462-461-1-pb

Revista arbitrada venezolanadel Ncleo LUZ-Costa Oriental del LagoISSN: 1836-5042 ~ Depsito legal pp 200602ZU2811Vol. 7 N 2, 2012, pp. 276 - 288

Comportamiento mecnico de concretoselaborados con sustitucin del agregado

grueso por poliestireno expandido

Margarita Villasmil e Igor RodrguezCoordinacin de Postgrado e Investigacin, Ncleo LUZ-COL

[email protected]

ResumenLa mezcla de concreto convencional es una masa plstica moldeable; que al cabo de al-

gunas horas comienza a endurecer y a adquirir el aspecto, comportamiento y propiedades deun cuerpo slido, para convertirse finalmente en el material mecnicamente resistente que esel concreto endurecido. En este tipo de mezcla, el agregado (grueso y fino) constituyen cercadel 70% del volumen total del concreto; es importante por tanto estudiar sus propiedades, yseleccionar el agregado de mejor calidad de esta manera obtener un concreto resistente y eco-nmico, de acuerdo a los ensayos recomendados por la Comisin Venezolana de Normas In-dustriales (COVENIN). El objetivo principal de esta investigacin fue determinar el comporta-miento mecnico de concretos, en cuya mezcla se sustituye el agregado grueso por poliestire-no expandido, bajo relaciones agua-cemento (a/c) de 0.50, 0.55 y 0.60; y densidades de 1600 y1800 kg/cm3 buscando obtener una trabajabilidad ptima y la resistencia a la compresin a laedad de 7 y 28 das. Los ensayos se realizan de acuerdo a los procedimientos descritos por en-tes contralores como el Comit Conjunto de Concreto Armado (CCCA) y COVENIN. Las resis-tencias mecnicas obtenidas para la densidad de 1600 Kg/cm3presentan en promedio 154Kg/cm2 a los 28 das, considerado viable para su utilizacin en elementos solicitados por car-gas estticas menores. Para densidad 1800 Kg/cm3, se encontr en promedio 250 Kg/cm2,aceptable tericamente, pero en anlisis prctico, el material tiene comportamiento viscoels-tico con uso no aceptable en elementos estructurales ni tampoco se recomienda en elementossometidos a cargas estticas menores.

Palabras clave: comportamiento mecnico, sustitucin, agregado grueso, poliestireno ex-pandido, resistencia mecnica.

276

RECIBIDO: 20/07/2012 ACEPTADO: 18/10/2012

Mechanical Behavior of Concrete ElaboratedSubstituting Expanded Polystyrene for Large Aggregate

AbstractThe conventional concrete mixture is a moldable, plastic mass that begins to harden af-

ter some hours and acquires the aspect, behavior and properties of a solid body, to finally be-come the mechanically resistant material that is hardened concrete. In this type of mixture, ag-gregate (large and fine) is about 70% of the total concrete volume; therefore, it is important tostudy its properties and select the best quality aggregate to obtain resistant and economicalconcrete that passes the tests recommended by the Venezuelan Commission for IndustrialStandards (COVENIN). The main aim of this research was to determine the mechanical behav-ior of concrete in which the large aggregate is replaced with expanded polystyrene, underwater-cement relationships (w/c) of 0.50, 0.55 and 0.60, and densities of 1600 and 1800kg/cm3, seeking to obtain optimal workability and resistance to compression at 7 and 28 days.Tests were made following the procedures described by controllers such as the Joint Commit-tee for Reinforced Concrete (CCCA) and COVENIN. The mechanical resistances obtained for thedensity of 1600 Kg/cm3 present an average of 154 Kg/cm2 at 28 days, considered viable for usein elements bearing minor static loads. For the density of 1800 Kg/cm3, an average of 250Kg/cm3 was found, theoretically acceptable, but in practical analysis, the material evidencesviscoelastic behavior, unacceptable for use in structural elements, nor is it recommended forelements submitted to minor static loads.

Key words: mechanical behavior, substitution, large aggregate, expanded polystyrene,mechanical strength.

