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Diseño de mezclasTRANSCRIPT
DISEÑO DE MEZCLAS
Secuencia de diseño:
Los siguientes pasos se consideran fundamentales en el proceso de selección de las
proporciones de la mezcla para alcanzar las propiedades deseadas en el concreto.
Ellos deben efectuarse independientemente del procedimiento de diseño
seleccionado.
1. Estudiar cuidadosamente los requisitos indicados en los planos y en las
especificaciones de obra.
2. Seleccionar la resistencia promedio requerida para obtener en obra la
resistencia de diseño especificada por el proyectista. En esta etapa se deberá
tener en cuenta la desviación estándar y el coeficiente de variación de la
compañía constructora, así como el grado de control que se debe ejercer en
obra.
3. Seleccionar, en función de las características del elemento estructural y del
sistema de colocación del concreto, el tamaño máximo nominal del agregado
grueso.
4. Elegir la consistencia de la mezcla y expresarla en función del asentamiento de
la misma. Se tendrá en consideración, entre otros factores la trabajabilidad
deseada, las características de los elementos estructurales y las facilidades de
colocación y compactación del concreto.
5. Determinar el volumen de agua de mezclado por unidad de volumen del
concreto, considerando el tamaño máximo nominal del agregado grueso, la
consistencia deseada y a presencia de aire, incorporado o atrapado, en la
mezcla.
6. Determinar el porcentaje de aire atrapado o el de aire total, según se trate de
concretos normales o de concretos en los que exprofesamente, por razones de
durabilidad, se ha incorporado aire, mediante el empleo de un aditivo.
7. Seleccionar la relación agua – cemento requerida para obtener la resistencia
deseada en el elemento estructural. Se tendrá en consideración la resistencia
promedio seleccionada y la presencia o ausencia de aire incorporado.
8. Determinar el factor cemento por unidad cúbica de concreto, en función del
volumen unitario de agua y de la relación agua – cemento seleccionada.
9. Determinar las proporciones relativas de los agregados fino y grueso. La
selección de la cantidad de cada uno de ellos es la unidad cúbica de concreto.
Está condicionada al procedimiento de diseño seleccionado.
10. Determinar, empleando el método de diseño seleccionado, las proporciones de
la mezcla, considerando que el agregado está en estado seco y que el volumen
unitario de agua no ha sido corregido por humedad del agregado.
11. Corregir dichas proporciones en función del porcentaje de absorción y el
contenido de humedad de los agregados fino y grueso.
12. Ajustar las proporciones seleccionadas de acuerdo a los resultados de los
ensayos de la mezcla realizados en el laboratorio
13. Ajustar las proporciones finales de acuerdo a los resultados de los ensayos
realizados bajo condiciones de obra.
Nota: Sea cual fuere el método de diseño empleado, así como el mayor o menor
grado de refinamiento que se aplique en el mismo, el concreto resultante debe siempre
considerarse como un material de ensayo cuyas proporciones definitivas se
establecen en función de los resultados de las experiencias de laboratorio y las
condiciones de trabajo en obra.
A continuación se detalla cada paso:
1. Selección de la resistencia promedio
Las mezclas de concreto deben diseñarse para una resistencia promedio cuyo valor es
siempre superior al de la resistencia de diseño especificada por el ingeniero
proyectista.
La diferencia entre ambas resistencias está dada y se determina en función del grado
de control de la uniformidad y de la calidad del concreto realizado por el contratista y la
inspección.
Cálculo de la resistencia promedio
La resistencia a la compresión promedio requerida, la cual ha de emplearse como
base para la selección de las proporciones de la mezcla de concreto, deberá ser el
mayor de los valores obtenidos a partir de la solución de ecuaciones (1) ó (2), en las
que se empleará, según el caso, la desviación estándar calculada (s).
f’cr = f’c + 1.34 s……………....(1)
f’cr = f’c + 2.33 s – 35…………(2)
Cálculo de la desviación estándar (s)
Se debe tener un registro de resultados de ensayos de resistencia en compresión, a
partir del cuál se calculará la desviación estándar.
Para ello se realizará el muestreo de concretos preparados para alcanzar una
resistencia en compresión de diseño especificada del orden de la del trabajo a ser
iniciado; aceptándose un rango de variación de 35 kg/cm2 para resistencias en
compresión hasta de 280 kg/cm2, y de 70 kg/cm2 para resistencias mayores en
relación a la resistencia de diseño especificada para la obra propuesta.
Se debe contar de por lo menos 30 resultados de ensayos consecutivos, o de dos
grupos de ensayos consecutivos que totalicen por lo menos 30 ensayos
Para las condiciones mencionadas anteriormente, la desviación estándar se calculará
a partir de los resultados con que se cuenta, aplicando la siguiente ecuación:
Si se utiliza dos grupos de registros de resultados de muestras de ensayo para
totalizar por lo menos 30, la desviación estándar a ser empleada en el cálculo de la
resistencia promedio, deberá ser el promedio estadísticos de los valores calculados
para cada grupo de ensayos. Para determinarla se utilizará la siguiente ecuación:
Cuando no se cuente con un registro de resultados de ensayos que posibilite el cálculo
de la desviación estándar de acuerdo a lo indicado líneas arriba la resistencia
promedio requerida deberá ser determinada empleando los valores de la Tabla (1).
Tabla (1)
Los métodos anteriores corresponden al American Concrete Institute (ACI).
