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FUNDAMENTOS DEL CONCRETO APLICADOS A LA CONSTRUCCION Ing. Ricardo Matallana Rodríguez Instituto Colombiano de Productores de Cemento – ICPC

FUNDAMENTOS DEL CONCRETO APLICADOS A LA CONSTRUCCION Ing. Ricardo Matallana Rodríguez ICPC

El presente documento ha sido elaborado siguiendo estrictos cánones metodológicos y de control dirigidos a asegurar su idoneidad como aporte a la reflexión técnica y académica. Su publicación se dirige a exponer una opinión profesional que se estima razonable. El uso que de su contenido se haga en procesos en procesos de diseño o construcción particulares será responsabilidad exclusiva de las personas que tengan a bien tomarlas en consideración

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INTRODUCCION Sin lugar a dudas, por su versatilidad, resistencia, durabilidad, por la facilidad para conseguir los materiales componentes, tradición constructiva, y su relativa facilidad para su elaboración, el concreto es el material de construcción más utilizado no sólo en Colombia sino en todo el mundo. Se usa en las obras más pequeñas, en donde apenas si cumple funciones secundarias, hasta en las obras más espectaculares de ingeniería y arquitectura, en donde juega papel fundamental. En el diario vivir de los profesionales de la construcción y el diseño, de una u otra forma se tiene que ver con el material. No obstante, a pesar de esa convivencia en muchas ocasiones su falta de conocimiento hace que su uso y recomendaciones no sean las mejores. El presente documento pretende reseñar los conceptos más importantes relacionados con el concreto y su tecnología aplicable a la construcción. En una primera parte se estudian los materiales que lo componen haciendo énfasis en sus características más importantes. En una segunda parte, se hace referencia a las propiedades del concreto en sus estados fundamentales (fresco y endurecido). En una tercera parte se sugieren algunos métodos para el diseño de mezclas. Lo anterior se complementa con un capítulo dedicado a los procesos de producción, manejo, colocación, compactación y terminado del concreto, finalizando con un capítulo dedicado al proceso de curado.

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1. GENERALIDADES DEL CONCRETO 1.1. ALCANCE En este primer Capítulo se presentan algunos conceptos básicos generales claves para la introducción a la tecnología. Dentro de los temas tratados figuran: Conceptos básicos, funciones de los componentes, ventajas frente a otros materiales de construcción, recuento histórico, características, y clasificación del concreto. 1.2. DEFINICIONES 1.2.1. Concreto El general, el concreto se puede definir como una masa heterogénea constituida básicamente por agregados, cemento Pórtland, agua, aire y algunas veces aditivos, que en estado plástico se le puede dar cualquier forma y una vez endurece tiene la característica de resistir esfuerzos mecánicos en especial los de compresión y de ser durable con el tiempo. Es de resaltar que el término concreto es un anglicismo de concrete, el cual se adoptó en Colombia (y en general en Latinoamérica) básicamente por la marcada influencia de los textos norteamericanos. De hecho, la Real Academia Española lo cita como americanismo pero no lo acepta como sinónimo de hormigón. En realidad, el término castizo que hace referencia al material de construcción es hormigón, dado que se refiere a la mezcla que se le puede dar la forma que se quiera. El término hormigón tiene una connotación histórica anterior a la llegada de los Romanos a la Península, no obstante figura en el Diccionario desde 1516. El término concreto se comenzó a usar en 1834. Dado que hoy día la Real Academia Española acepta el término como sinónimo de hormigón, y por razones de arraigo en la jerga de la construcción en Colombia, en lo sucesivo se usará concreto para referirse al material. Los agregados (del anglicismo aggregates) o áridos, en general constituyen el material de relleno; están compuestos por una parte fina y por otra gruesa. AI agregado fino comúnmente se le conoce como arena y al agregado grueso como grava o piedra triturada. La diferencia entre arena y grava se ha establecido en forma conveniente y arbitraria

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tomando como base su tamaño. En general, la arena es aquella cuyo diámetro es inferior a 5 mm, mientras que la grava es aquella superior a éste. El cemento Pórtland es el pegante hidráulico, es decir, el material que en determinadas condiciones es capaz de fraguar y endurecer con el transcurso del tiempo, uniendo a los otros materiales heterogéneos (agregado grueso y fino). En particular, el cemento Pórtland se endurece al entrar en contacto con el agua (proceso de hidratación) lo que da lugar a una acción inicial de fraguado (reacción química), que a su término convierte la masa plástica de concreto fresco en una masa endurecida resistente a los esfuerzos mecánicos, especialmente a los de compresión. El aire atrapado es aquel que queda inevitablemente dentro de la mezcla durante los procesos de mezclado y colocación del concreto dentro de la formaleta. El aire incluido es aquel introducido a propósito a la mezcla por medio de un aditivo o un cemento especial, con el fin de proporcionarle ciertas características especiales al concreto. En general, los aditivos son sustancias químicas diferentes al cemento, los agregados y al agua, que eventualmente son añadidas a la mezcla para modificar algunas de sus características. 1.2.2. Pasta de cemento A la mezcla de cemento Pórtland, agua, aire (naturalmente atrapado o introducido a propósito) y aditivos (cuando se utilizan), se le conoce como PASTA DE CEMENTO. 1.2.3. Mortero Así mismo, a la mezcla de pasta de cemento y arena se denomina MORTERO. 1.2.4. Lechada de cemento Es la mezcla de cemento más agua y eventualmente aditivos, en donde la participación de agua es notoria (pasta muy diluida).

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1.2.5. Manejabilidad o trabajabilidad Se refiere al grado de facilidad o dificultad de una mezcla en estado fresco, para ser mezclada, manejada, transportada, colocada, compactada y terminada, sin que pierda su homogeneidad. 1.3. COMPOSICIÓN APROXIMADA DEL CONCRETO Las características del concreto dependen de las cantidades relativas de sus constituyentes. En la Tabla 1.1 se muestra como participa cada componente, en el volumen del concreto, tanto para concreto con aire atrapado naturalmente como para concreto con aire incluido intencionalmente. CON AIRE ATRAPADO NATURALMENTE 0,5 - 3

COMPONENTE

Pasta de cemento

7 - 15 16 - 21 25 - 30 Agregados 30 - 50

CON AIRE INCLUIDO INTENCIONALMENTE

Aire

4–8

Cemento Agua Arena o agregado fino Arena o agregado grueso

7 – 15 15 – 20 25 – 30 30 – 50

Tabla 1.1 Porcentaje aproximado de los constituyentes del concreto (en volumen) 1.4. UNIDADES DE MEDICIÓN DE LA RESISTENCIA Luego de que el concreto ha fraguado continua un largo periodo de endurecimiento por lo que se alcanzan las resistencias mecánicas previstas. El proceso de adquisición de resistencia es indefinido y está sujeto a que el cemento se siga hidratando, pero se considera que a los 28 días se obtiene la resistencia de trabajo, la cual se expresa en términos de esfuerzo en Mega Pascales (MPa), para el Sistema Internacional de Unidades; en kilogramos fuerza por centímetro cuadrado (kg/cm2), para el Sistema Métrico; y algunas veces, en libras por pulgada cuadrada (lbs/pul2 pounds square inches o psi), para el Sistema Inglés. Las relaciones entre las unidades son las siguientes:

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1 lbf/pul2 (psi) = 0,07 kgf/cm2 1 kgf/cm2 = 14,29 lbf/pul2 1 MPa = 9,8 kgf/cm2

Tabla 1.2 Relación entre los sistemas de unidades Vale mencionar que la tendencia en el ámbito mundial es al uso del Sistema Internacional de Unidades (SI). 1.5. FUNCIONES DE LOS COMPONENTES 1.5.1. FUNCIONES DE LA PASTA De las funciones que cumple la pasta dentro del concreto, se resaltan: •

En estado plástico sirve como lubricante de la mezcla, dándole fluidez a ésta haciendo que sea más o menos trabajable.

•

Desarrolla la resistencia con el tiempo durante periodos de fraguado y de endurecimiento, que permite el transporte, colocación y moldeo del concreto en la obra.

•

En estado sólido obtura los espacios dejados por los agregados, disminuyendo de esta forma la permeabilidad.

•

Presenta durabilidad ante factores agresivos como ambientes salinos, aguas y suelos sulfatados, etc.

•

Es el aglomerante o pegante encargado de ligar los agregados, formando una piedra artificial con gran resistencia a la compresión.

1.5.2. FUNCIONES DE LOS AGREGADOS En general, los agregados desempeñan las siguientes funciones dentro de la masa de concreto: •

Se utiliza como material de relleno para hacer más económica la mezcla.

•

Evitan que se formen grietas durante el proceso de fraguado de la pasta.

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•

Junto con la pasta endurecida, permite altas resistencias a los esfuerzos de compresión.

En un concreto correctamente elaborado, cada partícula de agregado, sin importar su tamaño, debe estar rodeada de pasta, y todos los espacios completamente llenos de ella. 1.6. VENTAJAS DEL CONCRETO El concreto presenta una serie de ventajas sobre otros materiales de construcción, que justifican su uso tan difundido; a continuación se relacionan algunas de las más importantes: •

Los materiales que se emplean en su fabricación son muy fáciles de encontrar y existen en todas las partes del mundo.

•

Por su plasticidad, se le puede dar la forma que se desee.

•

Al contrario de otros materiales, aumenta su resistencia con la edad.

•

Se moldea y endurece a casi cualquier temperatura, incluso bajo agua, pudiéndose usar moldes o formaletas de muchos materiales (madera, metales, arcilla, etc.).

•

No se corroe, resiste diversas condiciones ambientales y tiene buena durabilidad (resistente al desgaste por roce como en carreteras, ambientes salinos, a los cambios de temperatura, etc.).

•

Es resistente al fuego (por lo menos hasta 400O C) y al envejecimiento.

•

Es económico, comparado con otros materiales.

•

Se puede utilizar en cualquier tipo de obra de construcción, desde un simple sardinel hasta una obra de arte (esculturas), pasando por estructuras para resistir cargas (vigas, columnas, muros, presas, pavimentos, edificios, etc.) y no estructurales (cornisas, adornos arquitectónicos, texturas superficiales, etc.).

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•

Por su plasticidad inicial, permite obtener variadas superficies de acabado exterior.

•

Permite fabricar piezas continuas y de gran tamaño.

1.7. RECUENTO HISTÓRICO La historia del concreto va muy ligada al uso de materiales cementantes y se remonta a tiempos muy antiguos. El concreto más viejo que se conoce data de aproximadamente del año 5600 A.C y descubierto durante excavaciones en los bancos del río Danubio, en Yugoslavia; fue usado para hacer los pisos de las chozas en una villa de cazadores y pescadores. Consistía en una mezcla de cal roja, arena, piedra y agua, que era colocada y compactada para formar el piso. Los antiguos egipcios (1900 A.C), utilizaron yeso calcinado como material cementante y con ello construyeron la mayor parte de sus monumentos y edificaciones. Los griegos (500 A.C), usaron, un mortero de cal y arena para cubrir muros. Basados en esto, los romanos copiaron y desarrollaron la fabricación de concreto, y fue así como ellos extrajeron una ceniza volcánica de una fuente cerca a Pozzuoli (300 A.C). Este material, que lo confundieron con arena, mezclado con cal y agua, formó un aglomerante mucho más fuerte que cualquier otro. Este producto sé conoció como Cemento Puzolánico y con el se construyeron obras como, el teatro de Pommpeii (75 A.C.), el Circo Romano, el Panteón, el Coliseo, etc. que aún en la actualidad se exhiben. Debido a los exagerados espesores que resultaban de utilizar este material como componente único en muros y otras estructuras (en muros se alcanzaban hasta 8 m), los romanos intentaron reforzar el concreto con varillas de bronce, pero no tuvieron éxito debido a la poca adherencia entre los dos materiales. Buscaron entonces piedras menos pesadas (rocas volcánicas porosas), creándose así el concreto liviano, que usaron por un periodo cercano a los 800 años, durante los cuales lo desarrollaron desde un simple material estructural a la construcción en todas sus variedades (muros, pisos, mosaicos, puentes, murallas, esculturas, etc.).

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Con la caída del imperio Romano, todos los conocimientos ganados en el uso del concreto desaparecieron casi completamente, pero luego fueron reintroducidos a la Gran Bretaña por los normandos quienes diseñaron y construyeron la primera mezcladora de concreto de la historia (700 D.C). En ella utilizaban caliza como agregado y cal calcinada como aglomerante. El concreto fue ampliamente usado en cimentaciones, castillos iglesias, torres, puentes, entre otras; de estas obras, aún muchas subsisten. Durante los periodos medieval y renacentista, aparte de las fundaciones y de pisos ocasionales, el concreto fue muy poco usado y su interés revivió a mediados del siglo XVIII (1750) cuando el señor William Champion construyó una gran mansión cerca a Bristol, y erigió una estatua gigante de Neptuno en medio de un lago, fabricada con un cemento basado en cal y mezclado con cobre y escorias. Dicha estatua aún existe. En 1756 un ingeniero de Leeds, John Smeaton, fue comisionado para construir un faro en Eddystone, Inglaterra. Anteriormente habían construido dos de madera, uno se quemó y el otro lo arrasó un vendaval. Smeaton pensó construirlo con bloques de piedra, pero el problema que tenía era como pegarlas, entonces decidió investigar las propiedades de los morteros probando las diferentes clases de todo el país y como resultado encontró que el mejor cemento que podía soportar el azote casi continuo del agua era la cal hidráulica (resistente a la acción del agua), la que solo se podía obtener de una caliza que tuviera un alto contenido de arcilla. Con esto, Smeaton fabricó el primer cemento de calidad desde la caída del Imperio Romano. James Parker, un vicario de Northfleet, calcinó por accidente unas rocas y en su inesperado experimento desarrolló un cemento que patentó en 1796 bajo el nombre de "Cemento Romano”. Parker le dio este nombre porque pensó que había descubierto como hacían el cemento los antiguos romanos. Joseph Aspdin, un ladrillero de Leeds (Inglaterra), experimentó y encontró que calcinando en un horno, una mezcla de piedra caliza con arcilla, y moliendo y pulverizando este producto, se obtenía un aglomerante, el cual patentó en 1824 con el nombre de "Cemento

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Pórtland". El nombre de Pórtland se le dio por el parecido en color y textura que adquiere después de endurecido con la piedra natural de la localidad inglesa de Pórtland. Con la introducción del horno rotatorio para la calcinación y el molino para su pulverización, así como los experimentos realizados por los franceses Vicat y Le Chatelier (a comienzos de 1900), se pudo producir el cemento Pórtland en cantidades comerciales, de tal manera que más gente pudo tener acceso a él. A comienzos del presente siglo se da un rápido crecimiento de esta industria reflejando así un avance tecnológico. El uso de la relación agua/cemento como medio para estimar la resistencia (reconocida cerca de 1918) y el importante logro del aumento de la durabilidad con la inclusión de aire (introducido a principios de la década de 1940), marcaron dos significativos avances en la tecnología del concreto; con base en ellos se ha expandido la investigación exhaustiva y el desarrollo de muchas áreas incluyendo el uso de aditivos. Es así como hoy el concreto es uno de los materiales más importantes para construcción. Es usado en servicio pesado (tal como autopistas, puentes, represas), obras de arte, edificios y en general en todo tipo de construcciones. Su manufactura, se ha refinado requiriendo la atención de ingenieros y técnicos para un adecuado control de su producción, a tal punto, que hoy se tienen sofisticadas plantas de dosificación y mezcla automáticas para producir cientos de metros cúbicos por hora. 1.8. CARACTERÍSTICAS DEL CONCRETO El concreto se diseña para que tenga unas características definidas, en dos estados fundamentales: Fresco y endurecido. 1.8.1. CONCRETO FRESCO El término concreto fresco, se refiere básicamente a la humedad de la mezcla, para que ésta pueda ser manejada, transportada, colocada y consolidada, por medios adecuados, sin demasiados esfuerzos y sin que se produzca segregación o exudación. Como se mencionó

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anteriormente, este concepto corresponde a la manejabilidad o trabajabilidad. La segregación consiste en la separación de las partículas gruesas de agregado de las más finas, haciendo que la distribución de la masa de concreto deje de ser uniforme. La exudación, o algunas veces llamada sangrado, se presenta cuando una parte del agua de la mezcla, tiende a quedarse en la superficie del concreto recién colocado o durante el proceso de fraguado. 1.8.2. CONCRETO ENDURECIDO El concreto en estado endurecido toma aspecto y características de roca artificial, las cuales son aprovechadas para el uso de todo tipo de construcción. Algunas propiedades son; la resistencia a los esfuerzos mecánicos, la durabilidad, la impermeabilidad, la densidad, el acabado y la estabilidad volumétrica. 1.8.2.1. Resistencia La resistencia es la capacidad que tiene el concreto de soportar esfuerzos de diferentes tipos y magnitudes. La resistencia a los esfuerzos mecánicos incluye principalmente lo que se refiere a compresión, tracción, flexión, cortante y adherencia al acero de refuerzo. De las mencionadas, la resistencia a la compresión simple es la característica más importante y normalmente con ella se define la calidad del concreto (aunque por lo general el control del concreto se realiza mediante ensayos de rotura a compresión, hay casos en los que el ensayo de flexión es más apropiado para mostrar con mayor exactitud las condiciones de trabajo del concreto, como puede ser el caso de los pavimentos). Por el contrario, el concreto es un material relativamente débil a los esfuerzos de tracción comparada con su resistencia a la compresión. Esto hace poco económico su uso en elementos estructurales que están sometidos a tracción por completo (como tirantes) o en parte de sus secciones transversales (como vigas y otros elementos sometidos a flexión). Sin embargo, para compensar esta deficiencia se recurre al acero para reforzar el concreto en aquellos sitios en que su pequeña resistencia a tracción podría limitar la capacidad

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portante del elemento. La combinación resultante de ambos materiales es lo que se conoce como concreto reforzado. El esfuerzo cortante generalmente también es absorbido por el refuerzo (flejes, estribos) en el caso de vigas, y por el concreto en el caso de losas. 1.8.2.2. Durabilidad La durabilidad es la propiedad del concreto de soportar aquellas exposiciones que pueden privarlo de su capacidad de servicio, tales como, ciclos de congelamiento y deshielo, sustancias químicas, ambientes marinos, abrasión, ciclos de humedecimiento y secado, ciclos de calentamiento y enfriamiento, y otras semejantes como expansiones producidas por agregados, que reaccionan químicamente con el cemento, suelos y aguas agresivas, entre otras. La resistencia a algunas de ellas puede aumentarse con el uso de aditivos inclusores de aire, cementos puzolánicos o resistentes a los sulfatos y otros ingredientes especiales. La utilización de relaciones agua/cemento bajas, constituye un aspecto importante para conservar la vida útil del concreto, puesto que reduce la penetración de agentes agresivos. 1.8.2.3. Densidad La densidad o peso volumétrico del concreto, constituye también una característica importante en el concreto, siendo algunas veces indispensable para la estabilidad de la estructura. Tal es el caso de las presas de gravedad, macizos de anclaje, pesas para hundir tuberías, contrapesos en puentes elevados, estructuras para aislamiento de sonido, radiación, etc. 1.8.2.4. Acabado Gracias a la moldeabilidad de la mezcla en estado fresco, concreto puede tomar diferentes texturas y formas, dadas por moldes, formaletas o herramientas especiales, para obtener llamado "concreto a la vista", "concreto arquitectónico” “acabado”.

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1.9. CLASIFICACIÓN DEL CONCRETO El concreto se puede clasificar de varías maneras, siendo las más comunes: por consistencia, por resistencia, por densidad o peso unitario y por tipo de refuerzo. 1.9.1. POR CONSISTENCIA La consistencia es una medida indirecta de la trabajabilidad de una mezcla de concreto y se mide por medio del ensayo de asentamiento. De acuerdo con esto, el concreto se puede clasificar por su trabajabilidad tal como lo muestra la Tabla 1.3. ASENTAMIENTO CONSISTENCIA (cm) (Tipo de concreto) 0 – 2,0

Muy seca

GRADO DE TRABAJABILIDAD Muy pequeño

2,0 – 3,5 Seca Pequeño 3,5 – 5,0 Semi-seca Pequeño 5,0 – 10,0 Media Medio 10,0 – 15,0 Húmeda Alto Tabla 1.3 Clasificación del concreto por su consistencia.

1.9.2. POR RESISTENCIA Desde el punto de vista de la resistencia a la compresión a los 28 días el concreto se puede clasificar en: •

Concreto de baja resistencia o concreto pobre: Aquel con una resistencia a la compresión inferior a los 14 MPa (140 kgf/cm2, 2.000 psi).

•

Concreto de resistencia normal: Aquel con una resistencia entre 14 MPa (140 kgf/cm2, 2.000 psi) y 35 MPa (350 kgf/cm2, 5.000 psi).

•

Concreto de alta resistencia: Aquel con una resistencia entre 35 MPa (350 kgf/cm2, 5.000 psi) y 100 MPa (1.000 kgf/cm2, 14.000 psi).

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•

Concreto de ultra alta resistencia: Aquel con una resistencia superior a 100 MPa (1.000 kgf/cm2, 14.000 psi).

1.9.3. POR PESO UNITARIO (PESO POR UNIDAD DE VOLUMEN) •

Concreto de peso liviano: Aquel cuyo peso unitario es menor que 2.000 kgf/cm3.

•

Concreto de peso normal: Aquel cuyo peso unitario está entre 2.000 kgf/m3 y 2.600 kgf/m3.

•

Concreto de peso pesado: Aquel cuyo peso unitario es mayor que 2.600 kgf/m3.

1.9.4. POR TIPO DE REFUERZO El concreto puede tener acero de refuerzo, a lo que se denomina Concreto Reforzado; o puede no tenerlo, a lo que se denomina Concreto Simple. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS 1.1. CEMENT AND CONCRETE ASSOCIATION. Concrete Technology and Construction. General Principles, London, C&CA, 1984. 1.2. CEMENT AND CONCRETE ASSOCIATION. The History of Concrete. London, C&CA, 1979. 1.3. INSTITUTO COLOMBIANO DE PRODUCTORES DE CEMENTO – SOLINGRAL. Capítulo de Dosificación de Mezclas de Concreto. Medellín, 1979. 1.4. INSTITUTO CHILENO DEL CONCRETO Y DEL HORMIGON. Manual del Hormigón. Santiago de Chile, 1984. 1.5. NEVILLE, A.M. Tecnología del Concreto. Vol.1. México D.F., IMCYC, 1980. 1.6. PORTLAND CEMENT ASSOCIATION. Design and Control of Concrete Mixtures. Illinois, PCA, 1979. 1.7. TROXELL, G., DAVIS, H. Y KELLY, J. Composition and Properties of Concrete. N.Y., Mc Graw-Hill, 1968.

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2. CEMENTO PARA ESTRUCTURAS DE CONCRETO 2.1. ALCANCE El presente capítulo tiene como objetivo darle al lector los conceptos básicos sobre el cemento como material de construcción. En primer lugar se define el cemento y se dan una serie de generalidades acerca del mismo. Se describen los procesos utilizados por la industria para producirlo. Se presenta una introducción a la química del cemento, fundamental para el estudio tanto de las propiedades físicas y mecánicas, como los diferentes tipos de cemento utilizados en América y en especial en Colombia. Por último, se resumen los requisitos establecidos para determinar las propiedades físicas, mecánicas y químicas más importantes de los cementos colombianos extractadas de la Normas Técnicas Colombianas – NTC correspondientes. 2.2. GENERALIDADES En un estudio reciente, se determinó que el cemento, después del agua, es el material más usado por el hombre. En sentido genérico, el cemento se puede definir como un material con propiedades adhesivas y cohesivas que le dan la capacidad de unir fragmentos sólidos, para formar un material resistente y durable. Esta definición incluye gran cantidad de materiales cementantes como las cales, los asfaltos, etc. No obstante, los cementos que más importan desde el punto de vista tecnología del concreto son los cementos calcáreos que tengan propiedades hidráulicas, es decir, que desarrollen sus propiedades (fraguado y adquisición de resistencia) cuando se encuentran en presencia de agua, como consecuencia de la reacción química entre los dos materiales. El cemento constituye entre el 7 y el 15% de volumen total de concreto; es un componente químicamente activo y por tanto influye en todas las características de la mezcla.

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De los componentes del concreto y en el común de los casos, el cemento hidráulico es el más costoso por unidad de peso. Sin embargo, comparado con otros materiales manufacturados es poco costoso, si se tiene en cuenta la alta tecnología utilizada y el grado de control que se requiere para su elaboración. Existen diversos tipos de cementos que se logran al efectuar algunas variantes durante la manufactura, tal como se explica más adelante. Es así como se tienen cementos Pórtland, cementos hidráulicos, cementos adicionados, cementos basado en clínker Pórtland, etc., cuya denominación se da dependiendo de la nomenclatura usada en cada país. Para efectos prácticos y a lo largo de este libro se hará referencia simplemente al cemento. Precisamente por la diversidad de cementos que se pueden conseguir en el mercado, es factible producir concretos con características específicas para obras determinadas, lo cual se constituye en uno de los factores para la versatilidad del material. 2.3. MATERIAS PRIMAS Y FABRICACION El cemento está compuesto por dos materias primas principales: calizas y arcillas. Las primeras suministran cal y las segundas sílice y alúmina; además de estos materiales, el cemento contiene pequeñas cantidades de óxido de hierro, óxido de magnesio, álcalis y anhídrido sulfúrico. Los rangos aproximados de los constituyentes del cemento se muestran en la Tabla 2.1. Uno de los materiales más utilizados en la fabricación del cemento es la marga, que tiene características calcáreo arcillosas. Las pizarras también son muy empleadas por ser muy ricas en sílice y alúmina. COMPUESTO

SÍMBOLO QUÍMICO

LÍMITES APROXIMADOS (%)

Cal Sílice Alúmina Óxido de hierro Óxido de magnesio Álcalis Anhídrido sulfúrico

CaO SiO2 Al2O3 Fe2O3 MgO

60,0 – 67,0 17,0 – 25 3,0 – 8,0 0,5 – 6,0 0,1 – 7,0 0,1 – 1,3 1,0 – 3,5

SO3

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Tabla 2.1 Constituyentes del cemento Pórtland (2.5) El cemento se obtiene a partir de materias primas abundantes en la naturaleza, pero como es difícil encontrar las calizas con la cantidad precisa de arcilla, la industria recurre a la dosificación artificial de estos insumos en proporciones determinadas, utilizando para ello dos procesos por vía seca y por vía húmeda. El proceso utilizado depende fundamentalmente de factores físicos y económicos. Los físicos se refieren al estado de las materias primas como por ejemplo la humedad de la arcilla, calidad de la caliza, etc.; los económicos se basan principalmente en la mayor o menor cantidad de combustible consumido en las operaciones de elaboración. En la Figura 2.1. se presenta un esquema de las diferentes operaciones que involucra cada uno de los procesos. A diferencia de lo que ocurre generalmente en otras industrias, una fábrica de cemento debe ejecutar desde la explotación de las materias primas hasta el empacado del producto final. El proceso de producción del cemento se inicia con la extracción de la piedra caliza y la arcilla de depósitos o canteras naturales, los cuales, dependiendo de la dureza o cohesión que presenten los materiales y de la disposición de los mismos, imponen diferentes sistemas de explotación, desde sencillos taladros manuales hasta complicados sistemas de perforación y voladura. El material así extraído, se carga y transporta, por medio de pesada maquinaria de cantera hasta la planta. En ocasiones, especialmente en zonas de topografía quebrada, se utiliza transporte por medio de cables aéreos; en algunas plantas de proceso húmedo, el transporte se hace por tuberías, las cuales reciben el nombre de pastoductos, (obviamente su utilización hace necesario efectuar en la cantera, algunos procesos de trituración y molienda, y la adición de agua).

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Figura 2.1 Esquema de fabricación del cemento Pórtland – PROCESO SECO

Figura 2.1 Esquema de fabricación del cemento Pórtland – PROCESO SECO

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Figura 2.2 Esquema de fabricación del cemento Pórtland – PROCESO HUMEDO

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El proceso de fabricación propiamente dicho se inicia con la trituración. La materia prima que viene de las canteras en trozos con tamaños que alcanzan los 50 centímetros y aún un metro, es reducida por trituración, en dos o tres etapas, según sus características y tamaño, hasta fragmentos cuyo tamaño máximo esté entre 5 y 10 mm. Se efectúa entonces la premezcla de las materias primas (calizas y arcillas), buscando que el cemento que habrá de resultar, esté acorde con estrictas normas de calidad y tenga la composición adecuada. La mezcla efectuada en los depósitos de materia prima triturada se lleva generalmente por transportadores de banda a los molinos de crudo, que son grandes cilindros giratorios en los cuales por medio de bolas metálicas se continúa la reducción de tamaño iniciada en las trituradoras, hasta diámetros del orden de medio milímetro. La trituración y la molienda de las materias primas pueden efectuarse también en una sola etapa empleando molinos verticales en los cuales, por medio de grandes rodillos, se realiza la reducción del tamaño en una sola operación. Esta es la etapa donde se establece la primera gran diferencia entre los principales sistemas de producción de cemento: El proceso húmedo y el proceso seco. En el proceso húmedo, la molienda de las materias primas ya dosificadas, se efectúa con adición de agua al molino, por lo que el material resultante es un lodo que recibe el nombre de pasta y que debe ser manejado por tuberías y homogeneizado (como etapa posterior del proceso) en grandes tanques llamados balsas, en los cuales mediante agitación mecánica se impide la sedimentación. En la vía seca la dosificación va precedida del secado de los materiales y la molienda se efectúa sin adición de agua, con lo cual el material que sale de los molinos es un polvo que se denomina harina y que se deposita en silos especiales en los cuales se homogeneiza por medio de agitación con aire. La homogeneización pretende que las partículas se distribuyan en la masa buscando una composición lo más uniforme posible del material que pasará al horno.

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En el caso del proceso húmedo, sin embargo, el agua que había sido agregada para facilitar las labores de molienda y transporte interno, debe ser extraída al menos parcialmente antes de pasar a la siguiente etapa del proceso. Para tal fin, la pasta se deja sedimentar en grandes tanques (llamados espesadores) y el agua se retira por la parte superior. En ocasiones este lodo aún contiene un exceso de agua, por lo que se debe efectuar un proceso adicional de filtración. La mezcla de materias primas procedente de los silos de homogenización en el proceso seco, o de balsas en el húmedo, está lista para pasar a la etapa de calcinación. Esta es la fase más importante del proceso pues es allí donde ocurren las transformaciones fundamentales que dan origen al cemento y a sus propiedades de conglomerante hidráulico. La calcinación se efectúa en hornos rotatorios inclinados, que son grandes cilindros de acero, con diámetros entre tres y cinco metros y una longitud que en ocasiones llega a superar los 150 metros, que giran lentamente alrededor de su eje y que están recubiertos interiormente de material refractario. En estos hornos, la pasta (o harina) se deposita en el extremo superior y desciende lentamente pasando sucesivamente por zonas de mayor temperatura, hasta llegar a la zona final donde se encuentra la llama y donde alcanza la máxima temperatura, unos 1.450 ºC, que se logra quemando algún combustible. En Colombia, se utiliza básicamente carbón o gas, aunque también existen plantas que emplean fuel oíl, petróleo crudo y aún materiales de deshecho, como es el caso de llantas de automóviles, aceites usados o cáscaras de arroz, empleados con buen éxito en algunos países. En los hornos de proceso seco ya que no es necesario eliminar el agua en exceso que se tiene en el proceso húmedo, se emplea el aire caliente que sale del horno para iniciar el calentamiento de las materias primas. Esto se realiza en grandes torres llamadas precalentadores, con lo cual se reduce notablemente el consumo energético que constituye uno de los mayores costos en la producción del cemento y en consecuencia los hornos son más cortos. En la parte final del horno se produce la fusión de varios de los componentes y se forman gránulos de uno a tres centímetros de diámetro, que constituyen lo que se conoce como clínker. Ya en los

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últimos metros del horno, detrás de la llama, el clínker empieza a perder temperatura, iniciándose la etapa de enfriamiento, proceso que se acelera con equipos especiales de diferente tipo. Además de los enfriadores de parrilla, se utilizan los enfriadores tipo planetario, constituidos por grandes tubos acoplados al horno y por los cuales circula el clínker. Para poder utilizar el cemento en todo su poder conglomerante, es necesario que se encuentre en forma de polvo fino, pues sólo así puede efectuarse de modo eficiente la hidratación de sus partículas. Esta finura se obtiene por la molienda de clínker en molinos especiales. En esta etapa, se efectúa la adición de pequeños porcentajes de yeso (entre 3 y 10%), con el fin de controlar el tiempo de fraguado del cemento resultante. Durante el proceso de molienda del clínker, la industria cementera suele moler conjuntamente con el yeso otros materiales (denominadas adiciones) que le proporcionan al cemento características especiales. Se tiene entonces que, según el tipo y la cantidad de los materiales adicionados, el cemento puede recibir diferentes denominaciones y ofrecer una amplia gama de propiedades para distintos usos en la construcción. El proceso de empaquetado y distribución del cemento se hace en sacos o a granel. Los sacos son de papel compuestos generalmente de 2 ó 3 capas, dependiendo del tipo y longitud del transporte a que será sometido. En ocasiones, cuando el cemento es muy reactivo (tiende a hidratarse fácilmente), los sacos pueden estar compuestos de 3 capas de papel, siendo la intermedia plastificada. Los sacos suelen contener 50 kg. de cemento, aunque en algunas regiones se acostumbra usar sacos de 42,5 kg. En el caso de transporte a granel, se realiza a través de camiones cisterna (“pipas”), que con la ayuda de un compresor de aire, depositan el material en silos en las plantas donde será usado el cemento. La cantidad de cemento así transportado varía entre 28 y 30 toneladas aproximadamente.

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2.4. COMPOSICIÓN QUÍMICA DEL CEMENTO Las materias primas usadas en la manufactura del cemento Pórtland (cal, sílice, alúmina y óxido de hierro), interaccionan en el horno, hasta alcanzar un estado de equilibrio químico, para formar una serie de productos más complejos (Tabla 2.2).

COMPUESTO* Silicato tricálcico Silicato bicálcico Aluminato tricálcico Ferroaluminato tetracálcico

FÓRMULA QUÍMICA

ABREVIATURA USADA

3CaO.SiO2

C3S*

2CaO.SiO2

C2S*

3CaO.Al2O3

C3A*

4CaO.Al2O3.Fe2O3

C4AF*

*Estos componentes han sido llamados “Compuestos de Bogue”.

Tabla 2.2 Compuestos del Cemento Pórtland Estos cuatro componentes se denominan los compuestos principales del cemento. Generalmente la fórmula química de estos constituyentes se usa en forma abreviada, con el único fin de facilitar su expresión y utilizar un término más sencillo. La abreviatura se hace aprovechando que los compuestos están formados básicamente por óxidos, de modo que al óxido de calcio (CaO) se denota simplemente como C, al de aluminio como A, etc., y se le coloca como subíndice el número de moles en que participa cada óxido; de esta forma se llega a la notación mostrada en la tercera columna de la Tabla 2.2. Los constituyentes C3S y C2S forman entre el 70 y el 80% del cemento. Son los elementos más estables y los que más contribuyen a la resistencia del cemento. El C3S se hidrata más rápidamente que el C2S y por lo tanto contribuye al tiempo de fraguado y a la resistencia inicial. Su acción hidratante está comprendida entre las 24 horas y los 7 días, provocando el endurecimiento normal de la pasta de cemento y su resistencia al séptimo día.

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El desarrollo de la resistencia del C2S es lento. Su acción endurecedora está comprendida entre los 7 y 28 días y puede continuar por encima de un año. El C3A se hidrata rápidamente y genera mucho calor; solamente contribuye a la resistencia las primeras 24 horas y es el menos estable de los cuatro principales componentes del cemento. Además le da al concreto propiedades indeseables, tales coso cambios volumétricos y baja resistencia a los sulfatos. El C4AF cumple la función de catalizador y aporta poca resistencia. 2.5. TIPOS DE CEMENTO - CLASIFICACIÓN 2.5.1 Producción de los diversos tipos de cemento. De acuerdo con lo anteriormente expuesto, la industria cementera dispone de dos alternativas para producir diferentes tipos de cemento. La primera consiste en combinar las materias primas para que el clínker resultante tenga una composición alta o baja en determinados componentes, que permitan darle las propiedades al cemento. Por ejemplo, un clínker con altos contenidos de C3S, se pueden obtener cementos con altas resistencias iniciales; o con bajos contenidos de C3A, lo hacen resistente al ataque por sulfatos, etc. La segunda alternativa es introducir adiciones durante el proceso de molienda del clínker y yeso, de modo tal que, dependiendo del tipo y cuantía de adición, el cemento resultante puede tomar diferentes denominaciones. 2.5.2 Tipos de cemento. 2.5.2.1. Cementos Pórtland El cemento se clasifica de acuerdo a la normalización del país de origen. En Colombia actualmente se clasifica de acuerdo con la NTC 30 Cemento Pórtland – Clasificación y Nomenclatura, que tiene como base la Norma COPANT 3:1-009. Allí se clasifica al cemento Pórtland en 5 tipos enumerándolos del 1 al 5, tal como se enseña en la Tabla 2.3, donde se aprecian los diferentes tipos de cemento, sus características, los límites usuales para cada uno de los componentes,

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la resistencia a la compresión a las edades de 1 y 28 días y algunos tipos de estructuras en donde se podría usar ese tipo de cemento. En Colombia, las normas técnicas (NTC 31) definen al Cemento Pórtland como un “producto que se obtiene por la pulverización conjunta del clínker pórtland con la adición de una o más formas de sulfato de calcio. Se admite la adición de otros productos siempre que su inclusión no afecte las propiedades del cemento resultante. Todos los productos adicionados deben ser pulverizados conjuntamente con el clínker.” El sulfato de calcio se refiere al yeso. La NTC 30 también se refiere a los cementos Pórtland tipo 1-A, 1M-A, 2A y 3-A, que son exactamente el tipo 1, 1M, 2 y 3, excepto que durante el proceso de pulverización del clínker se le adiciona un material incorporador de aire, que le dan al concreto una mayor durabilidad, en especial a la acción de congelamiento y deshielo, así como una mejor manejabilidad en estado plástico; estos cementos no se producen en Colombia. El cemento Pórtland Tipo 1-M desarrolla resistencias iniciales mayores al Tipo 1, pero menores al Tipo 3. Este tipo de cemento ha sido desarrollado por la industria cementera en Colombia para abastecer el mercado de la industria del concreto premezclado, de los prefabricados y algunas aplicaciones especiales. Se distribuye normalmente a granel. El cemento Pórtland blanco en general es el mismo Pórtland Tipo 1, difiriendo principalmente en el color. La clave para producir el color blanco consiste en controlar el proceso de manufactura, esto es, seleccionar materias primas cuyo contenido de hierro y de óxido de manganeso sea nulo o insignificante, puesto que son éstas las sustancias que le confieren la coloración gris al cemento. También es importante realizar el proceso de molido con bolas (cuerpos moledores) de molibdeno u otro material diferente al acero para que no tome coloración grisácea. Tales características hacen que el costo del cemento blanco sea mayor al tipo 1. Hasta hace unos años, el cemento blanco era usado principalmente para fines arquitectónicos tales como estucos, concretos decorativos, enlucidos, revoques, etc. No obstante, de un tiempo para acá, el cemento blanco ha permitido realizar importantes obras de

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infraestructura en concreto blanco en el país, a tal punto que fue necesario, además de contemplar su blancura en la norma, medir la resistencia y demás características mecánicas como al tipo 1, 1-M y tipo 3.

TIPO DE CARACTERÍSTICAS CEMENTO

RESISTENCIA LÍMITES APROXIMADOS DE LA RELATIVA AL COMPOSICIÓN QUÍMICA EJEMPLO DE USO TIPO I (%) C3S

C2S

C3A

C4AF

1 día

40 - 55

25 - 30

3–15

5–10

100

1

Uso general

2

Resistencia moderada a los sulfatos y bajo 40-50 calor de hidratación

25-35

8

10–15

75

3

Altas resistencias 50-63 iniciales

15-20

3–15

8-12

190

4

Muy bajo calor de 25-35 hidratación

40-50

7

5

Alta resistencia a 32-42 los sulfatos

38-48

5

10-15

10

28 días 100

90

100

55

75

65

85

Obras de concreto en general donde las propiedades especiales de los otros tipos de cemento no son requeridos Estructuras de drenaje donde las concentraciones de sulfatos en aguas subterráneas son moderadas. Estructuras de masa considerable, como en muros de contención o cimentaciones masivas. Túneles y tuberías. En estructuras donde se requiere quitar la formaleta prontamente o cuando la estructura debe ponerse al servicio rápidamente (reparaciones de puentes). En concretos prees-forzados y prefabricados. Para las estructuras de concreto masivo como grandes presas, donde el aumento de temperatura es un factor crítico resultado de un alto calor generado durante el endurecimiento Para estructuras en suelos o en contacto con aguas subterráneas con un alto contenido de sulfato

Tabla 2.3 Diferentes tipos de cementos Pórtland, su composición química, resistencia relativa, aplicaciones

2.5.2.2 Cementos con adiciones La NTC 31 Cemento – Definiciones, contempla otros tipos de cemento como son: el cemento Pórtland de escoria de alto horno, el cemento siderúrgico o supersulfatado, el cemento Pórtland puzolánico, el cemento de albañilería, y el cemento aluminoso.

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2.5.2.2.1 Adiciones Las adiciones en el cemento son productos que no son cementantes por si solos, pero cuando actúan conjuntamente con el clínker y el agua, reacciona químicamente y forman productos que si son cementantes. Las adiciones más usadas en el ámbito mundial son las puzolanas, la escoria de alto horno y la caliza finamente molida. La adiciones en el cemento es una práctica mundialmente conocida y su uso se remonta, como se reseñó en el capítulo anterior, a más de 2000 años cuando los romanos inventaron por casualidad el cemento puzolánico. La puzolana es un material que tiene una composición química parecida al clínker (contiene sílice y alúmina), que no es cementante por si sola, pero cuando se encuentra finamente pulverizado, a temperaturas ordinarias y en presencia de humedad, reacciona químicamente con el hidróxido de calcio liberado naturalmente como consecuencia de la reacción del cemento con el agua, formando de esta manera productos que si son cementantes. Las puzolanas pueden ser naturales, artificiales o mixtas. Las puzolanas naturales más comunes son las de origen volcánico (traquitas alcalinas, tobas o pumicitas). Existen también rocas de origen orgánico como las tierras formadas por algas (tierras diatomáceas) o por esqueletos de animales (tierras de infusorios), caracterizadas por su alta superficie específica (finura) y por su contenido de sílice muy activa. Las puzolanas artificiales son aquellos sub productos industriales que en virtud del proceso al que han sido sometidos han alcanzado características puzolánicas, entre estos el humo de sílice y la ceniza volante o ceniza puzolánica (fly ash), ésta última procede de la combustión del carbón (generalmente de las centrales termoeléctricas). Es de notar que para que estas cenizas puedan ser usadas como adición activa en el cemento, el porcentaje de material no quemado (“inquemados”) se recomienda sea inferior al 5%. Las puzolanas mixtas o intermedias son puzolanas naturales que al ser sometidas a temperaturas en el rango entre 700 – 900ºC incrementan en gran medida su actividad puzolánica. Tal es caso del caolín

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(arcilla) que al ser sometido a temperaturas controladas incrementa en gran medida su potencial puzolánico; a este material se le conoce como metacaolín y es considerado como una de las mejores adiciones para el cemento por las características de resistencia y durabilidad que le proporcionan al concreto. Las propiedades y el desempeño de las puzolanas en el cemento dependen en gran medida de su composición química. Las puzolanas ricas en sílice son muy resistentes al ataque por sulfatos, siendo el humo de sílice la más ampliamente usada, aunque en porcentajes que normalmente no superan el 10%, dada su alta finura. El humo de sílice también proporciona altas resistencias, por lo que es un material que se hace indispensable cuando se elaboran concretos de altas resistencias. Por su parte, las puzolanas ricas en aluminio previenen el ataque por cloruros, toda vez que la alúmina amorfa y el cloro se combinan químicamente formando la llamada Sal de Friedel, evitando que dicha sal penetre al interior de la estructura. Vale mencionar que los cloruros no revisten mayor peligro para el concreto como tal más si para el acero de refuerzo pues lo corroen. Una de las mejores adiciones de este género la constituye el metacaolín, material rico en sílice y alúmina, que le proporciona al concreto además altas resistencias a edades tempranas y disminuye su permeabilidad. 2.5.2.2.2. Razones para el uso de adiciones. El empleo de adiciones en la industria cementera, es una práctica mundial que se hace fundamentalmente por razones técnicas, económicas y ambientales. Las razones técnicas se fundamentan en la facilidad de reaccionar químicamente con la cal liberada (hidróxido de calcio) por el cemento durante su proceso de hidratación, formando productos cementantes estables con el tiempo, permanentes, insolubles al agua y resistentes a algunas exposiciones agresivas. Una de las características de las adiciones en el cemento es que no manifiestan su actividad en forma inmediata, siendo su proceso de hidratación lento; esto hace que la liberación de calor sea menor, la adquisición de resistencia lenta a edades tempranas (entre 7 y 14 días) pero con desarrollo de resistencias más altas en especial luego de 28 días. El

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bajo calor de hidratación disminuye el riesgo de agrietamiento por contracción de fraguado. Así mismo, las puzolanas generalmente son más pequeñas que el grano de cemento, haciendo que los concretos tengan una mejor manejabilidad en estado fresco (aunque pueden requerir de mayor cantidad de agua de mezclado) y, en estado endurecido, estas partículas aprovechan su menor tamaño para obturar los espacios dejados por el cemento y hacer que la masa de concreto sea menos permeable, obteniendo como consecuencia concretos más durables. Por su parte, las adiciones generalmente tienen un menor costo que el clínker y se muelen más fácilmente, razones suficientes para sustituir parte de este clínker por adición. En lo que respecta a las motivaciones ambientales, las adiciones suelen no requerir de un proceso industrial adicional de manufactura y, por el contrario, algunas son desechos (como el caso de las cenizas) que las empresas que los generan necesitan disponerlos de manera adecuada. De otro lado, el reemplazar clínker por adición, se está evitando la emisión de CO2 y otros gases al aire y el uso de recursos naturales no renovables. 2.5.2.3 Cemento Pórtland Puzolánico El Cemento Pórtland Puzolánico lo define la NTC 31 como el “producto que se obtiene por la pulverización conjunta de clínker pórtland y puzolana o de una mezcla íntima y uniforme de cemento pórtland y puzolana finamente pulverizada con adición de una o más formas de sulfato de calcio. El contenido de puzolana debe estar comprendido entre el 25% y el 50% en masa de la masa total.”

2.5.2.4. Cemento de Escoria de Alto Horno El cemento Pórtland de escoria de alto horno lo define la NTC 31 como el “producto que se obtiene por la pulverización conjunta del clínker pórtland y escoria granulada de alto horno o de una mezcla íntima y uniforme de cemento pórtland y escoria granulada finamente dividida, con la adición de una o más formas de sulfato de

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calcio. El contenido de la escoria granulada de alto horno debe estar comprendido entre el 15% y el 85% en masa de la masa total”. Las escorias de alto horno o escorias siderúrgicas son un subproducto proveniente del tratamiento de minerales de hierro en el alto horno durante la manufactura del acero. Para que la escoria quede con propiedades hidráulicas (que reaccione químicamente con el hidróxido de calcio y se formen productos cementantes) y se pueda usar como adición activa en el cemento, es necesario someterla a un enfriamiento brusco (chorro de agua o aire frío), tomando la escoria la forma de una arena, es decir, granulada, suelta y de color claro. De este modo el material queda amorfo. La escoria de alto horno se caracteriza porque tienen los mismos en esencia los mismos componentes químicos del cemento, cal, sílice y alúmina, que le dan una actividad química intrínseca y potencial de formar productos cementantes por si solos. La manera como actúa la escoria con el cemento difiere a como lo hacen las puzolanas. Los componentes del cemento se hidratan normalmente y el hidróxido de calcio liberado se convierte en un agente que da inicio a la hidratación de la escoria y, posteriormente, la escoria se hidrata sola. A edades tempranas los cementos pórtland de escorias de alto horno desarrollan la resistencia a una velocidad menor que los cementos pórtland (entre los primeros 7 y 14 días), pero luego a edades posteriores, en especial luego de los 28 días, el desarrollo de resistencias es mayor. Este efecto se debe a la lenta hidratación de la escoria. El cemento pórtland de escoria de alto horno es muy resistente al ataque químico, en especial a las agresiones de tipo salino por agua de mar especialmente de los sulfatos; por esta razón, se recomienda su uso para obras costeras. Así mismo, es resistente a los ácidos y los aceites. 2.5.2.5. Cemento Siderúrgico o Supersulfatado. De acuerdo con la definición de la NTC 31, se define como un “producto que se obtiene por la pulverización conjunta de escoria

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granulada de alto horno con pequeñas cantidades de clínker pórtland, cemento pórtland y cal hidratada o con una combinación de estos materiales y cantidades apreciables de sulfato de calcio. El contenido de escoria debe ser superior al 70% en masa de la masa total”. Los contenidos típicos de escoria de estos cementos se encuentran entre el 80% y el 85% y entre un 10% y un 15% de sulfato de calcio (yeso). Su uso es frecuente en Europa. Es muy resistente al agua de mar. También, por su resistencia a los ácidos, se usa para la elaboración de tubos para alcantarillado. 2.5.2.6. Cemento Aluminoso El cemento aluminoso o también llamado fundido, se obtiene por la fusión completa de una mezcla en proporciones convenientes de materiales calcáreos y aluminosos y su posterior pulverización. Por definición, tiene altos contenidos de aluminio; consta aproximadamente de 40% de cal, 40% de aluminio, 8% de sílice y pequeñas cantidades de óxidos ferrosos y férricos. Las materias primas más usadas para su elaboración son la caliza y la bauxita. El cemento aluminoso se caracteriza por su rápido endurecimiento y su elevada resistencia a las 24 horas, obteniéndose a esta edad cerca del 80% de la que se obtiene a los 28 días; esta situación permite una gran economía en el uso de la formaleta (permite su retiro alrededor de la 7 horas) y tiempo de entrega de las obras. Pero tal vez la característica más importante de este tipo de cemento es la ausencia de hidróxido de calcio que lo hace muy resistente al ataque químico, en especial a los sulfatos, por lo que se recomienda su uso en obras marinas. También permite obtener concretos menos permeables, toda vez que el hidróxido de calcio es soluble en agua. Así mismo, es resistente al ataque del dióxido de carbono disuelto en agua, recomendándose para la fabricación de tubos para alcantarillados. Otra de las ventajas que presenta el cemento aluminoso es su resistencia a las altas temperaturas, empleándose como cementante refractario. No obstante, se debe tener cuidado cuando el concreto hecho con cemento aluminoso, en presencia de elevadas temperaturas y expuesto a humedades continuas, la resistencia se puede ver afectada de manera adversa.

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De otro lado, el concreto reforzado basado en cemento aluminoso no admite la adición de cloruro de calcio, que es un material muy utilizado como acelerante de fraguado, pues forma cloroaluminatos que fomentan la corrosión del acero de refuerzo. 2.5.2.7. Cemento de albañilería o de mampostería De acuerdo con la definición de la NTC 31, el cemento de albañilería es aquel que se obtiene por la pulverización conjunta de clínker pórtland y materiales que carecen de propiedades hidráulicas o puzolánicas con la adición de yeso. El contenido de materiales adicionales está comprendido entre el 15% y el 50% en masa de la masa total. El cemento de albañilería es un producto usado especialmente para la elaboración de morteros para pega de ladrillo, pañetes y afinado de pisos. Para estas aplicaciones, dada la desproporción del área que se va a cubrir con el pequeño espesor de la capa de mortero y lo absorbente de los materiales a recubrir (ladrillos de concreto o arcilla), se puede dar una gran pérdida del agua de la mezcla, de modo que el cemento se queda sin posibilidades de reaccionar formándose productos pobres. Por esta razón, se recomienda que al cemento se le adicione un producto que retenga el agua y le ayude a la manejabilidad en estado fresco. En tal sentido, las adiciones más comunes son la cal hidratada, la escoria granular, o calizas finamente molidas; cualquiera de las alternativas con un agente inclusor de aire. El desarrollo de resistencias de un cemento de albañilería son menores que la de un cemento Pórtland normal, por lo que no se recomienda su uso en concreto estructural. 2.5.2.8. Otros cementos Existen otros tipos de cementos, tales como el natural, de endurecimiento rápido, de fraguado rápido, el impermeable, el hidrfóbico, el antibacteriano, los coloreados, los expansivos, los de cementación para pozos de petróleo, entre otros. 2.6. PROPIEDADES DEL CEMENTO Cada tipo de cemento tiene sus características propias que influyen en las propiedades del concreto. Estas características son físicas,

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químicas y mecánicas, siendo entre otras las más importantes la hidratación, el calor de hidratación, el peso específico o densidad, la superficie específica o finura, la consistencia normal, el tiempo de fraguado, la estabilidad de volumen o sanidad y la resistencia mecánica. 2.6.1. HIDRATACIÓN La hidratación es el proceso mediante el cual el cemento, en presencia de agua, reacciona químicamente y desarrolla sus propiedades aglutinantes; es decir, los componentes principales del cemento (C2S, C3S, C3A y C4AF), en presencia de agua, forman productos de hidratación formando la pasta en estado fresco, que con el transcurso del tiempo forna una masa rígida y más tarde endurece dando origen a propiedades mecánicas (resistencia a los diferentes esfuerzos, durabilidad, entre otros), que son utilizados en aplicaciones en la construcción. Cuando un grano de cemento entra en contacto con el agua, no reacciona totalmente, sino que forma una película superficial, que pese a su aumento de profundidad con el proceso de hidratación, queda en el interior una parte sin reaccionar, formando un núcleo inerte (ver Figura 2.4.) La parte de cemento que se ha hidratado se denomina GEL. El proceso de hidratación del cemento se caracteriza por que no se desarrolla a una velocidad constante sino que disminuye con el paso del tiempo. Es así como un grano de cemento, cuyo diámetro promedio es de aproximadamente 35 µm, presenta una película superficial de unas 3,5 µm de profundidad a los 28 días y de 8 µm luego de un año; de manera tal que habrá una gran cantidad de partículas, especialmente las más gruesas, que en su interior contienen material que aún puede reaccionar. Esto explica porque hay granos que pueden durar varios años en hidratarse o no hidratarse nunca, generando de esta manera un bajo rendimiento del cemento. Lo anterior significa que para aprovechar el potencial de reacción del cemento con el agua, es necesario seguir hidratando la mezcla una vez ésta haya fraguado, proceso que se denomina curado, el cual será más eficiente en la medida que se aplique con prontitud y se

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mantenga constante por lo menos los primeros 4 días, tiempo en el que se desarrolla con mayor velocidad el proceso de hidratación. El proceso de adquisición de resistencia del cemento se aprecia en la figura 2.3, en donde se muestra la velocidad de adquisición de la resistencia en relación con la de 28 días; es de notar que a 1 día tiene aproximadamente el 10%, a los 3 el 40%, a los 7 el 70% y a los 14 el 90%.

Figura 2.3 Esquema de adquisición de resistencia del cemento con la edad 2.6.2. CALOR DE HIDRATACION Otra de las consecuencias de la reacción química del agua y el cemento, especialmente durante el proceso de fraguado y comienzo del endurecimiento (primeras horas), es el desprendimiento de calor, denominado calor de hidratación. Como ya se mencionó, cada uno de los compuestos principales del cemento aporta en mayor o menor medida calor de hidratación; o sea que la cantidad de calor generado por un cemento depende de su composición química y será aproximadamente equivalente a la suma del calor generado por cada uno de los compuestos individuales. En la tabla 2.4 se enseñan algunos valores característicos del calor de hidratación generado por algunos cementos, expresada como porcentaje del total para el tipo 1.

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Figura 2.4 Como ya se mencionó, el calor de hidratación generado por el cemento se manifiesta durante los procesos de fraguado y endurecimiento, presentándose el pico máximo de temperatura durante el fraguado. ]Cuando termina el proceso de fraguado, comienza un descenso térmico que genera contracción del material dando origen a esfuerzos de tensión internos que cuando superan los que puede resistir el concreto, ocasionan agrietamiento en la masa de concreto. El efecto de calor de hidratación se hace cada vez más importante en la medida que la estructura gana espesor. Es así como en los concretos masivos, se puede concentrar tal cantidad de calor que no se disipa fácilmente, como sí se hace en la parte externa de la estructura, de modo que se produce un diferencial de temperatura que cuando alcanza alrededor de los 20 ºC, se pueden generar grietas o fisuras de gravedad para la estructura. Las secciones estructurales delgadas disipan el calor de hidratación difundiéndolo al ambiente; intercambio que se hace más difícil a medida que se engruesa la sección.

