PASOS_PARA_EL_DISENO_DE_MEZCLAS_DE_CONCRETO

PASOS PARA DESARROLLAR UN DISEÑO DE MEZCLAS DE CONCRETO. MÉTODO PROPUESTO POR EL PROFESOR ALEJANDRO SALAZAR J., BASADO EN EL MÉTODO O’REILLY (1)

1 INTRODUCCIÓN En la mayoría de los países de América Latina y aun en Europa, las condiciones tecnológicas de trabajo en la fabricación del Hormigón o Concreto, generan una demanda excesiva de cemento, lo cual trae consecuencias negativas tanto en la economía de la producción como en las propiedades mecánicas y de durabilidad de los hormigones. Este exceso de consumo de cemento se debe en gran parte a la forma, la textura, las películas superficiales y la distribución de tamaño de los agregados empleados. Teniendo en este aspecto mucha responsabilidad la granulometría inadecuada obtenida en la mezcla de los agregados y las formas irregulares de estos, donde predominan las partículas planas y alargadas. O’Reilly, plantea en su trabajo, que desde el punto de vista de la composición óptima de los agregados no se le presta toda la atención a la influencia de la forma de la partícula y se parte sólo de su composición granulométrica. Él demuestra en todos los casos, que agregados con granulometrías inadecuadas o con contenidos del 16 al 31% de partículas irregulares, lo que caracteriza la forma de los agregados, tienen una influencia notable en el porcentaje de espacios vacíos que se desea obtener, manteniendo la consistencia y la energía de compactación constante. También demostró la influencia de ambos factores en la resistencia a compresión y eventualmente en la dosis de cemento si se considera la resistencia constante. Este trabajo permitió plantear una nueva forma de combinar los agregados para elaborar concretos, lo que en la práctica representa un significativo ahorro de cemento y un mejoramiento de sus propiedades mecánicas y de durabilidad. El trabajo del profesor O’Reilly, aporta a la tecnología del Concreto, unas significativas conclusiones como son:

Alejandro Salazar J. Profesor Titular Universidad del Valle

•

Los métodos convencionales utilizados para determinar la proporción de los agregados, como el método de la granulometría continua propuesto por Fuller, no toma en cuenta la forma de los agregados, que en muchas oportunidades poseen una alto porcentaje de partículas cuyas formas son inadecuadas. Todo ello no permite conseguir una mezcla óptima.

•

La grava, en los países de América Latina, tiene una mayor proporción de partículas inadecuadas por su forma y exige, para llenar los espacios vacíos mínimos, una cantidad sustancialmente mayor de arena, lo que no ocurre cuando se aplican los métodos tradicionales de proporcionamiento de agregados. Cuando se ha trabajado con la proporción de agregados 40% de arena y 60% de gruesos, se ha obtenido con esta proporción resultados menos favorables que los conseguidos con las proporciones definidas por el método de espacios libres o de mínimo vacío.

Con objeto de aportar al entendimiento de estos puntos, se presenta a continuación un breve análisis sobre el efecto que en las propiedades del concreto tiene, la forma, la textura y la presencia de las películas superficiales en el agregado. FORMA, TEXTURA Y PELÍCULAS SUPERFICIALES. (2) (3)

1.1

La forma de las partículas, la textura superficial y la película sobre la superficie de un agregado, tienen notable incidencia en las propiedades del concreto fresco y la última también afecta en forma notable al concreto endurecido. 1.1.1 FORMA Los agregados de formas cúbicas, angulares, planas, requieren de más agua para producir un concreto manejable respecto a aquellos de formas redondeadas. De hecho los primeros exigirán concretos más ricos en cemento para alcanzar la resistencia que se logra con los agregados redondeados, al definir una relación agua/cemento constante. Cuando la granulometría de los agregados es apropiada, los agregados de formas redondeados como los de formas cúbicas, generalmente producen concretos de resistencias similares, si se emplea igual cantidad de cemento. La especificación ICONTEC NTC-174, establece dos formas para los agregados. •

Partícula Larga: Aquella cuya relación entre la longitud y el ancho (l/b) es mayor de 1.5

Pasos para desarrollar..........