2. Selección del Tamaño máximo nominal del agregado grueso
La Norma ITINTEC 400.037 define al “Tamaño Máximo” como a aquel que
“corresponde al menor tamiz por el que pasa toda la muestra de agregado grueso”.
La Norma ITINTEC 400.037 define al “Tamaño Máximo Nominal” como a aquel que
“corresponde al menor tamiz de la serie utilizada que produce el primer retenido”.
Criterios de Selección:
Las normas de diseño estructural recomiendan que el tamaño máximo nominal del
agregado grueso sea el mayor que pueda ser económicamente disponible, siempre
que él sea compatible con las dimensiones y características de la estructura. Se
considera que, en ningún caso, el tamaño máximo nominal del agregado grueso
deberá exceder de los siguientes valores:
- Un quinto de la menor dimensión entre caras de encofrados.
- Un tercio del peralte de la losa.
- Tres cuartos del espacio mínimo entre barras o alambres individuales de
refuerzo
3. Selección del Asentamiento
El asentamiento es aquella característica del concreto no endurecido que define el
grado de humedad de la mezcla. De acuerdo a su consistencia, las mezclas de
concreto se clasifican en:
a) Mezclas secas; aquellas cuyo asentamiento está entre cero y dos pulgadas (0
mm a 50 mm).
b) Mezclas plásticas; aquellas cuyo asentamiento está entre tres y cuatro
pulgadas (75 mm a 100 mm).
c) Mezclas fluidas; aquellas cuyo asentamiento está entre cinco o más pulgadas
(mayor de 125 mm).
El ensayo del Cono de Abrams, es el que da una mejor idea de la humedad de la
mezcla de concreto.
Para la selección del asentamiento el Comité 211 del ACI presenta la siguiente tabla.
Tabla (2)
Los rangos indicados en esta tabla corresponden a concretos consolidados por
vibración. El asentamiento puede incrementarse en 1” si se emplea un método de
consolidación diferente a la vibración.
4. Selección del Volumen unitario de agua
Se refiere a la determinación de la cantidad de agua que se debe incorporar a la
mezcladora, por unidad cúbica de concreto, para obtener una consistencia
determinada cuando el agregado está al estado seco.
Como generalmente el agregado no es presenta en estado seco, la cantidad de agua
seleccionada deberá posteriormente ser corregida en función del porcentaje de
absorción y contenido de humedad del agregado.
El volumen unitario de agua, a partir del cual y conociendo la relación agua – cemento
efectiva es posible calcular el factor cemento, es función fundamentalmente de las
características físicas del agregado, de la consistencia seleccionada, y del contenido
de aire de la mezcla.
El Comité 211 del ACI presenta la siguiente tabla que permite seleccionar el volumen
unitario de agua, para agregados al estado seco, en concretos preparados con y sin
aire incorporado; teniendo como factores a ser considerados la consistencia que se
desea para la mezcla y el tamaño máximo nominal del agregado grueso seleccionado.
Tabla (3)Volumen unitario de agua
Los valores de esta tabla corresponden a agregado grueso de perfil angular y
granulometría comprendida dentro de los límites de la Norma ASTM C 33.
5. Selección del Contenido de Aire
Las burbujas de aire pueden estar presentes en la pasta como resultado de las
operaciones propias del proceso de puesta en obra, en cuyo caso se le conoce como
aire atrapado o aire natural; o pueden encontrarse en la mezcla debido a que han sido
intencionalmente incorporadas a ella, en cuyo caso se le conoce como aire
incorporado.
La siguiente tabla da el porcentaje aproximado de aire atrapado, en mezclas sin aire
incorporado, para diferentes tamaños máximos nominales de agregado grueso
adecuadamente graduado dentro de los requisitos de la Norma ITINTEC 400.037 ó
ASTM C 33.
Tabla (4)
Si se desea trabajar con aire incorporado, la Tabla (5) da tres niveles de aire total, los
cuales dependen de los propósitos de empleo del aire incorporado y de la severidad
de las condiciones del clima.
Tabla (5)
6. Selección de la Relación Agua-Cemento por resistencia
La relación agua-cemento de diseño, se refiere a la cantidad de agua que interviene
en la mezcla cuando el agregado esta en condición de saturado superficialmente seco,
es decir que no toma ni aporta agua. La relación agua-cemento efectiva se refiere a la
cantidad de agua de la mezcla cuando se tiene en consideración la condición real de
humedad del agregado.
El Comité 211 del ACI presenta la siguiente tabla para determinar la relación agua-
cemento.
Tabla (6)
7. Cálculo del contenido de Cemento
Conocidos el volumen unitario de agua por unidad de volumen del concreto y la
relación agua-cemento seleccionada, se puede determinar el factor cemento por
unidad cúbica de concreto mediante la división del volumen unitario de agua,
expresado en litros por metro cúbico, entre la relación agua-cemento, obteniéndose el
número de ilos de cemento por unidad cúbica de concreto.
8. Selección del Contenido de Agregado Grueso
La Tabla (7) elaborada por el Comité 211 del ACI es función del tamaño máximo
nominal del agregado grueso y del módulo de fineza del agregado fino. Ella permite
obtener un coeficiente resultante de la división del peso seco del agregado grueso
requerido por la unidad cúbica de concreto entre el peso unitario seco y varillado del
agregado grueso, expresado en kg/m3.