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TIPO DE CARACTERÍSTICAS CEMENTO

% DE CALOR GENERADO

Uso general 100 Moderada resistencia a los sulfatos 80 a 85 Alta resistencia inicial 150 a 60 Bajo calor de hidratación 40 60 a 75 Alta resistencia a los sulfatos Tabla 2.4. Cantidades aproximadas de calor generado en los primeros 7 días. (2.5) 1 2 3 5

Como se puede apreciar, el calor de hidratación del cemento es una propiedad nociva para el concreto y por tanto es necesario controlarlo. Para ello existen varias formas. Una consisten en usar cementos cuyo contenido de C3A y C3S sea bajo, toda vez que son estos los componentes que mayor calor de hidratación genera. Otra alternativa es usar cementos con adiciones que aportan bajo calor de hidratación, como es el caso de las puzolanas y las escorias de alto horno. La otra alternativa es controlar la temperatura del concreto a edades tempranas manteniendo la estructura húmeda; esta última es la segunda razón de peso para curar el concreto. La estimación de la cantidad de calor de hidratación desarrollada por un cemento se puede hacer por varios métodos. La NTC 117 establece un procedimiento que se basa en la diferencia entre el calor de disolución del cemento anhidro (no hidratado) en determinadas condiciones, y el calor de disolución del mismo parcialmente hidratado a las edades de 7 y 28 días, en las mismas condiciones de ensayo. Existe otro ensayo desarrollado en los Estados Unidos, que consiste en calcular el calor de hidratación de manera aproximada, mediante una fórmula obtenida luego de ensayar varios cementos comerciales. Tal expresión es: CH = 136 (C3S) + 62(C2S) + 200(C3A) + 30(C4AF)

Ec (2.1)

En donde CH es el calor de hidratación de un gramo de cemento y los términos numéricos indican el porcentaje en peso de los respectivos compuestos entre paréntesis.

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La forma de expresar el calor de hidratación es en calorías por gramo (cal/gr) o en joules/gramo (J/gr.) 2.6.2. PESO ESPECÍFICO El peso específico o densidad es una propiedad física del cemento que relaciona el peso y el volumen absoluto que ocupa ese peso, por lo que sus unidades se expresan en peso por unidad de volumen (gr/cm3, kg/m3, o t/m3). El valor del peso específico varía dependiendo del tipo de cemento. En un cemento pórtland, su valor varía entre 3100 kg/m3 y 3150 kg/m3, y en los cementos que contienen adiciones su valor puede estar entre 2800 kg/m3 y 3100 kg/m3, siendo su valor un poco menor debido a que las adiciones generalmente son muy finas y menos densas que el cemento, pues casi siempre se habla de cenizas. Aunque el valor del peso específico del cemento no es un indicativo de su calidad, si puede dar una idea acerca de si el cemento contiene algún tipo de adición. La principal aplicación de su valor está en el diseño de mezclas de concreto, ya que estas se hacen por peso. Existen varios métodos para determinar la densidad del cemento, yel más usado en Colombia es el de Le Chatelier cuyo procedimiento se encuentra en la NTC 221. Consiste básicamente en introducir una muestra de cemento previamente pesada en un recipiente graduado que permite leer el volumen (Frasco de Le Chatelier) que contiene un líquido que no reacciona con él (kerosene o nafta); el cemento desplaza el líquido, de modo que por diferencia de alturas del líquido se puede conocer el volumen absoluto que ocupa el cemento. El peso específico es la relación entre el peso introducido y el volumen ocupado por este. 2.6.3. PESO LITRO El peso litro del cemento se define como la relación entre el peso de una muestra de cemento y el volumen relativo que este ocupa.

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Este factor, también llamado densidad bulk o a granel, es usado generalmente para determinar el espacio que ocupará una determinada cantidad de cemento, toda vez que el volumen con que se calcula este factor es real y por ello su principal aplicación está en la capacidad de almacenamiento. El método para su determinación consiste simplemente en llenar un recipiente de volumen conocido (sin compactar) con cemento y pesar su contenido. La relación entre estas dos cantidades es el peso litro. 2.6.4. SUPERFICIE ESPECÍFICA O FINURA La superficie específica o finura es una propiedad física íntimamente relacionada con el tamaño de los granos de cemento o con el área superficial de los mismos. Es una propiedad que reviste gran importancia pues influye en factores claves como la velocidad de hidratación, la tasa de adquisición de resistencia, el costo del cemento, la cantidad de calor de hidratación liberado, la retracción, la exudación y la manejabilidad. Como se explicó anteriormente, la hidratación comienza por la superficie exterior de los granos, de manera que el área superficial total de los granos de cemento representa el material susceptible de hidratación. En consecuencia, la velocidad de hidratación o la velocidad de adquisición de resistencia, dependerá directamente del grado de finura de las partículas de cemento. El grado de finura se obtiene en la última etapa del proceso de elaboración del cemento cuando se muele el clínker con el yeso; entre mayor sea el tiempo de molido mayor será la finura pero, así mismo, a un mayor costo pues es uno de los procesos de la producción que más energía consume. El cemento que comúnmente requiere de mayor finura es el tipo 3. Entre más fino sea un grano de cemento con mayor rapidez se desarrollará la reacción química durante el proceso de hidratación, de modo que el calor de hidratación liberado será mayor. Esto lleva implícito una mayor contracción en la masa de concreto y, por tanto, un mayor riesgo de fisuramiento. En este orden de cosas, el proceso

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de curado cobra mayor importancia, requiriéndose que se aplique oportunamente y con mayor intensidad. La finura del cemento también esta relacionada con el deterioro del cemento durante su almacenamiento, ya que entre más fino es más reactivo y, en consecuencia, mayor probabilidad que se hidrate con la humedad ambiente.

Cuando el cemento tiene esta característica y se despacha en sacos, normalmente las fábricas le proveen talegos de tres capas de papel con la intermedia plastificada. En un cemento fino se tiene que la retención de agua de la mezcla de concreto es mayor que en grano grueso, lo cual genera menor riesgo de exudación, pues su mayor superficie específica evitará que parte del agua de mezclado migre hacia la superficie. Así mismo, cementos muy finos requerirán de mayor cantidad de agua de mezclado para proveerle al concreto una determinada manejabilidad. Como se puede apreciar, la finura del cemento es una propiedad vital que incide en buena parte de las propiedades del concreto. Su medida se puede realizara a través de métodos directos o indirectos, tal como se resume en la tabla 2.5. De los métodos relacionados, el más conocido y ampliamente usado en Colombia es el Permeabilímetro de Blaine, cuyo procedimiento consiste en medir el tiempo que gasta en pasar una determinada cantidad de aire a través de una capa de cemento porosidad definida; como el gasto del aire a través de la capa es función de la superficie específica de las partículas de cemento, la finura del cemento en cuestión se determina de manera indirecta comparando los valores obtenidos con los de una muestra patrón de finura conocida. La finura se expresa en términos de área superficial de las partículas contenidas en un gramo de cemento en m2/kg ó cm2/g. Así las cosas, los cementos pórtland suelen presentar valores superiores a los 3000 cm2/g, mientras que los que contienen adición sueles estar entre los 3400 cm2/g y 5000 cm2/g o más. La NTC 121 establece que como mínimo debe ser de 2800 cm2/g. La razón por la cual los cementos con adición presentan por lo general altos valores de finura, se debe a que las adiciones poseen mayor superficie específica que el clínker molido.

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Los métodos directos de tamizado consisten en hacer pasar un determinado peso de cemento a través de un tamiz muy fino (mallas de 74 µm ó 149 µm ó 44 µm).

NOMBRE DEL MÉTODO Directos

Indirectos

Tamizado Tamizado Turbidímetro de Wagner Permeabilímetro de Blaine

NTC DONDE SE DESCRIBE 226 294 597 33

Tabla 2.5. Métodos para Medir la Finura o Superficie Específica 2.6.5. CONSISTENCIA NORMAL Una de las características físicas del cemento que no se mide directamente sobre el material puro sino sobre la pasta es la consistencia normal. El cemento al mezclarse con agua forma la pasta, que en estado fresco se caracteriza por tener un determinado grado de consistencia o firmeza. Tal consistencia depende de la cantidad de agua agregada, de modo que al incrementar su cantidad, dejando constante la de cemento, disminuye la consistencia de la pasta y viceversa. La consistencia normal de la pasta es un parámetro definido arbitrariamente usando el Aparato de Vicat. El Aparato de Vicat consiste en un soporte (ver figura 2.5) que sostiene un vástago de 300 g de peso que se puede mover verticalmente y este, a su vez, en el extremo inferior permite acoplar en un extremo un émbolo de 10 mm de diámetro y en el otro una aguja de 1 mm de diámetro. El vástago es reversible y puede sostenerse en la posición deseada por medio de un tornillo; así mismo, el soporte tiene un índice ajustable que se mueve sobre una escala graduada en mm. Consta además de un molde de forma tronco cónico en el que se coloca la pasta de cemento.

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El procedimiento de ensayo para medir la consistencia normal de la pasta de cemento se describe en la NTC 110. Consiste en preparar la pasta con 500 g de cemento y una cantidad conocida de agua. La pasta se coloca en el molde tronco cónico, se pone el émbolo en contacto con la superficie superior de la pasta y se suelta. Dependiendo de la consistencia de la pasta, el émbolo penetra una determinada profundidad; si esta penetración es de 10 ± 1 mm después de 30 segundos de haber soltado el émbolo, se considera que la pasta tiene consistencia normal. El contenido de agua en una pasta normal se expresa como porcentaje en peso del cemento seco, el cual usualmente varia entre 23 y 33%. En la medida que el cemento sea más fino requerirá mayor contenido de agua.

Figura 2.5

En realidad, la consistencia normal no es una característica que mida directamente la calidad de un determinado tipo de cemento, pero si es una condición previa para medir otras características como es el tiempo de fraguado y la estabilidad de volumen, indicadores directos de la calidad.

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2.6.6. TIEMPO DE FRAGUADO Cuando el cemento se mezcla con el agua, la pasta resultante adquiere una plasticidad que se va perdiendo con el transcurso del tiempo hasta que se torna rígida. Este cambio se conoce como proceso de fraguado, y el tiempo que transcurre desde el mezclado hasta que se vuelve rígida se conoce como tiempo de fraguado. Es conveniente anotar que el concepto de fraguado tiende a confundirse con el de endurecimiento o resistencia. El fraguado es el cambio de estado plástico a rígido sin que pueda resistir esfuerzos mecánicos, mientras que el endurecimiento es el aumento progresivo de resistencia de la pasta ya fraguada. El tiempo de fraguado es un parámetro definido de manera arbitraria. En la práctica se emplean los términos de tiempo de fraguado inicial y tiempo de fraguado final. El tiempo de fraguado inicial corresponde al lapso comprendido entre el mezclado y la pérdida parcial de plasticidad de la pasta, encontrándose el cemento parcialmente hidratado. El tiempo de fraguado final se caracteriza porque la pasta deja de ser deformable con el cemento aun más hidratado. A partir de este momento comienza el endurecimiento o adquisición de resistencia de la pasta, proceso que en las primeras edades es muy rápido como consecuencia del proceso de hidratación ya explicado, el cual va disminuyendo con el transcurso del tiempo, de tal modo que luego de 28 días la adquisición de resistencia es relativamente pequeña, pero que continua mientras el cemento siga hidratándose. El proceso de fraguado se caracteriza porque va acompañado de calor de hidratación; durante el fraguado inicial hay un aumento rápido, mientras que en el final se presenta el máximo valor. De otra parte, el tiempo de fraguado está influenciado por la temperatura ambiente; es así como a medida que se incrementa la temperatura se disminuye el tiempo de fraguado y, por el contrario, a medida que disminuye la temperatura, el tiempo de fraguado es mayor, aunque con temperaturas cercanas a 0ºC se puede presentar que el cemento no reaccione y no fragüe.

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Los tiempos de fraguado se miden en laboratorio por medio del Aparato o Agujas de Vicat, cuyo procedimiento de ensayo se encuentra descrito en la NTC 118. Hasta hace algún tiempo se empleaba también como método alterno el de las Agujas de Gillmore, pero hoy en Colombia no se usa a pesar de permanecer el procedimiento de ensayo en la NTC 109, de haber aún equipos en algunos laboratorios y que la NTC 121 la mantiene como requisito alternativo. El método de Vicat emplea el mismo principio para obtener la pasta de consistencia normal. Se trata de hacer penetrar la aguja de 1 mm de diámetro sobre una pasta de consistencia normal; cuando la penetración de la aguja es de 25 mm luego de 30 segundos de haberla soltado, se considera que se ha presentado el fraguado inicial.. Por su parte, el tiempo de fraguado final se mide desde el amasado de la pasta hasta cuando la aguja apenas deja una ligera huella sin que haya penetración. En la práctica, los tiempos de fraguado son importantes porque dan un indicativo de si la pasta está o no sufriendo reacciones de hidratación normales. También dan una idea acerca del tiempo disponible para el mezclado, transporte, colocación, vibrado y terminado de concretos y morteros, la edad a la cual puedan soportar cargas, así como la de permitir tránsito sobre ellos y la ejecución del tratamiento de curado. La NTC 121 establece que el fraguado inicial se debe presentar luego de 45 minutos, y el final antes de 10 horas. 2.6.6.1. Falso Fraguado Durante los primeros minutos de mezclado del cemento con el agua, se puede presentar una rigidización prematura y anormal de la pasta, fenómeno que se le denomina como falso fraguado. Este fenómeno se presenta, cuando se produce una deshidratación parcial o total del yeso, que como se recordará, es el elemento regulador (retardador) del fraguado del cemento. Esta deshidratación se debe a cualquiera de los siguientes factores: •

Cuando se mezcla el clínker caliente con el yeso.

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•

Cuando los molinos del clínker se calientan a temperaturas superiores a 100º C. En estos casos, la industria cementera recurre al enfriado del molino mediante aspersión de agua en su interior.

•

Cuando se produce una activación del C3S, por aireación del cemento en zonas de alta humedad.

El falso fraguado se caracteriza por una significativa pérdida de plasticidad, sin despedir calor en forma apreciable. Este fenómeno se soluciona simplemente prolongando el tiempo de mezclado pero sin agregar agua, ya que se alteraría la mezcla trayendo como consecuencia la disminución en la resistencia. Un falso fraguado muy marcado de un cemento puede traer consecuencias en el manejo y colocación del concreto; no obstante, esto se puede obviar con métodos de mezclado prolongados como sucede en el concreto premezclado o cuando el concreto es remezclado antes de colocarlo, como en el caso del concreto bombeado. Por el contrario, se pueden presentar inconvenientes cuando se mezcla en mezcladoras fijas y se transporta en equipos sin agitación (volquetas, por ejemplo). Hoy en día la probabilidad de tener falsos fraguados son pocas, toda vez que las plantas productoras de cemento cuentan con pruebas de laboratorio para detectarlo a tiempo. En Colombia se cuenta con la NTC 225 y la NTC 297, que describen procedimientos para detectar éste fenómeno. La primera usa un mortero y la segunda una pasta. 2.6.6.2

Fraguado relámpago

Tal como se mencionó en el proceso de fabricación del cemento, el clínker puro se caracteriza porque al entrar en contacto con el agua se produce un fraguado inmediato, fenómeno conocido como fraguado relámpago. Este tipo de fraguado se debe a la rápida reacción del C3A puro con el agua sin que medie un regulador como lo es el yeso. El fraguado relámpago se caracteriza porque produce un endurecimiento inmediato de la pasta y expide mucho calor de

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hidratación. Se previene agregando yeso durante la manufactura del cemento para molerlo junto con el clínker. 2.6.7. ESTABILIDAD DE VOLUMEN O SANIDAD La estabilidad de volumen o, a veces llamada, sanidad del cemento, es una propiedad de la pasta endurecida que se refiere a la habilidad para conservar su volumen después del fraguado; es decir que no sufra contracciones ni aumentos de volumen, pues cualquiera de las dos situaciones genera esfuerzos indeseables de tensión internos que puede conducir a agrietamientos de la masa de concreto endurecida. La contracción de la pasta se debe al descenso térmico que ocurre en la pasta luego del proceso de fraguado ocasionado por el calor de hidratación del cemento. En el evento que los esfuerzos de tracción internos generados sean superiores a los que puede resistir el concreto, se forman fisuras (llamadas de contracción de fraguado) que se manifiestan durante los primeros meses. La expansión del cemento puede ser debida a la periclasa (óxido de magnesio cristalizado), o por la cal libre o por sulfato de calcio (yeso). Tal como se mencionó en el proceso de fabricación del cemento, el óxido de magnesio cristalino se forma por un enfriamiento lento de clínker. La cal libre presente en el clínker se puede presentar por cualquiera de las siguientes tres razones: ̇ por una deficiente molienda de las materias primas, ̇ por una insuficiente temperatura en el horno, o ̇ por una inadecuada dosificación de la caliza. Es de anotar que cuando se le adiciona cal al cemento no se produce aumento de volumen en razón de que ésta se hidrata más rápidamente antes del fraguado de la pasta. Por su parte, cuando se dosifica un contenido mayor de yeso al necesario para que reaccione con el C3A y permitir el proceso de fraguado, se presenta un yeso libre que se hidrata de manera lenta produciendo expansión. Por este motivo la dosificación de yeso al cemento durante su elaboración debe ser exacta.

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Dado que la expansión del cemento se manifiesta mucho después de que se ha usado el cemento en una estructura (pueden pasar meses o incluso años), se han desarrollado métodos de laboratorio que permiten conocer en cuestión de horas el potencial expansivo del cemento. Los más ampliamente usados son el de la Agujas de Le Chatelier y el del Autoclave. El método más utilizado en Colombia es el del Autoclave, cuyo procedimiento se describe en la NTC 107. Dicho ensayo consiste en medir el cambio de longitud de unas barras de sección cuadrada de 25 mm de lado y 254 mm de longitud, hechas con pasta de cemento de consistencia normal y sometidas a un proceso acelerado de hidratación (curado durante 3 horas a 216 ºC y a una presión de 20,8 kg/cm2) dentro de un recipiente hermético (Autoclave). El aumento de longitud que experimentan las barras se debe a que el tratamiento en Autoclave simula las reacciones desarrolladas por el óxido de magnesio cristalizado y por la cal libre que eventualmente pudieran estar presentes en el cemento. El cambio de longitud se expresa en porcentaje de la longitud inicial. Se ha visto que el proceso acelerado de hidratación mediante presión y temperatura no simula del todo las reacciones que tendrá el cemento luego de pasados algunos años, especialmente en los cementos que tienen adiciones, circunstancia que ha hecho que se use cada vez más la prueba de Le Chatelier. El ensayo de las agujas de Le Chatelier, descrito en la NTC 1514, consiste en medir el cambio de diámetro de pequeños cilindros hechos con pasta de cemento de consistencia normal de 30 mm de diámetro y 30 mm de altura, curados unos en agua a temperatura ambiente y otros en agua en ebullición. Las muestras curadas a temperatura ambiente (21ºC) se realiza durante 6 días, tiempo después del cual se mide el aumento del diámetro que experimenta, debido probablemente al exceso de yeso o cal libre. Las muestras curadas en agua caliente se dejan enfriar luego de tres horas de ebullición, hasta que alcancen una temperatura aproximada de 21ºC; la expansión así obtenida se debe posiblemente a la presencia de cal libre o de magnesio.

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2.6.8. RESISTENCIA Tal vez la característica más importante del cemento desde el punto de vista construcción y específicamente a lo que se refiere a requisitos estructurales es su resistencia mecánica; por ello, constituye requisito indispensable en todas las especificaciones. Hasta hace algún tiempo existía la incertidumbre sobre si la resistencia mecánica del cemento debiese ser medida sobre probetas de pasta de cemento puro, de mortero o de concreto. En primera instancia resulta obvio pensar que se debería medir directamente sobre muestras de pasta de cemento puro; sin embargo, esta alternativa pierde validez por la dificultad que tienen a ser moldeadas, dando origen a una gran variación en los resultados. En el caso de las probetas de concreto existe el problema de la estandarización de los agregados, en especial la fracción gruesa (grava), toda vez que sus características (gradación, forma, textura, origen mineralógico, etc.) son determinantes en los resultados, presentando también gran divergencia. En el caso de las probetas de mortero, al contrario de las anteriores, presentan mucho menor dispersión en los resultados y su fracción fina (arena) se ha podido estandarizar. Por esta razón, en la mayoría de países del mundo, incluyendo Colombia, se mide la resistencia por medio de probetas de mortero. En lo que se refiere a las cantidades relativas de cada uno de los componentes del mortero que se usan para la elaboración de las probetas, hay varios criterios. Uno de los más generalizados en la mayor parte de los países del mundo, consiste en proporcionar, por peso, una parte de cemento por tres de arena normalizada; no obstante, la norma ASTM C 109 en la cual se ha basado la NTC 220 que actualmente se usa en Colombia, establece que la dosificación se debe hacer en proporción 1:2,75. La cantidad de agua se puede determinar por medio de tres alternativas: una europea y dos norteamericanas. El método europeo establece que la cantidad de agua debe ser tal que cumpla con una relación agua/cemento igual a 0,5 (a/c = 0,5), de modo que

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conocido el peso del cemento con el cual se van a elaborar las probetas, se puede conocer fácilmente los gramos de agua que se debe agregar a la mezcla. Por su parte, la ASTM establece que la relación a/c debe ser igual a 0,485, o la necesaria para producir un mortero de consistencia normal. En Colombia se usa este último. El mortero de consistencia normal se determina en el laboratorio por medio de una mesa de caída de flujo. El ensayo, descrito en la NTC 111, consiste en colocar una muestra de mortero dentro de un molde forma tronco cónica sobre una superficie metálica circular la cual, mediante un mecanismo sube el conjunto hasta una altura de 127 mm y cae libremente; luego de aplicar este proceso 25 veces durante 15 segundos, la muestra de mortero experimenta un aumento de diámetro el cual depende de su consistencia. Cuando dicho aumento es del orden del 115% respecto de su diámetro inicial, se dice que el mortero tiene una consistencia normal. La arena que se utiliza para elaborar las probetas está normalizada y tiene un estricto control. En primer lugar debe cumplir con la granulometría dada en la tabla 2.6, compuesta por tres tamaños de arena natural. En segundo lugar, debe estar compuesta por un contenido de sílice s superior al 95%. En tercer lugar, la forma de sus granos debe ser aproximadamente esférica. En cuarto lugar, debe tener altos contenidos de cuarzo. Y en quinto lugar, no debe ser absorbente ni angulosa. Con estos requisitos se garantiza una variación mínima en los resultados obtenidos. Tamiz, mm (Nº) 1,190 (16) 0,595 (30) 0,297 (50) 0,149 (100)

% pasa 100 98 ± 2 28 ± 5 2±2

Tabla 2.6 Gradación normalizada de la arena para la fabricación de probetas de mortero

La arena con las características antes anotadas es de difícil obtención, por lo que la industria del cemento y algunos laboratorios la importan de los Estados Unidos (Arena de Ottawa), lo cual incrementa el costo de las pruebas. La industria cementera ha

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probado con la arena estandarizada europea CEN, pero los resultados han arrojado valores hasta un 20% más altos que con la Arena de Ottawa. Las pruebas de resistencia mecánica desarrolladas son las de compresión, tensión y flexión, siendo la de compresión la más importante y la que generalmente se especifica. La resistencia a la compresión se mide de acuerdo con el procedimiento dado en la NTC 220, sobre probetas estándar de mortero de consistencia normal, de forma cúbica de 50 mm de arista, las cuales son sometidas a esfuerzos de compresión a velocidad constante El valor de la resistencia a una determinada edad es el promedio de tres cubos hechos de la misma bachada de mortero.

El procedimiento para medir la resistencia a la tensión del cemento se describe en la NTC 119. El ensayo consiste en briquetas de mortero (ver Figura 2.6) moldeadas de forma estándar y curadas durante 24 horas. A estas briquetas se les aplica tensión directa, a través de mordazas especiales, colocadas en los extremos anchos. Este ensayo, a pesar que todavía aparece en los procedimientos vigentes, hace mucho tiempo no se realiza debido a la gran dispersión que se ha encontrado en los resultados por la concentración de esfuerzos que se generan en la zona de contacto entre la mordaza y la briqueta.

El ensayo a flexión se hace de acuerdo con la NTC 120, sobre una vigueta prismática de sección cuadrada de 40 mm de lado y 160 mm de longitud. El ensayo se lleva a cabo colocando la vigueta sobre cilindros de apoyo y aplicando la carga en el punto medio de la longitud de la muestra. Al igual que el de tracción, este ensayo también está en desuso por no tener una directa aplicación; por ello las especificaciones no lo contemplan.

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Figura 2.6. Por último, vale mencionar que la resistencia del cemento no puede ser usada para predecir la resistencia del concreto con alto grado de aproximación, debido a las muchas variables involucradas en las mezclas de concreto (resistencia propia de los agregados, su granulometría, proporción de los componentes, entre otros) y los procedimientos de elaboración de las probetas. 2.7. CALIDAD DEL CEMENTO Cualquiera que sea el uso que se le vaya a dar, se debe asegurar que el cemento tenga las características físicas, químicas y mecánicas idóneas, de modo que esas propiedades le sean transmitidas a la estructura. Para ello entonces, el cemento debe cumplir con determinadas especificaciones que permitan asegurar que el material es adecuado. Las especificaciones del cemento pueden estar dadas por prescripción o por desempeño. En el sentido estricto, Las especificaciones por desempeño se basan en probar que el cemento usado en una determinada obra o estructura cumplirá con las características exigidas, independientemente de los materiales con los cuales fue elaborado. Por su parte, las especificaciones por prescripción pretenden controlar ciertas características físicas y mecánicas y de limitar su composición química. En Colombia rige la NTC 121 que relaciona las especificaciones físicas y la NTC 321 que se refiere a las especificaciones químicas del

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cemento; estas tienen como base la ASTM C 150, las cuales están dadas por prescripción. Por su parte, las Normas Colombianas de Diseño y Construcción Sismo Resistente, que es un decreto reglamentario de la Ley 400 de 1997, establece que el cemento debe cumplir con las NTC antes citadas. Allí también se permite el uso de cementos fabricados bajo las normas ASTM C 150 y ASTM C 595, esta última referida a los cementos mezclados. Hace referencia a que el cemento usado en la obra debe corresponder a aquel sobre el cual se basa la dosificación de la mezcla de concreto; así mismo, prohibe el uso del cemento de mampostería en la elaboración de concreto. En la tabla 2.7 se muestran los requisitos físicos obligatorios, en la tabla 2.8 los requisitos físicos opcionales y en la tabla 2.9 los requisitos químicos, establecidos en las NTC 121 y 321. Para finalizar, cabe anotar que las adiciones para que puedan ser usadas en el cemento también deben cumplir con unos requisitos; así mismo, existen métodos de ensayo para medir la actividad puzolánica. Las cenizas volantes y otras puzolanas se rigen por la NTC 3493 (ASTM C 618); las escorias siderúrgicas lo hacen por la NTC 4018 (ASTM C989); el humo de sílice (microsílica) por la NTC 4637 (ASTM C1240); y el método para determinar la actividad puzolánica se relaciona en la NTC 1784. Tipo 1 Finura, (superficie especifica en m2/kg) - Permeabilímetro de Blaine, 280 mínimo Estabilidad de volumen Expansión en Autoclave, máx., % 0,8 Tiempos de fraguado (Agujas de Vicat): Tiempo inicial, mín., en min. 45 Tiempo final, máx. en hs 8 Resistencia a la compresión, en cubos de mortero, en MPa, mín. 1 día 3 días 7 días 28 días

8,0 15,0 24,0

Tipo 1M

Tipo 2

Tipo 3

Tipo 4

Tipo 5

280

280

-

280

280

0,8

0,8

0,8

0,8

0,8

45 8

45 8

45 8

45 8

45 8

12,5 19,5 -

10,5 17,5 -

10,0 21,0 -

7,0 17,5

8,5 15,5 21,0

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Tabla 2.7 Requisitos físicos obligatorios (2.3) Tipo 1

Tipo1M

Tipo 2

Tipo 3

Tipo 4

Tipo 5

60 10

60 10

60 10

60 10

Tiempo de fraguado (métodos alternativos). - Ensayos por agujas de Gilimore : 60 10

Tiempo inicial, en minutos, mínimo Tiempo final, en horas, máximo Falso fraguado, penetración final mínimo % Calor de hidratación

60 10

50

50

50

50

50

50

-

-

-

-

250 (60) 290 (70)

-

-

290 (70) 330 (80)

Resistencia a la compresión, a 28 días, en MPa

-

28

24

-

-

-

Expansión a los sulfatos 14 días, máximo %

-

-

-

-

-

0,045

Tipo 1 7,0 3,5 -

Tipo 1M 7,0 3,5 5,0 4,0 -

Tipo 2 21,0 6,0 6,0 7,0 4,0 3,0 8,0 58,0d)

Tipo 4ª 6,5 7,0 3,5 3,0 35,0 40,0 7,0

Tipo 5ª 7,0 4,0 3,0 5,0

-

-

-

-

20,0

7 días máximo kJ/kg. (aprox. Cal/g) 28 días, máximo kJ/kg. (aprox. cal/g)

-

Tabla 2.8 Requisitos físicos opcionales (2.3)

Dióxido de silicio (SiO2), mín % Óxido de aluminio (Al2O3), máx % Óxido de hierro (Fe2O3), máx % Óxido de Magnesio (MgO), máx % Trióxido de azufre (SO3), máx % Pérdida al fuego, máx % Residuo insoluble, máx % Silicio tricálcico (3CaO. S1O2)b), máx % Silicato dicálcico (3CaO. S1O2)b), mín % Aluminato tricálcico (3CaO.Al2O3)b), máx % (3CaO. SiO2) + (3CaO.Al2O3) , máx %Ferrialuminato tetracálcico más el doble de aluminato tricálcicob) (4CaO.Al1O3.Fe2O3) + 2 (3CaO.Al2O3), o solución sólida (4C2O.Al2O3. Fe2O3 + 2 CaO. Fe2O3) el que es aplicable, máx %

Tipo 3 7,0 4,5 4.0 3,0 15,0c) -

-

Tabla 2.9 Requisitos químicos del cemento Pórtland (2.3)

a) Se hace notar que los cemento que se adaptan a los requisitos de los tipos 4 y 5 no se tienen generalmente en almacenamiento. Antes de especificar su uso, los compradores o sus representantes determinarán si esos tipos de cemento se encuentran disponibles.

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b) El expresar las limitaciones químicas por medio de supuestos compuestos calculados no significa necesariamente que los óxidos estén presentes como tales compuestos. Cuando la relación del porcentaje de óxido de aluminio a óxido férrico sea 0,64 o más, los porcentajes de silicato tricálcico, silicato dicálcico, aluminato tricálcico y Ferrialuminato tretacálcico serán calculados con base en el siguiente análisis: Silicato tricálcico = (4,07 x % CaO) – (7,6x%S1O2) – (6,718 x % Al2O3) – (1,430 x % Fe2O3) – (2,852 x % SO3) Silicato dicálcico = (2,867x% S1O2) – (0,7544x%C3S) Aluminato tricálcico = (2,650x%Al2O3) – (1,692x%Fe2O3) Ferrialuminato tetracálcico = 3,043x%Fe2O3 Cuando la relación entre la alúmina y el óxido férrico sea menor de 0,64 se formará una solución sólida de Ferrialuminato cálcico (expresada como ss (C4AF + C2F). Los contenidos de esta solución sólida y de silicato tricálcico se calcularán por las siguientes fórmulas. ss (C4AF + C2 F) = (2,1x%Al2O3) + (1,702x%Fe2O3) Silicato tricálcio = (4,071x%CaO) – (7,6x%S1O2) – (4,479x%AL2O3) – (2,859x%Fe2O3) - (2,852x%SO3) Ningún aluminato tricálcico estará presente en los cementos de esta composición. El silicato dicálcico se calculará como se mostró anteriormente. En el cálculo de C3 A se usarán los valores de Al2O3 y Fe2O3 determinados al 0,01%. En el cálculo de otros compuestos se usarán los óxidos determinados al 0,1%. Los valores de C3A y los de la suma de C4AF +2C3A se calcularán con aproximación del 0,1%. Los valores de otros compuestos se calcularán con aproximación del 1%.

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c) Cuando se requiera una resistencia moderada a los sulfatos para el cemento Tipo 3, el aluminato tricálcico debe limitarse al 8%. Cuando se requiera una alta resistencia a los sulfatos, el aluminato tricálcico debe limitarse al 5%. d) El límite de las una de silicato tricálcico y aluminato tricálcico para el cemento Tipo 2 se aplicará cuando se requiera un moderado calor de hidratación y no se requieran ensayos para determinarlo. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS 2.1. AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. Cement, Lime and Gypsum. Philadelphia, ASTM, 1983.

Part 13,

2.2. CEMENT AND CONCRETE ASSOCIATION. Concrete Technology and Construction, Portland Cement. London, C&CA, 1984. 2.3. INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TECNICAS. Normas Técnicas Colombianas para la Construcción. Bogotá, ICONTEC, 1983. 2.4. INSTITUTO COLOMBIANO DE PRODUCTORES DE CEMENTO. Resúmenes 06-01-163. Medellín, ICPC, 1985. 2.5. NEVILLE, A.M. Tecnología del Concreto Vol. 1. México, IMCYC, 1980. 2.6. PLATA, MARTHA P. Materiales de Construcción - Manual de Laboratorio. Bogotá, Universidad Javeriana, 1985. 2.7. PORRERO, J., RAMOS, C. y GRASES, J. Manual de Concreto Fresco. Caracas, CCCA, 1975. 2.8. PORTLAND CEMENT ASSOCIATION. Design and Control of Concrete Mixtures. Illinois, PCA, 1979. 2.9. SAAD, A.M. Tratado de Construcción Tomo I. México, IMCYC, 1983. 2.10. SANDINO, ALEJANDRO. Materiales para Estructuras. Colombiana de Ingeniería Bogotá, 1981.

Escuela

2.11. ASOCIACIÓN COLOMBIANA DE INGENIERÍA SÍSMICA. Norma Colombiana de Construcciones Sismo Resistente. Bogotá, AIS, 1998.

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3. AGUA PARA MEZCLAS DE CONCRETO 3.1. ALCANCE Como se estudió en el capítulo de cemento, el agua cumple papel importante durante el proceso de hidratación, constituyéndose en uno de los aspectos fundamentales para la tecnología del concreto, pues de este se derivan las propiedades del concreto. En este capítulo se presentan las diferentes formas como el agua participa; se analiza su función en la mezcla y las características que debe tener para que no alteren las propiedades del concreto; se dan algunas consideraciones sobre el agua de lavado de los agregados; se resumen algunos valores que se recomiendan como máximos para que las sustancias dañinas presentes en el agua no lleguen a afectar el concreto; por último, se presenta lo establecido por la normativa colombiana en cuanto a los requisitos de calidad que debe tener el agua para su uso en mezclas de concreto. 3.2. GENERALIDADES Tal como se ha explicado, el agua es el elemento por medio del cual el cemento desarrolla sus propiedades aglutinantes, ya que con ella experimenta reacciones químicas, dándole la capacidad de fraguar, endurecer y en general de adquirir las propiedades de roca artificial. La utilización del agua en la elaboración del concreto tiene fundamentalmente tres propósitos: •

Como agua de mezclado,

•

como agua de curado, y

•

como agua de lavado de los agregados.

El agua de mezclado forma aproximadamente el 15% del volumen total del concreto, de donde un 5% sirve para hidratar el cemento y el 10% restante lubrica al concreto siendo la responsable de la manejabilidad, evaporándose durante el proceso de fraguado. El agua de curado se utiliza después de que el concreto ha fraguado teniendo como funciones la de seguir hidratando el cemento y la de

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controlar el calor de hidratación. El agua de lavado de los agregados no participa activamente en la mezcla de concreto, pero es importante para el procesamiento de los agregados. La calidad del agua para el mezclado y el curado del concreto debe ser en términos generales la que tiene la potable. Cuando se utilizan aguas cuya calidad es desconocida, es necesario realizarle pruebas que implican comparación con agua de reconocidas buenas características para producir concreto. 3.1. AGUA MEZCLADO 3.1.1. Características El agua de mezclado es aquella que se le agrega al cemento para formar la pasta. Tiene como funciones básicas la de hidratar el cemento y la de lubricar a los agregados para darle fluidez a la mezcla y obtener así la manejabilidad del concreto en estado fresco. La parte del agua que le da manejabilidad a la mezcla se evapora dejando en su lugar canales capilares vacíos en la masa de concreto endurecido, tal como se muestra en el esquema de la figura 3.1, el cual servirá para explicar en el capítulo de Aire los fundamentos para disminuir la permeabilidad del concreto.

Figura 3.1 Esquema de evaporación del agua de mezclado Los canales capilares dejados por la evaporación del agua de manejabilidad son prácticamente invisibles, pero tienen gran influencia en las características del concreto endurecido. En primer lugar, están llenos de aire que le baja la densidad al concreto y por tanto le reducen la resistencia. En segundo lugar, por los canales se puede introducir el agua al interior de la masa de concreto

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endurecido, llevando consigo elementos nocivos que pueden atacar física y químicamente al concreto y deteriorarlo; es decir, le afectan la durabilidad. De otra parte, si el agua llega a donde se encuentra el acero de refuerzo, es probable que se produzca corrosión, acelerando así el proceso de deterioro de la estructura. En tercer lugar, un concreto en estado endurecido que ha sido elaborado con excesiva agua de mezcla, estéticamente no es agradable, pues quedan a la vista una serie de huecos de diferente forma y tamaño (“hormigueros”) ubicados de manera aleatoria. En cuarto lugar, al haber más agua que se evapora, se incrementa el riesgo por contracción de fraguado toda vez que la masa de concreto tiene mayor libertad de retraerse originando así mayor fisuramiento. En resumen, la cantidad de agua de mezclado es uno de los factores más importantes a controlar en la dosificación, ya que influye en la resistencia, la durabilidad, el grado de permeabilidad, el peso unitario, y en general en todas las propiedades del concreto. 3.1.2. Calidad La calidad del agua de mezclado es un factor tan importante como la cantidad. En general, se puede decir que cualquier agua natural que sea apta para el consumo humano y no tenga sabor u olor fuerte pueden ser usadas para la elaboración de concreto, sin que esto implique que el agua potable (como un agua con contenido de azúcares) sea adecuada para la elaboración de concreto. Las impurezas que puede haber disueltas en el agua, presentes en forma de suspensiones tales como azúcar, ácidos, sales, materia vegetal, aceites, sulfatos, etc., pueden interferir con la hidratación del cemento retrasando así el tiempo de fraguado y reduciendo la resistencia del concreto. Como estos efectos varían de manera acentuada con la marca y tipo de cemento usado así como la riqueza de la mezcla (cantidad de cemento), es conveniente conocer las cantidades de impurezas presentes en el agua. El agua que contiene más de 2.000 partes por millón (1 parte por millón = 1 ppm = 1 mg/L) de sólidos disueltos, se debe ensayar para probar su efecto en la resistencia y en el tiempo de fraguado. El

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siguiente resumen muestra, según la Portland Cement Association, el efecto de ciertas impurezas en la calidad del concreto. Los carbonatos y bicarbonatos de sodio y de potasio tienen efectos variables en los tiempos de fraguado de los diferentes cementos. El carbonato de sodio puede causar un fraguado muy rápido, mientras que los bicarbonatos pueden acelerar o retardar el fraguado. Estas sales en grandes concentraciones pueden alterar la resistencia del concreto y por esto, cuando la suma de sales disueltas excede de 1.000 ppm se recomienda hacer ensayos para verificar su efecto en los tiempos de fraguado y en la resistencia a la compresión. La presencia de cloruros en el agua de mezclado puede causar corrosión en el acero de refuerzo; es especialmente crítico en cables de tensionamiento de estructuras pretensadas. Estas sales se encuentran principalmente en aguas de mar o en zonas cercanas a minas de sal. La presencia de sulfatos en el agua de mezclado tiende a reaccionar con el C3A y a formar geles que se hinchan con los ciclos de humedecimiento y secado, lo cual degrada la estructura. Los sulfatos están presentes en las aguas marinas y suelos yesiferos, principalmente. Se ha visto que relativamente altas concentraciones de sulfato de magnesia no presentan efectos perjudiciales en la resistencia. Las sales de hierro generalmente no producen efectos nocivos al concreto y por lo tanto se permiten altas concentraciones; estas sales se encuentran en grandes cantidades en las aguas ácidas, aunque en las aguas naturales su contenido pocas veces pasa de 20 ppm a 30 ppm.

Las sales inorgánicas como las de manganeso, estaño, zinc, cobre y plomo, presentes en el agua de mezclado, pueden causar apreciable disminución en la resistencia y un retardo considerable en el tiempo de fraguado, recomendándose concentraciones inferiores a 500 ppm. Cuando se hace indispensable el uso de agua de mar, ésta no ofrece peligros si el contenido de sal disuelta no excede 35.000 ppm y se va a utilizar en estructuras de concreto no reforzadas. Sin embargo, un

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concreto elaborado con agua de mar, puede tener resistencias más altas en edades tempranas y menores después de 28 días. Cuando se trata de concreto reforzado no se recomienda el agua de mar para su fabricación debido a que se aumenta el riesgo de corrosión del acero de refuerzo; cuando no se cuenta con otro tipo de agua, se recomienda darle a la estructura unos recubrimientos mayores, elaborar el concreto con relación agua/cemento lo más baja posible y protegerla de la entrada de humedad. Es preferible utilizar agua de mar en lugar de arena de mar pero nunca las dos simultáneamente en la misma mezcla. Para concreto pretensado, normalmente en las especificaciones se prohibe el uso de agua de mar. Otro problema que se puede presentar con el agua de mar es aparición de eflorescencias, que son manchas blancas sobre superficie del concreto, originadas cuando la sal involucrada en agua de mezclado absorbe humedad del aire. Estas manchas confieren a la estructura un aspecto desagradable.

la la el le

Aguas que contienen ácidos inorgánicos, como ácido sulfúrico y clorhídrico en concentraciones menores de 10.000 ppm, no producen efectos adversos a la resistencia del concreto. Las aguas con un PH menor a 3,0 deben evitarse por su alto grado de acidez. El PH del agua de mezclado recomendado para la producción de concreto está entre 6 y 8. Las aguas alcalinas, como el hidróxido de sodio, en concentraciones mayores que 10.000 ppm pueden afectar la resistencia y el tiempo de fraguado del concreto, mientras que el hidróxido de potasio no tiene mayores efectos sobre la resistencia de algunos cementos cuando las concentraciones están por debajo de 18.000 ppm. Cuando se trata de aguas con contenido de azúcar, el efecto que ésta pueda tener sobre el concreto depende de la cantidad de partículas que se encuentren presentes. Cantidades entre 0,03% y 0,15% por peso de cemento (ppc), retardan el fraguado y, dependiendo del tipo de cemento, pueden reducir la resistencia a los 7 días pero a los 28 días pueden aumenta. Una cantidad de 0,20% ppc, induce a un fraguado rápido y una fuerte reducción de resistencia a los 28 días de edad. Cuando la cantidad excede de

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0,50% ppc, se reduce la resistencia del concreto y por tanto se deben hacer ensayos de tiempos de fraguado y de resistencia. Un problema muy frecuente es el de encontrar partículas de limo y arcilla suspendidas en el agua. Estas se pueden permitir, siempre y cuando, no sobrepasen las 2.000 ppm, por encima de este valor puede que no se afecte la resistencia pero sí otras propiedades. Otra fuente de contaminación para el agua de mezclado la constituyen los aceites (petróleo, aceites animales, vegetales, etc.) Cuando el petróleo no está mezclado con otro tipo de aceite, puede tener menos efectos sobre el desarrollo de la resistencia que otros aceites. Sin embargo, cuando la concentración de petróleo supera el 2% ppc, puede reducir en más del 20% la resistencia del concreto. El agua que contiene algas no se recomienda para la fabricación de concreto porque puede causar reducción en la resistencia, bien sea porque influye en la hidratación del cemento o porque introduce una gran cantidad de aire que origina un concreto poroso. Gran parte de las aguas contaminadas con desechos industriales tienen un contenido total de sólidos menor a 4.000 ppm. Cuando dicha agua es usada para el mezclado del concreto, la reducción en la resistencia a la compresión generalmente no suele ser mayor del 10%. Por otro lado, una muestra típica de agua sanitaria puede contener cerca de 400 ppm de materia orgánica. Después de un adecuado tratamiento, la concentración se puede reducir a cerca de 20 ppm o menos, cantidad tan pequeña que su efecto nocivo sobre la resistencia del concreto prácticamente desaparece. 3.2. AGUA DE CURADO 3.2.1. Características Tal como se mencionó en el capítulo de cemento, durante el proceso de hidratación la partícula de cemento no se hidrata totalmente, sino que a medida que entra en contacto con el agua, se va formando una película superficial quedando en el interior una porción sin reaccionar y por tanto inerte. Para que este núcleo reaccione, es

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necesario lograr un aporte adicional de agua durante las etapas tempranas de endurecimiento luego del proceso de fraguado y lograr así que el cemento desarrolle todo su potencial aglutinante. A dicho suministro de agua se denomina proceso de curado del concreto y a la que se utiliza para tal fin, agua de curado. 3.2.2. Calidad Los requerimientos para el agua de curado son menos exigentes que aquellos usualmente utilizados para el agua de mezclado, principalmente porque el agua de curado está en contacto con el concreto por un período de tiempo relativamente corto. Los requisitos para el agua de curado en general son los mismos que para el agua de mezclado, de modo que el agua que se considera buena para el mezclado también lo es para el curado, pero se debe tener cuidado con aquellas aguas que fluyen lentamente sobre el concreto y se evaporan rápidamente y que además, contienen materia orgánica o ferrosa, porque pueden causar manchas en la superficie de la estructura. 3.3. AGUA DE LAVADO DE LOS AGREGADOS El agua para el lavado de los agregados, no debe contener materiales en cantidades suficientes para formar películas o recubrimientos sobre la superficie de las partículas de agregado que afecten las propiedades del concreto. La concentración de impurezas en el agua puede causar recubrimientos destructivos, que en algunos casos pueden ser mucho más perjudiciales que aquellos causados por impurezas en el agua de mezclado. Como no existen límites recomendados, se recurre a pruebas comparativas para juzgar los efectos potencialmente dañinos. El problema que genera este tipo de agua luego de su utilización es el de su disposición final, puesto que podría causar serios problemas como cualquier otro tipo de agua negra. Por esto, se debe someter a algún tipo de tratamiento antes de devolverla al cuerpo de agua del sistema de alcantarillado, lagos, ríos, etc.

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En la Tabla 3.1. se presenta un resumen de los valores máximos recomendados por la Portland Cement Association para concentraciones de impurezas en el agua de mezclado.

TIPO DE IMPUREZA Carbonatos y bicarbonatos de sodio y potasio , cloruros -Estructuras con bajo potencial de corrosión y condiciones secas -Concreto pretensado -Estructuras con elementos galvanizados y de aluminio Sulfato de sodio Carbonato de calcio y magnesio Cloruro de magnesio Cloruro de calcio Sales de hierro Sulfato de magnesio Sales de magnesio, estado, zinc, cobre y plomo Sulfito de sodio Agua de mar -Para concreto no reforzado -Para concreto pretensado o reforzado PH Ácidos inorgánicos (Ácido sulfúrico) Hidróxido de sodio (por peso de cemento) Hidróxido de potasio (por peso de cemento) Aguas sanitarias Azúcar Partículas en suspensión Aceite mineral (por peso de cemento) Agua con algas

VALOR MÁXIMO RECOMENDADO 1.000 20.000 500 1 000 10.000 400 40.000 30.000 40.000 25.000 500 100

ppm ppm ppm ppm ppm ppm ppm ppm ppm ppm ppm ppm

35.000 ppm No se recomienda 6,0 a 8,0 10.000 PPE 0,5% 1,2% 20 ppm 500 ppm 2.000 ppm 2% No se recomienda

Tabla 3.1 Valores máximos recomendados de concentraciones de impurezas en el agua de mezclado para concreto. (3.6)

3.4. CALIDAD DEL AGUA Para determinar la calidad del agua para la elaboración de mezclas de concreto, en Colombia se desarrolló la NTC 3459, que tiene como antecedente la norma BS 3148 de la Gran Bretaña; esta tiene como objeto “determinar el método para establecer por medio de ensayos, si el agua no servida por el acueducto es apropiada para la elaboración de concreto”. La norma hace un recuento de los efectos que pueden causar sobre el concreto algunas impurezas presentes en el agua de mezclado, estableciendo los límites permitidos a cada uno de ellos para que se pueda usar en la mezcla. Así mismo, establece los criterios de

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aceptación o rechazo basados en los ensayos de tiempo de fraguado y resistencia a la compresión. En la tabla 3.2 se resumen los límites establecidos por la NTC 3459, de algunas impurezas que pueden estar presentes en el agua, para que ésta pueda usarse como agua de mezclado.

IMPUREZA Orgánica Aguas con color oscuro, olor pronunciado, con lama y algas visibles o en formación de color verde o café Inorgánica • Iones Ca, Mg, Na, K, bicarbonatos, sulfato, cloruro, nitrato y carbonato • Cloruros • Sulfatos • Carbonatos y bicarbonatos de álcalis • Contaminación por aguas industriales

LÍMITE Para su aceptación se deben hacer ensayos de fraguado y resistencia.

Contenido total combinado, máximo 2000 mg/l Máximo 500 mg/l Máximo 1000mg/l ó 4%ppc Máximo 1000 mg/l Para su aceptación se deben hacer ensayos de fraguado y resistencia.

Tabla 3.2 Valores límite para impurezas en el agua (3.2)

Cuando se presente duda acerca del agua para la producción de concreto, se deben efectuar pruebas para verificar tanto el tiempo de fraguado inicial como la resistencia a la compresión. El tiempo de fraguado se determina de acuerdo con el procedimiento de la NTC 118 con la aguja de Vicat; la prueba de resistencia se hace siguiendo el procedimiento de la NTC 220. El tiempo de fraguado inicial se determina a partir de muestras elaboradas con el agua en duda y con agua de reconocidas buenas características para elaborar concreto (testigo). Lo mismo se hace para elaborar los cubos de mortero para determinar la resistencia. Para aceptar el agua en duda, es necesario que se cumplan simultáneamente las siguientes condiciones:

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•

Que los tiempos de fraguado inicial de la mezcla testigo con la elaborada con la del agua en duda, no difieran entre sí en más de 30 minutos. Y

•

Que el promedio de la resistencia a la compresión de los cubos de mortero hechos con el agua en duda, a 28 días de edad, sea mayor o igual al 90% de la resistencia promedio de los cubos de mortero hechos con el agua testigo, evaluada a la misma edad. En el evento que la resistencia se encuentre entre el 80% y el 90% de la resistencia de los cubos de mortero testigo, se puede contemplar la modificación de las proporciones de la mezcla.

Otra alternativa, no considerada en la NTC 3459, consiste en efectuar ensayos directamente sobre el agua, para conocer el contenido de algunas impurezas. Los ensayos realizados se indican en la Tabla 3.3. TIPOS DE IMPUREZAS Calcio y magnesio Cloruros Sulfatos PH Acidez y alcalinidad Partículas y material disuelto en el agua Definición de términos relativos al agua

NORMA ASTM D D D D D D D 1129

511 512 516 1293 1067 1888

Tabla 3.3 Ensayos realizados para análisis del agua de mezclado para concreto (3.1)

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 3.1. AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. Annual Book of ASTM standards, section 4, Construction. Philadelphia, ASTM, 1984. 3.2. INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TÉCNICAS - ICONTEC. NTC 3459. Bogotá, ICONTEC, 1994. 3.3. INSTITUTO COLOMBIANO DE PRODUCTORES DE CEMENTOSOLINGRAL. Dosificación de Mezclas de Concreto. Medellín, ICPC, 1979.

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3.4. NEVILLE, A.M. Tecnología del Concreto Vol. 1. México, IMCYC, 1980. 3.5. POPOVIES, Sandar. Concrete - Making Materials. New York, 1980. 3.6. PORTLAND CEMENT ASSOCIATION. Concrete Mixtures. Illinois, PCA, 1979.

Design and Control of

3.7. STEINOUR, M. Concrete Mix Water - How Impure Can it be? Reprinted from Journal of the PCA Research a Development Laboratories, No. 2, No. 3, 1960.

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4. AGREGADOS PARA CONCRETO 4.1. ALCANCE En términos generales los agregados ocupan las tres cuartas partes del volumen del concreto y por lo tanto su calidad y propiedades son de considerable importancia, no solo desde el punto de vista económico sino también desde otros no menos importantes como la resistencia, la durabilidad, la trabajabilidad, la densidad y en general del comportamiento estructural del concreto. Este capítulo tiene por objeto proporcionar los aspectos fundamentales referentes a los agregados para concreto. En primer lugar, se presenta una clasificación general de los mismos explicando de manera específica la clasificación usada en la tecnología del concreto; se enseñan las funciones que cumplen dentro de la masa de concreto así como sus propiedades más importantes, analizando de qué manera influyen en las características del concreto; se definen algunos parámetros que sirven de indicativos de la calidad y otros que se emplean para el diseño de mezclas; se hace referencia a algunas sustancias que pueden estar presentes en los agregados y la forma como pueden influir en sus características; y por último, se relacionan los factores que miden la calidad de los agregados de acuerdo con las normas colombianas. 4.2. GENERALIDADES Los agregados son una masa de materiales casi siempre pétreos, que se consideran normalmente inertes y que unidos por medio de la pasta de cemento conforman el concreto. Sin embargo, los agregados no siempre son pétreos y algunos no son inertes, también sus propiedades físicas, químicas, mecánicas y térmicas influyen sobre el comportamiento del concreto. Para la generalidad de los concretos los agregados ocupan entre el 60% y el 80% del volumen total del concreto. Están constituidos por una parte fina, denominada arena y una parte gruesa, denominada grava o piedra triturada; pueden provenir de fuentes naturales o artificiales. El agregado fino, o arena, es aquel cuyo diámetro varía entre 74 µm y 5 mm; y el agregado grueso, o grava, es aquel con diámetro superior a 5 mm. El material con tamaño inferior a 74 µm es

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una fracción muy fina, cuyas partículas tienen ciertas características que interfieren en el proceso de hidratación del cemento y de allí que se consideren perjudiciales en el concreto. Propiedades como una buena distribución de los tamaños de las partículas, forma y textura superficial apropiadas, granos poco porosos, resistentes y duros, que no contengan sustancias químicas que reaccionen con la pasta de cemento, libres de material muy fino, materia orgánica, partículas débiles, son indispensables para que puedan ser utilizados en el concreto; de allí la importancia de su control de calidad. 4.3. CLASIFICACIÓN Los agregados se pueden clasificar de muchas maneras, siendo las más usadas según su procedencia, por el tamaño de sus partículas, por sus características petrográficas y por su densidad. Tales clasificaciones sirven principalmente como una ayuda para la familiarización con los diferentes tipos de agregados o en la identificación de rasgos particulares; sin embargo, la más utilizada es la clasificación según su tamaño. 4.3.1 CLASIFICACIÓN SEGÚN SU PROCEDENCIA U ORIGEN De acuerdo con su origen, los agregados pueden provenir de fuentes naturales o de fuentes artificiales. Las arenas y gravas naturales son el producto de la acción de la intemperie y del arrastre del agua o glaciares, pudiéndose obtener por dos medios. El primero consiste en explotar el material del lecho del río o de los depósitos aluviales y aprovecharlo con su gradación natural (este material es el que se conoce como canto rodado y arena de río). En el segundo, algunos tamaños se obtienen mediante la trituración y tamizado de rocas naturales más grandes procedentes de canteras o de río, y de aquí el nombre de agregados triturados; la arena procedente de las canteras (arena de peña, arena lavada o arena de pozo) generalmente es muy fina y puede contener altos contenidos de arcilla, siendo su principal uso la elaboración de morteros. También es posible aprovechar, con algunas restricciones, las arenas de las playas.