Introduccin

El concreto es un material durable, resistente y dado que se trabaja en su esta-do plstico, puede moldeado para adquirir cualquier forma, esta caracterstica esuna de las razones por la que es un material de construccin ampliamente utilizado.El concreto de uso comn o convencional, se produce mediante la mezcla de trescomponentes esenciales: cemento, agua y agregados, a los cuales eventualmente seincorpora un cuarto componente que genricamente se designa como aditivo. Almezclar estos componentes y producir lo que se conoce como una mezcla de con-creto, se introduce de manera simultnea un quinto participante: el aire.

La mezcla de estos componentes produce una masa plstica que puede sermoldeada y compactada con relativa facilidad, que gradualmente pierde esta ca-racterstica hasta que al cabo de algunas horas se torna rgida y comienza a adqui-rir el aspecto, comportamiento y propiedades de un cuerpo slido, para convertir-se finalmente en un material mecnicamente resistente que es el concreto endure-cido (Porrero, 1996).

En la mezcla de concreto, el agregado grueso y fino constituyen del 70% al 80%del volumen total de la misma, por tanto es importante conocer sus propiedades y

Impacto Cientfico. Revista arbitrada venezolanadel Ncleo LUZ-Costa Oriental del Lago ~ Vol. 7 N 2, 2012, pp. 276 - 288 277

seleccionar de entre varios agregados el de mejor calidad, para obtener un concretoresistente y econmico, de acuerdo a los ensayos recomendados por la ComisinVenezolana de Normas Industriales (COVENIN).

En esta investigacin, se sustituye el agregado grueso por un producto indus-trial: poliestireno expandido conocido como poliexpam, este es obtenido del po-liestireno con incorporacin del pentano como agente expansivo. Son perlas esfri-cas y vtreas que se expanden por calentamiento con vapor, aire caliente o calor ra-diante, hasta su punto de ablandamiento (aproximadamente 100C), la liberacin yvaporizacin del pentano, produciendo la expansin de las perlas.

Este material posee caractersticas especiales, distintas a los agregados co-mnmente utilizados en la obtencin de mezclas de concretos, las cuales se puedenresumir as: peso unitario extremadamente bajo, excelente aislamiento trmico, es-tructura celular cerrada, ninguna absorcin de agua, forma esfrica estticamentemuy favorable, es auto-extinguible.

Actualmente, por su economa, ligereza, propiedades trmicas y alto rendi-miento, sus aplicaciones son han sido tales como en: aislamiento trmico de techos,aislamiento de equipo de proceso, prefabricacin de volmenes, construccin de vi-viendas, ajuste de pendientes en techumbre, construccin ligera en general.

El presente trabajo propone realizar un estudio del comportamiento mecnicode concretos elaborados con sustitucin del agregado grueso por poliestireno ex-pandido, cumpliendo con las normativas y empleando conocimientos estadsticos,con el fin de dar mayor confiabilidad a los resultados. Esta caracterizacin se enfocaprincipalmente en conocer el comportamiento de la mezcla de concreto propuesta adistintas relaciones agua-cemento (a/c), determinando su resistencia a la compre-sin (Rc), creando un conjunto de grficas y registros tabulados que junto a comen-tarios y conclusiones procedentes de la investigacin, representen cuantitativa ycualitativamente los resultados del estudio.

Procedimiento experimental

Determinacin del rango de relaciones agua-cemento (a/c)para cada densidad de concreto

Se realizaron muestras de prueba, ejecutando el ensayo de flujo, mediante elcual se determinaron los valores de la relacin a/c, siguiendo el procedimiento des-crito en la Norma COVENIN1610-80, obtenindose valores de 0,50, 0,55 y 0,60.

Determinacin del muestreo

Segn lo establecido en la Norma COVENIN 3549-99:30, para la evaluacin es-tadstica de cada relacin a/c y densidad de la mezcla de concreto, deben contarsecon no menos de 30 series de probetas, para obtener resultados confiables, bajo esta

Comportamiento mecnico de concretos elaborados con sustitucin del agregado...278 Villasmil y Rodrguez

premisa, se deben obtener como mnimo 360 probetas, para el estudio de 3 valoresde relaciones agua/cemento.

Tabla 1. Clculo de muestra

Densidad(kg/m3)

Resistencia a Nmero de probetasRelacin agua-cemento

Totalprobetas

0,50 0,55 0,60

1600

7 das 60 60 60 180

28 das 60 60 60 180

360

1800

7 das 60 60 60 180

28 das 60 60 60 180

360Fuente: Los autores.