Multiplicando el coeficiente, obtenido en la Tabla (7), por el peso unitario seco varillado
del agregado grueso, se obtiene, de acuerdo al Método del ACI, la cantidad de
agregado grueso seco y compactado que debe emplearse en la mezcla.
Tabla (7)
9. Selección del Contenido de Agregado Fino
El método del Comité 211 del ACI determina el volumen absoluto de agregado fino por
diferencia entre la unidad y la suma de los volúmenes absolutos de cemento, agua de
diseño, aire y agregado grueso seco.
El volumen absoluto, o volumen desplazado por los diferentes ingredientes de la
unidad cúbica de concreto, conocido también como volumen de sólidos, es igual al
peso con que entra dicho material en la unidad cúbica de concreto dividido entre su
peso sólido, definido este último como el producto del peso específico del material por
el peso unitario del agua.
10. Ajustes por humedad del Agregado
Las cantidades de agregado que deben ser pesadas para preparar el concreto
deberán considerar la humedad de aquel. Generalmente en obra los agregados están
en condición húmeda y su peso deberá incrementarse en el porcentaje de agua que
ellos contienen, tanto la absorbida como la superficial.
El agua de mezclado incorporada ala mezcladora deberá ser algebraicamente
reducida en un volumen igual a la humedad superficial o humedad libre aportada por
los agregados, considerándose como tal al contenido de humedad del agregado
menos su porcentaje de absorción.
1. Método del comité 211 del ACI
Conceptos Generales:
El comité 211 del ACI ha desarrollado un procedimiento de diseño de mezclas
bastante simple el cual, basándose en algunas de las tablas, permite obtener valores
de los diferentes materiales que integran la unidad cúbica del concreto.
El procedimiento para la selección de las proporciones es aplicable a concretos de
peso normal y a las condiciones que para cada una de las Tablas se indican.
Aunque los mismos datos básicos y procedimientos pueden ser empleados en el
diseño de concretos pesados y concretos ciclópeos, al tratar estos se dá la
información complementaria.
Es usual que las características de obra establezcan limitaciones a quien tiene la
responsabilidad de diseñar la mezcla. Entre dichas limitaciones pueden estar:
- Relación agua-cemento máxima.
- Contenido mínimo de cemento.
- Contenido máximo de aire.
- Asentamiento.
- Tamaño máximo nominal del agregado grueso.
- Resistencia en compresión mínima.
- Requisitos especiales relacionados con la resistencia promedio, el empleo de
aditivos, o la utilización d tipos especiales de cemento o agregados.
La estimación de las cantidades d materiales requeridas para preparar una unidad
cúbica de concreto implica una secuencia cuyo cumplimiento perite, en función de las
características de los materiales, preparar la mezcla adecuada para el trabajo que se
va a efectuar.
Procedimiento de diseño:
Independientemente que las características finales del concreto sean indicadas en las
especificaciones o dejadas al criterio del profesional responsable del diseño de la
mezcla, las cantidades de materiales por metro cúbico de concreto pueden ser
determinadas, cuando se emplea el Método del Comité 211 del ACI, siguiendo la
secuencia que a continuación se indica:
- Estudiar cuidadosamente los requisitos indicados en los planos y en las
especificaciones de obra.
- Selección de la resistencia promedio a partir de la resistencia en compresión
especificada y la desviación estándar de la compañía constructora.
- Selección del tamaño máximo nominal del agregado.
- Selección del asentamiento.
- Selección del volumen unitario del agua de diseño (Tabla 3).
- Selección del contenido de aire (Tabla 4 y Tabla 5)
- Selección de la relación agua – cemento (Tabla 6).
- Determinación del Factor Cemento
- Determinación del contenido de agregado grueso (Tabla 7).
- Determinación de la suma de los volúmenes absolutos de cemento, agua de
diseño, aire y agregado grueso.
- Determinación del volumen absoluto de agregado fino.
- Determinación del peso seco del agregado fino.
- Determinación de los valores de diseño del cemento, agua, aire, agregado fino
y agregado grueso.
- Corrección de los valores de diseño por humedad del agregado
- Determinación de la proporción en peso, de diseño y de obra.
- Determinación de los pesos por tanda de saco.
- Determinación de las proporciones en volumen.
2. Método de Walker
Desarrollado por el Profesor Norteamericano Stanton Walter, quien elabora una tabla
en la que se toma en consideración la fineza del agregado fino, clasificándolo en tres
categorías: fino, mediano y grueso. Igualmente se considera si el agregado grueso es
de perfil redondeado o angular y, para cada uno de los dos casos, se considera cuatro
alternativas de factor de cemento. Todo ello permite encontrar en la Tabla un
porcentaje de agregado fino que se considera con el más conveniente en relación al
volumen absoluto total del agregado.
Calculado el volumen absoluto de agregado fino, se determina el de agregado grueso
por diferencia con el volumen absoluto total del agregado y, conocidos ambos, se
determina el peso seco de cada uno de ellos en la mezcla.
El procedimiento anterior garantiza una mejor relación fino-grueso en la mezcla de
concreto. La tabla de Walter corresponde a concretos sin aire incorporado.
Procedimiento de diseño:
Las cantidades de materiales por metro cúbico de concreto pueden ser determinadas,
cuando se emplea el Método de Walter, siguiendo la secuencia que a continuación se
indica:
- Selección de la resistencia promedio a partir de la resistencia en compresión
especificada y la desviación estándar de la compañía constructora.
- Selección del tamaño máximo nominal del agregado.