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Los agregados artificiales son los obtenidos a partir de productos y procesos industriales. Generalmente se usan para propósitos especiales como es el caso de la elaboración de concretos livianos, en donde se pueden utilizar agregados de arcilla expandida, ladrillo triturado, escorias de alto horno y poliestireno expandido (icopor); también en la producción de concretos pesados, en donde se puede emplear la limadura de hierro, la barita y el acero. Para la fabricación de concretos de peso normal es posible utilizar como agregado el clínker y el concreto triturado procedente de demoliciones, de donde se obtienen “agregados" relativamente económicos. 4.3.2 CLASIFICACIÓN POR TAMAÑO Dependiendo del tamaño de sus partículas, los agregados se pueden clasificar como se muestra en la Tabla 4.1. Esta es la clasificación más usada en agregados para concreto debido a que con mayor frecuencia se hace referencia al agregado grueso o grava y al agregado fino o arena. TAMAÑO (mm) Denominación Denominación Recomendación

Entre 19,0 4,75

Entre Entre Entre y 4,75 y 2,36 y 0,42 y 2,36 0,42 0,074 Arena Arena Arena Piedra Grava Gravilla gruesa media fina Agregado grueso Agregado fino Material bueno para producir Material bueno para concreto producir concreto

Mayor a Entre 50 50 y 19,0

Entre 0,074 0,002

Menor y a 0,002

Limo

Arcilla

Fracción muy fina Material no recomendable

Tabla 4.1 Clasificación de los agregados según su tamaño Como se puede apreciar de la Tabla 4.1, los tamaños corresponden a la conversión de unidades del Sistema Inglés al Sistema Internacional de Unidades. Tanto el agregado fino como el agregado grueso pueden tomar a su vez diferentes denominaciones dependiendo del tamaño de sus partículas. La fracción inferior a 0,074 mm se clasifica en mecánica de suelos como limo o arcilla, tal como se muestra en la tabla. Por su parte, el material con tamaño superior a 50,8 mm, denominado genéricamente como piedra, puede a su vez llamarse rajón, cuando el tamaño de sus partículas está comprendido entre 50,8 mm y 150 mm, y media zonga cuando su tamaño está entre 150 mm y 300 mm, aproximadamente; el rajón y la media zonga son

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empleados para la elaboración de concretos masivos o para concretos ciclópeos (concreto de agregado precolocado). 4.3.3 CLASIFICACIÓN POR DENSIDAD También se pueden clasificar los agregados por su densidad y dependiendo del peso por unidad de volumen de los agregados así mismo se obtienen concretos con mayor o menor densidad, propiedad que en muchas ocasiones, es más importante incluso, que la resistencia y la durabilidad. Tal es el caso de estructuras que requieren de concretos pesados para la protección contra radiaciones. En la Tabla 4.2 se presenta ésta clasificación.

CLASIFICACIÓN DEL AGREGADO

Liviano

Normal

Pesado

DENSIDAD APROXIMADA VARIEDADES MÁS COMUNES DE (kg/m3) LOS AGREGADOS Del Del concreto agregado Pizarras expandidas, esquistos, 1350 – 1000 escoria, arcilla 460 - 1300 Piedra pómez, perlita, 500 – 1350 diatomita, icopor 1300 Arena, grava, piedra triturada, 2000 – 2600 2000 clínker, escoria de fundición 2000 5600

Mayor 2600

a

EJEMPLO DE USO Concretos estructurales

livianos,

Concreto para aislamiento Estructuras de concreto en general

Barita, hierro, limonita, Concreto para macizos de magnetita, limadura de acero, anclaje, para protección hematita contra radiaciones.

Tabla 4.2 Clasificación de los agregados según su densidad 4.4. FUNCIONES DE LOS AGREGADOS Puesto que los agregados son menos costosos por unidad de volumen que el cemento, generalmente se concibe que la única razón de colocar la mayor cantidad posible de fragmentos minerales es la de relleno. Pero aunque la economía es uno de los factores principales para reemplazar pasta de cemento por agregados, sus propiedades tienen una acción determinante sobre las características del concreto, tanto en estado plástico como en estado endurecido. En estado plástico la arena y la pasta actúan como lubricantes de las partículas más gruesas para que el concreto pueda ser mezclado, transportado, colocado, compactado y terminado en forma adecuada.

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Como se estudió anteriormente, durante el proceso de fraguado la pasta experimenta una pérdida de humedad que origina una contracción acompañada normalmente de la aparición de grietas debidas a los esfuerzos de contracción internos. Con la introducción de agregados a la pasta se genera una superficie de adherencia, de tal manera que los cambios de volumen que originan la contracción disminuyen ostensiblemente. La adherencia entre la pasta y los agregados se convierte en parte de la resistencia del concreto. Otra de las funciones importantes de los agregados es la de aportar parte de la resistencia propia a la resistencia a la compresión del concreto. En muchas ocasiones el peso del concreto es el factor más importante, caso en el cual el peso de los agregados se convierte en factor fundamental para la estabilidad de la estructura. Algunos ejemplos en los que la densidad de los agregados es primordial son los contrapesos y macizos de anclaje (figura 4.1) o estructuras diseñadas para aislamiento acústico y protección contra radiaciones.

Figura 4.1 Ejemplos de aplicación de estructuras de concreto donde el peso de los agregados es fundamental Cuando el concreto se encuentre sometido a exposiciones severas, como es el caso de humedecimiento y secado, aguas o suelos agresivos, exposición a los ácidos, etc., los agregados como componentes de él, aportan su durabilidad propia al conjunto. Los agregados también cumplen papel importante en concretos a la vista o arquitectónicos. Cuando se trata de concretos claros o blancos, la tonalidad de la arena es fundamental para su logro. Así

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mismo, en el concreto abujardado la función que desempeña la forma, el tamaño, la textura y el color de las partículas de agregado, es vital. 4.5 PROPIEDADES DE LOS AGREGADOS Para que los agregados cumplan de la mejor manera las funciones en el concreto debe tener un conjunto de características adecuadas. Propiedades tales como la granulometría, la forma, la textura, la densidad, la absorción de agua, resistencia a los diferentes esfuerzos, entre otros, son decisivos a la hora de elaborar un concreto para que cumpla con el papel para el cual fue concebido. 4.5.1. GRANULOMETRÍA La granulometría de una masa de agregados se define como la distribución del tamaño de sus partículas. Dicho de otra forma y en el sentido etimológico estricto, la granulometría es la medida de las partículas del agregado. Una buena granulometría consiste en tener partículas de todos los tamaños, de tal manera, que los vacíos dejados por las de mayor tamaño sean ocupados por otras de menor tamaño y así sucesivamente; esto permite obtener un mínimo de vacíos, los cuales deberán ser llenados con pasta de cemento para lograr una buena compactación, que se traduce en mayor resistencia, mejor durabilidad, mayor economía, menor riesgo contracción, de agrietamiento y mayor densidad del concreto. También se busca que la granulometría permita y ayude a una adecuada manejabilidad sin segregación ni exudación, dejando compactar la mezcla de manera adecuada con un uso moderado de energía; por esto, las variaciones en la granulometría pueden afectar seriamente la uniformidad del concreto. El efecto de la granulometría en el concreto se puede apreciar en la figura 4.2.

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Figura 4.2 Efecto de la granulometría de los agregados en la masa de concreto (4.11) La granulometría se determina haciendo pasar una muestra seca representativa de agregados por una serie de tamices ordenados, por abertura, de mayor a menor. Los tamices son mallas metálicas de aberturas cuadradas, estandarizados en Colombia por la NTC 32. La denominación de los tamices se hace de acuerdo con el tamaño de la abertura. Anteriormente los nombres de los tamices se hacía en pulgadas para los tamaños grandes y el número de aberturas por pulgada lineal para tamices menores a 1/8 de pulgada; a manera de ejemplo, el tamiz Nº 4 tiene 4 x 4 aberturas dentro de una pulgada cuadrada ( Figura 4.3). Actualmente, en el Sistema Internacional de unidades la designación se hace de acuerdo con la abertura de la malla, medida en milímetros, para los tamaños mayores a 1 mm, o en micras para aquellas menores a este tamaño.

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Figura 4.3a Representación del tamiz Nº 4

Figura 4.3b Tamices para agregado grueso La serie de tamices empleada en Colombia para clasificar los agregados para concreto es la denominada Tyler o Serie Americana, la cual establece que la abertura de cualquier tamiz es aproximadamente la mitad de la abertura del tamiz inmediatamente superior, es decir, que cumplan con la relación 1 a 2. Sin embargo y tal como se muestra en la Tabla 4.3, algunos tamices no cumplen con ésta relación pero se han incluido en la serie para evitar intervalos muy grandes entre los tamices consecutivos, especialmente en su fracción gruesa. El procedimiento para realizar el tamizado se describe en la NTC 77, donde se establece que se debe hacer sobre una cantidad determinada de material seco, de forma manual o mecánica. Los resultados del proceso de tamizado se denominan análisis granulométrico y se expresan como se muestra en la Tabla 4.4. En la columna 1 se indica la serie de tamices utilizada en orden

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descendente. Después de tamizar la muestra (para el ejemplo 5.000 g), como se establece en la NTC 77, se toma el material retenido en cada tamiz, se pesa, y cada valor se tabula en la columna 2. Cada uno de estos pesos retenidos se expresan como porcentaje retenido del peso total de la muestra; por ejemplo, para el tamiz de 19,0 mm, el porcentaje retenido es: % Retenido = (1000/5000)X100 = 20 %, valor que se pone en la columna 3. En la columna 4 se registran los porcentajes retenidos acumulados; así por ejemplo, el porcentaje retenido acumulado hasta el tamiz de 25,4 mm será: % Retenido acumulado = 0+3+17 = 20 % En la columna 5 se registra el porcentaje acumulado que pasa, el cual corresponde a la diferencia entre 100 y el porcentaje retenido acumulado. De este modo y siguiendo con el ejemplo, el porcentaje que pasa el tamiz de 12,7 mm será: % Pasa = 100-70 = 30 %

TAMAÑO DE AGREGADO

Agregado grueso

Agregado fino

DESIGNACIÓN INGLÉS 3” 2” 1 1” ¾” ½” 3/8” No No No No No No No 200

SISTEMA DESIGNACIÓN SISTEMA INTERNACIONAL 75,00 mm 50,00 mm * ½” 37,50 mm 25,00 mm * 19,00 mm 12,50 mm 9,50 mm 4 4,75 mm 8 2,36 mm 16 1,18 mm µm 30 600 µm 50 300 µm 100 150 75 µm

*Tamices que no cumplen la relación 1 a 2

Tabla 4.3 Serie de Tamices de Agregados para Concreto. (4.5)

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TAMIZ Mm 50 37,5 25,0 19,00 12,5 9,5 4,75 Fondo Total

PESO Pulgadas RETENIDO(g) 0 2 150 1 ½ 850 1 1000 ¾ 1500 ½ 500 3/8 800 No 4 200 5000

% RETENIDO

% RETENIDO % PASA ACUMULADO

0 3 17 20 30 10 16 4

0 3 20 40 70 80 96 100

100 97 80 60 30 20 4 0

Tabla 4.4 Forma de expresar los resultados de un análisis granulométrico para un agregado grueso Los resultados de un análisis granulométrico también se pueden representar en forma gráfica, caso en el cual se denominan curvas granulométricas. Las gráficas se representan por medio de dos ejes perpendiculares entre sí, horizontal y vertical, en donde las ordenadas representan el porcentaje que pasa y en el eje de las abscisas las aberturas del tamiz. La escala suele ser aritmética para las ordenadas y logarítmica para el tamaño de las aberturas del tamiz. Las curvas granulométricas son utilizadas por su facilidad de compresión ya que éstas permiten visualizar mejor la distribución de tamaños dentro de una masa de agregados, permite conocer además si los agregados son gruesos o finos, así como las deficiencias o excesos de un tamaño particular. Además permite determinar de un sólo vistazo si la granulometría de una muestra dada cumple o no las especificaciones. Las especificaciones granulometrícas suelen expresarse como un rango, pues resulta difícil ajustarse a una línea granulométrica. En la Figura 4.4 se muestran a manera de ejemplo los rangos granulométricos establecidos para un agregado grueso y otro para la arena.

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Figura 4.4. Rangos de gradación para arena y un agregado grueso cuyo TMN es de 19,0 mm (3/4”) De otra parte, de un análisis granulométrico se derivan algunos parámetros que sirven para diseñar mezclas de concreto o para caracterizar una masa de agregados o como factor para medir su calidad. Tales factores, son: El Módulo de Finura (MF), el Tamaño Máximo, el Tamaño Máximo Nominal, las Granulometrías Continuas y las Granulometrías Discontinuas. 4.5.1.1. Tamaño Máximo (TM) Este factor se define como la abertura del menor tamiz que permite el paso del 100% de la muestra. Se ha establecido para el agregado grueso y, como su nombre lo indica, es el tamaño de las partículas más grandes que hay dentro de la masa de agregados, que en algunos casos puede ser de tan solo una. A manera de ejemplo de cálculo, tomando el análisis granulométrico mostrado en la Tabla 4.4, se aprecia que el tamaño máximo del agregado es de 50 mm (2”).

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4.5.1.2. El Tamaño Máximo Nominal (TMN) El TMN es otro parámetro que se deriva del análisis granulométrico para el agregado grueso. Se define como el tamiz que le sigue en abertura (mayor), a aquel cuyo porcentaje retenido acumulado es del 15% o más. El TMN representa mejor el promedio de las partículas más grandes, pues como se mencionó antes, el TM puede ser tan solo una partícula y no representa el promedio de las partículas más grandes de la masa de agregados. De acuerdo con la definición y siguiendo con el análisis granulométrico del ejemplo dado en la Tabla 4.4, el TMN es de 37,5 mm (1 ½ “); esto significa que el TM y el TMN pueden no coincidir, lo cual resulta lógico debido a que este último indica el promedio de partículas más grandes en su fracción gruesa, mientras que el TM tan sólo da una idea de las partículas más grandes, que como se anotó anteriormente, puede ser tan sólo una. Por ésta razón, la mayoría de las especificaciones granulométricas se dan en función del TMN y comúnmente se establece que el agregado grueso no debe ser mayor a: • 1/5 de la dimensión menor de la estructura, comprendida entre los lados de una formaleta, ni • 1/3 del espesor de una losa, ni • 3/4 del espaciamiento libre máximo entre las barras de refuerzo. 4.5.1.3. Módulo de Finura (MF) El Módulo de finura es un parámetro que se obtiene de la suma de los porcentajes retenidos acumulados de la serie de tamices especificados que cumplan con la relación 1:2, desde el tamiz 150 µm (No. 100) en adelante hasta el TM presente y dividido por 100 (ver Tabla 4.5.). El MF se puede considerar como el tamaño promedio, ponderado de un tamiz, del grupo en el cual, el material es retenido, siendo el 150 µm (No. 100) el primer tamiz del grupo, el 300 µm (No. 50) el segundo, el 600 µm (No. 30) el tercero, etc.. Así por ejemplo, un MF de 300 significa que el tamiz 600 µm (No. 30) es el tamaño promedio (es el tercer tamiz

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en el grupo). Sin embargo, un número infinito de gradaciones puede tener un mismo valor de MF y por consiguiente este parámetro sólo se debe usar para la comparación de materiales, cuya gradación sea similar, resultando valioso para medir las variaciones que se pueden presentar en un agregado procedente de una misma fuente; en otras palabras, como verificación periódica. En Europa el MF se usa para caracterizar el agregado total, mientras que en América es más frecuente el uso del MF para caracterizar que tan fina o gruesa es la arena; así las cosas, el cálculo se hace mediante la suma de los porcentajes retenidos acumulados desde el tamiz 150 µm (No. 100) hasta el tamiz 4,75 mm (No. 4) y dividido por 100). La NTC 174 establece que el MF de una arena adecuada para producir concreto debe estar entre 2,3 y 3,1. Valores cercanos a 2,0 indica que se trata de una arena fina, a 2,5 de una arena media y mayores a 3,0 una arena gruesa. Para el caso de los morteros, el valor del MF recomendado varía entre 1,8 y 2,2. El MF también es muy empleado como parámetro para el diseño mezclas, toda vez que algunas tablas han sido calculadas con base en este factor. En la Tabla 4.5. se presenta un ejemplo de cálculo del MF. Se aprecia cómo este valor aumenta a medida que el agregado es más grueso. TAMIZ Tamiz 37,5 19,0 9,5 4,75 2,36 1,18 600 300 150 µm Módulo de finura

Designación alterna mm 1 mm ¾ mm 3/8 mm No mm No mm No µm No µm No No 100

½

4 8 16 30 50

PORCENTAJE RETENIDO ACUMULADO Arena Arena Agregado media gruesa combinado 0 29 0 49 0 4 62 9 15 66 28 37 75 49 62 85 79 85 94 96 98 99 2,61 3,01 5,59

Tabla 4.5 Ejemplo de Cálculo del Módulo de Finura Nótese que para el ejemplo la serie de tamices no incluye los tamaños de 25,0 mm (1”) ni de 12,5 mm (½”) para el cálculo.

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4.5.1.4. Granulometrías Continuas Luego de un análisis granulométrico se puede observar si la masa de agregados contiene todos los tamaños de grano, desde el mayor hasta el más pequeño; si así ocurre, se tiene una curva granulométrica continua. En la Figura 4.5 se aprecia una granulometría continua.

Figura 4.5 Esquema de una granulometría continua (4.11)

4.5.1.5. Granulometrías Discontinuas AI contrario de la definición anterior, se tiene una granulometría discontinua cuando faltan ciertos tamaños intermedios de grano o porque han sido reducidos o eliminados artificialmente. Las granulometrías ideales sólo existen en la teoría y difícilmente se pueden reproducir en la práctica, de manera que y tal como se mencionó anteriormente, casi todas las especificaciones granulométricas contemplan una zona definida por dos límites (superior e inferior) dentro de los cuales cualquier granulometría es aceptable. La NTC 174 establece los rangos granulométricos para el agregado grueso (Tabla 4.7) y para el agregado fino (Tabla 4.6). Nótese que la especificación granulométrica para el agregado grueso está en función del TMN, mientras que la arena estipula solo uno.

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TAMIZ NTC 32 9,5 4,75 2,36 1,18 600 300 150 µm

mm mm mm mm µm µm

Designación alterna 3/8 No 4 No 8 No 16 No 30 No 50 No 100

% QUE PASA Límite Límite inferior superior 100 100 95 100 80 100 50 85 25 60 10 30 2 10

Tabla 4.6. Límites granulométricos establecidos para el agregado fino (4.5) Para el caso del agregado fino, la NTC 174 establece además las siguientes precisiones como parte de la especificación: •

El porcentaje mínimo dado en la tabla 4.6 para el material que pasa los tamices de 300 µm y 150 µm, se puede reducir a 5 y 0 respectivamente, si la mezcla de concreto en donde se van a usar tiene aire incorporado, con un contenido de cemento mayor de 297 kg/m3, o en un concreto sin aire incorporado con un contenido de cemento mayor de 297 kg/m3, o si se usa un aditivo o adición mineral aprobado para suplir la deficiencia en el porcentaje que pasa estos tamices.

•

No se permite que en cualquier tamiz pase el 45% del agregado fino y que quede retenido en el siguiente tamiz.

•

El agregado fino que no cumpla los requisitos de gradación y módulo de finura establecidos, se puede aceptar siempre y cuando exista evidencia (registros) de comportamiento aceptables del concreto elaborado con este material. En el evento que no existan registros, se debe ensayar el agregado fino para determinar su desempeño en mezclas de concreto. Para el efecto, se elabora una mezcla con el agregado fino en consideración y otra con agregado fino de buena calidad demostrada; se someten las muestras bajo las mismas condiciones y se acepta el agregado fino en cuestión si el resultado obtenido es por lo menos igual a la mezcla testigo de calidad demostrada.

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•

Para el caso de despachos continuos de agregado fino de una determinada fuente, el módulo de finura no debe variar en más de 0,2 del módulo de finura tomado como base, el cual debe ser el típico de la fuente. El módulo de finura base puede ser cambiado siempre que lo acepte el cliente.

MATERIAL QUE PASA CADA UNO DE LOS SIGUIENTES TAMICES (%) TMN: Nº del Tamices de Tamaño 100 90 75 63 50 37,5 25,0 19,0 12,5 abertura del mm mm mm mm mm mm mm mm mm cuadrada agregado mm 1

90 a 37,5

100

90 – 100

2

63 a 37,5

-

-

100

3

50 a 25,0

-

-

-

357

50 a 4,75

-

-

-

4

37,5 a 19,0

-

-

-

467

37,5 a 4,75

-

-

-

5

25,0 a 12,5

-

-

-

-

-

100

56

25,0 a 9,5

-

-

-

-

-

100

57

25,0 a 4,75

-

-

-

-

-

100

6

19,0 a 9,5

-

-

-

-

-

-

67

19,0 a 4,75

-

-

-

-

-

-

7

12,5 a 4,75

-

-

-

-

-

-

-

100

8

9,5 a 2,36

-

-

-

-

-

-

-

-

25 0 - 15 60 90 - 35 – 0 - 15 100 70 90 – 35 100 100 70 95 – 100 90 – 100 100 95 100 100

9,5 mm

1,18 2,36 4,75 mm mm mm (Nº 4) (Nº 8) (Nº 16)

-

0 -5

-

-

-

-

-

-

0 -5

-

-

-

-

-

0-5

-

-

-

-

0 -5

-

-

0 15 35 – 70 20 – 0 – 55 15 35 70 90 - 20 – 100 55 90 - 40 100 85 95 – 100 90 100 100 90 100 100

10 – 30 -

0–5 -

-

-

-

10 – 0 -5 30

-

-

0 – 5 0 -5

-

-

-

-

0–5

-

0 -5

-

-

0 - 10

0-5

-

0 - 15

0 -5

-

0 10 10 40 25 60 25 55

–

– 0 – 0 -5 15 – 0 - 10

- 0 – 15 20 – 55 90 – 40 – 100 70 85 100 100

10 -30 0 - 10

Tabla 4.7. Requisitos de gradación para el agregado grueso. (4.5) 4.5.2. FORMA Y TEXTURA SUPERFICIAL DE LOS AGREGADOS La forma y la textura superficial de los agregados son propiedades físicas de la partícula que depende en gran medida del proceso al cual ha sido sometida y también influyen en las características del concreto. Las piedras naturales sometidas a un proceso de trituración toman formas diversas que pueden variar desde las casi cúbicas, a las alargadas y aplanadas y de textura rugosa; mientras que los agregados de río o de origen aluvial, debido al proceso de arrastre a

0-5

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que han sido sometidos, tienen forma que se aproxima a la redondeada y su textura tiende a ser lisa. La forma ideal de los agregados es la redondeada pues tienden a deslizarse mejor unas sobre otras, siendo más fácil su acomodamiento, tendiendo a formar masas más compactas y densas, lo cual se traduce en mezclas que requieren menor cantidad de agua de mezclado para una determinada manejabilidad, mayor resistencia y menor cantidad de espacios; no obstante, la textura lisa inherente a este tipo de formas, implica una menor adherencia con la pasta con la consecuente reducción en la resistencia. Por su parte, las partículas con aristas o de formas que se alejan de las redondeadas, que presentan aristas (producto del proceso de trituración) y de textura rugosa, el grado de acomodamiento es menor requiriéndose mayor cantidad de agua para obtener una determinada manejabilidad; pero esta aparente deficiencia se ve compensada con una mayor adherencia con la pasta, traduciéndose en una mayor resistencia mecánica. Se ha demostrado que en un metro cúbico de agregados redondeados sueltos, puede haber hasta un 25% más de material que en igual volumen de material de forma cúbica. Con relación a la forma de las partículas, en la tecnología del concreto es conveniente definir lo que se entiende por partícula larga y partícula plana, pues los agregados pueden contener partículas con estas características (partículas lajudas), las cuales traen consecuencias nocivas al concreto. 4.5.2.1 PARTÍCULA LARGA (PL) Se define como una partícula larga aquella cuya relación entre la longitud (l) y el ancho (a), es mayor a 1,5, o sea: PL: l/a > 1,5

(4.1)

4.5.2.2 PARTÍCULA PLANA (PP) Una partícula plana es aquella cuya relación entre el espesor (e) y el ancho (a), es menor a 0,5, es decir: PP: e/a < 0,5

(4.2)

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Figura 4.6 Partícula larga y plana 4.5.2.3 PARTÍCULAS LAJUDAS Las partículas que son planas y alargadas se conocen con el nombre de “lajas” o “lajudas”. Se caracterizan porque poseen una estructura laminar que las hace débiles a los esfuerzos de flexión. Tienden a ubicarse horizontalmente en el concreto evitando muchas veces la salida del agua evaporable durante el proceso de fraguado, generando bolsas de aire e impidiendo que el mortero se acomode, lo que origina una disminución en la resistencia. Este fenómeno se aprecia en la Figura 4.7.

Figura 4.7 Efecto de una partícula lajuda en el concreto (4.15) La NTC 174 no especifica el porcentaje aceptable de partículas de forma indeseable, partículas planas o partículas alargadas; no obstante se recomienda que no excedan el 50% de la masa total del agregado. En lo que se refiere a partículas lajudas, algunas normas

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limitan su contenido a un máximo de 15%, aunque la NTC 174 tampoco lo establece. De cualquier modo, cuando se tenga duda a cerca del desempeño de algunos agregados en particular, lo más aconsejable es ensayarlos con los demás materiales que se usarán en la mezcla y determinar su comportamiento. 4.5.3. POROSIDAD Las partículas de agregado tienen poros o vacíos, los cuales dependen en gran medida de la naturaleza de la roca de donde provienen. La porosidad de los agregados es un factor que determina la calidad de éstos, pues a mayor cantidad de poros el agregado será menos resistente a los esfuerzos mecánicos, presenta menos durabilidad, menor densidad y mayor capacidad para absorber agua, características que le son transmitidas al concreto. Una partícula porosa es mucho menos dura que una partícula compacta, afectando desfavorablemente propiedades como la adherencia, la resistencia a la compresión y a la flexión, así como la resistencia al desgaste o abrasión. Los poros o vacíos de una partícula de agregado pueden ser internos o externos y ocupan un volumen, tal como se aprecia en el esquema de la Figura 4.8. En la primera figura se observan los poros externos y en las dos siguientes se simula que la partícula ha sido partida en dos mitades para ver los poros externos, los internos y como estos pueden estar intercomunicados con los externos.

Figura 4.8 Esquema de la porosidad de las partículas de agregado La porosidad de los agregados también incide en otras propiedades de los agregados como la densidad y la capacidad para absorber agua (humedad), entre otras.

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4.5.4. DENSIDAD La densidad es una propiedad física de los agregados y está definida como la relación entre el peso y el volumen que ocupa dicha masa, lo que significa que depende directamente de las características del grano de agregado y especialmente de su porosidad. D = P/V

(4.3)

Donde: D: Densidad del agregado P: Peso seco del agregado V: Volumen del agregado Dado que se torna relativo el valor del volumen a tomar en la relación dependiendo de si se incluye o no el de los poros, se pueden definir diferentes tipos de densidad. 4.5.4.1 DENSIDAD NOMINAL La densidad nominal se define como la relación entre el peso y el volumen, sin incluir los poros de las partículas (internos y externos). Este factor no tiene mucha aplicación en el campo de la tecnología del concreto. 4.5.4.2 DENSIDAD APARENTE La densidad aparente se define como la relación entre el peso y el volumen, incluyendo los poros internos y externos. Este factor es importante en el campo de la tecnología del concreto, específicamente para el diseño de mezclas, porque con él se determina la cantidad de agregado requerido para un volumen unitario de concreto, debido a que los poros (internos y externos) de las partículas de agregado ocupan un volumen dentro de la masa de concreto. El valor de la densidad para los agregados de peso normal puede variar entre 2400 y 2800 kg/m3. El procedimiento de ensayo para determinarla está dado en la NTC 176 para agregados gruesos y por la NTC 237 para agregados finos.

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4.5.5. ABSORCION Y HUMEDAD La absorción y la humedad son dos propiedades que están íntimamente ligadas y dependen directamente de la porosidad de las partículas del agregado. Los poros de las partículas de los agregados pueden tener algún grado de humedad, lo cual está relacionado con su porosidad. La humedad depende del grado de absorción de las partículas, es decir, del tamaño de los poros, su permeabilidad y la cantidad o volumen total de poros. En este orden de ideas, las partículas de agregado pueden pasar por cuatro estados de humedad, tal como se explica a continuación (ver Figura 4.9)

Figura 4.9 Estados de humedad de los agregados 4.5.5.1. Totalmente seco Se logra mediante un secado al horno a 110º C, hasta que los agregados tengan un peso constante (generalmente a las 24 horas). (Figura 4.9.a) 4.5.5.2. Parcialmente Húmedo Se logra mediante exposición al aire libre. (Figura 4.9.b) 4.5.5.3. Saturado y Superficialmente Seco (SSS) El estado SSS consiste en que los agregados tienen todos sus poros saturables llenos de agua pero superficialmente se encuentran secos. Este estado es muy difícil que se dé naturalmente en los agregados al aire libre y se logra sólo en el laboratorio. (Figura 4.9.c)

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4.5.5.4. Húmedo y con Agua Libre Todos los poros de agregado están llenos de agua y además existe agua libre superficial. (Figura 4.9.d) La capacidad de absorción se determina por medio de los procedimientos descritos en las NTC 176 para el agregado grueso y NTC 237 para el agregado fino. El ensayo consiste en sumergir la muestra durante 24 horas, se saca del agua y se lleva a la condición SSS; obtenida esta condición, se pesa e inmediatamente se seca en un horno y la diferencia de pesos, expresado como porcentaje de peso de la muestra seca, es la capacidad de absorción. La absorción y la humedad de los agregados son factores importantes a la hora de diseñar mezclas de concreto, puesto que la cantidad de agua que pueden absorber las partículas o, por el contrario, el agua libre que pueden aportar durante la dosificación, no es ajena al agua de mezclado y por tanto es necesario conocer en cual de los dos estados se encuentra y tenerla en cuenta para hacer la correspondiente corrección. 4.5.6. MASAS UNITARIAS (MU) O PESO VOLUMÉTRICO Si el peso de una muestra de agregado, compuesta de varias partículas, se divide por el volumen que ocupan esas partículas agrupadas dentro de un recipiente de volumen conocido, se obtiene lo que se denomina como la Masa Unitaria del agregado o también llamada Peso Volumétrico o Densidad Bulk (a granel). O sea que: MU = P/V

(4. 4)

Donde: MU: Masa Unitaria del agregado P: Peso seco del material V: Volumen del recipiente La masa unitaria es una propiedad física importante porque indica el grado de acomodamiento que puedan tener las partículas en un recipiente y entre mejor sea éste, menor será el volumen de vacíos entre partículas, haciendo que la mezcla sea más económica porque habrá menor cantidad de huecos a ser llenados con pasta de

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cemento. Así mismo, mientras mayor sea la masa unitaria habrá mayor cantidad de granos, lo cual depende de la granulometría, la forma, la textura y el tamaño de los mismos. El valor de la masa unitaria también dependerá en gran medida de la porosidad de las partículas. La masa unitaria es un factor que mide la aptitud del agregado para ser utilizado en la producción de concreto; el procedimiento para su determinación en el laboratorio se encuentra relacionado en la NTC 92. El valor de la masa unitaria varía dependiendo del grado de compactación al cual se someten durante el ensayo; los valores característicos están comprendidos entre 1200 y 1750 kg/m3 para agregados naturales. Lo anterior sugiere que existen dos tipos de masas unitarias, definidas de la siguiente manera. 4.5.6.1 Masa Unitaria Suelta (MUS) Se denomina MUS cuando para su determinación se vierte el material seco suavemente en el recipiente hasta el punto de derrame, nivelándose a ras pasando una varilla y sin ningún tipo de compactación. El concepto de MUS es importante cuando se trata de compra, manejo, transporte y almacenamiento de los agregados, debido a que éstos se hacen en estado suelto. 4.5.6.2. Masa Unitaria Compacta (MUC) Se denomina MUC cuando los granos han sido sometidos a compactación, incrementando así el grado de acomodamiento de las partículas de agregado y, por lo tanto, el valor de la masa unitaria. La MUC es importante para el diseño de mezclas ya que con ella se determina el volumen absoluto de los agregados, por cuanto estos van a estar sometidos a una compactación durante el proceso de colocación del concreto en la estructura.

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4.5.7. EFECTO DE HINCHANIENTO DE LA ARENA Uno de los aspectos importantes a tener en cuenta en la arena es el fenómeno de hinchamiento, abultamiento o aumento de volumen aparente que puede presentar la masa de arena. Esta se origina debido a la presión que ejerce el agua entre partícula y partícula, la cual tiende a separar sus granos (Figura 4.10).

Figura 4.10 Esquema de la presión que ejerce el agua entre dos partículas de arena para producir el efecto de hinchamiento El efecto de hinchamiento depende de varios factores como la finura de la arena, su densidad y el grado de humedad. Tal como se observa en la Figura 4.11, en la medida que aumenta el agua libre también lo hace el hinchamiento; el máximo valor de abultamiento se puede conseguir con humedades entre el 5% y el 8%, en donde se puede llegar a tener aumentos de volumen aparentes cercanos al 40%, tal como sucede con una arena fina. A humedades mayores la presión del agua que ejerce sobre las partículas comienza a perderse y, en consecuencia, el hinchamiento decrece hasta volverse cero; es claro que cuando se presenta la inundación total de la arena se neutraliza el fenómeno.

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Figura 4.11 Hinchamiento del agregado fino para diferentes tamaños de arena y grados de humedad (4.11) El efecto de hinchamiento toma importancia cuando la dosificación se hace por volumen, pues se introduce a la mezcla menor cantidad de arena complementada con una cantidad de agua no prevista en el agua de mezclado, lo cual trae como consecuencia la reducción de la resistencia y de la durabilidad del concreto, conceptos estudiados en detalle en el capítulo de agua. De otra parte, el efecto del hinchamiento también debe tenerse en cuenta durante los procesos de compra, transporte y almacenamiento de la arena, toda vez que pueden verse afectados al subestimar la cantidad real del material. En especial vale la pena resaltar el efecto que resulta en la compra del material, pues al llegar a la obra la arena tiene un volumen determinado y al drenarse otro menor. Existe un método muy sencillo y muy rápido de medir este fenómeno. Consiste en suponer que el volumen que ocupa una arena inundada con agua es el mismo que ocupa la arena seca. En una probeta graduada de 1 a 2 litros de capacidad, se mide el volumen inicial de

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una muestra representativa de la arena húmeda, emparejándola sin ejercer presión; luego se agrega agua sobre la arena hasta inundarla, girando la probeta para eliminar las burbujas de aire. La arena se acomodará disminuyendo su volumen; la diferencia de volumen inicial y final se divide por el volumen de la arena inundada y se multiplica por 100, de donde se obtiene el porcentaje de hinchamiento. 4.5.8. RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN Tal como se mencionó anteriormente, las partículas de agregado tienen resistencia propia que le es transmitida al concreto. Para un concreto de resistencia normal, las partículas de agregado generalmente tienen una resistencia superior a la de la pasta endurecida, de tal manera que cuando las partículas fallan antes que la pasta, la resistencia del agregado toma importancia. En el caso de los concretos de alta resistencia sucede el efecto contrario, es decir, la pasta tiene mayor resistencia que los agregados siendo necesario disminuir su TMN. Las posibles fallas de los agregados se deben a que tienen una estructura pobre o porque previamente le han sido inducidas fallas a las partículas durante el proceso de explotación y beneficio; estos hechos suceden generalmente cuando se hace la extracción por voladura o por un inadecuado proceso de trituración. La normativa colombiana no contempla un procedimiento para determinar la resistencia del agregado ni establece valores máximos; no obstante, cuando se presente duda acerca de la resistencia de los granos, la Norma BS 812 (British Standard) establece un procedimiento el cual permite dar una idea del comportamiento de los agregados en cuanto a su resistencia propia. 4.5.9. RESISTENCIA A LA ABRASÍON La resistencia a la abrasión, desgaste o dureza de un agregado, es una propiedad que depende principalmente de las características de la roca de procedencia. Este factor cobra importancia cuando las partículas van a estar sometidas a esfuerzos de desgaste o roce continuos, como es el caso de pisos, pavimentos o paredes de un canal, circunstancias en donde se especifica que los agregados a utilizar deben ser duros.

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La determinación de la dureza se realiza por medio de un método indirecto, cuyo procedimiento se encuentra descrito en las NTC 90 y 98 para agregados gruesos. El método, conocido como el de la Máquina de Los Ángeles, consiste en colocar una cantidad específica de agregados dentro de un tambor cilíndrico de acero que gira en torno a un eje horizontal. Se añade una carga de bolas de acero y se aplica al tambor un número determinado de revoluciones. El roce entre el agregado y las bolas da como resultado un desgaste de las partículas representado en una disminución de peso, efecto que se mide por la diferencia entre la masa inicial de la muestra seca y la masa del material luego del proceso de desgaste, expresado como porcentaje de la masa inicial. La norma INVIAS 500 establece que el máximo desgaste permitido para los agregados que se van a utilizar en pavimentos es del 40%. 4.5.10 RESISTENCIA AL IMPACTO O TENACIDAD La resistencia al impacto o tenacidad de los agregados, como su nombre lo indica, se refiere a la capacidad de resistir golpes o esfuerzos de impacto. Esta característica tiene mucho que ver con el manejo del agregado y el mezclado del concreto, puesto que si las partículas son débiles ante las cargas que se presentan durante estos procesos, la granulometría puede verse alterada. Una baja resistencia al impacto indica que los agregados tienen una baja calidad para ser utilizados en la producción de concreto. Las normas colombianas no contemplan un ensayo para la determinación de esta característica ni especifica valores máximos pero en caso de duda se pueden obtener detalles en la norma BS 812, parte 3 y en la BS 882. 4.5.11 PROPIEDADES QUÍMICAS Tal como se mencionó en la definición, los agregados generalmente son inertes, no obstante éstos pueden contener elementos químicamente activos e influir en las propiedades del concreto. 4.5.11.1 REACCIÓN AGREGADO – ÁLKALI La reacción agregado – álcali se presenta cuando los agregados que tienen sílice activa reaccionan con el álcali del cemento desprendido durante el proceso de fraguado, formando geles expansivos en presencia de agua que generan esfuerzos de tracción internos capaces de romper el concreto con el tiempo.

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Los agregados de origen volcánico normalmente son los más dañinos; algunos ejemplos son las tobas, el ópalo, la calcedonia, los vidrios volcánicos, las calizas siliceas, la dacita y la andecita, entre otro Cuando exista duda sobre la posible presencia de sílice activa en los agregados, la ASTM ha desarrollado pruebas para demostrar su inocuidad o posible potencial reactivo en fases sucesivas cuando se obtienen resultados desfavorables en cada una de ellas. La primera fase consiste en hacer una prueba petrográfica usándose el procedimiento descrito en la ASTM C 295 para determinar presencia de compuestos potencialmente reactivos. En el evento de encontrarse tales compuestos, se procede a una segunda fase que consiste en realizar un análisis químico de reactividad de acuerdo con el procedimiento dado en la ASTM C 285, donde se verifica la presencia de sílice disuelta (Sd) y la reactividad alcalina del agregado (Ra). Se tiene que el agregado es potencialmente reactivo sí: Ra > 70 y Sd > Ra, ó

(4.5)

Ra < 70 y Sd > 35 – 0,5 Ra

(4.6)

Una tercera fase consiste en realizar la medición de la expansión producida en probetas de forma prismática elaboradas de mortero usando los agregados en duda y un cemento de alto contenido de álcali, según lo establecido en la norma ASTM C 227. Si las probetas presentan una expansión superior a 0,05% a los 3 meses ó 0,10% a los 6 meses, los agregados en cuestión resultarán potencialmente reactivos con el álcali del cemento. En Colombia la mayor parte de agregados que se usan para la producción de concreto son de origen volcánico (rocas ígneas como cantos rodados y arena de río), aunque a la fecha no se tiene conocimiento de obras que presenten reacciones de este tipo. No obstante, se recomienda hacer ensayos como los descritos cuando se investigue una nueva fuente de agregados para producir concreto. La NTC 174, apoyado con una información de INGEOMINAS, relaciona en su anexo informativo algunas zonas del territorio colombiano que

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se considera reactivos.

pueden

encontrarse

materiales

potencialmente

4.5.11.2 ADHERENCIA QUÍMICA PASTA – AGREGADO La resistencia del concreto en buena parte se debe a la adherencia entre la pasta y el agregado, siendo en buena parte la adherencia física la responsable. No obstante, se ha encontrado que algunos agregados de origen calizo, dolomítico y posiblemente silíceo io, pueden también desarrollar adherencia entre la superficie de las partículas y el cemento, en virtud a una reacción química entre éstas. En la actualidad no se ha desarrollado un método para medirla pues es muy poco lo que se conoce respecto de este fenómeno. 4.5.11.3 REACCIÓN CARBONATO ÁLCALI Este tipo de reacción ha sido poco estudiada y sus causas no se han demostrado totalmente aún. El efecto es similar al desarrollado por la sílice y el álcali del cemento, el cual también se forma en presencia de humedad pero con agregados de origen calizo-dolomítico. En Colombia no se han desarrollado pruebas simples para su determinación, pero la norma ASTM C 586 podría dar alguna información al respecto. 4.5.12. ESTABILIDAD FÍSICA Los agregados usados para la elaboración de concreto deben tener la capacidad de responder a las condiciones ambientales a que va a estar sometido el concreto durante su vida útil, tales como ciclos de humedecimiento–secado, cambios de temperatura, ciclos de hielo– deshielo, sometimiento a altas temperaturas (caso de concretos refractarios) y meteorización, entre otras, son propiedades que le tendrán que trasmitir al concreto para asegurar su durabilidad. Generalmente los agregados naturales de origen volcánico tienen buena resistencia a estos factores, toda vez que su formación se realiza por la acción de altas temperaturas y ha sido sometido a efectos de interperismo como los mencionados. 4.6. SUSTANCIAS PERJUDICIALES Los agregados pueden contener sustancias o partículas como limo, arcilla, materia orgánica, partículas débiles, sales, etc., que pueden afectar en forma nociva las propiedades del concreto, en especial los tiempos de fraguado, la resistencia, la apariencia y la durabilidad,

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entre otras. De ahí la importancia de detectarlas, saber cómo actúan y hasta qué cantidad se puede tolerar. 4.6.1 MATERIAL FINO, LIMO Y ARCILLA Los materiales más finos que el tamiz de 75 µm, especialmente limo, arcilla y polvo procedente de la trituración, pueden estar presentes en forma de polvo suelto o a manera de recubrimiento sobre las partículas de agregado. Estos materiales tienen un tamaño igual o inferior a los granos de cemento, aíslan las partículas de éste último haciéndole perder su capacidad aglutinante, trayendo como consecuencia una disminución en la resistencia y en la durabilidad. Mención especial requiere la arcilla expansiva que tiene la propiedad de hincharse cuando entra en contacto con el agua y de contraerse al drenarse, generándose así un problema adicional porque al humedecerse la estructura se producen esfuerzos dentro de la masa de concreto endurecido que pueden conducir a su deterioro. El procedimiento para determinar el porcentaje de material que pasa el tamiz 75 µm se detalla en la NTC 78. Consiste en lavar una determinada cantidad de material seco sobre dicho tamiz hasta que el agua salga clara; luego, el material se vuelve a secar y se calcula la pérdida de masa resultante por el lavado, como porcentaje de la masa de la muestra original. El porcentaje máximo establecido por la NTC 174 para este tipo de material se muestra en la tabla 4.8. 4.6.2 IMPUREZAS ORGÁNICAS Las impurezas orgánicas que pueda contener el agregado generalmente provienen de la descomposición de materiales vegetales o en ocasiones de animales muertos; se manifiesta en forma de humus o magras orgánicas acompañado normalmente de olor desagradable. Estas impurezas se encuentran con mayor frecuencia en la arena, debido a que el agregado grueso se lava con facilidad. Las impurezas orgánicas interfieren en las reacciones químicas de hidratación del cemento durante el proceso de fraguado, lo que genera su retraso; traen también como resultado una disminución en

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la resistencia y la durabilidad también se ve afectada adversamente, pues se forman pobres compuestos de hidratación. Para determinar la presencia de impurezas orgánicas en la arena para la producción de concreto, la NTC 127 proporciona un método de ensayo simple denominado Colorimétrico, que consiste en neutralizar los ácidos de la muestra con una solución de hidróxido de sodio al 3%. La determinación se realiza colocando en una botella cantidades prescritas de la arena en cuestión y de solución de hidróxido; se agita fuertemente la mezcla y se deja en reposo durante 24 horas, lapso después del cual se compara el color de la solución con una carta de 5 colores normalizados, en donde a mayor contenido orgánico más oscuro será el color. Si la coloración de la muestra no es más oscura que el amarillo estándar (ámbar o color No. 3), se puede decir que la muestra no tiene una cantidad apreciable de impurezas orgánicas y que no representa riesgo su uso en la mezcla. Cuando el color es más oscuro que el de referencia, no significa necesariamente que la coloración haya sido causada por compuestos orgánicos, puesto que el color se puede deber a minerales de hierro u otros elementos no dañinos para el concreto; en tal caso, la NTC 579 presenta un método alterno que consiste en elaborar cubos de mortero con la arena a ensayar y comparar su resistencia a la compresión con la de un mortero con las mismas características pero con arena de calidad conocida; si el mortero elaborado con la arena en duda presenta una resistencia a los 28 días superior al 95 % respecto a la del mortero elaborado con la arena de reconocidas buenas características, la coloración no implica que la arena contenga impurezas orgánicas, pudiéndose usar en la manufactura de concreto. 4.6.3 ARENA DE MAR Cuando se tiene que usar arena de mar en la producción de concreto, debe someterse a un lavado con agua potable con el fin de eliminar la mayor cantidad de sal posible. En términos prácticos, el problema que ocasiona la sal en concretos sin refuerzo es muy poco; pero no se recomienda para uso en concretos reforzados y para concretos preesforzados la mayoría de normas la prohiben.

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El uso de arena de mar tiene tres inconvenientes. El primero es que cuando hace parte de concreto, al absorber la humedad del aire causa manchas o eflorescencias que dan un aspecto desagradable en la superficie de la estructura. El segundo consiste en la eventual presencia de conchas, que si bien se trata de partículas duras, dificulta la manejabilidad de la mezcla por lo anguloso de sus formas. Y el tercero es la alta finura de sus granos, circunstancia que demanda mayor contenido de agua para una determinada manejabilidad y mayor contenido de cemento, lo cual incide en el costo de la mezcla. 4.6.4 PARTÍCULAS DÉBILES O INESTABLES Los agregados también pueden contener partículas inestables o débiles tales como pizarras, carbón, terrones de arcilla, madera y otros materiales blandos, que al encontrarse en grandes cantidades pueden afectar adversamente la resistencia y la durabilidad del concreto, puesto que conducen a descascaramientos. La presencia de estos elementos reviste especial importancia en concretos expuestos a la abrasión, como en el caso de pavimentos y pisos, por lo que no se recomienda su uso en tales estructuras. Los materiales blandos generalmente tienen un peso específico bajo y pueden detectarse por flotación al sumergir el material en agua. Los materiales deleznables o terrones de arcilla pueden desintegrarse con los dedos hasta reducir a material fino. El procedimiento para determinar el contenido de material blando o de partículas deleznables se describe en la NTC 589. En la tabla 4.8 se relacionan los porcentajes permitidos por la NTC 174 con relación a este tipo de partículas.

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Material

Máximo % del peso total de la muestra Terrones de arcilla y partículas 3,0 deleznables Material que pasa el tamiz 75 µm • Concreto sujeto a abrasión 3,0* • Todos los demás concretos 5,0* Carbón o lignito • Cuando la apariencia 0,5 superficial es importante • Todos los demás concretos 1,0 * En el caso de arena triturada, si el material que pasa el tamiz de 75 µm contiene polvo de trituración libre de arcilla o esquistos, estos límites pueden incrementarse al 5% y 7%, respectivamente. Tabla 4.8 Límites para sustancias dañinas en el agregado fino para concreto 4.5 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 4.1. AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. Concrete and Mineral Aggregates Part. 4, Easton, ASTM, 1998. 4.2. CEMENT AND CONCRETE ASSOCIATION. Concrete Technology and Construction, Aggregate Testing. London, CECA, 1984. 4.3. HUMEL, A. Prontuario del Hormigón. Barcelona, Editores Técnicos Asociados, 1966. 4.4. ASOCIACIÓN COLOMBIANA DE INGENIERIA SÍSMICA. Norma Colombiana de Construcciones Sismo Resistente. Bogotá, AIS, 1998. 4.5. INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TÉCNICAS. Normas Técnicas Colombianas para la Construcción. Bogotá, NTC, 2002.

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4.6. INSTITUTO COLOMBIANO DE PRODUCTORES DE CEMENTOSOLINGRAL. Capítulo de Dosificación de Mezclas de Concreto Medellín, ICPC, 1979. 4.7. INSTITUTO COLOMBIANO DE PRODUCTORES DE CEMENTO. Registro Gráfico para Control de Calidad de Agregados. Medellín, ICPC, 1984. 4.8. INSTITUTO COLOMBIANO DE PRODUCTORES DE CEMENTO. Selección y Uso de Agregados para Concreto. Notas Técnicas No. 7. Medellín, ICPC, 1979. 4.9 MATALLANA R. LADINO J. Granulometrías Optimas para Máximas Resistencias en el Concreto de Peso Normal. Bogotá, Universidad Militar Nueva Granada, 1985. 4.10. NEVILLE, A.M. Properties of Concrete. Londres, Pitman Books Limited. Tercera Edición, 1983. 4.11. PÓRTLAND CEMENT ASSOCIATION. Concrete Mixtures, Illinois, PCA, 1979. 4.12. SANDINO, A. Materiales para Colombiana de Ingeniería, 1981.

Design and Control of

Estructuras.

Bogotá, Escuela

4.13. SANCHEZ, D. Capítulo de Agregados Naturales para Concreto de Peso Normal. Bogotá, Universidad de Los Andes, 1984. 4.14. TROXELL, D. Composition and Properties of Concrete. New York, Mc Graw-Hill , 1968 . 4.15. L´HERMITE, R. A Pie de Obra. Madrid, Editorial Tecnos, 1971. 4.16. INSTITUTO CHILENO DEL CEMENTO Y DEL CONCRETO. Compendio de Tecnología del Hormigón. Santiago de Chile, I.CH.C.H.,

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5. AIRE EN MEZCLAS DE CONCRETO 5.1. ALCANCE La tecnología del concreto hoy en día acepta que el concreto tiene aire y lo trata como un elemento más, pues tiene gran influencia en las propiedades de la mezcla; por ello es necesario dedicarle un capítulo al estudio de sus características, su influencia en el concreto, los factores que afectan el aire atrapado y el aire incluido, los métodos de laboratorio establecidos para su medición y algunas recomendaciones dadas por el ACI 318 para el contenido de aire en el concreto. 5.2. GENERALIDADES Como se estudió anteriormente, el concreto está compuesto de cemento, agua, agregados, aditivos (eventualmente) y aire (atrapado naturalmente o incluido intencionalmente). Durante el proceso de colocación del concreto en la formaleta, la mezcla no queda totalmente compacta sino que quedan algunas cavidades llenas de aire, a lo que por su naturaleza se le denomina en el campo de la tecnología del concreto como “aire naturalmente atrapado” o simplemente como “aire atrapado”. El aire atrapado se distribuye de manera heterogénea y aleatoria en la mezcla, con formas y tamaños diversos que le infieren a la estructura poros (“hormigueros”), le bajan la densidad, la hacen permeable, le disminuyen la resistencia, mengua la durabilidad y estéticamente se torna desagradable. Por esta razón el concreto, una vez colocado en la formaleta, se debe compactar para sacar el aire atrapado y reacomodar el concreto. Otra de las formas del aire en el concreto lo constituye el “aire incluido intencionalmente” que consiste, como su nombre lo indica, en introducirle a la mezcla en estado fresco pequeñas burbujas de aire, para darle propiedades especiales, en particular la de disminuir la permeabilidad y en hacer estructuras más durables. Se considera que éste es uno de los grandes avances en la tecnología del concreto moderna.

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El contenido de aire en el concreto, bien sea atrapado o incluido, se da como un porcentaje del volumen del concreto. En general se puede decir que el aire atrapado le da al concreto propiedades indeseables, por lo que hay que sacarlo mediante el proceso de compactación, mientras que el aíre incluido le proporciona propiedades especiales, pero es necesario controlar su contenido. 5.3. PROPIEDADES DEL CONCRETO CON AIRE INCLUIDO Las burbujas de aire incluidas consisten en pequeñas esferas de aproximadamente 1 mm de diámetro en promedio (aunque en realidad su tamaño está comprendido entre 0,05 mm y 1,27 mm) que se forma a través de una sustancia química especial (aditivos inclusores de aire o cemento tipo IA ó IIA ó IIIA) añadida durante el proceso de mezclado, distribuyéndose uniformemente en toda la masa de concreto. Los aditivos o agentes inclusores de aire están compuestos de sales y resinas de madera, detergentes sintéticos, sales de lignina sulfonada, sales de ácidos del petróleo o grasas y aceites de origen animal y vegetal y sus ácidos grasos o algunas sales orgánicas de hidrocarburos sulfonados. Las burbujas se producen por disminución de la tensión superficial del agua mediante un agente que promueve su formación y permite su estabilidad durante el proceso de elaboración, fraguado y endurecimiento del concreto. La inclusión de una cantidad apropiada de aire en el concreto produce efectos deseables a sus características. En estado fresco mejora la trabajabilidad y disminuye el riesgo de segregación; en estado endurecido mejora notablemente la durabilidad, especialmente contrarrestando la acción de los ciclos de congelamiento y deshielo; además, reduce la permeabilidad, aumenta la resistencia a la acción de los sulfatos y sustancias químicas, permite la reducción del agua de mezclado para un determinado grado de trabajabilidad e incluso puede reemplazar parte de la cantidad de arena en la mezcla.

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5.3.1. TRABAJABILIDAD Las burbujas de aire incluido tienen resistencia propia que actúan como esferas dentro de la masa de concreto fresco, haciendo que las partículas se desplacen mejor unas sobre otras; este efecto se traduce en una mejor trabajabilidad de la mezcla en estado plástico, toda vez que proporcionan una mayor fluidez al concreto. El efecto de la inclusión de aire en la trabajabilidad se hace más efectiva en mezclas pobres (mezclas con bajo contenido de cemento) o en aquellas con partículas de agregado de forma angular o con agregados con una gradación pobre en la arena pues la falta de partículas de uno o varios tamaños puede ser reemplazada por las burbujas de aire incluido, especialmente en la fracción fina (tamaños más pequeños). El aire incluido también ayuda a ciertos métodos de colocación del concreto como el bombeado, ya que reduce la fricción entre las paredes de la tubería y la mezcla. 5.3.2. RESISTENCIA Se ha demostrado que el aire incluido hace posible una reducción en el contenido de arena de la mezcla en una cantidad aproximadamente igual al volumen de aire incluido, obteniéndose un concreto en estado endurecido con más espacios vacíos y por lo tanto con menor resistencia. No obstante lo anterior, por cada 1% de aire incluido se puede reducir cerca del 3% del agua de mezclado para lograr una determinada manejabilidad; de ahí que a la hora de hacer el diseño de la mezcla, para mantener el asentamiento constante, se puede obtener una compensación parcial de resistencia. Se ha encontrado que dicha pérdida puede llegar a ser hasta del 15%. 5.3.3. DISMINUCIÓN EN EL RIESGO DE SEGREGACION Y EXUDACIÓN La segregación de una mezcla ocurre cuando las partículas gruesas se separan de las más finas, o cuando se tienen mezclas muy húmedas y se separa la pasta de los agregados. De la misma

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manera, la exudación ocurre cuando parte del agua de mezclado, tiende a elevarse a la superficie del concreto recién colocado. Cualquiera de los dos casos se presenta por una falta de cohesión, bien sea por mezclas muy secas o porque son muy húmedas, o porque los constituyentes sólidos no pueden retener toda el agua cuando se asientan, normalmente cuando faltan algunos tamaños de agregado en su fracción más fina. El aire incluido intencionalmente tiene la propiedad intrínseca de desarrollar tensiones hidrostáticas que aumentan la cohesividad de la mezcla, haciendo que se disminuya el riesgo de segregación. De otro lado, la presencia de burbujas de aire conserva en suspensión las particular sólidas, de modo que la sedimentación se reduce y no se expulsa agua. 5.3.4. RESISTENCIA AL CONGELAMIENTO Y DESHIELO Tal como se explicó en el capítulo de agua, la estructura interna de una masa de concreto endurecida presenta una porosidad con canales capilares generados por la evaporación de parte del agua de mezclado, circunstancia que permite la entrada de agua (Figura 5.1). Cuando esto ocurre y se presentan bajas temperaturas, se puede congelar el agua la cual va acompañada de un aumento de volumen (alrededor del 10% o más). El incremento de volumen hace que el agua ocupe un espacio adicional, pero al no tenerlo, se da origen a esfuerzos de tensión internos generando así una rotura inicialmente pequeña y superficial. Con los sucesivos ciclos de congelamiento y deshielo, éstos canales continúan llenándose de agua cada vez más hacia el interior de la estructura en la medida que se va destruyendo la superficie del concreto, debido a un efecto acumulativo que irá destruyendo cada vez más el concreto. Se estima que la congelación brusca a –5ºC el hielo puede generar una presión cercana a los 50 MPa (500 kg/cm2 ó 7200 psi), suficiente para romper el concreto.

