caso específico que se analiza, el aire representa un 3.08% en volumen. Este valor es mayor al contenido mínimo requerido de un 2%. 8.4 DESARROLLO RESISTENCIA CON LA EDAD Se compara el desarrollo de resistencia de cada una de las tres mezclas elaboradas en el laboratorio con la edad. Se incluyen los valores calculados con el modelo teórico propuesto en el capítulo 2 para un concreto de f´c de 250 k/cm2 elaborado con un cemento de resistencia rápida. SEGUN MODELO TEORICO EDAD fc fc/f'c 0 0 0.00 3 166 0.66 7 199 0.80 14 226 0.90 28 250 1.00
Los valores de resistencia a la compresión obtenidos a los 7 días para cada una de las tres mezclas de concreto fueron fueron 215, 182 y 159 k/cm2. Para la resistencia a los 28 días sólo se tiene el valor de la mezcla II, II, de 236 k/cm2, con el que se obtiene un valor fc / f´c de 0.77 similar al valor teórico de 0.80. 8.5 COMENTARIOS Los resultados obtenidos en esta práctica indican que el método de diseño de mezclas requiere modificarse para incluir cementos distintos al CPO como es el caso del CPC. El PE del cemento resultó menor al utilizado en la literatura. Se observó un mayor requerimiento de agua de mezclado para lograr el revenimiento requerido. El consumo de cemento es mayor al esperado. La resistencia obtenida es menor que la proyectada. La resistencia especificada para este concreto sería de 180 k/cm2. En el capítulo siguiente se presentan las razones de tal recomendación.
300
2 m250 c / k , n ó i 200 s e r p m o 150 c a l a a 100 i c n e t s 50 i s e R
mezcla I mezcla II mezcla III curva teorica
0 0
5
10
15
20
Edad concr e to, días
25
30
9 CONTROL DE CALIDAD El calculista, el constructor, y el propietario se interesan porque la calidad del concreto en una estructura cumpla las propiedades asumidas en el proyecto y los requerimientos establecidos para la construcción. El control de calidad es una actividad que coadyuva en todo el proceso de diseño y construcción con concreto para lograr los objetivos establecidos. Ensayes destructivos y no destructivos se efectúan en muestras representativas del concreto ó en el concreto ya colocado. El ensaye comúnmente empleado para evaluar la calidad de un concreto es la resistencia a la compresión en cilindros de concreto de 30 x 15 cm de 28 días de edad fabricados y curados bajo condiciones estándar. Casi todas las propiedades del concreto endurecido se han correlacionado con este parámetro. Para el control de la mezcla trataremos dos situaciones. a) Como se obtiene obtiene la resistencia resistencia de diseño de la mezcla mezcla dada la resistencia resistencia requerida según los cálculos. b) Como analizar los resultados de ensayes para determinar si la resistencia promedio es adecuada. Los procedimientos estadísticos son una importante herramienta para definir la resistencia de diseño y para evaluar los resultados de las pruebas de resistencia. 9.1 RESISTENCIA DE DISEÑO DE LA MEZCLA Hay que definir la resistencia de diseño (ó resistencia requerida) para la dosificación de una mezcla de tal manera que se cumpla una probabilidad predeterminada de obtener valores inferiores a la resistencia resistencia especificada. La resistencia de diseño de la mezcla deberá ser mayor que la especificada en el cálculo estructural. Si conocemos la desviación estándar esperada y la probabilidad de falla aceptable, y suponemos que aplica una distribución normal para los resultados de ensayes de compresión, entonces f´cr = f‟c + K S
donde f‟cr es la resistencia promedio requerida de diseño de la mezcla; f‟c es la resistencia especificada;
S K
es la desviación estándar; y es un coeficiente que depende de la probabilidad de de falla aceptada.
El análisis propuesto, en el cual se presupone una distribución normal, aunque estadísticamente correcto, no opera con concretos de baja resistencia cuyos resultados difieren de tal distribución. Las recomendaciones del ACI aplican para concretos con f´c > 175 k/cm2. (Ref. 10).