- Selección del asentamiento.
- Selección del volumen unitario del agua de diseño (Tabla 7.1).
Tabla (7.1)
- Selección del contenido de aire (Tabla 4 y Tabla 5)
- Selección de la relación agua – cemento (Tabla 6).
- Determinación del Factor Cemento
- Determinación del contenido de agregado grueso (Tabla 7).
- Determinación de la suma de los volúmenes absolutos de cemento, agua de
diseño, aire y agregado grueso.
- Determinación del volumen absoluto de agregado fino.
- Determinación del peso seco del agregado fino.
- Determinación de los valores de diseño del cemento, agua, aire, agregado fino
y agregado grueso.
- Corrección de los valores de diseño por humedad del agregado
- Determinación de la proporción en peso, de diseño y de obra.
- Determinación de los pesos por tanda de saco.
- Determinación de las proporciones en volumen.
3. Método de diseño de mezclas de CAPECO
Los pasos a seguir con éste método son los siguientes:
1. Selección del asentamiento:
Si el asentamiento no está especificado, se puede utilizar como referencia la siguiente
tabla (Tabla A).
Tabla A
Los valores máximos pueden ser incrementados en 1” para métodos de consolidación
diferentes de vibración.
2. Selección del Tamaño máximo del agregado.
Generalmente el tamaño máximo del agregado deberá ser el mayor que sea
económicamente compatible y consistente con las dimensiones de la estructura.
3. Estimación del agua de mezclado.
La cantidad de agua por unidad de volumen de concreto requerido para obtener un
asentamiento dado, depende del tamaño máximo, forma de partículas y graduación de
los agregados y la cantidad de aire incorporado. No es apreciablemente afectado por
la cantidad de cemento.
La siguiente tabla (Tabla B) proporciona una estimación del agua de mezclado
requerida para diferentes tamaños de agregado.
Tabla B
4. Selección de la relación Agua – Cemento
La relación agua-cemento es denominada no solamente por requerimientos de
resistencia sino también por otros factores cono durabilidad y propiedades del
acabado. Sin embargo la resistencia f’c de los planos debe incrementarse a un f’cr
necesarios que depende de la calidad de la construcción que a su vez depende de la
Mano de Obra, Equipo, Materiales y Control de Mezcla.
A continuación se presenta la tabla C que conservadoramente establece los factores K
de incremento:
f’cr = K.f’c
Tabla C
Con materiales típicos, las relaciones agua-cemento de la tabla D producirán las
resistencias mostradas, basadas en probetas ensayadas a los 28 días.
Se calculará la relación agua/cemento para el f’cr
Tabla D
5. Cálculo del contenido de cemento
El cemento requerido es igual al agua de mezclado (paso3) dividido entre la relación
agua – cemento (paso 4).
Se debe precisar que si el proyecto indica un contenido mínimo de cemento,
separadamente además de requerimientos de resistencia y durabilidad, la mezcla
estará basada en aquel criterio que de la mayor cantidad de cemento.
6. Estimación del contenido de agregado grueso
Los agregados de esencialmente el mismo tamaño máximo y graduación, producirán
concreto de trabajabilidad satisfactoria cuando un volumen dado de agregado grueso
seco y compactado, es empleado por unidad de volumen de concreto. Valores
aproximados para este volumen de concreto se dan en la tabla E siguiente:
Tabla E
El peso unitario seco y compactado del agregado grueso es de 1600 kg/m3 de donde:
7. Estimación del contenido de agregado fino
Considerando un concreto de riqueza media (330 Kg de cemento por m3),
asentamiento de 3” a 4” y peso específico de agregado de 2.70 se obtiene una
estimación del peso del concreto fresco que se muestra en la tabla F.
En base al peso de concreto se obtiene:
8. Ajuste por contenido de humedad de los agregados
Generalmente los agregados utilizados en la preparación de un cemento, están
húmedos por lo cual sus pesos secos se incrementan en el porcentaje de agua que
contengan, tanto agua absorbida como superficial. Así el agua de mezclado deber ser
reducida en una cantidad igual a la humedad que aportan los agregados.
Por lo tanto si se tiene:
Agregado Grueso: Humedad total: a%
% absorción: b%
Agregado Fino: Humedad total: c%
% absorción: d%
4. Método de Diseño de mezcla con Cemento Pórtland Puzolánico IP
propuesto por YURA
Este procedimiento, se aplica para concreto de peso normal, pudiendo extenderse al
caso de concretos de mayor peso unitario, en cuyo caso se utilizaría agregado de alto
peso unitario.
En las especificaciones del proyecto pueden encontrarse algunas o todas las
características que el proyectista requiere para su diseño de mezcla. Estas
características usualmente son:
Resistencia a la compresión.
Relación agua/cemento máxima.
Revenimiento (slump).
Tamaño máximo del agregado.
Necesidad de aire incorporado.
Uso de aditivos o uso de tipos especiales de cemento.
El ingeniero responsable de la obra debe ser capaz cuando las circunstancias lo
demanden, de asumir o definir las especificaciones y/o requerimientos de obra que no
estén estipulados en el proyecto y proponer al proyectista o propietario los cambios
que considere convenientes. El diseño de una mezcla se hace entonces más
específico. El proceso se efectúa de manera lógica y directa mediante pasos que se
acomoden a las características de los materiales con que se cuenta para componentes
del concreto, teniendo como referencia y primera meta la resistencia a la compresión
requerida. La resistencia a la compresión por si sola, no asegura que el concreto
producido, sea el adecuado a las demás condiciones indicadas en el punto 2 ni que se
adapte con eficiencia a las condiciones ambientales de la obra.