Ensayos de los agregados

Ensayo para determinar el peso especfico y el porcentajede vacos del poliestireno expandido

El objetivo de este ensayo, es determinar el peso especfico y la relacin de va-co en el poliestireno expandido, con la finalidad de calcular la dosificacin en peso yvolumen de este agregado en la elaboracin de la mezcla de concreto.

En la realizacin de este ensayo, se utiliz un frasco de tapa hermtica, en lacual se hizo un orificio, que se cubri con una malla plstica; lo cual permite intro-ducir agua en el frasco, sin que las perlas de poliestireno escapen del envase y pue-dan as ser determinados los volmenes respectivos por desalojo de agua.

Entonces, el peso especfico del poliestireno y el porcentaje de vacos, se en-cuentra por las expresiones:

YP

Vpp

p

= (ec. 1)

%VV

Vrv

=

100(ec. 2)

donde:

Yp : peso especfico del poliestireno

pp : peso del poliestireno

Vp : volumen del poliestireno


Vv : volumen de vaco

Vr : volumen del recipiente = 1000 cm.

De aqu, se encuentra:

Tabla 2. Caractersticas fsicas del poliestireno expandido

Ensayo Resultado obtenido

Peso especfico 1,86 g/cm3

% de vacos 40,9%Fuente: Los autores.

Ensayo granulomtrico

Este ensayo se realiz para determinar el mdulo de finura del agregado fino oarena blanca, el cual es un indicador de la gradacin del agregado. Para este ensayose utiliz una tamizadora, con tamices normativos de acuerdo al mtodo de ensayopara determinar la composicin granulomtrica de agregados finos y gruesos de lanorma COVENIN 255.1998.

Determinacin por lavado de contenido de finos

Utilizando un tamiz N 200, se efectu el ensayo segn el mtodo de ensayopara la determinacin por lavado del contenido de material ms fino que el cedazode 74 micras en agregados minerales, expuesto en la Norma COVENIN 258-77.

Determinacin de impurezas orgnicas

Para determinar la presencia de impurezas orgnicas se realiz el ensayo colo-rimtrico que la norma COVENIN 256-77recomienda para el concreto.

Determinacin del peso especfico y la absorcin del agregado fino

El peso especfico y la absorcin fueron determinados para la arena blanca, deacuerdo al mtodo exigido en la Norma COVENIN 268-78.

Determinacin del peso unitario del agregado

El peso unitario del agregado fino o arena blanca, se determin usando el m-todo de ensayo estipulado en la Norma COVENIN 263-78.


Diseo de la mezcla

El diseo de la mezcla de concreto ligero con poliestireno expandido, se hizobasado en las consideraciones planteadas para el diseo de mezclas, tanto en suscondiciones de peso y volumen, como en las caractersticas de los agregados, pro-puesto Naranjo y col (1980), que segn las caractersticas de los agregados, se esta-blecen las relaciones en peso de arena-cemento y agua-cemento.

La relacin arena-cemento, se fija segn el valor del mdulo de finura de laarena como sigue:

M Xf150 2 2,

= (ec. 3)

donde:

M f : mdulo de finura

X : relacin arena-cemento.

Para el diseo de la mezcla de concreto ligero se utiliz x = 2 ya que se trabajcon un mdulo de finura de 1,70.

La relacin arena-cemento se expresa:

XAr

CC

ArX

= =Arena

Cemento( )

( )(ec. 4)

La relacin agua-cemento ser:

YW

CW Y C= =

AguaCemento

( )( )

(ec. 5)


Tabla 3. Resumen de las caractersticas fsicas de la arena blanca

Ensayo efectuado Resultado obtenido Normativa

Mdulo de finura 1,73 Entre 2,3 a 3,1

Peso especfico 2,50 g/cm3 Entre 2,3 y 2,9 g/cm3

Peso especfico saturado consuperficie seca

2,49 g/cm3 Entre 2,3 y 2,9 g/cm3

Porcentaje de absorcin 1,20% 0-8%

Materia orgnica N 1 en la escala de Gadner No ms oscuro que N 3

Peso unitario Suelto:1478,67 Kg/m3

Compacto:1568,24Kg/m3Compacto: entre 1282 y 1922

Kg/m3

Fuente: Los autores.

donde el valor de Y, se fija considerando la resistencia y la trabajabilidad que se de-see de la mezcla, y est comprendida entre 0.5 y 0.7.Para el diseo de mezcla utiliza-da en este trabajo, se usaron las relaciones de Y de 0,50, 0.55 y 0,60.