2

Alejandro Salazar J. Profesor Titular Universidad del Valle

•



l =Longitud de la partícula



b =Ancho de la partícula

Partícula Plana: Aquella cuya relación entre el espesor y el ancho (d/b) es menor de 0.5 

d = Espesor de la Partícula



b = Ancho de la partícula

La misma especificación plantea en su ítem 4.2, que “cuando se realice una clasificación manual sobre una muestra de tamaño especificado, (ver Tabla Nº 1), el porcentaje de partículas indeseables, como partículas planas o alargadas, no deberá ser mayor del 50% de la masa total de la muestra”. TABLA N° 1: TAMAÑO ESPECIFICADO DE UNA MUESTRA DE AGREGADO Tamiz ICONTEC (mm)

Masa de la muestra (gr.)

9.51 a 12.70

200

12.70 a 19.00

600

19.00 a 25.40

1,500

25.40 a 38.10

4,500

38.10 a 50.80

12,000

En general se podrá efectuar una clasificación en función de la forma así: •

Redondeados : Cantos rodados

•

Irregulares:

Agregados de Minas



Planas:

Espesor/ancho < 0. 5 - triturados



Largas:

Longitud/ancho > 1. 5 - triturado



Cúbica:

Longitud = ancho = espesor - triturado

La norma francesa ha definido al Coeficiente Volumétrico de Forma (CFv), como la relación entre el volumen de una partícula de agregado y el volumen de la esfera de diámetro igual a la mayor dimensión de la partícula.

Pasos para desarrollar..........

3

Alejandro Salazar J. Profesor Titular Universidad del Valle

Si V, en cm3, es el volumen de la particular y n es la mayor dimensión, entonces: CFv = V/(

π

n3/6)

En la práctica, se toma un conjunto de partículas, entre 200 y 1.000 gr., de peso total y se calcula así: CFv = ∑V/ ∑(

π

n3/6)

En la Tabla Nº 2, se presentan los coeficientes mínimos prescritos por la norma francesa. TABLA Nº 2: COEFICIENTES VOLUMÉTRICOS DE FORMA MÍNIMOS Tipo de Concreto

Tamaño Máx. > 20 mm.

Tamaño Máx. < 20 mm.

Concreto Armado

0.20

0.15

Concreto Impermeable

0.20

0.15

Concreto Masivo

0.15

0.12

Para concreto de alta calidad con agregados entre 25.4 y 12.7 mm se recomienda un coeficiente de forma mínimo de 0. 25. Para agregados triturados, el coeficiente de forma decrece a medida que disminuyen sus dimensiones. Las arenas deben ser en lo posible de formas redondeadas. 1.1.2 LA TEXTURA SUPERFICIAL Está referida al grado en que la superficie de una partícula se encuentre pulida, suave, áspera, porosa. Cuando se incrementa en un agregado las superficies lisas o pulidas, decrece el área de contacto y con ello la adherencia del mortero o la pasta, pero a su vez para igualdad de trabajabilidad, requieren menos pasta de lubricación los agregados lisos que los rugosos. Existe un decrecimiento de las resistencias a flexión en los concretos que usan agregados lisos respecto a otros con agregados rugosos. Todos a igualdad de dosificación. En el siguiente ejemplo se presenta un caso.

Pasos para desarrollar..........

4

Alejandro Salazar J. Profesor Titular Universidad del Valle

Caso I:

Elaboración de tres concretos con distintas texturas de agregados

La dosificación de cemento fue igual para cada caso, con un contenido de 320 kg/m3 de concreto. Los agregados empleados tenían un tamaño máximo de 1½”. Todas las mezclas fueron trabajadas con igual asentamiento. En la Tabla Nº 3, se presentan los resultados de este caso. TABLA Nº 3:

EFECTO DE LA TEXTURA SUPERFICIAL EN LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DEL CONCRETO

Partículas (%)

a/c

Resistencia a 28 días (kg/cm2)

Lisas

Rugosas

Flexión

Compresión

100

0

0.53

41.7

340

50

50

0.57

45.2

315

0

100

0.60

47.0

289

La textura superficial depende de la dureza, el tamaño del grano y la porosidad de la roca original, así como del esfuerzo aplicado para la reducción de tamaño. Se puede dar una clasificación de los agregados, por textura superficial, así: Textura Superficial