Es importante destacar los siguientes puntos relacionados con el diseño de mezclas.
El valor de la resistencia a la compresión f’c para el que se diseña,
corresponde a la rotura por compresión a los 28 días, de un cilindro Standard
de 6” de diámetro por 12” de altura, elaborado y curado en condiciones
óptimas, cargado durante la prueba a un determinado ritmo.
En los planos, en las especificaciones del proyecto o en el requerimiento para
el que se diseña, se establece el valor de la resistencia del concreto f’c. Este
valor se define como un valor probabilístico en el que no más de una de cada
diez pruebas, tenga un valor más bajo que el especificado.
Cuando se evalúa estadísticamente el concreto, en un conjunto de por lo
menos 30 pruebas, el valor obtenido de f’c mide el potencial del concreto que
se utiliza en la obra, este potencial se logra si este se constituye de acuerdo al
Standard requerido de construcción.
Así, el valor real de f’c en la estructura, primero tendrá variabilidad con relación
al de la evaluación y luego, guardará una relación razonable con el f’c de la
evaluación, siempre y cuando su producción sea uniforme y controlada, y su
transporte, colocación y curado, se efectúen adecuadamente. Cuando todo
este proceso es óptimo, se logrará obtener en la estructura construida, el
potencial total del concreto.
Para definir el valor promedio de f’c que servirá para diseñar una mezcla para
una obra determinada, este debe ser aumentado con relación al valor de f’c del
diseño indicado en plano; de lo contrario, por simple ley reprobabilidades, los
resultados de las pruebas estarán por igual encima o debajo de este valor; es
decir que probablemente el 50% de las pruebas daría por debajo, lo que
estaría en contradicción con la definición de f’c.
El incremento necesario sobre el valor de especificaciones de f’c, dependerá
de la competencia del ingeniero de la obra y de la calidad de la construcción,
por lo cual entra en juego, la mano de obra, el equipo, los materiales y el
control que se hará de la mezcla.
Los factores de incremento de f’c se pueden establecer conservadoramente
utilizando como guía la tabla que sigue.
TABLA Nº 1
FACTORES “K” DE INCREMENTO DEL VALOR f’c, PARA DISEÑO DE MEZCLAS
Secuencia de diseño de mezcla
Paso 1. Definir coeficiente de magnificación “K”
Este paso consiste en evaluar con que se contará en obra, el grado de control que se
llevará sobre la misma, comenzando por los materiales y terminando en la capacidad
del responsable de obra de controlar todo el proceso tecnológico de producir el
concreto. La tabla anterior nos da una guía sobre la forma de evaluar este factor.
Paso 2. Definir la consistencia de la mezcla, fijando un Slump
Si el Slump no está indicado en las especificaciones, se definirá los valores de slump
para cada clase de concreto en base al equipamiento de compactación con que
cuenta la obra y al tipo de llenado por efectuarse. Para tomar esta decisión, si no se
cuenta con información adecuada, se puede diseñar con la información que se ha
preparado el siguiente cuadro.
TABLA Nº 2
VALORES RECOMENDADOS DE SLUMP PARA VARIOS TIPOS DE CONSTRUCCIÓN
Paso 3. Escoger el tamaño máximo del agregado grueso.
Mientras mayor es el tamaño máximo del agregado grueso, siempre que éste sea bien
graduado en su granulometría, el concreto tendrá menos vacíos y como consecuencia
será más denso y resistente, así pues, concretos con mayor tamaño máximo de
agregado, requieren menos pasta de cemento por volumen unitario de concreto. Por
otro lado, el agregado grande utilizado en secciones con recubrimiento pequeño, o
secciones congestionadas de armadura, trae complicaciones para el buen flujo del
concreto en el encofrado, tendiéndose a formar cangrejeras. Es necesario entonces
elegir el tamaño del agregado teniendo en cuenta las características de la sección y
todos los factores que intervienen, incluyendo el equipo de consolidación con el que se
cuenta. El límite establecido para el tamaño máximo de agregados en concretos de
baja y mediana resistencia parece estar en los 50 mm para concretos con resistencias
hasta 245 Kg/cm2 y 38 mm para resistencias hasta 350 Kg/cm2. En general, el tamaño
máximo de agregado debería ser el mayor posible, que sea consistente con la
economía, el material que se encuentra en la zona, y con las dimensiones de la
estructura.
El tamaño máximo del agregado no debe ser mayor de 1/5 de la menor dimensión del
elemento estructural, 1/3 del espesor de losas o ¾ del espaciamiento libre entre las
barras de refuerzo. Estas limitaciones pueden ser desestimadas si se cuenta con
métodos especiales de consolidación o se define trabajabilidades especiales, que
permitan el llenado sin presencia de cangrejeras.
Paso 4. Habiendo elegido el slump y el tamaño máximo de agregado, determinar
el contenido de agua libre que requiere la mezcla.
La cantidad de agua requerida por metro cúbico de mezcla para una misma
consistencia (medida por el slump), depende del tamaño máximo, forma de partículas,
y el perfil granulométrico del agregado; también de la cantidad de aditivo incorporador
de aire (si lo hay). La cantidad de cemento no afecta mayormente el requerimiento de
agua.