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Figura 5.1 Esquema de una masa de concreto endurecido con sus canales capilares y aire incorporado

El daño que le puede causar al concreto éste fenómeno se evita con la incorporación de burbujas de aire, puesto que éstas interceptan buena parte de los canales capilares aislándolos unos de otros, haciendo que el concreto sea menos permeable y, por consiguiente, impidiendo la entrada de agua, toda vez que las burbujas crean depósitos de aire que actúan como “aliviadores de presión”, puesto que al producirse la congelación del agua encuentran en ellas el espacio requerido para su expansión sin generar esfuerzos internos ya que no llegan a llenarse totalmente. El fenómeno de la degradación del concreto por la acción de los ciclos de hielo – deshielo se muestra en la figura 5.2. El efecto de la durabilidad por la incorporación de aire en el concreto si bien nació por los ciclos de hielo deshielo, también se usa para la protección de estructuras expuestas a la acción de sulfatos, pues la acción que se genera es similar a la de los ciclos de hielo deshielo. La sal es introducida al interior del concreto a través de los canales capilares, el sulfato se combina con el C3A del cemento formándose un gel que se comienza a hinchar con la acción continua de ciclos de humedecimiento – secado, produciendo esfuerzos de tracción al interior del canal rompiéndolo de manera sucesiva. Las burbujas de aire protegen al concreto de dos formas: una impidiendo que entre el agua con la sal (impermeabilizando) y otra, actuando con “aliviador de presión” cuando la acción química toma lugar.

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Figura 5.2 Esquema de la actuación del aire incorporado para proteger el concreto de los ciclos de hielo – deshielo En la figura 5.2 superior izquierda se muestran los canales capilares sin agua. En la figura superior derecha cuando ingresa el agua a los canales. La figura del medio izquierda muestra el efecto destructor del agua congelada al romper la zona de influencia de los canales capilares. En la figura del medio derecha se muestra el efecto acumulativo y progresivo de destrucción por los continuos ciclos de hielo – deshielo. En la figura inferior se detalla como actúa el aire incorporado impermeabilizando el concreto por el corte de la capilaridad y el efecto de “alivio de presión” cuando el agua se congela.

5.4.

FACTORES QUE AFECTAN EL CONTENIDO DEL AIRE

5.4.1. AGREGADO GRUESO Y CEMENTO De acuerdo con las experiencias obtenidas por la PCA, el tamaño máximo del agregado grueso y el contenido de cemento de una

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mezcla tienen un efecto importante en el contenido de aire (incluido y atrapado), tal como se muestra en la Figura 5.3.

Figura 5.3 Relaciones entre el TM del agregado, contenido de cemento y contenido de aire en el concreto. (5.8) De la mencionada figura se puede apreciar poco cambio en el contenido de aire cuando el tamaño máximo del agregado es mayor a 38,1 mm. Para tamaños de agregados más pequeños el contenido de aire se incrementa bruscamente, debido a que el volumen de mortero se aumenta. A medida que el contenido de cemento aumenta el contenido de aire decrece para el rango normal del contenido de cemento. De otro lado, para una misma cantidad de incorporador de aire, un cemento cuyo contenido de álcali sea alto incorporará mayor cantidad de aire que un cemento de contenido menor. Por ésta razón, para asegurar la cantidad correcta de aditivo de aire, es muy importante controlar las características del cemento en la planta dosificadora, cuando éste procede de varias fuentes de suministro.

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5.4.2. AGREGADO FINO En la Figura 5.4, extractada de la PCA, se considera el efecto del contenido de agregado fino. Se muestra como, para una cantidad dada de cemento, o de aditivo, el incremento en la cantidad de agregado fino consigue que se atrape una mayor cantidad de aire durante el proceso de mezclado. Las pruebas han demostrado que las partículas de agregado que más incorporan aire en la mezcla son aquellas que pasan el tamiz 595 µm (No. 30) y las que quedan retenidas en el tamiz 149 µm (No. 100). De la misma forma se ha comprobado que las partículas de agregado que pasan el tamiz 149 µm (No. 100) producen una significativa reducción en la cantidad de aire atrapado. Sin embargo, agregados finos con idéntica granulometría pero de distinta fuente, pueden debe atrapar diferentes cantidades de aire; esto se fundamentalmente a las diferencias de forma y textura superficial de las partículas o a la contaminación con pequeñas proporciones de materia orgánica.

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Figura 5.4 Relación entre el contenido de agregado fino y el contenido de aire. (5.8) 5.4.3. ASENTANIENTO Y VIBRACION De acuerdo con la PCA, el efecto del contenido de aire en el asentamiento del concreto se aprecia en la Figura 5.5. Antes de efectuar el proceso de vibración en el concreto, el contenido de aire se incrementa a medida que crece el asentamiento hasta uno de aproximadamente 150 mm, y luego decrece para asentamientos mayores a éste. Después de 15 segundos de vibración se consigue una considerable reducción en el contenido de aire para todos los asentamientos. Por otro lado, mientras mayor sea el asentamiento mayor será también el porcentaje de reducción de aire durante el vibrado. Sin embargo, si la vibración no se aplica adecuadamente, se puede dar una pérdida de aire incluido intencionalmente. De todas maneras, durante la colocación del concreto con un vibrado moderado se consigue que sean expelidas grandes burbujas, consideradas indeseables desde el punto de vista de la resistencia. Para tal efecto, se recomienda que el tiempo de vibrado no sea prolongado. La experiencia ha mostrado que para la mayoría los concretos se puede conseguir una apropiada consolidación con un tiempo de vibración entre 5 y 15 segundos.

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Figura 5.5 Relación entre el asentamiento, tiempo de vibración y curado de aire en el concreto. (5.8) 5.4.4. TEMPERATURA DEL CONCRETO Tal como se aprecia en la Figura 5.6, obtenida por la PCA, a medida que aumenta la temperatura del concreto el contenido de aire disminuye. Además, el efecto de la temperatura llega a ser más pronunciado con el incremento del asentamiento, volviéndose especialmente importante en climas cálidos, donde la temperatura del concreto puede ser un poco mayor.

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Figura 5.6 Relación entre la temperatura asentamiento y contenido de aire en el concreto. (5.8)

5.4.5, MEZCLADO El mezclado es el factor más importante en la producción de aire atrapado pues es durante este proceso cuando se efectúa su incorporación a la mezcla; por otra parte, dependiendo de cómo se ejecute el proceso de mezcla, dependerá si su distribución es o no uniforme en la masa de concreto. La cantidad de aire atrapado varía con el tipo y estado de la mezcladora así como con la cantidad de concreto mezclado. Según la experiencia de la PCA, la cantidad de aire atrapado en una mezcla disminuye apreciablemente entre más gastadas estén las aspas de la mezcladora o también, si se permite que se acumule concreto endurecido en el tambor o en las aspas. Así mismo, el contenido de aire atrapado se incrementa cuando la mezcladora se carga con una cantidad menor a la de su real capacidad y decrece cuando es sobrecargada.

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Figura 5.7 Relación entre el tiempo de mezclado y el contenido de aire en el concreto. (5.8) El contenido de aire atrapado en la mezcla aumenta con el incremento en la velocidad de la mezcladora hasta que alcanza un valor máximo; pero si éste mezclado es muy prolongado ocurre una disminución en el contenido de aire. 5.4.6. TERMINADO PREMATURO La operación de terminado prematuro causa exudación en la superficie del concreto, lo cual es origen de una pérdida de aire atrapado y de concretos propensos a descascaramientos. 5.4.7. ADITIVOS Y AGENTES COLORANTES La PCA ha encontrado que los efectos que causan los aditivos y agentes colorantes en la incorporación de aire es muy variado. Algunos materiales finamente pulverizados como las cenizas volantes, generalmente reducen la cantidad de aire atrapado. Los aditivos reductores de agua y retardantes de fraguado incrementan de manera eficiente entre 50% y 100% el aire incorporado, por lo tanto, cuando se usan dichos materiales se puede obtener el contenido deseado de aire con una menor cantidad de aditivo; sin embargo,

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algunos retardantes de fraguado pueden incrementar el espacio entre los vacíos del concreto. Hay que tener especial cuidado con algunos reductores de agua o retardantes de fraguado porque pueden no ser compatibles con los agentes incorporadores de aire. Cuando son añadidos junto con el agua de mezclado, antes de ser introducidos en la mezcladora, se puede formar una precipitación que puede conducir a una sedimentación que a su vez origina la no-incorporación de aire en la mezcla de concreto. Para solucionar éste problema basta con prepararlos separadamente y combinarlos en la mezcladora. 5.4.8. ADITIVO INCORPORADOR DE AIRE La naturaleza y composición del aditivo influye sobre la cantidad de aire incorporado, el tamaño de las burbujas, su espaciamiento, su estabilidad en la masa y su resistencia elástica para conservarse y permanecer en el concreto. También puede ser más o menos sensible a reaccionar con alguno de los compuestos del cemento, con el agua, con los agregados y aún con impurezas orgánicas o con otros aditivos. Por otra parte, la dosis de aditivo influye en forma directa y proporcional en la cantidad de aire incorporado. Para una mezcla dada, el aumento de dosis de aditivo incorpora mayor cantidad de aire. Cada aditivo posee un límite máximo después del cual cualquier aumento en la dosis no refleja una mayor cantidad de aire incorporado y por el contrario si está generando problemas en la resistencia; así mismo, en la medida que se incorpore más aire en la mezcla, llegará el momento en que en vez de ganar durabilidad, la puede afectar adversamente, tal como se aprecia en la figura 5.8.

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Figura 5.8 Esquema del comportamiento del contenido de aire en la resistencia y la durabilidad

5.5. MEDIDA DEL CONTENIDO DE AIRE Como se ha podido ver, el contenido de aire depende de numerosos parámetros y por tanto es difícil predecir con precisión su proporción en la mezcla. Existen varios métodos para su medida, pero ellos sólo indican el volumen aproximado de aire más no las características de los vacíos tales como el tamaño de los huecos, su distribución en la masa de concreto, la forma, su ubicación, etc. El contenido de aire se hace regularmente como control rutinario inmediatamente después de que se descarga de la mezcladora. En Colombia se han establecido dos procedimientos de ensayo, diferenciados básicamente del aparato de medida y de las características del agregado con que se ha elaborado el concreto. El método de presión, descrito en la NTC 1032, se utiliza cuando se trata de agregados relativamente densos (bien gradados). Está basado en la ley de Boyle que se refiere a la disminución del volumen de un gas cuando se incrementa la presión a que está sometido. El esquema del recipiente de medida del método de presión se enseña en la figura 5.9, consta de una caja cilíndrica y de una cubierta, unidas herméticamente formando un sistema rígido. El

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procedimiento de ensayo consiste en colocar la muestra de concreto dentro de la caja en tres capas y compactarlas cada una con 25 golpes con una varilla de 16 mm de diámetro, lisa y de punta redondeada y luego taparla con la cubierta. Para medir el contenido de aire se pueden optar dos alternativas. La primera consiste en introducir agua hasta una determinada altura mediante un dispositivo ubicado en la parte superior de la cubierta y aplicarle una determinada presión (con una bomba manual) sobre el agua; el descenso del nivel del agua indica una reducción de volumen del aire de la muestra de concreto. Con la presión aplicada y el cambio observado en el volumen, se puede conocer el correspondiente contenido de aire. La segunda alternativa consiste en igualar un volumen determinado de aire a presión conocido con el volumen desconocido de aire en la muestra de concreto.

Figura 5.9 El método volumétrico, cuyo procedimiento se relaciona en la NTC 1028, se utiliza cuando se utiliza cualquier tipo de agregado para elaborar concreto; se basa en determinar el contenido de aire, como la diferencia entre el volumen de una muestra de concreto bajo agua y el volumen de la misma muestra después de que el aire ha sido arrastrado por agitación. Este método se lleva a cabo por medio de un aparato similar al mostrado en la Figura 5.10, que consiste

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básicamente en una caja cilíndrica y una cubierta con capacidades aproximadamente iguales; la cubierta está provista de un cuello de plástico o de vidrio transparente, capaz de formar un ensamblaje hermético y rígido con la caja.

Figura 5.10 El procedimiento consiste en llenar la caja con concreto fresco de la misma manera que el método anterior. Después de poner la cubierta se procede a insertar un embudo y agregar agua hasta que aparezca en el cuello graduado en la marca cero. Se elimina todo el aire de concreto agitando el recipiente y se agrega con una jeringa alcohol isopropílico hasta dispersar la masa espumosa de la superficie del agua; el contenido de aire en el concreto es la suma de la lectura del cuello graduado más la medida de la cantidad de alcohol añadido. El ensayo de contenido de aire, independientemente del método que se utilice, se expresa como un porcentaje del volumen de la mezcla. 5.6. RECOMENDACIONES PARA DETERMINAR EL CONTENIDO DE AIRE En general la cantidad de aire incorporado en el concreto depende del tipo de estructura, las condiciones climáticas, si la estructura estará expuesta a ciclos de congelamiento y deshielo, la acción de agentes descongelantes, la resistencia especificada del concreto, así como de las exposiciones severas tales como agua o suelos agresivos.

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En general, el Código ACI 318 - 97 recomienda el contenidos de aire incorporado enseñados en la tabla 5.1, para la resistencia del concreto a ciclos de hielo – deshielo y exposiciones severa y moderada.

TAMAÑO MÁXIMO NOMINAL DEL AGREGADO GRUESO Pulgad Mm as 3/8 9,5 ½ 12,5 ¾ 19,0 1 25,0 1 ½ 37,5 2 50,0 75 3 150 6

CONTENIDOS DE CONTENIDO DE AIRE EN AIRE PARA % PARA EXPOSICIÓN EXPOSICIÓÓN SEVERA MODERADA 7.5 7.0 6.0 6.0 5.5 5.0 4.5

6.0 5.5 5.0 4.5 4.5 4.0 3.5

Tabla 5.1 Contenidos aproximados de aire en mezclas de concreto (5.13) Vale la pena resaltar que las mezclas de concreto con una baja relación agua/cemento no requieren de mucho aire incorporado para mejorar la durabilidad, pues una baja cantidad de agua implica también menor cantidad de canales capilares. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 5.1. AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. Significance of Tests and Properties of Concrete and Concrete - Making Materials, ASTM Special Technical Publication 169B. 5.2. ARCOS, CARLOS. Algunos Aspectos de los Hormigones con Aire Incorporado. México, IDIEM, 1979. 5.3. MOLLON, G. W., PRIOR M. E. Factor Influencing Proportioning of Air-Entrained Concrete. Detroit, ACI, 1982.

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5.4. INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TÉCNICAS. Normas Técnicas Colombianas para la Construcción. Bogotá, ICONTEC, 1983. 5.5. INSTITUTO COLOMBIANO DE PRODUCTORES DE CEMENTO, SOLINGRAL. Capítulo de Dosificación de Mezclas de Concreto, Medellín, ICPC, 1979. 5.6. KAISER CEMENTO, Concrete Topics. Bulletin No. 22.

Technical Service Dept.

5.7. NEVILLE, A.M. Tecnología del Concreto Vol. 1. Mexico, IMCYC, 1980. 5.8. PORTLAND CEMENT ASSOCIATION. Design and Control of Concrete Mixtures, Illinois, PCA, USA. 1979. 5.9. PORRERO, J., RAMOS, C. y GRASES 1. Capítulo del Concreto Fresco. Caracas, Comité Conjunto del Concreto Armado, 1975. 5.10. POWERS, T. C. The Properties of Fresh Concrete. New York, John Wiley & Sons, 1976. 5.11. SANDINO, A. Materiales para Estructuras. Colombiana de Ingeniería, 1981.

Bogotá, Escuela

5.12. TROXELL, DAVIS. Composition and Properties of Concrete. New York, McGraw-Hill, 1968. 5.13 ACI MANUAL OF CONCRETE PRACTICE, Part 3. Building Code Requirements for Structural Concrete (ACI 318R-95). Farmington Hills, MI, 1997.

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6 ADITIVOS PARA MEZCLAS DE CONCRETO 6.1. ALCANCE Día a día los aditivos han llegado a constituirse en el quinto componente del concreto, en virtud a que le pueden impartir ciertas características deseadas que no se aseguran por otros métodos o en forma tan económica. Con el uso de los aditivos la mezcla se hace más satisfactoria para un determinado trabajo. El objeto de este Capítulo es presentar los cuatro grupos de aditivos que se tienen actualmente: Incorporadores de aire, reductores de agua y control de fraguado, minerales finamente divididos y otros) De cada uno de ellos se estudian las características más importantes, la forma como actúan en el concreto, los materiales de que están compuestos, las condiciones en las que se recomienda su uso y las especificaciones más importantes. 6.2.

GENERALIDADES

Los aditivos, tal como lo define el Comité ACI 116R y la norma ASTM C 125, “son materiales diferentes al agua, cemento, agregados y fibras de refuerzo, usados como ingrediente del concreto o del mortero y añadidos a la mezcla inmediatamente antes o durante el mezclado”. Los propósitos de los aditivos en el concreto o el mortero básicamente son: cambiarle o mejorarle una o varias de sus características, contrarrestar posibles deficiencias, desarrollar propiedades especiales, lograr una mayor economía o usar menor cantidad de energía. Las propiedades del concreto tales como la trabajabilidad, el terminado, la resistencia, la durabilidad, la impermeabilidad y la resistencia al desgaste, se pueden lograr de forma fácil y económica seleccionando materiales adecuados más que por el uso de aditivos. Sin embargo, hay ocasiones donde el uso de un aditivo es el medio más conveniente de conseguir un resultado particular. Para tal efecto, el Comité ACI 212 relaciona la siguiente lista de razones importantes para las cuales se usan los aditivos.

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Incrementar la trabajabilidad sin aumentar el contenido de agua o para reducir el contenido de agua logrando la misma trabajabilidad. • Acelerar la velocidad de desarrollo de resistencia a edades tempranas. • Aumentar la resistencia. • Retardar o reducir el desarrollo de calor. • Retardar o acelerar el fraguado inicial. • Reducir la exudación y la segregación. • Reducir la velocidad de pérdida de asentamiento. • Aumentar la durabilidad o la resistencia a condiciones severas de exposición, incluyendo la aplicación de sales descongelantes. • Controlar la expansión causada por la reacción álcali - agregado. • Reducir el flujo capilar del agua. • Reducir la permeabilidad. • Producir concreto celular. • Mejorar el bombeo. • Inhibir la corrosión de metales embebidos. • Mejorar la resistencia a la abrasión y al impacto. • Mejorar la adherencia entre la pasta y el acero de refuerzo. • Reducir, o evitar, el asentamiento o para originar una leve expansión en el concreto o mortero, usados para rellenar huecos y aberturas en estructuras de concreto y en rellenos para cimentación de maquinaria, columnas y anclajes, y para llenar ductos de cables para pretensado del concreto o vacíos en agregado precolocado. • Aumentar la adherencia del concreto y el acero. • Aumentar la adherencia entre el concreto viejo y uno nuevo. • Producir concreto y mortero de color. • Obtener concretos y morteros con propiedades fungicidas, germicidas o insecticidas. • Reducir el costo unitario del concreto. Algunos aditivos pueden lograr más de un efecto en el concreto; tal es el caso del cloruro de calcio que bajo algunas condiciones mejora la trabajabilidad, acelera el fraguado y el endurecimiento y por sus propiedades higroscópicas ayuda al curado. Además, los aditivos pueden contener materiales que separadamente pertenecen a dos o más grupos, de tal manera que se pueden combinar para lograr de una mejor forma una determinada característica (sinergia). Por ejemplo, un aditivo reductor de agua se puede usar junto con un

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incorporador de aire; pero en cambio, hay otros que pueden ser incompatibles y que al actuar en conjunto se neutralizan perdiendo gran parte de sus características. La cantidad de aditivo usado es de gran importancia porque puede afectar simultáneamente propiedades como los requerimientos de agua, el contenido de aire, la tasa de endurecimiento, la exudación y la resistencia del concreto. De allí que sea tan importante la dosificación recomendada por el fabricante o la cantidad óptima determinada a través de pruebas de laboratorio con los materiales a usar, ya que un exceso o un defecto podría causar efectos totalmente contrarios a la resistencia y otras propiedades del concreto. La efectividad de un aditivo depende de varios factores como la marca, el tipo y la cantidad de cemento; el contenido de agua de mezclado; la forma, la gradación y la cantidad de agregado; el tiempo de mezclado; el asentamiento de la mezcla; la temperatura ambiente; la temperatura de la mezcla y otras condiciones de trabajo. Esto hace que antes de la utilización de un aditivo se recomiende efectuar ensayos en el laboratorio con los materiales que se usarán en la mezcla, tratando de simular lo máximo posible las temperaturas, humedades y demás características a que estará sujeta la obra. De esta manera se puede verificar su compatibilidad con otros aditivos y materiales de trabajo, así como los efectos en las propiedades del concreto en estado fresco y en estado endurecido. 6.3. TIPOS DE ADITIVOS Los aditivos pueden ser clasificados dentro de los siguientes cuatro grupos: Aditivos incorporadores de aire. Aditivos reductores de agua y de control de fraguado. Minerales finamente divididos. Otros aditivos. Los aditivos reductores de agua y de control de fraguado los regula la especificación NTC 1299, la cual se basa en la ASTM C 494. Allí se clasifican ciertos aditivos químicos en términos de su función de la siguiente manera: Tipo A: Aditivos reductores de agua

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Tipo B: Aditivos retardantes o retardadores de fraguado. Tipo C: Aditivos acelerantes. Tipo D: Aditivos reductores de agua y retardantes. Tipo E: Aditivos reductores de agua y acelerantes. Tipo F: Aditivos reductores de agua de alto rango. Tipo G: Aditivos reductores de agua de alto rango y retardantes. De la anterior clasificación es conveniente anotar que los aditivos reductores de agua, a menudo referidos como ayuda a la trabajabilidad, son llamados “Plastificantes”, y a los reductores de agua de alto rango junto con los reductores de agua de alto rango y retardantes (tipo F y G), se les denominan como “Super plastificantes”. Cuando un aditivo se utiliza para incrementar la trabajabilidad para una relación agua - cemento dada (sin incrementar la cantidad de agua), se dice que se está usando un plastificante; mientras que cuando se emplea para mantener la trabajabilidad reduciendo el contenido de agua, se dice que se está trabajando con un aditivo reductor de agua. 6.3.1. ADITIVOS INCORPORADORES DE AIRE El ACI define un agente incorporador de aire, como “un aditivo para concreto hidráulico o un aditivo para concreto o mortero, que origina aire en el concreto o mortero, generalmente en pequeñas cantidades, en forma de burbujas pequeñas (aproximadamente de 1 mm de diámetro), durante el mezclado y usualmente, para aumentar la trabajabilidad y la resistencia al congelamiento”. En el Capítulo 5 se explicaron las características más importantes del aire incluido intencionalmente en el concreto; se vio que además de mejorar la trabajabilidad y la resistencia a los ciclos de hielo - deshielo, se logran otras propiedades como la disminución o eliminación completa de la segregación y de la exudación, mejoran la resistencia al ataque de sustancias químicas, agentes anticongelantes y acción de los sulfatos, reducen aproximadamente el 3% de agua para un determinado grado de plasticidad, reducen el contenido de arena en una cantidad aproximadamente igual al volumen de aire incluido y reducen la permeabilidad, entre otras.

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Como complemento vale recalcar que dada la existencia de numerosas marcas comerciales de agentes incorporadores de aire, para comprobar la actuación de los que no se conocen, se recomienda hacer ensayos de prueba con mezclas que involucren los materiales que serán usados y simulando las condiciones de trabajo en la obra. La Norma ASTM C 260 establece las especificaciones y los métodos de prueba para este tipo de aditivo. 6.3.2. ADITIVOS REDUCTORES DE AGUA Y DE CONTROL DE FRAGUADO 6.3.2.1.

Aditivos Reductores de Agua

Los aditivos reductores de agua son materiales (generalmente orgánicos solubles en agua o combinaciones de materiales orgánicos), usados para reducir la cantidad requerida de agua de mezclado, para producir concreto con una consistencia dada o para incrementar el asentamiento para un contenido determinado de agua. Cuando se reduce la cantidad de agua de mezclado se tiene una pérdida de asentamiento. Sin embargo, con los aditivos reductores de agua no sucede esto y, por el contrario, en algunos casos puede ser incrementado debido a que sus elementos mejoran la dispersión de las partículas de cemento, logrando un incremento en la lubricación de la pasta de cemento. El funcionamiento de los aditivos plastificantes consiste en cargar eléctricamente los granos de cemento con el mismo signo de polo (positivo o negativo), de modo que por el principio de la polaridad las partículas se repelen haciendo que la mezcla sea más dócil en estado fresco. Este efecto es temporal y depende principalmente de la marca de aditivo, la cuantía dosificada y del tipo de cemento usado. Algunos aditivos reductores de agua pueden además retardar el tiempo de fraguado del concreto. Es así como en algunos casos, con una pequeña variación en su composición se obtienen efectos retardantes de manera notoria; en otros casos no lo afectan significativamente. Así mismo, algunos reductores pueden incorporar aire a la mezcla lográndose de esta forma un efecto combinado.

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Con la utilización de un reductor de agua normalmente se logra un incremento en la resistencia siempre y cuando se conserve constante la cantidad de cemento y el asentamiento en la mezcla sea el mismo. No obstante, se debe tener en cuenta que a pesar de la disminución de la cantidad de agua, la contracción del concreto puede aumentar o disminuir dependiendo de la composición química y de las características de otros materiales usados en el concreto. De cualquier manera, los efectos anotados anteriormente son una guía general; por ello se considera conveniente obtener información más detallada y específica con los fabricantes o comprobando cada situación mediante ensayos previos. El uso de aditivos reductores de agua se pueden usar en obras donde se requiera una determinada resistencia con menor cuantía de cemento, pero teniendo en cuenta que la durabilidad pueda verse afectada. Así mismo, resultan de gran ayuda para mejorar la trabajabilidad en concretos con agregados de gradación pobre. También resultan indispensables en concretos colocados por medio de bomba o bajo condiciones difíciles donde la compactación sea complicada de realizar. La prueba de aditivos reductores de agua se hace en concretos preparados con y sin el aditivo. Se debe añadir de la manera recomendada por el fabricante y en la cantidad necesaria para cumplir con los requisitos de las especificaciones de la obra. Las pruebas se realizan de acuerdo con lo establecido en la norma ASTM C 494-5, para lo cual los aditivos tienen que cumplir con los requisitos de la ASTM C 494. 6 3.2.2. Aditivos retardantes o retardadores de fraguado Un aditivo retardante de fraguado, como su nombre lo sugiere, es un material que demora el tiempo de fraguado con el fin de mantener el concreto trabajable un período de tiempo más prolongado. Los ingredientes más usados como retardantes son el ácido hidroxicarboxílico y sus sales o lignosulfanatos no refinados, los cuales se encuentran presentes en los azúcares. Estos elementos actúan formando una película alrededor de los granos de cemento

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demorando la reacción inicial. El tiempo durante el cual el concreto permanece trabajable depende fundamentalmente de su temperatura, la trabajabilidad, tipo y marca de cemento usada y la relación agua/material cementante; sin embargo, cuando se requiere del uso de un aditivo retardante, el lapso se puede prolongar entre 2 y 6 horas, dependiendo de la cantidad de aditivo dosificado. Dentro de los efectos secundarios que pueden tener los aditivos retardantes se encuentran principalmente los siguientes: La reducción de la resistencia en edades tempranas (de 1 a 3 días); No incrementan la temperatura inicial del concreto; Algunas veces pueden incluir aire; En ciertas ocasiones actúan como reductores de agua. Por las razones mencionadas, los efectos de los aditivos retardantes en otras propiedades del concreto, tal como la contracción, pueden no ser predecibles; en consecuencia, la aceptación de un retardante se debería hacer por medio de pruebas de laboratorio con los materiales que se van a utilizar y bajo condiciones simuladas de trabajo. El uso de aditivos retardantes, puede ayudar cuando se tiene una o más de las siguientes condiciones: • • • •

En climas cálidos donde la temperatura supera los 25º C, con el fin de prevenir un endurecimiento temprano y pérdida de trabajabilidad. Cuando se trata de una vaciada grande que requiera de varias horas para completarla y cuya construcción exija que no se generen juntas frías. Cuando se utilicen formaletas deslizantes. Cuando hay un retardo grande entre el mezclado y el colocado, como en el caso del uso de concreto premezclado y se presenten demoras de tránsito.

6.3.2.3. Aditivos Acelerantes o aceleradores de fraguado Un aditivo acelerante es un material que se añade al concreto con el fin de reducir el tiempo de fraguado y acelerar el desarrollo de la

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resistencia del concreto a edades tempranas. El aditivo acelerante más ampliamente usado es el cloruro de calcio y aunque existen otros cloruros que se pueden utilizar para tal fin, normalmente no se hace por su alto costo y por su menor efectividad. En general, los acelerantes tienen los siguientes efectos sobre las propiedades del concreto: • • • • • • •

El tiempo de fraguado inicial y final se reducen en un monto proporcional a la cantidad de acelerante usado, a la temperatura del concreto y a la temperatura ambiente; Incorporan aire; Desarrollan calor de hidratación más temprano pero sin efectos apreciables sobre el concreto; Aumentan notablemente la resistencia a la compresión en edades tempranas, reduciéndose ligeramente las finales; Aumentan los cambios de volumen cualquiera que sea el método de curado utilizado; Disminuyen la resistencia al ataque de los sulfatos; Incrementan el riesgo de corrosión del acero de refuerzo embebido y en general de los metales que se encuentren dentro del concreto.

El uso de este tipo de aditivos se recomienda cuando: • • • • • •

Se tengan climas fríos, para que no se afecte el proceso de hidratación del cemento por las bajas temperaturas; Se requiere iniciar las operaciones de acabado rápidamente; Se necesite reducir el tiempo de curado y protección; Se requiera aumentar el desarrollo de la resistencia inicial, para que permita el descimbrado más rápido o cuando se necesite poner en servicio la estructura lo más pronto posible; y Se requiera un taponamiento eficiente de filtraciones contra presiones hidráulicas. Se recomienda tener cuidado con el uso de los acelerantes en climas cálidos, en donde se puede presentar una evolución rápida del calor de hidratación, un fraguado rápido y aparición de grietas de contracción.

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Como se anotó anteriormente, el cloruro de calcio es el acelerante más común. El uso de este material exige cuidados especiales en la dosificación, la cual normalmente no excede del 0.02 ppc; una sobredosis puede crear problemas en la colocación del concreto por causa del endurecimiento rápido, mayor contracción, mayor riesgo de corrosión del acero de refuerzo y mayor pérdida de resistencia en edades posteriores. Para que el cloruro de calcio pueda ser usado en el concreto debe cumplir con los requisitos dados por la Norma ASTM D 98 y tanto el muestreo como la prueba deben estar de acuerdo con el procedimiento seguido en la Norma ASTM D 345. 6.3.2.4.

Aditivos superplastificantes

Un aditivo superplastificante es un material que se añade al concreto con el propósito de incrementar en gran medida la trabajabilidad, o para producir un concreto de alta resistencia. Para dar una idea acerca de la acción que éste tipo de aditivo puede lograr en la trabajabilidad de un concreto, se tiene que una mezcla producida con una relación agua/material cementante normal y diseñada para producir un asentamiento de 7,5 cm, luego de la adición del aditivo el asentamiento se puede aumentar a más de 20 cm, adquiriendo tal fluidez el concreto que puede ser compactado con una vibración muy pequeña sin que se afecte la resistencia o cause segregación o exudación. Por otro lado, con la utilización de aditivos superplastificantes, se pueden producir concretos de alta resistencia puesto que la reducción del contenido de agua es mucho mayor que la obtenida con un aditivo plastificante ordinario (reductor de agua). Por ejemplo, con un reductor de agua corriente, se puede lograr una disminución del agua de mezclado, hasta en un 10%, mientras que con un superplastificante se puede reducir hasta en un 30% o más, conservando una manejabilidad adecuada. El uso de superplastificantes se recomienda para la elaboración de elementos prefabricados, para estructuras donde la compactación

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sea difícil de ejecutar (especialmente en aquellas estructuras que tienen mucho acero de refuerzo), en obras donde se requiere que el concreto sea bombeado. Se debe tener cuidado del uso de este tipo de aditivos en estructuras inclinadas que tengan una pendiente mayor a 3 grados, pues la mezcla se torna tan fluida que se puede escurrir. Los materiales usados como superplastificantes son mucho más efectivos pero así mismo más costosos que los otros aditivos reductores de agua. Su efecto en el concreto varía entre 30 y 60 minutos, tiempo después del cual el concreto experimenta una pérdida rápida de trabajabilidad. Una vez perdido el efecto se puede redosificar. Siguiendo la recomendación dada para los demás aditivos, antes de su empleo definitivo en la mezcla es conveniente hacer ensayos para su aceptación definitiva. 6.3.3.

ADITIVOS MINERALES FINAMENTE DIVIDIDOS

Los materiales finamente divididos se consideran los igualmente denominados adiciones o materiales inorgánicos suplementarios, dentro de los que se tienen los siguientes: •

Materiales relativamente inertes químicamente. Son aquellos materiales como cuarzo molido, caliza molida, bentonita, cal hidratada y talco.

•

Materiales cementantes. Son los comprendidos por cementos naturales, cales hidráulicas, cementos de escoria, y escoria granulada de alto horno.

•

Materiales puzolánicos. Son las cenizas volantes, vidrio volcánico, tierras diatomáceas y algunos esquistos o arcillas, ya sean tratados térmicamente, o tal como se extraen.

Humo de sílice Dentro de los materiales del género puzolánico más usado como adición al concreto es el humo de sílice o también llamada

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microsílice o sílica flume, que bien merece hacerle una reseña. El humo de sílice resulta de la condensación de los gases del alto horno durante la producción del metal de silicio. Es un material muy rico en sílice amorfa, tiene un tamaño de grano aproximadamente 100 veces más pequeña que el grano de cemento y presenta una forma esférica. Por sus características, el humo de sílice es utilizado para la producción de concretos de baja permeabilidad y concretos de altas resistencias, principalmente. Por su muy alta finura y riqueza en el contenido de sílice, el humo de sílice es altamente efectivo como material puzolánico, pero exige de un mayor contenido de agua de mezclado por lo que normalmente se opta por el uso de un aditivo reductor de agua de alto rango. Por esta razón, generalmente el máximo contenido de humo de sílice que se puede dosificar resulta del orden del 25% por peso de cemento, pero en la práctica no se dosifica del 12% por razones técnicas y de costo. Con el uso de humo de sílice se pueden obtener concretos con resistencias del orden de 126 MPa (1260 kg/cm2 ó 18000 psi). La alta finura hace que los espacios dejados por los granos de cemento hidratados sean obturados por las partículas de microsílice, lo cual se traduce en reducciones importantes en la permeabilidad. Así mismo, los productos cementantes formados por la reacción entre la sílice amorfa y la cal procedente de la hidratación de la pasta, son muy resistentes al ataque químico. En Colombia no se produce el humo de sílice pero se usa en aplicaciones especiales, siendo importado por algunas compañías. Para el uso de cualquiera de los aditivos minerales mencionados, es conveniente tener en cuenta que el cemento puede tener adiciones, razón por la cual es necesario conocer previamente la acción del aditivo sobre el concreto. Es de recordar también que deben cumplir con los requisitos enunciados en el capítulo de cemento en el numeral 2.7, referentes a las especificaciones para las adiciones. 6.3.4.

OTROS ADITIVOS

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6.3.4.1. Aditivos de pega o adhesivos. Los aditivos de pega son generalmente emulsiones de agua de materiales orgánicos como caucho, polivinilo, cloruro, acetatos de polivinilo y acrílicos, que son añadidos a las mezclas de cemento Pórtland o aplicados a la superficie del concreto viejo, para mejorar la adherencia o trabazón con el concreto nuevo. Este tipo de aditivo es resistente al agua, tiene buen comportamiento en aplicaciones exteriores y se puede usar en lugares expuestos a la humedad. La efectividad de su acción depende del estado de la superficie donde se va a aplicar. Es conveniente que la superficie esté limpia, seca, libre de polvo, pintura, grasa y, además, a temperatura adecuada. Estos materiales son muy útiles para remiendos en concreto, revoque de cemento y en la formulación de pintura de cemento. 6.3.4.2.

Aditivos reductores de permeabilidad

Este tipo de aditivo se usa en obras donde se quiere evitar la transmisión de humedad a través del concreto que está en contacto con agua o terrenos húmedos. Hay que tener cuidado con algunos impermeabilizantes que pueden no ser efectivos, especialmente cuando son usados en concretos, en contactos con agua bajo presión. Los aditivos reductores de permeabilidad incluyen ciertos jabones, estereatos, productos de petróleo, arena molida o bentonita. No obstante, su uso en mezclas bien diseñadas y dosificadas pueden incrementar los requerimientos de agua de mezclado que conduce a un efecto contrario al que se pretende. 6.3.4.3. Agentes formadores de gas Los agentes formadores de gas son materiales que se le añaden a la mezcla en pequeñas cuantías para que realicen una ligera expansión antes del endurecimiento.

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Cuando se tienen mezclas son muy fluidas, durante el proceso de fraguado los sólidos tienden a hundirse en el fondo de la formaleta; como resultado se obtienen espacios vacíos que pueden llegar a ser considerables, especialmente debajo de las varillas de refuerzo y de las partículas más grandes de agregado grueso. Para evitar esta tendencia, algunas veces se usan agentes que producen gas en forma de pequeñas burbujas, de tal forma que mantienen las partículas “flotando”, compensándose así el fenómeno. De otro lado, en ocasiones se requiere producir concretos de muy baja densidad. Para tales casos, el agregado (el grueso y en ocasiones el grueso y el fino) se sustituyen por un agente formador de gas o un espumante, obteniéndose así los concretos celulares. Algunos materiales empleados para el efecto son el polvo de aluminio o el de zinc. Además de estos aditivos, existe una miscelánea de materiales, tales como agentes para producir expansión, colorantes, para relleno, floculantes, fungicidas, germicidas e insecticidas, para resistir la humedad, y para reducir la expansión álcali-agregado. 6.4. ESPECIFICACIONES DE LOS ADITIVOS 6.4.1. ADITIVOS INCORPORADORES DE AIRE La Norma ASTM C 260 contempla los aditivos inclusores de aire; allí se especifica que los agentes inclusores deben cumplir los siguientes requisitos dentro de las propiedades del concreto, comparados con un concreto testigo elaborado con las mismas características pero sin aditivo incorporador de aire: • El tiempo de fraguado (inicial y final) no debe variar en más de una hora y quince minutos, con respecto a la mezcla testigo. • La resistencia a la compresión y a la flexión a cualquier edad, no debe ser menor al 90%, con respecto a la muestra testigo. • La expansión producida en el endurecimiento del concreto no debe ser mayor de 120%, respecto a la muestra testigo comparada después de 14 días. 6.4.2.

ADITIVOS REDUCTORES DE AGUA Y PARA CONTROL DE

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FRAGUADO En general, este grupo de aditivos debe cumplir con la NTC 1299 (ASTM C 494), cuyas especificaciones físicas más importantes se enseñan en la tabla 6.1. 6.4.3. ADITIVOS MINERALES FINAMENTE DIVIDIDOS Los materiales finamente divididos, como se mencionó anteriormente, deben cumplir con las siguientes especificaciones: ASTM C 10: Para cemento natural. ASTM C 141: Para cal hidráulica. ASTM C 595: Cemento de escoria. ASTM C 618: Cenizas volantes (fly ash) y puzolana natural o calcinada.

TIPO A

TIPO B

TIPO C

Reductor - agua

Retardador

Acelerante

Contenido de agua máxima con relación a 95 la mezcla de referencia. Tiempo de fraguado del concreto, desviación permisible respecto a la muestra de referencia Horas – minutos Fraguado inicial • No menos de 1:00 después • No más de 1:00 antes o 1:30 3:30 después después Fraguado final • No menos de • No más de 1:00 antes o 1:30 después

1:00 antes 1:00 antes -

TIPO D TIPO E R-A Retardador R-A y reductor Acelerante de agua

TIPO F

TIPO G Reductor de R-A Reductor agua de alto de agua de alto poder y poder retardante

95

95

88

3:30 después

1:00 antes -

después 1:00 1:00 antes o 3:30 después 1:30 después

1:00 antes -

1:00 antes o 3:30 después 1:30 después

3:30 después

88

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Resistencia mínima a compresión, expresada en %, con respecto a la muestra de referencia 1d 3d 7d 28 d 6 meses 1 año

110 110 110 110 100

90 90 90 90 90

125 100 100 90 90

110 110 110 100 100

125 110 110 100 100

140 125 115 110 100 100

125 125 115 110 100 100

Resistencia mínima a la flexión, expresada en %, con respecto a la muestra 110 de referencia 100 3d 100 7d 28 d

90 90 90

110 100 90

110 100 100

110 100 100

110 100 100

110 100 100

135

135

135

135

135

135

0,010

0,010

0,010

0,010

0,010

0,010

80

80

80

80

80

80

Cambio de longitud máx. retracción (requisito 135 alternativo) • % en la mezcla de referencia 0,010 • Aumento respecto al control • Factor de durabilidad D relativa, mínima 80

Tabla 6.1 Requisitos físicos para los aditivos reductores de agua y para control de fraguado (6.3) Notas Tabla 6.1 Los valores de la tabla incluyen la tolerancia para las variaciones normales en los resultados de los ensayos. El objeto de los requisitos de un 90% de la resistencia a la compresión para los aditivos tipo B es exigir un nivel de comportamiento comparable al concreto de referencia. A

La resistencia a la compresión y a la flexión del concreto que contiene el aditivo bajo ensayo a cualquier edad, no debe ser menor del 90% de la resistencia en cualquier ensayo a edad previa. El objeto de este límite es exigir que la resistencia a la compresión o flexión del concreto que contiene el aditivo bajo ensayo, no disminuya con el tiempo.

B

C

Requisito alternativo. El % del límite de control en la mezcla de

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referencia se aplica cuando el cambio en la longitud de control es menor que 0,3%. D Este requisito se aplica solo cuando un aditivo se usa en concreto con aire incorporado, el cual puede estar expuesto a condiciones de congelamiento y descongelamiento cuando está húmedo. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 6.1. AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. Concrete and Mineral Aggregates Part. 14. ASTM - Editorial Staff, Easton, 1982. 6.2. CEMENT AND CONCRETE ASSOCIATION. Concrete Technology and Construction Admixtures. London, C&CA, 1984. 6.3. INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TÉCNICAS. Normas Técnicas Colombianas para la Construcción. Bogotá, ICONTEC, 1994. 6.4. INSTITUTO MEXICANO DEL CEMENTO Y DEL CONCRETO. Guía para el Empleo de Aditivos en el Concreto (Reporte preparado por el Comité ACI 212). IMCYC, México, 1974. 6.5. NEVILLE, A. M. Tecnología del Concreto. Vol.1. IMCYC, México, 1980. 6.6. PORTLAND CEMENT ASSOCIATION. Concrete Mixtures. Illinois, PCA, 1979.

Design and Control of

6.7. SANDINO, A. Materiales para Estructuras. Escuela Colombiana de Ingeniería, Bogotá, 1981. 6.8. TECNOCONCRETO DE COLOMBIA S.A. Tecnoconcreto,1986.

Concreto. Bogotá,

6.9. TROXEL, DAVIS. Composition and Properties of Concrete. York, McGraw-Hil, 1968.

New

6.10. ACI 211.1 - 91. Standard Practice for Selecting Proportions for Normal, Heavyweight, and Mass Concrete. ACI 2001

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7. ESTADOS FUNDAMENTALES DEL CONCRETO 7.1. ALCANCE Estudiados los diferentes materiales que componen el concreto, se puede tratar el concreto como tal analizando las propiedades de la mezcla en estado fresco y en estado endurecido, que son sus estados fundamentales. En lo que se refiere al concreto en estado fresco se consideran los parámetros más importantes como son la trabajabilidad, la segregación y la exudación. También se describen algunos de los métodos más usados para medir la trabajabilidad. Como interfase entre los dos estados se estudia el fraguado, proceso mediante el cual el concreto pasa de fresco a endurecido. Se describe el método usado en Colombia para medirlo en el laboratorio. En el concreto en estado endurecido se explica lo concerniente a la resistencia y sus diferentes tipos, así como la descripción de los métodos relacionados en las normas colombianas para medirla. Se analiza los principales factores que atañen a la durabilidad tales como la permeabilidad, la resistencia a la al ataque de los sulfatos, al ataque por ácidos, la resistencia al ataque por el fuego, la carbonatación, la resistencia al desgaste, el efecto de los cambios de volumen del concreto por diversas causas, la disolución del concreto por contacto con ciertas aguas y la corrosión del acero de refuerzo. 7.2. GENERALIDADES Un buen concreto es aquel que resulta satisfactorio en sus dos estados fundamentales, fresco y endurecido. En estado fresco, la trabajabilidad de la mezcla debe ser la adecuada para que el concreto pueda ser transportado, se pueda compactar por medios apropiados con el mínimo posible de energía y tenga cohesión suficiente para que no se produzca segregación o exudación. El concreto en estado fresco es importante porque en este estado se le

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da la forma deseada a la estructura y es fundamental para el desarrollo de las propiedades en estado endurecido. En general, el concreto en estado endurecido debe tener una resistencia a la compresión satisfactoria y una durabilidad adecuada; en ocasiones es posible que se le exija al concreto otras propiedades como el color, la textura o la densidad. Por lo común, la resistencia es el factor más importante, en especial a los esfuerzos de compresión; es claro que un concreto con buena resistencia a la compresión es compacto, denso y tiene baja permeabilidad lo cual normalmente es sinónimo de que es durable. La durabilidad se refiere a que el concreto resista sin sufrir deterioro con el tiempo las condiciones a las cuales va a estar sujeto durante su vida útil. La durabilidad depende del medio y de las condiciones a que está expuesta la estructura, con solicitaciones que pueden ser físicas, químicas o mecánicas; pueden ser originadas por condiciones agresivas, como ambientes salinos, ciclos de humedecimiento y secado, ciclos de hielo y deshielo, cambios bruscos de temperaturas externas, abrasión, ataque de sulfatos, acción electrolitica y ataque por líquidos y gases de origen natural o industrial. El agente interno más importante para facilitar este ataque es sin duda la permeabilidad, aunque en algunos casos se presenta la reacción agregado - álcali o también cambios de volumen debidos a diferencias entre las propiedades térmicas del agregado y de la pasta de cemento. La permeabilidad determina en gran medida la vulnerabilidad del concreto ante los agentes externos, de allí que para que un concreto sea durable, deberá tener la menor permeabilidad posible. Actualmente el interés por las propiedades del concreto se ha incrementado; la tendencia es la de especificar requisitos particulares del concreto que además de cumplir con una determinada resistencia, aseguren la durabilidad a exposiciones específicas durante un determinado tiempo y, eventualmente, dispongan de otras características. Por lo tanto, el conocimiento de las propiedades es relevante en la tecnología del concreto y es fundamental para el diseño de la mezcla y el desempeño de la estructura.

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7.3. CONCRETO FRESCO Cuando se habla de concreto fresco se debería hacer referencia a la reología del material, que corresponde a la parte de la física que trata de la viscosidad, la plasticidad, la elasticidad y, en general, del flujo de la mezcla cuando se encuentra en estado fresco (fluido), lo cual implica cierto grado de complejidad para su estudio. No obstante, desde el punto de vista de tecnología del concreto, cuando se trata de las propiedades de la mezcla en estado fresco, generalmente se hace referencia a la trabajabilidad o manejabilidad, que en cierta medida contempla la reología del material. 7.3.1. TRABAJABILIDAD O MANEJABILIDAD La manejabilidad se define con que la mezcla puede colocada, compactada homogeneidad, es decir exudación.

como el grado de facilidad o dificultad ser mezclada, manejada, transportada, y terminada, sin que pierda su que no se produzca segregación ni

La trabajabilidad puede ser considerada como una combinación de varias propiedades, como la compactabilidad, la movilidad, la cohesividad, la consistencia y la plasticidad • • • • •

La compactabilidad se refiere a la facilidad con la que el aire atrapado en la mezcla puede ser expelido. La movilidad es la facilidad con la que la mezcla puede fluir alrededor del acero de refuerzo y de las formaletas. La cohesividad es la resistencia de una mezcla de concreto a la segregación o a la exudación. La consistencia se refiere al estado de fluidez o al grado de humedad de la mezcla o, en términos simples, a que tan seca o fluida es una mezcla de concreto. La plasticidad es la propiedad que le permite a la mezcla ser moldeada y de cambiar de forma lentamente cuando se saca del molde en estado fresco.

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El grado de trabajabilidad apropiado de una mezcla de concreto depende del tamaño y forma de la estructura proyectada; de la disposición, tamaño y cantidad del acero de refuerzo; y por los métodos de transporte, colocación y compactación. Es así como un elemento muy reforzado o de difícil acceso requiere de mayor grado de manejabilidad que uno con poco refuerzo. 7.3.1.1. Factores de que depende la manejabilidad En la trabajabilidad de una mezcla de concreto influyen gran cantidad de factores como la gradación, forma y textura superficial de los agregados; el contenido de aire y de aditivos; la fluidez de la pasta; las cantidades relativas de pasta y agregados; la relación arena/agregado total; y de algunos factores externos. La influencia de las propiedades de los agregados y el contenido de aire y de los aditivos, fueron estudiados en detalle en los respectivos capítulos. En cuanto a la fluidez de la pasta, se puede anotar que la plasticidad de una mezcla depende en gran parte de las cantidades relativas de agua y cemento, toda vez que ésta se convierte en el material que lubrica los agregados. Pastas con bastante cemento y poca agua se tornan muy rígidas y en conjunto con los agregados se convierten en mezclas poco trabajables. Por el contrario, pastas con contenidos bajos de cemento y altos de agua se convierten en mezclas fluidas pero con tendencia a la segregación y a la exudación. En consecuencia, la pasta en estado fresco debe ser una suspensión y no una solución de cemento en agua, de modo que mientras más diluida el espacio entre las partículas de cemento es mayor, formándose así pastas con estructuras pobres independientemente del estado de hidratación del cemento, lo cual trae consecuencias adversas para la resistencia, la durabilidad y el grado de permeabilidad. En lo que se refiere a la influencia de factores externos, el grado de manejabilidad dependerá del método de mezclado, el tipo de transporte, el sistema de colocación, el método de compactación, el tipo de textura de acabado deseado, las condiciones del clima que

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imperan en el sitio de producción y colocación del concreto; y el tiempo transcurrido entre el mezclado y la colocación del concreto. 7.3.1.2. Medición de la trabajabilidad De acuerdo con lo anterior, la trabajabilidad de una mezcla depende de muchos factores por lo que su medición no es fácil y sólo puede ser determinada mediante la observación de como se acomoda en las diferentes partes de la estructura y como responde a la compactación sin que pierda su homogeneidad. Por este motivo, hasta la fecha no se ha desarrollado un método que mida directamente las propiedades mencionadas; sin embargo, se han desarrollado algunos ensayos que permiten hacer una correlación entre la manejabilidad con algunas características del concreto en estado fresco. 7.3.1.2.1 Ensayo de asentamiento

El ensayo más ampliamente utilizado en todo el mundo es el desarrollado por el investigador norteamericano Duff Abrams, denominado de “Asentamiento” o "Slump" o del “Cono de Abrams”, el cual mide con bastante aproximación la consistencia o grado de humedad de una mezcla. El ensayo utiliza un molde metálico con la forma y dimensiones mostradas en la Figura 7.1 y cuyo procedimiento está dado en la Norma NTC 396.

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Figura 7.1 El ensayo consiste en poner el molde sobre una superficie horizontal, plana y no absorbente, presionando con los pies las agarraderas, para evitar que se salga el concreto por la parte inferior del molde (ver Figura 7.2). Se llena el cono en tres capas de aproximadamente igual volumen cada una, compactando las capas con 25 golpes dados con una varilla lisa de 16 mm de diámetro, 60 cm de longitud y con uno de sus extremos redondeado. La introducción de la varilla se debe hacer en diferentes sitios de la superficie y hasta una profundidad tal que penetre un poco en la capa inferior, con el objeto de que la compactación se distribuya uniformemente sobre la sección transversal (Figura 7.2.c,d,e). AI término de la tercera capa se enrasa la superficie, bien sea con la varilla o con un palustre (Figura 7.2.f.). Se retira la mezcla que haya caído al suelo, en la zona adyacente a la base del molde y se retira el cono, levantándolo cuidadosamente en dirección vertical sin movimientos laterales o de torsión y sin tocar la mezcla con el molde cuando este se ha separado del concreto (Figura 7.2.g).

Figura 7.2

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Una vez retirado el molde la muestra sufre un asentamiento (y de aquí el nombre del ensayo), el cual se mide inmediatamente tomando la diferencia entre la altura del molde y la altura medida sobre el centro de la base superior del espécimen (Figura 7.2.h). Si se produce un desprendimiento pronunciado de parte del concreto hacia un lado de la muestra, se debe repetir el ensayo sobre otra muestra diferente. Si el desprendimiento persiste, como puede suceder con mezclas ásperas, es un indicio de que a la mezcla le falta cohesión y puede tender a la segregación; en este caso el ensayo no es aplicable. En el evento que la mezcla sufra un colapso luego de retirado el molde, tampoco es aplicable el ensayo. El ensayo de asentamiento es aplicable sólo a mezclas plásticas y trabajables con valores de asentamiento entre 0 y 20 cm. El ensayo de asentamiento también es muy usado en el campo para verificar la variación en los materiales que se utilizan para producir concreto; así por ejemplo, una alteración en el contenido de humedad de los agregados o un cambio en la granulometría, se puede detectar mediante un incremento o una disminución en el asentamiento. 7.3.1.2.2 Otros métodos de medición de la trabajabilidad

Dado que el ensayo de asentamiento tiene sus limitaciones, se han desarrollado otros métodos para medir la manejabilidad de la mezcla, los cuales tienen en cuenta otros factores. Entre otros ensayos se encuentran el del cilindro acanalado, el ensayo de la esfera de Kelly, el ensayo de V.B., el plasticímetro y el medidor de docilidad. El ensayo del cilindro acanalado (Figura 7.3. a) consiste en medir directamente el rozamiento mediante un cilindro acanalado que se sumerge en la mezcla. El esfuerzo necesario para hacer rotar el cilindro depende de la fluidez de la mezcla, por lo tanto, se correlacionan estos dos factores para medir la manejabilidad. Este ensayo es sensible a los cambios de granulometría y a la cantidad de agua, siendo más notorio el primero.

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El ensayo de la esfera de Kelly (Figura 7.3. b) consiste colocar una muestra de concreto en un recipiente y medir la profundidad que se hunde la media esfera; la profundidad de hundimiento depende del rozamiento interno correlacionándose con la manejabilidad de la mezcla. Tiene la ventaja de poderlo aplicar en el concreto puesto en obra y su rango de aplicación es parecido al del ensayo de asentamiento, teniendo con éste buena correlación. Su procedimiento de ensayo se encuentra normalizado en la ASTM C 360.

(a) Cilindro acanalado

(b) Esfera de Kelly

(c) Aparato de V.B.