9.1.1 PROPORCIONAMIENTO CON BASE EN EXPERIENCIA DE CAMPO Y EN MEZCLAS DE CONCRETO En caso de contar con ensayes previos, el procedimiento a seguir es obtener primero la desviación estándar, S, de estos ensayes para proceder a la determinación de la resistencia requerida, requerida, fcr. DESVIACION ESTANDAR Dependiendo del número de pruebas en los registros utilizados para determinar la desviación estándar, se le aplicará el siguiente factor de modificación a este valor
No. de pruebas
Factor de modificación
-15 15 20 25 +30
emplear tabla de f´c 1.16 1.08 1.03 1.00
RESISTENCIA PROMEDIO REQUERIDA La resistencia promedio requerida, fcr, debe ser la mayor de las obtenidas en las siguientes ecuaciones f‟c
fcr
-350
f‟c + 1.34 S (f‟c – 35) + 2.33 S
+350
f‟c + 1.34 S 0.9 f‟c + 2.33 S
Si analizamos las dos ecuaciones presentadas en la tabla, para concretos con f‟ c<350 k/cm2, observaremos que la primera de ellas rige para valores de desviación estándar, S, menores o iguales a 35, mientras que la segunda ecuación rige para valores mayores a 35. En el caso de concretos con f‟c>350 k/cm2, la primera de las ecuaciones mostra das rige para valores de S<0.10 f‟c, y la segunda para valores de S> 0,10 f‟c.
9.1.2 DOSIFICACION DE CONCRETO SIN EXPERIENCIA PREVIA En caso de no llevar registros de pruebas de resistencias, o tener menos de 15 registros, se aplicará la siguiente tabla de valores de resistencia
f´c
fcr
- 200 200 a 350 + 350
f´c + 70 f‟c + 85 1.1 f‟c + 50
PROPORCIONAMIENTO POR MEDIO DE LA RELACION W/C Cuando no se dispone de datos se puede basar el proporcionamiento en los siguientes valores de relación agua cemento (W/C)
W/C f´c 175 210 245 280 315 350
Sin aire
Con aire
0.67 0.58 0.51 0.44 0.38 *
0.54 0.46 0.40 0.35 * *
Además, hay que cumplir los requisitos para condiciones especiales de exposición establecidos en el ACI. 9.2 CONTROL DE ENSAYES Para prevenir las variaciones en los resultados de ensayes y como parte del proceso de control de calidad en la construcción con concreto, una de las actividades importantes de un laboratorio es llevar un registro continuo y ordenado de los resultados de las pruebas y efectuar un análisis estadístico de los mismos.
FRECUENCIA DE PRUEBAS Una prueba de resistencia es el promedio de la resistencia de 2 cilindros hechos de la misma muestra de concreto. Las muestras para las pruebas de resistencia deben tomarse por lo menos a) b) c)
una vez cada día, o cada 120 m3 de concreto, o cada 500 m2 de superficie de losas y muros.
Si el volumen es menor a 40 m3 se podrán omitir las pruebas de resistencia cuando se tenga evidencia de resistencia satisfactoria. ESPECIMENES CURADOS EN LABORATORIO Un concreto será considerado satisfactorio si cumple con los dos requisitos siguientes a) El promedio de tres pruebas consecutivas es igual o superior a fcr. b) Ninguna prueba individual es menor que f´c – 35 para f‟c < 350 k/cm2. ESPECIMENES CURADOS EN CAMPO La resistencia de cilindros de campo no será inferior al 85% de la resistencia de cilindros compañeros curados en laboratorio.