La tabla Nº 3 que sigue, permite determinar los requerimientos de agua para la
mezcla, en función del slump y del tamaño máximo de agregados que ya se han
determinado. La tabla muestra el requerimiento de agua para varios tamaños máximos
de agregado y diferentes revenimientos; sin considerar aire incorporado; cuando se
usa aditivos incorporadotes de aire, la trabajabilidad del concreto mejora ligeramente.
La demanda real de agua puede diferir ligeramente de los valores de la tabla, tanto en
exceso como en defecto, pero estas diferencias no necesariamente se reflejan en
cambios de resistencia, ya que en pequeñas variaciones, otros factores, que son
compensatorios se encuentran presentes; por ejemplo, agregados redondeados y
angulosos, ambos de mineral competente y de similar granulometría, producirán
resistencias muy parecidas para iguales contenidos de cemento y ligeramente
diferentes relaciones a/c, ocasionadas por los diferentes requerimientos de agua.
TABLA Nº 3
DEMANDA DE AGUA LIBRE (Lts/m3)
Las cantidades de este cuadro aplican a los agregados cuyas características son:
agregado anguloso no muy bien graduado, con absorción alta. Los requerimientos de
agua serían ligeramente menores para agregados mejor graduados, de forma menos
áspera y angulosa y con menor absorción.
Paso 5. Selección de la relación agua / cemento.
La selección de la relación agua / cemento no se define solamente por requerimientos
de resistencia sino también por factores como durabilidad; en algunos casos por
consideraciones de calor de hidratación y facilidad para ser acabado. Desde que la
relación agua/cemento aplica formalmente para ser un determinado tipo y marca de
cemento, en conjunción con agregados particulares; es importante por razones de
economía, desarrollar la curva específica de cada caso. Cuando no se tiene esta
información, se tiene que usar valores aproximados, con cierto conservadurismo.
La tabla Nº 4 que se da a continuación, corresponde a información que está aun en
proceso de afinamiento mientras se enriquece la investigación actualmente en curso.
La obtención de esta relación requiere de mucho tiempo de trabajo, recopilación y
procesamiento de la información, para ser totalmente ajustada a la realidad, con
márgenes de seguridad adecuados al grado de información procesada. Así pues, con
la utilización de agregados y otros materiales que cumplan las normas específicas de
ingeniería, los valores tabulados para la relación a/c, deben producir concretos con
resistencias mayores a las indicadas en el cuadro, la comprobación debe basarse en
pruebas Standard, de probetas curadas en laboratorio de acuerdo a norma ASTM C-
39.
Para condiciones muy severas de exposición al medio ambiente, independientemente
de los requerimientos de f’c, la relación agua/cemento debe mantenerse baja de
acuerdo a las recomendaciones que se da en la tabla Nº 5. En estos casos, la
resistencia a la compresión puede resultar mayor que la requerida por la
especificación del proyecto estructural.
TABLA Nº 4
CORRESPONDENCIA ENTRE RELACIÓN AGUA/CEMENTO Y LA RESISTENCIA A LA
COMPRESIÓN DEL CONCRETO f’c
TABLA Nº 5
MÁXIMA RELACIÓN A/C PERMITIDA, PARA CONCRETOS EXPUESTOS A CONDICIONES
SEVERAS DE MEDIO AMBIENTE
Paso 6. Cálculo del contenido de cemento.
La cantidad de cemento por metro cúbico de concreto queda fijada por lo que se ha
determinado en los pasos 4 y 5 anteriores. El peso de cemento requerido es igual al
cociente entre la cantidad de agua requerida y la relación agua/cemento. Si es el caso
que las especificaciones del proyecto u otras razones indican una cantidad mínima de
cemento por metro cúbico, independientemente de lo requerido por resistencia, la
mezcla se debe diseñar basándose en el criterio que conduzca a la mayor cantidad
cemento por m3.
El uso de aditivos cambiará las propiedades tanto del concreto fresco como las del
concreto endurecido, por esta razón, los aditivos, cuando se utilizan deben tenerse en
cuenta en este paso para la dosificación.
Paso 7. Cálculo del peso de agregados.
El contenido total de agregados grueso y fino se puede calcular con aproximación
suficiente, dado el procedimiento que estamos empleando, restando del peso unitario
del concreto, los pesos calculados para el agua, cemento y aditivo si se está
empleando. Esta simplificación se puede justificar asumiendo que mediante un control
de la granulometría de la arena, establecido en base a parámetros empíricos ya
comprobados, los agregados y la pasta de cemento, ocuparán aproximadamente el
total del volumen de concreto, con la diferencia repartida entre el aire entrampado que
siempre queda y un ajuste que se efectúa en el rendimiento de la tanda. Esta pequeña
diferencia no afecta mayormente el resultado de la resistencia f’c del concreto.
La forma de repartir el peso total de agregados entre piedra y arena, es materia de
muchos procedimientos de diseño de mezclas; los procedimientos más precisos,
utilizados en las plantas de pre mezclados, se basan en información muy confiable de
sus agregados y en la forma mucho más controlada que disponen para poder afinar el
diseño.