(d) Plasticímetro Figura 7.3 Otros ensayos para medir la trabajabilidad del concreto (7.14) El ensayo de V.B. fue ideado en Suecia (Figura 7.3. c.). Consiste en medir el tiempo de vibración para que un cono de muestra de concreto (de las dimensiones de las del de Abrams) cubra completamente la tapa del molde cilíndrico donde está contenido, que a su vez está sobre una mesa vibratoria. Este ensayo se aplica para mezclas secas y es especialmente utilizado en obras donde se exige que el asentamiento sea cero, como es el caso de la técnica

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del concreto compactado con rodillo, aplicado a presas y pavimentos. En Colombia se ha usado en varias obras para las técnicas anotadas. El ensayo del plasticímetro (Figura 7.3. d) consiste en medir el tiempo de vibración necesario para que el concreto del depósito A se ponga al nivel del depósito B cuando se abre la compuerta que separa los dos compartimentos. En la tabla 7.1 se muestran algunos valores que relacionan la manejabilidad de la mezcla para los ensayos de asentamiento, el aparato de V.B. y la esfera de Kelly.

Ensayo

Manejabilidad Muy baja Baja 0 - 1,0 2,0 - 3,0

Media 4,0 - 6,0

Alta 7,0 - 9,0

Muy alta 10,0 - 12,0

3,0 - 4,0 1,0 - 1,5

1,0 - 2,0 2,0 - 3,0

3,0 - 5,0

5,0 - 6,0

Asentamiento (cm) Aparato V. B. (s) 5,0 - 10,0 Esfera de Kelly 0,5 (cm)

Tabla 7.1 Relación de la medida de manejabilidad según algunos ensayos (7.15) 7.3.2. SEGREGACIÓN La segregación de una mezcla de concreto se define como la separación de sus constituyentes por falta de cohesividad, de manera que su distribución deja de ser uniforme. Las principales causas de segregación en el concreto son la diferencia en tamaño de las partículas, la densidad de los constituyentes de la mezcla y una mala gradación de los agregados. Así mismo, pueden influir otros factores, como un mal mezclado, un inadecuado sistema de transporte, una colocación deficiente y un exceso de vibración durante la compactación.

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La segregación se puede presentar de dos formas. La primera ocurre cuando se usan mezclas pobres y demasiado secas, de tal manera que las partículas gruesas tienden a separarse bien sea porque se desplazan a lo largo de una pendiente o porque se asientan más que las partículas finas. El segundo tipo, ocurre particularmente en mezclas húmedas y se manifiesta por la separación de una parte de la pasta de los agregados. El riesgo de segregación se disminuye en la medida que se tengan en cuenta los siguientes aspectos: • • • • • • • • •

Dosificar adecuadamente los materiales; Transportar el concreto la menor distancia posible hasta la posición final; No arrojar el concreto desde alturas considerables (mayores a 1 m); Evitar el transporte del concreto por conductos con cambios bruscos de dirección; Evitar el descargue del concreto contra obstáculos; Evitar que fluya el concreto a lo largo de la formaleta; Evitar esparcir un montón de concreto con el vibrador; No exceder el tiempo de vibración del concreto; No utilizar agregados gruesos cuya densidad difiera apreciablemente del agregado fino.

7.3.3. EXUDACIÓN O SANGRADO La exudación se considera como una forma de segregación, en la que una parte del agua de mezclado tiende a subirse a la superficie de una mezcla de concreto recién colocado, debido a que los constituyentes sólidos de la mezcla no pueden retener toda el agua cuando se asientan durante el proceso de fraguado. La exudación de la mezcla trae consecuencias nocivas. Por un lado, la parte superior del concreto se vuelve demasiado húmeda, lo que conlleva a estructuras porosas, débiles y poco durables. Por otra parte, si la evaporación de agua en la superficie del concreto es más rápida que la velocidad de la exudación, se producen grietas plásticas de contracción.

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Otro problema que se crea con la elevación del agua es que puede quedar atrapada debajo de las partículas gruesas de agregado o del acero de refuerzo, generando zonas de baja adherencia y resistencia. Adicionalmente, el agua deja tras de sí conductos capilares que incrementan la permeabilidad de la masa de concreto. Este fenómeno se puede controlar con el uso de un cemento con mayor finura de molido o con uno que contenga un alto contenido de álcalis o de C3A. También se puede controlar con el incremento de partículas finas de agregado, en especial, aquellas cuyo diámetro, sea menor que 74 µm (tamiz No. 200), o con la utilización de incorporadores de aire, puzolanas y polvo de aluminio. 7.4. PROCESO DE FRAGUADO

Para que el concreto se pueda utilizar en la construcción, la mezcla en estado fresco debe permanecer lo suficientemente plástica durante un tiempo suficiente para que se puedan realizar convenientemente las actividades de mezcla, manejo y consolidación. Luego de este tiempo y de dejar la mezcla en reposo, comienza la rigidización de la pasta, proceso conocido como fraguado. Sin embargo, bajo condiciones normales y pasadas varias horas, el concreto que se ha rigidizado se puede volver a poner en estado plástico si se vuelve a vibrar o se somete a un re-mezclado, de modo que se hace necesario definir el punto en el cual el concreto realmente fragua o pasa de estado plástico a estado endurecido. Como se puede ver, el proceso de fraguado del concreto tiene una importancia práctica en la obra, puesto que suministra el tiempo que se dispone o se requiere para efectuar todas aquellas actividades para la correcta elaboración de una estructura; por lo tanto se hace necesario su medición. Se ha encontrado que el tiempo de fraguado del cemento y del concreto se pueden correlacionar razonablemente a través del tiempo de fraguado del mortero, de manera que buena parte de los métodos desarrollados para la medida del tiempo de fraguado del concreto se realizan sobre este material.

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Se han ideado varios métodos para determinar el tiempo de fraguado del concreto dentro de los que se incluyen los basados en las medidas de resistencia eléctrica, la consistencia, la velocidad de onda, las características de exudación, el calor de hidratación, los cambios de volumen, la resistencia de adherencia, el tiempo límite de replastificación por vibración, y la resistencia a la penetración. De los anteriores, tal vez el más conocido y ampliamente utilizado en Colombia es este último, cuyo procedimiento se detalla en la NTC 890, que ha sido homologado de norma ASTM C 403. El método de la resistencia a la penetración se usa para concretos con asentamiento mayores a cero y su principio es similar al de la aguja de Vicat. Consiste en tomar una muestra de mortero procedente del tamizado (malla 4,76 mm o Nº 4) de una porción del concreto fresco, la cual se coloca en un recipiente cilíndrico para someterla a esfuerzos de penetración a diferentes periodos, con émbolos de extremo plano cuyas áreas varían entre 16 y 645 mm2 (Figura 7.4). Se mide el esfuerzo necesario para penetrar el émbolo a una profundidad de 25 mm, de manera que con la fuerza de penetración, el área del émbolo y el tiempo en el que se hace la medición, se dibuja una curva similar a la mostrada en la Figura 7.5.

Figura 7.4 Aparato para medir el fraguado del concreto

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Figura 7.5 Basados en lo anterior, se define como tiempo de fraguado inicial, aquel cuya resistencia a la penetración es de 35 kg/cm2 (500 psi) y como tiempo de fraguado final aquel cuya resistencia a la penetración es de 280 kg/cm2 (4.000 psi). La penetración límite de 35 kg/cm2 corresponde a la "vibración límite” después de la cual el concreto no puede replastificarse por vibración o remezclado; mientras que el valor de 280 kg/cm2 corresponde a la resistencia a la compresión de un mortero de aproximadamente 70 kg/cm2 (1.000 psi). Cuando se obtiene el fraguado final, al igual que sucede con el cemento, se dice que comienza el proceso de adquisición de resistencia del concreto. El tiempo de fraguado de del concreto depende de varios factores como el tipo de cemento usado, el tipo y cuantía de aditivos (si se usan) y la temperatura ambiente, entre otros. En la Figura 7.6 se enseñan dos curvas de fraguado de una misma mezcla, producto de la medida a dos temperaturas ambientes diferentes. Se puede apreciar que a mayor temperatura menor tiempo de fraguado.

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Figura 7.6 7.5. CONCRETO ENDURECIDO 7.5.1. RESISTENCIA Como se ha visto, el concreto es una piedra artificial elaborada por el hombre cuyas propiedades son utilizadas en la construcción. Por lo común, la resistencia física a los esfuerzos mecánicos es la propiedad más importante del concreto influyendo de forma directa en las demás características de significado práctico. En general, los concretos más resistentes presentan mayor densidad, son menos permeables, más resistentes a las agresiones del medio circundante y menos propensos al ataque de ciertos agentes destructivos. No obstante, los concretos que presentan resistencias altas usualmente tienden a tener una mayor contracción por fraguado y, por tanto, tienen mayor probabilidad de fisurarse. La resistencia del concreto es una habilidad que se manifiesta en la estructura para resistir esfuerzos (compresión, tracción, torsión, flexión, y corte) sin que se produzca falla. El concreto presenta una alta resistencia a los esfuerzos de compresión comparada con los de tracción y corte (los esfuerzos de flexión y torsión son combinaciones

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de los esfuerzos de tracción y compresión), razón por la cual la resistencia a la compresión simple es la propiedad más importante y a partir de ella normalmente se hacen correlaciones para estudiar las demás. La deficiencia que presenta el concreto a la relativa poca resistencia a los esfuerzos de tracción y corte se compensan con la introducción del acero de refuerzo, para de este modo tener en el concreto reforzado un material resistente a todas las solicitaciones mecánicas. La resistencia del concreto reforzado se debe básicamente a la poca diferencia que existe entre sus coeficientes de dilatación térmica y a la adherencia física, química y mecánica que se presenta entre los dos materiales. 7.5.1.1. Relación Agua/Cemento Uno de los factores que constituye la base de la tecnología del concreto por tener gran influencia en las propiedades del concreto, especialmente en la resistencia, es la relación agua/cemento. Cuando se estudió el agua de mezclado, se anotó que ésta hace parte del 15% (aproximadamente) del volumen total del concreto, del cual, el 5% hidrata al cemento y el 10% restante cumple funciones de lubricación de la mezcla en estado fresco y luego se evapora dejando en su lugar canales capilares llenos de aire. El cociente entre el peso del agua de mezclado (a) y el peso del cemento empleado (c), es lo que se conoce como relación agua/cemento (r), o sea: r = a/c (7.1) Esto significa que entre mayor es el contenido de agua de mezclado, mayor es la cantidad de agua que no se combina con el cemento y, por consiguiente, al disiparse la parte de agua evaporable la pasta será más porosa, menos resistencia, más permeable, menos densa y menos durable. Esta propiedad fue demostrada por Duff Abrams en el año de 1918, señalando que para un concreto perfectamente compactado, empleando materiales con las mismas características y condiciones

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de ensayo, la resistencia a una edad dada es inversamente proporcional a la relación agua/cemento. La ley fue expresada matemáticamente en forma logarítmica de la siguiente manera: R = A/Br

(7. 2)

De donde: R, es la resistencia r, la relación agua/cemento medida en peso A y B, son coeficientes numéricos que dependen de la calidad de los materiales, edad del concreto, sistema de curado y condiciones de ensayo, entre otros. En la figura 7.7 se aprecia la forma exponencial (léase dramática) de la caída en la resistencia del concreto en la medida que aumenta la relación agua cemento, de acuerdo con lo demostrado por Abrams. La zona amarilla representa los valores de relación agua cemento normalmente usados para el diseño de una mezcla de concreto. Si se completa la curva definida por Abrams (en rojo), se aprecia que la curva no es puramente exponencial pues para valores de relación agua cemento menores a 0,2, la resistencia del concreto decrece hasta un valor de cero, debido a que la mezcla se vuelve tan seca que se torna difícil de compactar quedando porosa; de otra parte, el agua resulta insuficiente para hidratar el cemento.

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Figura 7.7 Representación de la variación de la resistencia respecto de la relación agua cemento 7.5.1.2. Naturaleza de la resistencia Por su naturaleza y tal como se ha venido mencionando, el concreto es una masa endurecida y heterogénea cuya resistencia depende básicamente de la resistencia de la pasta endurecida, la resistencia propia de las partículas del agregado, y la adherencia entre la pasta y los agregados. La resistencia de la pasta, como se estudió en el capítulo de cemento, se origina en la hidratación del cemento con el agua, formándose una masa semi-cristalina discontinua denominada "gel", que con el transcurso del tiempo adquiere resistencia, la cual será mayor en la medida que se incrementa el grado de hidratación En lo que se refiere a la resistencia de las partículas del agregado, en el Capítulo correspondiente se anotó que los granos de agregado tienen resistencia propia que le es transmitida al concreto al hacer parte de éste. La pasta y los agregados forman una masa endurecida cuya parte de la resistencia mecánica que soporta esta es aportada por las partículas de agregado. La adherencia tiene origen durante el proceso de fraguado y endurecimiento puesto que la pasta experimenta una contracción generándose una trabazón con la superficie de los agregados. La zona de contacto generalmente es la fase más importante de la resistencia del concreto, pues normalmente se constituye en el elemento más débil de la masa endurecida. Como se vio en el capítulo de agregados, la adherencia a veces puede también tener origen químico con algunos agregados calizos al reaccionar con el cemento. 7.5.1.3. Factores que Inciden en la Resistencia

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Resulta claro que el factor más importante en la resistencia de un concreto totalmente compactado es la relación agua/cemento. Sin embargo, para una mezcla trabajable, bien dosificada y en condiciones estándar de mezclado, curado y métodos de prueba, además de la influencia de la relación agua/ cemento, intervienen otros elementos como la granulometría, la textura superficial, la forma, la resistencia, la rigidez y el tamaño máximo del agregado; así mismo, el tiempo y calidad del cemento y la calidad del agua y el tipo y cantidad de los aditivos. La resistencia del concreto también depende de la temperatura del medio ambiente, del proceso de fraguado, de la edad, y de muchos otros factores.

7.5.1.3.1. Tipo y Cantidad de Cemento El tipo y la cantidad de cemento usado tienen gran influencia en la resistencia final del concreto ya que es el material químicamente activo en la mezcla. Es bueno precisar que dentro del mismo tipo y las diferentes marcas de cemento, pueden existir diferencias marcadas en desarrollo de la resistencia, lo cual implica que si se quiere cambiar de tipo o de marca de cemento, se hace necesario realizar mezclas de prueba para determinar el efecto que dicho cambio pueda tener sobre la resistencia y en general sobre las otras propiedades. Tal vez el aspecto más importante en lo que respecta al cemento es su cantidad en la mezcla; como principio general se cumple que a mayor contenido de cemento se consiguen mayores resistencias. No obstante, esta afirmación tiene su límite ya que para mezclas con una baja relación agua/cemento y con un contenido de cemento muy alto (alrededor de los 500 kg/m3), la resistencia puede experimentar una disminución, especialmente cuando se utiliza agregado de gran tamaño. Ello obedece a que al ser obstruidos los esfuerzos de contracción por las partículas de agregado, se genera agrietamiento de la pasta acompañada de una pérdida de adherencia entre el cemento y el agregado. 7.5.1.3.2. Relación Agua/Cemento

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La influencia de la relación agua cemento en la resistencia del concreto fue analizada en el numeral 7.5.1.1. Dado que la curva de relación agua/cemento versus resistencia es propia para un conjunto dado de materiales y circunstancias, se hace indispensable efectuar ensayos con los materiales que realmente van a ser utilizados en una obra específica, simular las condiciones a que estará expuesto el concreto y desarrollar la gráfica propia para cada circunstancia. 7.5.1.3.3. Características de los agregados

En general, para una misma relación agua/cemento, las partículas de agregado con textura rugosa o de forma angular forman concretos más resistentes que otros redondeados o lisos, debido a que se presenta mayor adherencia entre los granos gruesos y el mortero; sin embargo, para igual contenido de cemento los primeros exigen mayor cantidad de agua para lograr una determinada manejabilidad y en consecuencia el efecto neto sobre la resistencia no varia en forma apreciable. Una masa de agregados con granulometría continua permite elaborar mezclas de alta compacidad, más densas, menos porosas y por tanto más resistentes. 7.5.1.3.4. Influencia del Tamaño Máximo Nominal En general, la diferencia en TMN de un mismo tipo de agregado bien gradado tiene dos efectos opuestos en la resistencia a la compresión del concreto. En primer lugar, para una consistencia dada y para igual contenido de cemento, el uso de TMN grandes implica menor requerimiento de agua de mezclado que los agregados de TMN más pequeños, en razón de que se tiene menos superficie específica. Por otro lado, mezclas con la misma consistencia e igual relación agua/cemento, presentan resistencias menores cuando se utilizan agregados de TMN mayor.

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En particular, para concretos de alta resistencia, mientras mayor sea la resistencia requerida menor deberá ser el TMN. Así mismo, para concretos de baja resistencia, mientras mayor sea el TMN mayor será la eficiencia. Para concretos de resistencia intermedia existe un rango amplio en el TMN que pueden ser usados para una misma resistencia, básicamente con la misma cuantía de cemento; solo se requerirá de mayor cantidad de cemento si se utilizan agregados de TMN más pequeños. 7.5.1.3.5. Agua y Aditivos El efecto del agua y los aditivos en la resistencia del concreto fueron discutidos en los Capítulos 3 y 6, respectivamente. 7.5.1.3.6. Fraguado y temperatura La temperatura ambiente a la que está expuesta la mezcla puede afectar en forma adversa el tiempo de fraguado del concreto. En climas fríos el proceso de hidratación del cemento es más lento debido a que la temperatura ambiente le sustrae parte del calor de hidratación con el subsiguiente lento desarrollo en el tiempo de fraguado; esto ocasiona que el proceso de adquisición de resistencia tenga también una demora en el comienzo de su desarrollo. Por el contrario cuando se trata de altas temperaturas, el proceso de fraguado se realiza más pronto (Figura 7.6) y se experimenta el aumento de la resistencia a muy temprana edad; no obstante, el desarrollo de la resistencia se ve posteriormente afectado (luego de una semana aproximadamente), en razón a que una rápida hidratación inicial de los granos de cemento se hace de manera superficial formando una pasta con una estructura física más pobre y posiblemente más porosa. 7.5.1.3.7. Curado del Concreto

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Como se vio en el capítulo de cemento, luego del proceso de fraguado del concreto es necesario seguirle suministrando agua con el fin de terminar de hidratar al cemento y conseguir así su máxima eficiencia. Resulta claro que la resistencia del concreto depende en gran medida de la atención que se le preste a éste proceso. 7.5.1.3.8 .Edad del concreto En la medida que aumenta la hidratación de los granos de cemento con la edad, también lo hace la resistencia. Asumiendo que la máxima resistencia del concreto se alcanza a la edad de 28 días, en la figura 7.8 se muestra el porcentaje aproximado del desarrollo de la resistencia a la compresión con relación a esta edad. EDAD (días) 1 3 7 14 28 56 90 180

% RESISTENCIA CON RESPECTO A LA DE 28 DÍAS 10 40 70 90 100 110 120 125

Tabla 7.2 Desarrollo aproximado de la resistencia a la compresión del concreto con la edad, con base en la de 28 días

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Figura 7.8 El desarrollo de la resistencia del concreto a edades posteriores a 28 días puede estar influenciado por el uso de adiciones activas que podría hacer que en determinadas condiciones de curado y de actividad puzolánica, los porcentajes mostrados en la Figura 7.8 podrían ser mayores. Por el contrario, puede haber circunstancias en la que se produce pérdida de la resistencia. 7.5.1.4. Medida de la resistencia En términos generales, para propósitos de diseño estructural se parte del supuesto de que el concreto resiste únicamente esfuerzos de compresión, asumiendo que los esfuerzos de tracción y corte los absorbe el acero de refuerzo. De allí que la resistencia a la compresión del concreto sea una de las pruebas más importantes a realizar para efectos de control de calidad y de diseño de mezcla. No obstante, existen estructuras y circunstancias específicas que exijan la medición de otro tipo de esfuerzos como la flexión (caso de los pavimentos de concreto) o la tracción. 7.5.1.4.1.Medida de la resistencia a la compresión

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En Colombia, la medida de la resistencia a la compresión se efectúa mediante probetas cilíndricas, elaboradas mediante procedimientos estándar descritos en la NTC 550 y en la NTC 673. Las probetas consisten en cilindros de concreto de 15 cm de diámetro y 30 cm de altura (figura 7.9), cuya elaboración se realiza llenando con la muestra en estado fresco un molde metálico en 3 capas de aproximadamente igual altura. Cada capa se compacta con 25 golpes, aplicados en diferentes sitios de la superficie del concreto, proporcionados con una varilla lisa, de 16 mm de diámetro, punta redondeada y aproximadamente 60 cm de longitud. La capa de fondo se compacta en toda su profundidad, mientras que en la superior e intermedia la varilla debe penetrar ligeramente la capa adyacente. Una vez terminada la compactación se completa el molde con más mezcla y se enrasa la superficie con un palustre o cualquier otro instrumento adecuado. Elaborados los especímenes se les golpea en las paredes con un martillo de caucho con el fin de eliminar la mayor cantidad de burbujas de aire que pueden haber quedado atrapado dentro de la masa de concreto.

Figura 7.9

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Se tapan los cilindros con un material no absorbente y se dejan en reposo en un sitio cubierto y donde no vayan a estar sometidos a golpes ni vibraciones. Pasadas aproximadamente 24 horas, se retiran del molde y se someten a un curado hasta el día que vayan a ser ensayados. Cuando se trata de muestras de laboratorio, se sumergen en tanques de agua a 23° C saturados con cal, o también se pueden dejar en una cámara de curado a vapor. Cuando se trata de testigos de obra, se dejan al lado de la estructura fundida a las mismas condiciones de exposición. La resistencia a la compresión se mide con una prensa que aplica carga sobre la superficie superior del cilindro a una velocidad especificada mientras ocurre la falla. La operación tarda entre 2 y 3 minutos y la carga a la que falla la probeta queda registrada en un tablero anexo a la máquina; este valor se divide por el área de la sección transversal del cilindro, obteniéndose así el esfuerzo de rotura del concreto. El resultado se expresa en MPa, en kg/cm2,o en lbs/pul2 (psi). Un factor importante para la medición de la resistencia a la compresión es asegurar que la carga se aplique de manera uniforme y perpendicular a la cara del cilindro. Para ello es necesario poner sobre las caras del cilindro una capa de un determinado material para asegurar su paralelismo y perpedicularidad con el eje del cilindro, esta labor se denomina “refrentado” o “caping”.. Los materiales comúnmente usados para el refrentado son azufre, mortero o neopreno. Aunque la probeta estandarizada para la medida de la resistencia a la compresión es la cilíndrica de 15 cm de diámetro por 30 cm de altura que cumple con la relación 1:2, últimamente se ha venido imponiendo el uso de cilindros más pequeños que cumplen con dicha relación. Hoy es común elaborar y probar especímenes de 5 cm por 10 cm o de 10 cm por 20 cm, o, la más utilizada, de 7,5 cm por 15 cm. Las ventajas obtenidas con probetas más pequeñas son varias como el ahorro de material, el uso de prensas de menor capacidad de carga para medir altas resistencias, el menor espacio para almacenamiento y curado de las probetas, y la mayor facilidad para

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el manejo y el transporte. La elaboración de estas probetas también está normalizada. También se pueden elaborar especímenes cilíndricos que no cumplan con la relación de esbeltez 1:2. Para este caso, la norma ASTM C 42 proporciona los factores de corrección mostrados en la Tabla 7.3, los cuales están en función de su esbeltez o de la relación altura (H) y del diámetro (D). ESBELTEZ H/D 2,0 1,75 1,50 1,25 1,00

FACTOR DE CORRECCIÓN 1,00 0,99 0,97 0,94 0.91

Tabla 7.3 Factores de corrección por esbeltez de las probetas cilíndricas, dados por la ASTM C 42 (7.2) La medida de la resistencia a la compresión del concreto se puede realizar mediante otro tipo de probetas como las cúbicas o las prismáticas, las cuales son muy utilizadas en Europa pero no son se uso común en el medio colombiano. La influencia de la forma y las dimensiones de los especímenes en los resultados de las pruebas a compresión son relativas. Si se elaboran probetas de diferente geometría (cilíndricas, cúbicas, prismáticas, etc.), con la misma mezcla y se someten a ensayo de compresión, los resultados son diferentes, sin embargo la diferencia obtenida se puede correlacionar por medio de coeficientes, tal como se indica a continuación. Rc = KR

(7.3)

De donde: Rc: Resistencia del cilindro R : Resistencia del espécimen a comparar K : Coeficiente de correlación

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El valor del coeficiente de correlación (K) depende de muchos factores por lo que se recomienda determinarlo mediante ensayos comparativos para cada caso específico. En la Tabla 7.4, se muestran algunos valores aproximados para probetas de diferente geometría. GEOMETRÍA ESPÉCIMEN Cilíndrica Cúbica Prismática Prismática

DEL DIMENSIONES (cm) 15 x 30 15 x 15x 15 15 x 15x 45 20 x 20 x 60

VALOR DE K 1,00 0,80 1,05 1,05

Tabla 7.2. Valores aproximados de K para probetas de diferente geometría. (7.9) 7.5.1.4.2. Medida de la resistencia a la tensión Por su naturaleza, el concreto es muy débil a esfuerzos de tensión o de tracción y, por lo tanto, ésta propiedad generalmente no se tiene en cuenta en el diseño de estructuras normales. La tracción tiene que ver con el agrietamiento del concreto por la contracción inducida por el fraguado o por los cambios de la temperatura, ya que estos factores generan esfuerzos internos de tensión. Dado que la resistencia a la tensión es difícil de medir por medio de ensayos directos debido a la dificultad del montaje de las muestras y a las dudas que existen sobre algunos esfuerzos secundarios generados durante la prueba, inducidos por los implementos que sujetan las muestras, se desarrolló en Brasil un método que mide indirectamente la tensión y que evita los inconvenientes anotados. El ensayo de Tensión Indirecta, como se ha denominado, ha sido reconocido y aceptado por muchos países del mundo incluyendo a los Estados Unidos; Colombia lo ha adoptado relacionando su procedimiento en la NTC 722. La prueba consiste en someter a compresión un cilindro convencional (de 15 cm de diámetro x 30 cm

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de alto) acostado sobre listones de apoyo (Figura 7. 10) que se encargan de distribuir la carga, de tal manera que la fuerza de compresión produce un esfuerzo de tensión transversal a lo largo del diámetro vertical.

Figura 7.8 Si la resistencia a la compresión es por lo menos tres veces mayor a la resistencia a la tensión, como normalmente sucede en el concreto, se produce la falla en sentido vertical en la sección transversal; es decir, el cilindro se rompe en dos mitades a lo largo de su eje longitudinal. La resistencia a la tensión se calcula de la siguiente manera: fct = 2p/πLd

(7.4)

En la que: fct = Resistencia a la tracción indirecta, en kg/cm2. p = Carga máxima aplicada en kg L = Longitud del cilindro en cm. d = Diámetro del cilindro en cm.

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El ensayo de Tracción indirecta es de ejecución simple y se puede realizar sobre probetas de forma cúbica, pero se ha encontrado que la resistencia a la tensión calculada de ésta manera es aproximadamente el 15% más alta que la determinada mediante pruebas de tensión directa. 7.5.1.4.3

Medida de la resistencia a la flexión o Módulo de Rotura

La resistencia a la flexión del concreto es a menudo referida al módulo de rotura. Este factor es importante en estructuras de concreto simple tales como losas de pavimentos. Comúnmente se evalúa sometiendo una vigueta de concreto a un ensayo de flexión mediante una o dos cargas concentradas Los detalles sobre preparación, curado y ensayo de las viguetas se encuentra especificado en la NTC 2871 y la NTC 1377, tomando como base las normas ASTM C 31, C 192 y C 293. Las viguetas tienen una sección transversal cuadrada de 15 cm de lado y una longitud que puede ser de 50 cm, 60 cm o 75 cm, siendo la primera la más usada. Las probetas se elaboran vaciando el concreto fresco en dos capas en moldes metálicos, compactando cada capa con la varilla empleada para hacer las probetas de ensayo a compresión. El numero de golpes por capa es de uno por cada 645 mm2 de área, de manera que para el caso de una vigueta de 50 cm de longitud debe ser compactada con 60 golpes por capa. El ensayo a flexión consiste en apoyar la vigueta a 2,5 cm de sus extremos, dejando una luz intermedia en la que se carga en dos puntos situados en los tercios medios de los apoyos, tal como se aprecia en la Figura 7.11.

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Figura 7.11

La resistencia a la flexión o módulo de rotura se calcula mediante la siguiente expresión, siempre y cuando la falla ocurra dentro del tercio medio de la luz libre de la vigueta. fr = PL/bd2

(7.5)

En donde: fr = Módulo de rotura, en kg/cm2. P = Carga de rotura, en kg. L = Luz entre apoyos extremos, en cm. b = Ancho de la viga, en cm. d = Altura de la viga, en cm. Cuando la falla ocurre fuera del tercio medio de la vigueta, pero a menos del 5% de la luz libre, la resistencia a la flexión o módulo de rotura se calcula de la siguiente manera. En el evento que la distancia resulte mayor a 5%, el ensayo se debe repetir.

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fr = 3Pa/bd2

(7.6)

Donde a, es la distancia entre la línea de rotura y el apoyo más próximo, medida a lo largo del eje longitudinal de la cara inferior de la viga, en cm. Anteriormente el ensayo se realizaba aplicando la carga en el punto medio de la luz (Figura 7.12). En tales casos, el cálculo de la resistencia a la flexión se hace con la siguiente expresión. fr = 3PL/2bd2

(7.8)

El valor del módulo de rotura suele variar en un rango que comprende entre el 11% y 23% de la resistencia a la compresión, teniéndose como valor promedio el 15%. Se debe tener en cuenta que el uso de agregados de textura rugosa y de forma angular incrementa la resistencia a la flexión, razón por la cual las normas generalmente especifican el uso de agregados triturados en la mezcla cuando esta tiene como destino losas para pavimentos. La resistencia a la flexión se puede correlacionar con la resistencia a la compresión. La siguiente expresión proporciona valores aproximados, siendo aconsejable determinar el valor de K para cada caso particular con los materiales disponibles, en especial el cemento. fr = K (f’c)0,5

(7.9)

De donde: f‘c = Valor de la resistencia a la compresión, en kg/cm2. K = Constante que puede tomar valores entre 2,0 y 2,7, dependiendo fundamentalmente de los materiales usados. fr = Valor de la resistencia a la flexión.

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Figura 7.12 7.5.1.4.4 Resistencia al esfuerzo cortante El ensayo para la obtención de la resistencia al esfuerzo cortante normalmente no se realiza. Las pruebas para su determinación directa no son muy confiables, teniéndose una gran discrepancia entre los resultados de diferentes ensayos. Por ejemplo, algunos investigadores han encontrado que la resistencia al corte es aproximadamente el 12% de la resistencia a la compresión, mientras que otros sostienen que puede ser mayor. Lo cierto es que para efectos de diseño estructural este valor comúnmente no se considera y se asume que lo absorbe el refuerzo que se le coloca para este fin. 7.5.2.

DURABILIDAD

La durabilidad de una estructura de concreto se refiere a la capacidad para resistir las acciones o los agentes a las que está permanentemente expuesta, conservando las propiedades para las que fue diseñada a través de su vida de servicio. De acuerdo con su origen, las acciones pueden ser internas o externas y también pueden ser físicas, químicas o mecánicas.

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La durabilidad es una propiedad tan importante como la resistencia misma. De hecho todos los diseños de mezcla contemplan estos dos factores prevaleciendo el más crítico, que en buena parte de los casos es la durabilidad. Aunque se considera que el concreto es un material muy durable, existe una gran cantidad factores que pueden conducir a su deterioro y llegar a la falla; de allí que para el diseño de una estructura se deba conocer muy bien el medio ambiente y las características a las que estará expuesta, para de ésta manera tomar las precauciones pertinentes. A continuación se analizan algunos de los factores o agentes que pueden afectar la durabilidad del concreto. 7.5.2.1. Permeabilidad del Concreto Uno de los principales factores que afecta en gran medida la durabilidad del concreto es su grado de permeabilidad, ya que se crea la posibilidad de acceso al interior de la estructura de agentes nocivos tanto para el concreto como para el acero de refuerzo. Así mismo y tal como se estudió con detalle en los capítulos de Agua y Aire, la permeabilidad se asocia con la vulnerabilidad a los ciclos de hielo – deshielo cuando hay agua en los poros del concreto. La permeabilidad del concreto es factor fundamental en las estructuras que retienen líquidos y en especial aguas agresivas, convirtiéndose la impermeabilidad del material en uno de los factores claves de diseño. Como se ha visto, el concreto es un material inherentemente poroso debido principalmente a tres factores: • Por una deficiente compactación. • Por la formación de canales capilares como consecuencia de la evaporación de agua durante el proceso de fraguado. • Por la reducción gradual de volumen de la pasta debido a la reacción química entre el agua y el cemento. Aunque es muy difícil el logro de la impermeabilidad total del concreto, se puede reducir al máximo si se llevan a la práctica las siguientes recomendaciones. • Utilizar relaciones agua/cemento lo más bajas posibles, compatibles con una adecuada manejabilidad y compactabilidad del concreto.

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Someter a la estructura a un buen curado, iniciándolo tan pronto haya fraguado y manteniéndolo permanentemente húmedo durante por lo menos 7 días. Realizar los procesos de colocación y compactación de la estructura con métodos adecuados, de modo que no resulten poros (“hormigueros”) en el concreto. Utilizar la menor cantidad de agua de mezclado posible, de modo que se reduzcan los canales capilares durante la evaporación del agua libre. Usar granos de cemento gruesos (de baja finura) y de bajo calor de hidratación, para evitar fisuras por contracción durante el fraguado. Emplear agregados con una buena granulometría, de tal forma que se obtienen concretos más densos y, por lo tanto, menos porosos. Usar adiciones en el cemento (como las puzolanas) o aditivos en la mezcla como incorporadores de aire o reductores de agua. Evitar al máximo las juntas, y cuando éstas sean necesarias, tratarlas adecuadamente. Efectuar tratamientos a la superficie, especialmente cuando el concreto está sujeto a la presión del agua, los cuales pueden consistir en: Pegar membranas al concreto con asfalto caliente; Colocar emulsiones asfálticas; Colocar estuco de cemento adecuadamente curado; Usar mezclas de parafina o compuestos de silicona u otros, y llenantes inertes en un vehículo de resina; Usar productos químicos impermeabilizantes aplicados sobre la superficie del concreto endurecido. De los anteriores, los dos primeros son tal vez los más usados cuando el color negro no es objetable.

7.5.2.2. Cambios de volumen Los cambios de volumen del concreto tienen diversos orígenes y afectan de manera adversa su durabilidad, pues generalmente traen como consecuencia el fisuramiento o agrietamiento de la estructura y sus consecuencias pueden tener repercusiones graves. Los cambios de volumen pueden ser debidos a la sedimentación del concreto o a

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su retracción cuando se encuentra en estado fresco o durante el proceso de fraguado; también pueden ser originados por reacciones químicas expansivas, a la acción de cargas, a variaciones en la temperatura ambiente o de humedad de la estructura. 7.5.2.2.1 Retracción La retracción del concreto puede ser debida a la hidratación del cemento durante el proceso de fraguado, a las variaciones de humedad de la estructura en estado endurecido (cuando pasa de húmedo a seco) o a los cambios de temperatura ambiente (de caliente a frío) o por las condiciones de trabajo de la estructura. En cualquiera de los casos se puede presentar agrietamiento. •

Retracción en estado fresco o retracción plástica

Cuando el concreto está recién colocado en la estructura y luego de ser sometido a la compactación, parte del agua de la mezcla es absorbida por el cemento para su hidratación, otra parte emigra hacia la superficie donde se pierde por evaporación y otra puede ser absorbida por los agregados. Toda esta combinación de efectos hace que se produzca una reducción en el volumen del concreto. Cuando la evaporación del agua es muy rápida debido a la acción del viento o del sol reinantes en la zona, ayudada por la falta de protecciones adecuadas, se pueden producir fisuras durante las primeras edades del concreto (horas e incluso minutos) después de colocado el concreto. Las fisuras se caracterizan porque se presentan en la superficie y su trazado es irregular; las estructuras que tienen una superficie relativamente grande expuesta generalmente son más susceptibles a su desarrollo, como es el caso de las losas para pavimentos. En el caso de concreto reforzado buena parte de la sedimentación es impedida por el acero, por ello cuando el concreto desciende se pueden presentar fisuras a lo largo de las barras, las cuales se pueden corregir resanando mientras el concreto está aún fresco.

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•

Retracción en el concreto endurecido

El proceso de retracción del concreto en estado endurecido puede ser originado cuando se produce una disminución en la temperatura ambiente o cuando su situación de trabajo así lo exige. También se puede producir cuando la masa de concreto contiene agua y se drena, toda vez que cuando el concreto contiene agua tiende a expandirse. En el caso del cambio de temperatura ambiente, existen ciudades donde durante el día pueden alcanzar temperaturas de alrededor de 25 ºC y durante la noche rayar los cero grados. Estos diferenciales ocasionan contracciones importantes en las estructuras que pueden llevar a fisuramiento de la estructura. Cuando la estructura tiene una condición de trabajo que exige su calentamiento, como puede ser el caso de un horno o estructura adyacente a una caldera, el descenso térmico puede implicar su fisuramiento. 7.5.2.2.2 Expansión Son varias las causas que pueden generar expansión del concreto como las altas temperaturas, la saturación de agua de la masa de concreto, los hinchamientos debidos a la reacción agregado – álcali o al ataque por sulfatos o a la congelación del agua al interior de los poros o, como se estudia más adelante, la expansión debida a la corrosión del acero de refuerzo. Todos estos factores pueden generar agrietamiento y eventual deterioro en la estructura de concreto. 7.5.2.2.3 ciclos de expansión – contracción Como se vio anteriormente, al igual que todos lo materiales, el concreto es susceptible a las variaciones térmicas y en el contenido de humedad del concreto que le pueden inducir a ciclos de expansión y contracción, adversos a la durabilidad de la estructura.

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Este factor cobra mayor relevancia en la medida que el concreto es de mala calidad, especialmente los más permeables, toda vez que son más susceptibles a los cambios de humedad. Los efectos de cambio de humedad y de temperatura pueden ser controlados por medio de juntas y de mallas de acero debidamente diseñadas, además de la producción de concretos con baja relación agua – cemento, bien compactados y debidamente curados. 7.5.2.3. Agregados reactivos En el Capítulo 4 se anotó que existen ciertos tipos de agregados que producen una reacción química expansiva junto con el cemento (en especial con los que tienen alto contenido de álcali) y que han sido encontrados responsables del agrietamiento y desintegración del concreto en muchas estructuras. Algunos tipos de agregados conocidos que reaccionan con el álcali del cemento son la sílice opalina, la caliza silícea y, en general, rocas con alto contenido de sílice normalmente de origen volcánico. La experiencia con agregados reactivos tanto en el campo como en el laboratorio, han demostrado que cuando se combinan con el álcali del cemento, no causan un daño apreciable cuando la concentración de éste último no sobrepasa el 0,6%. 7.5.2.4. Resistencia al ataque de sulfatos Los sulfatos de sodio, potasio y magnesio, presentes en los suelos y aguas alcalinas, son muchas veces los responsables del deterioro de las estructuras de concreto. La causa del deterioro puede tener dos orígenes. En primer lugar, porque los sulfatos reaccionan químicamente con la cal y el aluminato de calcio hidratados en la pasta de cemento para formar sulfato de calcio y sulfoaluminato de calcio, respectivamente; dichas reacciones van acompañadas de una considerable expansión que ocasionan esfuerzos de tensión internas y que culminan con agrietamiento y rompimiento de la masa de concreto.

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La segunda causa se presenta cuando el concreto está en contacto con aguas alcalinas, lo cual produce la deposición de cristales de sulfato en los poros y canales capilares del concreto como consecuencia de la evaporación. El crecimiento de los cristales tiene lugar cuando se tiene un ciclo de humedecimiento y secado que puede eventualmente llenar los poros y desarrollar presiones suficientes para la ruptura del concreto. Para prevenir el deterioro del concreto, por acción de la primera causa normalmente se utiliza el cemento tipo 2 o tipo 5, dependiendo Todos los cementos normales pueden del grado de ataque. desarrollar una completa desintegración pasados uno o dos años, pero con los cementos de bajo contenido de C3A, la resistencia al deterioro se prolonga a períodos mucho más largos. En la Tabla 7.3., se aprecian varios grados de concentraciones de sulfatos, en suelos y aguas freáticas y su relación con el grado de agresividad. La resistencia a la desintegración por el crecimiento de cristales se logra mediante el uso de un concreto denso, de muy baja permeabilidad, elaborado con una relación agua/cemento baja y preferiblemente con inclusión de aire. Adicionalmente, los concretos elaborados con cementos con adiciones puzolánicas siliceas, poseen resistencia al ataque de los sulfatos. PORCENTAJE DE GRADO SULFATO RELATIVO DE SOLUBLE EN ATAQUE POR AGUA COMO SULFATOS SO4 No 0,0 – 0,1 preocupable 0,1 – 0,2 Positiva 0,2 – 0,5 Considerable Superior a 0,5 Severa

ppm SULFATO MUESTRAS AGUA

DE TIPO DE EN CEMENTO DE RECOMENDAD O

0 – 150 150 – 1.000 2 1.000 –2.000 5 Superior a 2.000 5

Tabla 7.3 Ataques sobre el concreto, efectuado por varias concentraciones de sulfatos en suelos y aguas freáticas. (7.4)

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7.5.2.5. Resistencia al ataque por ácidos Si se revisan los diferentes tipos de cemento, se puede apreciar que ninguno tiene la propiedad de resistir ácidos, lo que hace suponer que el concreto es relativamente débil al ataque de estos compuestos químicos. El ataque por ácidos se puede producir de varias maneras. Un caso común es el de algunos ácidos presentes en la atmósfera en forma gaseosa (tales como el CO2 y el SO2) y en ciertas condiciones de humedad, atacan al concreto de tal manera que remueven parte del cemento fraguado. Otro tipo de ataque se presenta en suelos orgánicos, especialmente en los que contienen turbas, ya que el sulfuro de hierro presente, al oxidarse produce ácido sulfúrico; si luego se presenta una reacción posterior, se puede convertir en sulfato con las consecuencias anteriormente anotadas características del ataque de este elemento. Otros ácidos procedentes de las industrias manufactureras como ensilajes agrícolas, productos de fermentación, productos de pulpa de madera (donde se puede producir el ácido tánico) o caña de azúcar, destilerías, pasteorizadoras de leche (donde se produce ácido láctico), también producen erosión superficial en el concreto. Otro tipo de ácido es el contenido en el excremento de animales como las aves, el cual ha sido factor de deterioro de muchas estructuras, especialmente iglesias y sitios con valor histórico. Adicionalmente, cuando el concreto es muy permeable, los ácidos pueden llegar hasta el acero de refuerzo y ocasionar su corrosión. La resistencia al ataque de los ácidos se puede mejorar si se deja secar el concreto antes de que quede expuesto, ya que se forma una capa de carbonato de calcio que bloquea los poros y reduce la Existen también tratamientos permeabilidad en la superficie. superficiales con alquitrán de hulla, pinturas bituminosas, resinas epóxicas, silicofluoruro de magnesio y otros agentes, que han demostrado resultados altamente satisfactorios. Hay que tener en cuenta, que el grado de protección de los diferentes tratamientos varía, por ello es importante que la capa

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protectora producida por el método utilizado, permanezca sin deteriorarse por los diferentes agentes mecánicos, de tal forma que es necesario inspeccionar y renovar el recubrimiento con cierta periodicidad. 7.5.2.6. Resistencia a la abrasión La abrasión mecánica se produce por el desplazamiento de materiales sólidos sobre la superficie de una estructura de concreto.. Estos materiales pueden ser vehículos o, como sucede en obras hidráulicas, materiales granulares arrastrados por el movimiento del agua. La resistencia del concreto al desgaste por abrasión es importante en algunos tipos de construcción, como pisos, pavimentos, presas, vertederos, túneles, paredes de canales y estribos de puentes, toda vez que el paso de estos materiales desgasta la superficie del elemento por desprendimiento de partículas de los elementos componentes del concreto. Dado que el proceso es creciente, se puede llegar a afectar el espesor de la estructura. Generalmente un concreto sometido a una exposición de desgaste se ve afectado por la remoción del mortero; por lo tanto, una reducción en el contenido de arena mejora la durabilidad. De otra parte, con el uso de agregados resistentes, poco porosos y de tamaño lo más grande posible, la utilización de recubrimientos, un buen curado, un acabado adecuado y una baja relación agua/cemento, se obtienen concretos de buena resistencia al desgaste por abrasión. La resistencia a la abrasión de un concreto puede ser medida mediante el procedimiento descrito en la ASTM C 418, que mide la pérdida de peso que experimenta una muestra de concreto bajo la acción de un disco abrasivo luego de un determinado ciclo. 7.5.2.7. Resistencia al fuego En términos generales, el concreto tiene buenas propiedades de resistencia al fuego, siendo éste uno de sus méritos como material estructural. La resistencia a los daños producidos por el fuego se incrementa en la medida que aumenta el espesor de la estructura.

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Cuando el concreto está sujeto al fuego y se introducen altas temperaturas, las capas superficiales calientes tienden a separarse y descascararse desde la parte de la estructura más fría; en consecuencia, se produce la formación de grietas en las juntas, en las partes de concreto mal compactadas o en los planos de las varillas de refuerzo. La pérdida de resistencia comienza aproximadamente a los 300° C. Una vez, el refuerzo queda al descubierto se calienta rápidamente con la consecuente pérdida de resistencia. El acero dulce pierde aproximadamente el 50% de su resistencia a los 600° C, mientras que el acero pretensado sufre la misma pérdida pero a 400° C. La resistencia del concreto al ataque principalmente de los siguientes factores: • El tipo de agregados; • El contenido de humedad; • El tipo de cemento; y • El espesor del elemento de concreto.

del

fuego

depende

Los agregados de mejor resistencia al ataque del fuego son los livianos. Esto se debe a que la mayoría de partículas de agregado ligero son manufacturadas por un proceso que involucra altas temperaturas. De los agregados naturales, se destacan los calcáreos, como es el caso de las calizas; los basaltos, cuya formación volcánica conlleva altas temperaturas. El contenido de humedad del concreto también influye en la velocidad de descascaramiento. Algunos análisis de estructuras expuestas al fuego, muestran que a mayor contenido de humedad del elemento se produce más rápido el proceso de desprendimiento de la parte superficial del concreto. Es posible la elaboración de concretos refractarios. Esto se logra, con el uso de un cemento especial con alto contenido de alúmina, el cual produce concretos con una alta resistencia al fuego, pero con el inconveniente de que no puede utilizarse para fines estructurales. 7.5.2.8 Carbonatación

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Tal como se explicó en el capítulo de cemento, el proceso de hidratación de la pasta trae como consecuencia el desprendimiento de cal que no participa en el proceso de fraguado. Esta cal tiene la propiedad de combinarse, en presencia de agua, con el CO2 presente en la atmósfera procedente principalmente de la quema de combustibles fósiles tales como el carbón y el petróleo, originado en los automotores y las fábricas, principalmente, formando carbonato de calcio. El concreto es un material bastante alcalino cuyo PH alcanza valores mayores a 12 (entre 12 y 13). Esta propiedad es muy importante para el concreto reforzado, toda vez que el recubrimiento del acero sirve como protección al acero embebido del proceso de corrosión. Esta protección se logra ya que la superficie del acero posee una capa pasivante que permanece estable en ambientes alcalinos. Cuando el concreto se carbonata el PH del concreto baja; si el frente de carbonatación avanza hasta alcanzar el acero de refuerzo y el valor de PH disminuye a valores inferiores a 9,5, la capa de óxido pasivante que lo protege se desestabiliza y comienza el proceso de corrosión del acero, dando origen al fisuramiento de la capa superficial del concreto por el aumento de volumen del óxido generado alrededor del acero de refuerzo y el consecuente descascaramiento. La formación del proceso de carbonatación en el concreto depende en gran medida de la humedad presente en el concreto, de modo tal que el fenómeno tendrá lugar si la humedad se encuentra entre un 20 y un 80%; no obstante, el proceso de corrosión del acero se acelera cuando la humedad del concreto está entre 50% y 75%. Esto significa que en concretos totalmente saturados o totalmente secos no se producirá carbonatación. Es claro que la permeabilidad del concreto juega papel importante en la velocidad de la carbonatación. Si el concreto es totalmente impermeable, no hay lugar al ingreso de humedad ni de CO2, por lo que no se producirán los carbonatos. Esto significa que para zonas con alta contaminación ambiental (alto volumen vehicular o zonas

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industriales), una buena protección al concreto contra la carbonatación se logra con concretos de baja relación agua – cemento, buena compactación, el uso de puzolanas (cuyo tamaño inferior a los granos de cemento obturan los espacios dejados por éstos haciendo la masa de concreto menos permeable), un buen curado, el uso de un agente inclusor de aire, o una protección exterior al concreto; es decir, siguiendo las prácticas para producir un concreto de baja permeabilidad. La determinación de la profundidad de carbonatación normalmente se hace tomando un núcleo en la estructura seco y preferiblemente cerca de un borde donde se tenga sospecha que el concreto se encuentra carbonatado. Se parte en dos y se rocía con una solución de fenolftaleina al 1% ó 2% en alcohol sobre las mitades partidas. Las áreas carbonatadas del concreto que tienen un PH menor a 8 no cambiarán de color, mientras que las áreas con PH mayor a 9,5 tomarán un color púrpura brillante; de este modo, se puede apreciar de manera rápida y sencilla la profundidad de carbonatación de la zona en cuestión de un concreto. 7.5.2.9. Disolución del agua El agua que se encuentra en contacto con el concreto endurecido puede causar varios efectos. Desde el punto de vista de sustancias disueltas en el agua, se distinguen dos tipos: • Las aguas duras, son aquellas que tienen sustancias disueltas (cualquiera). • Las aguas blandas o puras, son aquellas que no tienen sustancias disueltas. Las aguas muy puras son agresivas para el concreto ya que son ávidas de cal, produciendo disolución y lavado de la cal generada por la hidratación de la pasta. Dado que esta cal se combina con las adiciones que eventualmente pueda tener el cemento, tal como se explicó en el capítulo 2, los cementos adicionados son menos susceptibles a estos ataques. Por su parte, las aguas duras como las que contienen sales de magnesio (sulfato o cloruro) intercambian con la cal los cationes de

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calcio por los de magnesio, dando lugar a sales solubles en agua. En este caso también se recomienda usar cementos con adiciones que fijan la cal y evitan tales inconvenientes. 7.5.2.10. Corrosión de las armaduras El proceso de oxidación del acero se produce cuando la capa de óxido pasivante que lo protege se desestabiliza. Como se mencionó antes, el recubrimiento de concreto sobre el acero tiene como una de sus funciones la de protegerlo de la entrada de agentes que pueden dar inicio a la corrosión, como CO2, cloruros y agua, entre otros. Cuando el acero se oxida y su profundidad llega a aproximadamente 1/3 de su diámetro, se genera un aumento de volumen de cerca de 2,2 veces su diámetro original, lo cual ocasiona grietas y descascaramiento de la capa de recubrimiento. El segundo problema que presenta la corrosión es precisamente la pérdida de diámetro que incluso puede desaparecer la varilla y la consecuente disminución de resistencia. Ambos problemas traen consecuencias estructurales graves al elemento. La corrosión se evita con concretos de baja permeabilidad, los cuales se logran con bajas relaciones agua – cemento, uso de impermeabilizantes, bien compactados, adecuadamente curados y usando recubrimientos de concreto suficientes. Uno de los elementos más altamente corrosivos es el ion cloruro, presente en aguas de mar, suelos o aguas freáticas, estructuras de tratamiento de aguas y piscinas. Para que se inicie un proceso de corrosión del acero embebido en un concreto con un PH de 12 ó 13, se requieren entre 7000 y 8000 partes por millón (ppm) de cloruros; si el PH es menor que 10, bastarán tan solo cerca de 100 ppm para que se inicie el proceso de corrosión. Cuando se prevea un ataque por cloruros, el uso de un cemento con una adición de puzolana rica en aluminio puede resultar altamente efectiva, en virtud a que el ion cloro se combina químicamente con el aluminio dando lugar a una reacción química que forma la

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denominada Sal de Friedel, que evita la penetración del cloro hasta el acero. Algunos grados de ataque al concreto producido por ciertos elementos, se relacionan en la tabla 7.4, denominada Tabla de Bonzel.

Débil 6.5 – 5,5 agresivo 15 - 30 la cal,

PH CO2 para mg/litro NH4+ , mg/litro 15 - 30 ++ Mg , mg/litro 100 - 300 -SO4 , mg/litro 200 - 600 Tabla 7.4 Tabla de Bonzel (7.16)

Fuerte 5,5 – 4,5 30 - 60

Muy fuerte 4,5 60

30 - 60 300 - 1500 600 - 2400

60 1500 2400

7.5.3. Densidad Como se mencionó en el capitulo 1, la densidad del concreto se define como el peso por unidad de volumen. Esta propiedad depende del peso específico y de la proporción en que participan cada uno de los diferentes elementos constitutivos del concreto. Para concretos de densidad normal su valor puede variar entre 2000 kg/m3 y 2600 kg/m3. La densidad del concreto depende también de si está en estado fresco o endurecido, siendo mayor la primera pues parte del agua de mezclado se evapora. La diferencia de densidad entre los dos estados es de aproximadamente 7%. Los concretos livianos se obtienen con agregados ligeros como piedra pómez, poliestireno expandido (icopor), incorporación de aire. La

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densidad puede llegar a valores tan bajos como de 0,4 kg/m3 y se emplean particularmente cuando se desea aislamiento térmico o acústico. Los concretos pesados se obtienen mediante el uso de agregados pesados normalmente mineralizados, como la barita, la limadura de hierro, el acero. Se utilizan principalmente cuando se desea protección contra radiaciones. 7.5.4. OTRAS PROPIEDADES Dentro de las muchas otras características que posee el concreto, se puede mencionar las propiedades térmicas, eléctricas, acústicas, la Dichas apariencia, las propiedades elásticas y las plásticas. propiedades pueden, en un determinado tipo de obra, ser más importantes, que la misma resistencia y durabilidad. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 7.1. ABRAMS, DUFF A. Design of Concrete Mixtures. Research Laboratory Lewis Institute, Structural Materials Bulletin No.1, 1918. 7.2. AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. Concrete and Mineral Aggregates Part. 4, Easton, ASTM, 1982. 7.3. CEMENT AND CONCRETE ASSOCIATION. Concrete Technology and Construction, Aggregate Testing, London, C&CA, 1984. 7.4. CONCRETE MANUAL. Bureau of Reclamation, Denver, Col., 1963. 7.5. COMITE ACI 201. Durabilidad del Concreto. IMCYC, México, 1980. 7.6 INSTITUTO COMBIANO DE NORMAS TÉCNICAS. Normas Técnicas para la Construcción, Bogotá, ICONTEC, Colombia. INSTITUTO COLOMBIANO DE PRODUCTORES DE CEMENTO 7.7 SOLINGRAL. Capítulo de Dosificación de Mezclas de Concreto, ICPC, Medellín, 1979.

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7.8 NEVILLE, A. M. Tecnología del Concreto Vol. 1. IMCYC, México, 1980. 7.9. PORRERO J, RAMOS C, GRASES J. Manual del Concreto Fresco. Asociación Venezolana de Sistemas de Paredes Estructurales, Caracas, 1979. 7.10. PORTLAND CEMENT ASSOCIATION. Concrete Mixtures. Illinois, PCA, 1979.

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7.11. SANDINO ALEJANDRO. Hormigón. Central de Mezclas S.A., 1980. 7.12. SANDINO, A. Materiales para Estructuras. Escuela Colombiana de Ingeniería, Bogotá, 1981. 7.13. TROXELL, D. McGraw-Hill, 1968.

Composition and Properties of Concrete, N.Y.,

7.14. L´HERMITE, R. A Pie de Obra. Madrid, Editorial Tecnos, 1971. 7.15 INSTITUTO CHILENO DEL CEMENTO Y DEL HORMIGÓN. Compendio de tecnología del hormigón. Santiago de Chile. I.CH.C.H. 1988 7.16 KÖLZOW, H. Protección Química de la Construcción. Madrid. Instituto Eduardo Eduardo Torroja de la Construcción y el Cemento. 1971.