Establecidas ambas relaciones, se determinan las condiciones de peso y volu-men que debe cumplir la mezcla del concreto a disear.

Condicin de peso

La dosificacin de la mezcla debe cumplir:

D = P + C + Ar + W E (ec. 6)

donde:

D : densidad de la mezcla.

P: peso del poliestireno expandido

C: peso del cemento

Ar : peso de la arena

W : peso del agua

E: prdida por evaporacin, tomando E = W 0.26C, siendo 0.26C el decrementopor hidratacin del cemento.

En la ecuacin 6, se hace la sustitucin utilizando las ecuaciones 4, 5 y el valorE, obteniendo:

D P ArX

= +

1

126,(ec. 7)

Si se denomina Z a la expresin:

ZX

= 1126,

(ec. 8)

Se obtiene:

D P Ar Z= + ( ) (ec. 9)

donde para cada densidad, el peso de arena requerido para la mezcla ser:

ArD P

Z=

(ec. 10)

Condicin de volumen

La mezcla de concreto, tambin debe cumplir que para 1000 lts:


P C Ar WV

P C Ar W + + + + =1000 lts (ec. 11)

donde:

P : peso especfico del poliestireno expandidoC : peso especfico del cementoAr : peso especfico de la arenaW : peso especfico del aguaV : volumen de aire atrapado.

Ahora, si llamamos L a:

L = 1000 V (ec. 12)

Y sustituyendo las ecuaciones 4 y 5, en la condicin de volumen, se tiene:

LP Ar

XAr Ar Y

XP Ar Ar W= + + +

1

Simplificando la ecuacin:

LP

ArX Xp C Ar W

= +

+ +

1 1 1

Si se llama U a la expresin:

UX

YXC Ar W

=

+ +

1 1

Quedar:

LP

Ar Up

= +

Sustituyendo la ecuacin 10, y despejando p, se obtiene:

PL

D UZUZP

=

1

(ec. 13)

Con las ecuaciones planteadas, es posible dosificar cualquier mezcla de con-creto ligero, en la densidad requerida, bajo las condiciones que presente los compo-


nentes de la mezcla. Para determinar la dosificacin de la mezcla con estas ecuacio-nes, se realiza de la siguiente manera:1. Se determina el peso del poliestireno expandido, con la ecuacin 132. Este valor se sustituye a su vez en la ecuacin 10, y se determina el peso de la

arena.3. Este ltimo se sustituye en las ecuaciones 5 y 6, y se encuentran los pesos de

cemento y agua respectivamente.

En este trabajo, se utilizaron densidades de diseo para el concreto ligero de1600 y 1800 Kg/cm3, conocida todas las caractersticas fsicas de los materiales, sepresentan la dosificaciones para la mezcla de concreto ligero a utilizar en densida-des1600 y 1800Kg/cm3.

Tabla 4. Dosificacin de Concreto LigeroDensidad 1600 kg/cm3 y relacin a/c de 0,50

Material PesoKg

Peso especficoKg/cm3

Volumenlt

Poliestireno 3,38 1,86102 181,72

Arena blanca 979,52 2,5 391,81

Cemento 489,76 3,15 155,48

Agua 244,88 1 244,88

Aire atrapado 25 25,0

E 117,54Fuente: Los autores.


Material PesoKg


Volumenlt

Poliestireno 3,20 1,86102 172,04

Arena blanca 979,63 2,5 391,85

Cemento 489,81 3,15 155,50

Agua 269,40 1 289,40





Material PesoKg


Volumenlt

Poliestireno 2,46 1,86102 132,26

Arena blanca 980,01 2,5 392,00

Cemento 490,01 3,15 155,56

Agua 249,00 1 249,00




Material PesoKg


Volumenlt

Poliestireno 1,56 1,86102 83,87

Arena blanca 1103,34 2,5 441,34

Cemento 551,67 3,15 175,13

Agua 275,84 1 275,84




Material PesoKg


Volumenlt

Poliestireno 1,15 1,86102 61,83

Arena blanca 1103,58 2,5 441,43

Cemento 551,79 3,15 175,17

Agua 303,48 1 303,48





Material PesoKg


Volumenlt

Poliestireno 0,53 1,86102 28,49

Arena blanca 1103,97 2,5 441,59

Cemento 551,99 3,15 175,23

Agua 331,19 1 331,19



Ensayo de especmenes

Se realizaron ensayos de compresin a las probetas obtenidas en densidad1600 y 1800 kg/cm3 y relacin a/c indicadas, siguiendo las directrices estipuladas enla Norma COVENIN 1976:2003 respecto al tratamiento estadstico de los resultados.