En éste método se utilizará el procedimiento descrito a continuación, que se basa en
una calificación del tipo de arena que se dispone, para determinar la proporción de
agregado fino que se empleará en la mezcla. Para eso se utiliza una clasificación de
arenas, basada en la Norma Británica, y la relación que hay entre los diferentes tipos
de arena y el tipo de agregado grueso, definidos por el tamaño máximo. Esta relación
determina en que proporción deben mezclarse los agregados grueso y fino, para
ocupar eficientemente su lugar en el concreto. La clasificación de las arenas, y la
proporción en que deben mezclarse, se indican en las tablas siguientes:
TABLA Nº 6
CLASIFICACIÓN DE LAS ARENAS
TABLA Nº 7
PROPORCIÓN DE AGREGADO FINO (EN %)
5. Método del Módulo de Fineza de la combinación de Agregados
En éste método, los contenidos de agregado fino y grueso varían para las diferentes
resistencias, siendo esta variación función, principalmente, de la relación agua –
cemento y del contenido total del agua, expresados a través del contenido de cemento
de la mezcla.
Éste método tiene como premisa que el módulo de fineza del agregado, fino o grueso,
es un índice de su superficie específica y que en la medida que esta aumenta se
incrementa la demanda de pasta, así como si se mantiene constante la pasta y se
incrementa la fineza del agregado disminuye la resistencia por adherencia.
Como consecuencia de las investigaciones realizadas se ha podido establecer una
ecuación que relacione el módulo de fineza de los agregados fino y grueso, así como
su participación porcentual en el volumen absoluto total de agregado. Aplicando dicha
ecuación es posible determinar el valor del módulo de fineza de la combinación de
agregados más conveniente para condiciones dadas de la mezcla.
Dicha ecuación es:
En la cual:
m = módulo de fineza de la combinación de agregados.
mf = módulo de fineza del agregado fino.
mg = módulo de fineza del agregado grueso.
rf = Porcentaje de agregado fino en relación al volumen absoluto total de agregado.
rg = Porcentaje de agregado grueso en relación al volumen absoluto total de
agregado.
Con la ecuación anterior es posible obtener los diversos valores del módulo de fineza
de la combinación de agregados que dan las mejores condiciones de trabajabilidad
para diversos contenidos de cemento por metro cúbico de concreto, dichos valores se
indican en la Tabla 2.1
m = rf.mf + rg.mg
La proporción de agregado fino, de módulo de fineza conocido, en relación al volumen
absoluto total de agregado necesario, puede ser calculada con la siguiente ecuación:
El valor obtenido de esta ecuación, multiplicado por el volumen absoluto de agregado,
nos permite conocer el volumen absoluto de agregado fino. Por diferencia se puede
determinar el volumen absoluto de agregado grueso.
Ambos volúmenes absolutos, multiplicados por sus respectivos pesos secos sólidos
permiten calcular los pesos secos por unidad de volumen del concreto, de los
agregados fino y grueso.
El procedimiento de diseño es similar al del Método del ACI.
6. Diseño de Mezclas para Concreto Ciclópeo
El diseño se realiza a partir de las proporciones obtenidas en un diseño de concreto
simple mediante los métodos mencionados anteriormente.
Con estas proporciones, se obtiene el volumen de la mezcla para 01 bolsa de cemento
(V1), luego este volumen divide al volumen obtenido de la siguiente manera:
V2 = 1 m3 - %Piedra - %Aire atrapado
Para obtener el factor cemento (FC):
Con el cual se obtiene las cantidades de cemento y materiales necesarias para 1 m3.
ANÁLISIS GRANULOMÉTRICO
Debido a la forma irregularmente geométrica de las partículas de agregados, es obvio
que no es simple establecer un criterio numérico individual para definir el tamaño de
cada partícula midiendo sus dimensiones.
Como sería sumamente difícil medir el volumen de los diferentes tamaños de
partículas, se usa una manera indirecta, que es tamizarlas por una serie de mallas de
aberturas conocidas y pesar los materiales retenidos refiriéndolos en porcentaje con
respecto al peso total.
A esto se le denomina análisis granulométrico o granulometría, que es la
representación numérica de la distribución volumétrica de las partículas por tamaños.
Los valores hallados se representan gráficamente en un sistema coordenado semi-
logarítmico que permite apreciar la distribución acumulada.
La serie de tamices estándar ASTM para concreto tiene la particularidad de que
empieza por el tamiz de abertura cuadrada 3” y el siguiente tiene una abertura igual a
la mitad de la anterior. A partir de la malla 3/8” se mantiene la misma secuencia, pero
el nombre de las mallas se establece en función del número de aberturas por pulgada
cuadrada.
Otro concepto importante es el del Tamaño Máximo, que en términos generales
significa el menor tamiz por el que pasa todo el agregado tamizado. Se define
operativamente como Tamaño máximo nominal el correspondiente al menor tamiz que
produce el primer retenido.
El significado práctico del análisis granulométrico de los agregados estriba en que la
granulometría influye directamente en muchas propiedades del concreto fresco así
como en algunas del concreto endurecido, por lo que interviene como elemento
indispensable en todos los métodos de diseño de mezclas.
El Módulo de Fineza:
En la búsqueda de características numéricas que representaran la distribución
volumétrica de las partículas de agregados, se definió hace muchos años el Módulo de
Fineza.
Es un concepto sumamente importante establecido por Duff Abrams, y se define como
la suma de los porcentajes retenidos acumulativos de la serie Standard hasta el tamiz
Nº 100 y esta cantidad se divide entre 100. el sustento matemático del Módulo de
Fineza reside en que es proporcional al promedio logarítmico del tamño de partículas
de una cierta distribución granulométrica.