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8. DOSIFICACIÓN DE MEZCLAS DE CONCRETO 8.1. ALCANCE El conocimiento de los estados fundamentales del concreto, fresco y endurecido, tiene como uno de sus fines primordiales la determinación del diseño de la mezcla. Para definir la cantidad de los ingredientes de una mezcla de concreto se han sugerido muchos métodos, dentro de los cuales se cuentan los analíticos, basados en formulaciones matemáticas; los experimentales, hechos en laboratorio; los semi-analíticos; los empíricos, basados en experiencia de obra; y los combinados, que reúnen un poco de los anteriores. Los métodos han evolucionado, desde los volumétricos arbitrarios (por ejemplo mezclas 1:2:4) de comienzos del siglo XX, al método de peso y volumen absoluto actual, propuesto por el ACI. El método estudiado en el presente capítulo tiene como base el procedimiento sugerido por el Instituto Americano del Concreto ACI 211.1, complementado por el método gráfico del Laboratorio de Caminos de la Gran Bretaña (Road Note Laboratory - RNL). El método americano ACI es uno de los más conocido y usado. Se fundamenta en el principio básico de la relación agua/cemento

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desarrollado por Abrams hacia el año 1918. Consiste en seguir en forma ordenada una secuencia de pasos y determinar la cantidad de los materiales básicos (cemento, aire, agua, grava y arena) en peso y en volumen para 1 M3 de concreto. En el método sugerido no se considerará la dosificación en la mezcla de ciertos materiales cementantes como el humo de sílice, las puzolanas o las escorias de alto horno. El método ACI ha sido concebido de tal manera que la dosificación de los agregados satisface unos requisitos granulométricos determinados; no obstante, cuando no se cumple con este requisito, se puede emplear como ayuda el procedimiento alterno propuesto por el RNL de la Gran Bretaña, que consiste en hacer una optimización granulométrica adecuada de los agregados, para producir la mezcla requerida. El método sugerido no profundiza sobre los principios en que está basado, sino que muestra de manera ordenada los diferentes pasos seguidos, aplicando los conceptos estudiados en los capítulos anteriores. Para el efecto, se usan tablas, ábacos, fórmulas y tablas extractadas de los métodos mencionados, aunque es conveniente anotar que algunos de estos han sido desarrollados de experiencias propias realizadas con materiales representativos del medio colombiano. El procedimiento propuesto por el ACI permite dosificar mezclas de peso normal, de peso pesado y concreto masivo, con el uso de tablas específicas e información adicional. En este capítulo solo se tratará lo concerniente a dosificación de mezclas de peso normal, que son las de uso corriente en la gran mayoría de estructuras. Los concretos masivos o pesados se consideran especiales. Como aplicación de los métodos sugeridos se desarrollan dos ejemplos. El primero explica el procedimiento del ACI cuando los agregados se encuentran dentro de los rangos granulométricos definidos; y el segundo cuando es necesario hacer una optimización granulométrica a los agregados disponibles.

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Es importante anotar que las cantidades resultantes de cualquier método de dosificación seguido, constituyen una primera aproximación y deben ser comprobadas y ajustadas mediante mezclas de laboratorio, usando los materiales que se emplearán en la obra y simulando, en la medida de las posibilidades, las condiciones a que estará sujeta la estructura durante su uso. Por último, se explican los criterios usados en la NSR – 98 para la dosificación de mezclas de concreto, los cuales siguen los principios desarrollados a lo largo de los capítulos del texto. 8.2. GENERALIDADES El objetivo que se persigue en el diseño de mezclas de concreto, es determinar la combinación más práctica y económica de materiales disponibles, para producir un concreto que satisfaga sus requerimientos, bajo condiciones particulares de uso. Una mezcla se debe diseñar para sus dos estados básicos; fresco y endurecido. Las principales exigencias en estado fresco son las de manejabilidad y economía, mientras que en estado endurecido son las de resistencia y durabilidad, aunque en algunos casos es preciso cumplir con otras propiedades como la densidad, el acabado, etc. Por lo común, las propiedades del concreto fresco se rigen por el elemento dentro de la estructura a fundir (vigas, muros, zapatas, etc.), y por las técnicas de colocación y transporte (bomba, banda transportadora, carretilla, etc.); así mismo, las propiedades del concreto en estado endurecido quedan especificadas en parte por el calculista de la estructura, por cuanto proporciona algunos datos como la resistencia a los esfuerzos mecánicos, distanciamiento del acero de refuerzo, la dimensión mínima del elemento y otros detalles de durabilidad y densidad, para que respondan a las condiciones de los proyectos o de los reglamentos. Con éstos dos grupos de requisitos y teniendo en cuenta el grado de control que se ejerce sobre la obra, se puede determinar las proporciones de los ingredientes dentro de la mezcla. El costo de la elaboración de una mezcla de concreto está constituido básicamente por el costo de los materiales, los equipos y la

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mano de obra. En general, el cemento es el componente más costoso, por unidad de peso, de los materiales componentes, de allí que durante la dosificación se debe optimizar su cuantía sin sacrificar la resistencia, la durabilidad y demás propiedades del concreto. El costo de los agregados generalmente no es significativo, sin embargo en algunos casos específicos (como en las islas), muchas veces el transporte de material idóneo puede ser importante. El costo del agua usualmente no tiene ninguna influencia (generalmente agua del acueducto de la localidad), mientras que el de los aditivos puede ser de importancia por su efecto potencial en la dosificación del cemento y los agregados. El costo de la mano de obra depende de la trabajabilidad de la mezcla y de los métodos de colocación y compactación. Una mezcla poco trabajable con un equipo de compactación deficiente aumenta los costos de la mano de obra; aún con un equipo de colocación eficiente, el costo de colocación de mezclas muy secas es alto. 8.3. DATOS PREVIOS Antes de dosificar una mezcla de concreto, además de conocer los datos de la obra o estructura que se va a construir y de las condiciones de transporte y colocación, también se deben conocer las propiedades de los materiales, con los que se va a preparar la mezcla. 8.3.1. DATOS DE LA OBRA Los datos que se deben conocer de la obra son: •

Máxima relación agua/cemento.

•

Tamaño máximo nominal del agregado.

•

Asentamiento (consistencia) recomendado.

•

Mínimo contenido de cemento.

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•

Dimensión mínima del elemento a construir.

•

Espaciamiento del acero de refuerzo.

•

Condiciones a que estará expuesta la estructura.

•

Resistencia a la compresión mínima.

•

Densidad mínima, en caso que sea especificado.

Normalmente la totalidad de estos datos se obtienen de los planos y de las especificaciones de la obra.8.3.2. DATOS DE LOS MATERIALES De las propiedades de los materiales que se van a utilizar, se debe conocer: •

La granulometría.

•

El módulo de finura de la arena.

•

El tamaño máximo de la grava.

•

La densidad aparente de la grava y de la arena.

•

La absorción de la grava y de la arena.

•

La masa unitaria compacta de la grava.

•

La humedad de los agregados inmediatamente antes de hacer las mezclas.

•

La densidad del cemento.

8.4. MÉTODO DE DOSIFICACIÓN Como se mencionó, para el diseño de mezclas se recurre a datos reales, a datos empíricos o de experiencia, que con la ayuda de tablas, gráficas y ábacos, 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. Dicho sistema consiste en preparar una primera mezcla de prueba, con unas proporciones iniciales calculadas por los métodos que se explican a continuación. A la mezcla de prueba se le efectúa el ensayo de

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asentamiento y si su valor es diferente del recomendado se reajustan las cantidades. Cuando se logra el asentamiento requerido con las proporciones reajustadas, se elaboran muestras de cilindros, a los que se les determina su resistencia a la compresión, se compara con la resistencia especificada y, si son diferentes, se vuelven a ajustar las cantidades. Una vez reajustadas las cantidades, se elabora otra mezcla que debe cumplir con el asentamiento, la resistencia y demás condiciones requeridas; si por algún motivo no se cumple alguno de los requerimientos debido a peculiaridades que no se detectan con los ensayos corrientes que se efectúan a los materiales, se pueden hacer ajustes similares a los indicados hasta lograr los resultados deseados. El método de dosificación se basa en la secuencia mostrada en la Figura 8.1 Elección del asentamiento

Elección del tamaño máximo nominal (TMN)

Estimación del contenido de aire

Estimación de la cantidad de agua de mezclado

Elección de la relación agua / cemento (a/c)

Cálculo del contenido de cemento

Verificación de la granulometría de los agregados

Cumplen

No cumplen

Cálculo del contenido de agregado grueso

Optimización de la granulometría

Cálculo del contenido de agregado fino

Cálculo del contenido de arena y grava

Ajuste de la cantidad de agua por el contenido de humedad de los agregados

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Figura 8.1. mezclas.

Secuencia de pasos sugerida para la dosificación de

8.4.1. ELECCIÓN DEL ASENTANIENTO Si el asentamiento no se especifica, se pueden usar los valores que se muestran en la Tabla 8.1. Estos valores se usan cuando el método de compactación utilizado es la vibración. Cuando se emplee otro método de compactación diferente, los valores indicados de la tabla 8.1 deben aumentarse en 2,5 cm. Cuando el asentamiento no se encuentra relacionado en la tabla, se puede adoptar un valor apropiado para el tipo de estructura. En cualquier caso, se recomienda la adopción de la menor consistencia posible que permita realizar los procesos de colocación, compactación y terminado de forma eficiente. CONSISTENC ASENTAMIENT GRADO DE IA O TRABAJABILIDA TIPO DE ESTRUCTURA (Tipo de (cm) D concreto) Vigas o pilotes de alta 0–2 Muy seca Muy pequeño resistencia con vibradores de formaleta Pavimentos vibrados y 2 – 3,5 Seca Pequeño construidos con extrusoras Construcciones masivas. 3,5 – 5 Semi-seca Pequeño Losas medianamente

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5 – 10

Media

Medio

10 – 15

Húmeda

Alto

reforzadas. Fundaciones en concreto simple. Pavimentos con vibradores normales Losas medianamente reforzadas. Losas y pavimentos compactados a mano. Columnas, vigas, fundaciones y muros con vibración. Secciones con mucho refuerzo. Trabajos donde la colocación sea difícil. Revestimiento de túneles. Recomendable para sitios de difícil compactación.

Tabla 8.1 Valores de asentamiento recomendados para diversas clases de estructuras.

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8.4.2. ELECCIÓN DEL TAMAÑO MÁXIMO NOMINAL (TMN) Tal como se estudió en el capítulo 4, la NTC 174 limita el TMN por las dimensiones de la estructura. El TMN en ningún caso debe exceder 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 varillas individuales de refuerzo, haces de varillas o cables pretensados. Los estudios y la práctica demuestran que agregados con una buena granulometría y con mayor TMN tienden a formar masas más compactas y con menos vacíos que los de menor TMN; en consecuencia, si se aumenta el TMN 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 más económicos y con menor retracción por fraguado. Sin embargo, cuando se desea obtener un concreto de alta resistencia, se debe reducir el TMN de los agregados, debido a que estos producen mayores resistencias con una determinada relación agua/cemento.

Figura 8.2 Restricciones al TMN por las dimensiones del elemento En algunas ocasiones la elección del TMN puede no estar limitada por la dimensión mínima del elemento a construir sino de otros factores como el equipo disponible para mezclar o el método de colocación del concreto requerido.

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Las características del tipo de mezcladora disponible son importantes ya que algunas, como las de descarga libre, están diseñadas para que trabajen en forma efectiva con partículas de grava con tamaño máximo hasta de 150 mm (6”); hay otras, como las de mezcla de acción forzada, que su diseño generalmente permite mezclar solo concretos con agregado grueso cuyo TMN no exceda de 37,5 mm (1 ½”). Con respecto al método de colocación, el uso de bombas, bandas transportadoras o cualquier otro tipo especial de colocación puede generar limitaciones en el TMN. Cuando se trata de concreto bombeado, el ACI 304 recomienda que el TMN no sea mayor al 40% del diámetro de la tubería cuando se trata de agregados de forma redondeada; por su parte, cuando se trata de partículas angulares la limitación se hace a la tercera parte del diámetro. Esto se debe a que agregados de forma redondeada y de textura lisa tienen un mejor desplazamiento durante el proceso de bombeado. En este orden de ideas y teniendo en cuenta que los diámetros comerciales de las tuberías más usados para bombear concreto son de 100 mm y 150 mm, se recomienda el uso de agregados cuyo TMN varía entre 19 mm (3/4”) y 37,5 mm (1½”). Para el caso del uso de banda transportadora, el TMN estará restringido por el ángulo de inclinación de la banda. Entre más pequeño el ángulo de inclinación se puede utilizar partículas de agregado con TMN mayor, pues de esta forma se evita que las partículas más grandes rueden por acción de la gravedad y se produzca segregación del concreto. El ACI 304 recomienda el transporte de la mezcla por este método con agregado grueso de TMN hasta de 100 mm (4”). 8.4.3. ESTIMACIÓN DEL CONTENIDO DE AIRE En el capítulo 5 se estudió en forma amplia y detallada las características y efectos del aire incluido y del aire atrapado naturalmente en mezclas de concreto. En la Tabla 8.2 se enseñan los valores recomendados por el ACI para varios grados de exposición. Es importante anotar, que cuando se prevea que la estructura no estará expuesta a ambientes severos, se pueden lograr efectos

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benéficos con la incorporación de aire en la mezcla, mejorando su manejabilidad y cohesividad con la mitad de los valores de contenido de aire mostrados.

AGREGADO GRUESO Pulgad as 3/8 ½ ¾ 1 1½ 2 3 6

mm 9,5 12,5 19 25 37,5 50 75 150

PROMEDIO TOTAL DE AIRE RECOMENDADO PARA LOS PROMEDIO GRADOS DE APROXIMADO DE SIGUIENTES AIRE ATRAPADO EXPOSICIÓN (%) (%) Moderad Suave Severo o 2,7 4,5 7,5 6,0 2,5 4,0 7,0 5,5 2,0 3,5 5,0 6,0 1,7 3,0 6,0 4,5 1,5 2,5 4,5 5,5 1,0 2,0 4,0 4,0 0,3 1,5 3,5 4,5 1,0 0,2 4,0 3,0

Tabla 8.2. Contenido aproximado de aire en el concreto para varios grados de exposición. (8.8) 8.4.4. ESTIMACIÓN DE LA CANTIDAD DE AGUA DE MEZCLADO (a) Tal como se estudió, la cantidad de agua por volumen unitario de concreto que se requiere para producir un asentamiento dado depende del tamaño máximo del agregado, la forma y textura de las partículas, de la gradación de los agregados, de la cantidad de aire incluido y de los aditivos reductores de agua (cuando son utilizados). Como se puede apreciar, son muchos los factores que intervienen para determinar este parámetro, de allí que su estimación no sea fácil. Se han desarrollado algunos estudios que tienen en cuenta algunos de los factores más importantes y que ofrecen una aproximación suficiente para una primera mezcla de prueba. De la Figura 8.3, desarrollada por el profesor Alejandro Sandino, se pueden obtener estimativos de la cantidad de agua de mezclado.

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Las curvas obtenidas están en función del TMN del agregado, del asentamiento y de la forma y textura de las partículas de agregado.

Figura 8.3 Requerimientos de agua de mezclado. (8.14) Otro criterio para determinar una aproximación a la cantidad de agua de mezclado es el suministrado por el ACI, el cual se enseña en el Tabla 8.3. Los valores indicados están en función del asentamiento, el TMN de los agregados y del contenido de aire en la mezcla. Es de anotar que el valor hallado por cualquiera de los dos criterios sugeridos, asume que las partículas están en la condición saturada y superficialmente seca (SSS), por lo que es necesario sumarle el agua

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CONCRETO CON CONCRETO SIN AIRE CONTENIDO DE AIRE INCLUIDO INCLUIDO AIRE

de absorción o restarle el agua libre, según sea el caso, antes de meterlos en la mezcladora. Esto corresponde al ajuste por humedad de los agregados.

ASENTAMIENTO (cm)

3a5 8 a 10 15 a 18 Cantidad aproximada de aire atrapado en concreto sin aire incluido, por ciento. 3a5 8 a 10 15 a 18 Promedio de recomendable contenido total de aire, por ciento.

AGUA EN kg/m3 DE CONCRETO PARA LOS TMN DEL AGREGADO INDICADOS 9,5 mm

12.5 mm

19 mm

25 mm

37,5 mm

50 mm**

205 225 240

200 215 230

185 200 210

180 195 205

160 175 185

155 170 180

3

2.5

2

1,5

1

0.5

75 150 mm* mm * ** 12 145 5 160 14 170 0 ___ 0.3

180 200 215

175 190 205

165 180 1 90

160 175 185

145 160 170

140 155 165

135 150 160

8

7

6

5

4.5

4

3.5

* Las cantidades de agua de mezclado mostradas pueden utilizarse en los cálculos de los factores de relación agua - cemento para mezclas de prueba. Son las máximas para agregados gruesos angulares, razonablemente bien gradados dentro de los límites de las especificaciones aceptadas. ** Los valores de asentamiento para un concreto que contenga un agregado mayor de 40 mm, están basados en ensayos de asentamiento efectuados después de remover las partículas mayores de 40 mm por medio de tamizado en estado fresco.

0.2 12 0 13 5 ___ 3

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TABLA 8.3. Requerimientos aproximados de agua de mezclado y contenido de aire, para diferentes asentamiento y TMN del agregado (8.13) 8.4.5. ELECCIÓN DE LA RELACIÓN AGUA/CEMENTO (a/c) Tal como se mencionó, la base del método de la dosificación de mezclas aquí sugerido es la relación agua/cemento medida en peso, por lo que se considera uno de los factores del diseño más importantes. La relación agua/cemento requerida se determina básicamente por los requisitos de resistencia, de durabilidad, de impermeabilidad y de acabado. Para efectos de diseño, algunas especificaciones pueden relacionar la máxima relación agua/cemento; cuando ello no se establece, la escogencia de relación agua/cemento se realiza de modo que simultáneamente cumpla los requisitos de resistencia y de durabilidad. Desde el punto de vista resistencia, dado que para diferentes agregados y tipos y marcas de cementos se producen resistencias distintas con una misma relación agua/cemento, la selección de este factor se debe hacer basados en el desarrollo de gráficas específicas elaboradas con los materiales que se usarán en la obra, en donde se relacione la resistencia a la compresión y la relación agua/cemento. Cuando no se disponga de tales datos, se han desarrollado tablas y gráficas como las mostradas en la tabla 8.4 y la figura 8.4, elaboradas con cemento Pórtland tipo 1, que permiten estimar los valores de manera aproximada y relativamente conservadora. Los valores mostrados fueron obtenidos bajo condiciones normalizadas de laboratorio, con probetas cilíndricas. Por su parte, la tecnología del concreto exige que además de la resistencia a la compresión, el diseño de la mezcla también debe considerar la durabilidad, de modo que cuando se prevean condiciones severas de exposición, la elección de la relación agua/cemento debe ser lo más baja posible, aún cuando los requisitos de resistencia puedan cumplirse con un valor más alto. En la Tabla 8.5 se relacionan algunos valores máximos para diferentes tipos de estructuras y grados de exposición.

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RESISTENCIA A LA CONCRETO SIN COMPRESIÓN INCLUSOR DE AIRE A LOS 28 DÍAS EN RELACIÓN ABSOLUTA kg/cm2 (psi) POR PESO 175 (2.500) 0,65 210 (3.000) 0,58 245 (3.500) 0,51 280 (4.000) 0,44 315 (4.500) 0,40 350 (5.000) 0,40

CONCRETO CON INCLUSOR DE AIRE RELACIÓN ABSOLUTA POR PESO 0,56 0,50 0,46 0,42 0,38 0,35

Tabla 8.4. Relación entre la resistencia a la compresión y algunos valores de la relación a/c. (8.8)

Figura 8.4 (8.8)

TIPO DE ESTRUCTURA

CONDICIONES DE EXPOSICIÓN Número superior, clima severo, amplio

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margen de variación temperatura ++

en

la

Número inferior, clima suave, lluvioso o seco. Concreto en el agua o al alcance de niveles oscilantes En el de agua. aire Agua salada o en Agua concreto con dulce sulfatos + Secciones delgadas, concreto ornamental, pilotes reforzados, tuberías, secciones con recubrimientos menores de 2.5 cm. Secciones moderadas como muros de contención, estribos, pilas, vigas. Partes exteriores de estructuras masivas Concreto depositado o presión bajo el agua Losa sobre el piso

0,49 0,53

0,44 0,49

0,40 0,40

0,53 *

0,49 0,53

0,44 0,44

0,57 _ _ _ 0,53 * Concreto protegido contra * la meteorización, inferior de * edificios, concreto en el subsuelo

0,49 0,53 0,44 0,44 _ _ _ _

0,44 0,44 0,44 0,44 _ _ _ _

++ Debe tratar de usarse aire incorporado. * Las relaciones agua/cemento se deben seleccionar con base en los requisitos de resistencia. • + Para concentraciones de sulfatos mayores de 0,2% del suelo o del agua. Tabla 8.5 Valores máximos de las relaciones a/c para diferentes tipos de construcción y grados de exposición. (8.14)

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8.4.6. CÁLCULO DEL CONTENIDO DE CEMENTO El cálculo de la cantidad de cemento por metro cúbico de concreto se realiza tal como se indica en la expresión 8.1; simplemente como ya se tiene la relación agua/cemento (dada en peso) y el contenido de agua (dada en peso/M3 de concreto), se despeja el contenido de cemento (en peso/M3 de concreto) de la siguiente manera: c = a/(a/c)

( 8.1)

8.4.7. VERIFICACIÓN DE LAS ESPECIFICACIONES GRANULOMÉTRICAS En concordancia con lo visto en el Capítulo 4, un buen concreto fresco y endurecido depende en gran medida de la granulometría de los agregados. Por este motivo, antes de dosificar las cantidades de arena y grava, es necesario verificar que su distribución de tamaños esté comprendido en un rango preestablecido y no obtener proporciones de agregado grueso y fino inconvenientes. El método de diseño sugerido también requiere de la verificación granulométrica de los agregados, toda vez que las tablas elaboradas por el ACI fueron hechas con agregados cuya gradación se encuentra dentro de los límites dados en la norma ASTM C 33 (NTC 174). Si la granulometría de la arena y de la grava se encuentran dentro de los rangos establecidos, la proporción de estos materiales se realiza de acuerdo con el procedimiento sugerido por el ACI; en caso contrario, es necesario optimizar la granulometría para determinar la combinación más adecuada para la mezcla por medio de el método desarrollado por el Road Note Laboratory (RNL) de la Gran Bretaña. Los rangos granulométricos citados se indican en las Tablas 8.6 y 8.7 para agregado grueso y fino respectivamente.

Nº del TMN:

MATERIAL QUE PASA CADA UNO DE LOS SIGUIENTES TAMICES (%)

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Tamañ o del agreg ado

1 2 3

Tamice de s 63 75 abertur 100 90 m mm mm mm a m cuadra da mm 90 37,5 63 37,5 50 25,0

a a a

25, 50 37,5 0 mm mm m m

25 60 90 - 35 – 100 100 70 90 – 100 100

100

90 – 100

-

-

-

-

-

-

-

-

95 – 100

-

-

-

-

100

-

-

-

-

100

-

-

-

-

-

357

50 4,75

a

4

37,5 19,0

a

467

37,5 4,75

a

5

25,0 12,5

a

56

25,0 9,5

a

57

25,0 4,75

a

6

19,0 9,5

a

-

-

-

-

-

67

19,0

a -

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

19, 0 m m

0 0 5 15 0 0 15 5 35 - 0 70 15 35 – 70 20 90 – 0 – – 100 15 55 35 95 100 70 90 20 – 100 10 55 0 90 40 100 10 85 0 95 – 100 10 0 90 10 0 10 0 10 90

12, 4,7 9,5 5m 5 m m m m m (Nº 4)

2,36 mm (Nº 8)

1,18 mm (Nº 16)

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

0 -5 -

-

0 5 10 – 30 -

0 – 5

-

-

-

10 – 0 -5 30

-

0 – 0 – 0 -5 10 5

-

10 – 40

0 – 0 -5 15

-

25 – 60

-

25 55

0 – 0 -5 15

-

20 0

-

0 - 0 10 5

–

-

-

- 0-5 -

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4,75

7

8

12,5 4,75

9,5 2,36

0

a

a

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

10 0

– 10 55

90 10 – 0 10 0 -

10 0

40 0 0 -5 – 15 70 85 10 - 0 0-5 10 30 10 0

Tabla 8.6 Rangos granulométricos para el agregado grueso. (8.7)

TAMIZ NTC 32 9,5 mm 4,75 mm 2,36 mm 1,18 mm 600 µm 300 µm 150 µm

% QUE PASA Designació n alterna 3/8 No 4 No 8 No 16 No 30 No 50 No 100

Límite Límite inferior superior 100 95 80 50 25 10 2

100 100 100 85 60 30 10

Tabla 8.7. Rangos granulométricos establecidos para el agregado fino (8.7) 8.4.8 Cálculo del contenido de agregados 8.4.8.1 Método ACI a. Estimación del contenido de agregado grueso

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El método ACI consiste en hallar el volumen de agregado grueso por metro cúbico de concreto. Se basa en el volumen del agregado grueso, seco y compacto, por volumen unitario de concreto (M3), expresado por la relación b/bo, en donde b es el volumen de las partículas de agregado grueso por metro cúbico de concreto, y bo es el volumen de las partículas del agregado grueso por metro cúbico de agregado grueso. Los valores b/bo han sido determinados en función del TMN y del módulo de finura de la arena (MF), y se muestran en la Tabla 8.8. El volumen de las partículas de agregado grueso por metro cúbico de concreto se puede calcular multiplicando el valor de b/bo por el valor de bo (volumen de las partículas de agregado grueso por metro cúbico de agregado grueso), el cual se obtiene a partir de la masa unitaria compacta (MUC) y de la densidad aparente de la grava (dg), puesto que: bo = MUC/dg

(8.2)

De tal manera que: b = (b/bo) x bo TAMAÑ O MÁXIMO NOMINA L DE AGREGA DO (mm) 9,5 12,5 19,0 25,0 37,5 50,0 75,0

(8.3)

VOLUMEN DEL AGREGADO GRUESO SECO Y APISONADO, POR UNIDAD DE VOLUMEN DE CONCRETO, PARA DIFERENTES MÓDULOS DE FINURA DE LA ARENA 2,0

2,1

2.2

2,3

2,4

2,5

2,6

2,7

2,8

2,9

3,0

3,1

0,5 0 0,5 9 0,6 9 0,7

0,4 9 0,5 8 0,6 8 0,7

0,4 8 0,5 7 0,6 7 0,7

0,4 7 0,5 6 0,6 6 0,7

0,4 6 0,5 5 0,6 5 0,7

0,4 5 0,5 4 0,6 4 0,6

0,4 4 0,5 3 0,6 3 0,6

0,4 3 0,5 2 0,6 2 0,6

0,4 2 0,5 1 0,6 1 0,6

0,4 1 0,5 0 0,6 0 0,6

0,4 0 0,4 9 0,5 9 0,6

0,3 9 0,4 8 0,5 8 0,6

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150,0

4 0,8 0 0,8 3 0,8 8 0,9 4

3 0,7 9 0,8 2 0,8 7 0,9 3

2 0,7 8 0,8 1 0,8 6 0,9 2

1 0,7 7 0,8 0 0,8 5 0,9 1

0 0,7 6 0,7 9 0,8 4 0,9 0

9 0,7 5 0,7 8 0,8 3 0,8 9

8 0,7 4 0,7 7 0,8 2 0,8 8

7 0,7 3 0,7 6 0,8 1 0,8 7

6 0,7 2 0,7 5 0,8 0 0,8 6

5 0,7 1 0,7 4 0,7 9 0,8 5

4 0,7 0 0,7 3 0,7 8 0,8 4

3 0,6 9 0,7 2 0,7 7 0,8 3

Tabla 8.8 Valores de b/bo para diferentes módulos de finura de la arena (8.14) b. Estimación del contenido de agregado fino Una vez calculado el contenido de grava se ha estimado todos los ingredientes del concreto con excepción del de la arena. Para calcular su contenido, se recomienda elaborar una tabla similar a la mostrada en la 8.9, de modo que tabulando los valores obtenidos y con ayuda de las densidades de los materiales, se puede hallar el peso y los volúmenes de los materiales. Dado que el diseño de la mezcla se hace para 1 M3 de concreto, el volumen total de los ingredientes conocidos (agua, aire, cemento y agregado grueso), se resta al volumen unitario del concreto, obteniendo así el volumen requerido de arena. En otras palabras, el procedimiento se basa en la definición de densidad (d) d = Peso /Volumen

(8.4)

Como se conoce la densidad de los materiales (obtenidos en el laboratorio o por datos suministrados) y teniendo el peso o el volumen de los ingredientes por metro cúbico de concreto, se puede calcular el valor desconocido despejándolo en la ecuación 8.4.

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MATERIAL Agua Aire Cemento Agregado grueso Agregado fino Total

PESO W (kg/M3)*

DENSIDAD APARENTE (kg/m3)

VOLUMEN V (m3/M3)

Wa 0 Wc Wg Wf

1000 0 dc dg df

Vw Va Vc Vg Vf

WT

1,00 m3

*El cociente M3, significa que está calculado para 1 m3 de concreto. TABLA 8.9 Proporciones de los materiales de la mezcla en peso y en volumen, para 1 m3 de concreto 8.4.8.2. Método de la Road Note Laboratory (RNL) a. Optimización de la granulometría Es común que la granulometría de la arena, o la de la grava, que se disponen para producir el concreto estén por fuera de los rangos granulométricos establecidos. Para estos casos se puede hacer una optimización granulométrica mezclando la arena y la grava en una proporción tal, que se puedan lograr relaciones agregado fino agregado grueso convenientes. Para lograrlo, es necesario hacer uso de una gradación que involucre todo el agregado, desde las partículas más finas de la arena hasta las partículas más grandes de la grava. Se han desarrollado varias curvas granulométricas que involucran todo el agregado, destacándose la de Bolomey y la de Fuller y Thompson, siendo esta última la más conocida y usada, y cuya expresión matemática es la siguiente: p = 100 (d/D)0.5

(8.5)

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En la que p representa el porcentaje de material que pasa el tamiz de abertura d, de una masa de agregados cuyo tamaño máximo es D. Los valores de esta curva se presentan en la Tabla 8.10. Es de anotar que la fórmula de Fuller y Thompson fue desarrollada usando el TM en lugar del TMN. Así mismo, las mezclas elaboradas con estas granulometrías tienden a ser muy ásperas debido a las deficiencias de arena, en especial es su fracción fina, siendo el inconveniente más notorio cuando las mezclas son pobres y en particular en aquellas con menos de 350 kg de cemento por metro cúbico de concreto. De otra parte, el hecho de tener que ajustarse a una curva granulométrica hace que su empleo sea poco práctico. TAMIZ Pulga das 2 1½ 1 ¾ ½ 3/8 No. 4 No. 8 No. 16 No. 30 No. 50 No. 10 0 Tabla 8.10. mostrados.

mm 50 37,5 25 19 12,5 9,5 4,75 2,36 1,18 600 µm 300 µm 150 µm

50 mm (2”)

37,5 mm (1 ½”)

100 87 71 61 50 43 31 22 15 11 8 5

100 82 71 58 50 35 25 18 12 9 6

25 m m (1”)

100 87 71 61 43 31 22 15 11 8

19 mm (3/4”)

12,5 mm (1/2”)

100 82 71 50 35 25 18 13 9

100 87 62 44 31 22 16 10

Granulometría de Fuller y Thompson para los TM

En vista de tales inconvenientes, el autor desarrolló una investigación tendiente a encontrar una expresión que en lugar de tener una curva se obtenga un rango granulométrico, que además de obtener mezclas con adecuados grados de manejabilidad, homogéneas (sin

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segregación ni exudación), con el mínimo de huecos posible, económicas, y que con alta densidad de empaquetado proporcione altas resistencias a la compresión, encontrando los límites indicados en la Tabla 8.11. De este modo, se puede escoger una curva o un rango granulométrico para optimizar la granulometría y lograr un concreto de buenas propiedades de manejabilidad y resistencia para un contenido de cemento dado. Esto puede efectuarse por medio del método gráfico desarrollado por el Road Note Laboratory No. 4 (RNL), el cual consiste básicamente en lo siguiente: •

Se dibuja un cuadro de 10 divisiones en ordenadas y 10 divisiones en abscisas, tal como se aprecia en la Figura 8.5.

•

Se enumeran los ejes de las ordenadas de abajo hacia arriba de 0 a 100. Los ejes de las abscisas, el superior de 0 a 100 de izquierda a derecha; y el inferior, de derecha a izquierda, de 0 a 100. De este modo, cualquier valor de arriba sumado al correspondiente valor de abajo, da como resultado 100.

• TAMIZ Pulg ada

mm

3½ 3

90,5 75

2½

64

2

50

1½

37,5

1

25

¾

19

LÍMITES DE LOS PORCENTAJES QUE PASAN LOS SIGUIENTES TAMAÑOS MÁXIMOS 90 m 75 m 64 m 50 m 37,5 25 m 19 m 12,7 9,5 m m m m mm m m mm mm 3 ½” 3” 2 ½” 2” 1 ½” 1” ¾” ½” 3/8” 100 94-91 100 9489- 83 100 91 879282-73 100 80 88 78839074-62 100 68 75 85 68727864-50 87-80 100 55 60 68 6265719058-42 78-68 100 47 51 58 85

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½

12,5

50-34

3/ 8

9,5

45-29

5337 4832 3822 3015 2310

5741 5135 4024 3216 2511

6247 5640 4427 3418 2713

68-55 62-47

7868 7158 5640 4427 3418 2713

8780 7868 6247 4832 3822 3015 2310

100 90 -85 100

7868 61No. 8 2,36 28-13 38-22 55 -40 46 No. 1 481,18 22- 9 30-15 44-27 6 32 No. 3 600 3817-6 18- 7 20-8 21-9 23-10 34-19 0 µm 22 No. 5 300 3014-4 14 -4 15-5 17-8 28-7 21-9 27-13 0 µm 15 No. 1 150 2311-3 11-3 12-4 13 -4 14-5 17-6 18 -7 21- 9 00 µm 10 • Tabla 8.11 Rango granulométrico recomendado (8.11) • No. 4 4,75

36-20

48-32

71-58

•

Se escoge el eje superior como eje de porcentajes de la arena y el inferior como eje de porcentajes de la grava.

•

Sobre el eje de las ordenadas, correspondiente al 100% de la arena, se marca la granulometría de la arena; y sobre el eje correspondiente al 100% de la grava se marca la granulometría de dicho material.

•

Se unen por medio de líneas rectas los puntos correspondientes a cada tamiz en las dos granulometrías. Se tienen entonces líneas inclinadas que representan los posibles porcentajes de mezcla de agregados que pueden pasar cada uno de los tamices.

•

Sobre las líneas inclinadas se ponen los puntos correspondientes a la especificación elegida.

•

Se traza un eje vertical que separe los puntos hallados en igual cantidad a izquierda y derecha. A este eje le corresponde un porcentaje de arena y un porcentaje de grava que representa la mezcla óptima.

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A manera de ejemplo, en la Tabla 8.12 se indican las granulometrías de dos agregados. Se desea saber cuál es la mezcla óptima para elaborar una mezcla de concreto. TAMIZ

PORCENTAJE QUE PASA Material mm Pulg. Grava Arena Combinado 100 1 25 100 77 ¾ 19 88 44 ½ 12,5 100 72 3 /8 19 9,5 99 61 2 No. 4 4,75 85 46 No. 8 2,36 68 37 1,18 No. 16 54 28 600 µm No. 30 43 23 300 µm No. 50 28 15 150 µm No. 100 9 4 Tabla 8.12 Ejemplo de optimización de granulometrías. La solución gráfica, siguiendo los pasos antes indicados, se enseña en la Figura 8.5, de donde se tiene que la combinación óptima se encuentra con el 51% de arena y el 49% de grava.

Figura 8.5 Optimización de las Granulometrías del ejemplo.

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Como se puede ver la solución gráfica es muy sencilla y rápida. No obstante, es conveniente tener en cuenta los siguientes aspectos. •

Las especificaciones granulométricas están dadas en función del TMN, mientras que los estudios granulométricos desarrollados que involucran todo el agregado, están en función del TM y, de acuerdo con lo estudiado en el Capítulo de Agregados, éstos dos valores algunas veces no coinciden. De allí que al tener la granulometría de las masas de agregados a optimizar, se debe definir el TM y el TMN de la grava, que para el caso del ejemplo son iguales (TMN = TM = 25 mm).

•

El método es aproximado y depende mucho de la precisión de la gráfica y de la localización de la línea vertical. Por ello se recomienda efectuarlo con la mayor exactitud posible.

•

La granulometría hallada cumple con las especificaciones.

•

De la misma manera como se aplica para dos casos de agregados, se puede utilizar para más de dos, combinando primero las porciones gruesas y la granulometría resultante se combina con la fracción fina.

b. Estimación del contenido de grava y arena El contenido de grava y arena por metro cúbico de concreto se calcula en forma similar al método ACI. Se cuenta con el volumen del cemento, del agua y del aire; si se resta a 1 m3 la suma de estos tres valores se obtiene el volumen de las partículas de agregado (grava + arena). Conocido el volumen de agregados y calculada la densidad aparente promedio de los mismos, puede determinarse la masa de la grava y de la arena. La densidad aparente promedio de los agregados es un promedio ponderado y se calcula por medio de las expresiones 8.6 u 8.7. La expresión 8.6 se utiliza cuando la diferencia entre las densidades de la arena y de la grava es grande, mientras que si los valores son parecidos, caso muy frecuente, se puede utilizar la fórmula 8.7. d prom. = ((dg) x (df )) / ((%f) x (dg) + (%g) x (df))

(8.6)

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(d prom.) = (%f) x (df) + (%g) x (dg)

(8.7)

Siendo: dg = df = d prom. = % f= %g=

Densidad aparente de la grava. Densidad aparente de la arena. Densidad aparente promedio. Porcentaje de la arena, en forma decimal. Porcentaje de la grava, en forma decimal.

Con los datos anteriores se completa la totalidad de los ingredientes de la mezcla, para 1 m3 de concreto. Para facilitar los cálculos, se elabora un cuadro similar a la Tabla 8.10, teniendo en cuenta que: d prom = Wt / Vt

(8.8)

De donde: Wt = Masa total de agregados, por M3 de concreto. Vt = Volumen total de agregados, por M3 de concreto. 0 sea que: (d prom.) x (Vt) = Wt. De otra parte se sabe que: Wg = (Wt) x (%g), de donde se tiene que la masa de la grava (Wg), será: Wg = (d prom) x (Vt) x (5%g)

(8.9)

Y por consiguiente la de la arena (Wf), será: Wf = (d prom.) x (Vt) x (%f )

(8.10)

De manera tal que queda completo el cuadro. Un cálculo más preciso se logra de la siguiente manera. Conocida la masa total de agregados (Mt), y como se puede calcular el peso retenido en cada tamiz (a partir de los porcentajes que pasan), se pueden entonces calcular las proporciones requeridas de cada tamaño específico.

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8.4.8. AJUSTE POR HUMEDAD DE LOS AGREGADOS Tal como se mencionó, la estimación de la cantidad de agua de mezclado se realiza asumiendo que los agregados están en la condición SSS, es decir, que ni aportan ni absorben agua; no obstante, de acuerdo con lo explicado en el Capítulo 4, las partículas de agregado que se usan en la obra nunca están en condición SSS ni están totalmente secas, lo que significa que siempre tendrían o un exceso de agua (agua libre) o un defecto (por absorción), cantidad que no es independiente del agua de mezclado. Por lo tanto, se debe restar la cantidad en exceso o sumarle la cantidad en defecto. Cuando la humedad que presenta el agregado es mayor que la absorción, significa que hay agua libre con respecto a la condición SSS, caso en el cual hay que restarle dicha cantidad; por el contrario, cuando la absorción es mayor que el grado de humedad, hay agua en defecto en relación con la condición SSS, por lo que hay que sumarle esta cuantía. Para determinar el sobrante o faltante de agua utilizan las expresiones 8.11(a) y 8.11(b): • •

Agua en exceso (agua libre) AL = M(H - Abs) Agua en defecto AD = M(Abs. – H)

(8.11a) (8.11b)

en donde: A= M= H= Abs =

Agua en exceso o defecto, respecto a la condición SSS. Peso de la muestra seca, en kg. Humedad del agregado, en tanto por uno. Absorción del agregado, en tanto por uno.

La humedad es un dato de laboratorio que se determina con la siguiente fórmula: (8.12) H = (Mh – M) /M Donde: H = Humedad de la muestra seca, en tanto por uno. Mh = Peso de la muestra húmeda, en gramos. M = Peso de la muestra seca, en gramos.

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El dato de la absorción también es de laboratorio y se calcula mediante la expresión 8.13. Abs. =

(Msss – M) / M

(8.13)

Donde: Abs. = M = Msss =

Absorción de la muestra, en tanto por uno. Peso seco de la muestra seca, en gramos. Peso de la muestra en estado SSS, en gramos.

Como la dosificación de los agregados se hacen húmedos, la cantidad a introducir en la mezcladora se calcula de la siguiente manera: Mh = M (1+h)

(8.14)

8.4.9. AJUSTES A LAS MEZCLAS DE PRUEBA El diseño explicado 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. Sin embargo, existen algunos factores de los materiales diseño que no se detectan en los ensayos y precisiones propias del método, que generalmente tienen como consecuencia la producción de un concreto con propiedades algo diferentes a las esperadas. Por esto se recomienda comprobar que las cantidades teóricas calculadas cumplen con las características deseadas por medio de mezclas de prueba, que se realizan de acuerdo con el procedimiento descrito en la NTC 550. Las propiedades que normalmente se verifican en estado fresco, son: el peso unitario, el rendimiento volumétrico, el contenido de aire y la trabajabilidad (se observa que no presente exudación ni segregación). De acuerdo con ello, se pueden llevar a cabo los ajustes pertinentes con las proporciones de las mezclas subsecuentes, siguiendo el procedimiento sugerido por el ACI indicado a continuación:

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•

•

•

a. Se estima nuevamente la cantidad de agua de mezclado necesaria por metro cúbico de concreto, dividiendo el contenido neto de agua de mezclado de la mezcla de prueba, entre el rendimiento de la mezcla de prueba, en metros cúbicos. Si el asentamiento de la mezcla de prueba no fue el correcto, se aumenta, o se disminuye, la cantidad re-estimada de agua en 2 kg, por cada centímetro de aumento o disminución en el asentamiento requerido. b. Si el contenido de aire que se obtuvo no es el deseado (para concreto con aire incluido), se estima nuevamente el contenido de aditivo requerido para el contenido de aire adecuado y se aumenta, o se reduce, el contenido de agua de mezclado indicado en el numeral anterior en 3 kg/m3 por cada 1% de contenido de aire que deba disminuirse o aumentarse en la mezcla de prueba. c. Se calculan los nuevos pesos de la mezcla partiendo de la elección de la relación agua/cemento. Si es necesario se modifica el volumen de agregado grueso mostrado en la Tabla 8.8, con el objeto de lograr una trabajabilidad adecuada.

8.4.9.1. Cálculo del peso unitario y rendimiento volumétrico. El peso unitario del concreto consiste en determinar el volumen de concreto producido a partir de una mezcla de las cantidades conocidas de los materiales componentes, con el fin de verificar la correcta dosificación y el rendimiento de los materiales. El peso unitario, se determina por medio de la expresión 8.15 y el de rendimiento volumétrico, por la 8.16. W = (W mat. + recip - W recip)/ V recip.

(8.15)

Donde: W = W mat. + recip. = medida = W recip. V = Y = W1/W ( m3)

Peso unitario del concreto Peso de la mezcla fresca + peso del recipiente de Peso del recipiente de medida Volumen del recipiente de medida (8. 16)

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Donde: Y= Volumen de concreto, producido por dosificación (rendimiento volumétrico) W1 = Peso unitario del concreto W1 = Peso total de todo el material dosificado (W1= Wagregado + Wcemento + Wagua) 8.5. EJEMPLOS DE APLICACIÓN 8.5.1. EJEMPLO 8.1 8.5.1.1. Datos generales de la obra Se está construyendo una carretera en la que se requieren construir muros de contención reforzados. Los estudios indican que la estructura no estará expuesta a la meteorización ni a condiciones agresivas. El diseño estructural exige una resistencia a la compresión a los 28 días de 28 MPa (280 kg/cm2 o 4.000 psi). El diseño de la estructura (figura 8.6), en lo que se refiere a espaciamiento del acero de refuerzo y a la dimensión mínima del elemento, obligan a que el TMN sea de 37,5 mm (1 ½ “). 8.5.1.2. Datos de los materiales De los materiales disponibles para elaborar el concreto, se conoce: a. Del agregado grueso Granulometría: El ensayo granulométrico muestra los valores enseñados en la Tabla 8.13.

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Figura 8.6 Esquema del muro de contención del ejemplo 8.1 TAMIZ mm

Pulg.

% RETENIDO

50,8 38,1 25,4 19,0 12,5 9,5 4,8

2 1½ 1 ¾ ½ 3/8 No. 4

0 3 17 20 30 10 16

% RETENIDO ACUMULAD O 0 3 20 40 70 80 96

4

100

Fondo

% PASA 100 97 80 60 30 20 4 0

Tabla 8.13. Granulometría del agregado grueso del ejemplo 8.1 De donde se tiene que: TM = 50 mm (2”) y TMN = 37,5 mm (1 ½ “) - Masas Unitarias: Masa unitaria compacta: MUC: 1.560 kg/m3 Masa unitaria suelta: MUS: 1.540 kg/m3 - Densidad aparente: 2.470 kg/m3 - Absorción: (Abs.g) 2,5% - Humedad natural: Hg 4% - Origen aluvial: Textura lisa y forma redondeada b. De la arena Granulometría: El ensayo granulométrico muestra los valores enseñados en la Tabla 8.14. De donde se tiene que MF = 3,05 - Masas unitarias: Masa unitaria suelta: MUS Masa unitaria compacta: MUC - Densidad aparente: - Absorción: Abs.f - Porcentaje de arcilla 1 4% - Ensayo calorimétrico No. 2

1.460 kg/m3 1.590 kg/m3 2.540 kg/m3 1.3%

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- Humedad natural Hf 8% - Origen aluvial: Textura lisa y forma redondeada No se requiere el uso de aditivos; el agua a utilizar es del acueducto y el tipo de cemento es Pórtland tipo I con una densidad de 3.100 kg/m3. TAMIZ mm

Pulg.

3/ 9,5 8 4,75 No. 4 2,36 No. 8 1,18 No. 16 600 µm No. 30 300 µm No. 50 150 µm No. 100

Fondo

0 2 8 30 30 15 13

% RETENIDO ACUMULAD O 0 2 10 40 70 85 98

2

100

% RETENIDO

% PASA 100 98 90 60 30 15 2 0

Tabla 8.14. Granulometrías del agregado fino del ejemplo 8.1. 8.5.1.3. Procedimiento de dosificación a. Elección del asentamiento De la Tabla 8.1 se puede elegir el rango de asentamiento entre 5 y 10 cm. Como se trata de un elemento esbelto (no es un muro de gravedad), se requiere de un grado de trabajabilidad medio con tendencias a alto, de tal manera que se puede adoptar un asentamiento de 10 cm. b. Elección del tamaño máximo nominal TMN El TMN limitado por las dimensiones de la estructura se establece en 37,5 mm (1½´´). De acuerdo con la granulometría de la grava disponible, se aprecia que cumple con este requisito. En el caso que fuera mayor habría que hacer una retribución del material. c. Estimación del contenido de aire

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El muro no estará expuesto a ambientes agresivos ni a ciclos de congelamiento y deshielo, por tanto no se requiere del uso de incorporador de aire. En cuanto a la estimación de la cantidad de aire atrapado, de la Tabla 8.2, para un TMN de 37,5 mm (1½“), se tiene una cantidad aproximada de 1,5 %, o sea de 15 litros (0,015 m3/M3). d. Estimación de la cantidad de agua de mezclado (a) De acuerdo con lo expuesto en el numeral 8.4.4., para un TMN de 37,5 mm (1½“), agregados de forma redondeada y textura lisa, asentamiento de 10 cm y concreto sin aire inducido, se tiene: De la Figura 8.3: 171 litros y de la Tabla 8.3: 175 litros. Se adopta este último valor (0,175 m3/m3). e. Elección de la relación agua/cemento (a/c) Se diseña básicamente por resistencia y por durabilidad. No se prevé condiciones de exposición adversas, por tanto primará la resistencia de diseño. Se tienen inconvenientes de tiempo y no se pueden obtener curvas de resistencia vs. relaciones agua/cemento (como se recomienda); por ésta razón se utilizan los valores mostrados en la Figura 8.4, de donde se obtiene que para una resistencia de 280 kg/cm2 y para un concreto sin aire incluido, una relación agua/cemento de 0,47. f. Cálculo del contenido de cemento Con la relación agua/cemento (en peso) elegida y la cantidad de agua, se logra la cantidad (en peso) de cemento por metro cúbico de concreto. r = a/c; r = 0,47, a = 175 kg/M3, entonces: c = (175 kg/M3)/0,47 = 372 kg/M3 El volumen de cemento, por metro cúbico de concreto, será: Vc = (372 kg/M3)/3100 kg/M3 = 0,120 m3/M3 g. Verificación de las especificaciones granulométricas. En la tabla 8.15 se muestra la verificación granulométrica para la grava como para la arena. Puesto que los agregados cumplen con

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las especificaciones granulométricas, se utiliza el método ACI para dosificar la arena y la grava. - Estimación del contenido de grava Para un módulo de finura de la arena de 3,05 y un TMN de 37,5 mm, se obtiene de la Tabla 8.8, un valor de b/bo, de 0,70. De la fórmula 8.2, se tiene que: bo = MUC/dg = (1.560 kg/m3)/(2.470 kg/m3)= 0,632 Por lo que el volumen de grava por metro cúbico de concreto (b), será: b = b/bo x bo = 0,70 x 0,632 = 0,442 m3/M3 - Estimación del contenido de arena El volumen de arena será el complemento a 1 M3 de la suma del volumen de los ingredientes ya encontrados. O sea: El volumen de arena = 1-(0,015 + 0,175 + 0,120 + 0,412) = 0,248 m3/M3. Las cantidades en peso y en volumen, por metro cúbico de concreto, se presentan en forma ordenada en la Tabla 8.16. h. Ajuste por humedad de los agregados. - Pesos húmedos de los agregados: Empleando la fórmula 8.14, se tiene: •

Peso húmedo de la grava:

Mhg = 1.092 (1+0,04) = 1.136kg/M3 • Peso húmedo de la arena: Mhf = 630 (1+0,08) = 680 kg/M3 - Agua en exceso o en defecto Para la grava: Hg = 0,04 Abs.g =

0,025

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Como la humedad es mayor que la absorción significa que la grava tiene agua en exceso o agua libre. Empleando la fórmula 8.11, se tiene: Ag = 1.092 (0,04 - 0,025) = 16,38 kg Para la arena: Hf =

0,08 = Abs.f =

0,013

Significa que también tiene agua en exceso. Af=

630 (0,08 - 0,013) = 42,21 kg

Agua total de exceso (A): A = Ag + Af = 16,38 + 42,21 = 58,6 kg que irán en los agregados De tal manera, que la cantidad de agua a dosificar será de: 175 - 58,6 = 116 kg/M3 i. Ajuste a la mezcla de prueba Suponiendo que en la primera mezcla de prueba se obtuvo un asentamiento de 8 cm y como el deseado es de 10 cm, se debe hacer el respectivo ajuste. • Ajuste del agua de mezclado La mezcla de prueba se elaboró con 20 litros (0,20 m3), de tal forma, que la cantidad en peso de los ingredientes fue de: Agua (añadida) Cemento 7,44 kg Grava (húmeda) 22,72 kg Arena (húmeda) 13,60 kg Peso del material dosificado (W)

2,32 kg

46,08 kg.

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En el cálculo del peso unitario, del concreto fresco (expresión 8.15), se obtuvo un valor de 2.380 kg/M3. Puesto que el rendimiento de la mezcla de prueba fue de: Y = (46,08/2.380) = 0,0194 m3 Y en el contenido neto de agua de mezclado de la mezcla de prueba, fue de: 2,32 kg (agua añadida) + 16,38 x 0,02 kg (por agua libre en la grava) + 58,60 x 0,02 kg (por agua libre en la arena) = 3,82 kg La cantidad neta de agua de mezclado, que se requiere para un metro cúbico de concreto con el mismo asentamiento de la mezcla de prueba, debe ser de: (3,82/0,0194) = 197 kg/M3 Como se anotó anteriormente, esta cantidad se debe incrementar en 2 kg por cada cm de defecto en el asentamiento. Para aumentar el asentamiento de 8 a 10 cm es necesario agregar 4 kg de agua, o sea que requiere de una cantidad total de agua de mezclado de 197 + 4 = 201 kg/M3. • Ajuste de la cantidad de cemento AI aumentar el agua de mezclado es necesario agregar cemento adicional para mantener constante la relación agua/cemento diseñada de 0,47. La cantidad de cemento reajustado, es de: (201/0,47) = 428 kg/m3 • Ajuste de la cantidad de grava Suponiendo que se ha encontrado satisfactoria la trabajabilidad se puede conservar la cantidad de grava por volumen unitario de concreto utilizada en la mezcla de prueba. Así pues, la cantidad de grava por metro cúbico es de: 22,72/0,0194 = 1.171 kg/M3 (húmeda) La cantidad en peso seco, es de: 1.171/1,04 = 1.126 kg/M3. Y la cantidad en peso SSS, es: 1.126 x 1,025 = 1.154 kg/M3 (SSS)

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•

Ajuste de la cantidad de arena

La cantidad requerida de arena se determina por diferencia de pesos, toda vez que se conoce el peso volumétrico del concreto y los pesos del cemento, del agua y de la grava. Peso volumétrico del concreto 2.380 kg/M3 Peso del cemento 428 kg/M3 Peso del agua 201 kg/M3 Peso de la grava (SSS) 1.154 kg/M3 De tal forma que la cantidad de arena es de: 2.380 - (428 + 201 + 1.154) = 597 kg (SSS) en peso seco es: 597/1.013 = 589 kg/M3 Los pesos de la mezcla por metro cúbico de concreto son: Agua neta de mezclado 201 kg/M3 Cemento 428 kg/M3 Grava (seca) 1.126 kg/M3 Arena (seca) 589 kg/m3 TAMIZ

% PASA

Pulg

GRANULOMETR LÍMITE VERIFICACIÓ LÍMITE ÍA A INFERIOR SUPERIOR N COMPARAR

GRAVA 2 1½ 1 ¾ ½ 3/8 No. 4 ARENA 3/ 8 No. 4

100 95 --35 --10 0

100 97 90 60 30 20 4

100 100 --70 --30 5

O.K. O.K. ---. O.K. ---. O.K. O.K.

100 95

100 98

100 100

O.K. O.K.

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No. 8 No. 16 No. 30 No. 50 No. 100

80 50 25 10 2

90 60 30 15 2

100 85 60 30 10

O.K. O.K. O.K. O.K. O.K.

TABLA 8.15 Verificación granulométrica del ejemplo 8.1. DENSIDAD APARENTE (kg/m3) 175 1000 0 0 372 3100 1 092 2470 630 2540 3 2 269 kg/M PESO W (kg/M3)

MATERIAL Agua Aire Cemento Grava Arena Total

VOLUMEN V (m3/M3) 0,175 0,015 0,120 0,442 0,248 1,00 M3

AJUSTES POR HUMEDAD (kg/M3) 116 0 372 1 136 680

TABLA 8.16 Cantidades para 1 m3 de la mezcla del ejemplo 8.1 8.5.2. Ejemplo 8.2 Se necesita elaborar concreto para construir las columnas de un puente que estarán expuestas a agua dulce en un clima severo. El diseño estructural especifica una resistencia a la compresión, a los 28 días de 21 MPa (210 kg/cm2 ó 3.000 psi). Las condiciones de colocación permiten el uso de agregado grande, pero se utilizará el único de calidad satisfactoria y económicamente disponible. 8.5.2.1. Datos de los materiales - Granulometría: el análisis granulométrico, tanto para la grava como para la arena se relaciona en la Tabla 8.17.