Ejemplos

-

Vítrea

Escorias, Vitrificadas, pedernal

-

Lisa

Canto Rodados, mármoles

-

Aspera

Triturado de caliza, basalto, diabasa

-

Porosa

ladrillo, pumicita, agregados ligeros

1.1.3 Película Superficial. Es cualquier material adherido a la partícula de agregado y generalmente se deposita después del beneficio de este. Esta constituida, casi siempre, por material fino de la misma mineralogía de la partícula del agregado. Las capas pueden ser naturales, fruto del proceso de la formación geológica de la roca madre, así como artificiales generadas por el proceso de beneficio. En el primer caso, puede ser arcilla, cuarcita, calcita, etc.; en el segundo por lo general, es polvillo o polvo adherido en el proceso de trituración. Por esto

Pasos para desarrollar..........

5

Alejandro Salazar J. Profesor Titular Universidad del Valle

la práctica común es que todo material triturado debe lavarse antes del suministro. Este polvo genera una mayor demanda de agua por lo que la resistencia del concreto se ve perturbada negativamente. Si en el proceso de mezclado esta capa no se desprende, entonces la resistencia del concreto se verá afectada por deficiencia en la adherencia, de la pasta o del mortero, al agregado. En cuanto a la adherencia entre el agregado y la pasta de cemento, generalmente cuando ésta es buena, en un concreto preparado con materiales triturados aparecerán algunos de éstos agregados fracturados dentro de la masa y una gran cantidad de espacios que muestran material arrancado totalmente de su lugar. Un exceso de partículas fracturadas sugerirá la presencia de un agregado débil. 1.2

DETERMINACIÓN DEL ESPACIO LIBRE MÍNIMO (% ESPACIO VACÍO)

•

Es necesario conocer previamente de cada agregado a utilizar, el peso unitario o volumétrico, suelto y compactado, la absorción y la gravedad específica. También se determinará la humedad del agregado. Hay que seguir las normas respectivas.

•

Determinación de la velocidad inicial de absorción. El procedimiento es el siguiente:  En una probeta graduada (mínimo 1000 cm3 de capacidad), se introduce una muestra representativa del agregado en prueba, siempre y cuando éste se encuentre en estado de absorción libre. El agregado se cubre totalmente con agua, buscando enrasar el menisco con alguna marca de graduación de la probeta, siempre por encima de la superficie del agregado superior. Ver Figura Nº 1. Se mide el cambio de volumen presentado en los primeros 10 minutos de la prueba. Si éste es imperceptible o mínimo, se considera como constante la absorción y se procede a la determinación de los espacios libres utilizando el método con agua. Caso contrario, será necesario trabajar con los agregados en estado de superficie seca saturada. Nivel Original

= 1000 cc

Nivel final

= 998 cc

Diferencia

=

2 cc

%

=

0.2

1 0 0 0 9 9 8 7 5 0

5 0 0

2 5 0 Pasos para desarrollar..........

6

Alejandro Salazar J. Profesor Titular Universidad del Valle

Valor no significativo.

Figura Nº 1: Medición de la Velocidad de Absorción

•

Determinación de la Proporción Óptima de Agregados por el Método de Espacios Libres o Porcentaje de Vacíos. Consiste en ensayar las mezclas de los agregados en diferentes proporciones del peso de arena y grava. Como ejemplo se pueden seguir las siguientes dósis: 0:100, 30:705, 50:50, 70:30, 100:0 Realizada la mezcla, se determina el peso unitario compactado de cada una de las mezclas de agregados. Los agregados deberán estar en el estado en que se encuentran en el depósito y así se deberán probar. Sí el resultado de la prueba de velocidad inicial de absorción del agregado no es significativo, se continúa el experimento. Si la velocidad de absorción inicial es significativa, los agregados deberán llevarse al estado de superficie seca saturada. En el mismo recipiente de la prueba de peso unitario y con el material compactado, se procede a incorporar agua hasta que ella se rebose. Se determina la cantidad de agua adicionada. Este valor corresponde al espacio vacío en volumen. Como se conoce el volumen inicial del recipiente, se puede determinar cual es el porcentaje de espacio vacío resultante. Se construye una gráfica de % de espacio Vacío v.s. Proporción de agregados. Se encuentra por interpolación cual es el mínimo valor de porcentaje y ese identifica la proporción de agregados. En la tabla 1 y la gráfica 1, se observa los resultados de un experimento con agregados comerciales. Tabla 1:

Resultados experimentales de mezclas de una arena y una grava comercial %G 0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0

Pasos para desarrollar..........