Tabla 10. Parmetros Estadsticos densidad 1600 kg/cm3 lote a los 7 das

Parmetrosestadsticos

a/c = 0,50 a/c = 0,55 a/c = 0,60

Rc (kg/cm2)

Resistencia media 120,301 132,52 109,86

Desviacin estndar 11,0297 3,73 5,56Fuente: Los autores.



a/c = 0,50 a/c = 0,55 a/c = 0,60

Rc (kg/cm2)





a/c = 0,50 a/c = 0,55 a/c = 0,60

Rc (kg/cm2)






a/c = 0,50 a/c = 0,55 a/c = 0,60

Rc (kg/cm2)



Conclusiones

En general se puede expresar que las caractersticas de esta mezcla de concre-to ligero, satisface las especificaciones para concretos y morteros de rganos com-petentes al control de calidad de los materiales, por otra parte se obtuvo una mezclacon buena trabajabilidad y econmica y como un punto de inters.

Sin embargo, la caracterstica de mayor inters en el estudio corresponde a laresistencia mecnica del material, lo cual incide en el uso que puede drsele dentrode la industria de la construccin.

Las resistencias mecnicas obtenidas para la densidad de 1600 Kg/cm3 oscilanen los 154 Kg/cm2 a los 28 das, es decir a su resistencia mxima, el cual no es consi-derado apto para uso estructural, siendo viable para ser utilizado en elementos queno estn solicitados por cargas estticas o dinmicas dentro de la infraestructura,pero si a cargas estticas menores.

Al observar los resultados obtenidos para la densidad de estudio de 1800Kg/cm3, se han encontrado valores que a primera instancia, se pueden interpretarque el material es apto para su uso en estructuras, empero los valores obtenidos queoscilan en 250 Kg/cm2, exceden los valores esperados para un concreto aligerado, locual lleva a un anlisis del comportamiento del poliestireno expandido, el cual tieneun comportamiento elstico, al contener estos cilindros de prueba una mayor canti-dad del material sustitutivo, permite al cilindro que su rotura suceda ms all de loesperado por efecto de la presencia de la elasticidad del material que se comporta demanera viscoelstica.

Por tanto, aun cuando se ha obtenido una resistencia mecnica aceptable te-ricamente, en el anlisis prctico, la densidad de 1800 Kg/cm3, no tiene uso acepta-ble en elementos estructurales, y tampoco se recomienda en elementos sometidos acargas menores.

Referencias bibliogrficas

Porrero, J., Salas, R., Ramos, C., Grases, J. y Velazco, G. (1996). Manual del concreto. EdicionesSIDETUR, Caracas.


Naranjo, H., Arizmendi, M. y Castillo. M. (1980). Determinacin de ciertas orientaciones para eldiseo de mezclas de concreto ligero con poliestireno. Tesis de Grado. Universidad delZulia,

Norma COVENIN 1610-80. Mtodo de ensayo para determinar el flujo de concreto por mediode la mesa de cadas.

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Norma COVENIN 255-77. Mtodo de ensayo para determinar la composicin granulomtricade agregados finos y gruesos. CCCA: Ag 2 1968.

Norma COVENIN 258-77. Mtodo de ensayo para la determinacin por lavado del contenidode material ms fino que el cedazo COVENIN 74 micras en agregados minerales.

Norma COVENIN 256-77. Mtodo de ensayo para la determinacin cualitativa de impurezasorgnicas en arenas para concreto (ensayo colorimtrico).

Norma COVENIN 268-78. Mtodo de ensayo para determinar el peso especfico y la absorcindel agregado fino.

Norma COVENIN 263-78. Mtodo de ensayo para determinar el peso unitario del agregado.

Norma COVENIN 1976:2003. Concreto. Evaluacin y mtodo de ensayo. 3ra revisin.


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