% PASA

TAMIZ Mm 25

Pulg. 1

Grava 100

Arena

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19 12,5 9,5 4,75 2,36 1,18 600 300 150 µm

¾ ½ 3/ 8 No. 4 No. 8 No. 16 µm No. 30 µm No. 50 No. 100

95 70 40 12

100 78 65 45 35 25 15

Tabla 8.17 Granulometría de los Agregados del Ejemplo 8.2. grava

arena

Densidad aparente kg/m3

2.420

2.590

Masa unitaria compacta, MUC kg/m3

1.620

1.650

Forma

Angular

Angular

Humedad

3%

5%

Absorción

2,0%

1,0%

b. Del cemento Se utilizará cemento Pórtland tipo I, que tiene una densidad de 3.100 kg/m3. c. Del agua Se empleará agua del acueducto de la localidad. 8.5.2.2. Procedimiento de dosificación a. Elección del asentamiento Las condiciones de colocación y el tipo de estructura, de acuerdo con la tabla 8.1, permiten una mezcla con un grado de trabajabilidad entre pequeño y medio. Para efectos del diseño, se asumirá un asentamiento de 5 cm, buscando obtener una mezcla con una

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adecuada trabajabilidad que no homogeneidad ni de compactación.

presente

problemas

de

b. Elección del TMN El TMN disponible es de 19 mm (3/4”). c. Estimación del contenido de aire De acuerdo con la información preliminar, la estructura estará expuesta a ambientes severos, de manera que es aconsejable el uso de un aditivo incorporador de aire. De la Tabla 8.2, para un TMN de 19 mm (3/4”) y un grado de exposición severo, se tiene un promedio total de aire de 6%, de los cuales aproximadamente el 2%, es aire naturalmente atrapado. d. Estimación de la cantidad de agua de mezclado Como se trata de una mezcla con aire incluido, la cantidad de agua se puede estimar de la Tabla 8.3, obteniéndose luego una cantidad de 165 kg/M3 para un TMN de 19 mm y un asentamiento de 3 a 5 cm. e. Elección de la relación agua/cemento Desde el punto de vista resistencia establecida por el calculista y de acuerdo con la Figura 8.4, la relación agua/cemento necesaria para producir una resistencia de 210 kg/cm2 (3.000 psi) en un concreto con aire incluido, se estima en 0,5. Por su parte, en lo que se refiere a durabilidad, la Tabla 8.6 para estructuras en agua dulce y en clima severo, sugiere que la relación agua/cemento no debería exceder de 0,44. En el anterior orden de análisis, se concluye que el valor a usar para los cálculos será de 0,44. f. Cálculo del contenido de cemento Conocidas la relación agua/cemento y la cantidad de agua de mezclado, el contenido requerido de cemento, será de:

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c = 165/0,44 = 375 kg/M3 Y el volumen que ocupará esta masa de cemento, será: Vc = 375/3.100 = 0,121 m3/M3 g. Verificación de las especificaciones granulométricas Como se puede apreciar en la Tabla 8.18, algunos de los tamaños no cumplen con los rangos granulométricos establecidos, de manera que para poder usar los agregados disponibles se hace necesario optimizar la granulometría mediante el método sugerido por la RNL. TAMIZ

% PASA

Pulg

GRANULOMETR LÍMITE LÍMITE VERIFICACIÓ ÍA A INFERIOR SUPERIOR N COMPARAR

GRAVA 1 ¾ ½ 3/8 No. 4 ARENA 3/ 8 No. 4 No. 8 No. 16 No. 30 No. 50 No. 100 TABLA 8.18 ejemplo 8.2

100 90 --20 0

100 95 70 40 12

100 100 --55 5

O.K. O.K. --O.K. NO

100 95 80 50 25 10 2

100 78 65 45 35 25 15

100 100 100 85 60 30 10

O.K. NO NO NO O.K. O.K. NO

Verificación especificaciones granulométricas de

De la figura 8.7 se observa que la mezcla óptima estará compuesta de 55% de arena y 45% de grava, con la distribución de tamices mostrada en la Tabla 8.19. El volumen de agregados, por metro cúbico en concreto, será de:

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Vagregados = 1- (0,06 + 0,165 + 0.121) = 0,654 m3/M3 De los cuales: Vf = = vg = =

0,654 x 0,55 0,36 m3/M3, estarán ocupados por arena y 0,654 x 0,45 0,29 m3/M3, serán de grava

Para calcular los pesos secos respectivos, se debe conocer la densidad aparente promedio. Como la densidad aparente de la grava (dg = 2.420 kg/m3) difiere muy poco del de la arena (df = 2.590 kg/m3), se puede emplear la expresión 8.7. dprom.

TAMIZ % Pasa

= 0,55 x 2.590 + 0,45 x 2.420 = 2.514 kg/m3 1”

¾”

½”

3/ ” 8

100

97

86

73

No. 4 48

No. 8 36

No. 16 No. 30 No. 50 No. 10 0 25 28 13 8

TABLA 8.19 Granulometría óptima de agregados del ejemplo 8.2. Empleando las expresiones 8.9 y 8.10, respectivamente, se obtiene que los pesos secos de la grava y de la arena, serán de: Wg Wf

= 2.514 x 0,654 x 0,45 = 740 kg/m3 = 2.514 x 0,654 x 0,55 = 904 kg/m3

De esta forma quedan determinados todos los ingredientes de la mezcla, los cuales se aprecian en la Tabla 8.20.

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Figura 8.7 Optimización granulométrica del ejemplo 8.2. h. Ajustes por humedad de los agregados •

•

•

Pesos húmedos de los agregados •

Peso húmedo de la grava: Mhg = 704 (1+0,03) = 762 kg/m3

•

Peso húmedo de la arena: Mhf = 904 (1 +0,05) = 949 kg/m3

Agua en exceso o en defecto •

Para la grava: Aq = 740 (0,03 - 0,02) = 7,4 kg

•

Para la arena: Af = 904 (0,05 - 0,01) = 36,16 kg

• AL = 7,4 + 36,16 = 43, 56 kg La cantidad total de agua de mezclado, será: 165 - 43,56 = 121,44 kg/m3

i. Ajustes a la mezcla de prueba Con las cantidades de los ingredientes calculados anteriormente, se elabora la mezcla de prueba y se mide el asentamiento y el peso

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unitario del concreto fresco. Con estos datos, se pueden realizar los ajustes pertinentes de forma similar al ejemplo anterior. MATERIAL

PESO W (kg/M3)

Agua Aire Cemento Grava Arena Total

165 0 375 740 904 2184 kg/m3

DENSIDAD APARENTE (kg/m3) 1000 0 3100 2420 2590

VOLUMEN V (m3/M3) 0,165 0,060 0,121 0,294 0,360 1,00 M3

AJUSTES POR HUMEDAD (kg/M3) 121 0 375 762 949

TABLA 8.20 Cantidades para 1 M3 de concreto del Ejemplo 8.2. 8.6 DOSIFICACIÓN DE MEZCLAS DE CONCRETO SEGUN LOS CRITERIOS DE LA NSR - 98 Como complemento al método sugerido anteriormente, a continuación se pretende explicar la dosificación establecida en la NSR – 98, que establece una serie de requisitos mínimos de dosificación de los componentes de una mezcla, tendientes a garantizar las características más importantes del concreto como son la manejabilidad, la resistencia a la compresión y la durabilidad, basados en experiencias de obras anteriores, o mezclas de prueba o juntas. Como se sabe, la NSR - 98 actualizó y reemplazó la primera normativa sismo - resistente del país (Decreto 1400/84, Código Colombiano de Construcciones Sismo Resistente), mediante el Decreto 33 del 9 de enero de 1998, y es la que actualmente rige en el territorio colombiano. 8.6.1. Definición de términos Los siguientes definiciones aplican a los términos usados en la NSR: f´c: Resistencia Nominal del Concreto a la Compresión, expresada en MPa. Es la resistencia especificada por el calculista y debe estar

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indicada claramente en cada uno de los elementos que componen la estructura. f ´cr: Resistencia Promedio Requerida del Concreto a la Compresión utilizada como base para dosificar las mezclas, expresada en MPa. S : Desviación estándar, expresada en MPa 8.6.2. Requisitos de dosificación exigidos por la NSR Como se mencionó anteriormente, la NSR - 98 establece que las proporciones de los componentes del concreto se debe hacer para dar manejabilidad y consistencia en estado fresco, y durabilidad y resistencia en estado endurecido. 8.6.2.1. Manejabilidad y consistencia La NSR - 98 no establece un parámetro preciso acerca de esta característica; tan solo menciona que la dosificación debe ser tal que el concreto fluya fácilmente dentro de las formaletas y alrededor del refuerzo, en las condiciones de colocación que se usen, sin segregación ni exudación excesivas. Para efectos prácticos de aplicación, el grado de manejabilidad y consistencia se puede obtener de la tabla 8.1. 8.6.2.2. Tamaño Máximo Nominal TMN En cuanto al TMN, la NSR - 98 establece las mismas limitaciones dadas en la NTC 174 en cuanto a las dimensiones del elemento y la separación entre el acero de refuerzo. La NSR - 98 deja a juicio del supervisor técnico la opción de obviar estas limitaciones, en la medida que los métodos de compactación y la manejabilidad sean tales, que la mezcla pueda ser colocada sin que se produzcan hormigueros (vacíos) o segregación. 8.6.2.3. Resistencia a la compresión

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En lo que respecta a la resistencia a la compresión, la NSR - 98 establece dos alternativas para la dosificación, dependiendo de si se dispone o no de datos de experiencia de obras anteriores o mezclas de prueba. En general, la resistencia promedio requerida, f´cr, será la resistencia nominal del concreto a la compresión, f´c, más un factor de seguridad, fs, cuyo valor dependerá de la cantidad de registros que se dispone y de su desviación estándar, S; es decir: f´cr = f´c + fs

(8.17)

8.6.2.3.1 Dosificación basada en experiencia de obras anteriores, en mezclas de prueba o en ambas Cuando se dispone de registros de ensayos, la resistencia promedio requerida f´cr, debe ser la mayor de las siguientes ecuaciones: f´cr = f´c + 1.34S, MPa f´cr = f´c + 2.33S - 35, MPa

(8.18) (8.19)

De acuerdo con la NSR - 98, la desviación estándar se debe calcular utilizando los registros de ensayos que cumplan lo siguiente: •

Representen los materiales, procedimientos de control de calidad y condiciones similares a las esperadas en la obra y las variaciones permitidas en los registros de ensayos de los materiales y sus proporciones no deben ser más restrictivas que las permitidas en la obra. • Representen un concreto producido para una resistencia o resistencias nominales, f´c, que no difieran en más de 7 MPa de la resistencia nominal especificada para la obra. Consistan de por lo menos 30 ensayos consecutivos, correspondientes cada uno de ellos al promedio de dos cilindros ensayados el mismo día, o de dos grupos de ensayos consecutivos que sumen, en total, al menos 30 ensayos. Se entiende como ensayo de resistencia al resultado del promedio de 2 cilindros tomados de una misma mezcla y ensayados a los 28 días, o a la edad especificada en caso de que sea diferente de 28 días.

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La desviación estándar, S, se calcula por medio de la siguiente expresión: S= √ ∑(x - xi)2/(n - 1)

(8.20)

Donde, S : Desviación estándar, MPa x : Promedio aritmético de los n ensayos de resistencia xi : cada uno de los valores individuales de los ensayos de resistencia. En caso de que no se disponga de registros de ensayos previos que cumplan con el tercer requisito anteriormente relacionado, pero se cuente con registros entre 15 y 29 ensayos consecutivos, la desviación estándar calculada de los datos se debe modificar multiplicándola por el coeficiente de modificación, CM, relacionado en la tabla 8.21. Los ensayos deben corresponder a un solo registro de ensayos consecutivos obtenidos en un periodo mayor de 45 días calendario. Nº de Ensayos Menos de 15 15 20 25 30 o más

CM para la Desviación Estándar Usar Tabla 3 1.16 1.08 1.03 1.00

Tabla 8.21 Coeficiente de modificación (CM) para la desviación estándar cuando hay disponibles menos de 30 ensayos (8.4) Se pueden obtener CM para valores diferentes a los relacionados en la tabla 8.21 haciendo la correspondiente interpolación. Cuando no se dispone de registros de ensayos para calcular la desviación estándar, la resistencia promedio requerida f´cr se determina de acuerdo con lo establecido en la Tabla 8.22. f´c (MPa) Menos de 21 MPa

f´cr (MPa) f´c + 7 Mpa

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de 21MPa a 35MPa f´c + 8.5 MPa más de 35 Mpa f´c + 10 MPa Tabla 8.22 Cálculo de f´cr cuando no hay datos que permitan calcular S 8.6.2.3.2 Dosificación sin experiencia en obras anteriores o mezclas de prueba Cuando no se dispone de datos, la NSR - 98 establece que la dosificación se puede realizar usando otra información o experiencias, siempre y cuando lo apruebe el supervisor técnico. Cuando se opta por ésta alternativa, la resistencia máxima para la cual se puede dosificar es de 28 MPa, y el f´cr debe ser de f´c + 8.5 MPa, producido con materiales similares a los que se van a emplear en la obra. 8.6.2.3.3 Reducción de la resistencia promedio Como se puede apreciar en lo anteriormente expuesto, el factor de seguridad es más riguroso en la medida que se disponga de menos datos, afectando de manera directa el costo de la mezcla. No obstante, conforme se vayan consiguiendo datos, la NSR - 98 da la opción de efectuar una reducción de f´cr cuando se tengan las siguientes condiciones: • • •

Haya más de 30 ensayos y su promedio exceda el requerido en el primer párrafo del numeral 8.6.2.3.1, o Haya entre 15 y 29 ensayos y su promedio exceda el requerido en el caso de que no se disponga de registros de ensayos previos, y Se cumplen las condiciones de durabilidad de la estructura.

8.7 Durabilidad La NSR – 98 también establece que en el diseño de la mezcla deba ser tenido en cuenta el criterio de la durabilidad. Es así como le destinó al tema un capítulo aparte.

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Aún cuando existen muchas acciones que pueden afectar las características del concreto durante su servicio, los requisitos establecidos por la NSR - 98 se centra básicamente en la relación agua - material cementante, exposición a ambiente húmedo o marino, exposición a sulfatos y corrosión del refuerzo. 8.8. Relación agua - material cementante La relación agua - material cementante es el resultado de dividir el peso del agua de mezcla y el peso del material cementante usados en una mezcla de concreto. El material cementante se refiere a la suma del peso del cemento que cumple con las normas NTC 121, NTC 321, ASTM C 150, o ASTM C595 y el peso de las cenizas volantes u otras puzolanas que cumplan con la normas NTC 3493 (ASTM C 618), la escoria siderúrgica que cumpla con la NTC 4018 (ASTM C 898) y el humo de sílice (microsílica) que cumpla con al norma ASTM C 1240, en caso de utilizarse cualesquiera de estas adiciones durante la dosificación de los materiales aparte de las contenidas directamente en el cemento. La NSR – 98 refrenda que cuando se prevean condiciones de exposición severas, la relación agua - material cementante se debe mantener baja así se estén cumpliendo los requisitos de resistencia; para el efecto, establece los valores máximos de relación agua material cementante dados en la tabla 8.23 para diversas condiciones de exposición, y que a su vez cumplan con resistencias mínimas a la compresión. 8.9 Durabilidad 8.9.1 Concretos expuestos congelamiento

a

productos

que

impidan

el

En ciertas ocasiones los concretos pueden estar expuestos a productos químicos que impidan el congelamiento; en tales casos, la norma establece unos contenidos máximos de cenizas volantes u otras puzolanas, humo de sílice, o escoria, que pueden estar presentes en el concreto (tabla 8.24). Vale la pena resaltar que en Colombia es muy difícil encontrar esta situación, pues la climatología del medio no

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tiene estaciones tan marcadas para que se presente este fenómeno, a menos que se vaya a hacer una construcción en un nevado o lugar similar. Condiciones exposición

de Máxima relación agua material cementante, por peso, para concretos de peso normal Concreto de baja 0.5 permeabilidad para ser expuesto al agua Concreto expuesto a 0.45 ciclos de congelamiento y descongelamiento en una condición húmeda o a químicos que impidan el congelamiento Para la protección 0.40 contra la corrosión del refuerzo del concreto expuesto a cloruros, sal, agua salina, o que puede ser salpicado por agua salina.

Resistencia mínima a la compresión, f´c, MPa 240

31

35

Tabla 8.23 Requisitos para condiciones especiales de exposición (8.4) Material cementante

Porcentaje máximo del total de materiales cementantes, por peso Cenizas volantes u otras puzolanas 25 % que cumplan con la NTC 3493 (ASTM C 618) Escoria que cumpla la NTC 4018 50 % (ASTM C 989) Humo de sílice que cumpla la 10 % ASTM C1240 Total de cenizas volantes u otras 50 % puzolanas, escoria y humo de

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sílice. Total de cenizas volantes u otras 35 % puzolanas, y humo de sílice Tabla 8.24 Requisitos para concretos expuestos a químicos que impidan el congelamiento (8.4) De la tabla 8.24 se precisa lo siguiente: •

•

El contenido total de materiales cementantes también incluye cementos fabricados bajo las normas NTC 121, NTC 321, ASTM C 150, ASTM C 595 y ASTM C 845. El porcentaje máximo dado incluye las cenizas volantes y otras puzolanas, escorias, y el humo de sílice presente en los cementos. Las cenizas volantes u otras puzolanas, no deben constituir más del 25% del peso total del material cementante, ni el humo de sílice más del 10%.

8.9.2 Exposición a ambiente húmedo o marino La NSR - 98 establece específicamente que el concreto que va a estar expuesto a ciclos de congelamiento y descongelamiento o a químicos que impidan el congelamiento, deben tener aire incorporado en cantidades que dependen del TMN, tal como se especifica en la tabla 8.25. La finalidad de incorporarle aire al concreto es la de restarle permeabilidad al concreto y con ello evitarle daños a la estructura. Tamaño máximo nominal del agregado, mm 9,5 (3/8”) 12,7 ( 1/2”) 19,1 (3/4”) 25,4 (1”) 38,1 (1-1/2”) 50,8 (2”) 76,2 (3”)

Contenido de aire para exposición severa (%) 7,5 7,0 6,0 6,0 5,5 5,0 4,5

Contenido de aire para exposición moderada, (%) 6,5 5,5 5,0 4,5 4,5 4,0 3,5

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Tabla 8.25 Contenido total de aire para concreto con aire incorporado (8.4) De la tabla 8.25 es conveniente aclarar: • El contenido total de aire es el atrapado naturalmente durante el proceso de colocación del concreto dentro de las formaletas (aproximadamente el 3%) más el incorporado intencionalmente. La suma de los dos es el valor que aparece en la tabla. • La tolerancia en el contenido de aire es de ± 1,5% • Para resistencias nominales a la compresión, f´c, mayores de 35 MPa, los contenidos de aire enseñados en la tabla se pueden reducir hasta en 1%. • Para la medición del contenido de aire, las partículas de agregado iguales o superiores a 37.5 mm, se deben retirar manualmente o por tamizado. 8.9.3 Exposición a sulfatos Cuando se prevea que el concreto estará sometido a la acción de sulfatos como lo son zonas costeras, suelos con presencia de yesos o aguas sulfatadas, la NSR - 98 establece que debe cumplir con los requerimientos dados en la tabla 8.26, o elaborarse con un cemento resistente a los sulfatos y con una relación agua - material cementante que no exceda el valor máximo indicado, además de cumplir con la resistencia a la compresión dada en la tabla. Exposición al sulfato

Sulfatos solubles al agua (SO4) en el suelo, % en peso

Sulfatos Tipo de Relació (SO4)en el cemento n agua agua, en material ppm* cement ante máxima por peso Despreciabl 0,00 a 0,10 0 a 150 e Moderada 0,10 a 0,20 150 a 1500 2 0,50 Severa 0,20 a 2,00 1500 a 5 0,45 10000

Resisten cia mínima a la compre sión, f´c, en MPa 28 32

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Muy severa más de más de 5 con 0,45 32 2,00 10000 puzolanas Tabla 26. Requisitos para concreto expuesto a soluciones que contengan sulfatos (8.4) * ppm: partes por millón. 1 ppm

1 mg/lt

De la tabla 8.26 se debe tener en cuenta: • • •

El requerimiento de agua - material cementante puede ser menor por requisitos de baja permeabilidad o para protección contra la corrosión. Se considera una exposición moderada el agua marina. Las puzolanas a utilizar con el cemento Tipo 5, son aquellas que hayan demostrado que mejoran la resistencia del concreto a los sulfatos, bien sea por ensayos o por buen desempeño en condiciones de servicio.

8.9.4 Corrosión del refuerzo Para efectos de protección del acero de refuerzo embebido en el concreto, la NSR - 98 exige básicamente dos aspectos: • Limitar las concentraciones de ion cloruro • Dar recubrimientos mínimos a las varillas de refuerzo La Norma establece los límites máximos mostrados en la tabla 8.27, de concentraciones de ion cloruro soluble en agua, correspondiente al aporte hecho por cada uno de los componentes (agua, material cementante, agregados y aditivos químicos), medidos en el concreto endurecido a edades comprendidas entre 28 y 42 días. El procedimiento para determinar el contenido de ion cloruro soluble en agua lo establece la NTC 4049.

Tipo de elemento

Máximo contenido de ion cloruro en el concreto, expresado como % del peso de cemento Concreto preesforzado 0,06 Concreto reforzado expuesto al 0,15 cloruro en servicio

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Concreto reforzado que estará 1,00 seco o protegido de la humedad en servicio Otros tipos de construcción en 0,30 concreto reforzado Tabla 8.27 Contenidos máximos de ion cloruro, para protección contra la corrosión (8.4) Los valores de recubrimiento del refuerzo mínimos los especifica la NSR en la sección 7.7 del capítulo C.

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS 8.1. ACI 318. Código de las Construcciones de Concreto Reforzado, Medellín, ICPC, 1978. 8.2. AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. Concrete and Mineral Agregates Part. 4, Easton, ASTM, 1982. 8.3. ARANGO, Jesús M. Método Práctico para Dosificar Mezclas de Concreto, Notas Técnicas No. 12, ICPC, Medellín, 1975. 8.4. ASOCIACION COLOMBIANA DE INGENIERÍA SÍSMICA. Normas Colombianas de Diseño y Construcción Sismo Resistente, Ley 400 de 1997 y Decreto 33 de 1998, Bogotá 1998. 8.5. GARCIA, J. F. Método para la Dosificación de Hormigones. Publicaciones Técnicas del Instituto del Cemento Pórtland Argentino, Buenos Aires, 1981. 8.6. HIGUITA, J. Diseño de Mezclas de Concreto. Ed. Argra Bogotá, 1951. 8.7. INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TÉCNICAS. Normas Técnicas Colombianas para la Construcción. Bogotá, ICONTEC, 2002 (NTC 174).

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8.8. INSTITUTO COLOMBIANO DE PRODUCTORES DE CEMENTO y SOLINGRAL. Manual de Dosificación de Mezclas de Concreto. Medellín, ICPC, 1979. 8.9. IMCYC. Control de Calidad de Concreto Fresco, Revista IMCYC, Vol. 19, México 1981. 8.10. INSTITUTO MEXICANO DEL CEMENTO Y DEL CONCRETO. Práctica Recomendable para Dosificar Concreto Normal y Pesado. México, IMCYC, 1980. 8.11. MATALLANA, R. y LADINO, J. Granulometrías Óptimas para Máximas Resistencias en el Concreto de Peso Normal. Universidad Militar, Bogotá, 1985. 8.12 AMERICAN CONCRETE INSTITUTE – ACI 211.1.91. Standard Practice for Selecting Proportions for Normal, Heavyweight, and Mass Concrete. Detroit, Mich., 2001 8.13 SANDINO, A. Materiales para Colombiana de Ingeniería, 1981.

Estructuras.

Bogotá, Escuela

8.14 INSTITUTO COLOMIANO DE PRODUCTORES DE CEMENTO. Método Práctico para dosificar Mezclas de Concreto. Nota Técnica 4 – 12 – 115. Medellín, 1982.

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9. PRODUCCIÓN Y MANEJO DEL CONCRETO 9.1. ALCANCE En el Capítulo inmediatamente anterior, quedó claro que para lograr un concreto con las características requeridas es necesario una correcta combinación de sus ingredientes, y que para ello se deben conocer muy bien las características de la estructura, las condiciones a que estará expuesta y las propiedades de los materiales disponibles para elaborar la mezcla. Además de la acertada combinación de los materiales, se deben tener en cuenta otra serie de procesos subsecuentes que también juegan un papel importante en el proceso de elaboración de la estructura de concreto y que es precisamente objeto de estudio de éste capítulo. Los procesos a que se hace referencia, son: la dosificación, el mezclado, el transporte, la colocación, la consolidación y el terminado. Entre los temas tratados, figuran: recomendaciones sobre manejo y almacenamiento de los materiales, plantas de elaboración, dosificación de los ingredientes, equipos de dosificación, tolerancias de dosificación, sistemas de plantas dosificadoras, alimentación a los dosificadores, tipos de mezcladoras, capacidad y mantenimiento de las mezcladoras, orden de llenado a la mezcladora, tiempo de mezclado, sistemas de mezclado, transporte y manejo del concreto, preparación de formaletas y control previo a la colocación, métodos de colocación, y métodos de compactación. 9.2. GENERALIDADES Los procesos de elaboración, entrega y consolidación del concreto, se pueden realizar de diferentes maneras; sin embargo, cualquiera que sea la utilizada, sigue siempre el mismo esquema básico: dosificación, mezcla, transporte, colocación y compactación. Un proceso previo a la elaboración lo constituye el manejo y el almacenamiento de los materiales componentes del concreto como son los agregados, el cemento, el agua y los aditivos. La elaboración propiamente dicha consta a la vez de dos procesos: la dosificación y

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el mezclado de los materiales. El transporte, paso intermedio entre la elaboración y entrega de la mezcla, involucra una actividad adicional, el manejo. La colocación, la compactación y el acabado son los procesos mediante los cuales se realiza la fabricación del elemento o estructura. El manejo y almacenamiento de los materiales es una actividad muy importante que se le debe prestar la atención que merece, puesto que de nada sirve que se reciban en el sitio de elaboración materiales con buenas características, si éstas son alteradas por un manejo inadecuado o un almacenamiento deficiente. El proceso de dosificación consiste en la medida de las cantidades de los materiales, así como la introducción al equipo mezclador; mientras que el mezclado es el proceso de revoltura que busca lograr un producto uniforme. La elaboración de un concreto de calidad exige disponer de instalaciones bien equipadas, controladas y mantenidas. Existe una gran variedad de técnicas para realizar las operaciones de transporte y colocación del concreto; no obstante, cualquiera que se sea el método y el equipo que se utilicen, resultarán adecuados en la medida que conserven la calidad de la mezcla, en especial a lo que se refiere a la relación agua/cemento, consistencia, contenido de aire y homogeneidad. Adicionalmente, la buena organización de la obra también cuenta para el éxito de esta actividad, previendo suficiente capacidad de equipos para el transporte y la colocación, de modo tal que el concreto se pueda mantener plástico para que no se formen juntas frías mientras se coloca. La compactación busca que el concreto adquiera la máxima densidad en todos los puntos y cubra totalmente el acero de refuerzo, de modo que se logre una buena resistencia a los esfuerzos mecánicos, se adquiera la adherencia suficiente entre el acero y el concreto y que la armadura quede protegida. La operación de terminado tiene como objeto darle al concreto la apariencia requerida, en especial a aquellas estructuras que quedan a la vista.

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9.3. ELABORACIÓN DEL CONCRETO 9.3.1. RECOMENDACIONES SOBRE MANEJO Y ALMACENAMIENTO DE LOS MATERIALES Se puede decir que el proceso de elaboración del concreto se inicia con la recepción de cada uno de los materiales componentes. Estos se deben almacenar luego de comprobar los datos de remisión, buscando posibles alteraciones, faltantes o contaminación. Los criterios de manejo y almacenamiento se hacen de acuerdo con las características y volúmenes de los materiales, buscando siempre no alterar sus propiedades. Las siguientes son algunas de las recomendaciones generales de manejo y almacenamiento para cada uno de los materiales componentes del concreto. 9.3.1.1. Cemento Cuando el cemento llega al sitio donde se va emplear, aconsejable disponer de un lugar sitio adecuado para almacenamiento hasta el momento de la dosificación, con el fin prevenir la hidratación y el envejecimiento. Para ello se sugieren siguientes medidas:

es su de las

a. Cemento empacado en bolsas: •

Se deben tener bodegas cerradas, sin filtraciones en las paredes, con techos que tengan pendientes suficientes que permitan la evacuación del agua lluvia, cubiertas que garanticen impermeabilidad y aleros de unos 80 cm (ver Figura 9.1). Para obras de cierta duración en ambientes húmedos, es conveniente que las paredes sean dobles.

•

El piso puede ser de tablones y estar separado del suelo natural por lo menos 20 cm para evitar el paso de la humedad a las bolsas de cemento.

•

Las bolsas se pueden apilar en columnas de hasta 12 unidades, manteniéndose juntas entre ellas y evitando que queden en contacto con las paredes exteriores. Cuando se prevea un tiempo de almacenamiento superior a dos meses, es aconsejable formar pilas de no más de siete bultos y cubrirlas con lonas impermeables.

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Figura 9.1 • •

El cemento se debe emplear cronológicamente por orden de llegada de acuerdo con el sistema FIFO (first in first out), es decir, lo primero que entra es lo primero que sale.

•

Inmediatamente antes de dosificar el cemento, es recomendable hacerle una inspección observando la eventual existencia de grumos y verificar la resistencia que oponen a la presión cuando se colocan entre los dedos índice y pulgar, de tal manera que si se deshacen fácilmente no existe riesgo de utilizarlo, pero si presenta cierta resistencia significa que el cemento posiblemente se ha hidratado parcialmente, por lo que se recomienda hacerle un examen previo de laboratorio.

• b. Cemento a granel: •

El almacenaje del cemento a granel normalmente se hace en silos metálicos. Para el empleo simultáneo de diversas clases de cementos se debe disponer de varios silos.

•

Por lo común el cemento se traslada por gravedad o por medio de tornillos sin fin desde el silo hasta la báscula de dosificación, de tal

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suerte que cuando se dispone de varios silos es preciso disponer de conexiones separadas. •

El interior de los silos debe ser liso. Para el caso de un silo circular, debe tener una inclinación mínima de 50 grados respecto de la horizontal; y para un silo rectangular, la inclinación debe estar entre 55 y 60 grados.

•

Se debe cuidar de que los silos no tengan orificios por donde pueda penetrar humedad y formar costras de cemento endurecido en el interior, que al desprenderse pueda bloquear el sistema de dosificación y dañar el equipo para el mezclado. Para evitar este problema es recomendable vaciarlos con frecuencia (de preferencia una vez al mes) y hacerle mantenimiento.

•

Dado que el descargue del cemento se hace neumáticamente mediante un compresor, el silo debe tener un filtro de mangas que permita la salida del aire y evite la salida de cemento. El filtro se debe limpiar con cierta frecuencia para evitar que se tape.

•

La capacidad del silo debe ser como mínimo de 50 toneladas, teniendo en cuenta que los contenedores transportan alrededor de 30 toneladas y que la planta no se puede desabastecer.

9.3.1.2. Agregados Una producción técnica de agregados asegura en gran medida que a la planta o a la obra llegan agregados idóneos. Sin embargo, las operaciones de manejo y de almacenamiento pueden afectar propiedades tan importantes como la gradación, la uniformidad del contenido de la humedad la limpieza y la forma. Las siguientes recomendaciones pueden resultar apropiadas. a. Situar el depósito de almacenamiento lo más próximo posible a la planta de dosificación para evitar un transporte interno excesivo; un traslado continuo puede producir fragmentación alterando la granulometría. b. Almacenar por separado los agregados de diferente tamaño para evitar la segregación. Aunque lo ideal es tener las partículas agrupadas por cada tamaño en particular, esto por lo general no es práctico ni económico, por lo que se acostumbra a separarlos sólo en dos grupos: Arena y grava. En las plantas de producción de concreto

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industrial, es factible lograr el almacenamiento en varios tamaños, especialmente de la grava. c. Evitar montones de forma cónica puesto que tienden a segregar el material; se aconseja formar capas horizontales con taludes 3:1 (horizontal - vertical). d. Proteger la arena seca del viento para evitar la segregación y la pérdida de material fino. e. Cuando es necesario trasladar los agregados, se recomienda utilizar un cargador frontal procurando no arrastrarlos, como es el caso del traslado con buldocer. f. Evitar el tránsito de camiones y cargadores sobre las pilas de agregados, toda vez que ocasionan rotura y contaminación de los granos. g. Cuando el almacenamiento se haga en tolvas, procurar que éstas tengan la menor sección transversal posible y sus paredes de fondo dispongan de una pendiente superior a los 50 grados con la horizontal para facilitar su manejo. h. Dejar drenar la arena por lo menos 24 horas (ojalá 48 horas), para que adquiera un contenido uniforme de humedad. i. Regar los caminos próximos a las pilas para evitar el levantamiento de polvo (arcilla y limo), el cual los contamina de material fino. j. No es recomendable que los agregados caigan libremente desde una altura superior a 1 m, pues se segregan y se pueden fracturar. k. En cuanto sea posible, realizar el almacenamiento en patios especiales que tengan las siguientes características: •

El piso sea duro, de preferencia de concreto o suelo-cemento.

•

Disponga de muros divisorios para evitar mezclas entre las pilas de diferente granulometría.

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•

Disponga de un drenaje apropiado para lograr una humedad uniforme en las pilas (especialmente en las de la arena).

•

El diseño del patio debe ser tal que permita utilizar el material por el sistema FIFO.

•

El suelo debe estar limpio, libre de vegetales, polvo, materia orgánica, partículas deleznables y cualquier otro elemento que lo pueda contaminar.

En la Figura 9.2., se presentan en forma esquemática algunos aspectos relacionados con lo anteriormente anotado, de acuerdo con las recomendaciones dadas por el ACI. 9.3.1.3. Aditivos AI igual que el cemento y los agregados, los aditivos también requieren de manejo y almacenamiento especial para que sus propiedades no se vean afectadas adversamente. Para el efecto, el Comité ACI 212 proporciona algunas recomendaciones que se resumen a continuación. a. Almacenarlos en bodegas cerradas y mantenerlos siempre en su envase original, protegidos de la humedad y de las temperaturas extremas para evitar su deterioro y precipitación de sus componentes. b. Mantener las partidas con las fechas; también es conveniente requerir de los fabricantes indicaciones sobre duración o disminución de su efecto por almacenamiento prolongado. c. Almacenar los aditivos líquidos en tambores o tanques herméticos y protegidos de las bajas temperaturas. Proveer a los tanques de un sistema de paletas o de cualquier otro que proporcione agitación o mezcla al material, de modo que mantenga los sólidos en suspensión y asegure homogeneidad en todo momento. d. Los requisitos para el manejo y almacenamiento de aditivos en polvo, deben ser los mismos que el de los cementos. e. Cuando los aditivos en polvo requieren ser disueltos, los tambores o tanques donde se almacenan también deben disponer de un sistema de agitación.

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Figura 9.2 Consejos Prácticos del Manejo de Agregados. (9.1) f. Dado que el color de algunos aditivos minerales finamente divididos es muy similar al del cemento, su manejo y almacenamiento a granel obliga a marcarlos para evitar errores de entregas y mal uso.

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g. Cuando se utilizan tolvas divididas para los aditivos minerales a granel y el cemento, es necesario tomar precauciones en el diseño, construcción y uso, para evitar la contaminación entre los compartimientos. 9.3.1.4. Agua Puesto que el agua que se utiliza para la elaboración de concreto normalmente procede del acueducto, su manejo y almacenamiento no presenta ningún problema. Sin embargo, en ocasiones es necesario disponer en la planta de tanques o depósitos para efectos de almacenamiento y suministro. En tales casos los tanques deben estar debidamente diseñados, construidos y protegidos para evitar que el agua se contamine e influya de manera adversa en las propiedades del concreto. Las siguientes son algunas consideraciones básicas sobre los tanques o depósitos. a. En general, deben tener las mismas características de los tanques de almacenamiento y suministro de agua para consumo humano. b. Los tanques pueden estar enterrados, semienterrados o elevados y estar construidos de acero, concreto o fibrocemento. c. Deben estar dotados y localizados de tal manera que el suministro se efectúe de manera efectiva. d. Como los requerimientos del agua en la planta son básicamente para el mezclado, el lavado de los agregados y el lavado del equipo, la capacidad del tanque debe ser suficiente. 9.3.2. PLANTAS DE ELABORACIÓN En general, las plantas de elaboración o producción de concreto pueden ser de tres tipos, a saber: horizontal, radial o estrella y torre. Éstas a su vez, pueden ser tan sólo dosificadoras o bien dosificadoras y mezcladoras (ver Figura 9.3.). Las plantas para la elaboración de concreto se distinguen por diversas soluciones constructivas dadas para el transporte de materiales dentro de la instalación. La principal diferencia radica la forma como se almacenan los agregados y la manera trasladarlos al equipo dosificador.

las los en de

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Figura 9.3 (9.8) 9.3.2.1. Planta tipo horizontal La planta tipo horizontal se caracteriza porque los agregados se manejan con bandas transportadoras colocadas en forma horizontal o ligeramente inclinadas desde una tolva receptora hasta los silos de almacenamiento, los cuales a su vez alimentan los dosificadores (ver Figura 9.4.). Estas plantas se utilizan cuando la distancia desde las canteras es corta y las volquetas de transporte pueden descargar directamente en los silos sin requerir de transporte interno. Cuando se prevén condiciones de mercadeo y de producción alta, haciendo que la instalación sea a largo plazo, los silos se construyen por obra civil; por el contrario, si se tiene una instalación a corto plazo, con capacidad de almacenamiento y producción intermedia, los silos pueden ser metálicos. Estas plantas son muy versátiles y normalmente son móviles.

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9.3.2.2. Planta tipo radial o estrella Este tipo de planta se caracteriza porque el almacenamiento de agregados se efectúa por tamaños separados por medio de tabiques o muros dirigidos hacia un bastidor central (Figura 9.5). Durante el proceso los agregados son descargados al extremo de los tabiques, por las volquetas, siendo arrastrados hacia el centro del bastidor por una draga; desde allí y por gravedad, los agregados van a tolvas pesadoras a través de compuertas. En este tipo, el suministro de agregados se realiza desde la cantera hasta la planta en forma continua, sin que se requiera de patio adicional de almacenamiento ni de tolva receptora. Al igual que la planta horizontal, éste tipo de planta puede ser fija o móvil. Para proyectos de corta duración los tabiques de los compartimientos de la estrella son de madera y los perfiles son metálicos, siendo de éste modo recuperable. Cuando se trata de instalaciones a largo plazo las construcciones se hacen por obra civil, lo cual puede requerir de un costo inicial más alto de establecimiento.

Figura 9.4 (9.10)

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Figura 9.5 (9.10) 9.3.2.3. Planta tipo torre La planta tipo torre se caracteriza porque los materiales son conducidos a la báscula de dosificación por medio de elevadores de cangilones verticales en forma de torre (Figura 9.6). El proceso de cargue de los agregados se lleva a cabo alimentando una tolva receptora por medio de un cargador frontal, de donde es recibido por una serie de cangilones en la parte inferior del elevador que la descarga en la parte alta por gravedad a unos silos de almacenamiento que a su vez alimentan a los dosificadores. Las plantas tipo torre, por sus características, requieren de instalaciones definitivas, lo cual sugiere unos costos de instalación más elevados. Por ello se ubican en zonas donde se prevea alta demanda y en forma continua. La autonomía de ésta planta depende de su capacidad de almacenaje en la parte superior así como en los patios de almacenamiento. 9.3.3. DOSIFICACIÓN La dosificación la define la NTC 3318 como la acción de medir por masa o por volumen cada uno de los materiales componentes para producir una bachada de concreto. Por su parte, bachada la define

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como el volumen total de concreto o mortero contenido en el recipiente de mezcla y que es mezclado a un mismo tiempo. Para producir un concreto de calidad uniforme, los ingredientes deben ser medidos lo más exacto posible para cada mezclada. Tal como se anotó en el estudio de diseño de mezclas, las cantidades componentes del concreto están dadas en peso y en volumen; sin embargo la mayoría de especificaciones establecen la dosificación por peso para tener en cuenta la humedad de los agregados, tal como se estudió anteriormente. Aunque el agua y los aditivos líquidos pueden ser dosificados por peso o por volumen, se recomienda que su medida sea por peso para una mayor exactitud. La dosificación del cemento debe realizarse por peso.

Figura 9.6 (9.13)

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9.3.3.1. Equipo de dosificación Un sistema de dosificación consta básicamente de silos de almacenamiento y de tolvas pesadoras, tal como se indica en la Figura 9.7.

Figura 9.7 (9.3) Los silos de la planta dosificadora almacenan de forma separada los diversos materiales, de modo que la medición de las cantidades se realiza individualmente. Además los silos tienen un tamaño proporcionado que permiten alimentar eficazmente la capacidad productora de la planta. Las tolvas pesadoras se alimentan mediante cajones de concha de almeja o por un sistema de alimentación radial, como es el caso de las plantas tipo estrella. Están provistas de compuertas, que en el caso de dosificadores semiautomáticos o automáticos, tienen un apropiado control de “goteo”, lo cual garantiza un pesaje más exacto. De otra parte, las tolvas pesadoras disponen de un sistema de acceso que garantiza la toma de muestras. El sistema de dosificación está diseñado y construido de tal manera que la uniformidad del concreto no se afecta por la disposición de las tolvas de abastecimiento y de las básculas dosificadoras. En la Figura 9.8, extractada del ACI, se muestran algunas recomendaciones prácticas sobre el tema.

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9.3.3.2. Tolerancias de dosificación La tolerancia en la dosificación de los materiales debe ser tal que permita la elaboración del concreto con la calidad requerida. La mayoría de especificaciones establecen que los materiales deben ser medidos en dosificadores individuales, dentro de ciertas tolerancias. En el caso colombiano, la NTC 3318, que establece las especificaciones para el concreto premezclado, estipula que los materiales se deben medir dentro de los siguientes rangos de precisión del peso requerido: •

• • • •

Agua (medida en masa o por volumen): el agua total, incluyendo cualquier agua de lavado, se debe medir o pesar con una precisión de ± 3% de la cantidad total requerida. Cuando se dosifique agua en hielo, se debe hacer en masa. Cemento: se debe medir en masa con una precisión de ± 1% (ver tabla 1). Agregados: depende si se miden en una báscula de masa individual o en básculas de masa acumulada (ver tabla 9.1). Aire: Cuando el concreto requiere de aire incorporado, debe estar dentro de una tolerancia de aproximadamente 1,5% del valor especificado. Aditivos: • Los aditivos en polvo se deben medir en masa con una precisión de ± 3%. • Los aditivos líquidos o en pasta se pueden dosificar en masa o por volumen, con una precisión de ± 3%.

Actualmente los equipos de dosificación son muy exactos y operan dentro de las tolerancias de peso de carga especificados. No obstante, se recomienda un adecuado mantenimiento del equipo, realizando con la frecuencia sugerida por el fabricante la comprobación y limpieza, especialmente de las básculas. 9.3.3.3. Sistemas de plantas dosificadoras En general, los equipos de dosificación se clasifican en tres categorías: Manual, semiautomático y totalmente automático. Las plantas manuales se utilizan para trabajos pequeños con una producción

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menor de 240 m3, a razón de 15 m3/hora; pero la tendencia es la de automatizar las operaciones. En el sistema de dosificación semiautomático, las compuertas de las tolvas de los agregados para cargar las tolvas pesadoras se operan manualmente mediante interruptores de presión, que se cierran automáticamente cuando el peso estipulado del material ha sido medido. El sistema cuenta con interruptores que impiden que la carga y la descarga de la dosificadora ocurra simultáneamente; o sea que cuando la tolva pesadora se está cargando, el sistema no puede ser descargado y viceversa. En el sistema de dosificación automática todos los materiales se manejan electrónicamente por medio de un panel de control de mando. Algunas incluso tienen sistematizado el diseño de mezcla. Las plantas dosificadoras automáticas tienen selectores para el volumen de la mezcla y de dosificación, medidores de humedad del agregado fino, compensadores de humedad del agregado y dispositivos gráficos o digitales para registrar el peso de cada material para la mezcla.

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Figura 9.8 Métodos Correctos e Incorrectos de Dosificación. (9.12)

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PESOS DE CARGA MAYORES QUE EL 30% DE LA CAPACIDAD DE LA INGREDIENTES BÁSCULA MEZCLA MEZCLAD DO O INDIVIDU ACUMULA AL DO 1 % y 0,3 % de la Cemento y capacidad de la otros materiales báscula, el que sea cementantes mayor

PESOS DE CARGA MENORES QUE EL 30% DE LA CAPACIDAD DE LA BÁSCULA MEZCLA DO MEZCLADO INDIVIDU ACUMULADO AL No menor que el peso requerido, ni más que el 4 % del peso requerido

Agua (por volumen o +1 peso), en porcentaje

No recomend + 1 ado

Agregados porcentaje

+1

en

+2

Aditivos (por volumen o +3 peso) en porcentaje

+2

No recomendado + 0,3 % de la capacidad de la báscula + 0,3 % del peso acumulado, el que sea menor

No recomend + 3 ado

Tabla 9.1 Porcentajes de exactitud típicos de dosificación (9. 1) 9.3.3.4. Alimentación a los sistemas de dosificación El proceso de alimentación a las básculas se realiza de acuerdo con el material a dosificar y de la forma como se encuentre almacenado. En el caso del cemento almacenado a granel, el traslado se puede efectuar por dos métodos: por gravedad o por tornillo sin fin. El primero se utiliza cuando el silo de almacenamiento se encuentra por encima de la báscula y el cemento cae directamente a ésta por gravedad a través de un mecanismo de cierre. El segundo se emplea cuando el silo de almacenamiento está por debajo o a la misma altura de la báscula.

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El tornillo sin fin consiste en un tubo, dentro del cual va un sistema helicoidal que empuja con sus roscas el cemento desde el silo hasta la báscula. El suministro del agua generalmente procede directamente del acueducto. Se realiza por medio de una tubería provista de un contador automático con el que se asegura una dosificada exacta. Cuando el agua se alimenta desde un tanque construido en la planta, el suministro se efectúa mediante una bomba a través de un sistema electromecánico que corta instantáneamente el suministro cuando se mide la cantidad establecida. Los aditivos líquidos se trasladan desde el tanque de almacenamiento hasta el dosificador de agua (o directamente a la mezcladora) mediante una bomba. Cuando se emplean surtidores controlados por reloj, se hace una comprobación al ojo, mediante tubos de inspección visual. El traslado de los agregados a los sistemas de dosificación se realiza de la manera descrita en el numeral 9.3.2. 9.3.4. MEZCLADO El proceso de mezclado consiste en cubrir la superficie de todas las partículas del agregado con pasta de cemento y hacer una masa uniforme. Para la obtención de un concreto uniforme es esencial un mezclado completo, razón por la cual, el equipo y los métodos empleados deben estar en capacidad de mezclar eficazmente los materiales. Un método para comprobar si el concreto está bien mezclado consiste en tomar muestras de diferentes porciones de una bachada. Si estas porciones tienen esencialmente el mismo peso unitario, contenido de aire, asentamiento y contenido de agregado grueso, entonces se tiene una masa uniforme. La Norma NTC 3318 considera en su anexo que el concreto es uniforme dentro de los límites de la norma cuando cumple con cinco de los seis ensayos relacionados en la tabla 9.2.

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9.3.4.1. Tipos de mezcladoras La clasificación general de las mezcladoras comúnmente usadas se muestra en la Figura 9.9, descritas a continuación. a. Mezcladora de caída libre. La mezcladora de caída libre o de mezclado por gravedad, consiste en un tambor de forma troncocónica, en cuyo interior posee un conjunto de paletas soldadas a su costado. El mezclado se produce durante la rotación del tambor, debido a que las paletas llevan el material hasta la parte superior y la fuerza de gravedad lo hace caer. Las mezcladoras de caída libre a su vez pueden ser de dos tipos, basculante y no basculante. En la mezcladora basculante la cámara de mezclado, conocida como olla, se inclina para la descarga (Figura 9.10). En la no basculante, el eje de la mezcladora está siempre horizontal, se apoya un pivote situado en la cara posterior, funciona a base de una corona dentada o de rodillos de fricción y la descarga se obtiene ya sea mediante un canalón que se inserta en la olla o al invertir el sentido de rotación de la olla (Figura 9.11).

Ensayo

Requisito expresado como la máxima diferencia permitida en resultados de ensayos de muestras tomados en dos sitios en una bachada de concreto

Masa por m3, calculado para una base “sin 16 aire”, kg/m3 Contenido de aire, volumen % del concreto

1,0

Asentamiento en mm: • Si el 25 asentamiento promedio es 100 mm o 38 menos, mm • Si el asentamiento promedio está entre 100

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y 150 mm Contenido de agregado grueso porción por 6,0 masa de cada muestra retenida en el tamiz 4,75 mm, % Masa unitaria del mortero sin aire (A), basado en el promedio comparativo para todas las 1,6 muestras ensayadas, % Resistencia a la compresión promedio a 7 días para cada muestra (B), con base en el promedio 7,5 (C) de resistencia para todos los especímenes de ensayo, % Tabla 9.2 Requisitos para uniformidad del concreto (9.19) (A)Para el ensayo de la variabilidad de los ingredientes, se debe consultar la designación 26 Bureau of reclamation Concrete manual. (B) Se deben fundir y ensayar no menos de tres cilindros por edad para cada una de las muestras. (C) La aprobación tentativa de la mezcladora se puede condicionar de acuerdo con los resultados del ensayo de resistencia a la compresión a los 7 días.

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Procedimiento de mezclado

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Vuelco del tambor

No basculante

Introducción de un canalón

Descarga la boca

Inversión del sentido de rotación

por de

Mezcladora de acción forzada

de libre

Mezcladora de bandeja

Válvula en el fondo

Mezcladora de artesa

Válvula en el fondo

Descarga por una segunda

Figura 9.9 Clasificación general de las mezcladoras. (9.13)

Vuelco de la arteasa Tipo de descarga

Mezcladora caída (gravedad)

Tipo de la mezcladora

Mezcladora de trabajo intermitente

Mezcladora de trabajo continúo

Basculante

Forma de trabajo de la mezcladora

Mezclado simultaneo de todos los componentes

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Figura 9.10. Mezcladora basculante. (9.17)

Figura 9.11 (9.13) b. Mezcladora de acción forzada La mezcladora de acción forzada, llamada así únicamente para distinguirlas de las mezcladoras de caída libre, son aquellas cuyo funcionamiento es similar a una batidora eléctrica de pasteles. Pueden a su vez ser de dos tipos: Mezcladoras de bandeja y mezcladoras de artesa. La mezcladora de bandeja consiste en un recipiente cilíndrico de poca altura con una o dos aspas de paletas que giran alrededor de un eje vertical no coincidente con el eje del recipiente (Figura 9.12). El recipiente cilíndrico puede ser fijo o de movimiento giratorio; cuando

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el recipiente se mueve lo hace en un sentido mientras que las paletas se mueven en dirección contraria, y de la interacción resultante se obtiene una masa uniforme. Transcurrido el tiempo establecido de mezcla, se efectúa la descarga abriendo una válvula de fondo, dejando que las paletas empujen el concreto hacia la abertura. AI contrario de las mezcladoras de bandeja, las mezcladoras de artesa constan de un recipiente cilíndrico con uno o dos árboles horizontales para los mecanismos mezcladores (Figura 9.13.). En las de doble eje, el giro de cada uno es de sentido inverso al del otro para lograr una mezcla más íntima y homogénea. La descarga de la artesa se efectúa por el fondo, el cual está dotado de válvulas; también lo puede realizar por vuelco de todo el recipiente cilíndrico. Dependiendo del diseño de la planta (si es únicamente dosificadora o bien dosificadora y mezcladora), las mezcladoras pueden clasificarse en fijas y las de camión mezclador o mixer, entendiéndose como mezcladora fija aquella que efectúa el mezclado parcial o totalmente en la planta.

Figura 9.12 (9.13)

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Figura 9.13 (9.13) 9.3.4.2. Capacidad y mantenimiento de las mezcladoras La capacidad de los distintos tipos de mezcladoras es variable. Se fabrican en una variedad de tamaños que van desde 0,04 m3 para uso en el laboratorio y pueden llegar hasta 13 m3. Normalmente se recomienda que el volumen a mezclar no sea inferior al 70% de la capacidad de la mezcladora que se utilice, puesto que si la cantidad representa sólo una pequeña fracción, la mezcla resultante puede no ser uniforme y la operación puede llegar a ser antieconómica. De otra parte, no es recomendable que la mezcladora trabaje sobrecargada, aunque una sobrecarga que no exceda el 10% generalmente no tiene efectos importantes en la calidad de la mezcla. Las mezcladoras, como cualquier maquinaria, requieren de un mantenimiento apropiado. Normalmente el fabricante sugiere una limpieza periódica, controlar el estado de las paletas y regular el tiempo de mezclado. La limpieza ayuda a evitar la salida del mortero o de los materiales secos, aumenta la efectividad del mezclado, permite controlar el estado de las paletas así como prevé su eventual reemplazo. Las paletas muy gastadas producen un mezclado deficiente y no uniforme. Una mezcladora con una velocidad más alta a la indicada por el fabricante, trae como consecuencia un mezclado deficiente.

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9.3.4.3. Orden de ingreso de los materiales a la mezcladora Para el orden de ingreso de los materiales a la mezcladora existen varios criterios, los cuales dependen básicamente de la capacidad de la mezcladora y del tipo de mezcla. En cualquier caso, hay que tener en cuenta que el cemento nunca debe ser el primero en ingresar, puesto que se adhiere a las paletas de la mezcladora. El ACI recomienda que el agua entre primero a la mezcladora y continúe fluyendo mientras los demás ingredientes se van cargando. Para ello, las tuberías de suministro de agua deben estar colocadas apropiadamente y tener de un tamaño suficiente, de manera que el agua entre adecuadamente en la mezcladora y termine de cargarse dentro de un 25% del tiempo inicial del mezclado. Se recomienda que el cemento se cargue junto con otros materiales, pero luego de que aproximadamente el 10% del agregado haya entrado en la mezcladora. Para éste efecto, los agregados y el cemento se deben añadir de la manera más uniforme posible. Los aditivos se deben introducir atendiendo las recomendaciones del fabricante. Los aditivos líquidos se introducen con parte del agua de mezclado; y los aditivos en polvo se deben introducir con los demás ingredientes secos. Cuando se emplea más de un aditivo, cada uno se debe dosificar por separado y no premezclarse antes de introducirlo a la mezcladora. Para compensar la cantidad de material que inevitablemente se pega a las paletas y al fondo de la mezcladora, antes de la elaboración de la primera bachada se recomienda introducir algo de mortero de las mismas características de la mezcla. Este procedimiento es muy necesario y no debe olvidarse, especialmente en el laboratorio. 9.3.4.4. Tiempo de mezclado El tiempo de mezclado es factor importante en la fabricación del concreto puesto que influye en propiedades tales como la

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uniformidad, la manejabilidad, la resistencia y la durabilidad, entre otras. Un tiempo de mezclado demasiado corto trae como consecuencia un concreto no uniforme, de baja resistencia y reducida durabilidad. Por el contrario, tiempos de mezclado excesivos facilitan la evaporación del agua de mezclado con la eventual pérdida de manejabilidad y provocar, además, la desintegración parcial del agregado debido al proceso de abrasión al que es sometido, generando un exceso de finos en la mezcla y una disminución en la trabajabilidad. Algunos ensayos demuestran que la resistencia promedio del concreto se incrementa con un aumento en el tiempo de mezclado, como se aprecia en la Figura 9.14. Se puede apreciar que el grado de aumento decrece rápidamente después de aproximadamente un minuto, y no es significativo después de dos. Dentro del primer minuto la influencia del tiempo de mezclado sobre la resistencia es muy importante. Por ejemplo, algunos ensayos indican que para una resistencia dada, el aumentar el tiempo de mezclado de 30 a 60 segundos permite una disminución en el contenido de cemento de hasta 30 kg por metro cúbico. El ACI recomienda los tiempos mínimos de mezclado relacionados en la Tabla 9.3.

Figura 9.14 (9.18)

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CAPACIDAD DE LA TIEMPO DE MEZCLADORA MEZCLADO m3 minutos 0,8 1 1,5 1¼ 1½ 2,3 1¾ 3,1 2 3,8 2¼ 4,6 3¼ 7,6 Tabla 9.3. Tiempos mínimos de mezclado recomendados (9.1) Normalmente el fabricante de la mezcladora recomienda la velocidad de rotación óptima, de tal manera que el tiempo de mezclado y el número de revoluciones son interdependientes. Si por alguna circunstancia se tiene como dato único la velocidad a la cual gira la mezcladora, el tiempo mínimo de mezclado aproximado se puede calcular como el tiempo necesario para que la mezcladora complete veinte revoluciones. 9.3.4.5. Sistemas de mezclado El proceso de mezclado se puede realizar por uno de los siguientes métodos: a. Mezclado en camión. b. Mezclado parcial en planta, agitado durante el transporte y terminado en sitio. c. Dosificado en planta, transportado en seco y mezclado en sitio. Cualquiera que sea el método empleado se utiliza un camión mezclador de tambor giratorio como el enseñado en la figura 9.15. El mezclado en camión es un proceso en el que los materiales previamente dosificados en la planta se transfieren a un camión mezclador donde se realiza la operación de mezclado.