Debe tenerse muy en claro que es un criterio que se aplica tanto a la piedra como a la
arena, pues es general y sirve para caracterizar cada agregado independientemente o
la mezcla de agregados en conjunto.
La base experimental que apoya al concepto de Módulo de fineza es que
granulometrías que tengan igual M.F. independientemente de la gradación individual,
requieren la misma cantidad de agua para producir mezclas de concreto de similar
plasticidad y resistencia lo que lo convierte en un parámetro ideal para el diseño y
control de mezclas de concreto.
Evaluación de la calidad y la gradación de agregados
La Norma ASTM C-33 establece una serie de requisitos para el agregado grueso y fino
con objeto de considerarlos aptos para su empleo en concreto y que se consigna en
las tablas I y II.
En el caso del las granulometrías, se definen los llamados husos granulométricos que
representan los rangos dentro de los cuales debe encuadrarse determinada gradación
para obtener la distribución de partículas más adecuada para concreto y que en teoría
producen las mezclas más densas y mejor graduadas.
Esto es cierto sólo hasta cierto punto, ya que si bien al evaluarse individualmente la
piedra y la arena con estos husos, se obtienen los denominados agregados bien
graduados, la proporción en que se mezclen es en definitivaza que condiciona el
resultado en la mezcla.
Lo importante pues en cuanto a la granulometría es la gradación total por lo que puede
darse el caso de agregados que no entren en los husos y que sin embargo
mezclándolos adecuadamente suministren una distribución de partículas eficiente. La
misma norma C-33 admite esto ya que indica que se podrán emplear agregados que
no cumplan los requerimientos, si se demuestra que con ellos se obtienen concretos
que satisfacen las especificaciones técnicas del proyecto que se trate.
Para evaluar las granulometrías totales se hace uso de las curvas teóricas y de husos
totales, probando proporciones de mezcla de agregados que se acerquen lo más
posible a ellas.
a) Material más fino que la malla Nº 200
Tiene trascendencia en la adherencia entre el agregado y la pasta, afectando la
resistencia. Por otro lado, las mezclas requieren una mayor cantidad de agua, por
lo que se acostumbra limitarlos entre el 3% al 5%, aunque valores superiores hasta
del orden del 7% no necesariamente causarán un efecto perniciosos notable que
no pueda contrarrestarse mejorando el diseño de mezclas, bajando la relación
agua/cemento y/o optimizando granulometría.
b) Impurezas Orgánicas.
Influyen primordialmente en modificar los tiempos de endurecimiento y desarrollo
de resistencia, pudiendo provocar además manchas o afectar la durabilidad si se
encuentran en grandes cantidades, lo cual no es usual.
c) Partículas ligeras, Partículas blandas, Lentes de arcilla.
Si están presentes en cantidades apreciables, provocan la localización de zonas
débiles, y pueden interferir con la durabilidad.
Tabla I.- Requisitos granulométricos ASTM C-33 para Agregado grueso en % pasante
acumulado en peso para cada malla Standard
Tabla II.- Requisitos granulométricos para Agregado fino y límites para sustancias
perjudiciales en agregado fino y grueso según ASTM C-33
FUNCIONAMIENTO DEL PROGRAMA
“DISEÑO DE MEZCLAS DE CONCRETO” VERSION 1.1
Antes de acceder al programa:
Ingresar a Microsoft Excel y en la Barra de Menús, en el menú Herramientas,
submenú Macro, ingresar a la opción Seguridad y en Nivel de Seguridad
seleccionar Medio.
Al ejecutar el programa, hacer click en la opción Habilitar Macros.
1. Funcionamiento del Programa.
El programa realiza diseños de mezclas de concreto utilizando diversos métodos, para
esto se Hojas de Cálculo (una hoja para cada método), además de Análisis
granulométrico y combinación de agregados.
Ingreso de datos.
El ingreso de datos en forma manual y directa se realiza en la hoja “DATOS” que se
muestra en la figura.
Las celdas habilitadas para el ingreso de datos son las de color amarillo.
Todos los datos serán enlazados con las diferentes Hojas de Cálculo, para realizar los
procesos mencionados anteriormente.
En cada Hoja de Cálculo se deberá escoger algunos datos básicos para el diseño de
mezcla como son:
Asentamiento
Tamaño máximo del agregado
Tipo de cemento
Selección del Asentamiento
Selección del Tamaño Máximo de la Piedra
Selección del Tipo de Cemento
Para el Análisis Granulométrico, se obtiene la curva granulométrica y su comparación
con los Parámetros ASTM C-33.
Otra herramienta adicional del programa es aquella que permite la combinación de
agregados de 2 a 3 canteras diferentes.
Finalmente los resultados del Diseño de Mezclas se muestran en la hoja “RESUMEN”,
en la que se agrupan las proporciones obtenidas en todos los métodos de diseño.
2. Base de Datos de Canteras
El programa cuenta con un sistema de almacenamiento de resultados de los ensayos
de laboratorio realizados en el Plan Meriss Inka. Los cuales pueden ser llamados
desde una base de datos y utilizados para los procesos tratados en el item anterior.
El sistema de ingreso de datos para almacenar se muestra a continuación:
Para el almacenamiento de datos generales
Para el almacenamiento de datos de laboratorio
El programa cuenta con herramientas que permite la eliminación y búsqueda de estos
datos para poder utilizarlos en el diseño de mezclas, como se muestra a continuación.
Búsqueda por Nombre
Búsqueda por Ubicación
Búsqueda Avanzada