%A 100,0 90,0 80,0 70,0 60,0 50,0 40,0 30,0

Puc (Kg/cm3) 1.54 1.77 1.68 1.70 1.76 1.86 1.86 1.77

EL (cm3) 995,0 900,0 810,0 800,0 710,0 660,0 690,0 810,0

%EL 34,9% 32,0% 28,4% 28,1% 24,2% 23,2% 24,2% 28,4%

7

Alejandro Salazar J. Profesor Titular Universidad del Valle

80,0 90,0 100,0

20,0 10,0 0,0

1.72 1.57 1.46

875,0 1.090,0 1.230,0

30,7% 38,2% 43,2%

Estos resultados se pueden graficar así: Gráfica 1: PROPORCIÓN ÓPTIMA DE AGREGADOS EN FUNCIÓN DEL ESPACIO LIBRE % ESPACIO LIBRE

45,0% y = 0,0061x2 - 0,067x + 0,4244 R2 = 0,9582

40,0% 35,0% 30,0% 25,0% 20,0% 0,0

10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 80,0 90,0 100,0

% GRAVA

•

Determinación del Peso Unitario Compactado de la Pasta de Cemento de Distintas Relaciones a/c Se preparan diferentes pastas con relaciones a/c definidas dentro de los valores típicos de trabajo en el medio. Por ejemplo, relaciones a/c: 0.40, 0.50, 0.60, 0.70 Se construye un gráfico de Relación a/c v.s. Peso Unitario de la Pasta (suelto, compactado). Ver gráfico 2. Se toma un valor relativo, uno de los más utilizados por la experiencia, 0.6 por ejemplo. Se interpola y se encuentra el peso unitario de la pasta.

Pasos para desarrollar..........

8

Alejandro Salazar J. Profesor Titular Universidad del Valle

1950 1900 1850

3

(kg/m )

Peso unitario Compactado de la Pasta

Peso Unitario Compactado de la Pasta V.S. Relación a/c

1800 1750 1700 1650 0,35

0,45

0,55

0,65

0,75

Relación a/c

GRÁFICO 2: RELACIÓN A/C V.S. PESO UNITARIO DE LA PASTA

•

Con este valor y el valor del espacio vacío, es posible determinar la cantidad de pasta óptima para llenar dichos espacios. Por ejemplo, sí el espacio vacío es del 23% y el peso unitario de la pasta es de 1730 kg/m 3, en 1 m3 de concreto habrán 230 litros de espacios vacíos, en los cuales se ubican 398 kg de pasta de relación agua cemento 0.6. Ello significa utilizar 249 kg de cemento y 149 lt de agua. Como esta cantidad de pasta es exactamente la necesaria para llenar los espacios vacíos, la mezcla que se prepare con ella no será plástica. Ello significa que el paso siguiente será encontrar la cantidad de pasta que consigue la trabajabilidad o consistencia buscada.

•

Sí la relación óptima de agregados encontrada, corresponde al 50% de Arena y 50% de Grava, la relación agua cemento es de 0.6 y se estima que el peso del concreto es de 2350 kg/m3, es posible diseñar mezclas que tengan un incremento de la participación de la cantidad de pasta conservando la relación agua cemento. Por ejemplo, en la Tabla Nº 4 se presentan varias cantidades de pasta.

TABLA Nº 2: VARIACIÓN DE LA CANTIDAD DE PASTA CONSERVANDO LA RELACION a/c CONSTANTE Cantidad de cemento (kg) 243,75 278,75 337,50 357,50 393,75

Pasos para desarrollar..........