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Algunos productores mezclan los ingredientes en el tambor durante el transporte a velocidad de carga, detienen el tambor cuando el camión está cerca de la obra, o bien cuando ha llegado a ella y entonces llevan a cabo el mezclado. Otro procedimiento consiste en completar todo el mezclado en el camión mezclador en el patio productor haciendo el viaje con el tambor sin girar. Cuando el tambor se está cargando gira a la velocidad designada por el fabricante. Después de cargar completamente todos los materiales, el tambor gira a velocidad de mezclado empleando entre 70 y 100 revoluciones para completar el mezclado bajo condiciones normales. Si transcurre tiempo adicional después del mezclado y antes de descargar, la velocidad del tambor se reduce a la velocidad de agitación o se detiene. Antes de la descarga, el tambor gira de nuevo a velocidad de mezclado entre 10 y 15 revoluciones para remezclar los posibles estancamientos cerca a la descarga. El concreto mezclado parcialmente en planta y terminado en tránsito consiste en efectuar un pequeño mezclado, generalmente de 15 a 30 segundos, en una mezcladora fija en la planta y completar el proceso en el tambor del camión mezclador. El procedimiento para éste tipo de concreto es el mismo que para el concreto mezclado en camión, excepto que el tiempo de mezclado dentro del tambor del camión es reducido a lo determinado por las pruebas de uniformidad. Mediante el método de dosificación y transporte en seco, los materiales se transportan al sitio de la obra dentro del tambor del camión, y el agua de mezclado se lleva por separado en un tanque montado en el mismo camión. El agua se agrega a presión a la entrada y en la parte posterior del tambor que está girando a velocidad de mezclado. Este método es efectivo para viajes largos y cuando se presentan demoras en la colocación, puesto que permite con seguridad un mayor tiempo de espera para el transporte y la descarga. Sin embargo, la humedad libre de los agregados provoca algo de hidratación en el cemento. Por tal razón los materiales no pueden mantenerse tampoco durante mucho tiempo en este estado, más aún si se usa un cemento de alta resistencia inicial.

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Es necesario aclarar que el proceso de agitación difiere del de mezclado solamente en la velocidad de rotación del tambor del carro mezclador. La velocidad de agitación varía entre 2 y 6 rpm, mientras que la de mezclado lo hace entre 6 y 16 rpm.

Figura 9.15 (9.13) 9.4. TRANSPORTE, MANEJO Y COLOCACIÓN O VACIADO DEL CONCRETO Las actividades de transporte, manejo y colocación o vaciado del concreto están muy relacionadas y son de vital importancia, ya que la uniformidad que resulta de un buen mezclado se puede echar a perder allí. El concreto se puede transportar por diversos métodos y equipos desde el sitio de mezclado hasta el lugar de colocación. Tal vez los más utilizados son el camión mezclador, las volquetas, las vagonetas, las torre grúa o pluma, el bombeo, y para pequeñas distancias, las carretillas, los ductos, las mangueras, las bandas transportadoras y los canalones, canales o canaletas. 9.4.1. Camión mezclador El método de transporte por este medio fue descrito en detalle anteriormente. 9.4.2. Volquetas

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Las volquetas para transportar concreto constan de una caja abierta montada sobre un camión, efectuándose el descargue por la parte posterior cuando se voltea la caja. Algunas están provistas de un vibrador montado en la caja para facilitar la operación. El transporte en volqueta se constituye en un procedimiento fácil y rápido, recomendándose para distancias de hasta 10 km. siempre y cuando se asegure que la descarga se pueda ejecutar fácilmente con espacio suficiente. El uso de volquetas para transportar el concreto implica el uso de cubiertas protectoras para evitar que el material se contamine o se vea afectado por las condiciones meteorológicas (lluvia, viento o excesivo sol); se recomienda también la limpieza de todas las superficies de contacto así como emplear caminos y vías de transporte planos. También resulta conveniente efectuar la entrega antes de 45 minutos, teniendo en cuenta siempre las condiciones del clima, que pueden obligar a tiempos menores. 9.4.3. Vagonetas Las vagonetas son recipientes montados en camiones o carros de ferrocarril, que se constituyen en un método de transporte masivo desde la planta de mezclado hasta un punto cercano del lugar de colocación. Este método requiere del trabajo conjunto de una grúa que levanta el recipiente hasta el punto final de colocación. En ocasiones se utilizan carros de traslado que operan sobre rieles para transportar el concreto desde la planta de mezclado hasta los recipientes que operan en cable-vías. La descarga del concreto de los carros al recipiente se efectúa por el fondo o por algún sistema de vuelco. El tiempo de entrega por este medio puede ser entre 30 y 45 minutos, aunque no es muy común su uso en el medio colombiano. 9.4.4. Torres grúas o plumas

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En algunos trabajos, la combinación de grúa y cubetas es un medio efectivo para transportar y manejar el concreto. Este sistema presenta varias ventajas, dentro de las cuales se destacan las siguientes: • • • •

Permite manejar cantidades grandes y pequeñas de concreto sin necesidad de procesos intermedios. El sistema de descarga vertical por el fondo garantiza una mínima segregación. Constituye un medio económico y versátil para colocar concreto y transportar materiales en la construcción de estructuras altas u horizontales con poco espacio. Requieren de un espacio pequeño para su montaje así como de un reducido personal para su operación.

Con este sistema cada grúa tiene la capacidad de atender simultáneamente hasta 3 cubetas. La capacidad de cada cubeta varia entre 0,7 y 2,5 m3 de concreto con agregado de TM menor a 75 mm (3”). 9.4.5. Bombeo Desde hace algún tiempo, el sistema de transporte del concreto por bombeo es uno de los más utilizados gracias a su versatilidad. Dentro de las principales ventajas que presenta éste método se encuentran las siguientes: •

Permite colocar cantidades relativamente grandes como son volúmenes superiores a 400 m3.

•

Es adecuado para sitios dentro de la obra en los que el espacio es muy reducido.

•

Se presta para organizar algún otro sistema de transporte y distribución del concreto dentro de la obra.

•

Permite la llegada a puntos que de otra forma no serían de fácil acceso.

•

Resulta apropiado para algunas aplicaciones especiales como revestimiento de túneles.

•

Evita el doble manejo puesto que el material llega directamente de la mezcladora a la formaleta.

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•

La colocación se puede ejecutar a la velocidad de descarga de la mezcladora sin interrupciones debidas a las limitaciones de transporte y el equipo de colocación.

•

El riesgo de segregación es mínimo dado que la mezcla tiene un diseño especial que le da cohesión y homogeneidad.

•

En general, la mezcla para un concreto bombeado no debe ser áspera ni pegajosa; su consistencia no puede ser ni demasiado seca ni demasiado húmeda, con un asentamiento entre 10 y 15 cm. Se recomienda que El TMN del agregado grueso no sea mayor de 1/4 del diámetro interno de la tubería cuando el agregado tiene forma irregular (procedente de trituración), ni de 1/3 del diámetro interno de la tubería cuando la forma de los granos es aproximadamente redondeada.

El sistema de bombeo se compone básicamente de una tolva que recibe el concreto de la mezcladora, la bomba propiamente dicha y una tubería a través de la cual se fluye el concreto. Un esquema típico del proceso se muestra en la Figura 9.16.

Figura 9.16. (9.16)

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La capacidad de bombeo depende fundamentalmente del tipo y características de la bomba, así como de la mezcla que se quiere transportar. En general, el volumen de bombeo puede varía entre 8 y 70 m3/hora, la distancia puede ser entre 90 y 300 m cuando es horizontal, y de 30 a 90 m cuando es vertical. Para efectuar la operación de bombeo es conveniente tener en cuenta los siguientes aspectos: •

Inmediatamente antes de iniciar la operación, lubricar tanto la bomba como la tubería bombeando primero agua y después mortero.

•

No es aconsejable utilizar tuberías de aluminio ya que reacciona con los álcalis del cemento generando hidrógeno, el cual introduce vacíos (aire) en la mezcla causando pérdidas de resistencia.

•

La operación de bombeo se debe programar para que se realice de manera continua, evitando así que formen costras en la tubería y se obstruya.

•

Una vez finalizada la operación, es absolutamente necesaria la limpieza del equipo de acuerdo con el procedimiento recomendado por el fabricante.

•

Efectuar ensayos de control de calidad tanto a la entrada como a la salida de la bomba, para verificar que no se producen cambios significativos de consistencia o de contenido de aire. Sin embargo, es de esperarse que en el punto de entrega del concreto bombeado se produzca una disminución de asentamiento entre 1 y 2,5 cm, ya que durante la operación ocurre una compactación parcial como resultado de la presión ejercida sobre la mezcla.

9.4.6. Bandas transportadoras La banda transportadora es una unidad de aproximadamente 15 m de longitud y 0,5 m de ancho, utilizada en algunas ocasiones para transportar concreto a pequeñas alturas o para el manejo del concreto en tramos horizontales. La utilización de éste sistema exige que la banda esté apoyada adecuadamente para lograr un transporte suave y sin vibración para

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evitar la segregación de la mezcla; así mismo, que el ángulo de inclinación empleado sea el mínimo posible, para impedir que las partículas de agregado más grandes se rueden y se devuelvan. La inclinación máxima que se puede emplear en una banda es variable, siendo función tanto de las características de la mezcla como del diseño de la banda. Una banda corrugada en la superficie que lleva la carga, puede transportar concreto a través de inclinaciones empinadas con mayor éxito que las bandas lisas. Para el caso de bandas transportadoras normales, las mezclas de concreto de consistencia media pueden elevarse un ángulo entre 20° y 30° sin dificultad, siendo las alturas máximas del orden de hasta 10 m. Cuando se prevean condiciones climatológicas severas, tales como viento fuerte, lluvia o temperaturas altas, se deben emplear protecciones o cubiertas para las bandas de manera que no ocurran cambios significativos en las propiedades de la mezcla. De otra parte, es posible colocar varias unidades una tras otra y obtener así mayor distancia de transporte. En este caso, el sistema se denomina en serie y funciona por lo común, a una velocidad de 150 m/min, y a pesar de que la velocidad es relativamente alta, generalmente no es necesario disponer de protección especial para evitar el secado durante el transporte. Con éste sistema se puede transportar el concreto a distancias de hasta 120 m sin que se alteren las características de la mezcla. 9.4.7. Carretillas y carros motorizados (“buggees”) El transporte de concreto por medio de carretillas y carros motorizados se recomienda para distancias no mayores de 60 m y 20 m, respectivamente. Es importante que las vías de tránsito por donde circulan sean lisas rígidas y libres de elementos que puedan causar golpes bruscos que segreguen la mezcla. También es aconsejable que las ruedas de la carretilla sean de caucho para que amortigüe el movimiento durante el transporte. 9.4.8. Canales, canaletas o canalones

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Este método se emplea con frecuencia para trasladar el concreto de elevaciones superiores a inferiores por gravedad. Constituye uno de los procedimientos más sencillos y económicos, en especial cuando se trata de transportar grandes cantidades y distancias cortas. Los canales tienen forma semicilíndrica y están construidos o forrados en metal. Para permitir que el concreto fluya de forma continua sin segregarse, se les debe proveer de una inclinación constante y suficiente (normalmente de 1 a 3 ó de 1 a 2). La descarga del material debe ser siempre vertical pero a poca altura (menor de 1 m) para impedir su segregación. Cuando se usen de elementos demasiado largos y descubiertos, se debe procurar cubrirlos para evitar pérdida de material y disminución en la manejabilidad. En la Figura 9.17 se muestran algunas recomendaciones dadas por el Comité ACI 304, en cuanto a métodos correctos e incorrectos del manejo del concreto mediante diferentes métodos. 9.4.9. Tubo embudo Tremie. Este método de es muy utilizado para vaciados de concreto bajo agua o cuando se quiere colocar la mezcla en profundidades entre 1,5 m y 50 m. El sistema consiste en una tolva de forma de embudo que recibe el concreto. Esta se acopla a un sistema de tubería mediante juntas herméticas, que llega hasta el fondo de la formaleta que se quiere vaciar. Los diámetros de la tubería pueden ser de 100 mm o de 200 mm. La operación se realiza apoyando el tubo en el fondo y para evitar que el concreto se contamine o se lave con el agua, se coloca un tapón en la boca del embudo (generalmente una pelota de caucho), de modo que el concreto lo empuja hasta el fondo. Una vez llena la tubería con el concreto, se levanta el tubo unos centímetros para permitir que el concreto fluya, teniendo cuidado de no sacarlo de la mezcla. El proceso requiere que sea continuo hasta

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completar la estructura. La carga del embudo con la mezcla debe ser suave para evitar que se incorpore aire al sistema. El concreto debe ser muy fluido con un asentamiento entre 15 y 20 cm. Los agregados deben ser de preferencia redondeados, con un TMN de hasta 40 mm, teniendo en cuenta el diámetro de la tubería usada, deben ser bien gradados, especialmente la arena en donde es preferible cierto exceso para facilitar la docilidad de la mezcla. La dosificación del cemento debe ser como mínimo 330 kg/m3 y aumentarse en un 25% respecto de la mezcla normal, con el fin de que no se vea afectada la resistencia ni la durabilidad. El sistema Tremie es muy usado para fundir pilotes elaborados in situ, pantallas de protección muy delgadas y esbeltas y construcción de estructuras bajo agua. 9.5. PREPARACIÓN DE FORMALETAS Y CONTROL PREVIO A LA COLOCACIÓN Antes de iniciar el proceso de vaciado del concreto es necesario efectuar una serie de actividades para asegurar que la estructura o elemento a construir cumpla con los requisitos para los que fue diseñado. Tales actividades incluyen la preparación de las formaletas, la adecuación para el vaciado y efectuar algunos controles pertinentes previos al vaciado. 9.5.1. Preparación para el vaciado sobre formaletas Dado que por lo general la colocación del concreto requiere la utilización de formaletas, es necesario que estas cumplan con unos requisitos mínimos para que no alteren las propiedades del concreto ni las especificaciones de la estructura durante o después del vaciado. Las formaletas se deben diseñar y construir de modo que tengan suficiente resistencia y rigidez para soportar las cargas que se apliquen hasta que la estructura sea capaz de soportarse por sí misma. Las cargas a que normalmente están expuestas las formaletas son las del peso del concreto, el peso propio de la formaleta, el del personal de obra, el del equipo, el de los materiales y el de impacto. Además la

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formaleta debe ser capaz de resistir los empujes causados por el concreto fresco y no sufrir deformaciones o abertura de las paredes por falla de los tensores o de los soportes. El diseño y construcción de las formaletas requiere que sean funcionales, de fácil colocación y desmonte, que dispongan de las medidas exactas que requiere el elemento a construir y, además, que los materiales empleados sean los adecuados para obtener la superficie deseada en el concreto endurecido. Cuando el material utilizado sea madera, es muy conveniente efectuarle un humedecimiento previo al vaciado para evitar que ésta absorba parte del agua de mezclado. De otra parte, las formaletas deben ser herméticas para evitar la pérdida de mortero o de pasta. Cuando la formaleta es de madera las aberturas menores de 3 mm se cierran; aquellas de 4 a 10 mm pueden cerrarse mediante un tapón de papel húmedo o estopa; y los mayores de 10 mm deben cerrarse con listones o rehacer la sección. Antes de la colocación del concreto, las formaletas deben estar limpias y libres de cualquier sustancia o restos de material. La limpieza puede lograrse con chorro de agua o de aire a presión, o bien mediante cepillado de alambre. Adicionalmente, para evitar que el concreto se adhiera a la formaleta, la superficie de contacto se debe tratar con algún desmoldante que se consigue fácilmente en el mercado; es práctica común el uso de aceite quemado, cera diluida en kerosene o algún otro producto similar. La aplicación se hace con brocha o rociador formando una película continua y delgada sobre la superficie. Cualquiera que sea el producto aplicado, se debe evitar el contacto con el acero de refuerzo para que no se vea afectada la adherencia con el concreto.

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Figura 9.17 (9.1) 9.5.2. Preparación para el vaciado sobre el terreno natural

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En ocasiones es necesario efectuar el vaciado del concreto directamente sobre el suelo natural, como es el caso de las fundaciones y de los pilotes construidos in situ. En tales circunstancias, el terreno debe prepararse previamente y evitar que el concreto se contamine con el terreno mismo, producto del desprendimiento o derrumbe de éste. La preparación del terreno consiste en eliminar partículas del suelo sueltas, restos de vegetales, partículas de origen orgánico o arcilloso, y en general todo aquello que pueda contaminar la mezcla. Los suelos secos y poco cohesivos se deben humedecer sin formar charcos, con el propósito de evitar que absorban agua de la mezcla; o también se podría preparar un recubrimiento de concreto pobre. Si el suelo de fundación es rocoso formado por estratos firmes, se deben eliminar todas las partículas sueltas. Si existen grietas pequeñas, éstas se deben rellenar con mortero; y si éstos son de tamaño grande, se deben rellenar con un concreto pobre. La contaminación del concreto con el terreno natural también se puede evitar protegiendo las paredes con láminas de polietileno o tableros móviles, los cuales se van sacando a medida que se va colocando el concreto. 9.5.3. Preparación para el vaciado sobre concreto endurecido Para el caso de obras grandes en las que se requiere ejecutar el vaciado por etapas, se generan inevitablemente las juntas de construcción. Aquí se hace necesario unir las superficies de contacto del concreto endurecido con el concreto fresco. Se recomienda prestar atención a las juntas de construcción, puesto que se pueden llegar a constituir en zonas débiles de la estructura, dejando de ser monolíticas y facilitando el acceso a la humedad, pudiendo dar origen a males mayores. El grado de limpieza de las superficies de contacto y de la forma de terminar y continuar el vaciado del concreto, constituyen en buena medida la base del éxito del tratamiento de las juntas de construcción. Por ésta razón, al finalizar cada etapa de vaciado se

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podría vaciar la última capa empleando una mezcla de menor consistencia para evitar que se deposite un exceso de mortero o lechada en la superficie durante la compactación. En caso de que esto último suceda, se debe eliminar dicha capa después de que el concreto ha fraguado (aproximadamente entre 3 y 5 horas en clima cálido y luego de 12 horas en clima frío); la capa se debe remover dejando ligeramente expuesto el agregado grueso para que haya mayor adherencia entre los dos concretos. La operación de remoción se puede realizar mediante un chorro de agua cuya presión aproximada sea de 7 kg/cm2, dirigido en forma inclinada y desde unos 50 cm de altura sobre la superficie. Otro método utilizado es el cepillado con cerdas de alambre. Cuando se trata de concreto endurecido, se puede recurrir a la técnica de chorro de arena (sandblasting), complementado con un lavado con agua a presión o bien picando la superficie con puntero y maceta. Aproximadamente 12 horas antes de la colocación del concreto fresco, se debe lavar bien la superficie del concreto endurecido y dejarlo saturar. Por ningún motivo debe haber agua libre en el momento de la colocación, ya que un exceso de humedad en la junta produce una reducción en la adherencia. Es bueno enfatizar que independientemente del método empleado, se debe tener cuidado de no dañar el concreto. Previo al vaciado, podría ser conveniente colocar primero una capa de mortero de aproximadamente 1cm de espesor en toda la superficie de contacto, o una primera capa de concreto fresco con poca grava con el fin de disminuir el riesgo de segregación, mejorar la impermeabilidad y la adherencia. El empleo de los aditivos de pega o adhesivos también es una técnica probada, los cuales están diseñados y elaborados para mejorar la adherencia entre el concreto fresco y el endurecido. Para este caso y al igual que el empleo de cualquier otro aditivo, es conveniente seguir las recomendaciones dadas por el fabricante y realizar pruebas previas a su empleo definitivo.

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9.5.4. Verificaciones previas al vaciado Antes de la colocación del concreto, es necesario verificar el cumplimiento de las exigencias indicadas en los planos en lo que se refiere a posición del acero, diámetro, número de varillas, distancia entre ellas, longitudes de anclaje y traslapo y estribos; también se debe comprobar que el acero tendrá el recubrimiento especificado o la distancia mínima que debe existir entre el acero y la formaleta; así mismo, debe comprobarse que la armadura esté libre de polvo, aceite u óxido, para asegurar una buena adherencia. Cuando se requiere de elementos embebidos como insertos, anclajes, ductos, etc., debe verificarse su estado y correcto afianzamiento para evitar desplazamientos durante las operaciones de vaciado y de compactación del concreto. Se debe evitar el contacto de otros metales con las varillas de la armadura para prevenir una eventual corrosión galvánica. Es conveniente planear el vaciado para no incurrir en improvisaciones. Entre otras, contar con el personal suficiente y los equipos necesarios disponer de los medios efectivos para proteger el concreto en caso de lluvia o de temperaturas muy altas o muy bajas. El equipo necesario para la colocación, incluyendo las formaletas, se debe mantener en buen estado, limpio y en condiciones de ser utilizado. Se debe disponer, en cuanto sea posible, de equipo adicional para el caso que alguno sufra avería o de una emergencia.

Figura 9.18.

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Figura 9.19. (9.1)

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9.6. VIBRACIÓN, COMPACTACIÓN O CONSOLIDACIÓN DEL CONCRETO En el Capítulo 5 se estudió como durante el proceso de mezclado y colocación queda atrapada dentro de la mezcla una cantidad de burbujas de aire que varían tanto en tamaño como en distribución. Se explicó además como dichas burbujas forman vacíos o poros que disminuyen la densidad del concreto haciendo que éste sea más permeable, poco resistente y menos durable. La vibración, compactación o consolidación proceso mediante el cual se reduce la mayor vacíos presentes en la mezcla una vez esta ha formaleta, con el fin de lograr un material con posible y la menor cantidad de vacíos.

del concreto es el cantidad posible de sido colocada en la la máxima densidad

Existen varios procedimientos para disminuir el volumen de vacíos. La elección de uno de ellos depende fundamentalmente de la consistencia de la mezcla y del tipo de estructura a construir. El principio general de todos los procedimientos es el mismo: disminuir la fricción entre los distintos componentes del concreto, entre el concreto y el acero de refuerzo y entre el concreto y las formaletas. La compactación se puede realizar por medios: manual y por vibración. El primero se recomienda para mezclas de consistencia media con buen grado de trabajabilidad (mezclas con asentamiento mayor a 5 cm); se ejecuta generalmente con una varilla y constituye un procedimiento arduo y engorroso en el cual la compactación del concreto se logra introduciendo sistemáticamente la varilla dentro de la masa de concreto. Para que el método de compactación manual se pueda realizar, se requiere que la varilla tenga la suficientemente longitud para alcanzar el fondo de la formaleta o para que atraviese el espesor de la capa de vaciado; además debe tener un diámetro suficiente para que pueda pasar entre las barras de refuerzo y las formaletas. Es recomendable que la varilla sea lisa y de punta redondeada para que acomode las partículas más grandes sin desplazarlas al fondo.

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El procedimiento de consolidación por vibración es el más utilizado. Consiste en producir en el concreto fresco una agitación para que se efectúe una reacomodación de los elementos constituyentes, de tal manera que el volumen final sea menor que el volumen ocupado antes de la vibración, cuidando siempre que no produzca segregación del material. Los equipos de vibración pueden ser de aplicación interna (vibradores de inmersión) o de aplicación externa (vibradores de formaletas, de cerchas o de mesa vibrante). Los vibradores se caracterizan por su frecuencia de vibración, expresada como el número de vibraciones por minuto (vpm o Hz); y por la amplitud de vibración, que es la desviación en milímetros con respecto a un punto de referencia. 9.4.3.1. Vibradores de aplicación interna Los vibradores de aplicación interna o de inmersión, son tal vez los equipos más usados para consolidar concreto en muros, columnas, vigas y losas. Consisten en un tubo de diámetro externo variable entre 38 mm y 100 mm (1 ½” y 4”) dentro del cual se mueve en forma excéntrica una determinada masa, que es accionada por medio de un motor a través de un eje, generando así un movimiento oscilatorio con determinada amplitud y frecuencia. El vibrado se efectúa introduciendo el aparato dentro de la mezcla en donde el movimiento oscilatorio es transmitido al concreto. La vibración que se produce en el concreto hace que su masa, inicialmente en estado semiplástico, sufra una reducción de fricción interna como consecuencia de la licuefacción del mortero. En éste nuevo estado, el material se reacomoda reduciendo los espacios y expulsando el aire que se encontraba atrapado, de tal manera que se obtiene un material con mayor densidad al que originalmente se tenía sin vibrar. El proceso culmina cuando dejan de salir burbujas y aflora a la superficie una lechada que le da a la masa un aspecto brillante. Inmediatamente después se procede a retirar el vibrador de lentamente y a velocidad constante para introducirlo en otro punto. Puesto que el vibrador de inmersión actúa tan sólo en una zona de influencia en un volumen de concreto de forma aproximadamente cilíndrica, es necesario introducir el vibrador en distintos puntos de la

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masa de concreto para lograr una consolidación completa (figura 9.20). El radio de acción que define esa zona de influencia depende de la frecuencia del vibrador y de la consistencia de la mezcla (entre más fluida sea la mezcla mayor será el radio de acción y menor el tiempo de vibración). En la Tabla 9.4 se enseñan algunos valores correspondientes a diferentes tipos de vibradores con extremo redondeado, que son los comúnmente usados. APLICACIÓN Concreto de consistencia húmeda. Secciones delgadas. Fabricación de muestras de laboratorio. Vibrado de elementos pretensados, en zonas congestionadas. Concreto de consistencia media, muros delgados, columnas, vigas, pilotes prefabricados, losas delgadas, juntas de construcción. Concreto con asentamiento < 7,5 cm. Construcción en general, muros, columnas, vigas, losas, pilotes, etc. Concreto en masa y estructural, asentamiento de 3,5 a 5,0 cm. Depositado en grandes cantidades. Fundaciones grandes, pilares. Concreto en masa para presas de gravedad. Muros macizos.

GRUPO

DIÁMETRO cm (pul)

FRECUENCIA RECOMENDADA vib/min (Hz)

DE RADIO DE RENDIMIENTO ACCIÓN COMPACTACIÓN (m3/hr) (cm)

I

2–4 (3/4 – 1 1/2)

10000 – 15000 (170 – 250)

8 - 15

0,8 - 4

II

3–6 (1 1/4 – 2 1/2)

9000 – 13500 (150 – 225)

13 - 25

2,3 - 8

III

5–9 (2 – 3 1/2)

8000 – 12000 (130 – 200)

18 - 36

4,6 - 15

IV

7,5 – 15 (3 – 6)

7000 – 10500 (120 – 180)

30 - 51

11 - 31

V

12,5 – 17,5 (5 – 7)

5500 – 8500

40 - 61

19 - 38

Tabla 9.4 Propiedades de vibradores de inmersión con extremo redondeado (9.16) El vibrador se debe introducir a la mezcla verticalmente a intervalos regulares, permitiendo que descienda con lentitud por gravedad y a la velocidad constante. Cuando el vaciado se haya realizado por capas, el vibrador se debe introducir hasta que penetre por lo menos 10 cm en la capa inferior para que produzca una revibración y se obtenga una estructura monolítica sin juntas de construcción. La distancia entre los sucesivos puntos de inmersión debe ser aproximadamente 1,5 veces el radio de acción, de tal manera que el área afectada por el vibrador traslape una parte del área vibrada

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previamente (Figura 9.20.), la cual asegura que todo el concreto queda compactado. El tiempo de vibración en un determinado punto depende básicamente de la consistencia de la mezcla (entre más seca más tiempo), de la naturaleza de la sección y de la potencia del vibrador. Generalmente el tiempo se determina experimentalmente mediante observación directa de la superficie en los alrededores del vibrador. Cuando aflore un reflujo de pasta y cese el escape de burbujas de aire, se procede a retirar el vibrador lentamente. El tiempo de vibración es un factor clave puesto que un tiempo muy corto no alcanza a sacar todo el aire atrapado dentro de la mezcla; por el contrario, un tiempo de vibrado muy alto puede producir segregación del material. En general, se considera que el tiempo de vibrado varía en un rango comprendido entre 5 y 15 segundos.

Figura 9.20. Distancia correcta e incorrecta entre los sucesivos puntos de inmersión del vibrador (9.7). 9.4.3.2. Vibradores de aplicación externa En los vibradores de aplicación externa, como su nombre lo indica, el dispositivo vibrante está colocado sobre una o varias de las caras de la formaleta. Los tipos más corrientes de este sistema de vibración lo constituyen las formaletas vibratorias, mesas vibrantes o superficies vibratorias como las reglas y platos vibratorios.

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Dentro de los vibradores de este género los más conocidos y ampliamente usados son las formaletas vibratorias, las cuales han sido diseñadas especialmente para ser parte de las formaletas y transmitir vibraciones al concreto. Sus principales aplicaciones son: • • •

La consolidación de elementos de concreto muy delgados o muy reforzados. Para completar la vibración interna. Para la consolidación de mezclas muy secas, donde los vibradores internos no son tan efectivos.

Las formaletas vibratorias pueden ser operadas eléctrica o neumáticamente y se deben espaciar adecuadamente para distribuir la intensidad de vibración uniformemente. El espaciamiento óptimo se debe determinar experimentalmente mediante observación directa. En ocasiones puede ser necesario operar algunas de las formaletas vibratorias a diferente frecuencia con el fin de obtener mejores resultados, por lo que se recomienda que estén equipadas con controles para regular su frecuencia y amplitud. El tiempo de vibración externa es mucho mayor que el de los vibradores de aplicación interna, variando generalmente entre uno y dos minutos. Se recomienda que el elemento vibrador de las formaletas vibratorias no esté ubicado en el extremo superior de las formaletas verticales, toda vez que la vibración en elementos delgados o inadecuadamente reforzadas, causan un movimiento hacia adentro y hacia afuera que puede crear un espacio dentro del concreto y la formaleta. En tales casos, para complementar la vibración en dichas zonas, se pueden utilizar vibradores de aplicación interna. En elementos muy reforzados donde se hace difícil la introducción de vibradores internos, se puede recurrir a vibrar las barras del acero de refuerzo de la estructura. El procedimiento consiste en enganchar la formaleta vibratoria a los extremos de refuerzo expuestos y efectuar la vibración. Esta práctica reacomoda el material sacando el aire atrapado e incrementa la adherencia entre las barras y el concreto.

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Las mesas vibratorias son muy empleadas en plantas de prefabricados. Generalmente están equipadas con controles para regular la frecuencia y la amplitud, dependiendo del elemento a vibrar y la consistencia de la mezcla. Las reglas vibratorias son utilizadas especialmente para consolidar concreto en pisos y losas de pavimentos. Están provistos de un control de operación de nivelación que ayuda en buena medida a la labor. Sin embargo, no se recomienda utilizar éste equipo para consolidar mezclas con asentamientos mayores a 7,5 cm, debido a que durante la operación acumulan un exceso de mortero y material fino en la superficie, que reduce la resistencia al desgaste. Por ésta misma razón, las reglas vibratorias no deben ser operadas una vez que el concreto haya sido adecuadamente colocado. Por último, vale la pena resaltar que el vibrado del concreto, cualquiera que sea el procedimiento utilizado (interno o externo), permite alcanzar mejores resultados en la compactación del material, que la que se lograría por una simple compactación manual, tal como se enseña en la figura 9.21.

Figura 9.21. (9.14)

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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 9.1. ACI. Committe 304. Recommended Practice For Measuring, Mixing, Transporting, and Placing Concrete. Detroit, Yona D. Kahn, 1983. 9.2. CAÑAVERA, Juan. Notas sobre Producción de Concreto Premezclado. Bogotá, Central de Mezclas, 1986. 9.3. CEMENT AND CONCRETE ASSOCIATION. Concrete Technology and Construction, Batching and Mixing, London, Cement and Mixing, London, Cement and Concrete Association, 1984. 9.4. CEMENT AND CONCRETE ASSOCIATION. Concrete Technology and Construction, Concrete Mandling and Placing, London, Cement and Concrete Association, 1984. 9.5. CEMENT AND CONCRETE ASSOCIATION. Concrete Technology and Construction, Concrete Production, London, Cement and Concrete Association, 1984. 9.6. CEMENT AND CONCRETE ASSOCIATION. Concrete Technology and Construction, Compaction, London, Cement and Concrete Association, 1984. 9.7. CEMENT AND CONCRETE ASSOCIATION. Concrete Technology and Construction, Compaction and Finishing, London, Cement and Concrete Association, 1984. 9.8. CEMENT AND CONCRETE ASSOCIATION. Concrete Technology and Construction, Production and Supply of Ready-Mixed Concrete, Association, 1984. 9.9. CEMENT AND CONCRETE ASSOCIATION. Concrete Technology and Construction, Placing and Compacting Concrete, London, Cement and Concrete Association, 1984. 9.10. GIAMMUSSO, S. E. Hormigón Elaborado. Instituto del Cemento Pórtland Argentino, Buenos Aires,1980. 9.11. INSTITUTO CHILENO DEL CEMENTO Y DEL HORMIGON. Manual del Hormigón, Santiago, 1984. 9.12. INSTITUTO MEXICANO DEL CEMENTO Y DEL CONCRETO. Práctica Recomendable para la Medición, Mezclado, Transporte y Colocación del Concreto. Traducción del documento ACI 614 59. México D.F., Ed. Abeja, 1977. 9.13. MANGEL, S. y SEELING R. Preparación y Empleo del Hormigón. Barcelona, Gustavo Gili, 1976. 9.14. ORCHARD, D.F. Concrete Technology, Vol. 2. CR Books Ltd. London, 1968.

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9.15. Código de Buena Práctica para el Hormigón Preparado, Barcelona, European Ready Mixed Concrete Organization, 1979. 9.16. PORRERO, I., RAMOS, C y GRASES, I. Manual del Concreto Fresco. Caracas, Comité Conjunto del Concreto Armado, 1975. 9.17. PORTLAND CEMENT ASSOCIATION. Design and Control of Concrete Mixture. Illinois, PCA, 1979. 9.18. NEVILLE, A.M. Tecnología del Concreto Vol. 1. México, IMCYC, 1980. 9.19 INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TÉCNICAS Y CERTIFICACIÓN – ICONTEC. NTC 3318 Concreto Premezclado, primera actualización. Bogotá, 1994.

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10. CURADO DEL CONCRETO 10.1. ALCANCE Luego de las operaciones de colocación, compactación y terminado, el proceso de curado se constituye en el último paso para lograr las características deseadas en el concreto. Tal como se ha venido insistiendo a lo largo de los capítulos precedentes, la realización de este proceso es absolutamente indispensable. La correcta ejecución del curado es clave también en el proceso. Sin embargo, a pesar de la importancia que reviste el curado, es muy común que no se le preste la atención que reviste. El presente capítulo pretende explicar los fundamentos del proceso de curado del concreto, la importancia de efectuarlo y los factores que influyen para lograrlo. Así mismo, se presentan las principales recomendaciones en cuanto a métodos, procedimientos y materiales comúnmente empleados para llevarla a cabo en forma satisfactoria. Buena parte de las prácticas que se presentan a continuación están basadas en el informe del Comité ACI 308 “Standard Practice For Curing Concrete”, la cual deja al usuario la responsabilidad de adecuarlas para un trabajo específico. 10.2. GENERALIDADES En el capítulo de cemento se explicó como durante el proceso de hidratación el grano de cemento, a pesar de su tamaño tan pequeño, requiere de varios días y de humedad constante para lograrla totalmente. Así mismo, se vio que el aumento de temperatura debido al calor de hidratación durante el proceso de fraguado y su posterior descenso, generalmente es causa de fisuramiento. Se mencionó que por estas dos razones era necesario suministrarle agua al concreto luego de su fraguado durante las primeras edades. Por lo anterior, el curado se puede definir como el proceso mediante el cual se mantiene un contenido de humedad adecuada y permanente y una temperatura favorable en el concreto durante la hidratación del cemento, de manera que se desarrollen en el concreto las propiedades deseadas. Por sus consecuencias, se debe efectuar en todas las obras de concreto. En lo posible, iniciar su proceso una vez el concreto haya

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fraguado y prolongarlo hasta que alcance aproximadamente el 70% de la resistencia especificada. Dado que la ganancia de resistencia es mucho más rápida en los primeros días (Figura 10.1), la atención que se le preste al curado durante esta etapa será fundamental para los resultados esperados. Existen diversos materiales y procedimientos para realizar el proceso de curado, los cuales se pueden emplear en diferentes condiciones y productos de concreto. Sin embargo no es posible hablar de cual es el más efectivo, puesto que en algunas circunstancias un método determinado puede ser el más adecuado, pero si se aplica a otra obra en condiciones diferentes, los resultados pueden no ser los mismos. Lo cierto es que la efectividad de un método de curado depende de la prontitud con que se aplique. 10.3. FINALIDADES E IMPORTANCIA Como la total hidratación de los granos de cemento sólo se realiza en presencia de agua, es necesario suministrarle una cantidad tal que permita mantenerlo saturado o tan saturado como sea posible, durante las edades tempranas de endurecimiento luego del proceso de fraguado. De otra parte, el saturar el concreto durante un determinado tiempo después del fraguado, consigue mantener una temperatura adecuada de manera que la hidratación de los granos de cemento se realiza normalmente. El curado es primordial en la obtención de concreto de calidad ya que la resistencia potencial, la durabilidad, la impermeabilidad y demás propiedades del concreto sólo se desarrollan completamente si éste se curado durante el tiempo necesario antes de ser puesto en servicio. La hidratación parcial trae como consecuencia un desarrollo bajo de resistencias proporcional al tiempo de curado, tal como se aprecia en la figura 10.1. De la misma figura se observa que si por algún motivo se llega a interrumpir el suministro de agua de curado, el desarrollo de la resistencia continua por un tiempo corto y luego para; pero si el proceso se reanuda, el desarrollo de la resistencia puede ser reactivado; sin embargo esto es válido para condiciones controladas en el laboratorio y es muy difícil que suceda lo mismo con el concreto puesto en obra, luego el proceso de curado debe ser continuo.

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Figura 10.1 (10.1) 10.4. FACTORES QUE DETERMINAN UN BUEN CURADO Reiterando lo manifestado, un buen curado se logra únicamente si se tiene un contenido satisfactorio de humedad, una temperatura adecuada y se efectúa durante un tiempo prudente con un método apropiado. 10.4.1. CONTENIDO SATISFACTORIO DE HUMEDAD En el capítulo de agua para mezclas de concreto, se reseñó que el agua de mezclado ocupa aproximadamente el 15% en volumen, del cual el 5% se encarga de hidratar al cemento y el 10% restante se destina a proporcionarle fluidez, evaporándose posteriormente. De este modo, la cantidad de agua de mezclado en el concreto en el momento de su colocación es mayor que la cantidad que se puede combinar químicamente con el cemento. No obstante, en ocasiones se produce pérdida de agua de mezclado debidas a la absorción de los agregados no tenidas en cuenta en el diseño de mezcla, o por la absorción de las formaletas o el suelo, y que en asocio con la cantidad de agua que se evapora se pueden alcanzar valores por

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debajo de la cantidad necesaria para la adecuada hidratación del cemento. La humedad satisfactoria en el concreto se obtiene si se controlan dichas situaciones y que han sido explicadas en diferentes capítulos de este documento. La evaporación, la cual depende de la temperatura y la humedad relativa del aire circundante y de la velocidad del viento, se puede evitar mediante protección y curado adecuados. Los efectos de la absorción se reducen con la adecuada dosificación de agua cuando los agregados la requieren para llegar al estado saturado y superficialmente seco, condición supuesta durante el diseño de la mezcla; y mediante el uso de formaletas no absorbentes o humedeciéndolas previamente al vaciado del concreto. 10.4.2. TEMPERATURA ADECUADA Otro de los factores que influyen en el curado es la temperatura del concreto durante el proceso de fraguado. La temperatura afecta la velocidad de reacción entre el cemento y el agua. El desarrollo de la resistencia inicial por debajo de 10 ºC es lenta, por debajo de 5 ºC el desarrollo de la resistencia inicial se retarda en gran medida, y a temperaturas por debajo de menos 10 ºC el desarrollo de la resistencia es prácticamente nulo. Por el contrario, una temperatura elevada acelera las reacciones químicas de hidratación lo cual afecta en forma benéfica la resistencia inicial del concreto. Sin embargo, una temperatura alta durante la colocación y el fraguado, aunque incrementa la resistencia a edades tempranas, afecta adversamente la resistencia posterior (aproximadamente luego de 7 días), toda vez que se forman productos de hidratación pobres. Algunos resultados muestran que el curado a temperaturas superiores a 65 ºC no es tan eficaz como el curado prolongado a temperaturas más bajas. El curado en autoclave a temperaturas superiores a los 160 ºC aceleran en gran medida el proceso de hidratación del cemento, lográndose en pocas horas las resistencias que se lograrían a los 28 días con un curado a 21 ºC. Se debe tener en cuenta que el uso de autoclave como medio para curar el concreto (temperaturas y presiones elevadas), ocurren reacciones químicas adicionales entre

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los agregados y el cemento que no ocurren bajo condiciones normales. En la Figura 10.2. se puede apreciar el efecto del incremento de la resistencia del concreto para diferentes temperaturas de curado. La temperatura del concreto en el momento de la colocación se afecta por el aire circundante, por la absorción del calor solar, por el calor de hidratación del cemento y por la temperatura inicial de los materiales. Por consiguiente, el curado del concreto debe ser especialmente cuidadoso en zonas calurosas (como lo es la mayor parte del territorio colombiano) y en particular en elementos con gran superficie expuesta a un eventual secado y de espesor relativamente pequeño, como en el caso de estructuras laminares y de losas para pavimentos.

Figura 10.2 (10.6) 10.4.3. TIEMPO DE CURADO Para que se verifique un buen curado es necesario que tanto la temperatura como la humedad se mantengan continuamente durante un tiempo adecuado. En general, el tiempo de curado requerido depende de las características del medio ambiente que rodea al elemento, las características de la obra y de la dosificación y tipo de cemento. Para la mayoría de las estructuras expuestas a temperatura ambiente superior a 4 ºC, el periodo mínimo de curado recomendado es de siete días, o el tiempo necesario para obtener el 70% de la resistencia a la compresión especificada. Si el concreto se coloca a una temperatura ambiente de 4 ºC o menos, se deben

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tomar las precauciones para evitar los daños por congelamiento y para que se aseguren las condiciones de hidratación del cemento. Cuando se trata de elementos de alta resistencia (420 kg/cm2 o más), los periodos de curado se pueden prolongar hasta 28 días o más, con el fin de permitir el desarrollo de la resistencia potencial del concreto. En el caso de concreto masivo, es conveniente iniciar el curado tan pronto como el concreto haya endurecido lo suficiente como para prevenir que la superficie se dañe. En secciones no reforzadas que no contengan puzolanas, se recomienda mantener el proceso por dos semanas, y por tres en aquellas zonas donde se hallen incluidas puzolanas. En juntas de construcción es deseable que el curado se prolongue hasta que la colocación del concreto vuelva a iniciarse o hasta que termine el periodo de curado requerido. P

P

Cuando se utiliza cemento normal, algunas especificaciones exigen que el curado del concreto se mantenga como mínimo por siete días; mientras que otros requieren que sea de 14 días o más. Cuando los cementos utilizados son de tipo 3 (altas resistencias iniciales), los periodos de curado pueden ser reducidos a la mitad. La Norma Sismo Resistente – NSR – 98 establece que el concreto debe mantenerse a una temperatura por encima de los 10 ºC y con una humedad adecuada por lo menos durante 7 días, para permitir su hidratación. En el caso del concreto de alta resistencia inicial, se establece que tanto la temperatura como la humedad relacionadas, se deben asegurar por lo menos durante 3 días. 10.5. MÉTODOS Y MATERIALES PARA EL CURADO A pesar de que existe gran variedad de métodos y materiales para realizar el tratamiento de curado, los principios involucrados son siempre los mismos, esto es: Mantener un suministro de agua adicional para asegurar la hidratación del cemento y mantener el concreto a una temperatura tal que permita obtener un concreto con buenas características. Los procedimientos para curar el concreto se pueden clasificar en dos grupos: • Tratamientos húmedos.

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•

Tratamientos para evitar la pérdida de humedad en la superficie del concreto.

La escogencia del método apropiado depende del tamaño y condiciones de la obra, la forma y posición de la estructura así como de la mano de obra y los materiales de que se dispone para efectuar el tratamiento. 10.5.1. MÉTODOS DE CURADO BASADOS EN TRATAMIENTOS HÚMEDOS Estos métodos se basan en la continua o frecuente aplicación de agua por saturación o inmersión, rocíos o riegos de agua, cubiertas de material absorbente saturado, tierra, arena, aserrín, paja o por medio de vapor de agua. 10.5.1.1. Saturación o inmersión Este método es tal vez él más completo pero el menos utilizado por la dificultad que presenta al ejecutarse en algunas estructuras. Consiste en la inmersión total en agua de la estructura terminada, prestándose a ser utilizado en losas, alcantarillas, pavimentos, techos horizontales, o cualquier lugar en donde se pueda crear un estanque de agua creando un borde impermeable en los extremos de la estructura. Se debe tener cuidado que el agua no ablande el suelo portante o que afecte otras construcciones u objetos. Así mismo, se debe cuidar que el agua del curado no esté a una temperatura menor de 11 ºC que la del concreto, debido a que los esfuerzos que se generan por el diferencial térmico pueden dar origen a agrietamiento. 10.5.1.2. Rocíos o riegos de agua El rocío de agua por medio de dispositivos de riego proporciona un excelente curado cuando la temperatura es bastante elevada. Los dispositivos de riego giratorios son efectivos cuando no existe el problema de que el agua se escurra fuera del área por curar; además, son aconsejables cuando el riego intermitente no permita que en los intermedios se seque la superficie del concreto. De otro lado, cuando se trata de superficies verticales o aproximadamente verticales, se recomienda utilizar el chorro de manguera teniendo cuidado de que la presión no provoque erosión en la superficie.

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10.5.1.3. Cubiertas de material absorbente El tratamiento de curado se puede efectuar de manera práctica utilizando cubiertas de material absorbente como costales, mantas de algodón, alfombras y mantas de estopa, entre otros. El procedimiento consiste en colocar estos materiales sobre la superficie de concreto y mojarlos de tal forma que la superficie de la estructura se mantenga húmeda. Para que éste método sea efectivo, los materiales de cubierta ya saturados no se deben dejar secar y, sobretodo, permitir que absorban humedad del concreto. Es conveniente que al término del periodo de curado establecido, dejarlos secar completamente antes de retirarlos, para que el concreto se vaya secando paulatinamente. En Colombia es muy frecuente el uso de costales. Sin embargo se debe verificar su uso previo al de su utilización para el curado del concreto, toda vez pueden haber sido empleados para almacenar productos tales como panela, fertilizantes o material vegetal, de manera que al momento de colocarlos sobre el concreto pueden presentar restos de dichos productos que generan daños en el concreto. Por ésta razón se recomienda efectuarles un buen lavado con agua, con el que además de eliminar las sustancias solubles hace que estos sean más absorbentes. Así mismo, para que los costales cumplan de la mejor forma posible el proceso de curado, se recomienda tener en cuenta los siguientes aspectos: • Cuando es necesario guardar el costal para volverlo a utilizar en otra obra, es conveniente tratarlo para evitar la putrefacción y que no sea fácilmente atacado por el fuego. • El peso del costal es importante puesto que entre más pesado sea, más agua retendrá y será necesario mojarlo con menos frecuencia; además el viento no lo levantará fácilmente. • La mejor retención de humedad se logra cuando se colocan los costales dobles y se traslapan las tiras hasta la mitad de su ancho. De ésta manera también se evita que se levanten con el viento. Por cultura, el uso de alfombras, mantas de algodón y elementos similares, es menos frecuente en Colombia a pesar de retener el agua durante más tiempo que el costal y con menos riesgos de secarse. El manejo que se les da a estos materiales es igual que el del costal,

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pero debido a su mayor peso, su aplicación sobre una superficie recién fraguada no se puede hacer de manera tan inmediata como cuando se trata de costales, sino que es aconsejable esperar a que el concreto tenga un mayor grado de endurecimiento. 10.5.1.4. Tierra El curado con tierra mojada es adecuado para losas o pisos pequeños. Lo importante en la utilización de tierra es que esté libre de partículas mayores que 25 mm y que no contenga materia orgánica u otras sustancias que le puedan causar daños al concreto. 10.5.1.5. Arena y aserrín El curado con aserrín o arena limpia mojados, generalmente se utilizan de la misma forma que la tierra. Sin embargo, el empleo del aserrín no se aconseja especialmente cuando contiene cantidades excesivas ácido tánico, puesto que puede causarle daños a la superficie del concreto. Las capas de tierra, arena o aserrín generalmente son de aproximadamente 10 cm con las cuales se obtienen buenos resultados. La humedad constante de estos materiales es clave no solo para el proceso de curado, sino para evitar que el viento se lo lleve. 10.5.1.6. Paja o heno El uso de paja o heno mojados para curar el concreto requiere tener en cuenta algunos aspectos. Primero, es necesario cubrirlo con una malla de alambre y otro material para evitar que el viento los levante. Segundo, si se dejan secar se corre el riesgo de que se quemen. Tercero, pueden causar una decoloración en la superficie de la estructura que puede permanecer hasta varios meses después de haber sido retirados. Por último, es aconsejable que el empleo de estos materiales se efectúe en capas de por lo menos 15 cm de espesor. 10.5.1.7. Curado con vapor El método de curado con vapor es muy utilizado por la industria de los prefabricados. Se puede realizar a baja o alta presión. El primero se hace cuando la presión es la atmosférica y la temperatura es inferior a los 100 ºC. Este curado se aplica normalmente en cámaras especiales o en túneles a través de los cuales las piezas de concreto se desplazan sobre una banda transportadora.

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El curado con vapor a alta presión se realiza en cámaras de autoclave. Se emplea en la producción de elementos prefabricados cuando se desea alguna de las siguientes propiedades: • • •

Alta resistencia inicial: las resistencias previstas a 28 días con un curado normal, se pueden lograr en 24 horas. Alta durabilidad: se mejora la resistencia del concreto a los sulfatos y en general al ataque químico, además la hace menos permeable. Reduce la contracción por secado.

Un estudio detallado del curado con vapor a alta y a baja presión aparece detallado en los informes preparados por los comités del ACI 516 y 517, respectivamente. La NSR – 98 permite el uso de curado con vapor a alta y baja presión como medio para acelerar el proceso, siempre y cuando sea aprobado por el supervisor técnico. Establece que este tipo de curado debe proporcionar, en la etapa de carga bajo consideración, una resistencia del concreto a la compresión, por lo menos igual a la resistencia de diseño requerida para la misma etapa de carga. 10.5.2. MÉTODOS PARA EVITAR LA PÉRDIDA DE HUMEDAD SOBRE LA SUPERFICIE Como se anotó anteriormente, la cantidad de agua de mezclado usada es normalmente mucho mayor que la que se combina químicamente con el cemento, por éste motivo si se puede retener la cantidad original de agua, habrá más que suficiente para propósitos de curado. Los métodos para evitar la pérdida de humedad sobre la superficie del concreto consisten básicamente en el empleo de materiales tales como películas plásticas, papel impermeable o bien mediante la aplicación de compuestos de curado formadores de membrana sobre el concreto inmediatamente después de colocado. 10.5.2.1. Película plástica La película plástica está estandarizada por la Norma ASTM C 171. En general consiste en una hoja transparente, blanca o negra, de 0,10

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mm de espesor y de poco peso. La película blanca es la más costosa y refleja en forma considerable los rayos del sol; la transparente tiene poco efecto sobre la absorción de calor. La película negra, aunque la Norma ASTM C 171 no la menciona, no se recomienda en clima cálido a menos que sea para interiores; sin embargo en clima frío presenta ventajas por su absorción de calor. Cualquiera que sea la película utilizada se debe tener cuidado para que no se rompa o que se formen agujeros que ocasionen la salida del agua evaporada. Algunas películas plásticas vienen reforzadas con fibra de vidrio, lo cual le proporciona mayor resistencia y durabilidad. La película plástica genera una superficie áspera de aspecto motoso, por ello no es aconsejable su uso cuando la apariencia del concreto sea importante, aunque este problema puede solucionarse provocando inundaciones ocasionales debajo de la película. La colocación de la película se debe efectuar sobre el concreto fresco lo más pronto posible cubriendo todas las partes expuestas y teniendo cuidado de no dañarla; luego se deben fijar bien para que se mantenga en contacto con el concreto durante el tiempo de curado requerido. Sobre elementos horizontales planos como losas de pavimentos y pisos y en general, se le debe dejar una pestaña de por lo menos el doble del espesor de la losa, extenderla más allá de los límites de la losa y fijarlos con algún elemento como franjas de arena o tierra o elementos de madera a lo largo de todos los bordes y uniones, para evitar que el viento penetre bajo la película y la levante. 10.5.2.2. Papel impermeable AI igual que la película plástica, el papel impermeable está normalizado por la Norma ASTM C 171. Básicamente consta de dos hojas de papel kraft unidas entre sí mediante un aditivo o un cemento bituminoso e impermeabilizadas con fibras. Generalmente la mayoría de papeles que se utilizan para el curado se someten a un tratamiento para reducir el grado de expansión y de contracción a los ciclos de mojado y secado. La Norma ASTM C 171 también incluye como requisito el reflejo, de forma tal que las hojas de papel con superficie blanca para reflejar y

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reducir la absorción de calor se pueden conseguir fácilmente en el mercado. La colocación se efectúa de la misma manera que la película plástica. El material se puede utilizar cuantas veces se requiera siempre y cuando se conserve su capacidad para retardar en forma efectiva la pérdida de humedad. El deterioro o rotura se debe al uso o por caminar sobre el papel. Para detectar los pequeños orificios, basta con sostener el papel a contraluz. Su reparación se puede hacer con un trozo de papel pegado con un cemento bituminoso o con uno adecuado. Cuando se presenten dudas sobre el material se pueden usar hojas dobles. 10.5.2.3. Membranas de curado Los requisitos de los compuestos líquidos para formar membranas de curado están dados en la Norma ASTM C 309, los cuales consisten esencialmente en ceras, resinas naturales o sintéticas así como solventes altamente volátiles. La aplicación de las membranas de curado se deben hacer sobre superficies que no vayan a recibir capas adicionales de concreto, pintura o texturas que requieran buena adherencia. Para lograr un cubrimiento completo, se aconseja hacer por lo menos dos aplicaciones, una perpendicular a la otra. El compuesto pude aplicarse a mano con una brocha ancha o con rodillo; cuando las condiciones de la obra lo permitan se puede utilizar compresor. Para lograr máxima eficiencia los compuestos líquidos para formar membrana se deben aplicar después del acabado y tan pronto como haya desaparecido el agua libre sobre la superficie, de manera que no se aprecie el brillo de ésta, pero antes de que el compuesto líquido pueda ser absorbido por el concreto. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 10.1. AMERICAN CONCRETE INSTITUTE ACI. Standard Practice For Curing Concrete. Comité ACI 308, Detroit, Yona D. Kahn, 1981. 10.2. CEMENT AND CONCRETE ASSOCIATION. Concrete Technology and Construction, General Principles, London, C&CA, 1984.

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10.3. INSTITUTO COLOMBIANO DE PRODUCTORES DE CEMENTO. Notas Técnicas No. 5. Práctica Recomendada para el curado del Concreto. Medellín, ICPC, 1982. 10.4. INSTITUTO CHILENO DEL CEMENTO Y DEL HORMIGÓN. Manual del Hormigón. Santiago de Chile, 1984. 10.5. INSTITUTO MEXICANO DEL CEMENTO Y DEL CONCRETO. Curado del Concreto, México D.F., Ed. Abeja, 1983. 10.6. NEVILLE, A.M. Tecnología del Concreto, Tomo 1, México, IMCYC, 1980. 10.7. PORTLAND CEMENT ASSOCIATION. Design and Control of Concrete Mixtures, Illinois, PCA, 1979. 10.8. TROXEL, DAVIS y KELLY. Composition and Properties of Concrete. California, Mc Graw-Hill, 1986.