10 CONCLUSIONES En este reporte se presenta de manera sistematizada el procedimiento de diseño de mezclas de concreto para aproximar un proporcionamiento teórico, mediante ajustes de laboratorio a la dosificación definitiva. Aunque, se hace énfasis en el carácter aproximado de los resultados obtenidos por cualquier método de diseño de mezclas. Se resume información básica sobre el concreto y sus materiales constituyentes. Se hace una descripción simplificada de los ensayes previos requeridos para caracterizar los materiales y así obtener los datos que se utilizarán en el procedimiento de diseño. El procedimiento teórico adoptado es el del ACI 211.1. Las tablas del procedimiento de este método fueron transformadas en ecuaciones empleando técnicas de regresión lineal. Las ecuaciones permiten desarrollar una hoja de cálculo que simplifica el cómputo de mezclas de concreto. Asimismo, se presentan otras hojas de cálculo que permiten la transformación de un proporcionamiento en peso a otro proporcionamiento en botes por saco de cemento, y viceversa. Se efectúa el análisis de los resultados obtenidos en mezclas de prueba efectuadas en el laboratorio para un concreto determinado, y con ello explicar como se ajusta un proporcionamiento teórico inicial para lograr el revenimiento, la resistencia y el contenido de aire requeridos. En un ejemplo típico de una practica de laboratorio académica, se obtuvieron resultados que corroboran la necesidad necesidad de modificar el método de diseño de mezclas del aci 211.1 para incluir otros cementos distintos al CPO. Para considerar el efecto del desarrollo de la resistencia a la compresión con la edad se propone un modelo teórico para concretos de resistencia normal y resistencia rápida. Se comentan las técnicas estadísticas necesarias para (1) obtener la resistencia de diseño de una estructura de modificar la resistencia promedio en función del carácter aleatorio del problema, y (2) analizar los resultados de ensayes para verificar que la resistencia a la compresión sea la adecuada.
REFERENCIAS
1. Neville, A.M., Tecnología del Concreto, Tomos I y II, IMCYC, 1977. 2. ACI, Cartilla del Concreto (aci-sp-1), (aci-sp- 1), IMCYC, 1974. 3. ACI, Selección y empleo de agregados para concreto(aci 621), IMCYC,1965 4. ACI, Práctica recomendable para dosificar concreto concreto normal y concreto pesado (aci 211.1-91) 211.1 -91) 5. ACI, Práctica recomendable para para la evaluación de resultados de las pruebas de resistencia de concreto (aci 214-77), IMCYC, 1978. 6. Secretaría de Recursos Hidráulicos, Instructivo Instructi vo para Concreto, México, 1967. 7. Annual Book of ASTM Standards. 8. Normas DGN 9. CFE, Manual de Tecnología Tecnología del Concreto, Instituto de Ingeniería, LIMUSA, 1997. 10. ACI, Reglamento para Construcciones de Concreto Estructural (aci 318.05).
APENDICE
NORMAS CONCRETO - ONNCE
NMX-C-414-1999-ONNCCE NMX-C-414-19 99-ONNCCE
Cementos hidráulicos hidráulico s - Especificaciones Especificaci ones y métodos de prueba
NMX-C-122-1982 NMX-C-122-19 82
Agua para concreto
NMX-C-111-1998
Concreto – Agregados – Especificaciones
NMX-C-299-1987 NMX-C-299-19 87
Concreto estructuralestructural - Agregados ligeros
NMX-C-251 -1997
Concreto - Terminología
NMX-C-155-1987 NMX-C-155-19 87
Concreto hidráulico – Especificaciones
NMX-C-161-1987-ONNCCE NMX-C-161-19 87-ONNCCE
Concreto fresco – Muestreo
NMX-C-156-1997-ONNCCE NMX-C-156-19 97-ONNCCE
Determinación Determinaci ón del revenimiento en el concreto fresco
NMX-C-157-1987 NMX-C-157-19 87
Determinación del contenido de aire del concreto fresco por el método de presión
NMX-C-162-2000-ONNCCE NMX-C-162-20 00-ONNCCE
Determinación de la masa unitaria, cálculo del rendimiento y contenido de aire del concreto fresco por el método gravimétrico
NMX-C-159-1985 NMX-C-159-19 85
Concreto - Elaboración y curado en el laboratorio de especímenes
NMX-C-160-1987 NMX-C-160-19 87
Elaboración y curado en obra de especímenes de concreto
NMX-C-109-1997-ONNCCE NMX-C-109-19 97-ONNCCE
Concreto - Cabeceo de especímenes cilíndricos cilíndrico s
NMX-C-083-1997-ONNCCE NMX-C-083-19 97-ONNCCE
Determinación de la resistencia a la compresión de cilindros de concreto
NMX-C-128-1997-ONNCCE NMX-C-128-19 97-ONNCCE
Concreto sometido a compresión - Determinación del módulo de elasticidad estático y relación de Poisson
NMX-C-169-1996-ONNCCE NMX-C-169-19 96-ONNCCE
Obtención y prueba de corazones y vigas extraídos de concreto endurecido