Cantidad de agua (kg) 146,25 167,25 202,50 214,50 236,25

Cantidad de Pasta (kg) 390,00 446,00 540,00 572,00 630,00

Asentamiento (cm) 3,30 4,32 6,35 7,11 8,64

9

Alejandro Salazar J. Profesor Titular Universidad del Valle

Para

a/c =

0,60

Es necesario hacer una corrección a la dosificación original, puesto que al incrementar la cantidad de pasta, el incremento de volumen que ella ocasiona debe restarse del volumen de agregados. Como se conoce el peso unitario de la pasta, por ejemplo para este caso es de 1.730 kg/m3, y el peso unitario de la mezcla de agregados establecida como óptima, por ejemplo 1860 kg/m3, será fácil establecer cual es la corrección. Así, al calcular el incremento del peso de la pasta entre las mezclas 2 y la 1 de la Tabla Nº 4, este es de 56 kg. Ello significa un volumen de 0.03236 m3, que en peso de agregados significa restar 60,2 kg. Así el volumen del concreto permanece fijo, aunque su peso cambia ligeramente, pero se esta conservando la relación de vacíos original del 23%. Evidentemente al elaborar esta mezcla su trabajabilidad será mayor que la primera. De esta forma se continúa trabajando para construir un gráfico de Cantidad de Pasta v.s. Asentamiento. Ver gráfico Nº 3. Se hace la interpolación y se define cual es la cantidad de pasta óptima para conseguir el asentamiento definido. Con ello se tiene la dosificación y por ende un resultado de resistencia. Cuando se tiene experiencia con los materiales locales, esta aproximación se realiza partiendo de la información del agua requerida comúnmente para conseguir el asentamiento solicitado. Hay que recordar que el agua es la única variable independiente en el diseño de mezclas. ASENTAMIENTO EN FUNCIÓN DE LA CANTIDAD DE PASTA Asenatmineto (cm.)

10,0 8,0 6,0 4,0 2,0 350

400

450

500

550

600

650

Cantidad de pasta

GRÁFICO Nº 3: CANTIDAD DE PASTA V.S. ASENTAMIENTO

Pasos para desarrollar..........

10

Alejandro Salazar J. Profesor Titular Universidad del Valle

Se procede a variar el valor de la relación a/c, por encima ó por debajo de 0.6, y se repite el procedimiento descrito anteriormente hasta disponer de datos que permitan elaborar la gráfica de relación a/c v.s. resistencia. Ver tabla 3 y gráfico Nº 4.

edad 3 7 28

RESISTENCIA (MPa) a/c 0,6 0,7 13,5 11,0 18,6 15,7 26,3 21,4

0,5 20,2 23,1 33,4

0,8 5,1 9,1 11,4

Resistencia a Compresión V.S. Relación a/c

Resistencia a Compresión (MPa)

35,0 30,0 25,0 3 días

20,0

7 días 28 días

15,0 10,0 5,0 0,5

0,6

0,7

0,8

Relación a/c

GRÁFICO Nº 4: RELACIÓN a/c V.S. RESISTENCIA Todo lo anterior permite reconocer un método de diseño basado en una deducción permanente y segura que garantiza la reproducibilidad de las mezclas. Este principio de diseño esta basado en las propiedades reales de los materiales y las mezclas y su certeza dependerá fundamentalmente de atender los requerimientos que la tecnología del concreto le asigna al clima, al medio ambiente, a satisfacer las condiciones del proceso de elaboración, transporte, colocación y curado del concreto. Con este método se consigue la optimización de la dosis de cemento, lo cual redunda en mayor durabilidad y estabilidad de las obras y en alcanzar notables economías en el costo del producto. Los datos suministrados son de un diseño real.

Pasos para desarrollar..........

11

1

O’Reilly, Díaz, V., “Método para dosificar concretos de elevado desempeño”, IMCYC 2007, ISBN 968464-.

2

Arredondo F. et Al, “Los Aridos en la Construcción. Extracción, preparación, utilización.”, Editores Técnicos Asociados, S.A., Barcelona, 1967.

3

Salazar, A., “Síntesis de la Tecnología del Concreto”, Editor Universidad del Cauca, 4º Edición, Popayán, Mayo de 2006.